Apunts de Xarxes d'Àrea Local

I 0 flashcards i 4 preguntes més al document.

Text del document

APUNTS XARXES DE COMPUTADORS Grau en Enginyeria Informàtica Universitat Politècnica de Catalunya AprenAI 2026-2027 Conceptes fonamentals, protocols d'accés al medi, arquitectura Ethernet, commutació i xarxes locals sense fils.

APREN.AI Índex 1 Fonaments de xarxes d'àrea local i control d'accés al medi Concepte de xarxa d'àrea local i topologies bàsiques Arquitectura IEEE per a xarxes locals Classificació dels protocols de control d'accés al medi (MAC) Protocols aleatoris: família Aloha i CSMA 2 Tecnologia Ethernet clàssica i format de trama Evolució històrica i mecanisme CSMA/CD Algorisme de backoff exponencial binari Format de la trama Ethernet II Mida mínima de trama a Ethernet i el pas a Full Duplex Capa física d'Ethernet i nomenclatura 3 Commutació, Dominis de difusió, STP i VLANs Concentradors (Hubs) davant de Commutadors (Switches) Mecanisme d'aprenentatge automàtic i reenviament Dominis de col·lisió i dominis de difusió Bucles a nivell 2 i Spanning Tree Protocol (STP) Xarxes d'àrea local virtuals (VLANs) i troncalitat 4 Xarxes locals sense fils (Wi-Fi - IEEE 802.11) Diferències fonamentals entre Ethernet i Wi-Fi El mecanisme CSMA/CA i la necessitat d'ACK El problema del node ocult i el protocol RTS/CTS Estructura de la trama IEEE 802.11 i adreçament Solucions de les preguntes de repàs Aquests apunts poden contenir errors o omissions.

Són un material de suport i no substitueixen el temari oficial ni el professorat: contrasta la informació important. Apunts de Xarxes d'Àrea Local 1 1 Fonaments de xarxes d'àrea local i control d'accés al medi EN ACABAR SABRÀS Diferenciar les funcions del nivell físic i del nivell d'enllaç en una xarxa local. Distingir els dos subnivells de l'arquitectura IEEE (LLC i MAC). Comparar l'eficiència i la dinàmica de contesa entre els protocols Aloha i CSMA. PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 1 Què succeeix si dos ordinadors connectats a un mateix cable coaxial comencen a emetre informació exactament en el mateix instant?

Concepte de xarxa d'àrea local i topologies bàsiques Una xarxa d'àrea local (LAN) interconnecta dispositius dins d'un espai físicament limitat, com ara una aula, una residència particular, la planta d'un edifici, una seu empresarial o un campus. Els equips d'una LAN comparteixen una infraestructura propera d'alta velocitat basada en cables Ethernet, commutadors (switches) i punts d'accés sense fils. Dins del model de referència OSI, una LAN opera principalment en els dos nivells inferiors: Nivell OSI Funció a la LAN Nivell físic (nivell 1) Transmissió de bits mitjançant senyals elèctrics, fibra òptica o radiofreqüència.

Nivell d'enllaç (nivell 2) Delimitació de trames, adreçament físic (MAC), control d'accés al medi i detecció d'errors. La disposició espacial i organitzativa dels nodes es descriu mitjançant la topologia, la qual pot ser física o lògica: Bus: Tots els equips comparteixen un mateix cable comú (com els antics estàndards 10Base5 o 10Base2). Si dues estacions transmeten alhora es produeix una col·lisió. Tota la xarxa forma un únic domini de col·lisions. Anell: Cada node s'enllaça directament amb el següent, fent circular les trames de forma seqüencial (per exemple, Token Ring o FDDI).

Sovint s'empra un mecanisme de pas de testimoni (token passing); només transmet l'estació en possessió del testimoni, fet que evita col·lisions a canvi d'una major complexitat de gestió. Estrella: Configurada a l'entorn modern mitjançant connexions punt a punt cap a un dispositiu central o switch. Els enllaços són independents i, funcionant en dúplex complet (full duplex), eliminen totalment les col·lisions. Apunts de Xarxes d'Àrea Local 2 COMPROVA-HO 2 Quina diferència mecànica existeix entre la prevenció de col·lisions en un bus compartit i en un anell amb pas de testimoni?

Arquitectura IEEE per a xarxes locals L'estàndard IEEE subdivideix el nivell d'enllaç de dades en dos subnivells clarament diferenciats: ESQUEMA Arquitectura de protocols MAC Classificació dels protocols de control d'accés al medi (MAC) Quan múltiples estacions comparteixen un canal físic comú, cal establir un mecanisme que organitzi les transmissions. Els protocols MAC es classifiquen en tres grans famílies: 1. Repartiment fix (canalització): Divideixen el canal de forma estàtica i prefixada: TDMA: Assigna a cada transmissor una ranura temporal exclusiva. LLC (Logical Link Control): Ofereix una interfície estàndard cap al nivell de xarxa superior.

Identifica el protocol contingut (com IP) i proporciona una abstracció comuna que independitza els protocols de nivell 3 de la tecnologia física subjacent (Ethernet, Wi-Fi o Token Ring). En el format comú Ethernet II sovint se substitueix per l'ús directe del camp EtherType. 1 MAC (Medium Access Control): S'encarrega de regular l'accés físic al medi compartit. Resol quan pot transmetre una estació, com actuar davant una col·lisió, com detectar errors mitjançant sumes de verificació i com adreçar els nodes amb una adreça MAC de 48 bits (per exemple, b8:27:eb:45:12:90 ).

2 Repartiment fix Divisió predeterminada del canal TDMA Divisió per ranures de temps FDMA Divisió per freqüència CDMA Assignació de codis ortogonals Pas de testimoni Accés exclusiu controlat per testimoni Contesa aleatòria Competició lliure pel canal Família Aloha Transmissió directa sense escolta prèvia Família CSMA Escolta el medi abans de començar Apunts de Xarxes d'Àrea Local 3 FDMA: Divideix l'espectre assignant a cada estació una banda de freqüència fixa. CDMA: Permet transmetre simultàniament codificant la informació de cada emissor amb patrons ortogonals únics. Tenen l'avantatge de funcionar ordenadament i sense cap mena de col·lisió.

En canvi, presenten un rendiment deficient si les estacions tenen trànsit a ràfegues o no tenen dades per transmetre, ja que reserven recursos que romanen desaprofitats. 2. Pas de testimoni: Només pot accedir al canal qui posseeix una trama especial anomenada testimoni (token). Gaudeix de retards predictibles i absència de col·lisions, però requereix una lògica complexa per regenerar el testimoni si aquest es perd. 3. Protocols aleatoris o per contesa: Els nodes competeixen lliurement per l'ús del medi. Destaquen per la seva simplicitat operativa i alta eficiència quan la càrrega de xarxa és moderada, tot i que poden donar lloc a col·lisions que obliguen a aplicar temps d'espera aleatoris.

COMPROVA-HO 3 Per què un protocol de repartiment estàtic com TDMA és poc adequat per al trànsit informàtic típic de ràfegues? Protocols aleatoris: família Aloha i CSMA El protocol Aloha pur és un mecanisme elemental on una estació transmet una trama immediatament quan la genera. Si dues trames coincideixen totalment o parcialment en el temps, col·lideixen; aleshores, els emissors esperen un interval de temps aleatori abans de reintentar-ho. Com que no escolta el canal abans d'emetre, la seva eficiència màxima teòrica és extremadament baixa: L'Aloha ranurat millora el rendiment discretitzant el temps en ranures d'amplada fixa.

Una màquina només pot començar a transmetre exactament a l'inici d'una d'aquestes ranures. Aquest requisit redueix la finestra de vulnerabilitat de col·lisió a la meitat, assolint una eficiència teòrica màxima superior: Per superar aquestes limitacions sorgeix el protocol CSMA (Carrier Sense Multiple Access), el qual afegeix una premissa bàsica: l'estació escolta la portadora abans de transmetre. Si detecta activitat al medi, s'espera en lloc d'emetre a cegues.

Segons com gestiona l'espera quan el canal està ocupat, es distingeixen dues variants: CSMA 1-persistent: Si el medi està ocupat, l'estació escolta de manera contínua fins que queda lliure, moment en què emet immediatament amb probabilitat 1. Té l'avantatge d'aprofitar el canal de seguida, però té l'inconvenient que si dues o més estacions estaven a l'espera durant una transmissió prèvia, transmetran a la vegada i col·lidiran amb una probabilitat molt propera al 100 %. CSMA no persistent: Si el medi està ocupat, l'estació suspèn la monitorització i espera un temps aleatori abans de tornar a sondejar el canal.

Això disminueix dràsticament la probabilitat de col·lisió, S = max 2e 1 18,4 % S = max e 1 36,8 % Apunts de Xarxes d'Àrea Local 4 tot i que pot desaprofitar períodes buits si el canal queda desocupat abans que venci el temporitzador de l'estació. ERROR FREQÜENT Confondre CSMA 1-persistent amb una transmissió sense risc de col·lisió. El fet d'escoltar el canal no impedeix que dues estacions que esperen impacients la fi d'una transmissió enviïn el seu paquet en el mateix instant en què el bus s'allibera, col·lidint irremeiablement. COMPROVA-HO 4 Què millora l'Aloha ranurat respecte a l'Aloha pur per aconseguir el doble d'eficiència màxima?

IDEES CLAU Una xarxa d'àrea local (LAN) connecta sistemes en espais limitats i s'ubica essencialment en els nivells físic i d'enllaç de dades. El model IEEE estructura el nivell 2 en els subnivells LLC (interfície amb la capa de xarxa) i MAC (accés físic al medi). Els mètodes d'accés al canal es divideixen en repartiment fix, pas de testimoni i protocols per contesa aleatòria. Aloha transmet a cegues amb baixa eficiència (18,4 % pur i 36,8 % ranurat), mentre que CSMA afegeix l'escolta prèvia de la portadora. COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 5. Com actua un protocol CSMA no persistent quan troba el canal de transmissió ocupat? 6.

Quina funció compleix el subnivell LLC en comparació amb el subnivell MAC? Test Encercla la resposta correcta. Les solucions són al final. 7. Quina és l'eficiència màxima aproximada assolible pel protocol d'accés Aloha ranurat? 8. Quin és el principal inconvenient del mecanisme CSMA 1-persistent? 100 % a) 36,8 % b) 18,4 % c) 50,0 % d) Perd el testimoni fàcilment a) Desaprofita el canal lliure b) Alta probabilitat de col·lisió en alliberar-se c) Requereix ranures temporals estrictes d) Apunts de Xarxes d'Àrea Local 5 9. Quants bits componen una adreça de nivell d'enllaç MAC estàndard? 10. Quina topologia física clàssica es caracteritza per tenir un únic domini de col·lisions compartit?

2 Tecnologia Ethernet clàssica i format de trama EN ACABAR SABRÀS Descriure el funcionament detallat del protocol d'accés CSMA/CD. Calcular els temps d'espera segons l'algorisme de backoff exponencial binari. Identificar els camps d'una trama Ethernet II i justificar la necessitat d'una mida mínima. PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 11 Per què s'ha d'afegir farciment (padding) si un paquet de dades a enviar per Ethernet és inferior a 46 bytes? Evolució històrica i mecanisme CSMA/CD La tecnologia dominant a les xarxes cablejades és Ethernet.

Nascuda als laboratoris de Xerox durant la dècada del 1970 per obra de Bob Metcalfe i inspirada en les idees d'Aloha, va quedar estandarditzada sota la norma IEEE 802.3. Ethernet defineix el format de la trama, les adreces de xarxa locals, el protocol MAC i les especificacions de la capa física (cable coaxial, parell trenat, fibra òptica i taxes de transmissió).

En la seva versió clàssica de medi compartit s'utilitza el mètode CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection), el cicle de funcionament del qual segueix aquests passos: 32 bits a) 64 bits b) 48 bits c) 16 bits d) Bus a) Malla jeràrquica b) Arbre amb ponts c) Estrella amb switch d) L'estació escolta el medi abans de transmetre. Si detecta activitat, espera fins que el medi quedi lliure. 1 Quan el medi està desocupat, comença a emetre la seva trama. 2 Mentre transmet, l'emissor continua monitoritzant el canal de forma ininterrompuda. 3 Si adverteix un nivell de tensió anòmal provocat per una emissió simultània, reconeix una col·lisió.

4 Emet immediatament un senyal de jam (senyal d'embús) per garantir que totes les estacions del segment tinguin constància que la transmissió ha fallat. 5 Atura la transmissió i activa l'algorisme de temporització de reintent. 6 Apunts de Xarxes d'Àrea Local 6 PROCÉS Cicle operatiu de CSMA/CD Algorisme de backoff exponencial binari Per evitar que dues estacions col·lisionades tornin a coincidir en reintentar la transmissió immediatament, s'aplica el backoff exponencial binari.

Després de la col·lisió número , el sistema selecciona a l'atzar un enter pertanyent a l'interval: L'estació retarda el seu nou intent un temps equivalent a: A l'Ethernet clàssica, el paràmetre de referència slotTime correspon exactament a 512 bit-times. En una xarxa tradicional de 10 Mbps, aquest lapse suposa un temps base d'espera de: A mesura que es repeteixen les col·lisions successives per a una mateixa trama, la finestra d'elecció creix de manera exponencial, descongestionant el medi compartit. COMPROVA-HO 12 Quina finalitat té la transmissió del senyal de jam en detectar-se una col·lisió?

Format de la trama Ethernet II La unitat fonamental de dades (PDU) a nivell d'enllaç és la trama Ethernet.

En l'estàndard comú Ethernet II, la trama s'organitza en els següents camps: Escolta del canal Comprova si el medi està lliure 1 Inici transmissió Comença l'enviament de la trama 2 Detecció col·lisió Monitorització activa durant l'emissió 3 Senyal de jam Avisa a la resta d'estacions 4 Backoff exponencial Calcula temps d'espera aleatori 5 Reintent Torna a escoltar el canal 6 k r r nombre enter dins l'interval [0, 2 k 1] T = espera r × slotTime = 10 bps 7 512 bits 51,2 μs Apunts de Xarxes d'Àrea Local 7 Taula de camps i mides de la trama Ethernet II Els camps principals es detallen a continuació: Preamble i SFD (8 bytes): Patró de bits utilitzat per sincronitzar el rellotge del receptor amb el senyal físic entrant.

L'SFD (Start Frame Delimiter) marca el començament de les dades vàlides. MAC destinació i origen (6 bytes cadascuna): Identificadors físics de la interfície receptora i emissora. EtherType o Longitud (2 bytes): En Ethernet II identifica el protocol superior de nivell de xarxa (com 0x0800 per a IPv4, 0x0806 per a ARP, o 0x86DD per a IPv6). A IEEE 802.3 pot especificar la longitud de les dades, derivant la multiplexació cap a capçaleres LLC/SNAP. Càrrega útil (Payload, 46 a 1500 bytes): Paquet de nivell de xarxa transportat. El límit de 1500 bytes defineix la unitat màxima de transferència (MTU) clàssica. FCS / CRC (4 bytes): Codi de redundància cíclica que permet detectar trames corruptes.

Si el càlcul del receptor discrepa, descarta la trama sense demanar retransmissió; la fiabilitat queda delegada a nivells superiors com TCP. Les adreces MAC de destinació es classifiquen en tres tipologies: Taula de tipus d'adreces MAC de destinació Apunts de Xarxes d'Àrea Local 8 Mida mínima de trama a Ethernet i el pas a Full Duplex La trama Ethernet exigeix una mida mínima de 64 bytes, comptats des de l'adreça MAC destinació fins al final del camp FCS. Si la càrrega útil és inferior a 46 bytes, el sistema injecta farciment obligatori (padding) per assolir aquest límit.

Aquesta restricció respon a una necessitat física insalvable de CSMA/CD: el temps necessari per transmetre la trama ha de ser estrictament superior o igual al temps d'anada i tornada del senyal a l'extrem més allunyat del segment: Ttransmissio βrNβsT βsβrT βr ) &= 1βs2βs2βr2NβsT βsβrT βr = 1N βsT βsβr2βrT βr = βsT βsN &= 1N βsT βs = 1N βsT βsβr2βr2 = βr2N βsT βsβrT βr = 1N βr2 βsT βsβrT βr = βsT βsN simplificat: tslot = 2 × tprop És a dir, el temps de transmissió ha de ser almenys el doble del temps de propagació d'un extrem a l'altre de la xarxa.

Si una trama fos més petita, l'estació podria acabar d'emetre-la abans que el senyal col·lisionat retornés des de l'altre extrem, fent creure a l'emissor que la transmissió ha estat satisfactòria quan realment s'ha corromput. En l'actualitat, la majoria d'enllaços funcionen en mode full duplex sobre parells trenats o fibra òptica. En aquesta modalitat s'utilitzen canals físics independents per transmetre i rebre simultàniament, per la qual cosa desapareixen les col·lisions i s'inhabilita el mecanisme CSMA/CD, millorant el rendiment global.

Característica Half Duplex Full Duplex Transmissió i recepció Alternativa (un sol sentit alhora) Simultània (en ambdós sentits) Col·lisions Possibles al medi compartit Inexistents Protocol d'accés Requereix CSMA/CD Desactiva CSMA/CD Entorns d'ús Hubs i xarxes Ethernet antigues Connexions modernes PC-Switch COMPROVA-HO 13 Per què la mida mínima de trama a Ethernet deixa de ser un requisit crític en xarxes full duplex? Capa física d'Ethernet i nomenclatura La família de normes Ethernet defineix múltiples interfícies físiques que s'identifiquen mitjançant una nomenclatura estandarditzada.

Apunts de Xarxes d'Àrea Local 9 Taula de desglossament de la nomenclatura Ethernet Principals variants històriques i modernes: Taula d'estàndards físics d'Ethernet i mitjans COMPROVA-HO 14 Què indica la part 'Base' en la denominació de l'estàndard 100Base-TX? Apunts de Xarxes d'Àrea Local 10 IDEES CLAU Ethernet utilitza el protocol CSMA/CD per detectar col·lisions mentre s'emet mitjançant l'escolta contínua del canal. Davant una col·lisió, s'emet un senyal de jam i s'aplica el backoff exponencial binari per retardar els reintents. La mida mínima de trama de 64 bytes garanteix la detecció de col·lisions abans de finalitzar l'emissió en half duplex.

El mode full duplex sobre commutadors elimina completament les col·lisions i desactiva el mecanisme CSMA/CD. COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 15. Quin camp de la trama Ethernet II s'empra per identificar si el paquet encapsulat és IPv4 o ARP? 16. A quants bytes corresponen 512 bit-times a la velocitat d'Ethernet clàssica? Test Encercla la resposta correcta. Les solucions són al final. 17. Què fa un receptor Ethernet si el codi CRC/FCS rebut no coincideix amb el calculat? 18. Quina és la càrrega útil (payload) màxima habitual d'una trama Ethernet clàssica? 19. Després de quantes col·lisions consecutives k, quin interval d'espera r tria el backoff exponencial? 20.

Quin mitjà físic utilitza l'estàndard 10Base5? Envia un senyal de jam a) Guarda la trama amb un indicador d'error b) Demana la retransmissió immediata c) Descarta la trama sense demanar retransmissió d) 64 bytes a) 1518 bytes b) 1500 bytes c) 512 bytes d) [0, 2k] a) [0, - 1] b) 2k [0, k] c) [1, ] d) 2k Parell trenat UTP a) Coaxial prim b) Fibra òptica multimode c) Coaxial gruixut d) Apunts de Xarxes d'Àrea Local 11 3 Commutació, Dominis de difusió, STP i VLANs EN ACABAR SABRÀS Distingir les funcions i comportaments entre un hub i un switch. Descriure el funcionament del procés d'autoaprenentatge d'un switch. Comprendre el problema dels bucles de nivell 2 i la solució mitjançant STP.

Explicar l'etiquetatge de trames 802.1Q per a enllaços troncals de VLANs. PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 21 Per què un bucle físic de cables entre tres commutadors pot col·lapsar completament una xarxa Ethernet? Concentradors (Hubs) davant de Commutadors (Switches) Els dispositius d'interconnexió determinen com es propaga el trànsit en una xarxa local: Un hub opera a nivell 1 (físic). Es limita a rebre el flux de bits per un port i replicar-lo elèctricament per tots els altres ports. Tots els equips connectats comparteixen el mateix medi i, per tant, es troben dins del mateix domini de col·lisions. Un switch opera a nivell 2 (enllaç de dades).

Interpreta les trames Ethernet, examina les adreces MAC d'origen i de destinació, i reenvia cada trama únicament pel port on es troba el destinatari. Gràcies a això, cada port del switch constitueix un domini de col·lisions aïllat.

Dispositiu Nivell OSI Funció Dominis de col·lisió Hub Nivell 1 (Físic) Repeteix bits a cegues Un sol domini per a tots els ports Switch Nivell 2 (Enllaç) Commuta trames per adreça MAC Un domini independent per cada port Mecanisme d'aprenentatge automàtic i reenviament Els commutadors construeixen de manera dinàmica la seva taula de correspondències MAC-Port (taula CAM) mitjançant el procés d'autoaprenentatge (self-learning): Apunts de Xarxes d'Àrea Local 12 Taula de commutació que relaciona adreces MAC amb ports ERROR FREQÜENT Confondre el procés d'aprenentatge amb el de reenviament.

La taula d'adreces MAC s'actualitza sempre mirant la MAC origen de la trama que arriba; en canvi, la decisió de reenviament es pren observant la MAC destinació. COMPROVA-HO 22 Què fa un switch quan rep una trama adreçada a una MAC desconeguda que no és a la seva taula? Dominis de col·lisió i dominis de difusió És fonamental distingir els dos tipus de dominis que es formen en una infraestructura de xarxa: Domini de col·lisions: Conjunt de dispositius les trames dels quals poden col·lidir entre si en transmetre alhora. Els hubs no els separen; els ports dels switches i els encaminadors (routers) els aïllen de manera individual.

Domini de difusió (Broadcast Domain): Conjunt de dispositius que reben qualsevol trama adreçada a difusió (per exemple, peticions ARP). Un switch propaga el trànsit de difusió per tots els seus ports. Només els routers i les xarxes virtuals (VLANs) divideixen els dominis de difusió. COMPROVA-HO 23 Quins equips de xarxa permeten fragmentar un domini de difusió? Quan arriba una trama pel port amb adreça d'origen , el switch associa l'adreça al port a la seva taula. 1 P X X P A continuació, consulta l'adreça de destinació per decidir com l'ha d'expedir: Si l'adreça es troba a la taula, reenvia la trama únicament pel port associat.

Si no és a la taula (destinació desconeguda) o és una adreça de difusió (broadcast, FF:FF:FF:FF:FF:FF ), executa inundació (flooding): reenvia la trama per tots els ports excepte per aquell d'on ha entrat. 2 Y Y Y Apunts de Xarxes d'Àrea Local 13 Bucles a nivell 2 i Spanning Tree Protocol (STP) En dissenys de xarxa amb enllaços redundants per a tolerància a fallades, s'originen cicles físics entre commutadors: Diagrama de bucle físic en una xarxa commutada Com que la trama Ethernet no disposa de camp de temps de vida (no té TTL a nivell 2), les trames de difusió buclades circulen indefinidament, provocant tempestes de broadcast i la corrupció constant de les taules d'aprenentatge MAC.

Per solucionar-ho s'aplica el protocol Spanning Tree Protocol (STP), el qual transforma una topologia física amb cicles en una topologia lògica en arbre lliure de bucles: STP opera mitjançant missatges BPDU (Bridge Protocol Data Units): Xarxes d'àrea local virtuals (VLANs) i troncalitat Una VLAN és una agrupació lògica que permet segmentar un switch físic en diverses xarxes independents. Els equips d'una mateixa VLAN comparteixen el domini de difusió, restant aïllats de la resta de VLANs del mateix commutador.

Això permet millorar la seguretat, reduir el trànsit de difusió innecessari i estructurar els departaments d'una organització sense necessitat d'adquirir commutadors físics independents. Els ports d'un switch es configuren com a: Ports d'accés (Access ports): Connecten equips terminals. Pertanyen a una única VLAN i transmeten trames estàndard sense etiquetar. Ports troncals (Trunk ports): Enllaços entre commutadors que transporten trànsit de múltiples VLANs simultàniament mitjançant multiplexació. Esquema d'enllaç troncal transportant múltiples VLANs Elegeix un Root Bridge (pont arrel) amb l'identificador més prioritari.

1 Calcula el camí de cost mínim cap a l'arrel per a cada commutador (configurant el seu Root Port). 2 Assigna un Designated Port per a cada segment de xarxa. 3 Bloqueja els ports restants (Blocked Ports) per desactivar els cicles. Si cau un enllaç actiu, els ports blocats es reactiven automàticament.

4 Apunts de Xarxes d'Àrea Local 14 Per identificar a quina xarxa pertany cada trama al travessar un enllaç troncal, l'estàndard IEEE 802.1Q afegeix una etiqueta (tag) de 4 bytes a la capçalera de la trama Ethernet (entre l'adreça d'origen i el camp Type/Length): Estructura de la trama amb etiqueta de VLAN IEEE 802.1Q L'etiqueta conté l'identificador de protocol TPID (amb el valor fix 0x8100) i el camp de control TCI, que reserva 12 bits per al VLAN ID. Això permet codificar fins a identificadors de xarxa virtual. Com que les VLANs divideixen la xarxa a nivell 2, dues VLANs diferents no es poden comunicar directament entre si.

Cal recórrer a un dispositiu d'encaminament de nivell 3 (un router extern mitjançant arquitectura router-on-a-stick o un switch de capa 3): Esquema d'encaminament de trànsit entre dues VLANs diferents COMPROVA-HO 24 Què cal afegir a una xarxa local amb dues VLANs diferents per permetre que els seus dispositius es comuniquin? 2 = 12 4096 Apunts de Xarxes d'Àrea Local 15 IDEES CLAU Els hubs operen a nivell 1 unint tots els ports en un únic domini de col·lisions, mentre que els switches aïllen cada port a nivell 2. Els switches aprenen les adreces associades a cada port mitjançant la MAC d'origen i reenvien examinant la MAC de destinació.

Davant bucles físics, STP bloqueja ports redundants per evitar tempestes de difusió, garantint una topologia lògica en arbre. L'estàndard IEEE 802.1Q afegeix una etiqueta de 4 bytes (amb 12 bits d'identificador de VLAN) als enllaços troncals per multiplexar trànsit. COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 25. Per què els bucles de commutadors a nivell 2 poden generar tempestes de difusió indefinides? 26. Quantes VLANs teòriques permet codificar el camp d'identificador a l'etiqueta IEEE 802.1Q? Test Encercla la resposta correcta. Les solucions són al final. 27. En quin nivell del model OSI treballa un commutador (switch) convencional? 28.

Com aprèn un switch quina màquina es troba connectada a cadascun dels seus ports? 29. Quina funció té el protocol Spanning Tree (STP) a una xarxa local? 30. Quina és la mida de l'etiqueta que afegeix l'estàndard IEEE 802.1Q en una connexió troncal?

Nivell 2 (Enllaç de dades) a) Nivell 1 (Físic) b) Nivell 3 (Xarxa) c) Nivell 4 (Transport) d) A través de trames STP enviades per l'arrel a) Llegint la MAC d'origen de les trames entrants b) Consultant la MAC de destinació c) Mitjançant sol·licituds DHCP periòdiques d) Detectar col·lisions en cables coaxials a) Assignar adreces IP dinàmicament b) Etiquetar trames de diferents VLANs c) Evitar bucles a nivell 2 bloquejant ports d) 8 bytes a) 4 bytes b) 6 bytes c) 2 bytes d) Apunts de Xarxes d'Àrea Local 16 4 Xarxes locals sense fils (Wi-Fi - IEEE 802.11) EN ACABAR SABRÀS Comprendre les limitacions físiques del medi sense fils davant del medi guiat.

Explicar el mecanisme CSMA/CA i la funció del protocol de reserva RTS/CTS. Identificar el problema del node ocult i com es resol. Distingir l'ús i propòsit de les múltiples adreces MAC en trames IEEE 802.11. PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 31 Per què una targeta de xarxa Wi-Fi no pot detectar una col·lisió mentre està transmetent com fa una targeta Ethernet? Diferències fonamentals entre Ethernet i Wi-Fi Les xarxes locals sense fils o WLAN tenen com a referent principal l'estàndard IEEE 802.11, conegut comercialment com a Wi-Fi.

Tot i que ofereixen avantatges clau com l'eliminació del cablejat físic, la flexibilitat i la mobilitat, s'enfronten a limitacions associades a la propagació de ràdio: atenuació de senyal, obstacles, reflexions (rebots), soroll i interferències externes.

Característica Ethernet Cablejada (802.3) Wi-Fi Sense Fils (802.11) Medi de transmissió Cable (controlat i protegit) Espectre de ràdio compartit Detecció de col·lisions Possible (CSMA/CD) No és viable durant la transmissió pròpia Mode d'operació Generalment Full Duplex Estrictament Half Duplex Fiabilitat del canal Molt alta (pocs errors) Baixa (propenso a interferències i pèrdues) Protocol d'accés CSMA/CD (o desactivat) CSMA/CA amb confirmació (ACK) El mecanisme CSMA/CA i la necessitat d'ACK En el medi ràdio, una estació que transmet ofega el seu propi receptor a causa de la potència del senyal local, impedint escoltar el canal per detectar col·lisions mentre parla.

Per aquest motiu, Wi-Fi no pot utilitzar CSMA/CD i adopta CSMA/CA (Collision Avoidance o evitació de col·lisions). El procediment bàsic de CSMA/CA funciona de la següent manera: L'estació escolta el canal per comprovar si està lliure. 1 Si el canal es manté desocupat durant un període mínim anomenat DIFS, no transmet pas de manera immediata. 2 L'estació tria un valor aleatori de backoff per a un comptador de temps. 3 Va decrementant el comptador únicament mentre percep que el canal continua lliure.

4 Apunts de Xarxes d'Àrea Local 17 Com que l'entorn ràdio pateix un índex elevat de corrupció de paquets per soroll, si l'emissor no rep el corresponent missatge ACK, assumeix que la trama s'ha perdut per col·lisió o error i procedeix a retransmetre-la a nivell MAC. ERROR FREQÜENT Pensar que el protocol Ethernet requereix confirmacions ACK a nivell d'enllaç com Wi-Fi. Ethernet només detecta errors mitjançant el camp CRC i descarta la trama corrompuda; no implementa cap mecanisme d'assentiment (ACK) a la capa 2. COMPROVA-HO 32 Per què l'estàndard 802.11 requereix un missatge ACK obligatori a nivell 2 si Ethernet prescindeix d'ell?

El problema del node ocult i el protocol RTS/CTS En xarxes sense fils és habitual trobar l'anomenat problema del node ocult. Aquest es produeix quan dues estacions (A i C) es troben fora del seu abast de ràdio mutu, però ambdues tenen cobertura directa amb un mateix punt d'accés central (AP): Tant A com C poden escoltar el medi, percebre'l lliure de manera errònia i transmetre simultàniament cap a l'AP, provocant una col·lisió destructiva al receptor.

Com a solució opcional per a trames de mida considerable, el protocol 802.11 incorpora el mecanisme de reserva per canal RTS/CTS: L'ús d'RTS/CTS redueix les col·lisions quan es transfereixen paquets grans, tot i que introdueix una sobrecàrrega de control addicional en la xarxa. COMPROVA-HO 33 Quin efecte té el missatge CTS sobre els nodes que l'escolten però no són l'emissor original? Quan el comptador arriba a zero, la trama s'envia pel medi. 5 L'estació receptora comprova la integritat de la trama i respon amb un missatge de confirmació ACK. 6 L'emissor envia una trama de petició de reserva RTS (Request To Send).

1 L'AP respon emetent una trama CTS (Clear To Send) indicant el temps durant el qual el canal quedarà reservat. 2 Totes les estacions veïnes que reben el CTS callen i s'abstenen de transmetre durant l'interval acordat. 3 L'emissor original transmet la trama de dades sense risc d'interferència per nodes ocults. 4 El receptor valida les dades i envia el corresponent ACK. 5 Apunts de Xarxes d'Àrea Local 18 Estructura de la trama IEEE 802.11 i adreçament Les trames de la capa d'enllaç de Wi-Fi presenten una complexitat superior a les d'Ethernet, ja que han de gestionar l'accés a través d'estacions base i sistemes de distribució.

Per aquest motiu, una trama 802.11 pot incloure fins a quatre adreces MAC diferenciades: Emissor ràdio: Interfície que genera el senyal de transmissió. Receptor ràdio: Interfície immediata que rep el senyal a l'aire (com el punt d'accés). Origen real: Node generador original de les dades. Destinació final: Destinatari final de les dades a la xarxa cablejada o sense fils.

A diferència d'Ethernet, on només es requereixen dues adreces (MAC d'origen i MAC de destinació), en una connexió Wi-Fi habitual a través d'un punt d'accés (per exemple, des d'un ordinador portàtil cap a un servidor situat a la xarxa cablejada) cal distingir clarament entre l'aparell que transmet o rep per l'enllaç ràdio i els extrems finals de la comunicació. Els camps principals de la trama 802.11 inclouen: Frame Control, Duration/ID, Address 1, Address 2, Address 3, Sequence Control, Address 4 (opcional per a enllaços entre sistemes de distribució), Payload i el camp de detecció d'errors FCS.

PROCÉS Procediment de transmissió amb RTS/CTS en Wi-Fi Canal lliure (DIFS) L'emissor comprova inactivitat 1 Enviament RTS Sol·licitud de reserva a l'AP 2 Resposta CTS L'AP autoritza i avisa els altres 3 Transmissió dades Enviament de la trama sense interferències 4 Recepció ACK Confirmació de lliurament amb èxit 5 Apunts de Xarxes d'Àrea Local 19 IDEES CLAU A causa de les propietats del medi ràdio, Wi-Fi no pot emprar CSMA/CD i utilitza CSMA/CA amb confirmació explícita (ACK). El problema del node ocult ocorre quan dos emissors no es detecten entre si però col·lideixen en transmetre cap al mateix punt d'accés.

El mecanisme opcional RTS/CTS resol el problema del node ocult reservant el canal abans d'enviar trames llargues. Les trames IEEE 802.11 poden contenir fins a 4 adreces MAC per diferenciar l'emissor/receptor ràdio de l'origen i la destinació reals. COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 34. Per què les xarxes Wi-Fi no poden detectar col·lisions mentre estan transmetent? 35. En quina situació és especialment profitós utilitzar el mecanisme de reserva RTS/CTS? Test Encercla la resposta correcta. Les solucions són al final. 36. Quin protocol d'accés al medi s'utilitza a les xarxes locals sense fils IEEE 802.11? 37. Quin és l'objectiu principal de la trama CTS a una xarxa 802.11? 38.

Quantes adreces MAC pot contenir com a màxim la capçalera d'una trama 802.11? 39. Com actua un emissor Wi-Fi si no rep la trama d'assentiment (ACK) després d'enviar les dades? CSMA/CA a) Token Ring b) TDMA estàtic c) CSMA/CD d) Demandar una adreça IP al punt d'accés a) Confirmar la recepció de dades sense errors b) Sincronitzar el rellotge físic dels nodes c) Avisar els nodes que el canal està reservat d) 6 adreces a) 2 adreces b) 3 adreces c) 4 adreces d) Ignora la pèrdua i envia el següent paquet a) Assumeix un error o col·lisió i retransmet b) Envia un senyal de jam c) Canvia a mode full duplex immediatament d) Apunts de Xarxes d'Àrea Local 20 Solucions de les preguntes de repàs 1.

Els senyals electromagnètics s'encavalquen i es destrueixen mútuament en el medi físic, fenomen conegut tècnicament com a col·lisió. 2. En un bus qualsevol estació pot emetre al cable generant interferències si coincideixen, mentre que a l'anell el permís és exclusiu i determinista per mitjà del testimoni circulant. 3. Perquè manté la reserva del canal per a estacions que no tenen res per enviar, malbaratant capacitat que altres podrien aprofitar. 4. Obliga a sincronitzar les emissions a l'inici de cada ranura temporal, evitant així les col·lisions parcials entre trames encavalcades. 5.

Atura l'escolta del medi i espera un interval de temps aleatori abans de tornar a comprovar si el canal s'ha alliberat. 6. El LLC proporciona una interfície uniforme cap a protocols de xarxa com IP, mentre que el MAC gestiona directament les trames físiques, l'adreçament i l'accés al medi. 7. b) 36,8 %. Aloha ranurat aconsegueix un límit teòric d'1/e, aproximadament el 36,8 %, doblant l'eficiència d'Aloha pur. 8. c) Alta probabilitat de col·lisió en alliberar-se. Com que transmet immediatament amb probabilitat 1 en quedar lliure el medi, col·lideix si diversos nodes estaven esperant. 9. c) 48 bits.

L'adreça física de control d'accés al medi consta de 48 bits, habitualment representats com sis blocs hexadecimals. 10. a) Bus. En la topologia en bus tots els equips estan acoblats al mateix cable comú, formant un sol domini de col·lisions. 11. Perquè la trama assoleixi els 64 bytes mínims necessaris perquè l'emissor pugui detectar una col·lisió abans d'acabar la transmissió. 12. Garanteix que la col·lisió duri prou perquè totes les altres estacions que estiguin emetent o rebent prenguin constància inequívoca de l'error. 13. Perquè en full duplex no hi ha col·lisions; en conseqüència, es desactiva CSMA/CD i no cal mantenir l'emissió per detectar col·lisions llunyanes. 14.

Indica que el senyal elèctric es transmet en banda base, és a dir, sense modulació sobre una freqüència portadora. 15. El camp EtherType (per exemple, 0x0800 per a IPv4 o 0x0806 per a ARP). 16. Corresponen exactament a 64 bytes ( ), que és la mida mínima de trama. 17. d) Descarta la trama sense demanar retransmissió. Ethernet es limita a detectar l'error i descartar la trama, deixant la recuperació a protocols superiors com TCP. 18. c) 1500 bytes. La mida màxima estàndard de dades o MTU en xarxes Ethernet és de 1500 bytes. 19. b) [0, - 1]. L'algorisme tria un nombre sencer aleatori r a l'interval uniforme [0, - 1]. 20. d) Coaxial gruixut.

10Base5 utilitzava cable coaxial gruixut (thicknet) amb una velocitat de 10 Mbps. 21. Com que les trames Ethernet no tenen un camp TTL que es decrementi a cada salt, les trames de difusió circulen i es multipliquen sense fi provocant una tempesta de broadcast. 22. Aplica inundació (flooding), enviant la trama per tots els ports excepte pel port pel qual ha arribat. 512/8 = 64 2k 2k Apunts de Xarxes d'Àrea Local 21 23. Els encaminadors (routers) i els commutadors mitjançant la configuració de xarxes virtuals (VLANs). 24. Un dispositiu de nivell 3, com un encaminador (router) o un commutador de capa 3, que realitzi l'encaminament inter-VLAN. 25.

Perquè les trames Ethernet no disposen de camp TTL (Time to Live) que en limiti la persistència en la xarxa. 26. Permet codificar fins a valors, tot i que a la pràctica no tots són utilitzables per usuaris. 27. a) Nivell 2 (Enllaç de dades). El switch pren decisions examinant les trames i adreces físiques MAC pròpies del nivell d'enllaç de dades. 28. b) Llegint la MAC d'origen de les trames entrants. L'aprenentatge automàtic o self-learning associa el port d'entrada de la trama amb l'adreça MAC d'origen que la transmet. 29. d) Evitar bucles a nivell 2 bloquejant ports. L'STP crea una topologia lògica en arbre evitant que les trames circulin indefinidament en bucles de xarxa. 30. b) 4 bytes.

El tag 802.1Q conté 4 bytes, formats pel TPID (2 bytes) i el TCI (2 bytes amb 12 bits de VLAN ID). 31. Perquè la potència del senyal que emet per la seva pròpia antena és molt superior a qualsevol altre senyal entrant, emmascarant i fent impossible la recepció simultània. 32. Perquè l'emissor no pot detectar col·lisions mentre emet per ràdio i les interferències són freqüents, cal que el receptor confirmi explícitament que la trama s'ha rebut intacta. 33. Els obliga a romandre en silenci durant el temps de transmissió reservat per l'emissor, evitant així les col·lisions del node ocult. 34.

Perquè la potència del senyal transmès ofega i satura el propi receptor de l'estació, impedint escoltar altres senyals alhora. 35. Quan hi ha risc de nodes ocults i es transmeten trames de gran mida, compensant així la sobrecàrrega de control de les trames de reserva. 36. a) CSMA/CA. Wi-Fi utilitza CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) perquè no pot detectar col·lisions mentre emet. 37. d) Avisar els nodes que el canal està reservat. El missatge CTS reserva el canal i indica a les estacions de l'entorn que callin durant el temps estipulat. 38. d) 4 adreces.

Les trames 802.11 disposen de fins a 4 camps d'adreça per diferenciar emissors/receptors ràdio i extrems d'origen/destinació. 39. b) Assumeix un error o col·lisió i retransmet. A diferència d'Ethernet, la manca d'ACK a nivell 2 en Wi-Fi provoca la retransmissió directa de la trama. 2 = 12 4096 Apunts de Xarxes d'Àrea Local 22