Telematicza PAC2 solucio 2021 PDF

Preview

Summary

Telemàtica / EXC PAC 2 Primavera 2021 pàg 1PAC 2: Xarxes EthernetPresentacióAquesta PAC cobreix els següents capítols del curs CCNA de Cisco: Curs Introduction to Networks (ITN): Capítol 6: Capa d’enllaç de dades Capítol 7: Commutació Ethernet Curs Switching, Routings and Wireless Essentials (SRWE):...

Description

PAC 2: Xarxes Ethernet Presentació Aquesta PAC cobreix els següents capítols del curs CCNA de Cisco: - Curs Introduction to Networks (ITN): • •

Capítol 6: Capa d’enllaç de dades Capítol 7: Commutació Ethernet

- Curs Switching, Routings and Wireless Essentials (SRWE): • Capítol 1: Configuració bàsica de dispositius • Capítol 2: Conceptes de commutació • Capítol 3: VLAN • Capítol 12: Conceptes de WLAN • Capítol 13: Configuració de WLAN I també la bibliografia complementària del llibre "Computer Networks: A top-down approach" • • • • • • • •

6.1 Introduction to the Link Layer 6.3.2 Random Access Protocols 6.4.2 Ethernet 6.4.3 Link-Layer Switches 6.4.4 Virtual Local Area Networks (VLANs) 7.3.1 The 802.11 Architecture 7.3.2 The 802.11 MAC Protocol 7.3.3 The IEEE 802.11 Frame

Objectius Aquesta PAC té per objectiu que l'estudiant: •

Demostri una bona comprensió del funcionament de les xarxes d'àrea local i del nivell físic de la comunicació de dades.

Competències Les competències considerades en aquesta PAC són: •

Capacitat per analitzar l'arquitectura i organització dels sistemes i aplicacions informàtics en xarxa.

Telemàtica / EXC PAC 2 Estudis d’Informàtica, Multimèdia i Telecomunicació

Primavera 2021

pàg 1

•

Conèixer les tecnologies de comunicacions actuals i emergents i saber-les aplicar convenientment per dissenyar i desenvolupar solucions basades en sistemes i tecnologies de la informació.

•

Capacitat per administrar i gestionar els sistemes operatius i les comunicacions d'una xarxa d'ordinadors.

•

Capacitat per proposar i avaluar diferents alternatives tecnològiques per resoldre un problema concret.

Descripció de la PAC a realitzar La PAC consta de 4 exercicis. El temps necessari estimat per resoldre tota la prova és d'unes 12 hores. La valoració dels exercicis és de: 25%, 25%, 20% i 30% respectivament per cada un d'ells. A l'avaluació de la prova es valorarà tant la correctesa de les respostes així com la explicació de com s'ha arribat a elles. Les preguntes sense justificació, o bé, amb justificacions incorrectes rebran una puntuació de 0.

Format i data de lliurament La PAC s'ha d'entregar abans del dia 4 d'Abril de 2021 a les 23:59. El format del lliurament de la memòria pot ser: .odt, .pdf, .doc., juntament amb la simulació .pkt de la Pregunta 4, tot arxivat amb un document .zip per exemple. Nota: Propietat intel·lectual Sovint és inevitable, en produir una obra multimèdia, fer ús de recursos creats per terceres persones. És per tant comprensible fer-ho en el marc d'una pràctica dels estudis del Grau Multimèdia, sempre i això es documenti clarament i no suposi plagi en la pràctica. Per tant, en presentar una pràctica que faci ús de recursos aliens, s'ha de presentar juntament amb ella un document en què es detallin tots ells, especificant el nom de cada recurs, el seu autor, el lloc on es va obtenir i el seu estatus legal: si l'obra està protegida pel copyright o s'acull a alguna altra llicència d'ús (Creative Commons, llicència GNU, GPL ...). L'estudiant haurà d'assegurar-se que la llicència que sigui no impedeix específicament seu ús en el marc de la pràctica. En cas de no trobar la informació corresponent haurà d'assumir que l'obra està protegida pel copyright. Hauran, a més, adjuntar els fitxers originals quan les obres utilitzades siguin digitals, i el seu codi font si correspon. Un altre punt a considerar és que qualsevol pràctica que faci ús de recursos protegits pel copyright no podrà en cap cas publicar-se en Mosaic, la revista del Graduat en Multimèdia a la UOC, a no ser que els propietaris dels drets intel·lectuals donin la seva autorització explícita.

Telemàtica / EXC PAC 2 Estudis d’Informàtica, Multimèdia i Telecomunicació

Primavera 2021

pàg 2

Pregunta 1 (25%) – Switching Ethernet Disposem de la següent topologia de xarxa d’àrea local d’una organització:

La xarxa està organitzada jeràrquicament amb un Commutador Principal (Sw-P), que està connectat amb 3 Commutadors de Distribució (SwD-1, SwD-2 i SwD-3), que donen servei als diferents equips d’accés, formats per commutadors (SwA), Hubs (HA) i Punts d’Accés (AP). Les velocitats de cada enllaç són les que figuren a la topologia. Cada un dels equips d’accés dona servei als següents equips: Equipament d’accés Commutador d’accés (SA) Hub d’accés (HA) Punt d’accés (AP)

Nº estacions de treball a la que dona servei 15 terminals / commutador 8 terminals / hub 10 terminals / punt d’accés

Velocitat del canal 1Gbps 100Mbps 802.11n

La velocitat teòrica dels Punts d’Accés per l’estàndard 802.11n, és de 600Mbps, però dependrà de la modulació i del esquema de codificació (MCS – Modulation and Coding Scheme) que implementin els diferents dispositius. En la majoria dels casos, els dispositius finals no superen el MCS exigit per l’estàndard, que és de 8, per tant, suposarem que la velocitat màxima de cada dispositiu amb el Punt d’Accés serà de 150Mbps.

Telemàtica / EXC PAC 2 Estudis d’Informàtica, Multimèdia i Telecomunicació

Primavera 2021

pàg 3

a) Indica en quin mode transmitiran els diferent equipaments i quin protocol d’accés al medi utilitzarà en cada cas. Equipament d’accés Commutador d’accés (SA) Hub d’accés (HA) Punt d’accés (AP)

Mode transmissió Full duplex Half duplex Half duplex

Protocol d’accés al medi CSMA/CD CSMA/CA

Si tenim en compte que l’eficiència màxima dels commutadors és del 100%, dels Hubs del 80% i dels Punts d’Accés del 60%, i que l’ample de banda de cada dispositiu el podem calcular de la següent manera: Ample banda port sortida Ample banda port d’entrada commutadors = -------------------------------------∑ dispositius connectats Ample banda port sortida * Rendiment Ample banda port d’entrada Hub = ------------------------------------------------------∑ dispositius connectats Ample banda màxim del canal * Rendiment Ample banda dispositius Punts d’Accés = -----------------------------------------------------------∑ dispositius connectats Es vol calcular la velocitat efectiva de cada un dels dispositius finals en els següents supòsits. Indica en cada cas si hi ha algun dispositiu que faci de coll d’ampolla. b) Només estan transmetent els terminals connectats als Commutadors d’Accés (SwA) Com els Commutadors són full dúplex, podríem suposar que cada terminal connectat al Commutador, disposarà d’un ample de banda d’1Gbps, però aquesta hipòtesis no és certa, ja que el trànsit dels 7 Commutador d’Accés, acaben sortint per el mateix enllaç cap al Commutador Principal a través d’un enllaç a 1Gbps. Per tant, per saber la velocitat efectiva de cada un dels dispositius finals, hem d’analitzar el tràfic des de la destinació cap a l’origen. Ample de banda cada commutador d’accés = 1Gbps / 7 ≈ 142,85 Mbps Ample de banda de cada terminal = 142,85 / 15 ≈ 9,52 Mbps Per tant el coll d'ampolla en aquest supòsit és el Commutador de Distribució (Sw D-1)

c) Només estan transmetent els terminals connectats als Hubs d’Accés (HA)

Telemàtica / EXC PAC 2 Estudis d’Informàtica, Multimèdia i Telecomunicació

Primavera 2021

pàg 4

Com els Hubs són half duplex, tot l’ample de banda del Hub s’ha de repartir entre tots els terminals que té connectats. A més a més, també hem de tenir en compte, que l’ample de banda del Hub té un rendiment del 80%. Ample de banda cada terminal connectat al Hub =

100 Mbps ∗0,8 8

= 10 Mbps

Si sumem l’ample de banda efectiu dels 4 Hubs = 100Mbps * 0,8 * 4 = 320 Mbps Si tenim en compte que el tràfic dels 4 Hubs acaba sortint cap al Commutador Principal a través d’un enllaç a 1Gbps, en aquest cas, no tenim coll d’ampolla, però tenim terminals treballant a molt baixa velocitat (10 Mbps). d) Només estan transmetent els terminals connectats als Punts d’Accés (AP) Com que els Punts d’Accés comparteixen el medi de transmissió entre tots els terminals que s’hi connecten, també treballaran amb half dúplex i hauran de repartir l’ample de banda entre tots els terminals que s’hi connectin. A més a més, també hem de tenir en compte, que l’ample de banda del Punt d’Accés té un rendiment del 60%. Ample de banda cada terminal connectat als Punts d’Accés =

150 Mbps ∗0,6 10

= 9 Mbps

Si sumem l’ample de banda efectiu dels 9 Punts d’Accés = 150Mbps * 0,6 * 9 = 810 Mbps Si tenim en compte que el tràfic dels 9 Punts d’Accés acaba sortint cap al Commutador Principal a través d’un enllaç a 1Gbps, en aquest cas, tampoc tenim coll d’ampolla, però tenim terminals treballant a molt baixa velocitat (9 Mbps).

e) Estan transmetent tots els terminals a la vegada cap a Internet a la seva velocitat màxima. Com que tots els terminals estan sortint cap a Internet a través d’un enllaç de 10Gbps, i la suma dels enllaços dels Commutadors de Distribució no ho supera (1Gbps de cada commutador de distribució, per tant, 3Gbps en total), podrem indicar la velocitat efectiva de cada un dels terminals finals en funció dels resultats obtinguts en els apartats anteriors: -

Els dispositius finals connectats als Commutador d’Accés transmetran a màxim 9,52 Mbps Els dispositius finals connectats als Hubs d’Accés transmetran a màxim 10 Mbps Els dispositius finals connectats als Punts d’Accés transmetran a màxim 9 Mbps

f) En funció de la resposta anterior, quins canvis proposaries per millorar la velocitat efectiva dels terminals finals? Es podrien realitzar els següents canvis per tal de millorar la velocitat efectiva dels terminals finals: -

Substituir el Commutador de Distribució 1 (SwD-1) per un que disposi d’un enllaç a 10Gbps per poder connectar amb el Commutador Principal.

Telemàtica / EXC PAC 2 Estudis d’Informàtica, Multimèdia i Telecomunicació

Primavera 2021

pàg 5

-

-

-

Substituir el Commutador de Distribució 2 (SwD-2) per un que disposi d’un enllaç a 10Gbps per poder connectar amb el Commutador Principal i substituir tots els Hubs per a Commutador d’Accés a Gbps. Substituir els Punts d’Accés per d’altres que suportin estàndard més ràpids, com per exemple WiFi6 (802.11ax). S’ha de tenir en compte, que perquè la velocitat efectiva dels dispositius finals augmenti, també haurien de disposar de targetes de xarxa que suportin el mateix estàndard. Incrementar el nombre de Punts d’Accés per repartir més els usuaris.

Pregunta 2 (25%) – La capa d’enllaç de dades a) Completa els camps que falten en les següents taules -

Trama Ethernet (IEEE 802.3)

Preàmbul

SFD

MAC destí

MAC origen

7 bytes

1 byte

6 bytes

6 bytes

-

Tipo / Longitud 2 bytes

Dades

FCS

46 a 1.500 bytes

4 bytes

Trama WiFi (IEEE 802.11)

Trama control

Duració

Adreça 1

Adreça 2

Adreça 3

Seq. Control

Adreça 4

Dades

FCS

2 bytes

2 bytes

6 bytes

6 bytes

6 bytes

2 bytes

6 bytes

0 a 2.312 bytes

4 bytes

Es proposa estudiar el temps complet de l’enviament d’una trama de dades de mida MÀXIMA permesa entre 2 equips en les següents situacions. Per cada cas, fes un diagrama espai temporal de forma NO numèrica, indicant les diferents trames que s’hi produeixen, similar al següent (no es valorarà la qualitat del dibuix):

Telemàtica / EXC PAC 2 Estudis d’Informàtica, Multimèdia i Telecomunicació

Primavera 2021

pàg 6

NOTA: Quan es demana el temps complet d’enviament d’una trama de dades, s’entén el temps que va des de que l’estació origen fa la primera senyalització per iniciar la transmissió, fins que li arriba la trama de dades a l’estació destinació. b) Connectats directament a través d’un cable Ethernet. Considera el temps de propagació de la trama indiferent, i que el temps de processament del PC serà de 20 µs.

PCA

PCB Tprop

TRAMAe

Tproc

NOTA: al considerar el temps de propagació de trama indiferent, el gràfic seria vertical, però s’ha dibuixat així perquè quedi clar que hi ha un temps de programació entre els diferents dispositius. Temps de la transmissió completa de la trama dades = Tpropagació + TRAMAe + Tprocessament On: Tpropagació = indiferent, al ser gairebé instantani. TRAMAe (Ethernet) =

1526 bytes ∗8 1Gbps

= 12,20 µs

Tprocessament = 20 µs Per tant, el temps de la transmissió completa de la trama de dades = 32,20 µs c) Connectats a través d’un Commutador FastEthernet. Tingues en compte que el Commutador treballa en mode Store&Forward, que el temps de propagació també és indiferent i que el temps de processament també serà de 20 µs.

Telemàtica / EXC PAC 2 Estudis d’Informàtica, Multimèdia i Telecomunicació

Primavera 2021

pàg 7

PCA

Commutador

Tprop

TRAMAe

roc

PCB Tprop

TRAMAe

Tproc

NOTA: al considerar el temps de propagació de trama indiferent, el gràfic seria vertical, però s’ha dibuixat així perquè quedi clar que hi ha un temps de programació entre els diferents dispositius. Temps de la transmissió completa de la trama dades = Tpropagació + TRAMAe + Tprocessament SW + Tpropagació + TRAMAe + Tprocessament PC On: Tpropagació = indiferent, al ser gairebé instantani. TRAMAe (Ethernet) =

1526 bytes ∗8 100Mbps

= 122,08 µs

Tprocessament SW = Tprocessament PC = 20 µs Per tant, el temps de la transmissió completa de la trama de dades = = 2*Tprop + 2*TRAMAe + 2*Proc = 2*0 + 2*122,08 µs + 2* 20 µs = 284,16 µs d) Repeteix els càlculs dels 2 apartats anteriors, tenint en compte que els cables Ethernet són de 50 metres cadascun, i que la velocitat de propagació és de 2·108 m/s. La variació en el temps complet de l’enviament d’una trama és significatiu? Si calculem el temps de programació en un cable de 50 metres obtenim: Tpropagació =

50 metres 2·10^8 𝑚/𝑠

= 0,25 µs

Telemàtica / EXC PAC 2 Estudis d’Informàtica, Multimèdia i Telecomunicació

Primavera 2021

pàg 8

Per tant, si tornem a calcular el temps de propagació en els dos casos anteriors, obtenim: a) Connectats directament a través d’un cable Ethernet de 50 metres Temps de la transmissió completa de la trama dades = Tpropagació + TRAMAe + Tprocessament = 0,25 µs + 12,20 µs + 20 µs = 32,45 µs b) Connectats a través d’un Commutador FastEthernet amb cables de 50 metres Temps de la transmissió completa de la trama dades = Tpropagació + TRAMAe + Tprocessament SW + Tpropagació + TRAMAe + Tprocessament PC = = 2*Tprop + 2*TRAMAe + 2*Proc = 2*0,25 µs + 2*122,08 µs + 2* 20 µs = 284,66 µs Com es pot apreciar en els dos supòsits, la diferència en els temps de transmissió completa de la trama de dades és insignificant, tenint en compte que considerant o no els temps de propagació, la diferència no arriba al 1%. e) Es configura el commutador de l’apartat c) perquè treballi amb les dues variants de commutació de Cut-Through (Fast Forward i Fragment Free), amb l’objectiu de millorar el temps de processament. Fes una breu explicació de quines són les seves característiques i calcula de nou el temps de transmissió completa de la trama de dades, i compara’ls amb els temps obtinguts entre els apartats b) i c). Nota: en aquest apartat tornem a considerar els temps de propagació indiferents. Fast Forward: emmagatzema la trama fins obtenir l’adreça MAC de destí (14 primers bytes). Aquest mètode, te la peculiaritat de que reenviarà totes les trames, independentment de si estan ben formades o si introdueixen errors. Els temps de transmissió completa de la trama serà: Temps de la transmissió completa de la trama dades = Tpropagació + Tfast_forward + Tprocessament SW + Tpropagació + TRAMAe + Tprocessament PC On: Tpropagació = indiferent, al ser gairebé instantani. Tfast_forward =

14 bytes ∗8

= 1,12 µs

100Mbps 1526 bytes ∗8

TRAMAe (Ethernet) =

100Mbps

= 122,08 µs

Tprocessament SW = no n’hi ha Tprocessament PC = 20 µs Telemàtica / EXC PAC 2 Estudis d’Informàtica, Multimèdia i Telecomunicació

Primavera 2021

pàg 9

Per tant, el temps de la transmissió completa de la trama de dades = = 2*Tprop + Tfast_forward + TRAMAe + TProcSW + TProcPC = 2*0 + 1,12µs + 122,08µs + + 0 + 20µs = = 143,2 µs Fragment Free: emmagatzema els primers 64 bytes de la trama. Aquest mètode també pot reenviar trames mal formades o amb errors, però estadísticament, es redueixen molt les possibilitats, i en canvi, el temps de la transmissió completa varia molt poc. Els temps de transmissió completa de la trama serà: Temps de la transmissió completa de la trama dades = Tpropagació + Tfragment_free + Tprocessament SW + Tpropagació + TRAMAe + Tprocessament PC On: Tpropagació = indiferent, al ser gairebé instantani. Tfragment_free = TRAMAe

64 bytes ∗8

= 5,12 µs

100Mbps 1526 bytes ∗8 (Ethernet) = 100Mbps

= 122,08 µs

Tprocessament SW = no n’hi ha Tprocessament PC = 20 µs Per tant, el temps de la transmissió completa de la trama de dades = = 2*Tprop + Tfast_forward + TRAMAe + TProcSW + TProcPC = 2*0 + 5,12µs + 122,08µs + + 0 + 20µs = 152,32 µs Si comparem el temps de la transmissió completa de la trama de dades obtenim que: - Connectats directament = 32,20 µs - Connectats a través d’un commutador Store & Forward = 284,16 µs - Connectats a través d’un commutador Fast Forward = 143,2 µs - Connectats a través d’un commutador Fragment Free = 152,32 µs f) Connectats a través d’un encaminador WIFI a una distància de 40 metres entre cada PC i el encaminador WiFi. El temps de processament del Encaminador WiFi també serà de 20 µs.

Telemàtica / EXC PAC 2 Estudis d’Informàtica, Multimèdia i Telecomunicació

Primavera 2021

pàg 10

Tingues en compte que la trama WiFi utilitza el protocol CSMA/CA amb senyalització RTS/CTS, tal i com es mostra a la següent figura:

PCA

DIFS-RTS

Encaminador WiFi

SIFS-TRAMAw

SIFS – ACK

DIFS-RTS SIFS-CTS

Tprop

TRAMAw

SIFS-TRAMAw

SIFS – ACK

Tproc

PCB SIFS-CTS

Tprop

TRAMAw

Tproc

I que es consideraran els següents paràmetres: •

Mida trames de control (RTS, CTS i ACK) = 20 bytes (incloent capçalera).

•

Mida senyalització SIFS =10 µs; DIFS = 50 µs.

•

Temps de Backoff CSMA/CA =0 µs.

•

Velocitat propagació ones electromagnètiques = 2·108 m/s.

•

Son conegudes totes les adreces MAC (taules MAC plenes).

•

Velocitat de la xarxa WiFi = 150 Mbps

Temps de la transmissió completa de la trama dades = DIFS + RTS + Tprop + SIFS + CTS + Tprop + SIFS + TRAMAw + Tprop + Tproc Encaminador WiFi + SIFS + ACK + DIFS + RTS + Tprop + SIFS + CTS + Tprop + SIFS + TRAMAw + Tprop + Tproc PC On: RTS = CTS = ACK = Tpropagació =

20 bytes ∗8

150Mbps 40 metres = 0,2 2·10^8 𝑚/𝑠 2346 bytes ∗8

TRAMAw (WiFi) =

150Mbps

= 1,06 µs µs = 125,12 µs

Tprocessament Rwifi = Tprocessament PC = 20 µs Per tant, el temps de la transmissió completa de la trama de dades =

Telemàtica / EXC PAC 2 Estudis d’Inf...