PUENTE O BRIDGE

         Los puentes (bridges) se usan para la conexión de redes diferentes como por ejemplo Ethernet y Fast Ethernet. Igual que los repetidores, son independientes de los protocolos, y retransmiten los paquetes a la dirección adecuada basándose precisamente en esta, en la dirección de destino (indicada en el propio paquete).

Su diferencia con los repetidores consiste en que los puentes tienen cierta "inteligencia", que les permite reenviar o no un paquete al otro segmento; cuando un paquete no es retransmitido, decimos que ha sido filtrado. 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.

         Otra importante diferencia es que con los repetidores, el ancho de banda de los diferentes segmentos es compartido, mientras que con los puentes, cada segmento dispone del 100% del ancho de banda. 

Su filosofía impide que las colisiones se propaguen entre diferentes segmentos de la red, algo que los repetidores son incapaces de evitar. Habitualmente, los puentes de una red se enlazan entre sí con topología de bus y a su vez se combinan con concentradores mediante una topología de estrella. 

En nuestro proyecto no se usarán bridges debido a que la arquitectura necesaria para resolver las necesidades de las redes a implementar en los centros, no los requiere.

Sus principales características son: 

·            Son dispositivos que ayudan a resolver el problema de limitación de distancias, junto con el problema de limitación del número de nodos de una red.

·            Trabajan al nivel de enlace del modelo OSI, por lo que pueden interconectar redes que cumplan las normas del modelo 802 (3, 4 y 5). Si los protocolos por encima de estos niveles son diferentes en ambas redes, el puente no es consciente, y por tanto no puede resolver los problemas que puedan presentársele.

·            Se utilizan para: 

ü       Ampliar la extensión de la red, o el número de nodos que la constituyen.

ü       Reducir la carga en una red con mucho tráfico, uniendo segmentos diferentes de una misma red.

ü       Unir redes con la misma topología y método de acceso al medio, o diferentes.

ü       Cuando un puente une redes exactamente iguales, su función se reduce exclusivamente a direccionar el paquete hacia la subred destino.

ü       Cuando un puente une redes diferentes, debe realizar funciones de traducción entre las tramas de una topología a otra. 

Cada segmento de red, o red interconectada con un puente, tiene una dirección de red diferente. Los puentes no entienden de direcciones IP, ya que trabajan en otro nivel. 

Los puentes realizan las siguientes funciones: 

ü       Reenvio de tramas: constituye una forma de filtrado. Un puente solo reenvía a un segmento a aquellos paquetes cuya dirección de red lo requiera, no traspasando el puente los paquetes que vayan dirigidos a nodos locales a un segmento. Por tanto, cuando un paquete llega a un puente, éste examina la dirección física destino contenida en él, determinado así si el paquete debe atravesar el puente o no.

ü       Técnicas de aprendizaje: los puentes construyen tablas de dirección que describen las rutas, bien sea mediante el examen del flujo de los paquetes (puenteado transparente) o bien con la obtención de la información de los “paquetes exploradores” (encaminamiento fuente) que han aprendido durante sus viajes la topología de la red. 

Los primeros puentes requerían que los gestores de la red introdujeran a mano las tablas de dirección. Los puentes trabajan con direcciones físicas 

Funcionamiento de los puentes

Los puentes son mecanismos para conectar varias LAN . Generalmente conectan LAN con idénticos protocolos de capa física y de acceso al medio ( MAC ) . Se podría pensar en construir una LAN grande en vez de conectar varias LAN mediante puentes , pero : 

·                    Cuando hay una sola LAN , un fallo en una zona , bloquearía toda la LAN . Cuando se conectan varias LAN con puentes , el fallo en una LAN no implica el fallo en la otra .

·                    Varias LAN pequeñas tienen mayores prestaciones que una grande , sobre todo porque las longitudes de cableado son menores .

·                    El establecer varias LAN en vez de una sóla , mejora las condiciones de seguridad , ya que hay áreas que deben ser más seguras y así se implementan con una LAN conectada con las otras LAN .

·                    Cuando ha dos LAN separadas geográficamente , es más sencillo y barato conectarlas con un puente que usar cable coaxial por ejemplo .  

Funciones de un puente

Los puentes , al conectar dos LAN con el mismo protocolo MAC , no cambian el contenido de las tramas; su única función es captar las tramas de una LAN y repetirlas en la otra LAN , sin modificarlas.

Los puentes deben tener una memoria temporal para albergar las tramas a intercambiar de LAN .

Además , los puentes deben conocer el direccionamiento suficiente para saber qué tramas van a una LAN y qué otras va a otra LAN . Los puentes deben tener capacidad de interconectar más de dos LAN .

Desde el punto de vista de cada estación , todas las demás estaciones están en su misma LAN y es el puente el encargado de encaminar las tramas . Otras funciones adicionales que pueden tener los puentes son encaminamientos hacia otros puentes , y de esta forma pueden saber los costes para llegar de unas estaciones a otras . . Además , los puentes temporales pueden tener memorias donde guardar tramas a la espera de envío cuando hay saturación en las líneas .

Arquitectura del protocolo de puentes

Los puentes realizan su actividad en la capa de acceso al medio . Por lo tanto , su única funciones encaminar la trama a la LAN de destino , sin añadir ninguna información adicional a la trama suministrada por la MAC del emisor .

Encaminamiento con puentes

Hay puentes que sólo se encargan de retransmitir tramas a LAN de destino , sin realizar encaminamiento . Pero hay puentes que realizan encaminamiento . El encaminamiento es necesario cuando los puentes conectan más de dos LAN . Esto es así porque hay que decidir si las tramas , para llegar a su destino , deben de ser encaminadas hacia ciertas LAN o hacia otras ( ya que habrá LAN que no lleven la trama a su destino ) .

También puede ocurrir que falle un camino hacia una estación de destino , de forma que el puente debe de hacerse cargo de este fallo e intentar encaminar las tramas hacia otros caminos que no fallen . Es decir que el puente debe de ser capaz de alterar sus encaminamientos previstos para adaptarse a la incidencias en las redes que conecta .

Encaminamiento estático

Los puentes tienen de antemano unas rutas predefinidas para el tránsito de tramas , y en el caso de que haya dos caminos posibles , se selecciona generalmente el de menos saltos .Cada puente debe tener una matriz para saber los encaminamientos dependiendo de a qué estación se desee enviar la trama . .

Es decir que por cada LAN que conecta el puente , debe de haber una columna y tantas filas como estaciones contenga esa LAN . Una vez realizado esto , es fácil encaminar las tramas a las LAN de destino . El inconveniente principal de estos puentes es su limitación para adaptarse a condiciones cambiantes , aunque tiene ventajas en cuanto a sencillez y bajo coste .

Encaminamiento con árbol de expansión

Estos puentes automatizan un proceso de creación de tablas de encaminamiento actualizadas . Es decir , su información cambia dinámicamente .Hay tres procesos en la creación del árbol de expansión : 

Reenvío de tramas : en un principio , el puente tiene sus tablas de encaminamiento vacías , de forma que inicialmente utiliza la técnica de inundación ( envía las tramas a todas las direcciones posibles ) y conforme va rellenando las tablas de encaminamientos , su conocimiento de dónde debe enviar cada trama dependiendo de la dirección de destino va aumentando . Para esto , utiliza puertos de forma que va asociando cada dirección a un puerto que conecta con una LAN o con otro puente . 

Aprendizaje de direcciones : para mantener la actualización permanente de las tablas , el puente utiliza los campos de direccionamiento de la trama MAC . Cada vez que llega una trama al puente , éste mira la dirección de donde proviene y comprueba si esta dirección ya existe en sus tablas , y en caso de que no exista o de que se haya modificado , la actualiza con los datos obtenidos de la trama .

Algoritmo del árbol de expansión : para evitar bucles cerrados ( ya que puede ocurrir que dos puentes se pasen tramas desconocidas de forma ininterrumpida ) , se utiliza la teoría de grafos que dice que es posible construir un árbol de expansión sin ciclos a partir de cualquier grafo conectado . Para realizar esto , los puentes deben de pasarse información , que es mediante un protocolo especial de puentes . Además , cuando dos LAN están conectadas por más de un puente , se eliminan todos los puentes excepto uno . Este proceso de creación de un árbol de expansión debe de hacerlo el propio sistema de puentes sin intervención de usuarios .  

Encaminamiento en el origen

La norma IEEE 802.5 ha creado un estándar en el que la estación de origen incluye ya en la trama el encaminamiento , y el puente sólo debe leerlo para saber si debe retransmitir la trama o no . Sus características principales son :

Funcionamiento básico : la estación de origen debe d4e elegir el encaminamiento e incluir esta información en la trama . De esta forma , el puente sólo debe mantener información sobre su identificador ( ya que el emisor debe conocer la ruta a seguir por la trama ) y sobre las LAN que conecta .

 Directivas de encaminamiento y modos de direccionamiento: hay 4 órdenes que puede llevar implícitas una trama desde el origen :  

1.                 Nulo : la trama sólo puede llegar a estaciones de su misma LAN .

2.                 Sin difusión : sólo se describe una ruta posible , las demás no se pueden utilizar .

3.                 Difusión a través de todas las rutas : la trama se difunde a todas las rutas posibles ( pueden llegar muchas copias al destino ) .

4.                 Difusión a través de una única ruta : la trama se encamina a todas las rutas posibles , pero el empleo del algoritmo de árbol de expansión , sólo llega una trama al destino .  

Descubrimiento y selección de rutas : hay tres formas posibles de que una estación e origen puede encaminar su trama al destino :  

1.                 Se carga manualmente la información en cada estación , lo que es sencillo pero no hace posible la automatización del proceso de encaminamiento y además es difícil de hacerse funcionar cuando hay fallos en los encaminamientos .

 2.                 Una estación en cada LAN mantiene la información de encaminamientos respecto al exterior , y las demás estaciones de esa LAN sólo consultan a esta estación de información sobre sus encaminamientos .  

3.                 Cada estación debe de buscar su encaminamiento por su cuenta . 

La norma IEEE sólo utiliza la opción 3 . Cada estación origen envía una trama de control a una estación de destino de forma que cuando ésta recibe la trama , responde informando sobre el camino que ha seguido esta trama . De esta forma , de todas las respuestas recibidas por la trama origen , selecciona la más idónea y la guarda en su base de datos para las siguientes tramas . 

ROUTER (ENCAMINADOR) 

Sus principales características son: 

·       Es como un puente incorporando características avanzadas.

·       Trabajan a nivel de red del modelo OSI, por tanto trabajan con direcciones IP.

·       Un router es dependiente del protocolo.

·       Permite conectar redes de área local y de área extensa.

·       Habitualmente se utilizan para conectar una red de área local a una red de área extensa.

·       Son capaces de elegir la ruta más eficiente que debe seguir un paquete en el momento de recibirlo.

·       La forma que tienen de funcionar es la siguiente.

ü        Cuando llega un paquete al router, éste examina la dirección destino y lo envía hacia allí a través de una ruta predeterminada.

ü        Si la dirección destino pertenece a una de las redes que el router interconecta, entonces envía el paquete directamente a ella; en otro caso enviará el paquete a otro router más próximo a la dirección destino.

ü        Para saber el camino por el que el router debe enviar un paquete recibido, examina sus propias tablas de encaminamiento.

·       Existen routers multiprotocolo que son capaces de interconectar redes que funcionan con distintos protocolos; para ello incorporan un software que pasa un paquete de un protocolo a otro, aunque no son soportados todos los protocolos.

·       Cada segmento de red conectado a través de un router tiene una dirección de red diferente.

SWITCH O CONMUTADOR

Es un dispositivo similar a un concentrador que dispone de las características antes mencionadas de canales de alta velocidad en su interior y capacidad de filtrado del tráfico.  

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 sólo al segmento destino (a no ser que los filtros definidos lo impidan). 

Los conmutadores son, en cierto modo, puentes multipuerto. 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. 

Mientras los concentradores comparten el ancho de banda de la red entre todos los nodos que la componen, con el uso de conmutadores, cada uno de los segmentos conectados a uno de sus puertos tiene un ancho de banda completo, compartido por menos usuarios, lo que repercute en mejores prestaciones. 

La ventaja de esta especificación es que utiliza los mismos cables y tarjetas de red que
el 10 Base-T, sustituyéndose sólo los concentradores por conmutadores

En la figura se puede ver como el uso de conmutadores en lugar de concentradores mejora las prestaciones de la red. 

El primer caso sería una implementación típica de 10 Base-T con concentradores. Aunque no es malo el rendimiento que le saca a este montaje, veremos que es mejorable con muy pocos cambios. 

El segundo caso tan solo ha cambiado el concentrador principal por un conmutador y ha conseguido disminuir considerablemente tanto el número de colisiones como la utilización de las capacidades de la red. Esto se debe a que cada puerto del conmutador es una red separada a nivel de colisiones y además tiene para sí todo el ancho de banda disponible(10 Mbits/s en este caso). 

El tercer caso es una combinación entre uso de conmutador y 100 Base-X. Como se puede observar, el switch usado tiene además de los puertos de 10 Mbits/s, dos más de 100 Mbits/s. Si el servidor de la LAN lo conectamos en uno de estos segmentos, conseguiremos una disminución muy considerable tanto del número de colisiones como del grado de utilización de la red. En definitiva mejora sustancialmente el rendimiento de la LAN.

En nuestro proyecto usaremos concentradores en lugar de Switch ya que la velocidad que vamos a necesitar en la LAN queda suficientemente cubierta con los primeros. En el caso de que el tráfico por la red fuera muy intenso (por ejemplo con el aumento significativo del número de estaciones), se podría pensar en cambiar los concentradores por Switchs o hacer convivir ambos introduciendo los segundos en los tramos de red donde se necesite mayor ancho de banda, por ejemplo en los servidores. 

HUBS (CONCENTRADORES)  

Dispositivo que interconecta host dentro de una red. Es el dispositivo de interconexión más simple que existe. Sus principales características son: 

·       Se trata de un armario de conexiones donde se centralizan todas las conexiones de una red, es decir un dispositivo con muchos puertos de entrada y salida.

·       No tiene ninguna función aparte de centralizar conexiones.

·       Se suelen utilizar para implementar topologías en estrella física, pero funcionando como un anillo o como un bus lógico.  

Hubs activos: permiten conectar nodos a distancias de hasta 609 metros, suelen tener entre 8 y 12 puertos y realizan funciones de amplificación y repetición de la señal. Los más complejos además realizan estadísticas. Hubs pasivos: son simples armarios de conexiones. Permiten conectar nodos a distancias de hasta 30 metros. Generalmente suelen tener entre 8 y 12 puertos. 

MULTIPLEXORES

 La abreviatura común del multiplexor es MUX. 

Un multiplexor es un circuito combinatorio que recibe información binaria de una de 2n líneas de datos de entrada y la dirige a una línea de salida única. La selección de una línea de datos de entrada particular para la salida se determina por un conjunto de entradas de selección. Un multiplexor de 2n a tiene 2n líneas de datos de entrada y n líneas de selección de entrada cuyas combinaciones de bits determinan qué datos de entrada se seleccionan para la salida. 

En un multiplexor de 4 a 1 líneas, cada una de las cuatro entadas de datos se aplica a una entrada de la compuerta AND. Las dos compuertas de selección S1 y S0 se decodifican para seleccionar una compuerta AND particular. Las salidas de las compuertas AND, se aplican a una compuerta OR única para proporcionar la salida única. Para d4emostrar el funcionamiento del circuito, considere el caso cuando S1S2 = 10. la compuerta AND (Y) asociada con la entrada I2, tiene dos de sus entradas iguales a 1. la tercera entrada de la compuerta se conecta con I2. Las otras tres compuertas AND (Y) tienen por lo menos una entrada igual a 0, lo que hace sus salidas iguales a 0. La salida de la compuerta OR (O) es ahora igual al valor de I2, proporcionando así un camino desde la entrada seleccionada a la salida. 

El multiplexor de 4 a 1 líneas tiene seis entradas y una salida. Una tabla de verdad que describa al circuito necesitará 64 renglones, ya que seis variables de entrada pueden tener 26 combinaciones binarias. Esta es una tabla excesivamente larga y no se mostrará aquí. Una manera más práctica de describir el funcionamiento de los multiplexores es por medio de una tabla de función. Una tabla de función muestra demuestra la relación entre las cuatro entradas de datos y la salida única como función de las entradas de selección S1 y S0. Cuando las entradas de selección son iguales a 00, la salida Y es igual a la entrada I0. Cuando las entradas de selección son iguales a 01, entrada I1 tiene un camino a la salida Y, y de modo similar para las otras dos combinaciones. El multiplexor también se llama selector de datos, ya que selecciona una de muchas entradas de datos y conduce la información binaria a la salida. 

Las compuertas AND y las inversoras del multiplexor semejan un circuito decodificador, y en verdad decodifican las líneas de selección de entrad. En general, un multiplexor de 2n a 1 líneas se construye con un decodificador de n a 2n agregando a éste 2n líneas de entrada y una salida única. Esto implica que también contiene n líneas de selección de entrada.  

Así como sucede en los decodificadores, los multiplexores pueden tener una entrada de habilitación para controlar el funcionamiento de la unidad. Cuando la entrada de habilitación está en estado inactivo, las salidas se deshabilitan, y cuando está en el estado activo, el circuito funciona como un multiplexor normal. La entrada de habilitación es útil para ampliar dos o más multiplexores a un multiplexor con un número mayor de entradas. 

En algunos casos dos o más multiplexores se encuentran en un solo circuito integrado. Las entradas de selección y de habilitación en una construcción de unidades múltiples suelen ser comunes a todos los multiplexores. El diagrama de bloques de un multiplexor cuádruple de 2 a 1 líneas es un circuito que tiene cuatro multiplexores, cada uno capaz de seleccionar una de dos líneas de entrada. La salida Y0 puede seleccionarse para que venga de las entradas A1 o B1, y así sucesivamente. Una línea de selección de entrada S selecciona una de las líneas en cada uno de los cuatro multiplexores. La entrad de habilitación E debe estar activa para el funcionamiento normal. A pesar de que el circuito contiene cuatro multiplexores, también podemos pensar en él como en un circuito que selecciona una de dos líneas de datos de 4 bits