Nivel de enlace - Apuntes complementarios

1. Nivel de Enlace

2. Nivel de Enlace
El nivel de enlace es la capa 2 del modelo OSI y es
responsable de enviar y recibir los mensajes a través del canal
físico.
Las funciones principales del nivel de enlace son:
○ Estructurar los mensajes en tramas.
○ Controla el flujo de datos.
○ Gestionar el acceso al medio si es compartido.
○ Control de errores de transmisión.
○ Direccionamiento MAC.

3. Nivel de Enlace
Por su complejidad, el nivel de enlace se divide en dos subcapas: la
subcapa MAC y la subcapa LLC.
Subcapa MAC (Control de acceso al medio).
● Se encarga de controlar el acceso al medio en los medios
compartidos.
● Controla el direccionamiento físico. Las direcciones MAC.
● Confecciona las tramas.
Subcapa LLC (Control de enlace lógico).
● Controla el flujo.
● Hace de interface con las capas superiores.
● Controla los errores de transmisión.
En TCP/IP la capa física y la de enlace se unen en
la capa de “Acceso a la red”.
En redes cableadas el protocolo de enlace más
común es ethernet II que unifica la capa MAC y LLC
en una sola cabecera.
La subcapa LLC sigue existiendo separada en redes
como 802.3, wifi, zigbee, bluetooth..
OSI

4. Nivel de Enlace
OSI TCP/IP
Ethernet II
La subcapa LLC es común para todos los tipos de redes y está definida en el
estándar ieee 802.2. Por el contrario la subcapa MAC tiene especificaciones distintas
según el tipo de red y de medio físico (802.3 para ethernet, 802.11 para wifi, 802.16
para wimax…)
Ethernet II

5. Nivel de Enlace
Confección de las tramas.
El nivel de enlace se encarga de encapsular las tramas
que le llegan de la capa superior y transmitirlas por el
medio. Igualmente recoge las tramas que llegan por el
canal y se las pasa al nivel superior desencapsuladas.
Al crear las tramas hay que tener en cuenta varios
aspectos.
● Delimitación : Las tramas deben llevar información
de dónde comienzan y dónde terminan.
● Añadir las direcciones de origen de destino.
● Sincronización .
● Determinar el tamaño de las tramas . Cuanto más
grandes sean, más propensas a errores.

6. Nivel de Enlace
Confección de tramas
El 802.3 se creó a partir de Ethernet, y aunque no son lo mismo, se
suelen llamar redes Ethernet tanto a las Ethernet como a las
802.3. Ethernet y 803.2 son compatibles y solo se diferencian en
un campo de su cabecera.
Las tramas Ethernet tienen un MTU (Tamaño máximo de la unidad
de transferencia) de 1500 bytes, aunque se pueden activar las
tramas Jumbo que permiten un MTU de 9000 bytes.
Entre trama y trama hay un IFG (Inter frame gap) de 12 bytes. Esto
significa que no se puede enviar la siguiente trama hasta pasado
ese lapso de tiempo, incluso si el medio está libre. Esos
12 bytes son 96 bits, así que la espera sería de 96 nanosegundos
en redes Gigabit Ethernet.

7. Nivel de Enlace
Confección de tramas
Las tramas Ethernet y 802.3 son compatibles y tienen la siguiente
estructura:
Preámbulo: 7x 10101010 son bits de sincronización.
SOF: 10101011 es un octeto especial que indica el comienzo de la trama
Address: direcciones MAC de origen y destino.
Type: Protocolo del nivel de red que envió la información y por tanto al que va dirigido.
Length: Longitud de la trama. Normalmente <= 1518 bytes. (el preámbulo no se
considera parte de la trama). Si contamos el IFG y el preámbulo serán 1538 bytes.
Datos: información que transporta la trama. Puede llevar relleno, ya que la trama
mínima es de 64 Bytes para lo que hay que completar el campo de datos hasta los 46
Bytes.
FCS: CRC o código de redundancia cíclica para el control de errores.

8. Nivel de Enlace
Control de flujo
Puede que la velocidad de emisión de un host sea mayor
que la velocidad a la que puede recibir otro host. El control
de flujo debe por tanto garantizar que un emisor rápido no
sature a un receptor lento. El control de flujo se suele
hacer en la capa de transporte y en la de enlace.
Existen diferentes protocolos destinados a controlar el
flujo como por ejemplo:
● Protocolos de parada y espera.
● Protocolos de ventana deslizante . (usado por TCP))
● Mensaje pause . (El que usa Ethernet)

9. Nivel de Enlace
Control de flujo
Protocolo de parada y espera . No se envía una nueva trama
hasta que se confirma la recepción de la anterior. Si pasa un
tiempo T, y el emisor no recibe confirmación reenvía la última
trama. Es ineficiente. Además de ser lento, si se pierde la
confirmación, el emisor mandará dos veces la misma trama.
Puede funcionar en half duplex.

10. Nivel de Enlace
Control de flujo
Protocolo de ventana deslizante : Los mensajes van
numerados y el emisor puede enviar N mensajes antes de que
le lleguen las confirmaciones (N es el tamaño de la ventana).
Este sistema es mucho más eficiente y necesita full duplex.
Este sistema es el que usa TCP en la capa de transporte para
conseguir que la comunicación sea fiable.

11. Nivel de Enlace
Control de flujo
Protocolo de ventana deslizante : Los mensajes van numerados
y el emisor puede enviar n mensajes antes de que le lleguen las
confirmaciones (n es el tamaño de la ventana). Necesita full
duplex. Es Más eficiente.

12. Nivel de Enlace
Control de flujo
El sistema de control de flujo que se usa en redes ethernet con full
duplex es el de las Tramas Pause. En cualquier momento el receptor
puede enviar un mensaje Pause indicando al emisor durante cuánto
tiempo no quiere recibir nuevas tramas. Durante ese tiempo el receptor
puede enviar nuevos comandos Pause prolongando, reduciendo o
suprimiendo la pausa inicialmente anunciada.
El mensaje pause se enviará cuando el buffer del receptor esté a punto
de llenarse.
La trama Pause está definida en el estándar 802.3x.

13. Nivel de Enlace
Control de Errores.
■ Los medios físicos son propensos a errores, debido a la
atenuación y a los ruidos, así que la capa de enlace
debe detectar si hay errores en la transmisión.
■ Los distintos sistemas de control de errores permiten
detectar e incluso corregir el error.
■ Algunos sistemas de detección de errores son:
● CRC (control de redundancia cíclica)
● Control de paridad.
● Suma de verificación
■ Las redes Ethernet aplican el CRC para comprobar si
las tramas llegaron sin errores. Las tramas con menos
de 64 bytes o que no sean múltiplos de 8 bits son
directamente descartadas.

14. Nivel de Enlace
Control de errores por CRC:
Se dividen los datos a enviar entre un polinomio
conocido (G3) y se envía el resto de la división junto a
los datos.
El receptor divide los datos entre el polinomio
conocido (G3) y comprueba si el resto obtenido es
igual al que le llegó junto al mensaje. Si coinciden, es
que el mensaje llegó correctamente.
Control de redundancia cíclica

15. Nivel de Enlace
Auto-negociación
La auto-negociación permite que equipos
que usan diferentes estándares de ethernet
puedan coexistir. Tras la negociación, los
dos extremos habrán decidido a qué
velocidad van a transmitir y en qué modo.
Las prioridades son las siguientes:
Al final decidirán ir a la máxima
velocidad que soporten los dos
extremos, que será la velocidad
del más lento de los dos.

16. Nivel de Enlace
Protocolos de control de acceso al medio
Cuando el medio de transmisión es compartido por varias
hosts (Hub, wifi...) hay que solucionar el problema de quién
puede emitir en cada momento, para evitar las colisiones.
Existe una gran variedad de protocolos de acceso al
medio. Algunos son:
● ALOHA. (Puro o Ranurado).
● CSMA.(1 persistente, No persistente, P – persistente)
● CSMA/CD (el que se usa en Ethernet)
● CSMA/CA (el que se usa en Wifi)
● Paso de testigo

17. Nivel de Enlace
Protocolo de acceso al medio “ALOHA”
Nacido en los setenta en la Universidad de Hawai. Es un protocolo de
contienda (“guerra por el canal”) su funcionamiento es simple:
1. Cuando una estación quiere transmitir lo hace.
2. Cuando se produce una colisión, se espera un tiempo aleatorio y
se vuelve a transmitir la trama.
El rendimiento de este método es muy bajo debido a las colisiones y ya
no se usa.

18. Nivel de Enlace
Protocolo CSMA/CD
El método CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with
Collision Detect) fue desarrollado por Xerox en 1976.
Funcionamiento :
● Cuando un host quiere transmitir escucha el canal.
● Si está ocupado, espera a que quede libre. Si está libre,
transmite.
● Mientras transmite, sigue escuchando para ver si alguien
transmite a la vez, en cuyo caso, aborta la transmisión y
espera un tiempo aleatorio.
Es el método adoptado por el IEEE 802.3.
Actualmente con el uso de los switchs y conexiones full
duplex no es necesario pero se mantiene por
retrocompatibilidad.

19. Nivel de Enlace
Protocolo CSMA/CA
Es un CSMA con CA (Collision Avoidance). Surgió con el estándar IEEE
802.11 para redes inalámbricas. El funcionamiento es el siguiente:
1. El host que quiere transmitir escucha el medio.
2. Si está libre espera un tiempo aleatorio y envía el mensaje. Si el
medio está ocupado espera un tiempo aleatorio para volver a
intentarlo.
3. El emisor debe confirmar que la trama llegó bien con un mensaje de
confirmación ACK.
Para evitar el “problema del nodo oculto” aparecen los mensajes RTS
(request to send) y CTS (clear to send). El que quiere emitir manda un
mensaje RTS solicitando el canal al punto de acceso y éste le da permiso
con un mensaje CTS.
El problema del nodo oculto aparecería si por ejemplo al
equipo 1 no llega la señal del equipo 3, y por tanto piensa
que el medio está libre. Esto podría provocar colisiones,
que se resuelven con el arbitraje que ejerce el punto de
acceso para los mensajes rts y cts.

20. Nivel de Enlace
Direccionamiento a nivel de enlace
La capa de enlace proporciona un sistema de
direccionamiento mediante las direcciones físicas o
direcciones MAC.
El IEEE establece que la dirección física o MAC tiene 48 bits,
de los cuales los 24 primeros identifican al fabricante (OUI) y
los últimos 24 bits identifican a cada tarjeta de un mismo
fabricante.
OUI = Identificador único de la organización.
La mac de broadcast es la FF:FF:FF:FF:FF:FF

21. Nivel de Enlace
Direccionamiento a nivel de enlace
El bit 8 de la mac nos dice si
es una mac única, o
identifica a varios equipos.
El bit 7 de la mac nos indica
si la dirección es la que vino
“de fábrica” o si es una mac
modificada.
El 7 y el 8 empezando a
contar por la izquierda.

22. Nivel de Enlace
Direccionamiento a nivel de enlace
Tipos de direcciones MAC:
Direcciones MAC unicast ; son las que identifican a una única tarjeta
de red. Se usan como mac de origen o mac de destino.
Dirección MAC de broadcast es la que se usa para que una trama
llegue a todos los dispositivos de la red. Siempre es FF:FF:FF:FF:FF:FF.
Solo se pueden usar como mac de destino.
Direcciones MAC multicast son las que identifican a un grupo
multicast y solo se pueden poner como mac de destino. Se construyen
poniendo
● Los primeros 24 bits serán siempre 01:00:5E
● El bit 25 de la mac será siempre el 0.
● Los 23 bits menos significativos de la MAC se sustituyen por los 23 bits
menos significativos de la IP multicast.

23. Nivel de Enlace
Direccionamiento a nivel de enlace
Tipos de direcciones MAC (ejemplo):
● Vemos que la única ip unicast tiene una mac multicast, con los bits 7 y
8 a cero. (192.168.1.1 → 08-00-27-ad-1b-8d)
● Las dos ip de broadcast van asociadas a la mac de broadcast y los
bits 7 y 9 de dicha mac es 1 (192.168.1.255/255.255.255.255 →
ff:ff:ff:ff:ff:ff)
● Las ip de broadcast tienen direcciones mac con el bit 8 a uno y
construidas como se dijo anteriormente.

24. Nivel de Enlace
Estándar 802.1
Contiene normas de gestión e interconexión de redes,
entre los que podemos destacar:
▪802.1P: Permite priorizar y filtrar el tráfico (QoS) a nivel
de enlace.
▪802.1Q: Define las VLAN.
▪802.1X: Implementa protocolos de seguridad para
redes inalámbricas y cableadas. Se apoya en el
protocolo EAP y servidores como Radius
Estándar 802.2
▪Define el control de enlace lógico (LLC) que es la capa
superior del nivel de enlace. Es obligatorio en todas las
arquitecturas menos en Ethernet.

25. Nivel de Enlace
Estándar 802.1
Contiene normas de gestión e interconexión de redes,
entre los que podemos destacar:
▪802.1P: Permite priorizar y filtrar el tráfico (QoS) a
nivel de enlace.
▪802.1Q: Define las VLAN.
▪802.1X: Implementa protocolos de seguridad para
redes inalámbricas y cableadas. Se apoya en el
protocolo EAP y servidores como Radius

26. Nivel de Enlace
Estándar IEEE 802.3
T : Pares de cobre trenzado
MMF: Fibra multimodo
SMF: Fibra monomodo
SR: Corto alcance
LR: Largo alcance

27. Nivel de Enlace
Estándar IEEE 802.11
Este grupo define estándares para redes wifi.

28. Nivel de Enlace
Address Resolution Protocol (ARP).
El protocolo ARP se encuadra en el nivel de red/internet de la arquitectura
TCP/IP. Se encarga de averiguar cuál es la dirección MAC de otro host a
partir de su dirección IP. Recordemos que cada trama debe llevar la mac de
origen y de destino en su cabecera.
Para saber la mac de un
equipo, ARP envía un
mensaje de broadcast
indicando la ip del
equipo cuya mac desea
conocer. El mensaje
llegará a todos los
equipos de la red, pero
solo contestará el que
tenga dicha ip,
respondiendo con su
dirección MAC.

29. Nivel de Enlace
La tabla MAC o ARP relaciona direcciones IP y direcciones MAC
de los diferentes dispositivos de red. Está presente en ordenadores,
routers y demás hosts de la red.
Es necesaria porque a nivel de enlace, dentro de la subred, hay que
indicar la mac de origen y la mac de destino en la cabecera
ethernet.
Los registros de la tabla ARP se mantienen en caché durante un
tiempo y luego se van borrando si no se usan. El tiempo que se
cachea cada registro de la tabla ARP depende de cada SO, pero
suelen estar en torno a 30 segundos.
Podemos verla con el comando “arp -a” en windows o con “arp” en
linux.

30. Nivel de Enlace
Otros protocolos del nivel de enlace
○ PPP: (Point to point protocol) Se usa para conexiones
directas entre dos nodos. Por ejemplo entre un modem y
el isp. Tiene variantes como PPPoE.
○ FDDI: (Fiber Distributed Data Interface) Se basa en
token ring y suele usarse como línea troncal de fibra
óptica para redes WAN. Actualmente obsoleto.
○ ATM: (Asynchronous Transfer Mode) Era muy usado en
ADSL aunque se va cambiando por Ethernet.
○ Frame Relay : Se usaba principalmente para la
interconexión de LANs sobre redes públicas o privadas.
Se va sustituyendo por Ethernet.

31. Nivel de Enlace
Otros conceptos importantes
Adaptador de red. Una tarjeta de red o adaptador de red es un
dispositivo que permite la comunicación de los hosts a través de la
red. También se les llama NIC (network interface card).
En la práctica, las funciones de la capa de enlace o acceso a la
red la lleva a cabo la tarjeta de red y sus controladores (drivers).

32. Nivel de Enlace
Otros conceptos importantes
Dominio de colisión: Un dominio de colisión es un segmento
físico de una red donde es posible que los paquetes puedan
"colisionar" (interferir) unos con otros , o el segmento de red
por donde se propaga una colisión. (El aire, las antiguas redes
en bus o las redes hechas con los antiguos concentradores).
Dominio de difusión (o de broadcast): Es el segmento de red
por el que se transmite un paquete de broadcast en una red
local (Aire, hub, switch).
Segmentación de redes: División lógica que divide una red
grande en otras más pequeñas por motivos de
administración o seguridad.

33. Nivel de Enlace
En una red moderna con switches y trabajando en full duplex no hay
colisiones.
Si la red trabajara en half duplex, entonces cada cable sería un pequeño
dominio de colisión.
Los antiguos hubs, creaban un dominio de colisión entre todos los equipos
conectados.
En las figuras de abajo se ven en azul los dominios de difusión y en rojo los
de broadcast.
Enlaces en full duplex Enlaces en half duplex