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Protocolos de Redes
Protocolos ALOHA
Este es el protocolo que dio origen a muchos en uso hoy en día. La idea es muy
simple, cuando se desea transmitir se transmite.
Una alternativa es esperar un tiempo aleatorio antes de retransmitir.
Si suponemos paquetes de largo fijo a transmitir, y
que cada estación transmite en cuanto tiene datos, la probabilidad de colisión
en redes cargadas es muy alta puesto que basta con que el último bit de un
paquete se transmita junto con el primer bit de otro para que ambos colisionen
y se destruyan.
Un dato importante en estas redes compartidas es el factor de utilización máximo que se puede lograr del medio. Es
decir, si tengo un coaxial de capacidad total 10 Mbps, cuánto puedo ocupar
realmente entre todos los participantes. Esto no es trivial, porque requiero
que haya mucha carga de tráfico para utilizar más ancho de banda, pero al
aumentar el tráfico aumentan las colisiones.
En el caso del protocolo ALOHA puro, se
obtiene que el máximo factor de utilización es 18%, lo que dista mucho de ser
razonable.
Una optimización al protocolo es dividir el tiempo en slots fijos sincronizados
(slotted ALOHA). Una computadora sólo puede transmitir en un comienzo de slot
(que dura justo el tamaño de un paquete). Esto disminuye la probabilidad de
colisiones, permitiendo un factor de utilización máximo de 37%.
CSMA
Una optimización importante a ALOHA puro es no transmitir si el canal está
ocupado, lo que implica escuchar antes de hablar (Carrier Sense). Si el canal
está ocupado, puedo quedar escuchando hasta que se desocupe y ahí transmitir
(CSMA1-persistente).
Esto no es muy bueno, porque al aumentar la carga, aumenta la probabilidad de
que más de un computador esté escuchando el canal ocupado, esperando
transmitir, y por lo tanto habrá una colisión cuando ambos intenten. Para
evitar esto, en vez de esperar que el canal se desocupe, esperamos un tiempo
aleatorio antes de volver a intentar (CSMA no persistente).
IEE
802.3: Ethernet
Es
un algoritmo CSMA/CD 1-persistente, con una tasa de 10 Mbps (ahora está de moda
una nueva versión a 100 Mbps: Fast Ethernet).
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Si
se produce una colisión, el emisor espera un tiempo aleatorio antes de
reintentar. El tiempo se divide en espacios (slots) de 512 bits. Con
probabilidad 1/2 se transmite en el slot 0 o 1. Si vuelve a ocurrir una colisión,
con probabilidad 1/4 se transmite en el slot 0, 1, 2 o 3. A la tercera, se
espera un número aleatorio de slots entre 0 y (2 a la 3 -1). Luego, al ocurrir
la colisión i, se sigue esperando entre 0 y (2 a la i) –1. Después de 10
colisiones, se espera entre 0 y 1023 slots. Después de 16 colisiones se aborta
la transmisión.
Este
algoritmo se conoce como binary exponential backoff, y es muy interesante porque
intenta evitar sobrecargar la red con retransmisiones una vez que la red ya está
saturada. Ethernet muestra en la práctica un factor de utilización cercano al
50%. En teoría el mejor caso es alrededor del 80%.
Token Ring
El problema con Ethernet es que
la distribución del acceso al medio e aleatoria, por lo que puede ser injusta,
perjudicando a un computador durante un periodo de tiempo.
En
algunos casos es muy importante garantizar un acceso igualitario al medio, de
modo de garantizar que siempre podremos transmitir, independientemente de la
carga.
El
token es un paquete físico especial, que no debe confundirse con un paquete de
datos. Ninguna estación puede retener el token por más de un tiempo dado (10
ms).
Las redes Token Ring originalmente fueron desarrolladas por IBM en los años 1970s. Este fue el primer tipo de Red de Area Local de la tecnología IBM (LAN) Las especificaciones de IEEE 802.5 son casi idénticas en cuanto a compatibilidad con las redes de IBM's Token Ring. En base a las especificaciones de esta red se modeló es estándar IEEE 802.5. El término Token Ring es generalmente usado para referirnos a ambas redes, IBM's Token Ring e IEEE 802.5.
Redes
Token Ring e IEEE 802.5 son básicamente compatibles, a pesar que las
especificaciones difieran relativamente de menor manera.
Otras diferencias existentes son el tipo de medio, en IEEE 802.5 no se
especifica un medio, mientras que en redes IBM Token Ring se utiliza par
trenzado. En la siguiente figura se muestran algunas características y
diferencias de ambos tipos de red:
Token
Ring
Las
redes basadas en (token passing) basan el control de acceso al medio en la
posesión de un token (paquete con un contenido especial que le permite
transmitir a la estación que lo tiene). Cuando ninguna estación necesita
transmitir, el token va circulando por la red de una a otra estación. Cuando
una estación transmite una determinada cantidad de información debe pasar el
token a la siguiente. Cada estación puede mantener el token por un periodo
limitado de tiempo.
Las redes de tipo token ring tienen una topología en anillo y están definidas en la especificación IEEE 802.5 para la velocidad de transmisión de 4 Mbits/s. Existen redes token ring de 16 Mbits/s, pero no están definidas en ninguna especificación de IEEE.
Los grupos locales de dispositivos en una red Token Ring se conectan a través de una unidad de interfaz llamada MAU. La MAU contiene un pequeño transformador de aislamiento para cada dispositivo conectado, el cual brinda protección similar a la de Local Talk. El estándar IEEE 802.5 para las redes Token Ring no contiene ninguna referencia específica a los requisitos de aislamiento. Por lo tanto la susceptibilidad de las redes Token Ring a las interferencias puede variar significativamente entre diferentes fabricantes.
Si
una estación que posee el token y tiene información por transmitir, esta
divide el token, alterando un bit de éste (el cuál cambia a una secuencia de
start-of-frame), abre la información que se desea transmitir y finalmente manda
la información hacia la siguiente estación en el anillo.
Mientras
la información del frame es circulada alrededor del anillo, no existe otro
token en la red (a menos que el anillo soporte uno nuevo), por lo tanto otras
estaciones que deseen transmitir deberán esperar. Es difícil que se presenten
colisiones.
La información del frame circula en el anillo hasta que localiza la estación destino, la cuál copia la información para poderla procesar.
La información del frame continúa circulando en el anillo y finalmente es borrada cuando regresa a la estación desde la cuál e envió.
La estación que mandó puede checar en el frame que regresó si encontró a
la estación destino y si entregó la información correspondiente (Acuse de
recibo)
A
diferencia de las redes que utilizan CSMA/CD (como Ethernet), las redes
token-passing están caracterizadas por la posibilidad de calcular el máximo
tiempo que pueden permanecer en una terminal esperando que estas transmitan.
MAU
La
MAU es el circuito usado en un nodo de red para acoplar el nodo al medio de
transmisión. Este aislamiento es la clave para la inmunidad de los sistemas en
red ante las interferencias. La implementación y la calidad del aislamiento
proporcionado varía entre diferentes topologías de red. Estas diferencias son
descritas a continuación:
Conexión
de cableado LocalTalk/Token Ring/AUI
Conexiones
AUI
Casi
todas las tarjetas Ethernet proveen una conexión AUI de 15 pines que puede ser
usada para conectar un usuario a un hub local o a una MAU. Esta conexión no da
aislamiento o protección contra sobretensiones. El aislamiento hacia el
cableado principal de la red lo brinda el hub. Esta situación se muestra en la
figura y difiere de los arreglos LocalTalk y Token Ring principalmente en que el
segmento de cable desprotegido es frecuentemente más largo en el caso de las
conexiones AUI y en que el hub en el cual termina la conexión puede tener una
tierra diferente a la del equipo del usuario. El equipo del usuario es muy
susceptible a daño a través de la conexión AUI. Estas últimas operan a
distancias tan grandes como 100 metros, pero nunca deben ser usadas a esas
distancias sin extremas precauciones. Cuando se conecten usuarios a un hub
usando un cable AUI, observe las siguientes reglas:
Siempre
asegúrese de que todos los usuarios conectados al hub y el hub mismo estén
conectados en tomacorrientes que estén cableados al mismo tablero de distribución.
Esto evita que ocurran altos voltajes de tierra inter-sistema.
Mantenga
la longitud del cableado por debajo de los 10 metros. Si es posible, haga que
todos los usuarios alimentados desde el hub y el mismo hub se alimenten desde el
mismo no brake.
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Las
estaciones en redes IBM Token Ring se conectan directamente a MSAUs, las cuáles
pueden ser cableadas a través del anillo (como se muestra en la figura). Los
Patch cables sirven para interconectar las MSAUs. Los Lobe cables conectan a las
estaciones con las MSAUs.
Las
redes Token Ring utilizan un sofisticado sistema de prioridad que permite
designarles a los usuarios un tipo de prioridad en base a su uso de la red. Los
frames en redes Token Ring tienen dos campos que controlan la prioridad: el
campo de prioridad y un campo reservado.
Solo
las estaciones que posean un valor de prioridad igual o mayor al contenido en el
token pueden seccionar éste.
Cuando el siguiente token es generado, este incluye la prioridad más grande anteriormente reservada por la estación.
Después de que se efectuó su entrega la estación que mandó debe regresar la prioridad del token a como lo había encontrado.
Las
redes Token Ring emplean varios mecanismos para detectar y corregir las fallas
en la red. Por ejemplo: se selecciona una estación en una red Token Ring para
que trabaje como monitor de la red.
Esta estación que puede ser cualquiera de la red, centraliza los recursos en base a tiempos y sistemas de mantenimiento para las estaciones. Una de estas funciones es remover los constantes frames que circulan en el anillo. Cuando un dispositivo que envía falla, este frame puede continuar circulando en el anillo, esto previene a otras estaciones de transmitir en ese momento. El monitor detecta dichos frames y los remueve del anillo generando uno nuevo.
Un
algoritmo de token llamado beaconing detecta y trata de reparar ciertos errores
en la red. A veces, una estación detecta un problema serio con la red (como un
cable dañado o desconectado), esta envía un frame de reemplazo. El frame
de reemplazo define una falla en el dominio donde reside la estación que
detectó el problema, y enseguida viene un proceso de autoreconfiguración donde
intervienen los nodos cercanos al problema y automáticamente lo soluciona.
Las
redes Token Ring definen dos tipos de frames: tokens y data/command frames.
Ambos formatos se muestran en la figura siguiente:
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Los tokens son de 3 bytes de longitud y consisten
en un delimitador de inicio, un byte de control de acceso y un delimitador
final.
El delimitador de inicio alerta a cada estación de la llegada de un token (o data/command frame). Este campo incluye señales que distinguen este byte del resto del frame por una violación al esquema usado en el frame.
El byte de control de acceso contiene los campos de prioridad y reservación, como un token bit (usado para diferenciar un token del frame data/command) y un monitor bit (usado por el monitor activo para determinar cuando un frame está circulando en el anillo a baja velocidad.
Finalmente, las señales finales de delimitación señalan el final del token o data/command frame. Aquí también están contenidos bits que muestran si el token está dañado.