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CAPITULO II
MARCO TEÓRICO
El presente capítulo describe los fundamentos teóricos utilizados para llevar a cabo la investigación planteada. Se expone los antecedentes y la teoría de importancia sobre el problema a solucionar, además se presenta un glosario de términos básicos y por último se identifica la variable que define la investigación y la operacionalización de esta.
1. ANTECEDENTES
Metcalfe (1976) realizó un estudio denominado “Ethernet Distributed Packet Switching For Local Computer Networks”, Siendo el inventor de la red Ethernet. Al hacer un análisis simple del comportamiento de una red experimental a 3 Mbps, calculando el porcentaje de utilización para paquetes de datos de diferentes tamaños. Esta investigación se considera importante al aportar los primeros estudios sobre las redes de tipo Ethernet.
Rincón (2003) en su trabajo de grado titulado Modelo Matemático para la estimación del performance de una Red Ethernet. La clasificación de investigación es de campo de carácter explicativo.
Realizó un estudio el cual permite que los investigadores posean una herramienta teórica que le permita determinar el comportamiento de una red
Ethernet considerando ciertos criterios.
Para llevar a cabo los experimentos prácticos, se seleccionaron 16 computadoras (con las mismas características) del Laboratorio de Computación de la Licenciatura en Computación de la Universidad del Zulia.
Al obtener los resultados de la simulación práctica, se realizó una comparación con los datos teóricos. El aporte dado por ésta investigación radica en brindar un modelo matemático probado y simulado tomando en cuenta sólo 2 variables siendo estas el numero de computadores y el tamaño del marco de datos.
Por otra parte Fuenmayor (2003) en su estudio titulado Modelo Matemático para la Generación de Pasos para Robots Móviles, en este se presenta un modelo el cual se implanta y verifica a través de una simulación basada en un lenguaje de programación orientado a objeto, con el fin de estudiar las características basadas que puede poseer un robot físico dentro de ciertas especificaciones sobre un terreno aleatorio conocido, como también estimar costo y tiempo para el desarrollo de autómatas.
El tipo de investigación seleccionada es exploratoria ya que el diseño y desarrollo del simulador se encuentra soportado por una base teórica matemática, lo cual proporciona una metodología estructurada a juicio de los investigadores atendiendo a los objetivos específicos.
La investigación realizada por Hung (2004) titulada como Modelo Matemático para Estimar la Capacidad de la Red de Acceso TCH FR/TCH HR del Sistema GSM, en este se plantea la importancia de crear o establecer
un modelo matemático para la planificación de estas redes, de esta forma se minimiza el gasto por sobredimensionamiento de estas redes las cuales las hace muy costosas. Para ello con esta investigación se logró crear un modelo el cual marque pauta para estimación de tráfico de manera eficiente sin gastos innecesarios.
El tipo de investigación es descriptiva porque busca la representación matemática de un hecho y su diseño es de tipo no experimental debido a ue las variables fueron evaluadas sin manipulación o control de las mismas. La metodología aplicada fue planteada por Garcia (2004) dividida en fases acordes a los objetivos planteados por el investigador.
El aporte presentado por este estudio fue la utilización de los modelos matemáticos existentes de Poisson y Erlang B para tomarlos como base en la elaboración del modelo matemático.
El Chiriti (2004) en su trabajo de grado titulado Relación del Rendimiento Tecnológico Obtenido por un Modelo Matemático y un Mecanismo Tecnológico en Redes Ethernet, el propósito fue proponer una herramienta que permita establecer en que medida el comportamiento de las redes ethernet se apega al rendimiento obtenido por un modelo matemático, estableciendo de esta manera las posibles distorsiones.
El estudio se fundamentó en los postulados de Montiva (1995), Senn (1997). El tipo de investigación se clasificó como aplicada, descriptiva y de acuerdo al periodo en el cual se recolecta la información se cataloga como transversal y considerando su diseño como no experimental, tomando como
población a 50 objetos y como muestra un total de 15 computadores.
La información se recolectó a través de la observación directa y los resultados obtenidos reflejan un porcentaje diferencial entre las resultados calculados y las medidas, indicándose que las fórmulas no toman en cuenta un conjunto de factores que influyen en el rendimiento de la redes ethernet.
El aporte generado por este trabajo reside en brindar los principios para la elaboración de las pruebas prácticas simuladas por el software utilizado y la generación de graficas comparativas entre ambos modelos.
2. BASES TEÓRICAS
Según Cisneros (2003) en donde se presenta una definición de un Modelo Matemático en el cual señala que es una descripción en términos matemáticos (variables, funciones, ecuaciones) de un problema o fenómeno del mundo real. El propósito de un modelo matemático es comprender el fenómeno y hacer predicciones acerca de su comportamiento futuro.
Tomando en cuenta que Suárez (2004) comenta que a mediados de la década de los noventa surgen las redes de alta velocidad, un nuevo campo de las ciencias computacionales orientado a solucionar problemas relacionados con el uso de recursos compartidos a gran escala y la creación de nuevas aplicaciones para este fin, generalmente de alto rendimiento; es decir, la conjunción a gran escala, de sistemas de cómputo para ofrecer acceso a capacidades mayores de procesamiento de datos.
La velocidad de las redes y su disponibilidad son requerimientos
críticos. Con más aplicaciones que requieren mayores velocidades en una LAN para tener un performance aceptable, los administradores de redes se enfrentan a una gran cantidad de opciones para implementar tecnologías de alta velocidad para una LAN.
Fast Ethernet o Ethernet de alta velocidad es el nombre de una serie de estándares de IEEE de redes Ethernet de 100 Mbps. En su momento el prefijo Fast se le agregó para diferenciarlas de la Ethernet regular de 10 Mbps. Fast Ethernet no es hoy por hoy la más rápida de las versiones de Ethernet, siendo actualmente Gigabit Ethernet.
Dos estándares de IEEE compitieron por el mercado de las redes de área local de 100 Mbps (Wikipedia, 2005). El primero fue el IEEE 802.3 100BaseT, denominado comercialmente Fast Ethernet, que utiliza el método de acceso CSMA/CD con algún grado de modificación, cuyos estándares se anunciaron para finales de 1994 o comienzos de 1995. El segundo fue el IEEE 802.12 100BaseVG, que utiliza un método de prioridad de demandas en lugar del CSMA/CD. Por ejemplo, a la voz y vídeo de tiempo real podrían dárseles mayor prioridad que a otros datos. Esta última tecnología no se impuso, quedándose Fast Ethernet con casi la totalidad del mercado.
2.1 ESTÁNDARES IEEE 802
Los estándares IEEE 802 para las redes Lan según Roldán (2004) están divididos en:
• IEEE 802.1: Cubre la administración de redes y otros aspectos
relacionados con la LAN.
• IEEE 802.2: Protocolo de LAN de IEEE que especifica una
implementación del la subcapa LLC de la capa de enlace de datos. IEEE maneja errores, entramados, control de flujo y la interfaz de servicio de la capa de red (capa 3). Se utiliza en las LAN IEEE 802.3 e IEEE 802.5.
• IEEE 802.3: Protocolo de IEEE para LAN que especifica la
implementación de la capa física y de la subcapa MAC de la capa de enlace de datos. IEEE 802.3 utiliza el acceso CSMA/CD a varias velocidades a través de diversos medios físicos. Las extensiones del estándar IEEE 802.3 especifican implementaciones para Fast Ethernet. Las variaciones físicas de la especificación IEEE 802.3 original incluyen 10Base2, 10Base5, 10BaseF, 10BaseT, y 10Broad36. Las variaciones físicas para Fast Ethernet incluyen 100BaseTX y 100BaseFX.
• IEEE 802.4: Especifica el bus de señal pasante. Hace referencia al método de acceso Token pero para una red con topología en anillo.
• IEEE 802.5: Protocolo de LAN IEEE que especifica la implementación
de la capa físicas y de la subcapa MAC de la capa de enlace de datos. IEEE 802.5 usa de acceso de transmisión de tokens a 4 Mbps ó 16 Mbps en cableado STP O UTP y de punto de vista funcional y operacional es equivalente a token Ring de IBM.
• IEEE 802.6: Especificación IEEE MAN basada en la tecnología DQDB.
El estándar soporta velocidades de transmisión de datos de 1.5 a 155 Mbps.
2.2 ESTÁNDAR IEEE 802.3 Y SUS VERSIONES
La primera versión fue un intento de estandarizar Ethernet aunque hubo un campo de la cabecera que se definió de forma diferente. Posteriormente ha habido ampliaciones sucesivas al estándar que cubrieron las ampliaciones de velocidad (Fast Ethernet, Gigabit Ethernet y el de 10 Gigabits), redes virtuales, hubs, conmutadores y distintos tipos de medios, tanto de fibra óptica como de cables de cobre (tanto par trenzado como coaxial).
El estandar IEEE 802.3 desde su creación ha evolucionado por distintas versiones, presentando sus derivaciones, fecha y descripción a continuación:
Cuadro 1. Versiones de 802.3
Estándar Ethernet
Fecha Descripción
Ethernet experimental
1972 (patentado en 1978)
2.94 Mbit/s sobre cable coaxial en topología de bus.
Ethernet II (DIX v2.0)
1982 10 Mbit/s sobre coaxial fino (thinnet) - La trama tiene un campo de tipo de paquete. El protocolo IP usa este formato de trama sobre cualquier medio.
IEEE 802.3 1983 10BASE5 10 Mbit/s sobre coaxial grueso (thicknet). Longitud máxima del segmento 500 metros - Igual que DIX salvo que el campo de Tipo se substituye por la longitud.
802.3a 1985 10BASE2 10 Mbit/s sobre coaxial fino (thinnet o cheapernet).
Longitud máxima del segmento 185 metros
802.3b 1985 10BROAD36
802.3c 1985 Especificación de repetidores de 10 Mbit/s
802.3d 1987 FOIRL (Fiber-Optic Inter-Repeater Link) enlace de fibra óptica entre repetidores.
802.3e 1987 1BASE5 o StarLAN
Cuadro 1 (cont.)
802.3i 1990 10BASE-T 10 Mbit/s sobre par trenzado (UTP). Longitud máxima del segmento 100 metros.
802.3j 1993 10BASE-F 10 Mbit/s sobre fibra óptica. Longitud máxima del segmento 1000 metros.
802.3u 1995 100BASE-TX, 100BASE-T4, 100BASE-FX Fast Ethernet a 100 Mbit/s con auto-negociación de velocidad.
802.3x 1997 Full Duplex (Transmision y recepción simultáneos) y control de flujo.
802.3y 1998 100BASE-T2 100 Mbit/s sobre par trenzado (UTP). Longitud máxima del segmento 100 metros
802.3z 1998 1000BASE-X Ethernet de 1 Gbit/s sobre fibra óptica.
802.3ab 1999 1000BASE-T Ethernet de 1 Gbit/s sobre par trenzado 802.3ak 2004 10GBASE-CX4 Ethernet a 10 Gbit/s sobre cable bi-axial.
802.3an en proceso 10GBASE-T Ethernet a 10 Gbit/s sobre par trenzado (UTP)
Wikimedia Foundation, Inc. (2006) IEEE 802.3
2.3 ESTÁNDAR IEEE 802.3u (FAST ETHERNET)
Para Forouzan (2002) a medida que aplicaciones nuevas, como el procesamiento de imagen y la utilización de audio y video en tiempo real, van siendo implementadas en las LAN, hay necesidad de tener LAN con una velocidad de datos mayor que 10 Mbps. Un paso muy importante en la evolución de Ethernet ha sido el aumento de velocidad para Fast Ethernet que opera a 100Mbps.
Afortunadamente, debido a la forma en que se diseñó Ethernet es fácil incrementar la velocidad si decrece el dominio de colisión, el cual para Ethernet está limitado a 2.500 metros. Esta limitación es necesaria para permitir una tasa de datos de 10Mbps usando el método de acceso
CSMA/CD. Para que CSMA/CD funcione, una estación debería ser capaz de notar la colisión antes de que toda la trama se haya situado en el medio. Si se he enviado toda la trama y no se ha detectado la colisión, la estación asume que todo está bien, destruye la copia de la trama y envía la siguiente.
El tamaño mínimo de una trama Ethernet es 72 bytes o 576 bits. Enviar 576 bits a una velocidad de 10 Mbps consume 57,6 microsegundos (576bits/10Mbps = 57,6). Antes de que se haya enviado el último bit, el primer bit debe haber alcanzado el fin del extremo del dominio y, si hay una colisión, debe ser notada por el emisor. Esto implica que durante el tiempo que tarde en transmitir 576bits dicha colisión debe ser detectada. En otras palabras, la colisión debe ser detectada durante los 57,6 microsegundos.
Este tiempo es suficiente para permitir que una señal haga un viaje de ida y vuelta de 5.000 metos a la velocidad de propagación en un medio de transmisión típico como un cable de par trenzado.
Para incrementar la velocidad de los datos sin cambiar el tamaño mínimo de la trama, es necesario disminuir el tiempo de ida y vuelta. Con una velocidad de 100 Mbps, tiempo de ida y vuelta se reduce a 5,76 microsegundos (576 bits / 100 Mbps). Esto significa que el dominio de colisión se debe reducir 10 veces, de 2.500 metros a 250 metros. Esta disminución no es un problema debido a que las LAN conectan actualmente computadoras que no estén separadas más allá de 50 o 100 metros del concentrador central. Esto significa que el dominio de colisión está entre 100 y 200 metros.
Fast Ethernet es una versión de Ethernet con una tasa de datos de 100 Mbps. No hay ningún cambio en el formato de trama. No hay ningún cambio en el método de acceso. Los únicos dos cambios en el nivel MAC son la tasa de datos y el dominio de colisión. La tasa de datos se incrementa en un factor de 10; el dominio de colisión se disminuye en un factor de 10.
En el nivel físico, la especificación desarrollada para Fast Ethernet es una topología similar a la 10Base-T; sin embargo, para satisfacer al nivel físico de los distintos recursos disponibles, el IEEE ha diseñado dos categorías de Fast Ethernet: 100Base-TX y 100Base-FX.
2.4 100BASE-TX
El diseño de 100Base-TX es la forma predominante de Fast Ethernet a 100Mbit/s, la configuración de estas redes es muy similar a la 10Base-T cuando se usa para crear una red de área local. Este emplea dos cables de par trenzado sin blindaje (UTP) de categoría 5 o dos cables de par trenzado blindado (STP) para conectar una estación con un concentrador. Un par se usa para llevar las tramas desde la estación al concentrador y el otro para transportar las tramas desde el concentrador a la estación. La codificación es de 4B/5B para generar series de 0 y 1 de frecuencia 124MHz y así gestionar los 100 Mbps; la señalización es NRZ-1.
Los dispositivos de la red suelen conectarse a un hub o a un switch, formando una red en topología de estrella, y la distancia entre la estación y el conmutador deber ser menor a 100 metros. Forouzan (2002).
2.5 CODIFICACIÓN DE SEÑAL 4B/5B-NRZI
Este esquema según Stallings (2000), que es realmente una combinación de dos algoritmos de codificación, para comprender el significado consideremos primero el sencillo esquema de codificación NRZ (no retorno a cero). Con NRZ, un estado de señal representa un uno binario y otro estado de señal un cero binario. El inconveniente de esta aproximación es la pérdida de sincronismo. Dado que las transacciones en el medio resultan impredecibles, no hay forma de que el receptor sincronice su reloj con el emisor. Una solución a este problema es codificar los datos binarios de forma que se garantice la presencia de transiciones.
Se puede conseguir una eficiencia haciendo el uso del código 4B/5B, en el cual la codificación se realiza en cada momento sobre 4 bits. Cada 4 bits de datos se codifican en un símbolo con cinco bits de código, de modo que cada bit de código contiene un único elemento de señal; el bloque de cinco bits de código se llama grupo de código. En efecto, cada grupo de 4 bits se codifica como 5 bits. La eficiencia se incrementa así hasta el 80% y se consiguen 100Mps con 125 Mbaudios.
Para asegurar la sincronización se lleva a cabo un segundo paso de codificación: cada bit de código de la secuencia 4B/5B se trata como un valor binario y se codifica usando la técnica de no retorno a cero invertido (NRZI).
En este código, un 1 binario se representa como una transición al principio del intervalo de bit y un 0 binario sin transición al comienzo del intervalo de
bit; es decir, no hay transiciones.
La ventaja de NRZI es que emplea codificación diferencial, ésta se encarga en decodificar comparando la polaridad de elementos de señal adyacentes en lugar absoluto de un elemento de señal. Una ventaja es que en presencia de ruido y distorsión, resulta más fácil detectar una transición que comparar un valor con un umbral.
Dado que se codifican cuatro bits con un patrón de 5 bits, sólo se necesitan 16 de los 32 patrones posibles para codificación de datos. Los códigos seleccionados para representar los 16 bloques de datos de 4 bits en Hexadecimal son tales que existan al menos dos transiciones para cada código de grupo de 5 bits. No se permite más de tres ceros en una fila a lo largo de uno o más grupos de código.
Cuadro 2. Grupos de código 4B/5B.
Datos (Hexadecimal) Datos de código (4bits) Grupo de código (5bits)
0 0000 11110
1 0001 01001
2 0010 10100
3 0011 10101
4 0100 01010
5 0101 01011
6 0110 01110
7 0111 01111
8 1000 10010
9 1001 10011
A 1010 10110
B 1011 10111
C 1100 11010
D 1101 11011
E 1110 11100
F 1111 11101
Stallings (2000). Comunicaciones y redes de computadoras.
Gráfico 1. Codificación 4B/5B.
Cano (2004) Redes de área local.
2.6 MÉTODO DE ACCESO (CSMA / CD)
Para Forouzan (2002) el mecanismo de acceso al medio usado en una Fast Ethernet ya estandarizado se denomina Portadora sensible a acceso múltiple con detección de colisiones (CSMA/CD), o Carrier sense multiple
access. El cual es el resulta de la evolución de (CSMA, portadora sensible a acceso múltiple) y, finalmente con detección de colisión (CD).
El diseño original fue un método acceso múltiple en el que cada computadora tenía el acceso al enlace. En MA no había ninguna previsión para coordinar tráfico. El acceso a la línea estaba abierto para cualquier nodo en todo momento, asumiendo que las probabilidades de que dos dispositivos compitieran por el acceso al enlace al mismo tiempo, eran lo suficientemente pequeñas para no ser tenidas en cuenta. Cualquier estación deseando transmitir podía hacerlo, confiando en los reconocimientos para verificar que la trama transmitida no había sido destruida por cualquier otro tipo de tráfico existente en la línea.
En el sistema CSMA, cualquier estación que quisiera transmitir debía
comprobar previamente que no hubiera tráfico en la línea. Los dispositivos escuchaban comprobando la existencia de un cierto voltaje. Si no se detecta voltaje, se consideraba que la línea está vacía y se iniciaba la transmisión.
CSMA reduce las colisiones, pero no las elimina. Las colisiones pueden seguir ocurriendo.
El paso final es añadir el mecanismo de detección de colisión (CD). En CSMA/CD, la estación que quiera transmitir escucha primero para estar seguro de que el enlace está libre, a continuación transmite sus datos y después vuelve a escuchar. Durante la transmisión de datos, la estación comprueba si en línea se producen los voltajes extremadamente altos que indican una colisión. Si se detecta una colisión, la estación deja de transmitir y espera cierta cantidad de tiempo predefinido para que la línea esté libre, enviando los datos de nuevo después de ello .
Cada transmisión está limitada en el tiempo, pues existe un tamaño máximo de paquete. Cuando se comienza a transmitir, la señal no llega a cada punto de la red simultáneamente, a pesar de que viaja a casi un 80%
de la velocidad de la luz, es decir, 2,3x108m/seg.
2.7 FORMATO DE TRAMA
El IEEE 802.3u especifica un tipo de trama que contiene siete campos según Forouzan (2002): Preámbulo, SFD, DA, SA, longitud/tipo de la unidad de datos de protocolo PDU, trama 802.2 y el control de redundancia ciclica CRC. Ésta utiliza el mismo formato para las tramas usado en las versiones
de IEEE 802.3 a 10Mbps. Fast Ethernet no proporciona ningún mecanismo para reconocer las tramas recibidas, razón por la que se le conoce como un medio no fiable. Los reconocimientos deben ser implementados en las capas de nivel superior. El formato de la trama MAC en CSMA/CD se muestra acá:
Gráfica 2. Formato de Trama 802.3u
Forouzan (2002) Transmisión de datos y redes de comunicaciones
• Preámbulo: El primer campo de la trama, contiene siete bytes (56bits) de ceros y unos alternados que alertan al sistema receptor de la llegada de una trama y le permite sincronizar su temporizador de entrada. El patrón proporciona únicamente una alerta de llegada de flujo de datos y un pulso de temporización.
• Delimitador de comienzo de trama (SFD): El segundo campo de la trama, un bit que indica el comienzo de la trama al receptor y le dice que todo lo que recibirá son datos, empezando por direcciones.
• Dirección de destino (DA): El campo de dirección de destino incluye
seis bytes y contiene la dirección física del siguiente destino del paquete.
Una dirección física del sistema es un patrón de bits codificado en su tarjeta de interfaz de red (NIC).
• Dirección fuente (SA): El campo de dirección fuente también tiene seis bytes y contiene la dirección física del último dispositivo en enviar el paquete.
• Longitud/tipo de PDU: Los dos bytes siguientes indican el número de
bytes en el PDU entrante. Si la longitud del PDU es fija, este campo se puede usar para indicar el tipo o como base para otros protocolos.
• Trama 802.2 (PDU): Este campo de la trama contiene toda la trama
802.2 como una unidad removible. La PDU puede ser de cualquier longitud entre 46 y 1500 bytes, dependiendo del tipo de trama y la longitud del campo de información.
• CRC: El último campo de la trama contiene la información de un código de detección de errores.
2.8 COMPONENTES DE UNA RED
Una red esta compuesta básicamente por Puigdemunt (1999), un Servidor (Server), el cual es la máquina principal de la red, la que se encarga
de administrar los recursos de la red y el flujo de la información. Muchos de los servidores son "dedicados", es decir, están realizando tareas específicas, por ejemplo, un servidor de impresión solo para imprimir; un servidor de comunicaciones, sólo para controlar el flujo de los datos. Para que una máquina sea un servidor, es necesario que sea una computadora de alto rendimiento en cuanto a velocidad y procesamiento, con gran capacidad en disco duro u otros medios de almacenamiento.
Otro componente básico es la Estación De Trabajo o Workstation, siendo una computadora que se encuentra conectada físicamente al servidor
por medio de algún tipo de cable. Muchas veces esta computadora ejecuta su propio sistema operativo y ya dentro, se añade al ambiente de la red.
El Sistema Operativo De Red, es el sistema (Software) que se encarga de administrar y controlar en forma general la red. Para esto tiene que ser un Sistema Operativo Multiusuario, como por ejemplo: Unix, Netware de Novell, Windows NT, etc.
La red requiere de Recursos A Compartir los cuales son todos aquellos dispositivos de Hardware que tienen un alto costo y que son de alta tecnología. En estos casos los más comunes son las impresoras, en sus diferentes tipos: Láser, de color, plotters. También hay que nombrar el Hardware De Red o tarjeta de red, siendo aquel dispositivo que se utiliza
para interconectar a los componentes antes mencionados de la red.
La red cuenta con 12 equipos de computación con las mismas características (Pentium 4, 512Mb de memoria ram, disco duro de 40Gb, y tarjeta de red 10/100Mbps), para evitar que el rendimiento de las estaciones presentes en la red disminuya, se utilizará 1 switch de marca 3COM (10/100Mbps) de la familia SuperStack II 3300 el cual según las especificaciones del mismo posee una latencia o hodl time de 1seg y aproximadamente 100mts de cable UTP categoría 5.
2.9 RENDIMIENTO DE UNA RED
La cuestión principal en la implementación de un cambio sobre una red es definir la red existente y las limitaciones impuestas por sus
configuraciones hardware y software. Una documentación comprensiva es la clave para la realización de una actualización efectiva y económica sobre una red cualquiera.
La preparación y mantenimiento de los registros de una red son tareas esenciales que dan resultado cuando se necesitan implementar cambios en una red. La documentación actualizada proporciona información sobre el aspecto y el rendimiento que debe tener la red, así como dónde buscar ayuda si existen problemas. Esta debería ser completa, bien organizada y almacenada donde esté disponible fácilmente.
La documentación desarrollada para mantenimiento, actualización y resolución de problemas debería contener:
• Un mapa completo de la red, inc luyendo la ubicación de todo el hardware y detalles sobre el cableado.
• Información de los servidores, incluyendo los datos de cada servidor y el programa y ubicaciones de los sustitutos.
• Información sobre el software, como los detalles de licencias y soporte.
• Nombres y números de teléfono esenciales para los contactos de asistencia de vendedores, proveedores, contratistas y otros.
• Copias de todos los contratos de servicio.
• Un registro de todos los problemas, sus síntomas y soluciones, incluyendo fechas, contactos, procedimientos y resultados.
En cuanto la red esté operativa, es el momento de establecer una línea de base, que es, simplemente, una documentación de los valores de funcionamiento normal de la red. La línea de base se debe actualizar siempre que nuevos usuarios, hardware o software se incorporen al sistema o lo abandonen.
La creación de un buen inventario y el establecimiento de los valores de rendimiento de la línea de base constituyen la referencia sobre la cual se pueden identificar futuras necesidades para la modificación de la red.
La comprensión del funcionamiento correcto de una red es tan importante como el conocimiento de la forma de resolver los problemas cuando la red haya fallado. La monitorización y la documentación de la red cuando está funcionando correctamente proporcionan medidas de la línea de base frente a las que se puede comparar un rendimiento no usual.
La línea de base debe ser establecida antes de que algo falle. Una vez que existe la línea de base, todos los comportamientos de la red se pueden comparar con ella como parte de un proceso de monitorización subsiguiente.
La línea de base es especialmente útil en el establecimiento e identificación de:
• Patrones diarios de utilización de la red.
• Cuellos de botella.
• Patrones de utilización con carga pesada.
• Diferentes patrones de tráfico de los protocolos.
Una vez que el hardware ha sido documentado y la red está en funcionamiento, es casi el momento de registrar la línea de base de rendimiento de la red. Sin embargo, es mejor esperar a hacerlo cuando se haya verificado que todas las conexiones de la red son correctas, todo el hardware esté operativo y se hayan realizado todos los ajustes necesarios en el sistema. Cuando se haya determinado que el rendimiento de la red es aceptable, es momento de registrar la línea de base.
El concepto de rendimiento de red es tan amplio que abarca la red entera, incluyendo:
• Servidores.
• Tarjetas de red (NIC).
• Conexiones mediante cable a las tarjetas de red.
• Hubs.
• Tendido de cable.
• Routers.
• Bases RJ-45.
• Tarjetas de red para estaciones.
Existe una serie de herramientas que ayudan al administrador a documentar el rendimiento de la red, incluyendo monitores de red, analizadores de protocolos y otras utilidades.
Un monitor de red es una herramienta útil que captura y filtra los paquetes de datos y analiza la actividad de la red. Es fácil documentar los
indicadores de rendimiento de la red con un monitor de red, pero requiere mucha práctica para analizar rápidamente las estadísticas de rendimiento de la red.
Un analizador de protocolos es una herramienta que hace un seguimiento a las estadísticas de la red. Puede capturar tramas erróneas y aislar su fuente (las tramas de datos son paquetes de información transmitidos como una unidad sobre una red. Son definidas por el nivel de enlace de datos de la red y sólo existen en los cables que conectan los nodos de la red).
Existen varios analizadores de protocolos. Los analizadores de protocolos pueden ser programas software baratos que se ejecutan en equipos conectados en red existentes. Los analizadores de protocolos más avanzados y más caros son equipos portátiles de propósito especial que se pueden conectar a cualquier porción física de la red para facilitar el aislamiento de los problemas de transmisión de datos. Axarnet (2005).
2.10 MEDICIÓN DEL RENDIMIENTO DE UNA FAST ETHERNET
Según Rincón (2003) los parámetros constantes de una Red Ethernet los cuales se mantienen en una Fast Ethenet, están definidos en la especificación y son los siguientes:
• Bit Rate: Fast Ethernet opera a 100Mbit/seg. El Bit rate sólo expresa la cantidad de bit que se pueden transmitir por un canal y depende de la aplicación que se este utilizando así como de la codificación. La codificación
es necesaria para una transmisión de datos confiable. Algunos sistemas de codificación permiten un bit rate más alto a pesar de las limitaciones del ancho de banda, de este modo se hace posible transmitir más rápido el dato sobre el mismo enlace.
• Retardo de Propagación: es el tiempo de propagación de una señal
desde un nodo hasta el siguiente. El tiempo es generalmente despreciable, ya que la velocidad típica de las señales electromagnéticas a través de un cable es de 80% la velocidad de la luz, es decir, 2,3 x 108 m/s.
• Tiempo Máximo de la Señal de Colisión: Con velocidad de 100Mbps,
el tiempo de colisión se reduce a 10 veces, de 2.500mts a 250mts, el cual no es problema ya que no están separados los dispositivos por mas de 100mts
• Ranura de Tiempo: Intervalo de tiempo continuamente repetido
(Interframe Gap) o un periodo de tiempo en el que dos dispositivos son capaces de interconectarse.
• Tamaño mínimo del Paquete: no puede ser menos que una ranura de tiempo para que las colisiones puedan ser detectadas. Por eso el tamaño mínimo es de 64 bytes, donde se incluyen 12 Bytes de tiempo de espera, 22 bytes de cabecera y 4 byte de chequeo de errores.
• Tamaño máximo del Paquete: está definido por 1538 bytes, donde se
incluyen 12 Bytes de tiempo de espera, 22 bytes de cabecera y 4 byte de chequeo de errores.
• Número de Host: el número de estaciones de este trabajo por
segmento de cable es de 100mts.
• Persistencia: Fast Ethernet utiliza el protocolo CSMA/CD 1-persistente.
Se traduce en que si una estación se encuentra lista para transmitir cuando el canal está ocupado, transmitirá tan pronto como el canal se desocupe, con una probabilidad de igual 1.
Además de los parámetros constantes, el rendimiento depende de varios parámetros definidos por los usuarios de la red. Dichos parámetros no son ciento por ciento independientes los más relevantes son:
• Distribución Probabilística del Tamaño de los Paquetes: Los estudios
realizados han determinado que la distribución probabilística del tamaño del paquete tiende a ser bimodal; con dicho tamaño cerca del tamaño mínimo del paquete o cerca del tamaño máximo del paquete.
• Número actual de Host: El número de estaciones en las redes ethernet varía dependiendo de las necesidades de la empresa.
• Tasa de Arriba de los Paquetes: A pesar de que Fats Ethernet permite a una estación transmitir un paquete de tamaño mínimo cada 5,1 microsegundos, la mayoría de las estaciones son incapaces de transmitir o recibir más de unos pocos cientos de paquetes por segundos. Este limita efectivamente la tasa de arribo de paquetes.
• Tamaño actual del Cable: El tamaño del cable en una Fast Ethernet debe ser menor al máximo establecido en el estándar (250 metros o 5,1 microsegundos). Normalmente no pasa de 100 metros de cable para que
pueda ser utilizado.
2.11 CALCULOS DE TRAMAS PARA FAST ETHERNET
Para el mínimo de carga útil por trama de datos es de 64 bytes (para una ranura de tiempo de la arquitectura fast ethernet) El máximo de tramas de datos alcanzada por un nodo sin que la transmisión sufra una colisión implica una trama de datos de 90 bytes. Con un intervalo de tiempo correspondiente a 12 bytes para 100Mbps. El periodo de utilización total es de 102 bytes.
Cuadro 3. Tamaño mínimo de una Trama de datos
Parte de la Trama Tamaño mínimo de la trama Intervalo de tiempo (interframe gap) 12 Bytes
Preámbulo + SFD 8 Bytes
Dirección de Destino 6 Bytes
Dirección Fuente 6 Bytes
Longitud/Tipo PDU 64 Bytes+2Bytes
Control de Redundancia 4 Bytes
Total de la Trama de Datos 102 Bytes Fairhurst (2001) Ethernet Frame Calculations
Calculo del máximo número de tramas por segundo:
Cantidad que se pueden transmitir (bits por segundo) / Total trama de datos
= 100.000.000 bps / 102 x 5 bit = 196.078,43 tramas por segundo
Para el máximo de carga útil por trama de datos es 1500 bytes (para una ranura de tiempo de la arquitectura fast ethernet. El máximo de tramas de datos alcanzadas por un nodo sin que la transmisión sufra una colisión implica una trama de 1526 bytes. Con un intervalo de tiempo correspondiente a 12 bytes para 100Mbps. El periodo de utilización total es de 1538 bytes.
Cuadro 4. Tamaño mínimo de una Trama de datos
Parte de la Trama Tamaño máximo de la trama
Intervalo de tiempo (interframe gap) 12 Bytes
Preámbulo + SFD 8 Bytes
Dirección de Destino 6 Bytes
Dirección Fuente 6 Bytes
Longitud/Tipo PDU 1500 Bytes+2Bytes
Control de Redundancia 4 Bytes
Total de la Trama de Datos 1538 Bytes
Fairhurst (2001) Ethernet Frame Calculations
Calculo del máximo número de tramas por segundo:
Cantidad que se pueden transmitir (bits por segundo) / Total trama de datos
= 100.000.000 bps / 1538 x 5 bit = 14003,90 tramas por segundo
2.12 ASPECTOS MATEMÁTICOS PARA MEDIR EL RENDIMIENTO DE UNA RED FAST ETHERNET
Para Rincón (2003), desde el punto de vista matemático, existen varios elementos que influyen en el rendimiento de una red fast ethernet estos son:
Tiempo de Propagación: se define como la distancia del medio o enlace (D), dividido entre la velocidad de la propagación (V), donde V es igual a la velocidad de la luz (3x108 m/seg) para las transmisiones que ocurre a través del cable de cobre es de 80% la velocidad de la luz (2,3x108 m/seg)
seg m x
D V
Tp D
/ 10 3 ,
2 8
=
= (1)
Tiempo de transmisión: se define como el tamaño de la trama en bit (L), dividido entre la tasa de transmisión (R). Para una red fast ethernet la tasa de transmisión es de 100Mbit/seg.
seg bit R
Tt L
/ 000 . 000 . 100
= 1
= (2)
Definiciones en parámetro “a”, que representa la división entre el tiempo de propagación y el tiempo de transmisión.
LV DR LR
DV Tt
a =Tp = = (3)
Este parámetro es fundamental para el cálculo del rendimiento en redes LAN, debido a que permite definir el límite superior de la utilización de la red (utilización máxima).
Intervalo de transmisión: es el número de ranuras de tiempo que utilizan para transmitir información:
It a 2
= 1 ranuras (4)
Intervalo de contención: sección de ranuras en las que se procede colisión o no existe transmisión. Para calcular su longitud promedio se calcula la probabilidad de que una estación intenta transmitir en una ranura de tiempo y consiga el medio (A) (probabilidad binomial de que cualquier estación intente transmitir y las otras no):
(
1)
1(
1)
11 '
−
− = −
−
=N P P n NP P N
A (5)
N= estaciones, P= probabilidad ranuras disponibles Esta función alcanza un máximo cuando
P= N1 1 1
1
−
−
=
N
A N (6)
Para calcular el rendimiento máximo del medio, se debe hacer cumplir la siguiente regla: durante periodos de gran uso, una estación debería restringir su carga ofrecida a
N
1 . Una situación de poco tráfico, no permite
alcanzar la utilización máxima del medio.
La longitud media (esperanza) de un intervalo de contención (w) es:
[ ] ∑∞
=
×
=
1
Pr
i
i w
E (7)
que es la secuencia con i ranura donde existe colisión o no hay transmisión, seguida por una ranura donde ocurre transmisión.
[ ] ∑∞ ∑ ( )
−
∞
−
×
−
×
=
×
=
1 1
' 1 Pr
i i
A A i
i w
E , que converge a:
[ ]
Aw A E =1−
(8) Obteniendo así la Utilización de la red (U):
× − +
=
A a A
U 1
2 1
1 (9)
Latencia: La latencia o retardo de transmisión (L) es el tiempo empleado en enviar un único paquete de datos (T), dado el tiempo de propagación (P).
P T
L= + (10)
3. DEFINICIÓN DE TÉRMINOS BÁSICOS
Administrador de red: especialista de red y analista de red se designan a aquellas posiciones laborales en las que los ingenieros se ven involucrados en redes de computadoras, o sea, mantienen el hardware y software de la red. Wikipedia (2005).
Ancho de Banda: El ancho banda mide la velocidad de transmisión de una línea de comunicaciones. Esta velocidad, ritmo o flujo de transmisión se mide por la cantidad de datos que se pueden enviar/recibir por unidad de tiempo.
Harlam J. (1999)
Capacidad del Canal: Para Monge (2004) es la cantidad de información
máxima que el canal (medio) puede transportar por unidad de tiempo C=B*log2(1+S/N) (bps), donde B es ancho de banda, Señal y N es el ruido.
Comunicación de Datos: Es el proceso de comunicar información en forma binaria entre dos o mas puntos. Mateo (2000).
Conmutador: es un dispositivo que interconecta dos o más segmentos de red de computadoras y que opera en la capa 2 (nivel de enlace de datos) del modelo OSI. Wikipedia (2005).
CSMA/CD: (Carrier Sense with Multiple Access with Collision Detection).
Acceso múltiple con detección de portadora y detección de colisiones. Red CSMA que tiene la capacidad de detectar los errores que resulten al transmitir simultáneamente varias estaciones.Harlam (1999).
Dominio de Colisión: La máxima velocidad en que viajan los datos entre dos estaciones). Wikipedia (2005).
Ethernet: Es el protocolo por el cual se comunican los computadores en un entorno local de red. El cable que se inserta atrás de la computadora y parece un "jack" de teléfono grande es utilizado para enviar información en este protocolo, la computadora utiliza una tarjeta NIC ("Network Interface Card") para realizar la comunicación. Cada tarjeta NIC contiene una dirección MAC (única), esta dirección MAC corresponde a la dirección física o
"Hardware" de la computadora. Harlam (1999).
IEEE: (Instituto de Ingeniería Eléctrica y Electrónica). Organización profesional cuyas actividades incluyen el desarrollo de estándares de comunicaciones y redes. Los estándares de LAN de IEEE son los estándares
que predominan en las LAN de la actualidad.Harlam (1999).
LAN: se expande en un área relativamente pequeña. Se encuentran comúnmente dentro de una edificación o un conjunto de edificaciones que estén contiguos. Así mismo, una LAN puede estar conectada con otras LANs a cualquier distancia por medio de línea telefónica u ondas de radio. Pueden ser desde 2 computadoras, hasta cientos de ellas. Harlam (1999).
NRZ: Método de codificación donde el nivel de la señal siempre es positivo o negativo. Forouzan (2002).
OSI: (International Standards Organization) En este modelo, el propósito de cada nivel es proveer servicios al nivel superior, liberándolo de los detalles de implementación de cada servicio. La información que se envía de un computador a otro debe pasar del nivel superior al nivel inferior atravesando todos los demás niveles de forma descendente, dentro del computador que origina los datos. Harlam (1999).
Paquete: fracciones de un mensaje de tamaño predefinido, donde cada fracción contiene información de procedencia y de destino, así como información requerida para el reensamblado del mensaje. Harlam (1999).
Protocolo: es un conjunto de reglas establecidas entre dos dispositivos para permitir la comunicación entre ambos. Harlam (1999).
Trama de Red: es una unidad de envío de datos. Viene a ser sinónimo de paquete de datos o Paquete de red, aunque se aplica principalmente en los niveles OSI más bajos, especialmente en el Nivel de enlace de datos.
Wikipedia (2006).
4. DEFINICIÓN DE LA VARIABLE
Variable:
Modelo Matemático Definición Conceptual
Según Cisneros (2003) y Quezada (2003) El modelo matemático es cualquier conjunto de ecuaciones o estructuras matemáticas, complejas y consistentes, elaborado para corresponder a alguna otra entidad. Puede ser una entidad: Física, biológica, social, psicológica o conceptual, incluso otro modelo matemático.
