Redes de Telecomunicación

Redes de Telecomunicación
Luis López Fernández 2006

Redes de Telecomunicación
Contenidos Lección 1.1: Introducción Redes: motivación Fundamentos de transmisión de datos Lección 1.2: El núcleo de la red Conmutación de circuitos Conmutación de paquetes Lección 1.3: Acceso a la red Tecnologías de acceso fijo Acceso sin cables Lección 1.4: Software de redes Encapsulamiento Jerarquías de protocolos Lección 1.5: Modelos de referencia El modelo OSI El modelo TCP/IP Lección 1.6: Internet Historia de Internet Estructura de Internet Redes de Telecomunicación

Comunicación: motivación
¿Por qué nos interesa la comunicación? Para compartir recursos Para compartir información Para coordinar un conjunto de acciones/procesos ¿Qué impacto tienen las tecnologías de telecomunicación? Aumentar la información disponible y la coordinación Disminuir los costes Aumentar la eficiencia Disminuir los tiempos de respuesta ante incidencias o cambios Aumentar la productividad Etc.

Comunicación: el papel de las redes
terminales Infraestructuras de comunicación (Permiten trasmitir mensajes entre nodos remotos) Red: Conjunto de infraestructuras de interconexión que permiten el establecimiento de una comunicación entre dos o más terminales a través del intercambio de información

Topología de red: ejemplos
¿Requiere mecanismo de direccionamiento? (Identificar cada destinatario a través de un nombre único) ¿Requiere mecanismo de encaminamiento? (Determinar el camino a seguir entre varios posibles) Red centralizada en estrella Red en bus con medio compartido Red completamente conectada Red en anillo unidireccional

Ingredientes de una red
Elementos Físicos Medios de transmisión Dispositivos de emisión – recepción CPUs, memoria, etc. Hardware específico Elementos lógicos Elementos lógicos que gestionen el proceso de intercambio de mensajes entre los diferentes elementos con el fin de que la comunicación extremo – a – extremo tenga lugar Software para redes de comunicaciones Firmware para redes de comunicaciones

Elementos Físicos: señales y comunicaciones
Señal de información Variación de una propiedad física (presión, voltaje, intensidad luminosa, etc.) producida por un emisor, que es susceptible de ser recibida por un receptor Medio de transmisión Soporte físico por el que viaja la señal de información Ejemplos de transmisión de información Transmisión analógica de voz a través del aire Transmisión digital de datos a través de un par de cables

Transmisión digital: parámetros de interés
Ancho de banda Mide la cantidad de información digital que se puede enviar por unidad de tiempo La información digital se mide en bits Un bit es la información que transporta un dígito binario (normalmente 0 o 1) El ancho de banda se mide en bits por segundo Retardo de transmisión Mide el tiempo que transcurre desde que el emisor envía un bit hasta que el receptor lo recibe Se mide en segundos Calidad de transmisión - BER (Bit Error Rate) Mide la probabilidad de que se produzca un error en la transmisión de un bit debido a las alteraciones que el medio de transmisión añade sobre la señal No tiene unidades Prefijos métricos en telecomunicaciones mili (m) Kilo (K) 103 micro () Mega (M) 106 nano (n) Giga (G) 109

Medios de transmisión: cables
Cables de Par trenzado Un par de alambres de cobre aislados y trenzados helicoidalmente Buena calidad de transmisión para distancias cortas (centenares de metros) Existen diferentes clases dependiendo del tipo de trenzado y del diámetro Categoría 3: Bucle local para abonados de telefonía fija Ethernet 10Mbps Categoría 5: Ethernet 100Mbps Cables Coaxiales Un alambre de cobre rígido, rodeado de un material aislante, que está, a su vez, forrado de un conductor cilíndrico Buena calidad de transmisión para distancias intermedias (algunos kilómetros) Los primeros sistemas Ethernet lo utilizaban Redes HFC (Hibrid Fiber Coaxial) de televisión por cable

Transmisión por fibra óptica
Fibra de vidrio (cristal de ventana) que transporta impulsos de luz Buena calidad de transmisión para distancias largas (centenares de kilómetros) Altísimas tasas de transmisión Anchos de bada típicos: 10 Gbps Anchos de banda máximos: 50 Tbps Inmune al ruido electromagnético Muy difícil de “pinchar” Múltiples aplicaciones en las que se requieran elevadas tasas de transmisión Redes de área local (FDDI) Redes troncales de telefonía (SDH – SONET) Núcleo de las redes de datos (Internet) Etc.

Transmisión a través de ondas radioeléctricas
Las señales viajan como ondas radioeléctricas No existe ningún tipo de “cable” que sirva de “guía” Se interceptan con facilidad Muy sensibles al entorno de propagación Reflexiones, desvanecimientos Obstrucción de objetos, Interferencias Aplicaciones Microondas terrestres Canales de hasta 45Mbps Redes de área local Diferentes estándares: 10Mbps, 54Mbps Redes de telefonía móvil GSM, 3G Comunicaciones por satélite Canales de hasta 56Mbps Geoestacionarios: 270ms de retardo de extremo a extremo LEOS

Espectro electromagnético

Transmisión símplex, dúplex y semidúplex
Conexión dúplex (dúplex total, full duplex): Permite el flujo de tráfico en ambas direcciones de manera simultánea Ejemplo: Una calle ancha de doble sentido por donde pueden circular dos coches a la vez Conexión símplex: Permite el flujo de tráfico en una sola dirección Ejemplo: Una calle de un solo sentido Conexión semidúplex (half-duplex): Permite el flujo de tráfico en ambas direcciones, pero sólo en un sentido a la vez Ejemplo: Una calle estrecha de doble sentido donde sólo puede circular un coche a la vez

Lección 1.1: Comentarios y referencias
Comentarios y reflexiones Las redes de ordenadores son el principal protagonista de la Sociedad de la Información, en detrimento de otras redes más tradicionales, ¿por qué? Los cables de par trenzado son los más utilizados en las redes de ordenadores, ¿por qué? Investiga qué tipos existen y cuáles son sus características Existe una relación ente el rango de frecuencias que componen una señal y la cantidad de información que esta puede transportar. Investiga cuál es esta relación. ¿Crees que este hecho guarda alguna relación con la capacidad de transmisión de los medios que hemos estudiado? Las ondas radioeléctricas pueden atravesar paredes y edificios, aunque esta capacidad depende de su frecuencia. Investiga este fenómeno Referencias Redes de Computadores. Andrew S. Tanenbaum. Prentice Hall, Cuarta Edición, 2003 Capítulo1: Introducción Capítulo 2: Capa Física Redes de Computadores, un enfoque descendente basado en Internet. James F. Kurose y Keith W. Ross. Addison Wesley, Segunda Edición, 2003 Capítulo 1: Redes de Computadores e Internet

Contenidos Lección 1.1: Introducción Redes: motivación
Fundamentos de transmisión de datos Lección 1.2: El núcleo de la red Conmutación de circuitos Conmutación de paquetes Lección 1.3: Acceso a la red Tecnologías de acceso fijo Acceso sin cables Lección 1.4: Software de redes Encapsulamiento Jerarquías de protocolos Lección 1.5: Modelos de referencia El modelo OSI El modelo TCP/IP Lección 1.6: Internet Historia de Internet Estructura de Internet

Elementos físicos en una red
Sistemas terminales Son los dispositivos en los que se ejecutan las aplicaciones que requieren un servicio de comunicación Pueden ser de múltiples naturalezas: Ordenadores personales (PC) Teléfonos PDAs Teléfonos móviles Etc. Núcleo de la red (core network) La parte de la red cuyo objetivo es hacer llegar los mensajes desde lugar en que se emiten hasta el lugar en que deben recibirse Sistemas de acceso La parte de la red que se ocupa de conectar, de manera eficiente y económica, los nodos terminales y el núcleo de la red conmutador PC servidor móvil

El núcleo de la red (core network)
Objetivo: Hacer llegar mensajes desde el emisor hasta el receptor Componentes: Líneas y sistemas de transmisión Dispositivos de encaminamiento Conmutadores Encaminadores = Enrutadores = Routers Prioridades: Eficiencia y velocidad Deben dar servicio a un número muy elevado de usuarios Cómo hacer viajar la información en la red Conmutación de circuitos: Se establece un circuito de transmisión de uso exclusivo entre el emisor y el receptor Conmutación de paquetes: Los datos se envían a través de la red partidos en pedazos (paquetes) cada uno de los cuales viaja de manera independiente

Conmutación de circuitos
Se reservan los recursos necesarios para establecer un circuito desde el emisor hasta el receptor Ancho de banda de los enlaces Capacidad de conmutación Los recursos se dedican en exclusiva (no se comparten) Se garantizan las prestaciones Requiere establecimiento de la comunicación El sistema telefónico se basa en la conmutación de circuitos Cómo se hace? Los recursos se dividen en “pedazos” Cada pedazo se asigna a una comunicación Si una comunicación está inactiva, sus recursos se desperdician Hay dos mecanismos básicos Multiplexación por división en frecuencia Multiplexación por división en el tiempo

FDMA y TDMA Ejemplo: 4 usuarios
FDMA: Frequency Division Multiple Access frecuencia tiempo TDMA: Time Division Multiple Access frecuencia tiempo

Conmutación de paquetes
Los datos a transmitir se dividen en paquetes Cada paquete puede ser encaminado, de forma independiente, desde el emisor hasta el receptor Todos los paquetes comparten los mismos recursos de transmisión y conmutación Cada paquete utiliza de manera plena los recursos mientras es transmitido Se utiliza el principio “store and forward” (almacena y reenvía) Los paquetes que llegan a un router se almacenan en una cola hasta que les llegue su turno y puedan ser transmitidos hacia el siguiente router o hacia su destino Los recursos comunes re reparten a través de un mecanismo de “multiplexación estadística” en el tiempo

Conmutación de circuitos Vs conmutación de paquetes
TDMA 1 Mbps link Multiplexación estadística 1 Mbps link La conmutación de paquetes permite utilizar de manera óptima los recursos disponibles Coste: no se garantiza un reparto equitativo de recursos entre los usuarios

Conmutación de circuitos Vs conmutación de paquetes
Ejemplo Enlace 1Mbps Cada usuario 100Kbps si “activo” Activo 10% del tiempo Conmutación de circuitos 10 usuarios Garantizados 100Kbps Conmutación de paquetes Con 35 usuarios Probabilidad > 10 activos es menor que La conmutación de paquetes permite dar servicio a un número mayor de usuarios Coste: no se garantiza la calidad de servicio N usuarios 1 Mbps link

Conmutación de paquetes y congestión
500 bits Conmutación de circuitos Se garantiza que toda la información que se envía en cada intervalo de tiempo puede ser encaminada No se pierde información El retardo es constante 1 Mbps en todos los enlaces 1000 bits Conmutación de paquetes En un intervalo de tiempo, pueden llegar más paquetes al router de los que éste puede enviar Si la situación se prolonga, decimos que el router entra en congestión Se pueden perder paquetes Los retardos no son constantes 1 Mbps en todos los enlaces

Almacenar – y – enviar (Store – and – forward)
Tardamos L/R segundos en transmitir un paquete de L bits sobre un enlace de R bps El paquete debe ser recibido completamente antes de poder ser reenviado (almacenar – y – enviar) Retardo: 3L/R Nota: Consideramos tiempo de propagación despreciable Ejemplo L = 7,5 Mbits R = 1,5 Mbps Retardo = 15 s

Almacenar – y – enviar (Store – and – forward)
Rompamos ahora el mensaje en paquetes de menor tamaño Cada paquete tiene P = L /5.000 = bits P/R = 1ms para transmitir el paquete en cada enlace Ejemplo L = 7,5 Mbits R = 1,5 Mbps Retardo = 5,003 s

Tipos de redes Redes de Telecomunicación Conmutación de circuitos FDM
TDM Conmutación de paquetes Circuitos virtuales Redes de Datagramas

Comentarios y reflexiones Las redes de telefonía se basan en la conmutación de circuitos, sin embargo, en los últimos años son numerosas las aplicaciones que utilizan Internet para transmitir voz humana interactiva (p.e. skype). ¿Qué ventajas e inconvenientes tienen dichas aplicaciones? Los sistemas de conmutación de paquetes utilizan la multiplexación estadística para determinar cuál es el siguiente paquete a transmitir. En una red con congestión, ¿garantiza este mecanismo que los recursos se reparten de manera justa? Investiga y averigua si existen trabajos sobre este tema Las tecnologías ATM incorporan una solución que trata de incorporar las ventajas de la conmutación de paquetes y de circuitos sin sufrir sus inconvenientes. Investiga cuál es el mecanismo que se utiliza Referencias Redes de Computadores. Andrew S. Tanenbaum. Prentice Hall, Cuarta Edición, 2003 Capítulo1: Introducción Capítulo 2: Capa Física Redes de Computadores, un enfoque descendente basado en Internet. James F. Kurose y Keith W. Ross. Addison Wesley, Segunda Edición, 2003 Capítulo 1: Redes de Computadores e Internet

Sistemas de acceso: Internet
¿Cómo conectamos los sistemas terminales a los encaminadores del núcleo? Redes de acceso residencial Redes de acceso institucionales Redes de acceso móviles Parámetros a tener en cuenta Ancho de banda Coste Dedicadas o compartidas Nos centramos en Internet

Acceso a través del sistema telefónico fijo: Modems
Características del sistema telefónico Muy extendido Preparado para la transmisión de voz, no para datos Analógico en el bucle local Acceso a redes de ordenadores mediante el sistema telefónico Codificar la información digital mediante formas de onda “similares” a la voz humana (en rangos de frecuencia) Impide utilizar la línea de telefonía para “hablar” Modem: Modulador – Demodulador Diversos estándares: V.34: bps full duplex V.90: de subida (“uplink”) de bajada (“downlink”) Codec de voz

Acceso a través del sistema telefónico fijo: ADSL
¿Es posible un mayor ancho de banda a través del bucle local? Ancho de banda máximo para cable de categoría 3 en función de la distancia Asumimos que los filtros y codecs de voz no están presentes Es posible ofrecer un servicio de más alta velocidad siempre y y cuando el proveedor disponga de equipos “especiales” en las centrales locales

Acceso a través del sistema telefónico fijo: ADSL
ADSL: Asymmetrical Digital Subscriber Line Proporciona un servicio full duplex asimétrico Hasta 1Mbps de “subida” (up-link) Hasta 8Mbps de “bajada” (down-link) Utiliza la línea telefónica convencional Permite establecer llamadas de voz de forma simultánea ADSL: algunos detalles tecnológicos Se basa en FDMA para “separar” la voz y lo los datos Requiere que el proveedor instale equipos especiales Estos equipos reciben la señal antes de que esta alcance los codecs de voz Conmutador de voz Network Interface Device Codec de voz Línea telefónica Divisor NID Divisor Digital Subscriber Line Access Multiplexer DSLAM Modem ADSL

Redes de cable: cable modem
Origen Empresas de televisión por cable Disponen de infraestructuras de comunicación que alcanzan multitud de clientes, tanto residenciales como empresariales Ofrecen un servicio integrado: televisión, teléfono, Internet, etc. HFC (Hibrid Fiber Coaxial) Redes de fibra óptica y cable coaxial unen a los clientes con los routers de acceso a la red Prestaciones típicas 27 Mbps de “bajada” (down-link) 9 Mbps de “subida” (up-link) Medio compartido Puede tener mejores o peores prestaciones que el ADSL dependiendo del número de usuarios activos en cada momento fibra Head end coaxial hogares

Redes de cable: cable modem
Fuente:

Accesos corporativos: redes de área local
En vez de facilitar un acceso a cada nodo terminal, todos los ordenadores corporativos se conectan en una red “interna” utilizando uno o varios routers Al menos uno de esos routers cuenta con un enlace que le conecta al núcleo de la red superior (p.e. Internet) Este enlace puede ser ADSL, Cable Modem (soluciones económicas) e incluso directamente un enlace de fibra óptica (más caro) Los ordenadores corporativos suelen conectarse utilizando redes de área local (Local Area Network – LAN). Las redes de área local más populares son las de tecnología Ethernet: 10 Mbps (Obsoletas) 100 Mbps (Muy utilizadas) 1 Gbps (Caras todavía) Línea de salida

Redes de área local inalámbricas
La interconexión entre los nodos terminales y el router corporativo se realiza a través de un enlace inalámbrico El medio de transmisión (aire) es compartido Muy sensible a interferencias electromagnéticas Existen numerosos estándares IEEE b (WiFi): 11Mbps IEEE a: 54Mbps IEEE g: 54Mbps ¿Qué sucede con la privacidad? Estación base Hosts móviles router

Redes domésticas Posibilidad de conectar diferentes dispositivos
Posibilidad de desplazar los hosts en el hogar Acceso a través de ADSL o Cable Módem Bajo coste Muy populares en la actualidad portátiles Al proveedor ADSL router/ firewall Punto de Acceso WiFi Ethernet

Otros mecanismos de acceso: redes de telefonía móvil
Muy extendidas y con gran popularidad La mayor parte de los territorios habitados disponen de cobertura Se adaptan fácilmente a la transmisión de datos Los recursos se comparten dentro de cada celda GSM: Capacidad equivalente a un canal de voz GSM (9,6 Kbps) GPRS: Puede utilizar varios canales de voz GSM simultáneamente (C<112 Kbps) UMTS y 3G: Diversos estándares (C = 384 Kbps, llegará hasta 2Mbps en el futuro)

Otros mecanismos de acceso: satélites
Basado fundamentalmente en satélites geoestacionarios Hasta 56 Mbps en bajada, hasta 384 Kbps en subida Retardos elevados (300ms) La única solución posible para acceso en entornos rurales remotos Dos posibilidades Subida por modem – bajada por satélite Requiere sólo antena receptora (mucho más barata) Requiere la presencia de una línea telefónica apropiada Subida por satélite – bajada por satélite Requiere antena y equipamiento emisor (mucho más caro) No requiere ningún elemento adicional (aparte de la potencia eléctrica)

Comentarios y reflexiones La fibra óptica dispone de anchos de banda muy superiores a los del resto de medios de transmisión. ¿Por qué crees entonces que no se utiliza habitualmente como tecnología de acceso a Internet? Investiga qué costes tienen en tu ciudad los diferentes mecanismos de acceso que hemos presentado. Presenta en una tabla los resultados incorporando las prestaciones que se ofrecen en cada uno de ellos El espectro electromagnético es un recurso gestionado por los estados. Para transmitir en una determinada franja de frecuencias es necesario contar con una licencia que lo autorice. ¿Necesitas licencia para instalar una red WiFi en tu casa? Investiga al respecto en la legislación pertinente Referencias Redes de Computadores. Andrew S. Tanenbaum. Prentice Hall, Cuarta Edición, 2003 Capítulo1: Introducción Capítulo 2: Capa Física Redes de Computadores, un enfoque descendente basado en Internet. James F. Kurose y Keith W. Ross. Addison Wesley, Segunda Edición, 2003 Capítulo 1: Redes de Computadores e Internet

Fundamentos de transmisión de datos Lección 1.2: El núcleo de la red Conmutación de circuitos Conmutación de paquetes Lección 1.3: Acceso a la red Tecnologías de acceso fijo Acceso sin cables Lección 1.4: Arquitectura de redes Encapsulamiento Jerarquías de protocolos Lección 1.5: Modelos de referencia El modelo OSI El modelo TCP/IP Lección 1.6: Internet Historia de Internet Estructura de Internet

El concepto de servicio
Servicio: Conjunto de facilidades que un sistema ofrece para satisfacer una necesidad, así cómo las garantías asociadas a las mismas Ejemplo de servicios de comunicaciones humanas Correo postal Correo postal certificado con acuse de recibo Radiodifusión Telefonía Videoconferencia Etc. Las redes de ordenadores ofrecen e implementan servicios de comunicación entre los mismos El servicio va a ser el hilo vertebrador a partir del cual vamos a comprender la estructura y funciones de las redes

El concepto de protocolo
Protocolo: Conjunto de reglas que rigen el intercambio de mensajes entre dos entidades que se comunican para lograr un fin Ejemplo de protocolo humano: Pedir la hora Finalidad: Obtener información sobre la hora actual de la otra entidad Entidad 1 Entidad 2 KJDjdjKJDF Hola Hola Tiene hora? Son las tres

Diseñando redes de telecomunicación
Toda red cuenta con dos ingredientes esenciales Elementos físicos: Medios de comunicación: cables, fibra óptica, emisores, receptores, etc. Elementos de conmutación y encaminamiento Elementos de control: CPUs, memorias, etc. Elementos lógicos: Procedimientos que controlan los medios físicos para llevar a cabo los servicios. Normalmente se implementan como un software de comunicaciones Las redes ofrecen multitud de servicios que requieren elementos lógicos (software) y físicos (hardware) complejos y difíciles de desarrollar y mantener (elementos de tiempo real, ejecución concurrente, interacción entre sistemas remotos desarrollados por personas diferentes, etc.) ¿Qué técnicas conocemos para minimizar los problemas asociados al desarrollo y mantenimiento de software complejo?

Desarrollo y mantenimiento de sistemas complejos: encapsulación y aislamiento
Los servicios que queremos implementar son complejos y utilizan procedimientos y protocolos complicados. Para simplificar las labores de desarrollo y mantenimiento utilizamos el principio de la encapsulación como mecanismo de abstracción: Principio: Ofrecer un conjunto de operaciones a través de una interfaz establecida Ocultar los detalles de implementación Aislar los diferentes elementos de forma que se confinen funcionalidades y errores Usuario Interfaz Impl. Interfaz Impl. Interfaz Impl.

Redes de ordenadores: ejemplo
Módulos de codificación decodificación Interfaz Impl. Módulos de cifrado descifrado Módulos envío recepción de red Lógica del dispositivo Usuario Usuario Interfaz Impl. Usuario Interfaz Impl. Protocolo para acordar codificación algoritmo de cifrado Protocolo para el intercambio Protocolo con parámetros físicos Módulo de codificación decodificación Módulo de cifrado descifrado Interfaz Impl. Interfaz Impl. Módulo entrada salida a disco Interfaz Impl. Lógica del disco duro Medio de transmisión Disco físico

Redes: jerarquías de protocolos
Para simplificar el proceso de desarrollo de sistemas de comunicaciones se han realizado una serie de acuerdos Las redes se organizan en un conjunto de capas o niveles La capa N ofrece servicios a la N+1 y solicita servicios a la N-1 Las entidades que abarcan las capas correspondientes al nivel N en diferentes máquinas se llaman iguales Los iguales de nivel N mantienen una “conversación” a través del protocolo de capa N Entre cada par de capas adyacentes existe una interfaz que define qué operaciones y servicios ofrece la capa inferior a la superior Un conjunto de capas y protocolos se conoce como una arquitectura de red Las arquitecturas de red de los sistemas abiertos están estandarizadas La lista de protocolos utilizados en una arquitectura (un protocolo por capa) se conoce como pila de protocolos

Mensajes y jerarquías de protocolos
Capa N Capa N-1 Capa N-2 Capa 1 Aplicaciones de usuario … E1 EN-2 EN-1 EN …

Mensajes y jerarquías de protocolos (cont.)
El mensaje de nivel N encapsula al mensaje de nivel N-1 y le añade encabezados u otro tipo de información necesaria para llevar a cabo el protocolo de nivel N Ninguno de los encabezados de las capas inferiores llega a la capa N Diferencia entre las comunicaciones virtual y real En realidad, las comunicaciones se producen en vertical entre niveles adyacentes a través de las interfaces de los niveles La única comunicación “horizontal” (remota) real se produce en el medio de transmisión Conceptualmente, las capas ven “como si” la comunicación fuera horizontal entre iguales (el mensaje de la capa N del extremo izquiero es recibido sin alteración por la capa N del extremo derecho) Al utilizar esta abstracción de comunicación “virtual” entre iguales, se simplifica enormemente el diseño y desarrollo de software para redes de ordenadores Puntualización: En las capas inferiores, algunos procedimientos lógicos se implementan directamente en hardware, por lo que nuestra noción de “software de redes” debe ser entendida de manera flexible

Servicios básicos ofrecidos por las capas: servicio orientado a conexión
Cuando una capa N ofrece un servicio orientado a conexión, el protocolo de nivel N debe garantizar el envío “como si” hubiese un “tubo” entre los iguales remotos El emisor empuja objetos (bits) por un extremo y el receptor los toma por el otro Se conserva el orden en que se han enviado los objetos (bits) Es necesario realizar un establecimiento previo de la conexión Esquema similar al utilizado en las comunicaciones telefónicas Pueden existir diferentes calidades de servicio: ¿Se pueden perder datos? ¿Se puede garantizar un retardo máximo entre el envío y la recepción? Datos 3 Datos 2 Datos 1 Capa N Capa N Implementación oculta de un servicio de envío de datos orientado a conexión

Servicios básicos ofrecidos por las capas: servicio no orientado a conexión
Cuando una capa N ofrece un servicio no orientado a conexión, el protocolo de nivel N debe proporcionar primitivas para el envío de mensajes Cada mensaje contiene la dirección de su destinatario y viaja de manera independiente por la red No tiene por qué conservarse el orden de envío de mensajes No es necesario el establecimiento de conexión alguna Esquema similar al utilizado en el envío postal Pueden existir diferentes calidades de servicio: ¿Se pueden perder datos? Mensaje 3 Mensaje 2 Mensaje 1 Capa N Capa N Implementación oculta de un servicio de envío de datos no orientado a conexión

Ejemplos de servicios Flujo fiable de bytes Orientado a conexión: Sí
Pérdida de bytes: No Ejemplo: Envío de un fichero de datos a través de la red Conexión no confiable Pérdida de bytes: Sí Ejemplo: Voz digitalizada Datagrama no confiable Orientado a conexión: No Pérdida de mensajes: Sí Ejemplo: Correo electrónico no fiable Solicitud-respuesta Pérdida de mensajes: No Ejemplo: Solicitud a una base de datos

Relación entre servicios y protocolos
Servicio: Conjunto de primitivas (operaciones) que una capa proporciona a la capa que está sobre ella El servicio define qué operaciones se pueden realizar pero no indica cómo se realizaran esas operaciones El servicio está relacionado con la interfaz (interacción) entre capas contiguas Protocolo: Conjunto de reglas que rigen el formato y el significado de los paquetes o mensajes que se intercambian las entidades iguales en una capa Las entidades de nivel N utilizan un protocolo para implementar los servicios que ofrecen Los protocolos están relacionados con la comunicación entre iguales remotos Capa N +1 Capa N +1 Servicio proporcionado por la capa N Protocolo de nivel N que Implementa los servicios Proporcionados por la capa N Capa N Capa N

Comentarios y reflexiones ¿Crees que la arquitectura en capas mejora la eficiencia? Los estándares de Internet especifican claramente los protocolos que se utilizan (formato y tipo de mensajes, diálogos que se establecen, etc.) Sin embargo, no especifican tan claramente los servicios que las capas deben ofrecer a sus superiores. ¿Por qué? Investigue sobre diferentes tecnologías que ofrezcan un servicio orientado a conexión utilizando una red de conmutación de paquetes. Permite alguna de estas tecnologías ofrecer garantías especiales ¿En qué condiciones una red de conmutación de paquetes pierde paquetes? ¿qué mecanismo se le ocurre, en ese caso, para poder ofrecer un servicio orientado a conexión fiable? ¿qué tipo de diálogos habría que establecer en los protocolos que implementen dicho servicio? Referencias Redes de Computadores. Andrew S. Tanenbaum. Prentice Hall, Cuarta Edición, 2003 Capítulo1: Introducción Redes de Computadores, un enfoque descendente basado en Internet. James F. Kurose y Keith W. Ross. Addison Wesley, Segunda Edición, 2003 Capítulo 1: Redes de Computadores e Internet

Contenidos 1.1 Lección I: Introducción Redes: motivación
Fundamentos de transmisión de datos 1.2 Lección II: El núcleo de la red Conmutación de circuitos Conmutación de paquetes 1.3 Lección III: Acceso a la red Tecnologías de acceso fijo Acceso sin cables 1.4 Lección IV: Software de redes Encapsulamiento Jerarquías de protocolos 1.5 Lección V: Modelos de referencia El modelo OSI El modelo TCP/IP 1.6 Lección VI: Internet Historia de Internet Estructura de Internet

Modelos de referencia: OSI (Open Systems Interconnection)
Desarrollado y propuesto por el ISO (International Organization for Standardization) Describe un modelo de 7 capas para la interconexión de sistemas abiertos OSI es un modelo de referencia pero no es una arquitectura de red Protocolo de aplicación 7 Aplicación Aplicación Protocolo de presentación 6 Presentación Presentación Protocolo de sesión 5 Sesión Sesión Protocolo de transporte 4 Transporte Transporte Protocolo de red 3 Red Red Protocolo de enlace 2 Enlace Enlace Protocolo físico 1 Física Física

Desarrollado y propuesto por el ISO (International Organization for Standardization) Describe un modelo de 7 capas para la interconexión de sistemas abiertos OSI es un modelo de referencia pero no es una arquitectura de red Capa de aplicación: Contiene los protocolos que utilizan las aplicaciones de usuario La capa de aplicación ofrece servicios de alto nivel que permiten abstraerse de los detalles relativos a las capas inferiores (tipos de red, de medios de transmisión, etc.) Protocolo de aplicación 7 Aplicación Aplicación Protocolo de presentación 6 Presentación Presentación Protocolo de sesión 5 Sesión Sesión Protocolo de transporte 4 Transporte Transporte Protocolo de red 3 Red Red Protocolo de enlace 2 Enlace Enlace Protocolo físico 1 Física Física

Desarrollado y propuesto por el ISO (International Organization for Standardization) Describe un modelo de 7 capas para la interconexión de sistemas abiertos OSI es un modelo de referencia pero no es una arquitectura de red Capa de presentación: Se ocupa de la sintaxis y semántica de la información transmitida Permite que ordenadores con diferentes mecanismos de representación de datos se puedan comunicar Para ello define estructuras de datos abstractas que permiten al nivel de aplicación intercambiar otras estructuras de datos de nivel más elevado Protocolo de aplicación 7 Aplicación Aplicación Protocolo de presentación 6 Presentación Presentación Protocolo de sesión 5 Sesión Sesión Protocolo de transporte 4 Transporte Transporte Protocolo de red 3 Red Red Protocolo de enlace 2 Enlace Enlace Protocolo físico 1 Física Física

Desarrollado y propuesto por el ISO (International Organization for Standardization) Describe un modelo de 7 capas para la interconexión de sistemas abiertos OSI es un modelo de referencia pero no es una arquitectura de red Capa de sesión: Esta capa permite que los usuarios de máquinas diferentes establezcan sesiones Las sesiones ofrecen varios servicios como, por ejemplo: Control de diálogo (determinar a quién le toca transmitir) Administración de token (que impide que las dos partes realicen una operación crítica al mismo tiempo) Sincronización (Establecimiento de puntos de referencia que permiten restablecer una comunicación larga desde donde estaba después de una caída) Protocolo de aplicación 7 Aplicación Aplicación Protocolo de presentación 6 Presentación Presentación Protocolo de sesión 5 Sesión Sesión Protocolo de transporte 4 Transporte Transporte Protocolo de red 3 Red Red Protocolo de enlace 2 Enlace Enlace Protocolo físico 1 Física Física

Desarrollado y propuesto por el ISO (International Organization for Standardization) Describe un modelo de 7 capas para la interconexión de sistemas abiertos OSI es un modelo de referencia pero no es una arquitectura de red Capa de transporte: Las funciones básicas de esta capa son las siguientes: Aceptar los datos de las capas superiores Dividirlos en unidades más pequeñas si es necesario Pasar estas unidades a la capa de red Asegurarse de que todas las piezas lleguen de manera correcta al otro extremo La capa de transporte funciona como una conexión extremo-a-extremo (end-to-end) Protocolo de aplicación 7 Aplicación Aplicación Protocolo de presentación 6 Presentación Presentación Protocolo de sesión 5 Sesión Sesión Protocolo de transporte 4 Transporte Transporte Protocolo de red 3 Red Red Protocolo de enlace 2 Enlace Enlace Protocolo físico 1 Física Física

Desarrollado y propuesto por el ISO (International Organization for Standardization) Describe un modelo de 7 capas para la interconexión de sistemas abiertos OSI es un modelo de referencia pero no es una arquitectura de red Capa de red: Su función básica es la de determinar cómo se encaminan los paquetes desde su origen hasta su destino a través de la red Debe resolver el problema del encaminamiento en redes heterogéneas Muchos de los aspectos relativos a la calidad de servicio (retardo, pérdida de paquetes, etc.) dependen de los mecanismos que se implementen en la capa de red Protocolo de aplicación 7 Aplicación Aplicación Protocolo de presentación 6 Presentación Presentación Protocolo de sesión 5 Sesión Sesión Protocolo de transporte 4 Transporte Transporte Protocolo de red 3 Red Red Protocolo de enlace 2 Enlace Enlace Protocolo físico 1 Física Física

Desarrollado y propuesto por el ISO (International Organization for Standardization) Describe un modelo de 7 capas para la interconexión de sistemas abiertos OSI es un modelo de referencia pero no es una arquitectura de red Capa de enlace: El objetivo de esta capa es transformar un medio de transmisión puro en una línea de comunicación, desde el punto de vista de la capa de red, parezca libre de errores de transmisión Entre sus funciones se encuentran: Fragmentación de los datos Regulación del tráfico Control de acceso al medio (en medios compartidos) Protocolo de aplicación 7 Aplicación Aplicación Protocolo de presentación 6 Presentación Presentación Protocolo de sesión 5 Sesión Sesión Protocolo de transporte 4 Transporte Transporte Protocolo de red 3 Red Red Protocolo de enlace 2 Enlace Enlace Protocolo físico 1 Física Física

Desarrollado y propuesto por el ISO (International Organization for Standardization) Describe un modelo de 7 capas para la interconexión de sistemas abiertos OSI es un modelo de referencia pero no es una arquitectura de red Capa física: En ella se lleva a cabo la transmisión de bits a través de un canal de comunicación Su diseño debe tratar de que, cuando en un extremo se envía un 0(1), en el otro se reciba un 0(1) Se ocupa de cuestiones como: ¿Cuántos voltios se emplean para representar un 1? ¿Cuántos nanosegundos dura un bit? ¿La transmisión se establece en ambos sentidos simultáneamente? Protocolo de aplicación 7 Aplicación Aplicación Protocolo de presentación 6 Presentación Presentación Protocolo de sesión 5 Sesión Sesión Protocolo de transporte 4 Transporte Transporte Protocolo de red 3 Red Red Protocolo de enlace 2 Enlace Enlace Protocolo físico 1 Física Física

Modelo de referencia TCP/IP
Propuesto en 1974 para el DoD de los EE.UU. Para ARPANET (precursor de Internet) Diseñado para la interconexión de diferentes tipos de redes Concebido a partir de consideraciones prácticas Protocolo de aplicación Aplicación Aplicación Protocolo de transporte Transporte Transporte Protocolo de interred Interred Interred Host a red Host a red Protocolos inferiores

Propuesto en 1974 para el DoD de los EE.UU. Para ARPANET (precursor de Internet) Diseñado para la interconexión de diferentes tipos de redes Concebido a partir de consideraciones prácticas Capa de aplicación: El modelo TCP/IP no tiene capas de presentación ni sesión, cuyas funciones quedan absorbidas por la capa de aplicación Esta capa ofrece servicios de alto nivel a las aplicaciones de usuario. Algunos de los protocolos más populares son: FTP (File Transfer Protocol) HTTP (HyperText Transfer Protocol) SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) Etc. Protocolo de aplicación Aplicación Aplicación Protocolo de transporte Transporte Transporte Protocolo de interred Interred Interred Host a red Host a red Protocolos inferiores

Propuesto en 1974 para el DoD de los EE.UU. Para ARPANET (precursor de Internet) Diseñado para la interconexión de diferentes tipos de redes Concebido a partir de consideraciones prácticas Capa de transporte: Diseñada para que los iguales extremo-a-extremo puedan mantener una conversación Hay dos servicios fundamentales, cada uno de los cuales se implementa mediante un protocolo específico Servicio fiable de flujo de bytes orientado a conexión Se implementa mediante el protocolo TCP (Transmission Control Protocol) Servicio no fiable de entrega de datagramas Se implementa mediante el protocolo UDP (User Datagram Protocol) Protocolo de aplicación Aplicación Aplicación Protocolo de transporte Transporte Transporte Protocolo de interred Interred Interred Host a red Host a red Protocolos inferiores

Propuesto en 1974 para el DoD de los EE.UU. Para ARPANET (precursor de Internet) Diseñado para la interconexión de diferentes tipos de redes Concebido a partir de consideraciones prácticas Capa de interred: Implementa un servicio de comunicación de paquetes no fiable y no orientado a conexión Su objetivo es encaminar los paquetes desde su origen hacia su destino de la “mejor manera posible” (best effort) Los paquetes pueden perderse, llegar en un orden diferente, aparecer duplicados, etc. El protocolo que implementa esta funcionalidad se denomina IP (Internet Protocol) Cada nodo de la red se identifica mediante una dirección única: la dirección IP Protocolo de aplicación Aplicación Aplicación Protocolo de transporte Transporte Transporte Protocolo de interred Interred Interred Host a red Host a red Protocolos inferiores

Propuesto en 1974 para el DoD de los EE.UU. Para ARPANET (precursor de Internet) Diseñado para la interconexión de diferentes tipos de redes Concebido a partir de consideraciones prácticas Interfaz host a red: No es realmente una capa, es una interfaz que indica que un host debe conectarse a la red a través de ella para poder recibir y enviar paquetes IP El modelo de referencia TCP/IP deja un gran vacío en cuanto a qué hay debajo de esa interfaz Protocolo de aplicación Aplicación Aplicación Protocolo de transporte Transporte Transporte Protocolo de interred Interred Interred Host a red Host a red Protocolos inferiores

Relación entre los modelos propuestos: Modelo híbrido para el estudio de redes de ordenadores abiertas tipo Internet Modelo OSI Modelo TCP/IP Modelo Híbrido Similares 7 Aplicación Aplicación Aplicación Capas poco útiles 6 Presentación 5 Sesión 4 Transporte Similares Transporte Transporte 3 Red Similares Interred Red 2 Enlace Enlace 1 Física Física

Protocolos extremo a extremo en el Modelo Híbrido
HOST HOST Aplicación Protocolo de extremo a extremo Aplicación Transporte Transporte Red Red Enlace Enlace Física Física ROUTER Red Enlace Enlace Física Física

Comentarios y reflexiones El modelo OSI es mucho más completo que el TCP/IP y sin embargo no ha tenido éxito en la práctica. Investiga por qué. Algunos autores encuentran paralelismos entre las funciones del nivel 2 y 4 del modelo OSI, mientras que el nivel 3 parece diferenciarse claramente de ambos. ¿En qué crees que se fundamenta esto? Utilizando un núcleo de código abierto (p.e. Linux), investiga cómo se distribuyen los diferentes niveles que hemos presentado. ¿Crees que realmente se están respetando los principios jerárquicos en dicha implementación? TCP/IP triunfó frente a otras pilas de protocolos propietarias que empleaban diferentes empresas en sus redes. ¿A qué crees que es debido? Referencias Redes de Computadores. Andrew S. Tanenbaum. Prentice Hall, Cuarta Edición, 2003 Capítulo1: Introducción Redes de Computadores, un enfoque descendente basado en Internet. James F. Kurose y Keith W. Ross. Addison Wesley, Segunda Edición, 2003 Capítulo 1: Redes de Computadores e Internet

Historia de Internet : Primeros pasos de la conmutación de paquetes : Guerra Fría - los militares usan la red telefonía pública que es vulnerable 1961: Kleinrock – Teoría de Colas, bases teóricas de la conmutación de paquetes 1964: Paul Baran – Arquitectura robusta para redes de paquetes - AT&T se segó a desarrollarla porque pensó que carecía de interés tecnológico 1967: ARPAnet – Advanced Research Projects Agency concibe este tipo de redes 1969: La primera versión de ARPAnet, con 4 nodos, es operativa 1972: ARPAnet se da a conocer Aparece el primer protocolo rudimentario de host a host Primer programa de ARPAnet cuenta con 15 nodos

Historia de Internet (cont.)
: nuevos tipos de redes e Internetworking 1970: ALOHAnet – Redes de satélites en Hawaii 1973: Metcalfe – Se propone la arquitectura básica de Ethernet 1974: Cerf y Kahn – Arquitectura para la interconexión de redes Simplificar al máximo Servicios sin garantías: “lo mejor posible” (best effort) Routers sin estado Control descentralizado Finales 70: Arquitecturas propietarias – DECnet, SNA, XNA 1979: ARPAnet tiene 200 nodos Finales 70: NSFnet

: proliferación de redes, nuevos protocolos 1983: TCP/IP se convierten en los protocolos oficiales de ARPAnet 1982: SMTP – Definición de protocolo de más popular 1983: DNS – Definición de un sistema de traducción de nombres a direcciones IP 1985: FTP – Protocolos para la transferencia de ficheros 1988: Control de congestión para TCP Finales de los 80 Nacen nuevas redes nacionales: Minitel, BITnet, Csnet Una confederación de redes conecta a más de nodos

: comercialización, nuevas aplicaciones y sociedad de la información Principios de los 90: Entran en juego grandes empresas Las nuevas infraestructuras privadas substituyen a las anteriores (públicas) Principios de los 90: Berners-Lee concibe el servicio WWW 1994: Mosaic, precursor de Netscape Finales de los 90 Comercialización de servicios WWW Gran interés mediático y financiero Se crea la burbuja .com Grandes inversiones privadas Nuevas aplicaciones (p2p, messaging) Crecimiento exponencial en todos los sentidos Revienta la burbuja .com

Internet para el usuario: visión actual
Internet consiste en la interconexión de un conjunto elevado de redes que comparten un mismo servicio y un mismo protocolo de nivel de red: el protocolo IP Existen proveedores de acceso (ISPs) que proporcionan un servicio de conexión a Internet para particulares y redes corporativas Los ISPs se conectan entre sí utilizando los servicios de empresas que “alquilan” líneas de alta velocidad (carriers) Cualquier red (ordenador) puede conectarse a Internet siempre y cuando: Contrate los servicios de un ISP Soporte las tecnologías de comunicación necesarias El funcionamiento de Internet se basa en la existencia de Mecanismos de direccionamiento: Todo ordenador conectado a Internet dispone de una dirección IP única que lo identifica. La dirección IP está compuesta por 4 bytes y se suele representar en notación decimal de puntos. Por ejemplo: , , etc. (Nota: que pasa con los NATs) Mecanismos de encaminamiento: El núcleo de Internet está compuesto de un conjunto de routers que implementan algoritmos de encaminamiento capaces de indicar, en cada momento, cuál es la ruta más apropiada que debe seguir un paquete IP

Internet para el usuario: servicios
En Internet, existen un conjunto de aplicaciones para las que se han definido Unos servicios Unos protocolos de nivel de aplicación El DNS Servicio básico: Permite asociar nombres con direcciones IP. Los nombres deben respetar una estructura jerárquica y están compuestos por un conjunto de etiquetas separadas por el carácter “.” Protocolo: DNS El WWW Servicio básico: Permite la descarga de recursos localizados en un servidor remoto. Los recursos se identifican a través de un localizador (URL) único Protocolo: HTTP El Correo Electrónico Servicio básico: Permite en intercambio de mensajes entre dos usuarios identificables de manera única. La identidad de cada usuario está compuesta por un nombre de usuario y un nombre de dominio separados por el carácter Otros servicios Skype, Netmeeting, eMule, etc.

Intranets y extranets en Internet
Intranet: Red privada controlada por una organización que utiliza las mismas tecnologías que Internet Las intranets suelen estar conectadas a Internet de manera controlada Al diseñar una Intranet, es esencial considerar los aspectos de seguridad Sistema de direccionamiento privado Acceso restringido Cortafuegos Proxies Extranet: Es la parte de una intranet que se hace accesible desde Internet de manera controlada. Es utilizada para ofrecer algunos servicios de la Intranet a Empleados itinerantes Proveedores Clientes Etc. En el diseño de la extranet la seguridad es el elemento crítico Redes privadas virtuales Mecanismos de autenticación Mecanismos de no repudio

Estructura de Internet: modelo en 3 niveles
Internet está constituida por un conjunto de redes de ordenadores que se agrupan de forma más o menos jerárquica y que posibilitan el intercambio de información entre dos nodos cualesquiera que pertenezcan al conjunto Concepto: Proveedor de Servicio de Internet (Internet Service Provicer – ISP) entidad pública o privada que ofrece un servicio de conexión a Internet La estructura de Internet se comprende mejor si la imaginamos en 3 niveles ISPs de nivel 3: Ofrecen conectividad a usuarios finales y pequeñas redes privadas ISPs de nivel 2: Ofrecen conectividad a los ISPs de nivel 3 ISPs de nivel 1: Ofrecen conectividad a los ISPs de nivel 2 Esta organización es esencialmente “didáctica”. En Internet existen numerosas excepciones y la jerarquía no siempre se respeta ISP 3

Estructura de Internet: la red de redes
ISPs de nivel 1 (Tier 1 ISPs): Están conectados a cada uno de los demás ISPs de nivel 1 Están conectados a numerosos ISPs de nivel 2 Tienen cobertura internacional Se les conoce como las “redes troncales” de Internet (Internet Backbones) ISPs de nivel 2 (Tier 2 ISPs): Están conectados a uno o varios ISPs de nivel 1 Pueden estar conectados a uno o varios ISPs de nivel 2 ISPs de nivel 3: Están conectados a, al menos, un ISP de nivel 2 Nivel 3 Nivel 2 Nivel 1

Estructura de Internet: redes troncales
Red troncal de Uunet Red troncal de Sprint Detalle de la red troncal de Uunet en los EE.UU. Detalle de la red troncal de Sprint en los EE.UU.

Estructura de Internet: Intercambio de tráfico
Tráfico de tránsito: Un ISP proveedor ofrece a un cliente la posibilidad de enviar (recibir) tráfico dirigido (procedente) de Internet El tráfico del cliente “transita” por la red del proveedor (entra y después sale) El proveedor aplica un coste por facilitar este servicio Para que un ISP de nivel 3 tenga acceso a Internet, debe contratar un servicio de tránsito con, al menos, un ISP que tenga conectividad con las redes troncales Intercambio entre iguales (peering): Dos ISPs permiten al otro enviar (recibir) tráfico dirigido (procedente) a alguna red que está bajo su control El tráfico “finaliza” en el ISP que lo recibe, o en alguno de sus clientes Este servicio supone un beneficio para los dos ISPs puesto que evitan tráfico de tránsito a través de un tercero Los ISPs no suelen aplicar coste alguno

Estructura de Internet: Intercambio de tráfico
Líneas de tránsito Líneas de peering Tier 1 ISP Tier 1 ISP Tier 1 ISP Tier 2 ISP Tier 2 ISP Tier 2 ISP Tier 3 ISP Tier 3 ISP Tier 3 ISP Tier 3 ISP Tier 3 ISP

Estructura de Internet: interconexión entre ISPs
POPs (Point Of Presence) Un grupo de uno o más routers en la red de un ISP al que pueden conectarse los routers de otros ISPs Los ISPs de nivel 1 tienen multitud de POPs distribuidos por múltiples localizaciones geográficas con múltiples ISPs clientes conectados a cada POP Para que un ISP cliente se conecte al POP del proveedor necesita Contratar los servicios del ISP proveedor Contratar una línea de alta velocidad a una empresa de telecomunicaciones desde uno de sus routers hasta el POP Una conexión de peering se puede establecer a través de 2 POPs de los ISPs NAPs (Network Access Points) También se denominan IXP (Internet eXchange Points) Son instalaciones en las que diferentes ISPs pueden establecer interconexiones de peering o de tránsito con iguales o proveedores Consiste en un espacio (habitación) en la que los ISPs instalan sus routers Estos routers se interconectan entre sí de manera muy eficiente a través de redes de conmutación de alta velocidad Gigabit Ethernet ATM La utilización de las instalaciones tiene un coste para los ISPs

Relación entre servicios y protocolos
Líneas de tránsito Líneas de peering POPs Tier 1 ISP NAPs Tier 1 ISP Tier 1 ISP Tier 2 ISP Tier 2 ISP Tier 2 ISP Tier 3 ISP Tier 3 ISP Tier 3 ISP Tier 3 ISP Tier 3 ISP

Comentarios y reflexiones ¿Por qué crees que AT&T desestimó las ideas originales de Baran? ¿Quién crees que ha sido el personaje más importante para Internet? Investiga las diferentes aportaciones de cada uno ¿Por qué Internet ha crecido más rápidamente que cualquier otra red de comunicaciones que haya realizado el ser humano? ¿Existe algún NAP (IXP) en España? Investiga cuál es el más cercano al lugar en el que vives, quién se conecta al mismo y qué costes tiene utilizar sus servicios Algunos autores afirman que la principal característica estructural de Internet es justamente la de no tener estructura ¿Por qué crees que afirman esto? ¿Crees que es realmente cierto? Referencias Redes de Computadores. Andrew S. Tanenbaum. Prentice Hall, Cuarta Edición, 2003 Capítulo1: Introducción Redes de Computadores, un enfoque descendente basado en Internet. James F. Kurose y Keith W. Ross. Addison Wesley, Segunda Edición, 2003 Capítulo 1: Redes de Computadores e Internet

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