Capítulo 12: Protocolos y Capas ICD-327: Redes de Computadores I Agustín J. González

Introducción En lugar de usar el hardware de red directamente, las redes usan módulos de software que ofrecen interfaces de alto nivel para desarrollar aplicaciones. Protocolo de red: es un conjunto de reglas que especifican el formato de los mensajes y las acciones apropiadas en cada caso para transferir información entre computadores. El problema de la comunicación entre computadores es divido en subpartes. Así los protocolos son más fáciles de diseñar, analizar, implementar, y probar. (Esta es básicamente la aplicación de la idea de diseño estructurado de software. También se puede aplicar al hardware) Esta partición el problema da origen a un conjunto de protocolos relacionados llamados Familias de Protocolos. (protocol suit o protocol family)

Modelo de Referencia de 7 Capas ISO ISO (International Standard Organization) propuso una forma para dividir las comunicaciones en 7 capas. Aplicación Presentación Sesión Transporte Red Enlace de Datos Físico

Las 7 Capas Capa 7 Aplicación: especifica cómo una aplicación particular usa la red. Capa 6 Presentación: Especifica cómo presentar los datos. Orden de los bits, código usado, tamaño de los números (16 bits, 32 bits, long) Capa 5 Sesión: especifica cómo establecer una sesión con una máquina remota. Detalles de seguridad, validación de password. Capa 4 Transporte: especifica cómo transferir datos en forma confiable entre la fuente y el destino. Informalmente también se incluye transferencia no confiable (recuperación de paquetes) Capa 3 Red: especifica cómo asignar las direcciones y efectuar el reenvío de los paquetes en la red (Enrutamiento) Capa 2 Enlace de Datos: Cómo organizar los datos en tramas y hacer su envío desde un nodo al nodo vecino (CRC, bits de relleno, formato de trama) Capa 1 Física: Especifica el hardware de red. Conectores, corrientes, codificación digital, largos, frecuencias, etc)

Capas de Software Cada módulo se comunica sólo con su vecino de arriba o de abajo.

Capas de Software (cont) Debido a la estructura de capas, es común referirse al modelo de capas como stack (pila). Debido a que cada stack fue diseñada independientemente, protocolos de diferentes stacks no pueden interactuar con los de otro.

Principio de Capas La capa N del computador destino debe recibir el mismo mensaje enviado por la capa N del computador fuente.

Problemas y Soluciones en Transmisión de Datos Errores debido a interferencia -> paridad, suma de chequeo, códigos de redundancia cíclica Entrega de paquetes fuera de orden; por ejemplo al usar una ruta más corta. -> uso de números de secuencia (secuenciación) Eliminación de duplicados; por ejemplo, cuando la fuente detecta colisión por error, y el destinatario recibe el mensaje correctamente -> uso de números de secuencia Pérdida de paquetes; por ejemplo, cuando llegan con error o cuando un switch excede su capacidad de almacenamiento y descarta tramas -> retransmisiones

Retransmisión de paquetes perdidos Transferencias confiables (sin pérdidas) se logran enviando acuses de recibos positivos (positive acknowledgement) y retransmisiones. Cuando se recibe un mensaje, el receptor envía un acuse de recibo (acknowledgement). Cuando un mensaje es transmitido el tx inicia un timer. Éste es cancelado cuando se recibe el acuse de recibo. Si éste no llega, el mensaje es retransmitido y el timer es iniciado nuevamente. Después de un número máximo de transmisiones, el tx renuncia y declara una falla de comunicación. Retransmisión puede general duplicados. Cómo distinguir una pérdida de mensaje de un gran retardo? No se puede.

Retransmisiones (cont.) Si el retardo es excesivo se pueden producir retransmisiones y más tarde es posible recibir el mensaje que debió haber sido recibido tiempo atrás. Esta situación puede confundir conexiones posteriores haciendo creer que el paquete super retardado pertenece a la nueva conexión y el correcto se descarta. Esto indica que los números de secuencia no pueden ser reusados hasta que pase suficiente tiempo para que todos los paquetes antiguos sean descartados. Para ello, se puede impedir que una máquina cree una nueva conexión inmediatamente y/o el número de secuencia es suficientemente largo para que no se repita seguido.

Control de Flujo para Evitar Rebasamiento de Datos Ocurre cuando el Tx envía datos a una tasa mayor que la de procesamiento del receptor. Control de Flujo es la técnica para resolver este problema. Stop-and-go (parada y continuación): El Tx no envía un nuevo mensaje hasta recibir confirmación del anterior. Ventaja: resuelve el problema. Desventaja es muy ineficiente en el uso de la red.

Eficiencia de Stop-and-go U : Utilización del canal Tf : Tiempo para emitir una trama Tt : Tiempo total el canal está tomado en la transmisión de una trama Tp : tiempo de propagación desde fuente a destino Nr : número de retransmisiones P : probabilidad de que una trama sea recibida con error.

Ventana Deslizante Para aumentar el rendimiento, se usa una técnica de control de flujo conocida como ventana deslizante (sliding window). El número máximo de mensajes que pueden estar sin acuse de recibo es dado por el tamaño de la ventana. El tx transmite hasta el tamaño de ventana. Deja una copia si se quiere confiabilidad. Cuando se reciben acuse de recibo, el tx continúa transmitiendo. El receptor sólo acepta mensajes que estén dentro de la ventana de los que pueden ser enviado de acuerdo al último acuse de recibo enviado.

Funcionamiento de la Ventana Aún sin ack Ya enviados

Comparación de Stop-and-go y Ventana Deslizante

Eficiencia de Ventana Deslizante Caso que el ack llega antes que se envíen todos las tramas de la ventana Caso que se debe esperar por el ack para seguir transmitiendo.

Stop-and-go v/s Ventana Deslizante

Congestión La congestión es otro de los problemas presentes en la comunicación entre computadores. 1.5 Mbps Capacidad 1.5 Mbps !! Para eliminar congestión se han usado dos caminos: Los switches informan al tx que ocurre congestión El tx estima la congestión basado la pérdida de paquetes La segunda opción se basa en que con tecnología actual la razón principal para la pérdida de paquetes es la congestión y no las interferencias u otros problemas de hardware.

Otras Dificultadas Ineficiencias (overhead) de tramas: Se requiere número de secuencia. Grande para prevenir conflicto, esto aumenta ineficiencia del protocolo. Las tramas tienen largo máximo. Qué pasa si el protocolo usa un largo de mensaje levemente mayor que la trama máxima? Para reducir congestión un tx reduce su tasa de transmisión de mensajes. Cuando la congestión pasa, la vuelve a subir. Problema típico: una oscilación entre períodos de congestión y sub-utilización de la red. Cómo se puede garantizar llegada en tiempo limitado? Cómo se puede garantizar bajas fluctuaciones de retardo? Los dos últimos problemas son temas de investigación actual.