Voice VLAN

Cisco ofrece en los switches Catalyst un feature específico denominado Voice VLAN que permite la superposición de una topología de voz a una red de datos. Esto permite segmentar la red de telefonía IP compartiendo la infraestructura física de la red de datos.

• Coloca los teléfonos en una VLAN independiente sin necesidad de intervención del usuario.
• La asignación de VLAN se puede mantener uniforme aún en caso de que el teléfono sea cambiado de ubicación.
• El usuario simplemente conecta el teléfono al switch, y el switch le provee con la información necesaria.
• Esto facilita la segmentación y control del tráfico para preservar el tráfico de voz.
• La asignación de un segmento IP propio para los teléfonos depende solamente del servicio DHCP.
• Permite aplicar políticas de seguridad y QoS propias de la red de telefonía.
• En síntesis, se genera una topología lógica independiente con las mismas ventajas de una topología física separada, con menos complejidad.

Para esto los switches soportan la posibilidad de un puerto de acceso que sea multi-VLAN. A la VLAN de acceso convencional se agrega ahora la VLAN de voz o VLAN auxiliar. De este modo el puerto de acceso queda asociado a 2 VLANs:

• Una VLAN nativa identificada por el PVID para el servicio de datos.
• Una VLAN de voz identificada por el VVID

La operación de esta función depende de CDP.

• Durante el intercambio inicial de CDP con el switch el teléfono es configurado con el VVID.
• Utilizando CDP también se puede proporcionar configuración de QoS al teléfono.

Los paquetes de datos que tenera la terminal son intercambiados con el switch utilizando la VLAN nativa del puerto del switch, por lo que no llevan etiqueta de modo que no se requiere ninguna configuración en la terminal.
El teléfono IP marca las tramas utilizando la información de VLAN proporcionada por CDP.
El puerto del switch no es un puerto troncal sino que es considerado un puerto de acceso que transporta su VLAN nativa y la voice VLAN.

Configuración

Es una variación de la configuración de un puerto de acceso.

Switch(config)# interface gigabitethernet 0/10
Switch(config-if)# switchport mode access
Switch(config-if)# switchport access vlan 10
Switch(config-if)# switchport voice vlan 100
Switch(config-if)# exit
Switch(config)# exit
Switch#show vlan brief

VLAN Name                     Status    Ports
---- ----------------------- --------- ----------------------------
1    default                  active
10   Datos                    active    Gi0/1, Gi0/2, Gi0/3, Gi0/10
100  Voz                      active    Gi0/10
...

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La dirección de loopback

La dirección IP loopback es una dirección ip (también conocida como localhost) reservada específicamente para probar el funcionamiento de TCP/IP en un dispositivo.

• La dirección reservada del espacio de direccionamiento IPv4 es el que corresponde al segmento 127.0.0.0/8
• La dirección reservada del espacio de direccionamiento IPv6 es solamente una IP ::1

¿Para qué se necesita una dirección de loopback?
Las tareas de diagnóstico de una conexión de red, en principio, requieren siempre de 2 terminales: un transmisor y un receptor.
Cuando Internet estaba en sus primeros pasos era posible que ambos terminales estuvieran a cientos o incluso miles de kilómetros de distancia. Y cuando se realizan la misma prueba es deseable que tanto transmisor como receptor se encuentren en el mismo ámbito para tener control de la totalidad de la conexión; esto inicialmente no era posible no sólo por cuestiones de espacio, sino también de tiempo. Por eso es deseable que el inicio y el final del circuito se puedan encontrar en el mismo dispositivo.
De aquí que se introdujera el concepto de loopback originado en las redes analógicas.
Por ello, al diseñar el stack a utilizan en la operación de las redes de datos se introdujo la posibilidad de probar un circuito TCP/IP sin siquiera necesidad de contar con una interfaz de red operativa.
De esta manera es posible  verificar la operación de todos los protocolos de red instalados simplemente ejecutando un ping al localhost o a la dirección IP de loopback.

¿Cuándo se introduce la dirección de loopback?
No está muy claro el momento de introducción de las direcciones de loopback.
Sí es claro que se introducen con IPv4. Uno de los primeros rastros de su implementación está en el código fuente de BSD Unix 4.1a que data de 1983, donde ya se utiliza la red 127, último bloque de direcciones de la Clase A de IPv4:

1  # define LONET   127
2  # define LOHOST  1 / * no puede ser 0, se transmite * /

3  # define LOMTU   ( 1024 + 512 )

El uso del segmento se documentó recién en 1986, en el RFC 990:

Direcciones especiales : 

En ciertos contextos , es útil tener direcciones fijas con significado funcional más que como identificadores de hosts específicos.

• La dirección cero debe ser interpretada como significado "este" , como en "esta red". Por ejemplo, la dirección 0.0.0.37 podría ser interpretada como "el host 37 en esta red". 

• La dirección de todos unos debe interpretarse como que significa "todos", como en "todos los hosts". Por ejemplo, la dirección 128.9.255.255 podría ser interpretada como "todos los hosts en la red 128.9".

Al número de red de clase A 127 se le asigna la función "loopback", esto es, un datagrama enviado por un protocolo de nivel superior a una dirección de la red 127 debe devolverse dentro del host . El datagrama "enviado" a una dirección de red 127 no debería aparecer en ninguna red en ningún momento.

¿Por qué en IPv4 es la red 127.0.0.0/8 completa?
En los inicios del desarrollo de Internet, en el despliegue inicial de ARPANET era reducido en cuanto a la cantidad de nodos conectados, tan reducido que las redes conectadas utilizaban todas aúna direccionamiento clase A.

Diagrama de ARPANET en el año 1982

En ese momento era inimaginable la proporción que tomaría la red en los próximos años, y quizás por eso asignar el último bloque de la clase A parecía lógico y conveniente.

No hay una declaración explícita de por qué se eligió la red 127 y no otra clase B o C. Son muchas las suposiciones que se han hecho al respecto, la más habitual es la facilidad de codificar y reconocer una dirección definida solamente por 1111111.

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IEEE 802.11ax (2)

Voy ahora a continuar con la revisión de algunos aspectos importantes del nuevo estándar de redes LAN inalámbricas IEEE 802.11ax.

Si querés revisar el inicio de esta serie de posts, por favor, ingresá aquí. 
Solo a modo de repaso revisemos las principales características del estándar:

• Compatibilidad con todos los estándares de capa física anteriores: 802.11a/b/g/n/ac
• Prestación por usuario muy superior en escenarios de alta densidad de clientes.
• Introducción de codificación 1024-QAM logrando mayores tasas de transferencia de datos.
• Modulación OFDMA con MU-MIMO tanto en el downlink como en el uplink.
• Modificaciones en la modulación OFDM FFT para lograr mayor robustez y rendimiento en entornos con múltiples reflejos y atenuación.
• Mejor flujo de tráfico y acceso a canales.
• Mejor administración de potencia para lograr mayor duración de la batería de los terminales.

Operación de múltiples usuarios
802.11ax tienes 2 modos de operación:

• Single User MIMO.
  Cada una de las terminales asociadas al AP envían y reciben tramas de datos una a la vez, de modo secuencial.
  Es el modo de operación tradicional de redes 802.11.
• Multiple User MIMO.
  Varias terminales conectadas al mismo AP pueden operar de modo simultáneo ya sea en el downlink como en el uplink.
  - En el downlink posibilita  que el AP transfiera datos a múltiples terminales de modo simultáneo. Esto ya estaba soportado en 802.11ac.
  - En el uplink posibilita que múltiples terminales transmitan simultáneamente hacia el AP. Esta es una novedad introducida por 802.11ax.

En el modo MU-MIMO también se especifican 2 formas diferentes de multiplexación: MU-MIMO con OFDM y MU-MIMO con OFDMA.

Para posibilitar esto el AP actúa como un controlador central que gestiona de modo independiente la operación de todos los aspectos de cada uno de los múltiples enlaces que la conectan con las terminales que tiene asociadas.

MIMO con Múltiples Usuarios
Ya 802.11ac implementaba MU-MIMO combinado con beamforming logrando una multiplexación espacial que permite mantener comunicación simultánea del AP con varias terminales diferentes.
Para esto el AP mantiene una matriz con la información correspondiente a cada enlace de cada terminal.

IEEE 802.11ax soporta la implementación simultánea de hasta 8 enlaces o cadenas de transmisión diferentes. A cada uno de estos enlaces de conexión a cada una de las diferentes terminales en la matriz corresponde su propio MCS (tasa de transferencia) y cantidad de cadenas de transmisión en paralelo.
En el uplink los APs 802.11ax mantienen esta matriz de conexiones para identificar cuál es la terminal que está transmitiendo en cada una de esas cadenas de transmisión y a qué conexión corresponde cada porción de información.

OFDMA
Para lograr mantener la conexión de mayor cantidad de terminales de modo simultáneo y aprovechar mejor el ancho de banda del canal, 802.11ax implementa OFDMA.
Las transmisiones IEEE 802.11a/g/n/ac ya utilizaban modulación OFDM (modulación por división de frecuencias ortogonales).
Sobre este esquema OFDMA introduce una modificación de relevancia: se asignan subportadoras específicas a cada terminal; es decir, divide el ancho de canal utilizado (20,40,80 o 160 MHz.según se haya definido) en subcanales, cada uno con un número específico de subportadoras.
Tomando como base la terminología propia de LTE (de dónde se ha tomado este tipo de modulación) se denomina Resource Unit (RU) a cada subcanal o bloque de 26 o más subportadoras.

El AP asigna cada subcanal en base a las necesidades de tráfico de downlink hacia los múltiples terminales buscando asignar todas las RUs disponibles.

De esta manera, un AP 802.11ax puede asignar todo el canal a un único usuario (como hace 802.11ac) o lo puede dividir para dar servicio a múltiples usuarios simultáneamente.

Este mecanismos permite, en entornos de "alta densidad" de terminales generar una celda en la que los terminales no necesitan competir por tiempo de uso del medio como ocurre habitualmente con CSMA/CA. OFDMA permite brindar espacio a múltiples terminales simultáneamente utilizando subcanales más pequeños pero dedicados.
Para esto el AP puede utilizar diferentes tamaños de RU, según se requiera. En su expresión más exigente este mecanismo permite asignar espacio en el downlink hasta a 9 terminales en un canal de 20 MHz.

Uplink de múltiples usuarios
Para coordinar las transmisiones MU-MIMO y OFDMA del uplink (desde las terminales hacia el AP), el AP envía una trama gatillo a la celda indicando el número de cadenas de transmisión espaciales y de asignaciones OFDMA (tamaño del RU) disponibles. 
A esto se agrega información de control de potencia para adecuar la potencia de los terminales de modo de intentar igualar la potencia con la que el AP recibe a todos los terminales para mejorar la recepción de tramas generadas por las terminales más alejadas.
El AP indicará a las terminales cuándo comenzar y terminar su transmisión. De esta manera las terminales comienzan y cesan sus transmisiones al mismo tiempo de modo que el AP envía un único acknowledge para las transmisiones de todos los terminales.

Uno de los objetivos principales de estos procedimientos (MU-MIMO de uplink y downlink y OFDMA) es optimizar el tiempo de operación de cada terminal para aumentar (hasta 4 veces) la cantidad de información transmitida (throughput) por cada terminal en entornos con alta densidad de usuarios.

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