Unidad 3. Redundancia en redes conmutadas PDF

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Redundancia en las redes conmutadas...

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Redes medianas Unidad 3. Redundancia en redes conmutadas

Ingeniería en Telemática

Programa de la asignatura

Redes Medianas KREM

Unidad 3. Redundancia en redes conmutadas

Clave: 21143526

Universidad Abierta y a Distancia de México UnADM

Ciencias Exactas, Ingeniería y Tecnología

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Redes medianas Unidad 3. Redundancia en redes conmutadas Índice Unidad 3. Redundancia en redes conmutadas .................................................................. 3 Presentación .................................................................................................................. 3 Propósitos ...................................................................................................................... 4 Competencia específica ................................................................................................. 4 Temario .......................................................................................................................... 4 Actividad 1. Redundancia o no redundancia… he ahí el dilema .................................... 7 Actividad 2. STP ........................................................................................................... 19 Actividad 3. STP vs. RSTP ........................................................................................... 20 Actividad 4. Agregación de enlaces (Etherchannel)...................................................... 28 Evidencia de aprendizaje. Redes redundantes............................................................. 34 Cierre de la unidad ....................................................................................................... 34 Para saber más… ........................................................................................................ 35 Fuentes de consulta ..................................................................................................... 35

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Redes medianas Unidad 3. Redundancia en redes conmutadas Unidad 3. Redundancia en redes conmutadas Presentación Una vez que ya se tiene conocimiento sobre la Tecnología LAN actual que es Ethernet, cómo es que funcionan los switches de capa 2, además de la forma en que se diseñan las redes LAN y de Campus con el modelo Jerárquico de 3 capas, sabemos que la topología física será una sola pero por demandas de las redes convergentes es necesario tener una topología lógica que permita que los diferentes departamentos trabajen de formas independientes y que el flujo de información sólo llegue a las correspondientes máquinas. Por lo anterior a derivado en el uso de redes VLAN, para lograr su comunicación en entre switches, se usan los enlaces troncales y para conexión entre distintas VLAN pues el uso de dispositivos de capa 3 con enrutamiento inter-VLAN. En esta unidad estudiarás las herramientas para lograr una red convergente que pueda soportar la tolerancia a fallas, lo anterior se alcanza a través de la redundancia, sin embargo implementar una topología redundante tiene sus riesgos si no se sabe manejar; a través de STP y RSTP que son protocolos de capa 2 se evitarán los loops o bucles de conmutación. Cabe mencionar que el volumen de información que manejamos con respecto a otros años se ha incrementado por el uso de Internet así como el video dentro de las empresas, por lo tanto en necesario usar enlaces troncales de mayor capacidad, si la infraestructura de red actual no permite estos enlaces, entonces se pueden tomar enlaces de baja velocidad e irlos agrupando; esto permitirá aumentar el ancho de banda del, backbone evitando los “cuellos de botella” en la red; lo cual, ahora, es posible con el uso de la técnica de Agregación de enlaces. Por último en esta unidad se explicará los problemas más comunes en las redes conmutadas y cómo poder resolverlos, una vez que ya tienes un amplio conocimiento de la tecnología es el turno de que desarrolles una solución para una empresa o institución y apliques los conocimientos adquiridos. Para la realización de las actividades se hará uso del simulador. Al final de la unidad podrás encontrar un organizador gráfico que sintetiza los contenidos tratados en esta unidad.

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Redes medianas Unidad 3. Redundancia en redes conmutadas Propósitos

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Analizar las ventajas y desventajas de una red redundante. Explicar el funcionamiento de STP. Distinguir las ventajas de RSTP contra STP. Emplear la agregación de enlaces para mejorar el desempeño de red. Implementar una red empresarial conmutada redundante.

Competencia específica

Implementar soluciones para problemas de redundancia mediante protocolos de control (STP y RSTP) y agregación de enlaces.

Temario 3. Redundancia en redes conmutadas 3.1. Fundamentos de redundancia 3.1.1. Características de una red jerárquica 3.1.2. Redundancia en una red jerárquica 3.1.3. Inconvenientes de la redundancia 3.2. Protocolos de control en la redundancia 3.2.1. Protocolo de Spanning Tree (STP) 3.2.2. Protocolo de Rapid Spanning Tree (RSTP) 3.3. Agregación de enlaces 3.3.1. Agregación de enlaces a través de EtherChannel 3.3.2. Resolución de problemas de redundancia 3.3.3. Caso de estudio Implementación de una red empresarial

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Redes medianas Unidad 3. Redundancia en redes conmutadas 3.1. Fundamentos de redundancia Bienvenido(a) a esta tercer unidad en la que iniciamos con el análisis de las características de una red, después, de la redundancia dentro de las redes LAN.

La redundancia es una estrategia ampliamente usada para evitar malentendidos o errores de decodificación. Aquí describiremos los pros y contras de la redundancia en redes de datos.

A continuación se describirán algunos de los conceptos más usados: 

Velocidad (Bandwidth): Es la capacidad de transferencia de la red, es mide en bps; mientras más ancho de banda mejor se da la transferencia de red. El throughput es el rendimiento real de la red, éste llega a ser menor que el ancho de banda.



Costo (Cost): Es el precio monetario de la red en sí misma, se supone que una red cara es una mejor red, sin embargo no significa que funcione bien, lo que si es cierto es que la planificación y diseño de una red siempre dependerá de la cantidad de dinero con la que se cuente.



Seguridad (Security): Que tan segura es la red, a eso se refiere esta característica, hay redes consideradas “cerradas” porque no tienen contacto con Internet, lo cual evita todos los ataques externos. Las redes “abiertas” tienen conexiones hacia Internet lo cual puede permitir los ataques desde fuera de la red. Cabe mencionar que del 60 al 70% de los ataques a las redes provienen desde el interior. La recomendación de diseño es una red restrictiva, esta tiene un balance entre la cantidad de seguridad y los accesos correctos a los servicios de red.



Disponibilidad (Availability): Que la red se pueda utilizar en todo momento, o el mayor tiempo posible; esto ya que sin red los sistemas de información no pueden funcionar. En las empresas se firman SLA (Service Level Agreement –Acuerdos de Nivel de Servicio-) los cuales miden el nivel de disponibilidad de la red, mientras más alto es, se requiere más personal e infraestructura para mantener la red funcionando.



Escalabilidad (Scalability): No se trata sólo de hacer crecer la red agregando más nodos sino de que la red también mantenga sus niveles de desempeño. Esto se logra diseñando una red totalmente conmutada y basándose en el modelo de 3 capas de Cisco. Si deseas más información consulta (SONA –Services Oriented Network Architecture-).

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Confiabilidad (Reliability): Que la red funcione y que no haya fallos inesperados tanto de hardware como de software. Hay equipos muy baratos de redes que en

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Redes medianas Unidad 3. Redundancia en redes conmutadas cualquier momento colapsan por una falla. Existen marcas y modelos reconocidas por su gran estabilidad y desempeño, es decir que es muy raro que fallen. 

Topología (Topology): La topología puede ser física o lógica. Las topologías físicas como ha visto antes, es la forma en que se interconectan físicamente los dispositivos. Existen las topologías siguientes:  Bus  Anillo  Doble anillo  Estrella  Estrella Extendida  Malla completa  Malla parcial  Árbol o Jerárquica  Celda

La topología más utilizada en la LAN es la topología de Estrella Extendida, ya que es la que se acomoda mejor con el cableado estructurado. La topología lógica es la forma real en la que la información viaja por la red. El ejemplo que puedes ver es el de la comunicación Inter-VLAN en donde para comunicarse nodos de diferente VLAN tienen que pasar por el router-on-a-stick para poder hacerlo. Una vez entendidas estas características red las redes, continuaremos con el tema de redundancia. Descriptivamente, la redundancia constituye factor comunicativo estratégico que consiste en intensificar, subrayar y repetir la información contenida en el mensaje a fin de que el factor de la comunicación ruido no provoque una pérdida fundamental de información. Dentro de la redes de datos, uno de los objetivos de las topologías redundantes es eliminar las interrupciones del servicio de la red provocadas por un único punto de falla. Todas las redes necesitan redundancia para brindar mayor confiabilidad y disponibilidad. Se dice que una red tiene alta disponibilidad si los tiempos de caída del sistema son mínimos y se dice que es confiable porque es muy rara la ocasión cuando algún dispositivo o enlace falla. La pregunta interesante es cómo se mide la disponibilidad, bueno aquí la forma utilizada:

((Minutos por año – minutos de falla) / minutos por año) * 100

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Redes medianas Unidad 3. Redundancia en redes conmutadas De esta manera se obtiene el porcentaje de disponibilidad; ahora, un ejemplo: si se tienen 3000 minutos de falla por año en la red, ¿Cuál es el % de disponibilidad (Avalability) de la red? 60 minutos por hora, 24 horas por día y 365 días por año, nos da un total de 525600 minutos por año; entonces: 525600-3000 = 522600 esto entre 525600 nos da 0.9942 multiplicado por 100 obtenemos como resultado 99.42% de disponibilidad. 3000 minutos de falla anual son 2 días aproximadamente.

Hay empresas que llegan a ofrecer 99.6, 99.8 % de disponibilidad, significa que sus sistemas son muy redundantes. La disponibilidad ideal es el 100%, sin embargo, existe la disponibilidad de los 5 nueves: 99.999% eso equivale a 5 minutos de falla al año, empresas como Microsoft ofrecen esa disponibilidad en algunos servicios. Como Microsoft Windows 2008 y Microsft Exhanche.

Para poder entender mejor la redundancia es necesario que realices la siguiente actividad que podrás consultar en el archivo de actividades de esta unidad:

Actividad 1. Redundancia o no redundancia… he ahí el dilema Ten en cuenta que la actividad se divide en dos fases: Fase 1. Investigación de ventajas y desventajas de una red redundante. Fase 2. Preguntas sobre las ventajas y desventajas de una red redundante. Continuando con el desarrollo de la unidad 3, te toca estudiar las ventajas y desventajas de una red redundante, a continuación se plantean algunos diseños LAN.

Tienes que leer el documento: Redundancia en tu material de consulta.

Las topologías redundantes permiten mantener un alto porcentaje en la disponibilidad de la red, y más si se adecuan a un modelo de red jerárquico como se muestra enseguida.

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Redes medianas Unidad 3. Redundancia en redes conmutadas En la siguiente figura se muestra la ruta que siguen las tramas cuando la red funciona apropiadamente.

En la imagen que sigue aparece un error de conectividad entre capa acceso y distribución, la red redundante utilizará la ruta alterna para seguir funcionando.

Si el problema se da en entre capa de distribución y capa núcleo, aun se tienen rutas alternas. Ciencias Exactas, Ingeniería y Tecnología

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Si otro problema de conectividad se da del lado del equipo destino, no hay problema porque también se tiene la redundancia. La siguiente imagen lo muestra.

Las topologías redundantes entonces son utilizadas en las redes convergentes para lograr tener una disponibilidad alta.

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Redes medianas Unidad 3. Redundancia en redes conmutadas En la siguiente imagen se muestra una topología redundante simple

Se tienen dos rutas para llegar al mismo destino desde el server hasta el router, así se evita un único punto de falla. Pero ¿qué pasa cuando se manda un broadcast por la red?, el switch del lado izquierdo inundará el broadcast por ambos segmentos y cuando el switch del lado derecho los reciba tendrá que hacer lo mismo por todos sus puertos. Esto ocasionará una tormenta de broadcast, al grado que el CPU de los nodos y switches se sature y la red quede sin funcionar.

Otro problema que se puede ocurrir es el hecho de que al tener dos rutas por donde enviar los datos, pues que la información se duplique, en el caso de una conexión confiable por TCP, pues no hay inconveniente, porque TCP eliminará los segmentos duplicados. En el caso de una conexión de mejor esfuerzo por UDP, la información se tomará doble lo cual generará errores en la aplicación de usuario. En este caso habrá copias múltiples de tramas.

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Otro efecto grave de una topología redundante, es el hecho de la forma en que aprenden los switches, ya que escuchan las tramas entrantes y verifican la dirección origen y la relacionan con el puerto por donde se escuchó esa trama. Cuando un switch no sabe la dirección MAC destino de una trama, hace proceso de flooding (Inundación), es decir, la trama se envía por todos los puertos excepto por el que llegó. Esto ocasiona que el switch pueda aprender de forma errónea una dirección MAC. En la siguiente imagen se muestra el problema.

Este problema es conocido como inconsistencia en la tabla de direcciones MAC.

Los switches no administrables llegan a pasmarse o incluso resetearse ante este problema. Los switches administrables o configurables pueden oscilar (flapping) entre un puerto y otro. En su defecto el switch no aprende la dirección MAC de ese nodo y por tanto no manda datos del mismo por la red.

En este tema se realizarán actividades de investigación y actividades individuales de simulación con el Packet Tracer 5.3.3.

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Si deseas consultar más información acerca del diseño de redes con alta disponibilidad puedes ver el siguiente video (inglés): https://www.youtube.com/watch?v=GD-OuoWj1og

Una vez que has estudiado lo referente a la redundancia en redes de datos, tantos sus pros como sus contras, es tiempo de ver como poderlo controlar. Lo cual se logrará a través del uso de dos protocolos STP y RSTP que a continuación se presentan.

Se recomienda leer el documento: Características avanzadas de LAN conmutadas en tu material de consulta, ya que te permitirá entender mejor STP desde sus orígenes.

3.2. Protocolos de control de redundancia El Protocolo de Árbol de Expansión (Spanning Tree Protocol) es un protocolo que permite tener redes redundantes libres de loops de conmutación. Las veces que pasa una trama por una ruta circular entre los mismos switches no puede ser controlada con ningún campo de la trama como ocurre en los paquetes en las redes ruteadas (esto gracias al campo TTL –Time To Live-), por lo tanto, la trama se puede quedar dando vueltas de forma indefinida ocasionando que la información sea procesada una y otra vez, generando tormenta de broadcast y todos los demás errores antes mencionados. STP por sus siglas en inglés, proporciona una topología redundante libre de loops colocando ciertos puertos en estado de bloqueo. Este protocolo usa el STA (Spanning Tree Algorithm) que es un algoritmo que determina la mejor ruta libre de loops entre switches tomando en consideración la velocidad de los enlaces. El estándar está publicado en el IEE802.1D. Las acciones siguientes son las que ejecuta el STA para lograr la topología convergente libre de loops:  Seleccionar un (puente/switch raíz) por cada dominio de broadcast  Seleccionar un puerto raíz por cada switch que no es raíz  Seleccionar el puerto designado para cada segmento de red  Los puertos no designados quedan en estado de bloqueo

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Topología redundante con STP libre de loops de conmutación

STP, está basado en un algoritmo diseñado por Radia Perlman mientras trabajaba para DEC. Hay 2 versiones del STP: la original (DEC STP) y la estandarizada por el IEEE (IEEE 802.1D), que no son compatibles entre sí. En la actualidad, se utiliza la versión estandarizada por el IEEE.

Entonces antes de tener una topología redundante libre de loops los switches se deben de poner de acuerdo en quien será el switch raíz ( root switch) y lo hacen de la siguiente manera: Los switches intercambian información de STP a través de tramas espaciales llamadas BPDU (Bridge Protocol Data Unit), cada switch al iniciar se cree el root de la red y manda los BPDU por cada puerto que tenga activo.

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BPDU del STP

La forma en la que se encapsula los BPDU en la trama Ethernet es como se ve en la siguiente figura:

Encapsulamiento de BPDU

Para determinar cuál es el switch raíz, se utiliza el BID (Bridge ID) más bajo. El BID está compuesto por elementos, la Prioridad (2 bytes) y la dirección MAC de la tarjeta madre del switch. El valor de la prioridad es de 32768 el valor medio (middle value) en todos los switches, por lo tanto el switch raíz será el que tenga la MAC más chica.

El detalle de que el switch raíz sea el de la MAC más chica por defecto, ocasiona que generalmente sea un switch de tecnología más vieja (Ethernet, FastEthernet, GigabiEthernet) lo que puede hacer que la red no tenga un buen desempeño, por lo tanto es

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Redes medianas Unidad 3. Redundancia en redes conmutadas factible modificar el valor de la prioridad a uno menor que 32768 para que el switch sea elegido como switch raíz. Los BPDU se envían cada 2 segundos.

El hecho de elegir al switch raíz es para poder definir el punto de referencia para saber cuáles enlaces serán los que queden activos y cuáles serán los que func...