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INTRODUCCIÓN

En la actualidad, uno de los campos donde mayores avances se producen es en el de las comunicaciones entre ordenadores. Las posibilidades de incrementar la funcionalidad de los sistemas, mejora del trabajo en equipo, integrar en un mismo grupo a personas ubicadas en diferentes países o crear nuevas formas de trabajo, son tan rentables que no podían pasar desapercibidas y están llamadas a cambiar sustancialmente nuestra forma de pensar y trabajar.

El campo de las comunicaciones entre ordenadores es muy extenso y debe ser dividido para su mejor estudio. Este trabajo se concentra en el estudio de las redes virtuales de área local, su significado, funcionamiento, componentes y futuro.

Es posible definir una red como el conjunto de ordenadores independientes que se hallan comunicados entre sí, de manera que puedan intercambiar mensajes libremente entre ellos.

Es la forma de comunicarse y la situación física de los ordenadores la que da lugar a la distinción de dos clases principales de redes. Por un lado, cuando los ordenadores se hallan ubicados en lugares muy alejados entre sí, como pueden ser diferentes ciudades o países, o edificios muy separados dentro de una misma ciudad, se dice que están conectados en una red de área amplia o extensa. A este tipo de redes se las denomina redes WAN (del inglés, Wide Area Network -redes de área amplia-).

Por el contrario, si los sistemas informáticos se encuentran ubicados relativamente cerca, por ejemplo, en el mismo edificio o en edificios cercanos entre sí, diremos que la red que los une es una red de área local. A este tipo de redes se las denomina LAN (del inglés Local Area Network -red de área local-).

¿Por qué esta distinción? Es una ley física el hecho de que, cuanto más larga es una línea de comunicaciones, más posibilidades existen de que aparezcan en ella ruidos e interferencias de diversos orígenes. Por tanto, la velocidad de comunicación a través de esa línea deberá ser más baja, ya que estas velocidades menores son menos sensibles a las interferencias. Se puede concluir que, cuanto más lejos esté un ordenador, más lentamente se ejecuta la comunicación con él. Las redes WAN suelen utilizar líneas telefónicas y modems para unir los ordenadores lejanos. Las mayores velocidades de comunicación se hallan alrededor de los 64.000 bps (bits por segundo) en el mejor de los casos, mientras una red local típica puede alcanzar velocidades de 10 Mbps (megabytes por segundo), o incluso llegar a 16 Mbps, esto es, velocidades 250 veces superiores. Esta enorme diferencia de velocidad origina que la concepción y modo de funcionamiento de dichas redes sea totalmente distinto, y de ahí que suelan estudiarse como temas diferentes. Por tanto, ya se tienen las dos características principales de una red local: alta velocidad y extensión física reducida.

El hardware de una red local esta constituido por dos componentes fundamentales: el cableado y las placas o tarjetas. A su vez, este hardware viene determinado por la topología (esto es, la forma que adopta) la red.

Aunque a menudo el cableado es un elemento que se suele pasar por alto, se trata de un componente fundamental en las redes ya que es el encargado de transportar físicamente las señales de un ordenador a otro. El tipo y las características de cable utilizado dependen fundamentalmente del modelo de red elegido, Ethernet, Token Ring, ArcNet, etc., así como de las limitaciones impuestas por la localización física de la red (si se trata de una fábrica con muchas interferencias, si el cable debe ir al aire o en conductos adecuados, etc.).

En la actualidad, está de moda utilizar el término "edificio inteligente" para designar aquellas construcciones que se encuentran gobernadas por ordenador para control de iluminación, calefacción, seguridad, etc. Una de las características más sobresalientes de estas construcciones consiste en que se construyen pensando en el cableado, disponiendo conducciones adecuadas e incluso cables preparados para realizar las conexiones requeridas en cualquier punto del mismo con la máxima facilidad. Se puede ver la importancia de este elemento de las redes si se piensa que existen incluso edificios que se construyen pensando en el cableado de la red. Las tarjetas de red son, tal vez, el elemento hardware más conocido. Existe una gran variedad de placas, de diversas velocidades y con diferentes prestaciones, para cada una de las topologías de red existentes en el mercado (Ethernet, Token Ring, etc.).

Un punto muy importante a considerar es el de la compatibilidad. No basta con que dos placas de distintos fabricantes sean, por poner un ejemplo, Ethernet de 10Mbps. A pesar de ser físicamente muy similares, es posible que no se reconozcan entre sí y, por tanto, no pueda establecerse la comunicación entre ambas. Esto se debe a la existencia de diversos estándares seguidos por distintos fabricantes, que pueden diferir entre sí y, por tanto, ser incompatibles.

Como suele ocurrir, sin el software que lo controle el hardware más eficiente resulta inútil. En el caso de las redes, esta afirmación es doblemente válida, puesto que el mismo hardware puede, o no, resultar útil dependiendo de la elección y el uso que se haga del software correspondiente.

Para poder comprender cómo se divide un software de red, es preciso discutir el modelo de software conocido como Arquitectura OSI (del inglés Open System Interconnection -interconexión de sistemas abiertos-), establecido por el comité ISO.

El modelo OSI considera el software de red dividido en una serie de niveles, siete en total, cada uno de los cuales realiza una función específica. Cada nivel ofrece una serie de servicios basándose en el nivel inferior. A su vez, dichos servicios son ofrecidos por cada nivel al nivel inmediatamente superior.

Tras el modelo OSI subyace la idea de que si en el futuro surgen nuevas tecnologías que provocan cambios en alguno de los niveles, los demás puedan seguir funcionando sin requerir modificación, de modo que, por ejemplo, una misma aplicación pueda ser ejecutada sobre una red Ethernet o Token Ring sin apreciar siquiera la diferencia. Los cambios tecnológicos a un cierto nivel afectan sólo a ese nivel, mientras los demás permanecen inalterables.

Hay que señalar que no existe una red que siga fielmente al 100% el modelo reseñado anteriormente; se trata de un modelo ideal al cual se tiende para permitir la total compatibilidad e interoperatividad de las redes y de los ordenadores conectados a ellas. Cada día más fabricantes se adhieren a la norma, y en el futuro, cualquier sistema podrá conectarse a cualquier otro.

CONOCIMIENTOS BÁSICOS

Tecnologías y productos de conmutación de redes

Las redes actuales sufren, frecuentemente, de congestión y colapsos importantes. Estos se producen no solo en grandes redes, sino también y especialmente cuando por ellas circula tráfico que hasta hace poco no era habitual, como son gráficos, vídeo y audio, y en definitiva cualquier aplicación de mensajería electrónica y multimedia. A ello colabora el imparable incremento de prestaciones de las estaciones de trabajo y otros tipos de nodos existentes en las redes.

La comunicaciones digitales son una forma rápida y dinámica de compartir la información contenida en un ordenador

Los 2Mbps de las redes ArcNet han sido ampliamente superados por los 4Mbps y 16Mbps de Token Ring y los 10Mbps de Ethernet, y todo ello en un corto espacio de tiempo, y más aún, hoy día se oye hablar de Fast Ethernet (100 Mbps), y como no, ATM (desde 155Mbps hasta 622Mbps).

Sin embargo, cabe preguntarse si realmente se necesitan estas velocidades entre todos los puntos de la red, o si las redes actuales pueden seguir cumpliendo sus cometidos e incluso permitir las nuevas aplicaciones de videoconferencia, excepto en puntos concretos (servidores), hacia donde el tráfico esta centralizado.

Además, hay que tener en cuenta que, por ejemplo en una red Ethernet de 10Mbps, en la que existan 10 nodos que generen una cantidad de tráfico similar, el ancho de banda, o por decirlo de un modo más comprensible, la velocidad media a la que dichos puestos de trabajo acceden en la actualidad a la red, es de 1Mbps. A esto se le denomina "ancho de banda compartido", que es la oferta de las redes actuales.

asignación del ancho de banda de un mismo canal para diferentes tipos de información transferida

Pero, ¿Que ocurriría si, por ejemplo, se lograra que todo el ancho de banda que Ethernet permite, 10Mbps, pudiera estar disponible en todo momento a cada uno de los puestos de la red?. La respuesta es sin duda, que en la mayoría de los casos y en gran parte de las redes de pequeño y medio tamaño, sería suficiente y no requeriría cambiar toda la estructura de la red hacia las nuevas tecnologías como las que Fast Ethernet y ATM proponen.

Esta es la propuesta que ofrecen las nuevas técnicas de conmutación de paquetes y además, funcionando a través de las redes actuales, sin cambios en el cableado ni en las tarjetas y software de los puestos de trabajo.

La forma más evidente, y la base de las redes conmutadas, es la reducción del número de nodos por red, con lo que se logra incrementar el ancho de banda disponible para cada usuario en dicho tramo, llegando incluso a un solo nodo en cada red. Esto es lo que se denomina segmentación, y a cada tramo de red así creado, se conoce como segmento.

Pero, como es lógico, los usuarios de estos segmentos, precisan una comunicación con el resto de la red, e incluso con otros segmentos, o perderíamos el objetivo de las redes. Además, dicha comunicación entre segmentos, debe de poder realizarse a gran velocidad. Para ello se ha creado un nuevo tipo de concentrador (hub), denominado conmutador (switch).

Para entender el concepto y la funcionalidad de los conmutadores, es conveniente que antes recordar algunos conceptos de otros dispositivos más comunes en las redes actuales:

Repetidores.

Un repetidor es la expresión mínima de un concentrador, o dicho con más propiedad, podemos afirmar que un concentrador es un repetidor multipuerto.

Los repetidores, con solo dos puertos (denominamos puerto a cada conexión con la red o segmento de la misma), diseñados según las especificaciones IEEE 802.3.

Actúan como una parte del cableado de la red, ya que transfieren los paquetes recibidos de un extremo al otro, independientemente de su contenido, su origen y su destino, es decir, de un modo totalmente transparente e indiscriminado.

Permiten interconectar dos o más segmentos (según sean puros repetidores o concentradores, respectivamente) incluso con diferentes tipos de cableado, permitiendo, de este modo, sobrepasar el número máximo de nodos o la longitud máxima permitidas por segmento.

Se encargan de regenerar las señales y resincronizar los segmentos, e incluso de desconectar (lo que se llama segmentar o particionar) a aquellos que funcionan inadecuadamente, permitiendo así que el resto de la red siga trabajando.

El uso de repetidores también esta limitado, como es natural, ya que generan un pequeño retraso, que en caso de prolongarse por varios repetidores consecutivos, impediría el adecuado funcionamiento de la red y la perdida de los paquetes que circulan por la misma; entre dos nodos cualesquiera de la red, pueden existir un máximo de cuatro repetidores, lo que equivale a cinco segmentos, y además en un máximo de tres de ellos pueden conectarse otros nodos (es decir, dos de los cinco segmentos sólo pueden ser empleados para la interconexión entre repetidores).

La velocidad a la que transmiten los paquetes es siempre la misma que la de la propia red.

Los repetidores actúan, según el modelo OSI, a nivel físico (capa 1).

 

Puentes.

Los puentes (bridges) fueron diseñados, según la normativa IEEE 802.1d, para la conexión de redes diferentes.

Igual que los repetidores, son independientes de los protocolos, y retransmiten los paquetes a la dirección adecuada basándose precisamente en esta, en la dirección destino (indicada en el propio paquete).

Se diferencia de los repetidores en que los puentes tienen cierta "inteligencia", que les permite reenviar o no un paquete al otro segmento; cuando un paquete no es retransmitido, se dice que a sido filtrado. Además esos filtros pueden ser automáticos, en función de las direcciones de los nodos de cada segmento, que los puentes "aprenden" al observar el tráfico de cada segmento, o pueden ser filtros definidos por el administrador de la red, en función de razones de seguridad, organización de grupos de trabajo en la red, limitación de tráfico innecesario, etc.

También se diferencia de los repetidores en que el ancho de banda de los diferentes segmentos es compartido, mientras que con los puentes, cada segmento dispone del 100% del ancho de banda, o, en otras palabras, el ancho de banda total de la red se multiplica por el número de puertos de los que dispone el puente. En el caso de una red Ethernet, un puente (2 puertos), el ancho de banda disponible entre dos segmentos sería de 20Mbps, y si se dispone de un "puente multipuerto", por ejemplo con 3 puertos, el ancho de banda total será de 30Mbps, y así sucesivamente. Su filosofía impide que las colisiones se propaguen entre diferentes segmentos de la red, algo que los repetidores son incapaces de evitar. Los puentes pueden llegar, según sus prestaciones, a transmitir los paquetes a la misma velocidad a la que circulan por la red. Habitualmente, los puentes de una red se enlazan entre si con topología de bus y a su vez se combinan con concentradores o repetidores multipuerto para extender la red de un modo eficaz, mediante una topología de estrella.

Los puentes funcionan en la capa 2 del modelo OSI (enlace).

Una característica muy importante de los puentes es el algoritmo de "expansión en árbol" (spanning tree), un mecanismo del software de un puente, por el cual se impide que se creen bucles dentro de una red donde haya varios puentes, al intercambiar constantemente entre ellos unos paquetes denominados BPDU, que les permiten reconfigurar, dinámicamente, los caminos a seguir por el tráfico de la red, sirviendo así incluso, de medida de seguridad en caso de fallo de algún puente, al poder establecer, automáticamente, una ruta alternativa.

 

Encaminadores.

Los encaminadores (routers), son dependientes del protocolo.

De modo similar a los puentes, tienen la capacidad de filtrar el tráfico de un modo inteligente.

Su funcionamiento está basado, en gran medida en la información del protocolo contenida en cada paquete.

Igual que los puentes, impiden la propagación de las colisiones de unos segmentos a otros de la red; es más, en realidad, separan totalmente los segmentos convirtiéndolos en redes lógicas totalmente diferentes, que denominamos "subredes", e incluso modifican el contenido de los paquetes retransmitidos.

Como en el caso de los puentes, pueden llegar a transmitir los paquetes a la misma velocidad que a la que circulan por la red.

Se sitúan en la capa de red del modelo OSI (nivel 3), sin embargo, la realidad es que, en la mayoría de los productos actuales, hay una gran mezcla entre puentes y encaminadores, los que se denominan "brouters", que realizan funciones de puentes a nivel 3, y tienen la capacidad de comportarse tanto como puros puentes como puros encaminadores.

 

Conmutadores.

Los conmutadores (switches), son, en cierto modo, puentes multipuerto, aunque pueden llegar a tener funciones propias de encaminadores.

Incrementan la capacidad total de tráfico de la red dividiéndola en segmentos mas pequeños, y filtrando el tráfico innecesario, bien automáticamente o bien en función de filtros definidos por el administrador de la red, haciéndola, en definitiva, más rápida y eficaz.

Cuando un paquete es recibido por el conmutador, éste determina la dirección fuente y destinataria del mismo; si ambas pertenecen al mismo segmento, el paquete es descartado; si son direcciones de segmentos diferentes, el paquete es retransmitido (a no ser que los filtros definidos lo impidan).

La diferencia fundamental, teóricamente, entre puentes y conmutadores, es que los puentes reciben el paquete completo antes de proceder a su envío al puerto destinatario, mientras que un conmutador puede iniciar su reenvío antes de haberlo recibido por completo; ello redunda, evidentemente, en una mejora de prestaciones.

Se sitúan en la capa 2 del modelo OSI (capa de enlace) aunque, como se dijo anteriormente, pueden llegar a tener funciones de encaminadores.

Un conmutador mantiene, internamente, una tabla asociando los puertos físicos con las direcciones de los nodos conectados a cada puerto. Las direcciones pueden haber sido introducidas manualmente por el administrador de la red, o pueden haber sido aprendidas por el conmutador en su continua monitorización de los paquetes que le llegan por cada puerto. Usando esta tabla, y las direcciones destino de los paquetes recibidos, el conmutador determina una "conexión virtual" desde el puerto fuente al destino, y transfiere el paquete en función de la misma. Esta conexión virtual entre la fuente y el destino, se establece solo para cada paquete enviado y la esencia de las redes virtuales VLAN.

Nodo 1

Puerto 1

Dirección del nodo 1

Nodo 2

Puerto 2

Dirección del nodo 2

·

·

·

·

·

·

·

·

·

Nodo n

Puerto n

Dirección del nodo n

El conmutador transfiere cada trama desde el puerto origen hasta el puerto destino.

Además, los conmutadores ofrecen la posibilidad de realizar transferencias simultáneas entre diferentes pares de puertos, a la velocidad de la red. En cualquier caso, el número máximo de transferencias simultáneas que un conmutador puede realizar, es una de las características fundamentales para determinar sus prestaciones reales. Así, un conmutador de 24 puertos, puede simultanear 12 "conversaciones", y si estas son Ethernet (10Mbps), su capacidad total será de 120Mbps; en el caso de que la combinación de su hardware/software no permita dicha capacidad teórica, se produce su bloqueo interno, y por tanto, podríamos hablar de un conmutador defectuosamente diseñado.

Por otro lado, si el trafico se produce desde varios puertos fuente hacia un único puerto destino, lo que podría ser el caso de un servidor y múltiples clientes, las prestaciones del sistema no se incrementan significativamente mas allá de la propia velocidad de la red, puesto que el tráfico desde/hacia el servidor es incapaz de superar el límite impuesto por su segmento. Se produce entonces otro tipo de bloqueo interno, ya que el conmutador se ve obligado a almacenar temporalmente los paquetes que lleguen cuando ya se haya establecido una conexión virtual, hasta que esta termine y pueda establecerse una nueva, y así sucesivamente.

Nodo

Puerto

Dirección de los nodos en las tramas

Puerto asociado

Nodo 1

Puerto 1

Desde /hacia el nodo 4

Desde /hacia puerto 4

Nodo 2

Puerto 2

hacia el nodo 4

hacia puerto 4

Nodo 3

Puerto 3

hacia el nodo 4

hacia puerto 4

Nodo 4

Puerto 4

Desde /hacia el nodo 1

Desde /hacia puerto 1

Nodo 5

Puerto 5

Desde /hacia el nodo 6

Desde /hacia puerto 6

Nodo 6

Puerto 6

Desde /hacia nodo 5

Desde /hacia puerto 5

 

Los nodos 1, 2 y 3 pueden intentar intercambiar información simultáneamente con el nodo 4.  En este caso las tramas de los nodos 2 y 3 deben esperar almacenadas a que termine la conexión virtual del nodo 1 para que las de uno de ellos puedan transferirse a través de una nueva conexión.

Cómo no, esto también tiene solución, ya que en el mercado se dispone de conmutadores que ofrecen conexiones, bien para el enlace con servidores o con el troncal de la red, o incluso para la intercomunicación con otros conmutadores, a mayores velocidades, con soporte de tecnologías como Fast Ethernet (100Mbps), Full Duplex Ethernet (20Mbps), Full Duplex Fast Ethernet (200Mbps), FDDI (100Mbps), e incluso ATM (155Mbps).

También se puede optar por otra opción, si el software del servidor lo soporta, que es la de conectar el servidor o servidores, al conmutador, simultáneamente por varios puertos o segmentos de la red. Ello requiere también un soporte especial por parte del software del propio conmutador, para que identifique los diferentes puertos como correspondientes a un único nodo de la red, y sea capaz de remitir el tráfico a uno u otro puerto en función de su ocupación.

Nodo

Puerto

Dirección de los nodos en las tramas

Puerto asociado

Nodo 1

Puerto 1

Desde /hacia el nodo 4

Desde /hacia puerto 4

Nodo 1

Puerto 2

Desde /hacia el nodo 5

Desde /hacia puerto 5

Nodo 1

Puerto 3

Desde /hacia el nodo 6

Desde /hacia puerto 6

Nodo 4

Puerto 4

Desde /hacia el nodo 1

Desde /hacia puerto 1

Nodo 5

Puerto 5

Desde /hacia el nodo 1

Desde /hacia puerto 2

Nodo 6

Puerto 6

Desde /hacia el nodo 1

Desde /hacia puerto 3

Si el software tanto del nodo 1 como del conmutador lo permite, es posible simultanear con varios nodos con el primero.

Los conmutadores pueden realizar su función de dos modos diferentes:

Cortar-Continuar (cut-through)

Dado que la dirección destino está en la primera parte del paquete, el reenvío del mismo puede iniciarse antes incluso de que el paquete entero haya sido recibido por el conmutador, y en ello se basa el método "cortar-continuar" (cut-through). Es decir, el paquete es examinado, tan pronto como se ha podido "cortar" la parte donde esta la dirección destino, al mismo tiempo que se continúa recibiendo el resto del paquete; en el momento en que se ha podido decidir si ha de ser reenviado o filtrado, se puede iniciar su transmisión, aunque no haya sido recibido en su totalidad.

la trama se reenvía antes de que llegue por completo al conmutador

La ventaja de este procedimiento es su baja latencia, pero tiene por contra, el inconveniente de que, al no ser examinado el paquete en su totalidad antes de su reexpedición, se pueden propagar errores existentes en el mismo, e incluso fragmentos de paquetes con colisiones, lo que implicará un "consumo" innecesario del ancho de banda del segmento receptor, y por tanto una reducción en las prestaciones del conmutador.

Cuando se transmiten paquetes entre redes de diferentes velocidades, no es posible utilizar este método, ya que, por ejemplo, al enviar un paquete recibido a 100Mbps, a una red de 10Mbps, la red receptora no sería capaz de "recoger" a la suficiente velocidad el paquete y se generaría un error, y viceversa. Hay que resaltar que esta misma situación, sin necesidad de que exista diferencia de velocidades, se produce cuando la red destinataria esta congestionada o colapsada.

 

Almacenar-Transmitir (store-and-forward)

Cuando se emplea la técnica de almacenar y transmitir (store-and-forward), el conmutador recibe el paquete completo, la almacena en su memoria interna, y lo examina por entero antes de decidir si ha de ser transmitido o filtrado.

la trama no es reenviada hasta que sea revisada por completo.

El inconveniente teórico es que precisan de una memoria para almacenar los paquetes, así como de procesadores y software más potente para evitar retrasos (disminuir la latencia), lo que supone un coste y complejidad de diseño mayores.

Sus prestaciones son mejores al eliminar paquetes erróneos de la red e incluso permitir filtros mas sofisticados al poder analizarse el paquete completo.

Además el argumento de que una latencia menor es mejor, no es válido si se toma en cuenta que muchos de los protocolos de transporte modernos (TCP, NFS e IPX en modo ráfaga) permiten el envío de secuencias de múltiples paquetes consecutivos antes de recibir el reconocimiento de que el primero ha sido recibido adecuadamente; y por lo tanto, no se produce ningún retraso en el envío del siguiente paquete, por no haber llegado la señal de reconocimiento del primero, puesto que el segundo y sucesivos ya han sido remitidos.

 

Concentradores

Existen multitud de tipos de concentradores que pueden ser catalogados como conmutadores, y cada uno de ellos puede decirse que resuelve problemas concretos de la red. Pero fundamentalmente, pueden ser clasificados en dos grupos fundamentales:

 

Conmutador de grupo de trabajo (workgroup switch)

Garantiza la velocidad de la red entre pares de estaciones o nodos.

Si la velocidad de los puertos fuente y destinatario es igual, el destinatario debe de estar ocioso (idle) para evitar el bloqueo. En este caso, se soporta una única dirección por puerto, que a su vez es la mínima unidad de segmento; cada segmento tiene por tanto, una conexión dedicada, con todo el ancho de banda de la red.

Se pueden ofrecer puertos con diferentes velocidades, como se ha mencionado antes, por ejemplo para servidores y clientes.

A los puertos que sólo admiten una única dirección para un punto final de la red, se les denomina puertos privados (Private Ports).

Para la conexión a troncales, en cambio, se requiere un puerto de red estándar, es decir, no limitado a una única dirección de red.

conmutador de grupo de trabajo

 

La figura muestra un conmutador de grupo de trabajo. En este ambiente el dominio de broadcast se divide en 4 dominios de colisiones, donde los usuarios atados a dichos dominios comparten 10Mbps. Los accesos dedicados a servidores y usuarios poderosos, eliminan la competencia por acceder al medio y el servidor local tiene una interfase de alta velocidad para eliminar posibles cuellos de botella. Además garantiza que los paquetes no se pierdan por la limitación del buffer, cuando el tráfico de varios puertos sea enviado a un sólo puerto destino.

Conmutador de red (network switch)

Garantiza la conectividad a la velocidad de la red, entre pares de segmentos de red.

Si las velocidades de los segmentos origen y destino son iguales, el segmento destino debe de estar ocioso, para evitar el bloqueo. En este caso, a cada puerto del conmutador, se suele asociar un grupo de trabajo, por lo general a través de un concentrador, y los nodos del mismo comparten el ancho de banda dentro del mismo segmento.

La ventaja evidente, frente a un conmutador de grupos de trabajo, es su menor coste por nodo final

Su desventaja es limitar el ancho de banda, que queda repartido entre todos los nodos de un segmento, y obviamente, su instalación es más complicada por la necesidad de equilibrar la carga de trabajo de la red en cada segmento.

 

Un grupo de trabajo departamental (la red), es un grupo compuesto de varios grupos pequeños de trabajo (segmentos de red). La figura ilustra un típico grupo de trabajo departamental, donde los grupos de trabajo individuales son combinados con un conmutador que proporciona interfaces de alta velocidad -Fast ethernet, FDDI o ATM. Y todos los usuarios tienen acceso a la granja de servidores, vía una interfase compartida de alta velocidad al conmutador departamental (conmutador de red).

Muchos concentradores modulares, de altas prestaciones, que ofrecen una singular característica, basada fundamentalmente en software, que se denomina "conmutación de puertos" (port switching), y que en parte coincide con la estrategia de conmutación de los conmutadores, aunque no necesariamente emplean la misma tecnología. Para ello, el hardware esta preparado para dividir el concentrador en varios segmentos Ethernet, y asignar, a cada segmento, en un momento dado, un puerto o grupo de puertos. La ventaja de estos dispositivos es evidente, dada la capacidad y flexibilidad que supone para el administrador del sistema, poder "mover" puertos mediante un software de control, en función de repartir la carga de trabajo de los segmentos de la red, cambiar a un usuario de grupo de trabajo, etc., todo ello sin necesidad de cambiar físicamente el cableado de la instalación.

 

Prestaciones de los conmutadores

Dado que un conmutador pretende solucionar los problemas de ancho de banda real disponible en la red, y por tanto evitar su congestión, es importante determinar sus prestaciones, que podemos analizar en función de tres parámetros fundamentales:

 

Ancho de banda puerto a puerto.

Las redes Ethernet, a 10Mbps, son capaces de transmitir 14.880 paquetes por segundo (PPS), para paquetes de un tamaño mínimo de 64 bytes. Esta velocidad, que se denomina velocidad de la red o "velocidad del cable" (wire speed), es la máxima teóricamente alcanzable.

Un conmutador, e incluso un puente o conmutador que sea capaz de sostener dicha velocidad, en una conversación entre dos de sus puertos cualesquiera, ofrece las máximas prestaciones posibles en este sentido. Su combinación de hardware y software es capaz de ser tan eficiente como lo es el propio cableado en si mismo.

 

Ancho de banda total.

Bien sea medida en Mbps o PPS, el ancho de banda total es la máxima velocidad a la que los paquetes pueden ser "movidos" a través del conmutador y por tanto recibidos y enviados por los puertos del mismo.

En un conmutador con 24 puertos Ethernet (10Mbps), su ancho de banda total, debe de ser igual a la suma del máximo número de conexiones virtuales que pueda establecer a la velocidad de la red (o "velocidad del cable"), es decir, 120Mbps (10Mbps multiplicado por 12 conexiones virtuales) o bien 178.560 PPS (14.880 multiplicado por 12 conexiones virtuales). Este sería el caso de un conmutador "no bloqueable" internamente (non-blocking).

 

Latencia.

La latencia (latency) es la demora en el tiempo, o retraso, desde la recepción de los datos en un puerto y su reexpedición al puerto destino.

Por lo general se toma como punto de referencia el primer bit de cada paquete.

La latencia depende fundamentalmente del tiempo requerido por el hardware y software del conmutador para identificar la dirección destino.

Una baja latencia incrementa las prestaciones, especialmente en redes que emplean protocolos de señalización y reconocimiento (handshaking), en los que todas las transferencias de datos se implementan en secuencias de transmisiones de paquetes individuales, cada uno de los cuales es reconocido (acknowledged) individualmente por el destinatario.

La baja latencia es menos importante en redes que emplean protocolos de "windowing", ya que implementan las transferencias de datos en secuencias de múltiples paquetes, reconocidos como un grupo por el receptor.

 

Aplicaciones y productos

A lo largo de este trabajo, se han esbozado las aplicaciones básicas de los conmutadores, que sin embargo podemos sintetizar en:

 

Sustitutos de puentes y encaminadores.

Sustitutos de concentradores en redes congestionadas.

Sustitutos de concentradores en grupos de trabajo.

Conexión de grupos de clientes a servidores.

Conexión de grupos de servidores a grupos de clientes.

Interconexión de múltiples concentradores.

 

Los fabricantes que ofrecen conmutadores, hoy en día y en el mercado, son: Alantec, Artel, Cabletron, Cisco, Grand Junction Networks, Interphase, Kalpana, Lannet, Lantronix, SMC, UB, y 3COM. El abanico de productos ofrecidos incluye una variedad imposible de enumerar.

Lo que si cabe señalar es que algunos fabricantes ofrecen soporte, en sus dispositivos de conmutación, para redes FDDI, ATM, Fast Ethernet, Full Duplex Ethernet, Full Duplex Fast Ethernet y Token Ring, entre otras, bien como puertos independientes, o incluso como conmutación de dichos tipos de redes. Sin duda el soporte multitecnología y la modularidad, primarán en los futuros productos que el mercado adopte, aunque se puede afirmar que algunos de ellos ya han hecho su aparición, y están despuntando con fuerza frente a otros productos de gama baja e inferiores prestaciones.

Sin duda, es fundamental recalcar que existen en el mercado puentes y encaminadores multipuerto, cuyas prestaciones y funcionalidad pueden llegar a ser equivalentes a las de verdaderos conmutadores, especialmente para pequeños grupos de trabajo o redes no excesivamente grandes.

VLAN REDES VIRTUALES

Los grupos de trabajo en una red, hasta ahora, han sido creados por la asociación física de los usuarios en un mismo segmento de la red, o en un mismo concentrador o hub.

Como consecuencia directa, estos grupos de trabajo comparten el ancho de banda disponible y los dominios de "broadcast", y con la dificultad de gestión cuando se producen cambios en los miembros del grupo. Más aún, la limitación geográfica que supone que los miembros de un determinado grupo deben de estar situados adyacentemente, por su conexión al mismo concentrador o segmento de la red.

la segmentación casi elimina el concurso por el medio y da a cada estación final más ancho de banda en la LAN

 

Una Virtual LAN es un grupo de dispositivos en una o más LANs que son configurados (utilizando software de administración) de tal manera que se pueden comunicar como si ellos estuvieran conectados al mismo cable, cuando en realidad están localizados en un segmento diferente de LAN. Esto es porque VLANs están basadas en las conexiones lógicas en lugar de las físicas y es por eso que son extremadamente flexibles.

Los esquemas VLAN (Virtual LAN o red virtual), proporcionan los medios adecuados para solucionar esta problemática, por medio de la agrupación realizada de una forma lógica en lugar de física.

Un ruteador segmenta físicamente la red dentro de dominios de broadcast. En este ejemplo, el administrador de red instala un ruteador como política de seguridad, además para evitar los efectos del broadcast, que alentan la red.

Sin embargo, las redes virtuales siguen compartiendo las características de los grupos de trabajo físicos, en el sentido de que todos los usuarios tienen conectividad entre ellos y comparten sus dominios de "broadcast".

los puertos de cada switch son configurados como miembros ya sea de la VLAN A o la VLAN B. Si la estación final transmite tráfico de broadcast o multicast, el tráfico es reenviado a todos los puertos miembros. El tráfico que fluye entre las dos VLANs es reenviado por el ruteador, dando así seguridad y manejo del tráfico

La principal diferencia con la agrupación física, como se ha mencionado, es que los usuarios de las redes virtuales pueden ser distribuidos a través de una red LAN, incluso situándose en diferentes concentradores de la misma.

Los usuarios pueden, así, "moverse" a través de la red, manteniendo su pertenencia al grupo de trabajo lógico.

Por otro lado, al distribuir a los usuarios de un mismo grupo lógico a través de diferentes segmentos, se logra, como consecuencia directa, el incremento del ancho de banda en dicho grupo de usuarios.

Además, al poder distribuir a los usuarios en diferentes segmentos de la red, es posible situar puentes y encaminadores entre ellos, separando segmentos con diferentes topologías y protocolos. Así por ejemplo, es posible mantener diferentes usuarios del mismo grupo, unos con FDDI y otros con Ethernet, en función tanto de las instalaciones existentes como del ancho de banda que cada uno precise, por su función específica dentro del grupo.

Todo ello, por supuesto, manteniendo la seguridad deseada en cada configuración por el administrador de la red: Se puede permitir o no que el tráfico de una VLAN entre y salga desde o hacia otras redes.

Pero aún se puede llegar más lejos. Las redes virtuales permiten que la ubicuidad geográfica no se limite a diferentes concentradores o plantas de un mismo edificio, sino a diferentes oficinas intercomunicadas mediante redes WAN o MAN, a lo largo de países y continentes, sin limitación ninguna más que la impuesta por el administrador de dichas redes.

 

Tecnología

Existen tres aproximaciones diferentes que pueden ser empleadas como soluciones válidas para proporcionar redes virtuales: conmutación de puertos, conmutación de segmentos con funciones de bridging, y conmutación de segmentos con funciones de bridging/routing.

Todas las soluciones están basadas en arquitecturas de red que emplean concentradores/conmutadores. Aunque las tres son soluciones válidas, sólo la última, con funciones de bridge/router, ofrece todos las ventajas a las VLAN.

 

Conmutadores de puertos.

Los conmutadores de puertos son concentradores con varios segmentos, cada uno de los cuales proporciona el máximo ancho de banda disponible, según el tipo de red, compartido entre todos los puertos existentes en dicho segmento.

Se diferencian de los conmutadores tradicionales en que sus puertos pueden ser dinámicamente asociados a cualquiera de los segmentos, mediante comandos software.

Cada segmento se asocia a un "backplane", el cual a su vez, equivale a un grupo de trabajo. De este modo, las estaciones conectadas a estos puertos pueden asignadas y reasignadas a diferentes grupos de trabajo o redes virtuales.

Los conmutadores de puertos se definen como "software patch panels", y su ventaja fundamental es la facilidad para la reconfiguración de los grupos de trabajo; sin embargo, tienen graves limitaciones.

Dado que están diseñados como dispositivos compartiendo un backplane físico, las reconfiguraciones de grupo de trabajo están limitadas al entorno de un único concentrador, y por tanto, todos los miembros del grupo deben de estar físicamente próximos.

Las redes virtuales con conmutadores de puertos, padecen de conectividad con el resto de la red. Al segmentar sus propios backplanes, no proporcionan conectividad integrada entre sus propios backplanes, y por tanto están "separados" de la comunicación con el resto de la red. Para ello requieren un bridge/router externo. Ello implica mayores costes, además de la necesidad de reconfigurar el bridge/router cuando se producen cambios en la red.

No alivian el problema de saturación del ancho de banda de la red. Todos los nodos deben de conectarse al mismo segmento o backplane, y por tanto compartirán el ancho de banda disponible en el mismo, independientemente de su número.

 

Conmutadores de segmentos con bridging.

A diferencia de los conmutadores de puertos, suministran el ancho de banda de múltiples segmentos de red, manteniendo la conectividad entre dichos segmentos empleando los algoritmos tradicionales de los puentes (bridges), o subconjuntos de los mismos, para proporcionar conectividad entre varios segmentos a la "velocidad del cable" o velocidad máxima que permite la topología y protocolos de dicha red.

Mediante estos dispositivos, las VLAN no son grupos de trabajo conectados a un solo segmento o backplane, sino grupos lógicos de nodos que pueden ser conectados a cualquier número de segmentos de red físicos.

Las VLAN con este tipo de conmutadores son dominios de broadcast lógicos: conjuntos de segmentos de red que reciben todos los paquetes enviados por cualquier nodo en la VLAN como si todos los nodos estuvieran conectados físicamente al mismo segmento.

Al igual que los conmutadores de puertos, mediante comandos software se puede reconfigurar y modificar la estructura de la VLAN, con la ventaja añadida del ancho de banda repartido entre varios segmentos físicos. De esta forma, según va creciendo un grupo de trabajo, y para evitar su saturación, los usuarios del mismo pueden situarse en diferentes segmentos físicos, aún manteniendo el concepto de grupo de trabajo independiente del resto de la red, con lo que se logra ampliar el ancho de banda en función del número de segmentos usados.

Comparten el mismo problema con los conmutadores de puertos en cuanto a su comunicación fuera del grupo. Al estar aislados, para su comunicación con el resto de la red precisan de routers (encaminadores), con las consecuencias de las que ya hemos hablado en el caso anterior respecto del coste y la reconfiguración de la red.

 

Conmutadores de segmentos con bridging/routing.

Son la solución evidente tras la atenta lectura de las dos soluciones anteriores. Son dispositivos que comparten todas las ventajas de los conmutadores de segmentos con funciones de bridging, pero además, con funciones añadidas de routing (encaminamiento), lo que les proporciona fácil reconfiguración de la red, así como la posibilidad de crear grupos de trabajo que se expanden a través de diferentes segmentos de red.

Sus funciones de routing facilitan la conectividad entre las redes virtuales y el resto de los segmentos o redes, tanto locales como remotas.

Mediante las redes virtuales, es posible crear un nuevo grupo de trabajo, con tan solo una reconfiguración del software del conmutador. Ello evita el recableado de la red o el cambio en direcciones de subredes, permitiéndonos así asignar el ancho de banda requerido por el nuevo grupo de trabajo sin afectar a las aplicaciones de red existentes.

En las VLAN con funciones de routing, la comunicación con el resto de la red se puede realizar de dos modos diferentes: permitiendo que algunos segmentos sean miembros de varios grupos de trabajo, o mediante las funciones de routing multiprotocolo integradas, que facilitan el tráfico incluso entre varias VLAN’s.

 

Prestaciones de las VLAN

Los dispositivos con funciones VLAN ofrecen unas prestaciones de "valor añadido", suplementarias a las funciones específicas de las redes virtuales, aunque algunas de ellas son casi tan fundamentales como los principios mismos de las VLAN.

Al igual que en el caso de los grupos de trabajo "físicos", las VLAN permiten a un grupo de trabajo lógico compartir un dominio de broadcast. Ello significa que los sistemas dentro de una determinada VLAN reciben mensajes de broadcast desde el resto, independientemente de que residan o no en la misma red física. Por ello, las aplicaciones que requieren tráfico broadcast siguen funcionando en este tipo de redes virtuales. Al mismo tiempo, estos broadcast no son recibidos por otras estaciones situadas en otras VLAN.

Las VLAN no se limitan solo a un conmutador, sino que pueden extenderse a través de varios, estén o no físicamente en la misma localización geográfica.

Además las redes virtuales pueden solaparse, permitiendo que varias de ellas compartan determinados recursos, como backbones (troncales) de altas prestaciones o conexiones a servidores.

Uno de los mayores problemas a los que se enfrentan los administradores de las redes actuales, es la administración de las redes y subredes. Las VLAN tienen la habilidad de usar el mismo número de red en varios segmentos, lo que supone un práctico mecanismo para incrementar rápidamente el ancho de banda de nuevos segmentos de la red sin preocuparse de colisiones de direcciones.

Las soluciones tradicionales de internetworking, empleando concentradores y routers, requieren que cada segmento sea una única subred; por el contrario, en un dispositivo con facilidades VLAN, una subred puede expandirse a través de múltiples segmentos físicos, y un solo segmento físico puede soportar varias subredes.

Asimismo, hay que tener en cuenta que los modelos más avanzados de conmutadores con funciones VLAN, soportan filtros muy sofisticados, definidos por el usuario o administrador de la red, que nos permiten determinar con gran precisión las características del tráfico y de la seguridad que deseamos en cada dominio, segmento, red o conjunto de redes. Todo ello se realiza en función de algoritmos de bridging, y routing multiprotocolo.

Aplicaciones y productos de las VLAN

Los puntos en que las VLAN pueden complementar a las redes actuales se enumeran a continuación:

Movilidad: Como hemos visto, el punto fundamental de las redes virtuales es el permitir la movilidad física de los usuarios dentro de los grupos de trabajo.

Dominios lógicos: Los grupos de trabajo pueden definirse a través de uno o varios segmentos físicos, o en otras palabras, los grupos de trabajo son independientes de sus conexiones físicas, ya que están constituidos como dominios lógicos.

Control y conservación del ancho de banda: Las redes virtuales pueden restringir los broadcast a los dominios lógicos donde han sido generados. Además, añadir usuarios a un determinado dominio o grupo de trabajo no reduce el ancho de banda disponible para el mismo, ni para otros.

Conectividad: Los modelos con funciones de routing nos permiten interconectar diferentes conmutadores y expandir las redes virtuales a través de ellos, incluso aunque estén situados en lugares geográficos diversos.

Seguridad: Los accesos desde y hacia los dominios lógicos, pueden ser restringidos, en función de las necesidades específicas de cada red, proporcionando un alto grado de seguridad.

Protección de la inversión: Las capacidades VLAN están, por lo general, incluidas en el precio de los conmutadores que las ofrecen, y su uso no requiere cambios en la estructura de la red o cableado, sino más bien los evitan, facilitando las reconfiguraciones de la red sin costes adicionales.

Esquema de una red virtual usando usando el conmutador TE100-S1616V y el TE100-S2424

El primer suministrador de conmutadores con soporte VLAN fue ALANTEC (familia de concentradores/conmutadores multimedia inteligentes PowerHub), pero actualmente son muchos los fabricantes que ofrecen equipos con soluciones VLAN: Bytex (concentrador inteligente 7700), Cabletron (ESX-MIM), Chipcom (OnLine), Lannet (MultiNet Hub), Synoptics (Lattis System 5000), UB (Hub Access/One) y 3Com (LinkBuilder).

 

Conmutador TE100-S1616V

Conmutador VLAN de 16 puertos y 10/100Mbps.

El TE100-S1616V es un switch de 16 puertos Ethernet 10/100Mbps con red virtual (VLAN) y módulo opcional de fibra óptica 100Base-FX. Este conmutador avanzado soporta redes virtuales configurables por puerto para dar

una herramienta de gran alcance y fácil de utilizar que reduce tráfico innecesario, divide la red en segmentos, y aumenta la seguridad en la red. Él conmutador también ofrecen una configuración programable para fijar la velocidad y seleccionar los modos dúplex completo y semidúplex

Características

-         Conforme con las normas IEEE802.3 para Ethernet de 10/100Mbps y IEEE802.3u

-         16 puertos con auto detección 10/100Mbps

-         Soporte para cuatro redes virtuales (VLANs) basadas en puertos

-         Configuración programable para 10/100Mbps o modos dúplex completo y
semidúplex

-         Funcionamiento en modos dúplex completo y semidúplex en todo los puertos
UTP y fibra óptica

-         Soporte para direcciones fuente MAC 1K

-         Aprendizaje automático de la configuración de red

-         Módulo opcional de fibra óptica multimodo (conector SC o VF-45)

-         Configuración automática (Plug and Play)

-         Indicadores LEDs de alta visibilidad

-         Montaje en rack conforme con EIA-19

-         5 años de garantía

 

Conmutador TE100-S2424

Conmutador Nway VLAN de 24 puertos y 10/100mbps

El TE100-S2424V un switch de 24 puertos Ethernet 10/100Mbps con red virtual (VLAN) y módulo opcional de fibra óptica 100Base-FX. Este conmutador avanzado soporta redes virtuales configurables por puerto para dar una

Herramienta de gran alcance y fácil de utilizar que reduce tráfico innecesario, divide la red en segmentos, y aumenta la seguridad en la red. Él conmutador también ofrecen una configuración programable para fijar la velocidad y seleccionar los modos dúplex completo y semidúplex.

Características

-         Conforme con las normas IEEE802.3 para Ethernet de 10/100Mbps y IEEE802.3u

-         24 puertos con auto detección 10/100Mbps

-         Soporte para cuatro redes virtuales (VLANs) basadas en puertos

-         Configuración programable para 10/100Mbps o modos dúplex completo y
semidúplex

-         Funcionamiento en modos dúplex completo y semidúplex en todo los puertos
UTP y fibra óptica

-         Soporte para direcciones fuente MAC 1K

-         Aprendizaje automático de la configuración de red

-         Módulo opcional de fibra óptica multimodo (conector SC o VF-45)

-         Configuración automática (Plug and Play)

-         Indicadores LEDs de alta visibilidad

-         Montaje en rack conforme con EIA-19

-         5 años de garantía

 

 

 

 

INFORMACIÓN DE CONTACTO

 

Ing. Jhon E. Amaya, jedgar@unet.edu.ve

 

José E. Niño, joseddon@yahoo.com

http://www.angelfire.com/al2/Comunicaciones/enlaces.html

 

Universidad del Táchira

Departamento de Ingeniería Electrónica

Teléfono 58-076-530422, extensión 374

San Cristóbal, Estado Táchira, Venezuela

http://www.unet.edu.ve/