Continuando con la serie de resumenes para preparación de CCNA en la última versión, ahora vamos a examinar los módulos 4, 5 y 6 que tratan la capa física del modelo OSI, la capa de enlace de datos y describe las tecnologías Ethernet como las más importantes de éstas capas. Disfrútenlo.
Introducción: protocolos por capas
En los módulos anteriores se mencionan los modelos por capas, yo ya he escrito bastante sobre el tema en éste blog así que los remito a leer con calma cada una de las entradas que escribí hace algunos años acerca del modelo OSI. En resumen, existen dos modelos: el modelo TCP/IP y el modelo OSI. El último se considera de referencia porque ya no tiene protocolos propios y sus capas están muy bien definidas. Las capas más importantes del tema que abarcaremos en ésta y la siguiente son la física y de enlace de datos, 1 y 2 respectivamente y comprenderlas muy bien es crítico para aprobar el examen de certificación.
Capa física: fibra óptica, lo nuevo de CCNAv7
Como les comenté anteriormente, pueden leer mi escrito anterior sobre la capa física para tener un contexto claro de qué define ésta capa. Esta versión de CCNA enfatiza un poco más de lo normal en los conectores de fibra óptica. Quienes deseen aprobar el examen de certificación, deberían recordar particularmente algunos datos de medios, por ejemplo, cableado de cobre UTP, en particular en qué consiste un cable directo, cruzado y rollover, qué referencia tiene el conector de cable UTP (RJ-45), entre otros datos. Ésta versión de CCNA, de Feb. de 2020, enfatiza un poco más sobre la fibra óptica como medio, así que es importante recordar que existen fibras simplex y duplex (uno fibra o dos respectivamente), monomodo (cables amarillos) de mejor calidad de señal (un sólo haz de luz) y por ende asociada a distancias mayores (dependiendo de los transceivers usados) y multimodo (azul claro o naranja) con una calidad de señal menor (varios haces de luz y por ende dispersión de la señal) asociada a distancias cortas (no mayor a 500mts) y conectores ST, SC, LC. Lamentablemente éste no es el espacio para describirles los detalles de éstos medios (estamos resumiendo tres capítulos!), así que les recomiendo revisar documentación o tomar apuntes sobre éstos datos.
Por último, los cables UTP directos, cruzados y rollover se diferencian en qué pares de hilos de cobre, entre los 8 que tiene cualquier cable UTP, se usa para transmitir y recibir. Los cables UTP tienen 8 hilos de cobre con una pantalla plástica de colores, cada par tiene un hilo de un color sólido y otro blanco o con pintas blancas. En un cable directo los colores son iguales en ambas puntas del cable, en un cable cruzado el par que transmite se intercambia con el par de recepción, es decir, si en una punta el primer hilo es de color azul, en el otro extremo el mismo primer hilo sería de otro color, usualmente naranja. Los cables directos y cruzados tienen los mismos colores en el par central: café, sólo intercambian los primeros dos hilos con los que pasan sobre los del centro. Los cables rollover son cables especiales que sólo sirven para conectar la consola de equipos Cisco, son útiles cuando no tenemos el cable de consola y nos toca hacer uno. Éstos cables tienen el orden de colores invertido en cada punta. Por último, los cables directos se usan entre PC y switch o router y switch, pero se usaban cruzados cuando se conectaban equipos del mismo tipo: sw-sw, rt-rt o pc-pc, con la excepción de que también se usaban para conectar un PC directamente al router. Hoy en día los dispositivos traen una tecnología que detecta los pares de Tx y Rx llamada auto MDIX y no es tan crítico conectar un tipo de cable equivocado, pero en Packet Tracer y creo que en la certificación, es indispensable tener en cuenta éste conocimiento.
Finalmente, retomando los conceptos de capa física, ésta define los conectores, distancias, señales y su unidad básica de datos es el BIT, es decir, a nivel de capa física o capa 1 sólo se comprenden bits individuales.
Capa de enlace de datos o capa 2
La capa de enlace de datos define la tecnología a través de una unidad de datos llamada Trama o Frame. Como vimos en la sección anterior, la capa física sólo distingue bits, por ende, no es posible detectar si la señal se deterioró y un bit 1 en realidad se envió como un bit 0 o viceversa. Para evaluar la calidad del medio y detectar los errores se definen partes de la trama que el hardware usa para determinar que «algo» cambió en los datos recibidos respecto a los enviados. No sólo eso, una trama tiene datos que identifican el nodo que envía y el que recibe (origen/destino) pero limitado al alcance de la misma tecnología, es decir, el mismo segmento.
Tratar de comprender la capa 2 es difícil sin un ejemplo: ethernet. Ésta tecnología es la más importante que se estudia en CCNA, dado que casi todas las conexiones modernas son variantes de la misma. En ethernet se define una trama que tiene 64 bits iniciales para sincronizar las tarjetas de red o NIC (network interface card), ésta parte también se usa para identificar el inicio de una trama. Recuerden, la capa 1 sólo transmite bits, cómo sé cuándo comienza o termina una trama? con una secuencia especial de bits. Así mismo se definen otros campos:
- Inicio de trama
- Dirección destino
- Dirección origen
- Longitud/Tipo
- Datos/Carga (Payload)
- Suma de verificación
Es muy importante notar que ethernet sólo es una tecnología LAN y existen otros tipos de tramas que van a transportar nuestra información, las tramas o tecnologías WAN:
- PPP
- Frame-relay
- HDLC
Aunque éstas son poco comunes, los estudiantes asocian las direcciones MAC con direcciones de capa 2… y es correcto, pero no son las únicas! en Frame-relay se usan unos nros llamados DLCIs que equivalen a direcciones MAC pero en tramas FR, así mismo, tanto PPP como HDLC tienen campos especiales en sus tramas para indicar origen y destino (triviales ya que son punto a punto). En otras palabras, no todo es MAC, si hablamos de tecnologías WAN no hay direcciones MAC (si la tecnología de conexión no es ethernet).
Conceptos básicos de Ethernet
Y finalmente hablemos de la tecnología más importante. No me puedo extender mucho, así que voy a ser muy conciso ya que la próxima publicación va a contener detalles más especifícos. Ethernet es una familia de tecnologías que tienen en común varias cosas, en particular la trama. Ethernet es el nombre comercial que tuvo originalmente pero la IEEE la estandarizó en la norma 802.3 y por ende en el tráfico que se captura algunas veces se ven tramas ethernet y otras veces IEEE802.3 pero operativamente no hay diferencia. También hay variantes de Ethernet que no son 802.3 como 802.11 que es el WiFi convencional.
La tecnología tiene tres capas, una estrictamente física que define los diferentes medios, por ejemplo, cuando hablamos de 1000BaseT estamos hablando de cable de cobre de pares trenzados sin blindaje o UTP por sus siglas en inglés (Unshielded Twisted Pair) de 1Gbps de tasa máxima. Eso se puede observar en el nombre: 1000 es 1Gbps, Base es señal en banda base y T es cable UTP. Otro posible medio es 1000Base-SX, que usa fibra óptica monomodo de distancias cortas y así sucesivamente. En el examen muy probablemente caerán preguntas sobre dicha nomenclatura.
Lo que definimos anteriormente como capa 2 o de enlace de datos, Ethernet la divide en dos partes una dependiente del medio y otra independiente. La subcapa dependiente del medio es la capa MAC o Media Access Control y es muy razonable que exista, por ejemplo, no es lo mismo tratar señales en un cable de cobre que en el espectro electromagnético, en el cable de cobre podemos medir voltajes y la transmisión está confinada en el medio, se atenúa menos y podemos detectar que dos estaciones iniciaron transmisión al mismo tiempo con sólo medir voltajes. En el aire la señal se va a atenuar más fácil y va a ser muy difícil determinar que dos estaciones transmitieron al mismo tiempo. Por ende, la capa MAC define partes especiales en la trama y mecanismos de arbitraje del medio dependientes del mismo, otro ejemplo, es que en una red de 10/100 Mbps se pueden usar sólo dos pares de los 4 que tiene un cable UTP, pero en una red de 1Gbps se deben usar los 4 pares. Va a ser muy común leer sobre tecnologías IEEE802.3u, 802.3z, 802.3ae entre otras, éstas tres son las más comunes y tienen nombres comerciales: FastEthernet, GigaEthernet y 10GigaEthernet respectivamente.
El control del medio en Ethernet se basa en dos mecanismos: CSMA/CD y CSMA/CA, el primero se usa en las variantes cableadas más antiguas y el último se usa en medios inalámbricos. CSMA/CD es un mecanismo no determinístico de control o arbitraje del medio, es decir, aleatorio. CSMA significa Carrier-sense multple access y significa que, como el medio es compartido (multiple access), antes de iniciar a transmitir se debe escuchar el medio para saber si está libre (carrier-sense). Si se ha detectado que el medio está libre y se empieza una transmisión es posible que otra estación haya hecho lo mismo en un momento casi igual. Debido a las bajas tasas de transferencia (1, 10 y 100 Mbps) y a que las señales se propagan relativamente lento por el cable, una vez iniciadas la transmisiones en algún punto se sumarán sus voltajes y se formará una colisión: los datos enviados se corrompen. En éste momento ambas estaciones detectan la colisión (collision-detect), generan una señal especial de atascamiento (jam) y esperan un tiempo aleatorio. Una vez que expira ese tiempo la que primero termine iniciará el proceso detectando de nuevo si el medio está libre. Éste mecanismo es muy viejo y tiene su origen en el medio compartido, desde que existen los switches no hay medio compartido, por lo tanto éste mecanismo se considera legacy en redes de 100 Mbps o más tasa de transferencia.
CSMA/CA es un poco más complejo y consiste en definir unos roles entre los dispositivos y una forma en que cada uno «reserve» un tiempo en el aire. En vez de hacer collision-detect, acá se hace collision-avoidance, o evasión de colisiones.
Trama ethernet : fragmentos y jumbo frames
Con ésto en mente, definimos que una trama Ethernet debe tener de 64 a 1518 Bytes, contando desde la dirección MAC origen hasta la suma de verificación (sin tener en cuenta el inicio de trama). Si se detectare una trama menor a 64B se considerará un fragmento de colisión y se descarta. El tamaño máximo definido originalmente era 1500, por lo que las tramas mayores se consideran Jumbo o gigantes, pero son perfectamente normales aunque algunos dispositivos antiguos no las soporten o deban ser configuradas.
El contenido oficial incluye prácticas de captura de tráfico y uso de Wireshark, es muy probable que el las próximas publicaciones también lo use para ilustrar lo visto en ésta entrada.
Conclusiones y próximas publicaciones
Ya en otra ocasión les había indicado que éstos temas básicos serán muy importantes para aprobar el examen de certificación. Los datos de hoy serán importantes como datos de conocimiento general que son susceptibles de ser preguntados de memoria. En resumen, tenemos la capa física que define los medios, conectores y señales, especialmente importantes el cable UTP y la fibra óptica. En la capa de enlace de datos vemos las diferentes tramas o frames y entre todas las tecnologías posibles, ethernet es notablemente la más importante.
La próxima publicación será sobre los sistemas numéricos y por qué son importantes en redes, hablaremos de direcciones desde el punto de vista estrictamente numérico. Las siguientes publicaciones de la serie continuarán un poco con Ethernet, tal vez hablemos de Wireshark que me parece una herramienta indispensable para hacer diagnóstico en redes de datos.
Gracias por la lectura y por favor compartan en sus redes y con sus compañeros de clase o trabajo.
P.D.: En las siguientes publicaciones seguiré resumiendo los capítulos de CCNAv7 con el fin de que sirvan de refuerzo a su estudio regular, pero si quieren adelantar lectura y comprensión, les recomiendo de nuevo mi tutorial sobre el modelo OSI.