Fundamentos Esenciales de Redes: Dominios, Conmutación Ethernet y Protocolos Clave

Dominios de Red

Dominio de Colisión

Un Dominio de Colisión es un grupo de dispositivos (PC) de la red que, cuando uno transmite o recibe un paquete, los otros dispositivos también lo reciben. Esto implica que solo un dispositivo puede transmitir a la vez sin riesgo de colisión.

• Los Hubs extienden los dominios de colisión.
• Los Switches y Routers particionan (dividen) los dominios de colisión.

Dominio de Broadcast

Un Dominio de Broadcast es un grupo de dispositivos que, cuando uno transmite un mensaje de difusión (broadcast), el resto de los dispositivos recibe dicho mensaje.

• Los Hubs y Switches extienden los dominios de broadcast.
• Los Routers particionan los dominios de broadcast.

Conmutación en Ethernet

La conmutación es el proceso que realizan los switches y bridges para decidir por dónde retransmitir el paquete que les llega.

Diferencias entre Switch y Bridge

• Switch: Posee muchos puertos, conmuta por hardware (HW), ofrece menor latencia y es más rápido.
• Bridge: Posee típicamente dos puertos, conmuta por software (SW), ofrece mayor latencia y es más lento.

Métodos de Conmutación

Store and Forward (STF)

El switch espera a recibir la trama de forma completa y luego conmuta. Si detecta un error (por ejemplo, en el CRC), descarta la trama. Asegura la integridad de los datos.

Cut Through (CT)

El switch espera a recibir solo los primeros 12 bytes de la trama (suficiente para leer la dirección MAC de destino) y conmuta mientras recibe el resto de la trama. Tiene menor latencia.

Adaptive Cut Through

El switch comienza trabajando en modo Cut Through. Si detecta un número elevado de errores, cambia automáticamente al modo Store and Forward. Si los errores disminuyen, regresa a Cut Through.

Fragment Free

El switch espera a recibir los primeros 64 bytes de la trama (el tamaño mínimo de una trama Ethernet válida) y luego conmuta. Esto asegura que la trama no sea un fragmento de colisión.

VLAN (Virtual LAN)

Una VLAN es una red LAN virtual administrada por un switch. Su objetivo es evitar que los routers tengan puertos limitados y ayuda a que las redes no dependan de la ubicación física de los hosts. Los hosts conectados a la misma VLAN serán parte de la misma red lógica, incluso si están conectados a diferentes puertos físicos.

Componentes de la VLAN

• Puertos de Acceso: Puerto del switch que está asociado a una única VLAN. Solo permite el tráfico de esa VLAN específica.
• Puertos Trunk (Troncales): Permiten el paso de información de múltiples VLANs entre switches o entre un switch y un router.

Estándar 802.1Q

El estándar 802.1Q define el mecanismo de etiquetado (tagging) que se utiliza cuando la trama se transmite por un puerto troncal, permitiendo al switch identificar a qué VLAN corresponde la información.

Direccionamiento IP y Máscara de Subred

Tipos de Direcciones IP

• IP de Red: Dirección cuyos bits de host son todos ceros. Identifica la red.
• IP de Broadcast: Dirección cuyos bits de host están todos en uno. Se utiliza para enviar mensajes a todos los dispositivos dentro de esa red.
• IP Asignable (Host): Direcciones que no son ni de red ni de broadcast. Son las direcciones que se pueden asignar a los dispositivos finales.

Máscara de Subred

La Máscara de Subred es un número que tiene el mismo formato que una dirección IP. Las posiciones que ocupan los unos de la máscara se corresponden con los bits de red de la dirección IP, y los ceros se corresponden con los bits de host de dicha dirección.

Protocolo ARP (Address Resolution Protocol)

El Protocolo ARP se utiliza para obtener la dirección MAC correspondiente a una dirección IP de destino, en caso de que el dispositivo emisor no la conozca. El proceso es el siguiente:

1. La PC emisora arma el paquete de datos. Si posee la MAC destino, realiza la transmisión directamente.
2. Si no conoce la MAC destino, el emisor envía una Solicitud ARP a la red.

Solicitud ARP (ARP Request)

La solicitud ARP es un mensaje de broadcast (dirigido a todos los dispositivos en el dominio de broadcast).

FF_FF(12)|MAC_A|0x806|IP_A|IP_B|MAC_A|o/|CRC

Respuesta ARP (ARP Reply)

Solamente emitirá una respuesta ARP la PC cuya dirección IP coincida con la dirección IP destino de la solicitud (IP_B).

MAC_A|MAC_B|0x806|IP_A|IP_B|MAC_A|MAC_B|CRC

La PC emisora recibe la respuesta y agrega la dirección MAC asociada a la dirección IP en su tabla ARP. Una vez completada la tabla, puede transmitir el paquete de datos al destino.

Tipos de Transmisión

Transmisión Local

Se realiza cuando el emisor y el receptor están en la misma red. Si la parte de red de la dirección IP destino es igual a la parte de red de la IP origen, el campo MAC destino se completa con la dirección MAC del receptor.

Transmisión Remota

Se realiza cuando el emisor y el receptor pertenecen a redes distintas. En este caso, el campo MAC destino se completa con la dirección MAC del router (puerta de enlace).

Enrutamiento

El enrutamiento es el proceso de seleccionar caminos en una red por los cuales se enviará el tráfico.

Enrutamiento Estático

La ruta es agregada en la tabla de enrutamiento de forma manual por el administrador. La métrica (costo) se define generalmente como la cantidad de saltos necesarios para llegar a esa red.

Enrutamiento Dinámico

Las rutas se agregan automáticamente mediante protocolos de enrutamiento (como OSPF, EIGRP, RIP). Cada protocolo tiene una forma especial de calcular la métrica para determinar la mejor ruta.

Protocolo STP (Spanning Tree Protocol)

STP es un protocolo de capa 2 cuyo objetivo es prevenir bucles en la red seleccionando y bloqueando puertos redundantes. Establece una clasificación de switches y puertos.

Roles de STP

• Switch Raíz (Root Bridge): Es el switch que tiene el Bridge ID (identificador de Spanning Tree) más bajo. Todos los puertos del Switch Raíz son Puertos Designados.
• Puerto Raíz (Root Port): Es el puerto de un switch no raíz que tiene el menor costo para llegar al Switch Raíz. En caso de empate en el costo, se elige el de menor dirección MAC.
• Puerto Designado (Designated Port): Es el puerto de un segmento de red que tiene el menor costo hasta el Switch Raíz. En caso de empate, se elige aquel con el menor Bridge ID.
• Puertos Bloqueados (Blocked Ports): Son aquellos puertos que no son ni Raíz ni Designados. Estos puertos están en estado de bloqueo para evitar bucles.

FDB (Forwarding Database)

La FDB, o Base de Datos de Reenvío, es una memoria volátil interna que posee cada switch o bridge. Almacena la información necesaria (direcciones MAC y puertos asociados) que el switch requiere para realizar la conmutación de tramas de manera eficiente.