Slides TD IV - clases (18)

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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
Direccionamiento en el
Nivel de Enlace
TD4 2022TD4 2022
Direcciones MAC (Media Access Control)
4
▪ Dirección IP de 32 bits: 
• Dirección de la capa de red para una interfaz
• Utilizado para forwarding de nivel 3
• ej., 128.119.40.136
▪ Dirección MAC (a.k.a. LAN, física o Ethernet): 
• Función: utilizada “localmente” para mover un frame desde una 
interfaz a otra interfaz físicamente conectada (misma subnet, en 
cuanto a direccionamiento IP)
• Las direcciones MAC (48 bits) suelen estar grabadas en la ROM de 
la NIC (aunque por lo general pueden cambiarse vía software)
notación hexadecimal (base 16)
cada dígito hexa son 4 bits
• ej.: 1A:2F:BB:76:09:AD
TD4 2022TD4 2022
Direcciones MAC
5
Cada interfaz en una LAN
▪ Tiene una dirección MAC única de 48 bits
▪ Tiene una dirección IP localmente única de 32 bits
1A:2F:BB:76:09:AD
58:23:D7:FA:20:B0
0C:C4:11:6F:E3:98
71:65:F7:2B:08:53
 LAN
(cableada o 
inalámbrica)
137.196.7/24
137.196.7.78
137.196.7.14
137.196.7.88
137.196.7.23
TD4 2022TD4 2022
Direcciones MAC
6
▪ Las direcciones MAC son administradas por la IEEE
▪ Los fabricantes compran segmentos del espacio de 
direcciones MAC (para garantizar unicidad)
▪ Analogía:
• Dirección MAC: como el DNI
• Dirección IP: como el domicilio
▪ El espacio de direcciones MAC es chato (no jerárquico)
• Portabilidad: es posible mover una entre distintas LANs
• Las direcciones IP no son portables: dependen de la subnet a la 
que el nodo está conectado
TD4 2022TD4 2022
ARP: Address Resolution Protocol
7
Tabla ARP: cada nodo IP (host o 
router) en la LAN mantiene una tabla
¿Cómo se determina la MAC de una interfaz conociendo su IP?
• Mapeos de IP a MAC para algunos 
nodos de la LAN:
 <IP; MAC; TTL>
• TTL (Time To Live): tiempo luego 
del cual el registro se “olvida” y se 
elimina de la tabla (usualmente 20 
minutos)
1A:2F:BB:76:09:AD
58:23:D7:FA:20:B0
0C:C4:11:6F:E3:98
71:65:F7:2B:08:53
 LAN
137.196.7.78
137.196.7.14
137.196.7.88
137.196.7.23
ARP
ARP
ARP
ARP
TD4 2022TD4 2022
El protocolo ARP en acción
8
B
C
D
TTL
A
Tabla ARP en A
IP MAC TTL
Supongamos que A quiere enviarle un datagrama a B
• La MAC de B no está en la tabla ARP de A, de modo que A utiliza 
ARP para obtener la MAC de B
A broadcastea una consulta ARP con la IP de B
• MAC destino: FF:FF:FF:FF:FF:FF
• Todos los nodos en la LAN reciben la consulta1 MAC origen: 71:65:F7:2B:08:53
IP origen: 137.196.7.23 
IP objetivo: 137.196.7.14
…
1
 Mensaje ARP en un frame Ethernet
(enviado a la MAC FF:FF:FF:FF:FF:FF)
71:65:F7:2B:08:53
137.196.7.23
58:23:D7:FA:20:B0
137.196.7.14
TD4 2022TD4 2022
El protocolo ARP en acción
9
B
C
D
TTL
A
Tabla ARP en A
IP MAC TTL
B responde a A enviando una 
respuesta ARP donde revela su 
dirección MAC
2
IP objetivo: 137.196.7.14
MAC objetivo: 58:23:D7:FA:20:B0
…
2
 Mensaje ARP en un frame Ethernet
(enviado a la MAC 71:65:F7:2B:08:53)
Supongamos que A quiere enviarle un datagrama a B
• La MAC de B no está en la tabla ARP de A, de modo que A utiliza 
ARP para obtener la MAC de B
71:65:F7:2B:08:53
137.196.7.23
58:23:D7:FA:20:B0
137.196.7.14
TD4 2022TD4 2022
El protocolo ARP en acción
10
B
C
D
TTL
A
Tabla ARP en A
IP MAC TTL
A recibe la respuesta de B y agrega 
una nueva entrada en su tabla ARP3
137.196.7.14 58:23:D7:FA:20:B0 500
Supongamos que A quiere enviarle un datagrama a B
• La MAC de B no está en la tabla ARP de A, de modo que A utiliza 
ARP para obtener la MAC de B
71:65:F7:2B:08:53
137.196.7.23
58:23:D7:FA:20:B0
137.196.7.14
TD4 2022TD4 2022
Ruteo entre subnets: direccionamiento
11
Ejemplo: enviar un datagrama de A hacia B vía R
▪ Con foco en el direccionamiento, tanto a nivel IP como a nivel MAC
R
A B
 
 
1A:23:F9:CD:06:9B
222.222.222.220
111.111.111.110
E6:E9:00:17:BB:4BCC:49:DE:D0:AB:7D
111.111.111.112
111.111.111.111
74:29:9C:E8:FF:55 222.222.222.222
49:BD:D2:C7:56:2A
222.222.222.221
88:B2:2F:54:1A:0F
▪ Suposiciones:
• A conoce la dirección IP de B (cómo?)
• A conoce la dirección IP del gateway R (cómo?)
• A conoce la dirección MAC de R (cómo?)
TD4 2022TD4 2022
Ruteo entre subnets: direccionamiento
12
R
A B
 
 
IP
Eth
física
IP src: 111.111.111.111
 IP dest: 222.222.222.222
▪ A genera un datagrama con IP origen A y destino B
▪ A genera un frame con el datagrama anterior
• La dirección MAC destino es la de R
MAC src: 74:29:9C:E8:FF:55
 MAC dest: E6:E9:00:17:BB:4B
1A:23:F9:CD:06:9B
222.222.222.220
111.111.111.110
E6:E9:00:17:BB:4BCC:49:DE:D0:AB:7D
111.111.111.112
111.111.111.111
74:29:9C:E8:FF:55 222.222.222.222
49:BD:D2:C7:56:2A
222.222.222.221
88:B2:2F:54:1A:0F
TD4 2022TD4 2022
Ruteo entre subnets: direccionamiento
13
R
A B
 
 
IP
Eth
física
▪ El frame se envía de A hacia R
IP
Eth
física
▪ R recibe el frame, extrae el datagrama y lo entrega a IP
MAC src: 74:29:9C:E8:FF:55
 MAC dest: E6:E9:00:17:BB:4B
IP src: 111.111.111.111
 IP dest: 222.222.222.222
IP src: 111.111.111.111
 IP dest: 222.222.222.222
1A:23:F9:CD:06:9B
222.222.222.220
111.111.111.110
E6:E9:00:17:BB:4BCC:49:DE:D0:AB:7D
111.111.111.112
111.111.111.111
74:29:9C:E8:FF:55 222.222.222.222
49:BD:D2:C7:56:2A
222.222.222.221
88:B2:2F:54:1A:0F
TD4 2022TD4 2022
Ruteo entre subnets: direccionamiento
14
R
A B
 
 
IP src: 111.111.111.111
 IP dest: 222.222.222.222
MAC src: 1A:23:F9:CD:06:9B
 MAC dest: 49:BD:D2:C7:56:2A
▪ R determina la interfaz de salida y entrega el datagrama con IP 
origen A a la capa de enlace
▪ R genera un frame conteniendo dicho datagrama (su MAC 
destino es la de B)
IP
Eth
física
1A:23:F9:CD:06:9B
222.222.222.220
111.111.111.110
E6:E9:00:17:BB:4BCC:49:DE:D0:AB:7D
111.111.111.112
111.111.111.111
74:29:9C:E8:FF:55 222.222.222.222
49:BD:D2:C7:56:2A
222.222.222.221
88:B2:2F:54:1A:0F
TD4 2022TD4 2022
Ruteo entre subnets: direccionamiento
15
R
A B
 
 
IP
Eth
física
IP src: 111.111.111.111
 IP dest: 222.222.222.222
MAC src: 1A:23:F9:CD:06:9B
 MAC dest: 49:BD:D2:C7:56:2A▪ R envía el frame
1A:23:F9:CD:06:9B
222.222.222.220
111.111.111.110
E6:E9:00:17:BB:4BCC:49:DE:D0:AB:7D
111.111.111.112
111.111.111.111
74:29:9C:E8:FF:55 222.222.222.222
49:BD:D2:C7:56:2A
222.222.222.221
88:B2:2F:54:1A:0F
▪ R determina la interfaz de salida y entrega el datagrama con IP 
origen A a la capa de enlace
▪ R genera un frame conteniendo dicho datagrama (su MAC 
destino es la de B)
TD4 2022TD4 2022
Ruteo entre subnets: direccionamiento
16
R
A B
 
 
▪ B recibe el frame y extrae el datagrama
▪ B entrega el datagrama a IP
IP src: 111.111.111.111
 IP dest: 222.222.222.222
IP
Eth
física
IP
Eth
física
1A:23:F9:CD:06:9B
222.222.222.220
111.111.111.110
E6:E9:00:17:BB:4BCC:49:DE:D0:AB:7D
111.111.111.112
111.111.111.111
74:29:9C:E8:FF:55 222.222.222.222
49:BD:D2:C7:56:2A
222.222.222.221
88:B2:2F:54:1A:0F
TD4 2022TD42022 17
Ethernet
TD4 2022TD4 2022
Ethernet
18
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
19
▪ 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
20
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
21
▪ 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
TD4 2022TD4 2022
Ethernet: servicio
22
▪No orientado a conexión: no existe un proceso de handshaking 
entre interlocutores
▪No confiable: el receptor no envía ACKs o NAKs
• Los datos en los frames descartados se recuperan sólo si el emisor 
emplea protocolos confiables en niveles superiores
▪Protocolo de acceso al medio (MAC):
CSMA/CD con exponential backoff
TD4 2022TD4 2022
Standards Ethernet 802.3
23
• Distintos medios de nivel físico: e.g., fibra o cable
aplicación
transporte
red
enlace
física
Protocolo MAC y
formato del frame
100BASE-TX
100BASE-T4
100BASE-FX100BASE-T2
100BASE-SX 100BASE-BX
fibra ópticacable de cobre
(par trenzado)
▪ Existen múltiples standards de Ethernet
• Todos comparten el protocolo MAC y el formato del frame
• Distintas velocidades: e.g. 2 Mbps, 10 Mbps, 100 Mbps, 
1Gbps, 10 Gbps, 40 Gbps
TD4 2022TD4 2022 24
Switches
TD4 2022TD4 2022
Switches en Ethernet
25
▪ 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
26
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
Switch: múltiples transmisiones en simultáneo
27
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
● Pero no de A hacia A’ y de C hacia A’
switch con seis interfaces 
(1,2,3,4,5,6) 
TD4 2022TD4 2022
Tabla de forwarding en switches
28
A
A’
B
B’ C
C’
’
1 2
3
45
6
 
 
 
 
 
 
¿Cómo sabe el switch que A’ es 
alcanzable vía interfaz 4 y B’ vía 5?
Cada switch tiene una tabla:
▪ Entradas de la forma
 (dirección MAC, interfaz, timestamp)
▪ Similar a una tabla de ruteo
¿Cómo se generan y administran las entradas en las tablas?
TD4 2022TD4 2022
Autoaprendizaje
29
A
A’
B
B’ C
C’
’
1 2
3
45
6
 
 
 
 
 
 
▪Los switches infieren qué 
hosts pueden alcanzarse a 
través de cuáles interfaces
A A’
origen: A
destino: A’
 MAC interfaz TTL tabla del switch 
(inicialmente vacía)
A 1 60
•Al recibir un frame, el switch 
aprende la ubicación del emisor: 
el segmento de la LAN por el 
que llega el frame
•Guarda el par (emisor, ubicación) 
en su tabla
TD4 2022TD4 2022
Algoritmo de forwarding en switches
30
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
31
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
32
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
Ejercicio!
33
Mostrar las tablas de forwarding y el reenvío de paquetes en los 
cuatro switches de la LAN
Supongamos que C envía un frame a I y que éste le responde
A
B
S
1
C D
E
F
S
2
S
4
S
3
H
I
G
12
3
4
1
1
2 3
1
3
2
4
2 3 4
TD4 2022TD4 2022
Ejercicio!
34
Dirección Interfaz Dirección Interfaz Dirección Interfaz Dirección Interfaz
S
1
S
2
S
3
S
4
Supongamos que C envía un frame a I y que éste le responde
A
B
S
1
C D
E
F
S
2
S
4
S
3
H
I
G
12
3
4
1
1
2 3
1
3
2
4
2 3 4
TD4 2022TD4 2022
Ejercicio!
35
Dirección Interfaz
C 1
Dirección Interfaz Dirección Interfaz Dirección Interfaz
S
1
S
2
S
3
S
4
Supongamos que C envía un frame a I y que éste le responde
A
B
S
1
C D
E
F
S
2
S
4
S
3
H
I
G
12
3
4
1
1
2 3
1
3
2
4
2 3 4
TD4 2022TD4 2022
Ejercicio!
36
Dirección Interfaz
C 1
Dirección Interfaz Dirección Interfaz Dirección Interfaz
C 1
S
1
S
2
S
3
S
4
Supongamos que C envía un frame a I y que éste le responde
A
B
S
1
C D
E
F
S
2
S
4
S
3
H
I
G
12
3
4
1
1
2 3
1
3
2
4
2 3 4
TD4 2022TD4 2022
Ejercicio!
37
Dirección Interfaz
C 1
Dirección Interfaz
C 1
Dirección Interfaz
C 1
Dirección Interfaz
C 1
S
1
S
2
S
3
S
4
Supongamos que C envía un frame a I y que éste le responde
A
B
S
1
C D
E
F
S
2
S
4
S
3
H
I
G
12
3
4
1
1
2 3
1
3
2
4
2 3 4
TD4 2022TD4 2022
Ejercicio!
38
Dirección Interfaz
C 1
Dirección Interfaz
C 1
Dirección Interfaz
C 1
I 2
Dirección Interfaz
C 1
S
1
S
2
S
3
S
4
Supongamos que C envía un frame a I y que éste le responde
A
B
S
1
C D
E
F
S
2
S
4
S
3
H
I
G
12
3
4
1
1
2 3
1
3
2
4
2 3 4
TD4 2022TD4 2022
Ejercicio!
39
Dirección Interfaz
C 1
Dirección Interfaz
C 1
Dirección Interfaz
C 1
I 2
Dirección Interfaz
C 1
I 3
S
1
S
2
S
3
S
4
Supongamos que C envía un frame a I y que éste le responde
A
B
S
1
C D
E
F
S
2
S4
S
3
H
I
G
12
3
4
1
1
2 3
1
3
2
4
2 3 4
TD4 2022TD4 2022
Ejercicio!
40
Supongamos que C envía un frame a I y que éste le responde
Dirección Interfaz
C 1
I 4
Dirección Interfaz
C 1
Dirección Interfaz
C 1
I 2
Dirección Interfaz
C 1
I 3
S
1
S
2
S
3
S
4
A
B
S
1
C D
E
F
S
2
S
4
S
3
H
I
G
12
3
4
1
1
2 3
1
3
2
4
2 3 4
TD4 2022TD4 2022
Ejemplo: red corporativa switcheada
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a Internet
router
subnet IP
servidor SMTP
servidor HTTP
 
 
TD4 2022TD4 2022
Switches vs. routers
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aplicación
transporte
red
enlace
física
red
enlace
física
enlace
física
switch
datagrama
aplicación
transporte
red
enlace
física
frame
frame
frame
datagrama
 
 
Ambos son store-and-forward 
▪ Routers: dispositivos de nivel de red 
(examinan headers de red)
▪ Switches: dispositivos de nivel de 
enlace (examinan headers de enlace)
Ambos tienen tablas de forwarding
▪ Routers: computan las tablas mediante 
algoritmos de ruteo y direcciones IP
▪ Switches: aprenden las tablas vía 
flooding, autoaprendizaje y direcciones 
MAC
router