Capítulo 7. Switching Ethernet by Esaú Centeno Hernández

7. Switching Ethernet

esaucentenohernandez — 2024-02-29 21:18:29 UTC

7.1. Tramas de Ethernet

esaucentenohernandez — 2024-02-29 21:18:29 UTC

7.1.1 Encapsulamiento de Ethernet

esaucentenohernandez — 2024-02-29 21:18:29 UTC

Ethernet es una de las dos tecnologías LAN utilizadas hoy en día, siendo la otra LAN inalámbricas (WLAN).

esaucentenohernandez — 2024-02-29 21:18:29 UTC

Ethernet utiliza comunicaciones por cable, incluyendo pares trenzados, enlaces de fibra óptica y cables coaxiales.

esaucentenohernandez — 2024-02-29 21:18:29 UTC

Ethernet funciona en la capa de enlace de datos y en la capa física.

Subcapa LLC

esaucentenohernandez — 2024-02-29 21:18:29 UTC

Subcapa LLC - Esta subcapa IEEE 802.2 se comunica entre el software de red en las capas superiores y el hardware del dispositivo en las capas inferiores.

Subcapa MAC

esaucentenohernandez — 2024-02-29 21:18:29 UTC

Subcapa MAC - Esta subcapa (IEEE 802.3, 802.11 o 802.15, por ejemplo) se implementa en hardware y es responsable de la encapsulación de datos y control de acceso a medios.

7.1.2 Subcapas de enlace de datos

esaucentenohernandez — 2024-02-29 21:18:29 UTC

Los protocolos IEEE 802 LAN/MAN, incluyendo Ethernet, utilizan las dos subcapas independientes siguientes de la capa de enlace de datos para operar (es decir las subcapas Control de enlace lógico (LLC) y el Control de acceso a medios (MAC)).

esaucentenohernandez — 2024-02-29 21:18:29 UTC

Recuerde que

7.2. Dirección MAC de Ethernet

esaucentenohernandez — 2024-02-29 21:18:29 UTC

7.2.3 Subcapa MAC

esaucentenohernandez — 2024-02-29 21:18:29 UTC

Encapsulación de datos

esaucentenohernandez — 2024-02-29 21:18:29 UTC

La encapsulación de datos IEEE 802.3 incluye lo siguiente:

Trama de Ethernet - Esta es la estructura interna de la trama Ethernet.
Direccionamiento Ethernet - la trama Ethernet incluye una dirección MAC de origen y destino para entregar la trama Ethernet de NIC Ethernet a NIC Ethernet en la misma LAN.
Detección de errores Ethernet - La trama Ethernet incluye un avance de secuencia de verificación de trama (FCS) utilizado para la detección de errores.

Accediendo a los medios

esaucentenohernandez — 2024-02-29 21:18:29 UTC

La subcapa MAC IEEE 802.3 incluye las especificaciones para diferentes estándares de comunicaciones Ethernet sobre varios tipos de medios, incluyendo cobre y fibra

esaucentenohernandez — 2024-02-29 21:18:29 UTC

Recuerde que Ethernet heredado utiliza una topología de bus o hubs, es un medio compartido, medio dúplex.

Las LAN Ethernet de hoy utilizan switches que funcionan en dúplex completo.

7.1.4 Campos de trama de Ethernet

esaucentenohernandez — 2024-02-29 21:18:29 UTC

La subcapa MAC es responsable de la encapsulación de datos y el acceso a los medios.

esaucentenohernandez — 2024-02-29 21:18:29 UTC

El tamaño mínimo de trama de Ethernet es de 64 bytes, y el máximo es de 1518 bytes.

esaucentenohernandez — 2024-02-29 21:18:29 UTC

Los protocolos IEEE 802 LAN/MAN, incluyendo Ethernet, utilizan las dos subcapas LLC y MAC

esaucentenohernandez — 2024-02-29 21:18:29 UTC

Esto incluye todos los bytes del campo de dirección MAC de destino a través del campo de secuencia de verificación de trama (FCS).

7.2.1 Dirección MAC y hexadecimal

esaucentenohernandez — 2024-02-29 21:18:29 UTC

Las direcciones IPv6 y las direcciones Ethernet se representan utilizando el sistema de número de dieciséis base hexadecimal.

esaucentenohernandez — 2024-02-29 21:18:29 UTC

El sistema de numeración hexadecimal usa los números del 0 al 9 y las letras de la A a la F.

esaucentenohernandez — 2024-02-29 21:18:29 UTC

Una dirección MAC Ethernet consta de un valor binario de 48 bits. Por lo tanto, una dirección MAC Ethernet de 48 bits se puede expresar utilizando sólo 12 valores hexadecimales.

7.2.2 Dirección MAC de Ethernet

esaucentenohernandez — 2024-02-29 21:18:29 UTC

La dirección MAC se utiliza para identificar los dispositivos físicos de origen y destino (NIC) en el segmento de red local.

esaucentenohernandez — 2024-02-29 21:18:29 UTC

El direccionamiento MAC proporciona un método para la identificación del dispositivo en la capa de enlace de datos del modelo OSI.

esaucentenohernandez — 2024-02-29 21:18:29 UTC

Si el tamaño de una trama transmitida es menor que el mínimo o mayor que el máximo, el dispositivo receptor descarta la trama. Es posible que las tramas descartadas se originen en colisiones u otras señales no deseadas

Campos de trama en internet

esaucentenohernandez — 2024-02-29 21:18:29 UTC

Cada campo en la trama Ethernet.

esaucentenohernandez — 2024-02-29 21:18:29 UTC

Una dirección MAC Ethernet es una dirección de 48 bits expresada con 12 dígitos hexadecimales.

7.2.3 Procesamiento de tramas

esaucentenohernandez — 2024-02-29 21:18:29 UTC

Proceso de reenvío de tramas.

esaucentenohernandez — 2024-02-29 21:18:29 UTC

Cuando una NIC recibe una trama de Ethernet, examina la dirección MAC de destino para ver si coincide con la dirección MAC física que está almacenada en la RAM. Si no hay coincidencia, el dispositivo descarta la trama. Si hay coincidencia, envía la trama a las capas OSI, donde ocurre el proceso de desencapsulamiento.

esaucentenohernandez — 2024-02-29 21:18:29 UTC

Cuando un dispositivo reenvía un mensaje a una red Ethernet, el encabezado Ethernet incluye estos:

Dirección MAC de origen - Esta es la dirección MAC de la NIC del dispositivo origen.
Dirección MAC de destino - Esta es la dirección MAC de la NIC del dispositivo de destino.

esaucentenohernandez — 2024-02-29 21:18:29 UTC

Nota: Las NIC de Ethernet también aceptarán tramas si la dirección MAC de destino es una transmisión o un grupo multicast del que es miembro el host.

esaucentenohernandez — 2024-02-29 21:18:29 UTC

Una trama de multicast de Ethernet es recibida y procesada por un grupo de dispositivos en la LAN de Ethernet que pertenecen al mismo grupo de multicast.

esaucentenohernandez — 2024-02-29 21:18:29 UTC

Las características de una multicast Ethernet son las siguientes:

Hay una dirección MAC de destino 01-00-5E cuando los datos encapsulados son un paquete de multicast IPv4 y una dirección MAC de destino de 33-33 cuando los datos encapsulados son un paquete de multicast IPv6.
Existen otras direcciones MAC de destino de multicast reservadas para cuando los datos encapsulados no son IP, como Spanning Tree Protocol (STP) y Link Layer Discovery Protocol (LLDP).
Se inundan todos los puertos del switch Ethernet excepto el puerto entrante, a menos que el switch esté configurado para la indagación de multicast.
No es reenviado por un router, a menos que el router esté configurado para enrutar paquetes de multicast.

7.2.4 Dirección MAC de unicast

esaucentenohernandez — 2024-02-29 21:18:29 UTC

En Ethernet, se utilizan diferentes direcciones MAC para las comunicaciones de unicast, broadcast y multicast de capa 2.

7.3. Tabla de direcciones MAC

esaucentenohernandez — 2024-02-29 21:18:29 UTC

Cada dispositivo de la LAN Ethernet recibe y procesa una trama de broadcast Ethernet.

7.2.5 Dirección MAC broadcast

esaucentenohernandez — 2024-02-29 21:18:29 UTC

Las características de una transmisión Ethernet son las siguientes:

Tiene una dirección MAC de destino de FF-FF-FF-FF-FF-FF en hexadecimal (48 unidades en binario).
Está inundado todos los puertos del switch Ethernet excepto el puerto entrante.
No es reenviado por un router.

Procesamiento de una trama de broadcast.

esaucentenohernandez — 2024-02-29 21:18:29 UTC

En este ejemplo, la dirección MAC de destino y la dirección IP de destino son ambas broadcasts.

esaucentenohernandez — 2024-02-29 21:18:29 UTC

Como se muestra en la animación, el host de origen envía un paquete broadcast IPv4 a todos los dispositivos de la red.

7.2.6 Dirección MAC de multicast

esaucentenohernandez — 2024-02-29 21:18:29 UTC

7.3.1 Fundamentos de switches

esaucentenohernandez — 2024-02-29 21:18:29 UTC

Un switch Ethernet de capa 2 usa direcciones MAC de capa 2 para tomar decisiones de reenvío.

esaucentenohernandez — 2024-02-29 21:18:29 UTC

El switch toma sus decisiones de reenvío basándose únicamente en las direcciones MAC Ethernet de capa 2.

esaucentenohernandez — 2024-02-29 21:18:29 UTC

Las aplicaciones como el software de vídeo e imágenes también pueden utilizar direccionamiento multicast, aunque las aplicaciones multicast no son tan comunes.

Procesamiento de una trama de multicast.

esaucentenohernandez — 2024-02-29 21:18:29 UTC

En este ejemplo, la dirección MAC de destino y la dirección IP de destino son ambas multicast.

Ethernet Frame Fields Detail

esaucentenohernandez — 2024-02-29 21:18:29 UTC

Función de cada campo.

esaucentenohernandez — 2024-02-29 21:18:29 UTC

Nota: En ocasiones, la tabla de direcciones MAC se denomina tabla de memoria de contenido direccionable (CAM). Aunque el término “tabla CAM” es bastante común.

esaucentenohernandez — 2024-02-29 21:18:29 UTC

La animación muestra un host de origen que envía una trama de multicast a los dispositivos que pertenecen al grupo de multicast. Dos de los tres hosts de PC y un servidor reciben el trama de multicast.

7.3.2 Switch, Aprendiendo y Reenviando

esaucentenohernandez — 2024-02-29 21:18:29 UTC

El switch arma la tabla de direcciones MAC de manera dinámica después de examinar la dirección MAC de origen de las tramas recibidas en un puerto.

Examinar la dirección MAC de Origen

esaucentenohernandez — 2024-02-29 21:18:29 UTC

En la figura, por ejemplo, la PC-A está enviando una trama Ethernet a la PC-D. La tabla muestra que el switch agrega la dirección MAC para PC-A a la tabla de direcciones MAC.

esaucentenohernandez — 2024-02-29 21:18:29 UTC

Nota: Si la dirección MAC de origen existe en la tabla, pero en un puerto diferente, el switch la trata como una entrada nueva. La entrada se reemplaza con la misma dirección MAC, pero con el número de puerto más actual.

esaucentenohernandez — 2024-02-29 21:18:29 UTC

Como se muestra en la figura, el switch no tiene la dirección MAC de destino en su tabla para PC-D, por lo que envía la trama a todos los puertos excepto el puerto 1.

esaucentenohernandez — 2024-02-29 21:18:29 UTC

Nota: Si la dirección MAC de destino es de broadcast o de multicast, la trama también se envía por todos los puertos, excepto el de entrada.

Equivalentes decimales y binarios a los valores hexadecimales del 0 al F

esaucentenohernandez — 2024-02-29 21:18:29 UTC

7.3.3 Filtrado de tramas

esaucentenohernandez — 2024-02-29 21:18:29 UTC

A medida que un switch recibe tramas de diferentes dispositivos, puede completar la tabla de direcciones MAC examinando la dirección MAC de cada trama. Cuando la tabla de direcciones MAC del switch contiene la dirección MAC de destino, puede filtrar la trama y reenviar un solo puerto.

esaucentenohernandez — 2024-02-29 21:18:29 UTC

En la figura, PC-D responde a PC-A. El switch ve la dirección MAC de PC-D en la trama entrante en el puerto 4. A continuación, el switch coloca la dirección MAC de PC-D en la tabla de direcciones MAC asociada con el puerto 4.

7.4 Velocidades y métodos de reenvío del switch

esaucentenohernandez — 2024-02-29 21:18:29 UTC

A continuación, dado que el switch tiene la dirección MAC de destino para la PC-A en la Tabla de direcciones MAC, enviará la trama solo al puerto 1.

esaucentenohernandez — 2024-02-29 21:18:29 UTC

A continuación, PC-A envía otro trama a PC-D. La tabla de direcciones MAC ya contiene la dirección MAC para PC-A; por lo tanto, el temporizador de actualización de cinco minutos para esa entrada se restablece. Luego, debido a que la tabla de switch contiene la dirección MAC de destino para PC-D, envía la trama solo por el puerto 4.

esaucentenohernandez — 2024-02-29 21:18:29 UTC

Por lo tanto, una dirección MAC Ethernet consiste en un código OUI de proveedor hexadecimal 6 seguido de un valor asignado por el proveedor hexadecimal 6.

esaucentenohernandez — 2024-02-29 21:18:29 UTC

Los números hexadecimales suelen ser representados por el valor precedido por 0x (por ejemplo, 0x73) para distinguir entre valores decimales y hexadecimales en la documentación.

7.4.1 Métodos de reenvío de tramas de los switches Cisco

esaucentenohernandez — 2024-02-29 21:18:29 UTC

Store-and-forward switching

esaucentenohernandez — 2024-02-29 21:18:29 UTC

Una gran ventaja de store-and-forward switching, es que determina si una trama tiene errores antes de propagarla. Cuando se detecta un error en la trama, el switch la descarta.

esaucentenohernandez — 2024-02-29 21:18:29 UTC

Los switches utilizan uno de los siguientes métodos de reenvío para el switching de datos entre puertos de la red:

Switching de almacenamiento y envío.
Switching por método de corte.

esaucentenohernandez — 2024-02-29 21:18:29 UTC

Store-and-forward switching se requiere para el análisis de calidad de servicio (QoS) en las redes convergentes.

esaucentenohernandez — 2024-02-29 21:18:29 UTC

Cuando un proveedor asigna una dirección MAC a un dispositivo o interfaz Ethernet, el proveedor debe hacer lo siguiente:

Utiliza su OUI asignado como los primeros 6 dígitos hexadecimales.
Asigna un valor único en los últimos 6 dígitos hexadecimales.

Equivalentes decimales, binarios y hexadecimales seleccionados

esaucentenohernandez — 2024-02-29 21:18:29 UTC

Dado que 8 bits (un byte) es un método de agrupación binaria común, los números binarios del 00000000 al 11111111 se pueden representar en hexadecimal como el rango del 00 al FF

Demostración del proceso de store-and-forward

esaucentenohernandez — 2024-02-29 21:18:29 UTC

Dos de las configuraciones más básicas en un switch son el ancho de banda (a veces denominado "velocidad") y la configuración dúplex para cada puerto de switch individual.

7.4.2 Switching por método de corte

esaucentenohernandez — 2024-02-29 21:18:29 UTC

En este tipo de switching, el switch actúa sobre los datos apenas los recibe, incluso si la transmisión aún no se completó.

esaucentenohernandez — 2024-02-29 21:18:29 UTC

El switch almacena la cantidad suficiente de trama como para leer la dirección MAC de destino para que pueda determinar a qué puerto debe reenviar los datos.

7.4.3 Almacenamiento en búfer de memoria en los switches

esaucentenohernandez — 2024-02-29 21:18:29 UTC

Un switch Ethernet puede usar una técnica de almacenamiento en búfer para almacenar tramas antes de enviarlas. También se puede utilizar el almacenamiento en búfer cuando el puerto de destino está ocupado debido a la congestión. El switch almacena la trama hasta que se pueda transmitir.

7.4.4 Configuración de dúplex y velocidad

esaucentenohernandez — 2024-02-29 21:18:29 UTC

El almacenamiento en búfer de memoria compartida también da como resultado la capacidad de almacenar tramas más grandes con potencialmente menos tramas descartadas.

esaucentenohernandez — 2024-02-29 21:18:29 UTC

Hay dos métodos de almacenamiento en memoria intermedia:

-Memoria basada en puerto.

-Memoria compartida.

Demostración del proceso cut-through switching.

esaucentenohernandez — 2024-02-29 21:18:29 UTC

Asignatura: Introducción a las Redes de Computadoras

Docente: Nancy Judith Beltrán Valenzuela

Alumno: Esaú Centeno Hernández

Grupo 0V

esaucentenohernandez — 2024-02-29 21:18:29 UTC

Ethernet soporta los siguientes anchos de banda de datos:

10 Mbps
100 Mbps
1000 Mbps (1 Gbps)
10.000 Mbps (10 Gbps)
40,000 Mbps (40 Gbps)
100,000 Mbps (100 Gbps)

esaucentenohernandez — 2024-02-29 21:18:29 UTC

Los estándares de Ethernet definen tanto los protocolos de Capa 2 como las tecnologías de Capa 1.

esaucentenohernandez — 2024-02-29 21:18:29 UTC

Una dirección MAC de unicast es la dirección única que se utiliza cuando se envía una trama desde un único dispositivo de transmisión a un único dispositivo de destino.

Procesamiento de una trama de unicast.

esaucentenohernandez — 2024-02-29 21:18:29 UTC

En este ejemplo, la dirección MAC de destino y la dirección IP de destino son unicast.

esaucentenohernandez — 2024-02-29 21:18:29 UTC

Para que un paquete de unicast se envíe y se reciba, la dirección IP de destino debe estar incluida en el encabezado del paquete IP. Además, el encabezado de la trama de Ethernet también debe contener una dirección MAC de destino correspondiente.

Dos variantes del cut-through switching

esaucentenohernandez — 2024-02-29 21:18:29 UTC

Switching de reenvío rápido. Este método ofrece el nivel de latencia más bajo.
Switching libre de fragmentos.En este método, el switch almacena los primeros 64 bytes de la trama antes de reenviarla.

esaucentenohernandez — 2024-03-03 04:49:54 UTC

Se utilizan dos tipos de parámetros dúplex para las comunicaciones en una red Ethernet:

Dúplex completo - Ambos extremos de la conexión pueden enviar y recibir datos simultáneamente.
Semidúplex - Solo uno de los extremos de la conexión puede enviar datos por vez.

esaucentenohernandez — 2024-03-03 04:50:52 UTC

En la figura, la NIC Ethernet para PC-A puede funcionar en duplex completo o medio duplex, y en 10 Mbps o 100 Mbps.

esaucentenohernandez — 2024-03-03 04:51:54 UTC

La falta de coincidencia dúplex es una de las causas más comunes de problemas de rendimiento en enlaces Ethernet de 10/100 Mbps. Ocurre cuando un puerto en el enlace opera en medio duplex mientras que el otro puerto opera en duplex completo.

7.4.5 Auto-MDIX (MDIX automático)

esaucentenohernandez — 2024-03-03 04:58:13 UTC

esaucentenohernandez — 2024-03-03 04:58:27 UTC

Las conexiones entre dispositivos requerían el uso de un cable cruzado o directo. El tipo de cable requerido dependía del tipo de dispositivos de interconexión.

esaucentenohernandez — 2024-03-03 04:58:49 UTC

Se utiliza un cable cruzado cuando se conectan dispositivos similares, y un cable directo para conectarse a dispositivos diferentes.

esaucentenohernandez — 2024-03-03 04:59:25 UTC

Nota: Una conexión directa entre un router y un host requiere una conexión cruzada.

esaucentenohernandez — 2024-03-03 05:00:30 UTC

Actualmente, la mayor parte de los dispositivos admiten la característica interfaz cruzada automática dependiente del medio (auto-MDIX). Cuando está habilitado, el switch detecta automáticamente el tipo de cable conectado al puerto y configura las interfaces en consecuencia

esaucentenohernandez — 2024-03-03 05:01:26 UTC

Por lo tanto, se puede utilizar un cable directo o cruzado para realizar la conexión con un puerto 10/100/1000 de cobre situado en el switch, independientemente del tipo de dispositivo que esté en el otro extremo de la conexión.