Capa de Enlace de Datos

La capa de enlace de datos del modelo OSI prepara los datos de la red para la capa física. Permite a las capas superiores acceder a los medios de red, ocultando los detalles específicos del medio físico. El protocolo de la capa superior desconoce el tipo de medio que se utiliza para reenviar los datos. Esta capa acepta datos de la Capa 3 y los encapsula en tramas de Capa 2. Controla cómo se colocan y reciben los datos en los medios, intercambiando tramas entre los puntos finales a través de los medios de red.

Ejemplo: la capa de enlace de datos agrega información de la NIC de origen y destino Ethernet de Capa 2 a un paquete de Capa 3. Luego convertiría esta información a un formato admitido por la capa física.

Protocolos IEEE 802

Los estándares IEEE 802 LAN/MAN son específicos para LAN Ethernet, LAN inalámbricas (WLAN) y redes de área personal (WPAN). El estándar IEEE 802 LAN/MAN tiene dos subcapas:

  • Control de enlace lógico (LLC): se comunica entre el software de red en capas superiores y el hardware del dispositivo en capas inferiores. Coloca información en la trama que identifica qué protocolo de capa de red se está utilizando para la trama. Esta información hace que IPv4 e IPv6 puedan usar la misma interfaz de red y medios.
  • Control de acceso a medios (MAC): Implementa esta subcapa (IEEE 802.3, 802.11 y 802.15) en el hardware. Es responsable de la encapsulación de datos y el control de acceso a los medios. Proporciona la dirección de capa de enlace de datos y define la tecnología de la capa física.

Protocolos Ethernet 802.3

Encapsulación Ethernet

Ethernet es una tecnología LAN, al igual que las LAN inalámbricas (WLAN). Utiliza comunicaciones por cable, como par trenzado, fibra óptica y cables coaxiales. Opera en la capa de enlace de datos y la capa física. Las tecnologías de redes definidas en los estándares IEEE 802.2 y 802.3, con anchos de banda de diez, cien, mil, diez mil, 40 mil y cien mil (mbps), definen los protocolos de Capa 2 y las tecnologías de Capa 1.

MAC e IP

Destino en la misma red

Hay dos direcciones asignadas a un dispositivo en una LAN Ethernet:

  • Dirección física (MAC): se utiliza para las comunicaciones NIC a NIC en la misma red Ethernet.
  • Dirección lógica (IP): se utiliza para enviar el paquete desde el dispositivo de origen al dispositivo de destino. La IP de destino puede estar en la misma o en una red diferente.

Las direcciones físicas se utilizan para entregar la trama de enlace de datos con el paquete IP encapsulado desde la NIC de origen a la NIC de destino que se encuentra en la misma red. Si la dirección IP de destino está en la misma red, la dirección MAC de destino será la del dispositivo de destino.

Destino en red remota

Si la dirección IP de destino está en una red remota, la dirección MAC de destino será la dirección de la puerta de enlace predeterminada del host. Los enrutadores examinan la dirección IPv4 de destino para elegir la mejor ruta para reenviar el paquete. Cuando un enrutador recibe la trama de Ethernet, desencapsula la información de la Capa 2. La dirección IPv4 de destino determina el dispositivo del siguiente salto y encapsula el paquete IPv4 en una nueva trama de enlace de datos para la interfaz saliente.

ARP

Descripción de ARP

Para enviar un paquete a otro host en la misma red IPv4, el host debe conocer la dirección IPv4 y la dirección MAC del dispositivo de destino. Si no se conocen las direcciones MAC, pero se conoce la IPv4 de destino por nombre, se utiliza ARP para saber la MAC de destino de un dispositivo cuando se conoce su IPv4. Sus funciones básicas son:

  • Resolución de direcciones IPv4 a direcciones MAC.
  • Mantener una tabla de asignaciones de direcciones IPv4 a MAC.

Funciones de ARP

Cuando se envía un paquete a la capa de enlace de datos para encapsularlo en una trama de Ethernet, el dispositivo de envío busca en una tabla en su memoria para encontrar la dirección MAC que se asigna a la dirección IPv4. Esta tabla se almacena temporalmente en la memoria RAM y se denomina tabla ARP.

El dispositivo de envío buscará en la tabla ARP una dirección IPv4 de destino y una dirección MAC. Si la dirección IPv4 de destino del paquete está en la misma red que la dirección IPv4 de origen, el dispositivo buscará en la tabla ARP la dirección IPv4 de destino. Si la dirección IPv4 de destino está en una red diferente, el dispositivo buscará la dirección IPv4 de la puerta de enlace predeterminada.

Cada fila de la tabla ARP vincula una dirección IPv4 con una dirección MAC. La tabla ARP guarda temporalmente la asignación para dispositivos en la LAN. Si el dispositivo localiza la dirección IPv4, su dirección MAC se utiliza como dirección MAC de destino. Si no se encuentra ninguna entrada, el dispositivo envía una solicitud ARP.

Función de ARP en comunicaciones remotas

Si la dirección IPv4 de destino no está en la misma red que la dirección IPv4 de origen, el dispositivo de origen debe enviar la trama a su puerta de enlace predeterminada. La dirección IPv4 de la puerta de enlace predeterminada se almacena en la configuración IPv4 del dispositivo.

Cuando un host envía un paquete a un destino, verifica si la dirección IPv4 de destino está en la misma red que la suya. Si no lo está, busca la dirección MAC de la puerta de enlace predeterminada usando ARP.

Eliminar entradas ARP

Un temporizador de caché ARP elimina las entradas ARP que no se han utilizado en un tiempo determinado. Los tiempos varían según los sistemas operativos. Los sistemas operativos nuevos almacenan entradas entre 15 y 45 segundos. Existen comandos para eliminar entradas ARP manualmente.

Problemas de ARP

Pueden ocurrir problemas como difusiones de ARP excesivas.

Switches

Los switches conectan dispositivos finales a un dispositivo intermedio central. Un switch Ethernet de capa 2 utiliza direcciones MAC de capa 2 para tomar decisiones de reenvío. No tienen conocimiento de los datos que transportan. Examinan su tabla de direcciones MAC para tomar la decisión de reenvío, a diferencia de los hubs que repiten los bits en todos los puertos menos el puerto de entrada. Los switches realizan conmutación y filtrado de tramas con la dirección MAC. Solo los routers pueden pasar datos entre subredes IP, los switches no.

Cómo aprenden los switches

Cuando un switch recibe una trama del PC1 por el puerto 1 dirigida al PC2, si no conoce la dirección MAC del PC2, anota la dirección MAC junto al puerto por el que se recibió en su tabla de direcciones MAC. El switch envía la trama por todos los puertos, menos por el que se recibió. El dispositivo de destino responderá con una trama unicast al PC1. El switch introduce en su tabla la MAC de origen del PC2 y el puerto en el que recibió la trama. Una vez que la tabla de direcciones MAC contiene la dirección de destino de la trama y su puerto asociado, el switch puede enviar tramas entre los dispositivos de origen y destino sin saturar el tráfico porque tiene las entradas necesarias.

Autoaprendizaje de los switches

Cada switch tiene una tabla de conmutación que contiene la dirección MAC asociada a cada puerto. Cada entrada de la tabla tiene la MAC y el número de puerto. Las entradas antiguas se borran de la tabla después de un tiempo determinado.

Cuando el switch recibe una trama con origen X a través del puerto p, añade a la tabla que la dirección MAC X está asociada al puerto p. Si recibe una trama dirigida a una dirección MAC Y y todavía no conoce el puerto asociado a esa dirección, la envía por todos los puertos de salida excepto el puerto de entrada.

Token Ring

Token Ring es un mecanismo MAC libre de colisiones y distribuido. Funciona de la siguiente manera: una trama con formato especial, llamada testigo, va pasando de un PC a otro de forma rotatoria. Si un PC quiere transmitir, tiene que recibir el testigo. Solo el PC que tiene el testigo puede transmitir. El tiempo de posesión del testigo es limitado, lo que define un tiempo máximo de transmisión.

Ethernet (autonegociación)

El proceso de autonegociación se utiliza en tarjetas Fast Ethernet y Gigabit Ethernet. Cuando un PC con una NIC Fast Ethernet se conecta a un hub o switch, la tarjeta se autoconfigura en el modo de transmisión óptimo. La autonegociación determina la velocidad (1000, 100 o 10 Mbps) y el modo de transmisión (full-duplex o half-duplex).