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Héctor Jalil Huergo *
Resumen
En este trabajo se presenta el recurso de la segmentación para optimizar el
tráfico de una red LAN Ethernet IEEE 802.3, planteando las características
propias del protocolo empleado en el control de acceso y la técnica aplicada
para llevar a cabo la segmentación, con los elementos activos de red utilizados
para la implementación.
Se muestra como se puede lograr una disminución tangible en el número de
colisiones que reflejen un mejor desempeño de la red LAN, sin la necesidad de
incrementar la infraestructura de red existente en una empresa
Para citar este artículo puede utilizar el siguiente formato:
Jalil Huergo, H.: Optimización del tráfico de una red LAN Ethernet IEEE 802.3 a través de la segmentación de redes en Revista de la Universidad Cristóbal Colón Número 17-18, edición digital a texto completo en www.eumed.net/rev/rucc/17-18/
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INTRODUCCION
Establecer una red LAN Ethernet hoy en día es algo que la tecnología ha
facilitado en gran medida. Sin embargo, cuando los recursos y dispositivos de
una red LAN van aumentando en una empresa, la administración del crecimiento se
va convirtiendo en una tarea más compleja que requiere un mayor análisis para
asegurar su correcto desempeño y máxima utilización.
El análisis de desempeño de un sistema es requerido en todo su ciclo de vida,
incluyendo la etapa de funcionamiento en la que este análisis ayudará a
determinar la mejor operación del sistema y qué mejoras deben hacerse [1]. Para
llevar a cabo un análisis de desempeño existen tres tipos de aproximaciones
básicas; el modelamiento teórico, las mediciones y las s i m u l a c i o n e s [
2 ] . S e r á t a r e a d e l o s administradores de redes el determinar qué
aproximación es la más adecuada para los casos particulares, sin embargo, la
aplicación de mediciones es la aproximación que permite lograr un panorama más
apegado a la realidad de la situación analizada.
Existen ocasiones en que una red LAN, que inicialmente funciona bien con una
máxima utilización del ancho de banda, comienza a manifestar menor rendimiento
debido a que se ha incrementado el número de comunicaciones que se deben
gestionar en la red. Esto puede ser provocado por varios factores como son: los
usuarios comienzan a conocer más la red y entonces se utiliza con mayor
frecuencia, las aplicaciones utilizadas en la red han aumentado, existe un mayor
número de equipos compartiendo el medio, los dominios de colisión no han sido
correctamente delimitados o una combinación de los mismos.
Una red LAN no es más que un medio compartido junto con una serie de reglas que rigen el acceso a dicho medio. La red LAN más difundida, la red Ethernet —normada en el estándar IEEE 802.3, y que utiliza un mecanismo que permite solamente a un equipo conectado hacer uso del medio de conexión—, establece que si existiera algún momento en que dos o más equipos pretendieran utilizar el medio de conexión al mismo tiempo, se cancela el intento, produciéndose un mecanismo de espera por parte de cada uno de los equipos involucrados que buscan acceder al medio, con la intención de que en un intento posterior, no coincidan en el tiempo de acceso y por cada uno de ellos pueda utilizar el medio de conexión.
NECESIDAD DE SEGMENTAR UNA RED LAN
Los segmentos de una red LAN deben conservarse pequeños con el fin de
garantizar la velocidad, limitando la frecuencia de las colisiones. El que sean
pequeños también resulta adecuado cuando hablamos de flexibilidad de la red, de
seguridad y de mantenimiento. La tendencia es dividir las redes en segmentos a
medida que el ancho de banda incrementa su carga [3]. Para lograr esto, los
administradores de redes deben garantizar la máxima utilización del ancho de
banda mediante la instalación de medios de interconexión de redes más rápidos y
el establecimiento de segmentos de red más pequeños.
La demanda de ancho de banda está tomando la delantera respecto a la capacidad
de los fabricantes de red para crear tecnología más rápida, por lo que se están
reestructurando las infraestructuras de red para incorporar más jerarquía y
segmentación. Esta tendencia se ve reforzada a medida que el costo del hardware
necesario para segmentar redes disminuye.
ETHERNET IEEE 802.3
Ethernet es el estándar de red mayormente utilizado hoy en día. Utiliza el
mecanismo CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Colision
Detection. —Acceso Múltiple con Portadora y Detección de Colisiones) para
garantizar que todos los equipos conectados a la red LAN tengan acceso al medio.
Sin embargo, no evita que cuando dos o más equipos, al detectar el canal
inactivo, intentan utilizarlo, produzcan una colisión. Aunque las colisiones no
dañan el hardware, sí producen una transmisión alterada que impide que la
información sea recibida correctamente.
Cómo opera
•El equipo A, al encontrar el canal inactivo, inicia la transmisión de tramas,
Figura No. 1 (a).
•La trama transmitida recorre el canal en un tiempo determinado, Figura 1 (b).
•Casi al mismo tiempo el equipo B, al intentar transmitir, verifica la
disponibilidad del canal e inicia la transmisión de tramas.
•Las dos tramas transmitidas casi en el mismo instante de tiempo entran en
colisión, Figura 1 (c).
•El equipo B, más próximo a la colisión, debe enviar ahora una ráfaga de ruido a
todos los nodos conectados a la red, incluyendo el equipo A, Figura 1 (d).
•Se inicia ahora un tiempo de espera por parte de cada uno de los equipos que
comparten el canal para poder volver a transmitir.
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(3)
Figura No. 1. Detección de una colisión
Figura No. 2. Periodos en CSMA/CD
Cuanto mayor sea la longitud del cable, mayor será la ranura de contención. Al
no permitir más de 2.5 kilometros de cable y cuatro repetidores entre dos
transmisores, el tiempo del viaje redondo puede fijarse en 51.2 µseg que a 10
Mbps corresponde a 512 bits o 64 bytes el tamaño mínimo de trama.
Por lo que en términos de longitud de trama, F, el ancho de banda de la red, B,
la longitud del cable, L, y la velocidad de propagación de la señal, c, para el
caso óptimo de e ranuras de contención por trama. Con P=F / B, entonces queda
así,
Cuando el segundo término del denominador de (5) es grande, la eficiencia de la
red es baja. Más específicamente, un aumento en el ancho de banda o la distancia
de la red (BL) reduce la eficiencia de una trama de tamaño dado.
Desafortunadamente, mucha investigación sobre hardware de redes está enfocada
precisamente a aumentar este producto [5].
Con la finalidad de reducir en gran medida la aparición de colisiones, se hace
necesario el correcto establecimiento de los dominios de colisión que logren una
mayor disponibilidad del medio para todos los equipos conectados a la red LAN.
DOMINIOS DE COLISIÓN
Un dominio de colisión es cualquier segmento donde pueden ocurrir las
colisiones, el medio compartido de la red en forma de concentrador, conmutador o
el mismo cable. Cuanto más tráfico hay sobre un dominio de colisión, más
probable es que ocurran colisiones y el incremento en el número de colisiones
implica que los equipos gasten inútilmente más y más tiempo intentando
retransmitir, viéndose disminuido el desempeño en la red [3].
El diámetro de un dominio de colisión es la distancia entre los dos nodos más
lejanos del mismo dominio. Esto está limitado básicamente por el tiempo, es
decir, que el diámetro máximo que se tendrá es el tiempo total máximo en que
tarda un paquete de 64 bytes en hacer el recorrido de ida y vuelta entre los dos
equipos más lejanos. El tiempo será duplicado en el caso de que una señal de
colisión sea regresada al equipo que transmite. El objetivo de un diseñador de
red es garantizar que una colisión, si ocurre, sea en los primeros 512 bits del
tiempo de la transmisión. Si la colisión ocurre después de este tiempo, no
existe la certeza que el paquete transmitido en la red haya sido exitoso.
Limitando el diámetro del dominio de colisión a 512 bits por tiempo se asegura
que todas las colisiones ocurrirán en un tiempo mínimo de trama [6] Tabla 1.
10 Mbps Ethernet 100 Mbps FastEthernet
Descripción Segundos Tiempos Segundos Tiempos
de Bit de Bit
Bits por tiempo 100 ns 1 10 ns 1
Contención de Colisión 51200 ns 512 5120 ns 512
Retardo de retorno en cable 27900 ns 279 2337 ns 234
Tiempo estimado 23300 ns 233 2783 ns 278
Repeticiones máximas 4 2
Tabla 1. Tiempos de transmisión para Ethernet y
FastEthernet
Causas comunes de colisiones
Demora de propagación
Diferentes tipos de medios tienen diferentes demoras de propagación, como en el
caso de repetidores y puentes. Si los nodos están muy separados sobre largos
segmentos, existe una mayor probabilidad de colisiones debido a la demora de
propagación, especialmente en ambientes de alto tráfico. Si se agregan
repetidores o puentes a la configuración, la probabilidad se incrementa.
Nodos que no siguen las reglas
Las especificaciones del estándar IEEE 802.3 establecen reglas específicas para
la detección y retransmisión de colisiones.
Desafortunadamente, no todos los proveedores siguen esas reglas. Cuando un
proveedor viola las
reglas sobre la detección de colisiones, ello puede afectar el desempeño de la
red.
Ruido
El ruido es una fuente bastante obvia de colisiones. Recordemos que el ruido es
cualquier tipo de señal no deseada. Éste puede provenir de varias localidades,
incluidas las fuentes externas, o por una distorsión armónica. Varios equipos de
oficinas como copiadoras, impresoras láser, lámparas de luz fluorescente y
motores también causan problemas de ruido.
Segmentación impropia de cable
Esta razón está restringida a cables coaxiales. El cable ThickWire debe cortarse
de acuerdo con el estándar y con longitudes específicas (p.ej. 23.4 m, 70.2 m,
etc.); las redes ThinWire deben tener por lo menos 0.5 m de distancia entre
nodos. Una segmentación impropia puede causar problemas de ruido y distorsión
armónica, incrementando así la probabilidad de colisiones.
Transceptores murmurantes
Cuando un transceptor falla, empieza a arrojar todo tipo de basura sobre el
cable y las colisiones ocurren inevitablemente.
TÉCNICA DE DISEÑO
Las colisiones son una parte inherente del diseño y operación de una red LAN
Ethernet IEEE 802.3 y dada su naturaleza contenciosa, entre más nodos sean
agregados a la red, la probabilidad de tener colisiones aumenta; agregando más
nodos a la red, también se incrementa la utilización del ancho de banda. Una
directriz general seguida por muchos administradores de redes es la llamada
regla del 30%. Esta regla se basa en la siguiente observación: cuando la
utilización promedio excede el 30% de la capacidad del canal, los tiempos de
acceso a éste resultan inaceptables y el rendimiento total de la red se degrada.
Una implicación directa de esta regla es que el rendimiento de un segmento de la
red altamente utilizado será sólo una fracción de todo el ancho
de banda disponible, si bien es cierto que una red puede soportar cientos de
equipos corriendo varias aplicaciones sin jamás alcanzar este nivel de
utilización. La regla del 30 % es una buena directriz a seguir, pero debe usarse
en conjunto con la meta última de lograr un rendimiento consistente alto,
extremo a extremo de la red.
Una de las maneras más eficientes en que se logren altos promedios de
utilización del ancho de banda es por medio de la segmentación, que implica
configurar la red determinando varios segmentos separados pero interconectados
[7].
Con base en las consideraciones mencionadas, es necesario establecer dominios de
colisión lo más pequeño posible para garantizar una cantidad mínima de
colisiones, tomando como base las características propias de los elementos
activos que conforman la red LAN, como pueden ser los concentradores (hubs,)
que, sin importar el número de puertos que posea, define un solo dominio de
colisión para todos los equipos conectados a él, así como un dominio de
difusión. Los otros equipos encontrados en redes LAN más robustas son los
conmutadores (switches), que ofrecen la ventaja de tener un dominio de colisión
por cada puerto que posean, permitiendo con esto que a los equipos conectados al
conmutador se les pueda garantizar la máxima utilización del ancho de banda, así
como un dominio de difusión común para todos los elementos conectados
La opción de definir segmentos de red específicos para equipos con gran
cantidad de tráfico de red es una solución bastante viable, ya que permite, bajo
un análisis previo, determinar qué equipos son los adecuados para situarse en
dominios de colisión independientes y, de esta forma, lograr una disminución
significativa en el número de colisiones, sin necesidad de adquisición de nuevos
equipos activos de red.
Esta estrategia funciona bien en tanto que se siga la regla 80/20; esto es, 80%
del tráfico entre nodos permanece sobre el mismo segmento de cable físico, y 20%
restante del tráfico recorre un dispositivo de capa 2 ó capa 3.
Otro punto a considerar en la optimización del tráfico de una red LAN es el
definir grupos de trabajo con dominios de colisión comunes, de acuerdo a la
estructura organizacional de la empresa, para de esta forma, lograr que el
tráfico de red específico de un grupo de trabajo no afecte de manera directa al
tráfico de red de otro, como es el servicio de impresión de red, por citar sólo
alguno. Sin embargo, existe un tráfico común que no podrá ser aislado, como es
el acceso a equipos servidores de red que se encuentran disponibles para todos
los usuarios. Pero, tomando en cuenta la consideración anterior, se puede
disminuir tangiblemente el tráfico generado en la red, obteniéndose así un mejor
desempeño en la misma.
El concepto de segmentación es fácil de entender, pero no es siempre fácil de
implementar. La subdivisión requiere un análisis apropiado de la red antes de
ser implementada. Si ella no es configurada de manera apropiada, podemos
incrementar las cargas de tráfico en vez de reducirlas. La subdivisión de una
red en segmentos físicos separados se puede lograr sin mayor problema con grupos
de trabajo estáticos. Sin embargo, con grupos dinámicos de trabajo, cuyos
miembros son asignados para colaborar en diferentes proyectos durante periodos
distintos dificultará lograr una correcta implementación. Para ello tendremos
que pensar en una optimización a nivel capa 3 de red, donde encontramos otros
mecanismos a utilizar.
CONCLUSIÓN
Las arquitecturas de red ofrecen distintos modos de resolver una cuestión
crítica como es el transferir los datos rápida y eficazmente por los
dispositivos que componen una red [8]. El tipo de arquitectura de red que se
utilice, como Ethernet, no sólo determinará la tipología de red, sino que
también definirá la forma en que los equipos de la red accederán al medio.
Una red LAN en la cual no se ha considerado la segmentación puede provocar que
se desvirtúe cualquier mejora de rendimiento que se haga a los equipos
servidores, por lo que se recomienda, primero, optimizar la utilización del
medio, antes de llevar a cabo cualquier otra mejora aplicada directamente en
cada uno de los equipos.
Con la técnica de segmentación de redes, se logra un mejor aprovechamiento del
ancho de banda para cada uno de los dispositivos que comparten el medio, siendo
esto un recurso imprescindible para que los administradores de red logren
garantizar el mejor desempeño de la red LAN, permitiendo “poner a punto” la red
que es administrada, sin implicar una inversión adicional a la infraestructura
de red existente.
REFERENCIAS
[1] JAIN, Raj., (1991): “The Art of Computer Systems Performance Analysis”,
Wiley & Sons, Estados Unidos.
[2] HIGGINBOTTOM, Gary N., (1998): “Performance Evaluation of Communication
Networks”, Artech House Inc., Estados Unidos.
[3] SHAUGHNESSY, Tom and Velte, Toby, (2000): “Manual de CISCO”, Osborne McGraw-Hill,
España.
[4] Institute of Electrical and Electronics Engineers, (2002): “Suplement to
CSMA/CD access method and physical layer specifications”, IEEE Standard No.
P802.3AF-2002. EUA.
[5] TANENBAUM, Andrew S., (1997): “Redes de computadoras”, Prentice-Hall.
México.
[6] Transition Networks., (2000): “Collisions Domains”, http://www.transition.com
[7] GALLO, Michael A. and Hancock, William M., (2002): “Communications and
Networking Technologies”, Brooks Cole. Estados Unidos.
[8] HABRAKEN, Joe., (2000): “Routers Cisco”, Pearson Educación, España.
* Investigador asistente del departamento de Investigación de la Universidad Cristóbal Colón.
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