Para sostener nuestras
comunicaciones, el modelo OSI divide las funciones de una red de datos en
capas.
Para resumir:
La capa de aplicación provee la
interfaz al usuario.
La capa de transporte es
responsable de dividir y manejar las comunicaciones entre los procesos que
funcionan en los dos sistemas finales.
Los protocolos de capa de red
organizan nuestros datos de comunicación para que puedan viajar a través de
internetworks desde el host que los origina hasta el host destino.
Para que los paquetes de capa de
red sean transportados desde el host origen al host destino deben recorrer
diferentes redes físicas. Estas redes físicas pueden componerse de diferentes
tipos de medios físicos, tales como alambres de cobre, microondas, fibras
ópticas y enlaces satelitales. Los paquetes de capas de red no tienen una
manera de acceder directamente a estos diferentes medios.
La función de la capa de enlace
de datos de OSI es preparar los paquetes de la capa de red para ser
transmitidos y controlar el acceso a los medios físicos.
Objetivos de aprendizaje
Al completar este capítulo, usted
podrá:
Explicar el papel de los
protocolos de capa de enlace de datos en la transmisión de datos.
Describir cómo la capa de enlace
de datos prepara los datos para transmitirlos sobre los medios de red.
Describir los diferentes tipos de
métodos de control de acceso a los medios.
Identificar varias topologías
comunes de red lógica y describir cómo la topología lógica determina el método
de control de acceso a los medios para esa red.
Explicar el propósito de
encapsular paquetes en tramas para facilitar el acceso a los medios.
Describir la estructura de trama
de la Capa 2 e identificar campos genéricos.
Explicar el papel de los campos
clave de encabezado de trama y tráiler, lo que incluye direccionamiento,
calidad de servicio, tipo de protocolo y secuencia de verificación de trama.
7.1.1 Capa de enlace de datos: soporte y conexión a servicios de capa
superior
La capa de enlace de datos
proporciona un medio para intercambiar datos a través de medios locales
comunes.
La capa de enlace de datos
realiza dos servicios básicos:
Permite a las capas superiores
acceder a los medios usando técnicas, como tramas.
Controla cómo los datos se ubican
en los medios y son recibidos desde los medios usando técnicas como control de
acceso a los medios y detección de errores.
Como con cada una de las capas OSI, existen términos específicos para
esta capa:
Trama: el PDU de la capa de
enlace de datos.
Nodo: la notación de la Capa 2
para dispositivos de red conectados a un medio común.
Medios/medio (físico)*: los
medios físicos para la transferencia de información entre dos nodos.
Red (física)**: dos o más nodos
conectados a un medio común.
La capa de enlace de datos es
responsable del intercambio de tramas entre nodos a través de los medios de una
red física.
*Es importante comprender el
significado de las palabras medio y medios en el contexto de este capítulo.
Aquí, estas palabras se refieren al material que realmente transporta las
señales que representan los datos transmitidos. Los medios son el cable de
cobre, la fibra óptica físicos o el entorno a través de los cuales la señal
viaja.
*Una red física es diferente de
una red lógica. Las redes lógicas se definen en la capa de red mediante la
configuración del esquema de direccionamiento jerárquico. Las redes físicas
representan la interconexión de dispositivos de medios comunes.
Acceso al medio de la capa superior
Como hemos mencionado, un modelo
de red permite que cada capa funcione con un mínimo interés por los papeles de
las otras capas. La capa de enlace de datos releva a las capas superiores de la
responsabilidad de colocar datos en la red y de recibir datos de la red. Esta
capa proporciona servicios para soportar los procesos de comunicación para cada
medio por el cual se transmitirán los datos.
En cualquier intercambio de
paquetes de capas de red, puede haber muchas transiciones de medios y capa de
enlace de datos. En cada salto a lo largo de la ruta, un dispositivo
intermediario, generalmente un router, acepta las tramas de un medio,
desencapsula la trama y luego envía el paquete a una nueva trama apropiada para
los medios de tal segmento de la red física.
Entre la PC y el router puede
haber un enlace Ethernet. Los routers están conectados a través de un enlace
satelital y la computadora portátil está conectada a través de un enlace inalámbrico
al último router. En este ejemplo, como un paquete IP viaja desde la PC hasta
la computadora portátil, será encapsulado en la trama Ethernet, desencapsulado,
procesado y luego encapsulado en una nueva trama de enlace de datos para cruzar
el enlace satelital. Para el enlace final, el paquete utilizará una trama de
enlace de datos inalámbrica desde el router a la computadora portátil.
La capa de enlace de datos aísla
de manera efectiva los procesos de comunicación en las capas superiores desde
las transiciones de medios que pueden producirse de extremo a extremo. Un
paquete se recibe de un protocolo de capa superior y se dirige a éste, en este
caso IPv4 o IPv6, que no necesita saber qué medio de comunicación utilizará.
Sin la capa de enlace de datos, un
protocolo de capa de red, tal como IP, tendría que tomar medidas para
conectarse con todos los tipos de medios que pudieran existir a lo largo de la
ruta de envío. Más aún, IP debería adaptarse cada vez que se desarrolle una
nueva tecnología de red o medio. Este proceso dificultaría la innovación y
desarrollo de protocolos y medios de red. Éste es un motivo clave para usar un
método en capas en interconexión de redes.
El rango de los servicios de la
capa de enlace de datos tiene que incluir todos los tipos de medios actualmente
utilizados y los métodos para acceder a ellos. Debido a la cantidad de
servicios de comunicación provistos por la capa de enlace de datos, es difícil
generalizar su papel y proporcionar ejemplos de un conjunto de servicios genéricos.
Por esa razón, note que cualquier protocolo dado puede o no puede soportar
todos estos Servicios de capa de enlace de datos.
7.1.2 Capa de enlace de datos: control de la transferencia a través de
medios locales
Los protocolos de la Capa 2
especifican la encapsulación de un paquete en una trama y las técnicas para
colocar y sacar el paquete encapsulado de cada medio. La técnica utilizada para
colocar y sacar la trama de los medios se llama método de control de acceso al
medio. Para que los datos se transfieran a lo largo de una cantidad de medios
diferentes, puede que se requieran diferentes métodos de control de acceso al
medio durante el curso de una única comunicación.
Cada entorno de red que los
paquetes encuentran cuando viajan desde un host local hasta un host remoto
puede tener características diferentes. Por ejemplo: un entorno de red puede
componerse de muchos hosts disputando el acceso a un medio de red de forma ad
hoc. Otro entorno puede componerse de una conexión directa entre sólo dos
dispositivos sobre los cuales fluyen los datos de manera secuencial como bits
de manera ordenada.
Los métodos de control de acceso
al medio descritos en los protocolos de capa de enlace de datos definen los
procesos por los cuales los dispositivos de red pueden acceder a los medios de
red y transmitir marcos en diferentes entornos de red.
Un nodo que es un dispositivo
final utiliza un adaptador para hacer la conexión a la red. Por ejemplo: para
conectarse a una LAN, el dispositivo usaría la tarjeta de interfaz de red (NIC)
para conectarse a los medios LAN. El adaptador administra la trama y el control
de acceso a los medios.
En dispositivos intermediarios,
tales como un router donde los tipos de medios pueden cambiar para cada red
conectada, se utilizan diferentes interfaces físicas en el router para
encapsular el paquete en la trama apropiada y se utiliza un método de control
de acceso a los medios adecuado para acceder a cada enlace. El router de la
figura tiene una interfaz Ethernet para conectarse a la LAN y una interfaz
serial para conectarse a la WAN. A medida que el router procesa tramas,
utilizará los servicios de la capa de enlace de datos para recibir la trama
desde un medio, desencapsularlo en la PDU de la Capa 3, reencapsular la PDU en
una trama nueva y colocar la trama en el medio del siguiente enlace de la red.
7.1.3 Capa de enlace de datos: creación de una trama
La descripción de una trama es un
elemento clave de cada protocolo de capa de enlace de datos. Los protocolos de
capa de enlace de datos requieren información de control para permitir que los
protocolos funcionen. La información de control puede indicar:
Qué nodos están en comunicación
con otros
Cuándo comienza y cuándo termina
la comunicación entre nodos individuales
Qué errores se producen mientras
los nodos se comunican
Qué nodos se comunicarán luego
La Capa de enlace de datos
prepara un paquete para transportar a través de los medios locales
encapsulándolo con un encabezado y un tráiler para crear una trama.
A diferencia de otros PDU que han
sido analizados en este curso, la trama de la capa de enlace de datos incluye:
Datos: El paquete desde la Capa
de red
Encabezado: contiene información
de control como direccionamiento y está ubicado al comienzo del PDU
Tráiler: contiene información de
control agregada al final del PDU
Formateo de datos para la
transmisión
Cuando los datos viajan por los
medios, se convierten en un stream de bits, o en 1 y 0. Si un nodo está
recibiendo streams de bits largos ¿cómo determina dónde comienza y termina la
trama o qué bits representan una dirección?
El tramado rompe el stream en
agrupaciones descifrables, con la información de control insertada en el
encabezado y tráiler como valores en campos diferentes. Este formato brinda a
las señales físicas una estructura que puede ser recibida por los nodos y
decodificada en paquetes en el destino.
Los tipos de campos típicos incluyen:
Campos indicadores de comienzo y
detención: Límites de comienzo y finalización de la trama
Nombrar o direccionar campos
Campo tipo: El tipo de PDU
contenido en la trama
Calidad: campos de control
Campo de datos: Carga de tramas
(Paquete de capa de red)
Campos en el extremo final de la
trama desde el tráiler. Estos campos se utilizan para la detección de errores y
marcan el final de la trama.
No todos los protocolos incluyen
todos estos campos. Los estándares para un protocolo de enlace de datos definen
el formato real de la trama. Los ejemplos de formatos de tramas se analizarán
al final de este capítulo.
7.1.5 Capa de enlace de datos: conexión de servicios de capa superior a
los medios
La capa de enlace de datos existe
como una capa de conexión entre los procesos de software de las capas por
encima de ella y la capa física debajo de ella. Como tal, prepara los paquetes
de capa de red para la transmisión a través de alguna forma de medio, ya sea
cobre, fibra o entornos o medios inalámbricos.
En muchos casos, la Capa de
enlace de datos está incorporada en una entidad física como tarjeta de interfaz
de red (NIC) de Ethernet, que se inserta dentro del bus del sistema de una
computadora y hace la conexión entre los procesos de software que se ejecutan
en la computadora y los medios físicos. Sin embargo, la NIC no es solamente una
entidad física. El software asociado con la NIC permite que la NIC realice sus
funciones de intermediara preparando los datos para la transmisión y
codificando los datos como señales que deben enviarse sobre los medios
asociados.
Subcapas de enlace de datos
Para sostener una gran variedad
de funciones de red, la capa de enlace de datos a menudo se divide en dos
subcapas: una subcapa superior y una subcapa inferior.
La subcapa superior define los
procesos de software que proveen servicios a los Protocolos de capa de red.
La subcapa inferior define los
procesos de acceso a los medios realizados por el hardware.
Separar la Capa de enlace de
datos en subcapas permite a un tipo de trama definida por la capa superior
acceder a diferentes tipos de medios definidos por la capa inferior. Tal es el
caso en muchas tecnologías LAN, incluida Ethernet.
Las dos subcapas comunes de LAN son:
Control de enlace lógico
El control de enlace lógico (LLC)
coloca información en la trama que identifica qué protocolo de capa de red está
siendo utilizado por la trama. Esta información permite que varios protocolos
de la Capa 3, tales como IP e IPX, utilicen la misma interfaz de red y los mismos
medios.
Control de acceso al medio
El control de acceso al medio
(MAC) proporciona a la capa de enlace de datos el direccionamiento y la
delimitación de datos de acuerdo con los requisitos de señalización física del
medio y al tipo de protocolo de capa de enlace de datos en uso.
7.1.5 Capa de enlace de datos: estándares
A diferencia de los protocolos de
las capas superiores del conjunto TCP/IP, los protocolos de capa de enlace de
datos generalmente no están definidos por solicitudes de comentarios (RFC). A
pesar de que el Grupo de trabajo de ingeniería de Internet (IETF) mantiene los
protocolos y servicios funcionales para la suite de protocolos TCP/IP en las
capas superiores, la IETF no define las funciones ni la operación de esa capa
de acceso a la red del modelo. La capa de acceso de red TCP/IP es el
equivalente de las capas de enlace de datos OSI y la física. Estas dos capas se
verán en capítulos separados para un análisis más detallado.
Los protocolos y servicios
funcionales en la Capa de enlace de datos son descriptos por organizaciones de
ingeniería (como IEEE, ANSI y ITU) y compañías en comunicaciones. Las
organizaciones de ingeniería establecen estándares y protocolos públicos y
abiertos. Las compañías de comunicaciones pueden establecer y utilizar
protocolos propios para aprovechar los nuevos avances en tecnología u
oportunidades de mercado.
Los servicios y especificaciones
de la capa de enlace de datos se definen mediante varios estándares basados en
una variedad de tecnologías y medios a los cuales se aplican los protocolos.
Algunos de estos estándares integran los servicios de la Capa 2 y la Capa 1.
Las organizaciones de ingeniería
que definen estándares y protocolos abiertos que se aplican a la capa de enlace
de datos incluyen:
Organización Internacional para
la Estandarización (ISO)
Instituto de Ingenieros
Eléctricos y Electrónicos (IEEE)
Instituto Nacional Estadounidense
de Estándares (ANSI)
Unión Internacional de
Telecomunicaciones (ITU)
A diferencia de los protocolos de
la capa superior que están implementados principalmente en el software como el
sistema operativo de host o aplicaciones específicas, los procesos de la Capa
de enlace de datos se producen tanto en el software como en el hardware. Los
protocolos en esta capa se implementan dentro de la electrónica de los adaptadores
de red con los que el dispositivo se conecta a la red física.
7.2.1 Colocar tramas en los medios
La regulación de la colocación de
tramas de datos en los medios es conocida como control de acceso al medio.
Entre las diferentes implementaciones de los protocolos de la capa de enlace de
datos, hay diferentes métodos de control de acceso a los medios. Estas técnicas
de control de acceso al medio definen si los nodos comparten los medios y de
qué manera lo hacen.
El control de acceso al medio es
el equivalente a las reglas de tráfico que regulan la entrada de vehículos a
una autopista. La ausencia de un control de acceso al medio sería el
equivalente a vehículos ignorando el resto del tráfico e ingresando al camino
sin tener en cuenta a los otros vehículos.
Sin embargo, no todos los caminos
y entradas son iguales. El tráfico puede ingresar a un camino confluyendo,
esperando su turno en una señal de parada o respetando el semáforo. Un
conductor sigue un conjunto de reglas diferente para cada tipo de entrada.
De la misma manera, hay
diferentes formas de regular la colocación de tramas en los medios. Los
protocolos en la capa de enlace de datos definen las reglas de acceso a los
diferentes medios. Algunos métodos de control de acceso al medio utilizan
procesos altamente controlados para asegurar que las tramas se coloquen con
seguridad en los medios. Estos métodos se definen mediante protocolos
sofisticados, que requieren mecanismos que introducen sobrecargas a la red.
El método de control de acceso al
medio utilizado depende de:
Compartir medios: si y cómo los
nodos comparten los medios.
Topología: cómo la conexión entre
los nodos se muestra a la capa de enlace de datos.
7.2.2 Control de acceso al medio
para los medios compartidos
Algunas topologías de red
comparten un medio común con varios nodos. En cualquier momento puede haber una
cantidad de dispositivos que intentan enviar y recibir datos utilizando los
medios de red. Hay reglas que rigen cómo esos dispositivos comparten los
medios.
Hay dos métodos básicos de
control de acceso al medio para medios compartidos:
Controlado: Cada nodo tiene su
propio tiempo para utilizar el medio
Basado en la contención: Todos
los nodos compiten por el uso del medio
Acceso controlado para medios compartidos
Al utilizar el método de acceso
controlado, los dispositivos de red toman turnos, en secuencia, para acceder al
medio. A este método se lo conoce como acceso programado o determinístico. Si
un dispositivo no necesita acceder al medio, la oportunidad de utilizar el
medio pasa al siguiente dispositivo en línea. Cuando un dispositivo coloca una
trama en los medios, ningún otro dispositivo puede hacerlo hasta que la trama
haya llegado al destino y haya sido procesada por el destino.
Aunque el acceso controlado está
bien ordenado y provee rendimiento predecible, los métodos determinísticos
pueden ser ineficientes porque un dispositivo tiene que esperar su turno antes
de poder utilizar el medio.
Acceso por contención para medios compartidos
Estos métodos por contención,
también llamados no deterministas, permiten que cualquier dispositivo intente
acceder al medio siempre que haya datos para enviar. Para evitar caos completo
en los medios, estos métodos usan un proceso de Acceso múltiple por detección
de portadora (CSMA) para detectar primero si los medios están transportando una
señal. Si se detecta una señal portadora en el medio desde otro nodo, quiere
decir que otro dispositivo está transmitiendo. Cuando un dispositivo está
intentando transmitir y nota que el medio está ocupado, esperará e intentará
después de un período de tiempo corto. Si no se detecta una señal portadora, el
dispositivo transmite sus datos. Las redes Ethernet e inalámbricas utilizan
control de acceso al medio por contención.
Es posible que el proceso CSMA
falle si dos dispositivos transmiten al mismo tiempo. A esto se lo denomina
colisión de datos. Si esto ocurre, los datos enviados por ambos dispositivos se
dañarán y deberán enviarse nuevamente.
Los métodos de control de acceso
al medio por contención no tienen la sobrecarga de los métodos de acceso
controlado. No se requiere un mecanismo para analizar quién posee el turno para
acceder al medio. CSMA es generalmente implementado junto con un método para
resolver la contención del medio. Los dos métodos comúnmente utilizados son:
CSMA/Detección de colisión
En CSMA/Detección de colisión
(CSMA/CD), el dispositivo monitorea los medios para detectar la presencia de
una señal de datos. Si no hay una señal de datos, que indica que el medio está
libre, el dispositivo transmite los datos. Si luego se detectan señales que
muestran que otro dispositivo estaba transmitiendo al mismo tiempo, todos los
dispositivos dejan de enviar e intentan después. Las formas tradicionales de
Ethernet usan este método.
CSMA/Prevención de colisiones
En CSMA/Prevención de colisiones
(CSMA/CA), el dispositivo examina los medios para detectar la presencia de una
señal de datos. Si el medio está libre, el dispositivo envía una notificación a
través del medio, sobre su intención de utilizarlo. El dispositivo luego envía
los datos. Este método es utilizado por las tecnologías de redes inalámbricas
802.11.
7.2.3 Control de acceso al medio para medios no compartidos
Los protocolos de control de
acceso al medio para medios no compartidos requieren poco o ningún control
antes de colocar tramas en los medios. Estos protocolos tienen reglas y
procedimientos más simples para el control de acceso al medio. Tal es el caso
de las topologías punto a punto.
En las topologías punto a punto,
los medios interconectan sólo dos nodos. En esta configuración, los nodos no
necesitan compartir los medios con otros hosts ni determinar si una trama está
destinada para ese nodo. Por lo tanto, los protocolos de capa de enlace de
datos hacen poco para controlar el acceso a medios no compartidos.
Full Duplex y Half
Duplex
En conexiones punto a punto, la
Capa de enlace de datos tiene que considerar si la comunicación es half-duplex
o full-duplex.
Comunicación half-duplex quiere
decir que los dispositivos pueden transmitir y recibir en los medios pero no
pueden hacerlo simultáneamente. Ethernet ha establecido reglas de arbitraje
para resolver conflictos que surgen de instancias donde más de una estación
intenta transmitir al mismo tiempo.
Los protocolos de control de
acceso al medio para medios no compartidos requieren poco o ningún control
antes de colocar tramas en los medios. Estos protocolos tienen reglas y
procedimientos más simples para el control de acceso al medio. Tal es el caso
de las topologías punto a punto.
En las topologías punto a punto,
los medios interconectan sólo dos nodos. En esta configuración, los nodos no
necesitan compartir los medios con otros hosts ni determinar si una trama está
destinada para ese nodo. Por lo tanto, los protocolos de capa de enlace de
datos hacen poco para controlar el acceso a medios no compartidos.
Full Duplex y Half
Duplex
En conexiones punto a punto, la
Capa de enlace de datos tiene que considerar si la comunicación es half-duplex
o full-duplex.
Comunicación half-duplex quiere
decir que los dispositivos pueden transmitir y recibir en los medios pero no
pueden hacerlo simultáneamente. Ethernet ha establecido reglas de arbitraje
para resolver conflictos que surgen de instancias donde más de una estación
intenta transmitir al mismo tiempo.
En la comunicación full-duplex,
los dos dispositivos pueden transmitir y recibir en los medios al mismo tiempo.
La capa de enlace de datos supone que los medios están disponibles para
transmitir para ambos nodos en cualquier momento. Por lo tanto, no hay necesidad
de arbitraje de medios en la capa de enlace de datos.
Los detalles de una técnica de
control de acceso al medio específica sólo pueden examinarse estudiando un
protocolo específico. Dentro de este curso, estudiaremos Ethernet tradicional,
que utiliza CSMA/CD. Otras técnicas se abarcarán en cursos posteriores.
7.2.4 Comparacion entre la topología lógica y la topología física
La topología de una red es la configuración o relación de los
dispositivos de red y las interconexiones entre ellos. Las topologías de red
pueden verse en el nivel físico y el nivel lógico.
La topología física es una
configuración de nodos y las conexiones físicas entre ellos. La representación
de cómo se usan los medios para interconectar los dispositivos es la topología
física. Ésta se abarcará en capítulos posteriores de este curso.
Una topología lógica es la forma
en que una red transfiere tramas de un nodo al siguiente. Esta configuración
consiste en conexiones virtuales entre los nodos de una red independiente de su
distribución física. Los protocolos de capa de enlace de datos definen estas
rutas de señales lógicas. La capa de enlace de datos "ve" la
topología lógica de una red al controlar el acceso de datos a los medios. Es la
topología lógica la que influye en el tipo de trama de red y control de acceso
a medios utilizados.
La topología física o cableada de
una red probablemente no sea la misma que la topología lógica.
La topología lógica de una red
está estrechamente relacionada con el mecanismo utilizado para administrar el
acceso a la red. Los métodos de acceso proporcionan los procedimientos para
administrar el acceso a la red para que todas las estaciones tengan acceso.
Cuando varias entidades comparten los mismos medios, deben estar instalados
algunos mecanismos para controlar el acceso. Los métodos de acceso son
aplicados a las redes para regular este acceso a los medios. Los métodos de
acceso se analizarán con más detalle más adelante.
Las topologías lógica y física generalmente utilizadas en redes son:
Punto a Punto
Multi-Acceso
Anillo
Las implementaciones lógicas de
estas topologías y sus métodos asociados de control de acceso a los medios son
abordadas en las siguientes secciones.
7.2.5 Topologia punto a punto
Una topología punto a punto
conecta dos nodos directamente entre sí, como se muestra en la figura. En redes
de datos con topologías punto a punto, el protocolo de control de acceso al
medio puede ser muy simple. Todas las tramas en los medios sólo pueden viajar a
los dos nodos o desde éstos. El nodo en un extremo coloca las tramas en los
medios y el nodo en el otro extremo las saca de los medios del circuito punto a
punto.
En redes punto a punto, si los
datos sólo pueden fluir en una dirección a la vez, está operando como un enlace
half-duplex. Si los datos pueden fluir con éxito a través del enlace desde cada
nodo simultáneamente, es un enlace duplex.
Los Protocolos de capa de enlace
podrían proveer procesos más sofisticados de control de acceso a los medios
para las topologías lógicas punto a punto, pero esto agregaría un gasto
innecesario al protocolo.
Redes punto a punto lógicas
Los nodos de los extremos que se
comunican en una red punto a punto pueden estar conectados físicamente a través
de una cantidad de dispositivos intermedios. Sin embargo, el uso de
dispositivos físicos en la red no afecta la topología lógica. Como se muestra
en la figura, los nodos de origen y destino pueden estar conectados
indirectamente entre sí a través de una distancia geográfica. En algunos casos,
la conexión lógica entre nodos forma lo que se llama circuito virtual. Un
circuito virtual es una conexión lógica creada dentro de una red entre dos
dispositivos de red. Los dos nodos en cada extremo del circuito virtual
intercambian las tramas entre sí. Esto ocurre incluso si las tramas están
dirigidas a través de dispositivos intermediarios. Los circuitos virtuales son
construcciones de comunicación lógicas utilizadas por algunas tecnologías de la
Capa 2.
El método de acceso al medio
utilizado por el protocolo de enlace de datos se determina por la topología
lógica punto a punto, no la topología física. Esto significa que la conexión
lógica de punto a punto entre dos nodos puede no ser necesariamente entre dos
nodos físicos en cada extremo de un enlace físico único.
7.2.6 Topología multiacceso
Una topología lógica multiacceso
permite a una cantidad de nodos comunicarse utilizando los mismos medios
compartidos. Los datos desde un sólo nodo pueden colocarse en el medio en
cualquier momento. Todos los nodos ven todas las tramas que están en el medio,
pero sólo el nodo al cual la trama está direccionada procesa los contenidos de
la trama.
Hacer que varios nodos compartan
el acceso a un medio requiere un método de control de acceso al medio de enlace
de datos que regule la transmisión de datos y, por lo tanto, reduzca las
colisiones entre las diferentes señales.
Los métodos de control de acceso
al medio utilizado por las topologías multiacceso son generalmente CSMA/CD o
CSMA/CA. Sin embargo, métodos de paso de token pueden también utilizarse.
Un número de técnicas de control
de acceso a los medios está disponible para este tipo de topología lógica. El
protocolo de capa de enlace de datos especifica el método de control de acceso
al medio que proporcionará el balance apropiado entre el control de trama, la
protección de trama y la sobrecarga de red.
7.2.7 Topología de anillo
En una topología lógica de
anillo, cada nodo recibe una trama por turno. Si la trama no está direccionada
al nodo, el nodo pasa la trama al nodo siguiente. Esto permite que un anillo
utilice una técnica de control de acceso al medio llamada paso de tokens.
Los nodos en una topología lógica
de anillo retiran la trama del anillo, examinan la dirección y la envían si no
está dirigida para ese nodo. En un anillo, todos los nodos alrededor del anillo
entre el nodo de origen y de destino examinan la trama.
Existen múltiples técnicas de
control de acceso a los medios que podrían usarse con un anillo lógico,
dependiendo del nivel de control requerido. Por ejemplo: sólo una trama a la
vez es generalmente transportada por el medio. Si no se están transmitiendo
datos, se colocará una señal (conocida como token) en el medio y un nodo sólo
puede colocar una trama de datos en el medio cuando tiene el token.
Recuerde que la capa de enlace de
datos "ve" una topología lógica de anillo. La topología del cableado
físico real puede ser otra topología.
7.3.1 Protocolos de la capa de enlace de datos: trama
Recuerde que a pesar de que hay
muchos protocolos de capa de enlace de datos diferentes que describen las
tramas de la capa de enlace de datos, cada tipo de trama tiene tres partes
básicas:
Encabezado,
datos, y
tráiler.
Todos los protocolos de capa de
enlace de datos encapsulan la PDU de la capa 3 dentro del campo de datos de la
trama. Sin embargo, la estructura de la trama y los campos contenidos en el
encabezado y tráiler varían de acuerdo con el protocolo.
El protocolo de capa de enlace de
datos describe las características requeridas para el transporte de paquetes a
través de diferentes medios. Estas características del protocolo están
integradas en la encapsulación de la trama. Cuando la trama llega a su destino
y el protocolo de capa de enlace de datos saca la trama del medio, la
información de tramado es leída y descartada.
No hay una estructura de trama
que cumpla con las necesidades de todos los transportes de datos a través de
todos los tipos de medios. Como se muestra en la figura, según el entorno, la
cantidad de información de control que se necesita en la trama varía para
coincidir con los requisitos de control de acceso al medio de los medios y de
la topología lógica.
7.3.2 Tramado: función del encabezado
Como se muestra en la figura, el
encabezado de trama contiene la información de control especificada por el
protocolo de capa de enlace de datos para la topología lógica específica y los
medios utilizados.
La información de control de
trama es única para cada tipo de protocolo. Es utilizada por el protocolo de la
Capa 2 para proporcionar las características demandadas por el entorno de
comunicación.
Los campos típicos del encabezado
de trama incluyen:
Campo inicio de trama: indica el
comienzo de la trama
Campos de dirección de origen y
destino: indica los nodos de origen y destino en los medios
Prioridad/Calidad del Campo de
servicio: indica un tipo particular de servicio de comunicación para el
procesamiento
Campo tipo: indica el servicio de
la capa superior contenida en la trama
Campo de control de conexión
lógica: utilizada para establecer la conexión lógica entre nodos
Campo de control de enlace
físico: utilizado para establecer el enlace a los medios
Campo de control de flujo:
utilizado para iniciar y detener el tráfico a través de los medios
Campo de control de congestión:
indica la congestión en los medios
Los nombres de los campos
mencionados son campos no específicos enumerados como ejemplos. Diferentes
protocolos de capa de enlace de datos pueden utilizar diferentes campos de los
mencionados. Debido a que los fines y funciones de los protocolos de capa de
enlace de datos están relacionados a las topologías específicas y a los medios,
cada protocolo debe examinarse para tener una comprensión detallada de su
estructura de trama. Como los protocolos se analizan en este curso, se
explicará más información acerca de la estructura de la trama.
7.3.3 Direccionamiento: hacia donde se dirige la trama
La capa de enlace de datos
proporciona direccionamiento que es utilizado para transportar la trama a
través de los medios locales compartidos. Las direcciones de dispositivo en
esta capa se llaman direcciones físicas. El direccionamiento de la capa de
enlace de datos está contenido en el encabezado de la trama y especifica el
nodo de destino de la trama en la red local. El encabezado de la trama también
puede contener la dirección de origen de la trama.
A diferencia de las direcciones
lógicas de la Capa 3, que son jerárquicas, las direcciones físicas no indican
en qué red está ubicado el dispositivo. Si el dispositivo es transportado a otra
red o subred, aún funcionará con la misma dirección física de la Capa 2.
Requisitos de direccionamiento
La necesidad de direccionamiento
de la capa de enlace de datos en esta capa depende de la topología lógica.
Las topologías punto a punto, con
sólo dos nodos interconectados, no requieren direccionamiento. Una vez en el
medio, la trama sólo tiene un lugar al cual puede ir.
Debido a que las topologías de
anillo y multiacceso pueden conectar muchos nodos en un medio común, se
requiere direccionamiento para esas tipologías. Cuando una trama alcanza cada
nodo en la topología, el nodo examina la dirección de destino en el encabezado
para determinar si es el destino de la trama.
7.3.4 Tramado: función del tráiler
Los protocolos de la capa de
enlace de datos agregan un tráiler en el extremo de cada trama. El tráiler se
utiliza para determinar si la trama llegó sin errores. Este proceso se denomina
detección de errores. Observe que es diferente de la corrección de errores. La
detección de errores se logra colocando un resumen lógico o matemático de los
bits que comprenden la trama en el tráiler.
Secuencia de verificación de trama
El campo secuencia de
verificación de trama (FCS) se utiliza para determinar si ocurrieron errores de
transmisión y recepción de la trama. La detección de errores se agrega a la
capa de enlace de datos porque es ahí donde se transfieren los datos a través
de los medios. Los medios son un entorno potencialmente inseguro para los
datos. Las señales en los medios pueden estar sujetas a interferencia,
distorsión o pérdida que podría cambiar sustancialmente los valores de los bits
que dichas señales representan. El mecanismo de detección de errores provisto
por el uso del campo FCS descubre la mayoría de los errores causados en los
medios.
Para asegurase de que el
contenido de la trama recibida en el destino combine con la trama que salió del
nodo origen, un nodo de transmisión crea un resumen lógico del contenido de la
trama. A esto se lo conoce como valor de comprobación de redundancia cíclica
(CRC). Este valor se coloca en el campo secuencia de verificación de la trama
(FCS) para representar el contenido de la trama.
Cuando la trama llega al nodo de
destino, el nodo receptor calcula su propio resumen lógico, o CRC, de la trama.
El nodo receptor compara los dos valores CRC. Si los dos valores son iguales,
se considera que la trama llegó como se transmitió. Si el valor CRC en el FCS
difiere del CRC calculado en el nodo receptor, la trama se descarta.
Existe siempre la pequeña
posibilidad de que una trama con un buen resultado de CRC esté realmente
corrupta. Los errores en los bits se pueden cancelar entre sí cuando se calcula
el CRC. Los protocolos de capa superior entonces deberían detectar y corregir
esta pérdida de datos.
El protocolo utilizado en la capa
de enlace de datos determinará si se realiza la corrección del error. La FCS se
utiliza para detectar el error, pero no todos los protocolos admiten la
corrección del error.
7.3.5 Protocolos de capa de enlace de datos: La trama
En una red TCP/IP, todos los
protocolos de la Capa 2 OSI trabajan con el protocolo de Internet en la Capa 3.
Sin embargo, el protocolo de la Capa 2 real utilizado depende de la topología
lógica de la red y de la implementación de la capa física. Debido al amplio
rango de medios físicos utilizados a través de un rango de topologías en
interconexión de redes, hay una gran cantidad correspondiente de protocolos de
la Capa 2 en uso.
Los protocolos que se cubrirán en
los cursos CCNA incluyen:
Ethernet
Protocolo Punto a Punto (PPP)
Control de enlace de datos de
alto nivel (HDLC)
Frame Relay
Modo de transferencia asincrónico
(ATM)
Cada protocolo realiza control de
acceso a los medios para las topologías lógicas especificadas de Capa 2. Esto
significa que una cantidad de diferentes dispositivos de red puede actuar como
nodos que operan en la capa de enlace de datos al implementar estos protocolos.
Estos dispositivos incluyen el adaptador de red o tarjetas de interfaz de red (NIC)
en computadoras, así como las interfaces en routers y switches de la Capa 2.
El protocolo de la Capa 2
utilizado para una topología de red particular está determinado por la
tecnología utilizada para implementar esa topología. La tecnología es, a su vez,
determinada por el tamaño de la red, en términos de cantidad de hosts y alcance
geográfico y los servicios que se proveerán a través de la red.
Tecnología LAN
Una Red de área local
generalmente utiliza una tecnología de ancho de banda alto que es capaz de
sostener gran cantidad de hosts. El área geográfica relativamente pequeña de
una LAN (un único edificio o un campus de varios edificios) y su alta densidad
de usuarios hacen que esta tecnología sea rentable.
Tecnología WAN
Sin embargo, utilizar una
tecnología de ancho de banda alto no es generalmente rentable para redes de
área extensa que cubren grandes áreas geográficas (varias ciudades, por
ejemplo). El costo de los enlaces físicos de larga distancia y la tecnología
utilizada para transportar las señales a través de esas distancias,
generalmente, ocasiona una menor capacidad de ancho de banda.
La diferencia de ancho de banda
normalmente produce el uso de diferentes protocolos para las LAN y las WAN.
Protocolo Ethernet para LAN
Ethernet es una familia de
tecnologías de interconexión de redes que se define en los estándares 802.2 y
802.3. Los estándares de Ethernet definen los protocolos de la Capa 2 y las tecnologías
de la Capa 1. Ethernet es la tecnología LAN más ampliamente utilizada y soporta
anchos de banda de datos de 10, 100, 1000, o 10 000 Mbps.
El formato básico de la trama y
las subcapas del IEEE de las Capas OSI 1 y 2 siguen siendo los mismos para
todas las formas de Ethernet. Sin embargo, los métodos para detectar y colocar
en los medios varían con las diferentes implementaciones.
Ethernet proporciona servicio sin
conexión y sin reconocimiento sobre un medio compartido utilizando CSMA/CD como
métodos de acceso al medio. El medio compartido requiere que el encabezado del
paquete de Ethernet utilice la dirección de la capa de enlace de datos para
identificar los nodos de origen y destino. Como con la mayoría de los
protocolos LAN, esta dirección se llama dirección MAC del nodo. Una dirección
MAC de Ethernet es de 48 bits y generalmente se representa en formato
hexadecimal.
Ethernet II es el formato de
trama de Ethernet utilizado en las redes TCP/IP.
Protocolo punto a punto para WAN
El protocolo punto a punto (PPP) es
un protocolo utilizado para entregar tramas entre dos nodos. A diferencia de
muchos protocolos de capa de enlace de datos, definidos por las organizaciones
de ingeniería eléctrica, el estándar PPP está definida por RFC. PPP fue
desarrollado como un protocolo WAN y sigue siendo el protocolo elegido para
implementar muchas WAN serie. PPP se puede utilizar en diversos medios físicos,
lo que incluye cable de par trenzado, líneas de fibra óptica o transmisión
satelital.
PPP utiliza una arquitectura en
capas. Para incluir a los diferentes tipos de medios, PPP establece conexiones
lógicas, llamadas sesiones, entre dos nodos. La sesión PPP oculta el medio
físico subyacente del protocolo PPP superior. Estas sesiones también
proporcionan a PPP un método para encapsular varios protocolos sobre un enlace
punto a punto. Cada protocolo encapsulado en el enlace establece su propia
sesión PPP.
PPP también permite que dos nodos
negocien opciones dentro de la sesión PPP. Esto incluye la autenticación,
compresión y multienlace (el uso de varias conexiones físicas).
Protocolo inalámbrico para LAN
802.11 es una extensión de los
estándares IEEE 802. Utiliza el mismo 802.2 LLC y esquema de direccionamiento
de 48 bits como otras LAN 802. Sin embargo, hay muchas diferencias en la
subcapa MAC y en la capa física. En un entorno inalámbrico, el entorno requiere
consideraciones especiales. No hay una conectividad física definible; por lo
tanto, factores externos pueden interferir con la transferencia de datos y es
difícil controlar el acceso. Para vencer estos desafíos, los estándares
inalámbricos tienen controles adicionales.
El estándar IEEE 802.11,
comúnmente llamada Wi-Fi, es un sistema por contención que utiliza un proceso
de acceso al medio de Acceso múltiple con detección de portadora y prevención
de colisiones (CSMA/CA). CSMA/CA especifica un procedimiento Postergación
aleatorio para todos los nodos que están esperando transmitir. La oportunidad
más probable para la contención de medio es el momento en que el medio está
disponible. Hacer el back off de los nodos para un período aleatorio reduce en
gran medida la probabilidad de colisión.
Probabilidad de colisión.
Las redes 802.11 también usan
Acuse de recibo de enlace de datos para confirmar que una trama se recibió con
éxito. Si la estación transmisora no detecta la trama de reconocimiento, ya sea
porque la trama de datos original o el reconocimiento no se recibieron
intactos, se retransmite la trama. Este reconocimiento explícito supera la
interferencia y otros problemas relacionados con la radio.
Otros servicios admitidos por la
802.11 son la autenticación, asociación (conectividad a un dispositivo
inalámbrico) y privacidad (encriptación).
Una trama 802.11 se muestra en la
figura. Contiene estos campos:
Campo de versión del protocolo:
la versión de la trama 802.11 en uso
Campos tipo y subtipo: identifica
una de las tres funciones y subfunciones de la trama: control, datos y
administración
Campo A DS: establecido en 1 en
las tramas de datos destinadas al sistema de distribución (dispositivos en la
estructura inalámbrica)
Campo Desde DS: establecido en 1
en tramas de datos que salen del sistema de distribución
Campo Más fragmentos: establecido
en 1 para tramas que tienen otro fragmento
Campo Reintentar: establecido en
1 si la trama es una retransmisión de una trama anterior
Campo Administración de energía:
establecido en 1 para indicar que un nodo estará en el modo ahorro de energía
Campo Más datos: establecido en 1
para indicar a un nodo en el modo ahorro de energía que más tramas se guardan
en la memoria del búfer de ese nodo
Campo Privacidad equivalente por
cable (WEP): establecido en 1 si la trama contiene información encriptada WEP
por seguridad
Campo Orden: establecido en 1 en
una trama de tipo datos que utiliza la clase de servicio Estrictamente ordenada
(no requiere reordenamiento)
Campo Duración/ID: según el tipo
de trama, representa el tiempo, en microsegundos, requerido para transmitir la
trama o una identidad de asociación (AID) para la estación que transmitió la
trama
Campo Dirección de destino (DA):
la dirección MAC del nodo de destino final en la red
Campo Dirección de origen (SA):
la dirección MAC del nodo que inició la trama
Campo Dirección del receptor
(RA): la dirección MAC que identifica al dispositivo inalámbrico que es el
receptor inmediato de la trama
Campo Dirección del transmisor
(TA): la dirección MAC que identifica al dispositivo inalámbrico que transmitió
la trama
Campo Número de secuencia: indica
el número de secuencia asignado a la trama; las tramas retransmitidas se
identifican por números de secuencia duplicados
Campo Número de fragmento: indica
el número de cada fragmento de la trama
Campo Cuerpo de la trama:
contiene la información que se está transportando; para tramas de datos,
generalmente un paquete IP
Campo FCS: contiene una
verificación por redundancia cíclica (CRC) de 32 bits de la trama
Protocolo PPP:
http://www.ietf.org/rfc/rfc1661.txt?number=1661
Extensiones PPP del fabricante:
http://www.ietf.org/rfc/rfc2153.txt?number=2153
7.4.1 Seguimiento de datos a través de una internetwork
Para centrarnos en el proceso de
transferencia de datos, omitimos muchos elementos que pueden producirse en una
transacción real. En cada paso sólo estamos llamando la atención a los
elementos principales. Por ejemplo: muchas partes de los encabezados se
ignoran.
Estamos asumiendo que todas las
tablas de enrutamiento son convergentes y las tablas ARP están completas.
Además, suponemos que ya está establecida una sesión TCP entre el cliente y el
servidor. También supondremos que la búsqueda de DNS para el servidor WWW ya
está en la caché del cliente.
En la conexión WAN entre los dos
routers, suponemos que PPP ya ha establecido un circuito físico y ha
establecido una sesión PPP.
7.6.1 Resumen y revisión
La capa de enlace de datos OSI
prepara los paquetes de capa de red para ser colocados en el medio físico que
transporta los datos.
El amplio intervalo de medios de
comunicación requiere, de forma correspondiente, un amplio intervalo de
protocolos de enlace de datos para controlar el acceso a los datos de estos
medios.
El acceso a los medios puede ser
ordenado y controlado o puede ser por contención. La topología lógica y el
medio físico ayudan a determinar el método de acceso al medio.
La capa de enlace de datos
prepara los datos para ser colocados en el medio encapsulando el paquete de la
Capa 3 en una trama.
Una trama tiene un encabezado y
una información final que incluye las direcciones del enlace de datos de origen
y de destino, calidad de servicio, tipo de protocolo y valores de secuencia de
verificación de tramas.
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