CCNA Modulo 1 Conmutacion

Conmutación

Los conmutadores son algo grande, agregan capacidad y velocidad a la red, pero no son la panacea. ¿Cómo puede Ud. saber si su red se beneficiará con un conmutador? ¿Y cómo agregar los conmutadores al diseño de su red para obtener el mayor rendimiento? Esta guía didáctica se ha escrito para contestar estas preguntas. A lo largo de ella describiremos como trabajan los conmutadores, y cómo pueden dañar o beneficiar su estrategia de red. Y discutiremos diferentes tipos de red, para que usted pueda perfilar su red y pueda calibrar el beneficio potencial de conmutar en su entorno.
¿Qué es un Conmutador?

Los conmutadores ocupan el mismo lugar en la red que los concentradores. A diferencia de los concentradores, los conmutadores examinan cada paquete y lo procesan en consecuencia en lugar de simplemente repetir la señal a todos los puertos. Los conmutadores trazan las direcciones Ethernet de los nodos que residen en cada segmento de la red y permiten sólo el tráfico necesario para atravesar el conmutador. Cuando un paquete es recibido por el conmutador, el conmutador examina las direcciones hardware (MAC) fuente y destino y las compara con una tabla de segmentos de la red y direcciones. Si los segmentos son iguales, el paquete se descarta ("se filtra"); si los segmentos son diferentes, entonces el paquete es "remitido" al segmento apropiado. Además, los conmutadores previenen la difusión de paquetes erróneos al no remitirlos.
El filtrado de paquetes, y la regeneración de paquetes remitidos permite a la tecnología de conmutación dividir una red en dominios de colisión separados. La regeneración de paquetes permite diseñar redes de mayores distancias y más nodos, y disminuyen drásticamente los ratios de colisión globales. En redes conmutadas, cada segmento es un dominio de colisión independiente. En redes compartidas todos los nodos residen en un sólo gran dominio de colisión compartido.
Sencillos de instalar, la mayoría de los conmutadores tienen auto-aprendizaje. Determinan las direcciones Ethernet que se usan en cada segmento y construyen una tabla según los paquetes pasan a través del conmutador. Este elemento "plug and play" convierte a los conmutadores en una alternativa atractiva frente a los concentradores.
Los conmutadores pueden conectar tipos de redes diferentes (como Ethernet y Fast Ethernet) o redes del mismo tipo. Muchos conmutadores ofrecen enlaces de alta velocidad, como Fast Ethernet o FDDI, que pueden usarse para combinar conmutadores o proporcionar mayor ancho de banda a servidores específicos que tienen mucho tráfico. Una red compuesta de varios conmutadores unidos mediante estos enlaces ("uplinks") rápidos se denomina red de "troncal colapsado".
Dedicar puertos de conmutadores, a nodos individuales, es otro modo de acelerar el acceso a ordenadores críticos. Los servidores y usuarios potentes pueden aprovecharse de un segmento completo para un único nodo, por lo que muchas redes conectan nodos de alto tráfico a un puerto dedicado del conmutador.
Full Duplex es otra forma de incrementar el ancho de banda dedicado a servidores o estaciones de trabajo. Para usar Full Duplex, las dos tarjetas de interfaz de red usadas en el servidor o estación de trabajo, y el conmutador debe soportar operación en modo Full Duplex. Full Duplex dobla el ancho de banda potencial en ese enlace y proporciona 20 Mbps. en Ethernet y 200 Mbps. para Fast Ethernet.

Congestión de la red
Según se van agregando usuarios a una red compartida o según las aplicaciones requieren más datos, las prestaciones se deterioran. Esto es debido a que todos los usuarios en una red compartida entran en competencia por el bus Ethernet. Una red Ethernet de 10 Mbps. moderadamente cargada puede sostener una utilización del 35% y prestaciones en el entorno de 2.5 Mbps. después de considerar la carga del protocolo, tramos entre paquetes, y colisiones. Una red Fast Ethernet moderadamente cargada comparte 25 Mbps. de datos reales, en las mismas circunstancias. Con Ethernet y Fast Ethernet compartidos, la probabilidad de colisiones se incrementa según aumenta el número de nodos y/o el tráfico en el dominio de colisión compartido. 

Ethernet de por si, es un medio de comunicación compartido, por lo que hay reglas para enviar los paquetes, evitar conflictos y proteger la integridad de los datos. Los nodos en una red Ethernet envían paquetes cuando ellos determinan que la red no está en uso. Es posible que dos nodos en situaciones diferentes pudieran intentar enviar datos al mismo tiempo. Cuando ambos PC's están transfiriendo un paquete al mismo tiempo a la red, se producirá una colisión. Ambos paquetes son retransmitidos y generando un problema de tráfico. Minimizar las colisiones es un elemento crucial en la planificación y funcionamiento de las redes. El incremento de las colisiones es a menudo el resultado de demasiados usuarios o demasiado tráfico en la red, lo que produce mucha disputa por el ancho de banda de la red. Esto puede disminuir las prestaciones de la red desde el punto de vista de los usuarios. La segmentación, que consiste en la división de la red en pedazos diferentes, unidos lógicamente mediante conmutadores o routers, reduce la congestión en una red saturada.
La tasa de colisión mide el porcentaje de paquetes que provocan colisiones. Algunas colisiones son inevitables, algo menos del 10% es frecuente en redes funcionando adecuadamente.

 

Los Factores que Afectan a la Eficacia de la Red

* Cantidad de tráfico

* Número de nodos

* Tamaño de los paquetes

* Diámetro de la red

Midiendo la Eficacia de la Red

* Promedio de picos de desvío de carga

* Tasa de colisión

* Tasa de utilizació

 
La tasa de utilización es otra estadística ampliamente usada para indicar la salud de una red. Esta estadística está disponible en el monitor de la Consola de Novell y en el monitor de prestaciones de WindowsNT, así como a través de otros paquetes opcionales de software de análisis de LAN. Una tasa de utilización por encima del 35% indicado anteriormente, pronostica problemas potenciales. La utilización del 35% es casi óptima, pero algunas redes experimentan tasas de utilización más altas o más bajas debido a factores como el tamaño del paquete y la desviación de los picos de carga.
Se dice que un conmutador trabaja a "velocidad del cable" (wire speed) si tiene bastante potencia de proceso para manejar la velocidad total que Ethernet permite para los tamaños de paquete mínimos. La mayoría de los conmutadores en el mercado están por delante de las capacidades de tráfico de la red y por tanto, soportan Ethernet a "velocidad del cable", es decir, 14.480 pps (paquetes por segundo).
 
Routers
Los routers trabajan de una manera similar a los conmutadores y puentes desde el punto de vista en que filtran el tráfico de la red. En lugar de hacerlo según las direcciones de los paquetes, lo hacen según protocolo. Los routers nacieron de la necesidad de dividir lógicamente las redes en lugar de hacerlo físicamente. Un router IP puede dividir una red en varias subredes de modo que sólo el tráfico destinado a direcciones IP concretas puede pasar entre los segmentos. Los routers recalculan el checksum, y vuelven a escribir la dirección MAC en la cabecera de cada paquete. El precio pagado por este tipo de transmisión y filtrados inteligentes, normalmente se calcula en términos de latencia, o retraso que un paquete experimenta dentro del router. Dicho filtrado requiere más tiempo que el requerido por un conmutador o puente, que sólo inspeccionan la dirección Ethernet, pero en redes más complejas, se mejora la eficacia. Una ventaja adicional de los routers es el filtrado automático de broadcast, pero en general son complicados de configurar.
 
Ventajas de los Conmutadores

* Aíslan tráfico y alivian la congestión

* Separan dominios de colisión, reduciendo colisiones

* Segmentan, reiniciando las normas de distancia y repetidores

Costes de los Conmutadores

* Precio - actualmente 3 a 5 veces el precio de un Concentrador

* El tiempo de procesado de los paquetes es más largo que en un Concentrador

* Monitorizar la red es más complicado

Ventajas Generales de la Conmutación

Los conmutadores reemplazan a los concentradores conectando en una red, y son más caros. Por tanto, ¿por qué está cambiando el mercado de conmutación, que dobla cada año sus cifras? El precio de los conmutadores está retrocediendo rápidamente, mientras los concentradores son una tecnología madura con declives de precios pequeños. Esto significa que hay menos diferencia entre los costes de los conmutadores y los de los concentradores que la que antes había, y la franja se está estrechando.
Dado que los conmutadores tienen auto-aprendizaje, son tan fáciles de instalar como un concentrador. Simplemente enchufarlos y ya está. Operan en la misma capa de hardware que un concentrador, por lo que no generan ningún problema de protocolos.
Hay dos razones para incluir los conmutadores en los diseños de la red. Primero, un conmutador separa una red en muchas redes pequeñas para que se reinicien las limitaciones de distancia y repetidores. Segundo, esta misma segmentación aísla tráfico y reduce colisiones que alivian la congestión de la red. Es muy fácil de identificar la necesidad causada por la distancia y las necesidades de usar repetidores, para entender este beneficio de la conmutación. Pero la segunda ventaja, el alivio de la congestión de la red, es difícil de identificar y más difícil de entender el grado en el que los conmutadores ayudarán en la mejora de prestaciones. Puesto que todos los conmutadores agregan pequeñas latencias al procesado de paquetes, los conmutadores innecesarios puede reducir las prestaciones de la red. La próxima sección responde a los factores que afectan el impacto de los conmutadores en redes congestionadas.

La Conmutación en su Red

Las ventajas de la conmutación varían de red en red. Añadir un conmutador por vez primera tiene implicaciones diferentes al simple aumento del número de puertos instalados. La comprensión de los patrones de tráfico es muy importante para la conmutación - la meta es eliminar (o filtrar) tanto tráfico como sea posible. Un conmutador instalado en una situación donde remite casi todos el tráfico que recibe ayudará mucho menos que uno que filtre la mayor parte del tráfico.

Las redes que no están congestionadas pueden ser degradadas al añadir conmutadores. Los retardos del procesador de paquetes, las limitaciones de memoria del conmutador, y las retransmisiones resultantes, reducen las prestaciones si lo comparamos con una alternativa basada en concentradores. Si su red no esta congestionada, no reemplace concentradores con conmutadores. ¿Cómo puede Ud. decidir si los problemas de las prestaciones son el resultado de la congestión de la red? Mida los factores de utilización y las tasas de colisión.
 
Redes Candidatas a
Mejorar sus Prestaciones con Conmutadores

* Utilización superior al 35%

* Tasas de colisión superiores al 10%

La carga de utilización es la cantidad de tráfico total como un porcentaje respecto del máximo teórico para el tipo de la red, 10 Mbps. en Ethernet, 100 Mbps. en Fast Ethernet.
La tasa de colisión es el número de paquetes con colisiones como un porcentaje respecto del número de paquetes totales.

La tiempos de respuesta de la red (las prestaciones de la red visibles desde el punto de vista del usuario) sufren según se incrementa la carga de trabajo de la red, y bajo cargas pesadas los pequeños aumentos en tráfico del usuario a menudo tienen como consecuencia disminuciones significantes en las prestaciones. Esto es similar a la dinámica de las autopistas, en que como resultado de cargas crecen las prestaciones hasta cierto punto, a partir del cual los aumentos tienen como resultado el rápido deterioro de las prestaciones reales. En Ethernet, las colisiones aumentan según la red se sobrecarga, y ello provoca retransmisiones y aumentos en la carga que causa nuevas colisiones. La carga excesiva de la red resulta en un retraso considerable del tráfico.
Mediante el uso de utilidades de red existentes en la mayoría de los sistemas operativos de servidores que se conectan a una red, el administrador puede determinar las tasas de utilización y colisión. Deben considerarse promedios y picos.

Reemplazando un Concentrador Central con un Conmutador
La oportunidad de la conmutación se tipifica en una red totalmente compartida, donde se conectan muchos usuarios en una arquitectura de concentradores en cascada. Los dos impactos principales de la conmutación serán la conexión más rápida al servidor(-es) y el aislamiento de tráfico no-pertinente de cada segmento. Cuando el cuello de botella de la red se elimina, las prestaciones crecen hasta llegar a un nuevo cuello de botella del sistema - como las prestaciones máximas del servidor.

Añadiendo Conmutadores en el Troncal de una Red Conmutada
La congestión en una red conmutada, normalmente puede ser aliviada agregando más puertos conmutados, y aumentando la velocidad de estos puertos. Los segmentos que experimentan congestión son identificados por su utilización y la tasa de colisión, y la solución es una nueva segmentación o conexiones más rápidas. Tanto los puertos conmutados Fast Ethernet, como los Ethernet pueden ser añadidos por debajo de la estructura del árbol de la red para aumentar las prestaciones.

Diseñando para obtener las Máximas Prestaciones

Los cambios en diseños de la red tienden a ser evolutivos en lugar de revolucionarios - raramente un administrador de red es capaz de diseñar una red completamente desde el principio. Normalmente, se hacen cambios poco a poco, con un ojo vigilando tanto como sea posible el máximo aprovechamiento de la inversión existente, mientras se reemplaza la tecnología obsoleta o anticuada con nuevos equipos.
Fast Ethernet es muy fácil de agregar a la mayoría de las redes. Un conmutador o un puente permite a Fast Ethernet conectarse a las infraestructuras de Ethernet existentes, para elevar la velocidad de los enlaces críticos. La tecnología más rápida se usa para conectar los conmutadores entre sí, y a los servidores compartidos o conmutados para asegurar la anulación de cuellos de botella.
Muchas redes cliente-servidor sufren de un exceso de clientes que intentan acceder el mismo servidor, lo que crea un cuello de botella en el punto en que el servidor se conecta a la LAN. Fast Ethernet, en combinación con Ethernet conmutada, crea la solución perfecta efectiva en coste, para evitar el enlentecimiento de este tipo de redes, al permitir poner el servidor en un puerto rápido.
El proceso distribuido también se beneficia de Fast Ethernet y la conmutación. La segmentación de la red mediante los conmutadores conlleva grandes mejoras en prestaciones para las redes de tráfico distribuido, y los conmutadores normalmente se conectan vía un troncal Fast Ethernet.

 

Consejos para el Diseño de la Red Conmutada
*
Importante conocer la demanda de red por cada nodo
*
Intente agrupar a los usuarios cuyos nodos se comunican a menudo en el mismo segmento
*
Busque modelos de tráfico departamentales
*
Evite cuellos de botella de conmutadores con enlaces rápidos
*
Mueva usuarios entre los segmentos en un proceso iterativo hasta que todos los nodos muestren una utilización inferior al 35%
 

  

Problemas Avanzados en Tecnologías de Conmutación

Hay algunos problemas de tecnología de conmutación que no afectan al 95% de las redes. Los grandes fabricantes de conmutadores y las publicaciones comerciales están promoviendo nuevas tecnologías competitivas, por lo que algunos de estos conceptos se discuten aquí.

Con o Sin Gestión
La gestión proporciona beneficios en muchas redes. Las grandes redes con aplicaciones de misión crítica se gestionan con muchas herramientas sofisticadas y usan SNMP para supervisar la salud de los dispositivos de la red. Las redes que usan SNMP o RMON (una extensión a SNMP que proporciona mucho más datos mientras se usa menos ancho de banda de la red) gestionarán cada dispositivo, o simplemente las áreas más críticas.
Las VLAN's (Virtual LAN) son otra ventaja para la gestión en un conmutador. Una VLAN permite a la red agrupar nodos en LAN's lógicas que se comportan como una red, independientemente de las conexiones físicas. La principal ventaja está en la gestión de los broadcast y el tráfico multicast. Un conmutador no gestionado retransmitirá estos paquetes a todos los puertos. Si la red tiene una agrupación lógica, diferente de las agrupaciones físicas, un conmutador basado en VLAN puede ser la mejor apuesta para la optimización de tráfico.
Otra ventaja de la gestión en los conmutadores es el protocolo STP (Spanning Tree Protocol). STP permite al administrador de la red diseñar enlaces redundantes, con conmutadores conectados en bucle. Esto derrotaría al mecanismo de auto-aprendizaje de los conmutadores, pareciendo que el tráfico de un nodo se origina en diferentes puertos. STP es un protocolo que permite a los conmutadores coordinarse para que se remita tráfico sólo en uno de los enlaces redundantes (a menos que haya un fallo, con lo que el enlace de backup se activa automáticamente). Los administradores de redes con conmutadores desplegados en aplicaciones críticas pueden desear enlaces redundantes. En este caso es necesaria la gestión. Pero para el resto de las redes un conmutador sin gestión sería más que suficiente, y es mucho menos costoso.

"Almacenar y Remitir" frente a "Cortar y Atravesar"
Los conmutadores de LAN se clasifican en dos arquitecturas básicas, "cortar y atravesar" (cut-through) y "almacenar y remitir" (store and forward). Los conmutadores del tipo "cortar y atravesar" sólo examinan la dirección de destino antes de remitirlo hacia el segmento de destino. Un conmutador del tipo "almacenar y remitir", por otro lado, acepta y analiza el paquete entero antes de remitirlo a su destino. Tarda más tiempo en examinar el paquete entero, pero permite al conmutador detectar ciertos errores y colisiones del paquete e impedir que se propaguen a través de la red. Actualmente, la velocidad de los conmutadores del tipo "almacena y remite" ha alcanzado a los del tipo "cortar y atravesar" hasta el punto en que la diferencia entre los dos es mínima. Hay también, un número grande de conmutadores híbridos que mezclan ambas arquitecturas.

Conmutadores "Bloqueables" frente a "No Bloqueables"
Si tomamos las especificaciones de un conmutador y sumamos todos los puertos a la velocidad máxima teórica, tendremos las prestaciones totales teóricas del conmutador. Si el bus de conmutación, o los componentes de conmutación no pueden gestionar la suma total teórica de todos los puertos el conmutador es considerado como "conmutador bloqueable". Hay un debate acerca de si todos los conmutadores deben diseñarse como no bloqueables, pero los costos añadidos de hacerlo sólo son razonables en conmutadores diseñados para trabajar en los troncales de las redes más grandes. Para casi todas las aplicaciones, un conmutador bloqueando que tenga unas prestaciones aceptables y razonablemente niveladas trabajará perfectamente. Considere un conmutador de ocho puertos 10/100. Dado que cada puerto puede puede gestionar, teóricamente, 200 Mbps. (Full Duplex), hay una necesidad teórica de 1600 Mbps. (1.6 Gbps.). Pero en el mundo real cada puerto no excederá del 50% de utilización, por lo que un bus de conmutación de 800 Mbps. es perfectamente adecuado. La consideración de prestaciones totales frente a los puertos requeridos, en las cargas del mundo real, proporciona la aprobación de que el conmutador puede ser válido para cada caso.

Limitaciones de Memoria del Conmutador
Según se procesan paquetes en el conmutador, son almacenados en la memoria tampón (buffer). Si el segmento de destino esta congestionado, el conmutador mantiene al paquete en espera hasta que el ancho de banda en dicho segmento vuelve a estar disponible. La saturación de la memoria plantea un problema. El análisis del tamaño de la memoria y las estrategias para la gestión de las saturaciones son de interés para el diseñador "técnico" de la red. En las redes del mundo real, los segmentos congestionados provocan muchos problemas, por lo que su impacto, respecto del conmutador, no es importante para la mayoría de los usuarios, ya que que las redes deben diseñarse para eliminar segmentos saturados y congestionados.
Hay dos estrategias para gestionar buffers llenos. Uno es el "control de flujo por presión de vuelta" (backpressure flow control), qué envía paquetes de retorno a los nodos fuente que encuentran un buffer lleno. El otro mecanismo es la estrategia de simplemente perder paquetes, confiando en los rasgos de integridad, que automáticamente permiten la retransmisión en las redes. Una solución extiende el problema de un segmento a otros segmentos, propagándolo. La otra solución causa retransmisiones, y ese aumento resultante en la carga no es óptimo. Ninguna estrategia resuelve el problema, por lo que los fabricantes de conmutadores emplean grandes memorias y aconsejan a los administradores de la red que diseñen topologías conmutadas que eliminen la fuente del problema - los segmentos congestionados.

Conmutación en la Capa 3
Un dispositivo híbrido es la última mejora en tecnología de internetworking. Combinando la gestión de paquetes que realizan los routers y la velocidad de los conmutadores, estos conmutadores multicapa operan en las capas 2 y 3 del modelo de red OSI. Las prestaciones de esta clase de conmutadores se diseñan para el núcleo de grandes redes empresariales. A veces son denominados conmutadores/enrutadores o conmutadores IP; buscan flujos de tráfico comunes, y conmutan estos flujos en la capa de hardware para lograr velocidad. Para el tráfico fuera del flujo habitual, los conmutadores multicapa conmutan usando funciones de encaminadores. Esto permite que la alta carga de las funciones de routing sólo sean empleadas donde es realmente necesario, y emplea la mejor estrategia para la manipulación de cada paquete de la red. Muchos fabricantes están trabajando en conmutadores multicapa de alto nivel, y la tecnología es definitivamente un "trabajo en proceso". Según evolucionen las tecnologías de redes, es probable que los conmutadores multicapa reemplacen a los routers en la mayoría de las redes grandes.

 

Tags: 

Predefined Sections

Seccion Cisco   Seccion Linux   Seccion Microsoft   Seccion Redes   Seccion Seguridad   Seccion General