Slides TD IV - clases (17)

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TD4 2022TD4 2022
Nivel de Enlace
Terminología:
▪ hosts y routers: nodos
▪ Canales de comunicación que 
conectan nodos adyacentes a lo 
largo de un camino: enlaces
• Cableados 
• Inalámbricos
• LANs
▪ Paquete de nivel 2: frame 
(encapsula datagramas) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
El nivel de enlace tiene la responsabilidad 
de transmitir datagramas por un enlace 
desde un nodo hacia otro nodo 
físicamente adyacente 2
TD4 2022TD4 2022 3
Ethernet
TD4 2022TD4 2022
Ethernet
4
Ethernet es la tecnología de LANs cableadas más importante
▪ La primera tecnología de LANs ampliamente usada
▪ Simple y de bajo costo
▪ Se mantuvo vigente en cuanto a velocidad de transmisión (hoy 
por hoy llega a los 400 Gbps y se está trabajando en estándares 
de hasta 1.6 Tbps)
▪ Único chip, múltiples velocidades (e.g., Broadcom BCM5761)
Diagrama de Ethernet
de Metcalfe
TD4 2022TD4 2022
Ethernet: topología
5
▪ Bus: popular hasta mediados de la década del ‘90 (aprox.)
• Mismo dominio de colisión para los nodos
Bus: cable coaxil Switcheada
 
 
 
▪ Swticheada: la disposición vigente hoy en día
• Los nodos se conectan mediante switches de nivel 2
• Los nodos no colisionan entre sí
TD4 2022TD4 2022
Estructura del frame Ethernet
6
La interfaz emisora encapsula los datagramas IP (o cualquier otro 
paquete de otro protocolo de red) en frames Ethernet:
MAC 
destino
MAC 
origen datos (payload) CRCpreámbulo
tipo
Preámbulo: 
▪ Utilizado para sincronizar los relojes de los interlocutores
▪ 7 bytes de 10101010 seguidos por un último byte: 10101011
TD4 2022TD4 2022
Estructura del frame Ethernet
7
▪ Direcciones MAC: direcciones físicas de 6 bytes cada una
• Si el adaptador recibe un frame destinado a su MAC o bien a la MAC de 
broadcast (e.g., en ARP), entrega los datos en el frame al protocolo de 
red respectivo
• En otro caso, el adaptador descarta el frame
▪ Tipo: indica el protocolo de nivel superior (2 bytes)
• Principalmente IP pero existen otros (ej., Novell IPX o AppleTalk)
• Utilizado para demultiplexar en el receptor
▪ CRC: bits de redundancia de CRC32 (4 bytes)
• El receptor descarta el frame si detecta errores
MAC 
destino
MAC 
origen datos (payload) CRCpreámbulo
tipo
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Switches
TD4 2022TD4 2022
Switches en Ethernet
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▪ Un switch es un dispositivo de nivel de enlace: toma un rol activo
• Almacena y reenvía frames Ethernet
• Inspecciona las MACs de los frames entrantes y los reenvía 
selectivamente a uno (o más) de los enlaces de salida
▪ Es transparente: los hosts no están al tanto de su presencia
▪ Es plug-and-play y “autodidacta”
• No requieren configuración
TD4 2022TD4 2022
Switch: múltiples transmisiones en simultáneo
10
switch con seis interfaces 
(1,2,3,4,5,6) 
A
A’
B
B’ C
C’
1 2
3
45
6
 
 
 
 
 
 
▪ Los hosts tienen una conexión 
dedicada y directa hacia un switch
▪ Los switches almacenan frames
▪ Se utiliza el protocolo Ethernet en cada 
enlace:
• Sin colisiones: full-duplex
• Cada enlace es un dominio de colisión
▪ Switching: pueden coexistir 
transmisiones de A hacia A’ y de B hacia 
B’, sin colisiones
TD4 2022TD4 2022
Algoritmo de forwarding en switches
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Al recibir un frame,
1. Registrar la MAC y el enlace de entrada del emisor
2. Indexar la tabla de forwarding empleando la MAC destino
3. Si existe una entrada en la tabla {
 Si el destino está en el mismo segmento de entrada {
 Descartar frame
 } Si no {
 Reenviar frame por la interfaz indicada en la entrada
 }
 } Si no { 
 Flooding: reenviar el frame en todas las interfaces
 (excepto la de entrada)
 } 
TD4 2022TD4 2022
A
A’
B
B’ C
C’
1 2
3
45
6
 
 
 
 
 
 
Autoaprendizaje y forwarding: ejemplo
12
A A’
 MAC interfaz TTL
A 1 60
A A’
A A’
A A’A’ A
A’ 4 60
▪ Destino del frame, A’, desconocido
flood
▪ Destino del frame, A, conocido
envío selectivo en un único enlace
tabla del switch 
(inicialmente vacía)
A A’
A A’
TD4 2022TD4 2022
Interconexión de switches
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Los switches pueden interconectarse:
Al enviar un frame de A hacia G,
¿cómo sabe S1 que debe reenviar el frame hacia S4?
▪ Vía autoaprendizaje (funciona exactamente igual que antes)
A
B
S
1
C D
E
F
S
2
S
4
S
3
H
I
G
TD4 2022TD4 2022
Ejemplo: red corporativa switcheada
14
a Internet
router
subnet IP
servidor SMTP
servidor HTTP
 
 
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Ejemplo integrador
TD4 2022TD4 2022
Ejemplo integrador: request HTTP
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▪ Veamos un ejemplo para consolidar todo lo aprendido hasta ahora
• Objetivo: identificar, repasar y entender los protocolos en las 
distintas capas involucrados en un caso de uso cotidiano
• Escenario: un estudiante conecta su notebook a la red de UTDT e 
ingresa a www.google.com desde su browser
TD4 2022TD4 2022
Ejemplo integrador
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Red de Fibertel 
181.167.80.0/22
Red de Google
64.233.160.0/19 64.233.169.105
Servidor web
Servidor DNS
Red de UTDT 
172.67.29.0/24
browser
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
web 
page
▪ Un cliente llega 
y se conecta a 
la red
▪ Luego accede a 
www.google.com
Escenario
TD4 2022TD4 2022
Paso 1: conexión a la red
18
 
 
Router con 
servidor DHCP
Cliente DHCP
▪ Se utiliza DHCP para conseguir 
dirección IP, la dirección del gateway y 
la del resolver DNS
DHCP
UDP
IP
Eth
física
DHCP
UDP
IP
Eth
física
▪ El request DHCP viaja encapsulado 
en UDP, a su vez encapsulado en IP, a 
su vez encapsulado en 802.3
▪ El frame Ethernet se broadcastea en la 
LAN (destino FF:FF:FF:FF:FF:FF) y 
lo recibe el router donde reside el 
servidor DHCP
▪ Ethernet demultiplexa a IP, IP a UDP y 
UDP a DHCP
TD4 2022TD4 2022
Paso 1: conexión a la red
19
 
 
DHCP
UDP
IP
Eth
física
DHCP
UDP
IP
Eth
física
▪ El servidor DHCP arma un mensaje 
DHCP ACK con la dirección IP para el 
cliente, la IP del gateway y la IP del 
resolver DNS
▪ Se encapsula el mensaje, se envía el 
frame en la LAN (autoaprendizaje del 
switch) y se demultiplexa en el cliente
En este punto, el cliente ya está debidamente conectado a la red
▪ El cliente DHCP recibe la respuesta 
DHCP ACK
Router con 
servidor DHCP
Cliente DHCP
TD4 2022TD4 2022
Paso 2: obtención de MAC del gateway
20
 
 
DNS
UDP
IP
Eth
física
Eth
física
 ARP
▪ El siguiente paso es conseguir la dirección 
IP de www.google.com: para ello, se 
utiliza el protocolo DNS
▪ Se genera una query DNS, encapsulada en 
UDP, a su vez encapsulada en IP, a su vez 
encapsulada en Ethernet. Ahora 
necesitamos la MAC del router: se 
consigue vía ARP
▪ Se broadcastea una ARP query, 
eventualmente recibida por el router, que a 
su vez envía una respuesta con la MAC de 
su interfaz
▪ El cliente ahora conoce la MAC del 
gateway: ya puede enviar el frame con 
la query DNS
ARP
Router con 
servidor ARP
Cliente ARP
TD4 2022TD4 2022
Paso 3: resolución de dominio
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DNS
UDP
IP
Eth
física
DNS
DNS
DNS
Red de Fibertel 
181.167.80.0/22
Servidor 
DNS
 
 
 
 
 
▪ El datagrama IP 
con la query DNS se 
reenvía en el switch 
hacia el gateway▪ Allí se reenvía hacia la red de 
Fibertel inspeccionando su tabla 
de forwarding (generada a partir 
protocolos de ruteo –e.g. OSPF y 
BGP)
▪ Al recibir el paquete, 
en el host destino se 
demultiplexa a DNS
▪ El servidor DNS 
responde con la 
dirección IP de 
www.google.com 
(podemos asumir que 
la tiene cacheada)
DNS
UDP
IP
Eth
física
TD4 2022TD4 2022
Paso 4: establecimiento de conexión TCP
22
 
 
DNS
DNS
DNS
 
 
64.233.169.105
Servidor web de Google
 
 
HTTP
TCP
IP
Eth
física
▪ Antes de enviar el 
request HTTP, el cliente 
abre un socket TCP 
hacia el servidor web
▪ Se envía un segmento TCP 
con el flag SYN (primer 
paso del 3-way handshake); 
el mismo es ruteado hacia 
el servidor
▪ La conexión TCP queda 
establecida
 HTTP
TCP
IP
Eth
física
▪ El servidor responde con 
un segmento con los flags 
SYN+ACK
Red de Fibertel 
181.167.80.0/22
TD4 2022TD4 2022
Paso 5: solicitud HTTP
23
 
 
 
 
 
 
HTTP
TCP
IP
Eth
física
HTTP
TCP
IP
Eth
física
▪ El cliente genera un 
mensaje HTTP GET y lo 
envía a través del socket
▪ El datagrama IP 
conteniendo dicho 
mensaje se rutea hacia 
www.google.com
▪ El datagrama IP con la 
respuesta se rutea hacia 
el cliente
▪ El servidor web envía una 
response HTTP cuyo body 
contiene el HTML de la 
página solicitada
▪ página web 
mostrada en el 
browser
64.233.169.105
Servidor web de Google
Red de Fibertel 
181.167.80.0/22
TD4 2022TD4 2022
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LANs Virtuales (VLANs)
TD4 2022TD4 2022
VLANs: motivación
25
 
Escuela de 
Negocios Economía
¿Qué ocurre si una LAN crece y los usuarios cambian su punto de 
conexión a la misma? Dominio de broadcast único:
▪ Todo el tráfico broadcast de nivel 2 
debe atravesar la LAN en toda su 
extensión (e.g. ARP, DHCP, MACs 
desconocidas)
▪ Problemas de eficiencia, seguridad 
y privacidad
Red UTDT
TD4 2022TD4 2022
VLANs: motivación
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Problemas administrativos:
▪ Usuario en la EN cambia de oficina 
a Economía, pero quiere 
permanecer lógicamente vinculado 
al switch de la EN
 
¿Qué ocurre si una LAN crece y los usuarios cambian su punto de 
conexión a la misma? Dominio de broadcast único:
▪ Todo el tráfico broadcast de nivel 2 
debe atravesar la LAN en toda su 
extensión (e.g. ARP, DHCP, MACs 
desconocidas)
▪ Problemas de eficiencia, seguridad 
y privacidad
Escuela de 
Negocios Economía
Red UTDT
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1
82
7 9
1610
15
VLANs por puertos
27
Los switches con soporte 
de VLANs pueden 
configurarse de forma tal 
que definan múltiples 
LANs virtuales sobre una 
única infraestructura de 
LAN física
Virtual Local Area 
Network (VLAN)
port-based VLAN: los puertos del switch 
se agrupan (vía software) de forma 
tal que dicho dispositivo físico…
…
EN (puertos 1-8) Economía (puertos 9-15)
…
…opere como múltiples dispositivos virtuales
1
82
7
EN (puertos 1-8)
…
9
1610
15
…
Economía (puertos 9-15)
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1
82
7 9
1610
15
VLANs por puertos
28
…
EN (puertos 1-8) Economía (puertos 9-15)
…
▪ Separación de tráfico: los frames 
desde/hacía los puertos 1-8 sólo 
pueden alcanzar los puertos 1-8
• También se pueden definir VLANs a 
partir de las MACs
▪ Membresía dinámica: los puertos 
pueden ser asignados dinámicamente
▪ Forwarding entre VLANs: vía ruteo 
(como con switches diferentes)
• Los fabricantes venden hardware 
combinado
 
 
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7 9
1610
15
VLANs entre múltiples switches
29
…
EN (puertos 1-8) Economía (puertos 9-15)
…
5
82
7
…
161
6
3
4
puertos 2,3,5 de la EN
puertos 4,6,7,8 de Economía
Trunking: mecanismo para interconectar switches VLAN
▪ Puerto especial de los switches (trunk port)
▪ Los frames que salen por dicho puerto tienen un formato 
especial (deben identificar a qué VLAN pertenecen)
▪ El protocolo 802.1Q agrega campos adicionales al header para 
los frames reenviados por los trunk ports
TD4 2022TD4 2022
Formato de los frames 802.1Q
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Frame 802.3MAC 
destino
MAC 
origen datos (payload) CRCpreámbulo
tipo
TPID (2 bytes)
 (valor hexa: 0x8100) 
Tag Control Information (2 bytes) 
(12 bits de ID de VLAN, 3 bits de prioridad similar al ToS de IP) 
CRC recomputado
Frame 802.1QMAC destino MAC origen datos (payload) CRCpreámbulo
tipo
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Redes de datacenters
TD4 2022TD4 2022
Redes de datacenters
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Decenas o cientos de miles de hosts acoplados y en proximidad
▪ Comercio electrónico (e.g., Amazon)
▪ Servidores de contenido (e.g., YouTube, Akamai, Apple, Microsoft)
▪ Motores de búsqueda (e.g., Google)
Desafíos:
▪ Múltiples aplicaciones, cada una 
sirviendo una alta cantidad de 
clientes
▪ Confiabilidad
▪ Balanceo de carga, evasión de 
bottlenecks (e.g. de networking)
Datacenter de Microsoft
TD4 2022TD4 2022
Redes de datacenters: topología
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Racks de servidores
▪ 20-40 blades: hosts 
Switch TOR (Top of Rack)
▪ Uno por rack
▪ Ethernet de 40-100Gbps
Switches tier-2
▪ Conectando ~16 TORs debajo
Switches tier-1
▪ Conectando ~16 T-2s debajo
 
 
 
 Border routers
▪ Conectividad hacia el exterior
…
…
…
…
…
…
…
…
TD4 2022TD4 2022
Redes de datacenters: multipath
34
9 10 11 12 13 14 15 16
Dos caminos disjuntos entre los racks 1 y 11
▪ Interconexión abundante entre switches y racks
• Más throughput entre racks (múltiples rutas posibles)
• Más confiabilidad por redundancia
TD4 2022TD4 2022
Redes de datacenters: topología
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Ejemplo: topología F16 de Facebook
https://engineering.fb.com/data-center-engineering/f16-minipack/ (marzo de 2019)
https://engineering.fb.com/data-center-engineering/f16-minipack/
TD4 2022TD4 2022
 
 
 
 
…
…
…
…
…
…
…
…
Redes de datacenters: ruteo a nivel aplicación
36
Load Balancer
Internet Balanceador de carga
▪ Recibe requests de clientes 
externos
▪ Dirige el tráfico dentro
 del datacenter
▪ Devuelve los 
resultados al 
cliente (escondiendo 
la complejidad del 
datacenter del cliente)