Tema 1: Introducción a las redes de Computadores Parte II

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1 Tema 1: Introducción a las redes de Computadores Parte II

2 Contenido Introducción a las redes de computadores
Las redes según su cobertura Redes de difusión y conmutadas Redes de Conmutación de Paquetes (RCP)

3 1. Introducción a las redes de computadores
Noción de red de computadores Clasificación de las redes

4 Introducción a las redes de computadores Noción de red
Otros equipos: impresoras, móviles, smatrtvs, etc. Los nodos de red llevan la información de un Sistema (final) Fuente a un Sistema (final) destino. Definición de red de computadores: Es un conjunto de computadores (y otros equipos) conectados entre sí mediante dispositivos de comunicaciones y medios de transmisión . Red Medio de comunicaciones NODO Sistema final Host ETD Sistema final Host ETD NODO

5 Introducción a las redes de computadores Elementos de una red
Otros equipos: impresoras, móviles, smatrtvs, etc. Los nodos de red llevan la información de un Sistema (final) Fuente a un Sistema (final) destino. Sistema final o host o ETD: Equipo origen o destino de los datos. Es donde residen las aplicaciones de los usuarios. Nodo: Equipo utilizado para la conmutación de los datos . Hace labores de encaminamiento de la información. Sólo tiene los tres primeros niveles de OSI (únicamente existen en las redes de conmutación). Capas superiores Capas superiores Red Enlace Físico Red Red Red Enlace Enlace Enlace Enlace Enlace Físico Físico Físico Físico Físico NODO Sistema final Host ETD NODO Sistema final Host ETD Medio de comunicaciones

6 La capa de red vs. la capa de transporte
En Internet no existe capa de aplicación. La aplicación libera el mensaje y la capa de transporte gestiona su envío de extremo a extremo, adaptándose a la red. La capa de red provee a la capa de transporte de servicios CLNS y CONS Entre las tareas de estos servicios están: El encaminamiento de los paquetes por la red de datos. El Control de congestión de los datos por la red. La Interconexión de subredes distintas. La Asignación de direcciones de red únicas. Sistema X Sistema Y Transporte Transporte Protocolo de transporte NSAP NSAP Servicios de red: Control de la Conexión, el Encaminamiento, la Congestión y el Direccionamiento NSAP: Network Service Access Point

7 Clasificación de las redes
El modo de transferencia se refiere a la manera mediante la cual los nodos intercambian información. Redes Empresarial Públicas Privadas Cobertura De área local (LAN) De área metropolitana (MAN) De área extensa (WAN) Modo de transferencia Difusión (broadcast) Controlada Contienda Conmutación De circuitos De paquetes Taxonomía Aspecto Aplicación Tecnología

8 2. Las redes según su cobertura
Redes LAN Redes MAN Redes WAN

9 Redes LAN Características
IEEE fue el primer intento para 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 Gigabit Ethernet), redes virtuales, hubs, conmutadores y distintos tipos de medios, tanto de fibra óptica como de cables de cobre (tanto par trenzado como coaxial). La interfaz de Datos Distribuida por Fibra (FDDI: Fiber Distributed Data Interface) es un conjunto de estándares ISO y ANSI para la transmisión de datos en redes de computadoras de área extendida o local (LAN) mediante cable de fibra óptica. Se basa en la arquitectura token ring y permite una comunicación tipo Full Duplex. Dado que puede abastecer a miles de usuarios, una LAN FDDI suele ser empleada como backbone para una red de área amplia (WAN). Características: Tecnología broadcast, medio compartido Cableado específico Velocidad típica de 1 a 100 Mbps Extensión máxima típica 3km Ejemplos: Ethernet (IEEE 802.3): 1, 10, 100 Mbps (Fast Ethernet) Token Ring (IEEE 802.5): 1, 4, 16 Mbps FDDI: 100 Mbps Origen Destino

10 Redes MAN Características
Una red de área metropolitana (MAN) es una red de computadoras más grande que una red de área local, con una superficie que cubre varias manzanas de la ciudad o la ciudad entera, posiblemente incluyendo también las áreas circundantes (mayor de 4km). Una red de área metropolitana (Metropolitan Area Network o MAN, en inglés) es una red de alta velocidad que da cobertura en un área geográfica extensa, proporcionando capacidad de integración de múltiples servicios mediante la transmisión de datos, voz y vídeo, sobre medios de transmisión tales como fibra óptica y par trenzado, la tecnología de pares de cobre se posiciona como la red más grande del mundo una excelente alternativa para la creación de redes metropolitanas, por su baja latencia (entre 1 y 50 ms), gran estabilidad y la carencia de interferencias radioeléctricas, las redes MAN, ofrecen velocidades de 10 Mbit/s ó 20 Mbit/s, sobre pares de cobre y 100 Mbit/s, 1 Gbit/s y 10 Gbit/s mediante fibra óptica. Las redes de área metropolitana, comprenden una ubicación geográfica determinada "ciudad, municipio", y su distancia de cobertura es mayor de 4 km. Características: Alta velocidad Medios de transmisión: fibra óptica y par trenzado Múltiples servicios de transmisión de datos, voz y vídeo 10 Mbit/s ó 20 Mbit/s, sobre cobre y 100 Mbit/s, 1 Gbit/s y 10 Gbit/s mediante FO Habitualmente interconectan LANs Sede central A Sede central B 10Gb 10Mb 10Mb Oficina1 Oficina2

11 Redes WAN Características
Una WAN (Wide área network) es una red que abarca un área geográfica relativamente grande: una ciudad, un país, un continente, incluso el mundo (como Internet) Alta velocidad Medios de transmisión diversos (sobre todo satelitales) Soportan múltiples servicios de transmisión de datos, voz y vídeo Tiene una tasa de errores superior a las LAN Aunque puede ser privada, la mayoría se contratan a las compañías telefónicas

12 3. Redes según el modo de transferencia de la información
Redes de difusión Redes de conmutación Red de conmutación de circuitos Redes de conmutación de mensajes Redes de conmutación de paquetes

13 Redes de difusión Características
En las redes de difusión, el terminal de origen envía la información al medio de transmisión, que es común a todos los usuarios, por lo tanto todos la reciben, y uno ó más de ellos seleccionan la información a recibir. Existen varias clases: 1. Redes de área local(LANs) cableadas: en anillo y bus. 2. Redes por satélite. 3. Redes inalámbricas (wireless networks) Se observa que en estas redes de difusión los nodos no ejercen funciones de conmutación sino que controlan el acceso al medio pues evitan que se envíe información cuando el medio está ocupado por otro terminal, esto no impide que dos terminales accedan a la red al mismo tiempo contaminando la información(se denominan colisiones) . La topología en anillo evita este problema, común a los tres otros esquemas, pues en lugar de compartir el medio comparte el transporte de la información por el medio, aquí el nodo recibe, selecciona lo que le interesa y retransmite. En el Capítulo 6 daremos amplios detalles de estas tecnologías Características: Los datos emitidos por un transmisor son recibidos por cualquier terminal conectado a la red El medio físico es compartido mediante Técnicas de Acceso al Medio. Tiene problemas de seguridad Se puede hacer un envío a múltiples direcciones (multicast) o a todas las direcciones (broadcast). La ubicación del destinatario es desconocida Red cableada en bus Red cableada en anillo Red satelital Red inalámbrica

14 Redes de difusión Técnicas de acceso al medio
Reparto del medio entre los N usuarios que hacen uso del mismo mediante una división del ancho de banda (FDM) o del tiempo (TDM) en N intervalos iguales. Hay dos métodos de control de acceso de medios de comunicación para medios compartidos: Controlado - Cada nodo tiene su propio tiempo de usar el medio Basado en contención - Todos los nodos compiten por el uso del medio Contienda: Las estaciones que quieren usar el medio lanzan sus mensajes al mismo de forma aleatoria. Si se produce una colisión se desencadena un proceso de contienda que resuelve la posesión del medio. Dependencia del tiempo (síncrona/asíncrona) Técnicas de control de acceso al medio compartido Repartición MDF MDT Compartición Controlada Contienda/ contención Métodos ALOHA (sin escucha) Métodos CSMA (con escucha)

15 Redes de difusión Control de acceso al medio
El mecanismo de acceso controlado o determinístico o programado proporciona un ancho de banda predecible, pero ineficiente debido a la espera antes de transmitir. Solo una estación transmite cada vez. No hay colisiones (pe. paso de testigo) El mecanismo de contención permite a los sistemas acceder al medio cuando quieran. Se producen colisiones. Para resolver estas hay diferentes mecanismos (pe. CSMA, CSMA/CD). CSMA: carrier sense multiple access ‣ Intuitivamente: no interrumpir al que habla ‣ Escucha antes de transmitir ‣ Si el canal esa libre: transmite ‣ Si el canal está ocupado: espera CSMA+CD (collision detection) > la colisión llega al emisor poco tiempo después > si se detecta colisión dejar de transmitir inmediatamente > esperar un tiempo aleatorio antes de volver a transmitir (backoff) Control de Acceso al Medio: Es el conjunto de mecanismos y protocolos a través de los cuales varios sistemas (ordenadores, teléfonos móviles, etc.) se ponen de acuerdo para compartir un medio de transmisión común (cableado o inalámbrico) Hay dos métodos de control de acceso de medios de comunicación para medios compartidos: Controlado: Cada nodo tiene su propio tiempo de usar el medio Basado en contención: Todos los nodos compiten por el uso del medio Tengo que enviar un paquete, pero aún no es mi turno… Esperaré. Es mi turno para enviar. Transmitiré una trama ahora. No tengo nada que enviar. Trama Acceso controlado Estoy preparado. Transmitiré ahora Transmitiré cuando esté preparado. Estoy preparado. Transmitiré ahora colisión Trama Trama Acceso basado en la contención

16 Redes de conmutación Las Redes de conmutación son una colección de nodos interconectados, a través de los cuales los datos van de fuente a destino, sin que les concierna el contenido de los mismos Los datos que entran en la red procedentes de una estación origen se encaminan hacia el destino mediante su conmutación de nodo en nodo.

17 Redes de conmutación de circuitos [1]
Se denomina Conmutación de circuitos (Circuit Switching en inglés) al establecimiento, por parte de una red de comunicaciones, de una vía dedicada exclusiva y temporalmente (o “circuito”) a la transmisión de extremo a extremo entre dos puntos, un emisor y un receptor. En la conmutación de circuitos, se busca y define una vía extremo-a-extremo con un ancho de banda fijo específico durante toda de la sesión. La red recibe desde el extremo emisor, una dirección que identifica al extremo destinatario y establece un “camino” hacia dicho destino. Cuando finaliza la sesión, la vía se libera y puede ser utilizada por un nuevo circuito. Su ventaja principal radica en que una vez establecido el circuito su disponibilidad es muy alta, puesto que se garantiza este camino entre ambos extremos independientemente del flujo de información. Su principal inconveniente reside en consumir muchos recursos del sistema mientras dura la comunicación, independientemente de lo que en la realidad pudiera requerir. Dentro de la conmutación de circuitos tenemos: Línea telefónica analógica. RDSI (Red digital de servicios integrados) Aunque varias rutas son posibles, se selecciona una sola por llamada Marcando Llamando Central telefónica

18 Redes de conmutación de circuitos [2]
Fases de la comunicación: 1. Establecimiento del circuito. 2. Transferencia de datos. 3. Liberación del circuito. Inconvenientes: La capacidad del canal se desaprovecha cuando no se envían datos. Origen y destino deben transmitir a la misma velocidad. Congestión de red: el nº de canales es limitado. Consume muchos recursos de red

19 Redes de conmutación de circuitos. Cronograma
El equipo "A" el que se quiere conectar al "B", pasando la llamada a través de los nodos de conmutación "1" y "3". Establecimiento del camino dedicado Primero se establece la conexión. Para ello, el equipo origen A solicita la conexión con el destino B, mandando a tal efecto la dirección al nodo periférico 1. Este toma una decisión de encaminamiento, buscando el camino (canal FDM o TDM) más rápido, menos costoso y cómodo y selecciona el nodo 3 para poder llegar a B, enviando además un mensaje de conexión a B. El nodo 3 selecciona un canal al nodo B y lo asigna o conecta al que viene de 1. FINALMENTE, EL NODO 3 COMPLETA LA CONEXIÓN HASTA LA ESTACIÓN B, REALIZANDO UN TEST PARA DETERMINAR SI “B” ESTÁ OCUPADA O PREPARADA PARA ACEPTAR LA CONEXIÓN. LOS NODOS DE CONMUTACIÓN: NO SE INTERESAN POR EL CONTENIDO DE LOS DATOS. DEBEN PROPORCIONAR EL SERVICIO DE CONMUTACIÓN QUE TRASLADE LOS DATOS DE UN NODO A OTRO, HASTA EL DESTINO FINAL. LOS ENLACES ENTRE NODOS ESTÁN GENERALMENTE MULTIPLEXADOS UTILIZANDO FDM O TDM Origen A Destino B 4 1 3 A B Proceso de la central Petición de conexión 2 Aceptación Datos Petición de desconexión

20 Redes de conmutación de mensajes [1]
En telecomunicaciones , la conmutación de mensajes fue el precursor de la conmutación de paquetes , donde se enrutan los mensajes en su totalidad. Fue construido por primera vez por Collins Radio Company, Newport Beach, California, durante el período para la venta a grandes líneas aéreas, bancos y ferrocarriles. El mensaje deberá ser almacenado de forma temporal en el nodo intermedio antes de poder ser reenviado al siguiente, por lo que los nodos temporales deben tener una gran capacidad de almacenamiento. Los nodos de conmutación son ordenadores con un dispositivo de almacenamiento. En las redes de conmutación de mensajes, no se establece ningún tipo de camino dedicado entre emisor y receptor. Simplemente, los equipos transmiten por el canal que les une al nodo que les proporciona servicio. Este nodo, es el encargado de hacer llegar el mensaje al destinatario. En la transmisión de un mensaje o cadena de bits por parte de un equipo fuente se debe incluir en la cabecera de dicho mensaje la dirección del destinatario. Cuando el mensaje llega al nodo, proveniente de cualquier equipo, es almacenado. El nodo lee la dirección del destinatario, y decide por dónde debe encaminar el mensaje, es decir, a que nodo debe mandar el mensaje para que llegue a su destino. Una vez tomada la decisión, reenvía el mensaje. Este proceso lo realiza cada nodo con cada mensaje; cuando un mensaje llega al nodo al que esta conectado el sistema final al que va dirigido, dicho nodo envía el mensaje directamente al equipo. Debido al modo de funcionamiento de estas redes, también se las conoce como redes de almacenamiento y reenvío (store and forward). El ejemplo más claro para comprender su funcionamiento es el sistema de correo. Hay que tener en cuenta que un nodo puede recibir a la vez tantos mensajes como enlaces posea, y que antes de enviarlos de nuevo debe almacenarlos y decidir el encaminamiento, por lo que todos los mensajes sufren un retardo variable por cada nodo que pasan. Esto se aprecia en la imagen, en la cual la cabecera del mensaje está en un color más oscuro, y se utiliza el mismo ejemplo de red que en el apartado anterior. Este tipo de red posee bastantes ventajas, entre ellas el hecho de que los recursos disponibles tienen un uso exhaustivo, por lo que es muy eficaz. Otra ventaja importante es el hecho de que cada equipo puede enviar y transmitir a la velocidad que necesiten, no tienen que transmitir todos a la misma velocidad. Además, el comportamiento de la red en caso de saturación es gradual, es decir, que la red se va degradando poco a poco, y que todos los usuarios se ven afectados por igual, pudiendo transmitir todos ellos. Sin embargo, posee un gran inconveniente, y es que si no se fija un tamaño máximo de mensaje, el retardo puede ser indefinido. El almacenamiento y reenvío es una técnica de conmutación con conexiones punto a punto estáticas, en virtud de la cual los datos (el mensaje) se envían a un nodo intermedio, donde son retenidos temporalmente hasta su posterior reenvío, bien a su destino final, bien a otro nodo intermedio. Cada nodo intermedio se encarga de verificar la integridad del mensaje antes de transferirlo al siguiente nodo Cada mensaje debe incluir en la cabecera de dicho mensaje la dirección del destinatario Nodo de conmutación de mensajes (almacenamiento y reenvío)

21 Redes de conmutación de mensajes [2]
Origen A A B A Cabecera Almacenamiento y reenvío Datos 1 3 4 Cabecera 2 Datos Cabecera Datos B Nodo de conmutación de mensajes (almacenamiento y reenvío) Mensaje 1 Mensaje 2

22 Redes de conmutación de paquetes Concepto
Alrededor de 1970 la investigación comenzó a idear una nueva arquitectura de comunicaciones a larga distancia: la conmutación de paquetes. Si una estación tiene que enviar un mensaje de longitud superior a la del tamaño máximo del paquete permitido a través de una red de conmutación de paquetes, fragmenta el mensaje en paquetes y los envía, de uno en uno, hacia la red. La cuestión que surge es cómo gestiona la red esta secuencia de paquetes para encaminarlos en su seno y entregarlos en el destino deseado. Existen dos aproximaciones usadas en las redes actuales: datagramas y circuitos virtuales [William Stallings: Comunicaciones y Redes de Computadores] . Una red de Conmutación de Paquetes es aquella que posibilita un intercambio de bloques de información (o “paquetes”) entre dos puntos, un emisor y un receptor. En el origen (extremo emisor), la información a enviar se divide en “paquetes” que contienen los datos de usuario y la información de control (dirección de origen y destino, etc.) RCP Información de control Paquete3 Datos de usuario Paquete2 Paquete1 Paquete3 Datos de usuario Paquete2 Paquete1

23 4. Redes de Conmutación de Paquetes (RCP)
Ventajas de la RCP RCP mediante datagramas RCP mediante Circuitos Virtuales Encaminamiento Control de la congestión

24 Redes de conmutación de paquetes Ventajas vs. inconvenientes
Consume recursos del sistema cuando se envía (o se recibe) un paquete Intercambio de paquetes entre hosts de diferentes velocidades Mayor eficiencia: enlace compartido dinámicamente Tolerancia a fallos de las líneas Ancho de banda no garantizado (no apto para voz y video en TR) Pérdida y retardo de los paquetes Información de control necesaria

25 Redes de conmutación de paquetes Mediante datagramas
En la técnica de datagramas cada paquete se trata de forma independiente, sin referencia alguna a los paquetes anteriores. Cada nodo elige el siguiente nodo en la ruta del paquete de acuerdo con información recibida de los nodos vecinos acerca de tráfico, fallo en las líneas, etc. De este modo, no todos los paquetes, aunque con el mismo destino, seguirán la misma ruta, pudiendo recibirse desordenados en el último nodo [William Stallings: Comunicaciones y Redes de Computadores] Todos los paquetes tienen en su cabecera la dirección origen y destino Encolamiento y encaminamiento independiente de los paquetes Red Enlace Físico Paquetes desordenados. El host de destino se encarga de reordenarlos 4 3 2 1 4 1 3 1 Red Enlace Físico 2 4 3 1 2 2 4 3 1 Conmutador de nivel 3 (router)

26 Redes de conmutación de paquetes Mediante datagramas. Cronograma
Origen A A B Cabecera Encolamiento y enrutamiento Datos Cabecera Datos Retardo de propagación Cabecera Datos

27 Redes de conmutación de paquetes Mediante Circuitos Virtuales
En la técnica de circuitos virtuales se establece una ruta previa al envío de los paquetes. Una vez establecida ésta, todos los paquetes intercambiados entre dos partes comunicantes siguen dicho camino a través de la red. Dado que el camino es fijo mientras dura la conexión lógica, éste es similar a un circuito en redes de conmutación de circuitos, por lo que se le llama circuito virtual. Además de los datos, cada paquete contiene un identificador de circuito virtual. Cada nodo de la ruta preestablecida sabe hacia dónde dirigir los paquetes, no precisándose por tanto la toma de decisiones de encaminamiento. En un instante de tiempo dado, cada estación puede tener más de un circuito virtual hacia otra u otras estaciones.[William Stallings: Comunicaciones y Redes de Computadores] Todos los paquetes tienen su identificador de circuito virtual VCI Encolamiento. No hay que tomar decisiones de encaminamiento Red Enlace Físico A Paquetes siempre ordenados. 4 3 2 1 4 Red Enlace Físico 3 B 2 1 4 3 2 1 Conmutador de nivel 3 (router)

28 Redes de conmutación de paquetes Mediante Circuito Virtual. Cronograma
Origen A Técnica de circuitos virtuales : antes de enviar los paquetes de datos , el emisor envía un paquete de control que es de Petición de Llamada; este paquete se encarga de establecer un camino lógico (circuito virtual) de nodo en nodo por donde irán uno a uno todos los paquetes de datos . De esta forma se establece un camino virtual para todo el grupo de paquetes . Este camino virtual será numerado o nombrado inicialmente en el emisor y será el paquete inicial de Petición de Llamada el encargado de ir informando a cada uno de los nodos por los que pase, de que más adelante irán llegando los paquetes de datos con ese nombre o número . De esta forma , el encaminamiento sólo se hace una vez ( para la Petición de Llamada ) . El sistema es similar a la conmutación de circuitos , pero se permite a cada nodo mantener multitud de circuitos virtuales a la vez . Al concluir la transferencia de datos se envía un paquete de desconexión y se procede a la liberación de la ruta o circuito. A B Petición de llamada Conexión 1 Paquete de aceptación 2 1 3 2 4 1 3 Trasferencia de datos 2 4 1 3 2 4 3 4 Desconexión Liberación del Circuito Virtual

29 Redes de conmutación de circuitos
Redes de conmutación de paquetes vs. conmutación de circuitos Características Véase: William Stallings: Comunicaciones y Redes de Computadores Redes de conmutación de circuitos Ruta de transmisión dedicada Transmisión de datos continua Los mensajes no se almacenan La ruta se establece para toda la conversación Retardo de establecimiento de la llamada No existe conversión de velocidad ni de código Ancho de banda fijo No existen bits suplementarios añadidos a los datos RCP Mediante datagrama Ruta no dedicada Transmisión de paquetes Los paquetes se almacenan La ruta se establece para cada paquete Retardo en la transmisión de los paquetes Existe conversión de velocidad y de código Ancho de banda dinámico Uso de bits suplementarios en cada paquete Mediante C.Virtuales Retardo de establecimiento de llamada y de transmisión pqts.

30 Redes de conmutación de paquetes Encaminamiento
Véase: William Stallings: Comunicaciones y Redes de Computadores La función principal de una red de conmutación de paquetes es aceptar paquetes procedentes de una estación emisora y enviarlos hacia una estación destino. Para ello se debe determinar una ruta (encaminamiento) a través de la red, siendo posible generalmente la existencia de más de una. Es necesario fijar un criterio con el que poder establecer cuál es la mejor ruta: Criterios de rendimiento (coste, retardo, nº de saltos, etc.) Entidad que toma la decisión: Cada nodo (distribuido), nodo central (centralizado) y nodo origen (fuente). Fuente de información de la red: Ninguna, local, nodo adyacente, nodos a lo largo de la ruta, todos los nodos. Tiempo de actualización de la información de la red: Continuo, periódico, cambio importante en la carga, cambio en la topología.

31 Redes de conmutación de paquetes Algoritmos de Encaminamiento
Véase: William Stallings: Comunicaciones y Redes de Computadores Estáticos Las tablas no cambian con el tiempo Aplicable a redes en las que el tráfico y la topología permanecen en el tiempo Centralizados Las tablas se calculan en un solo nodo de la red Distribuidos La tablas se calculan en cooperación con todos los nodos de la red Adaptable El encaminamiento cambia con las condiciones de la red Los principales determinantes son: los fallos y la congestión

32 Redes de conmutación de paquetes La congestión
Véase: William Stallings: Comunicaciones y Redes de Computadores La congestión se produce cuando el número de paquetes que se transmite a través de una red comienza a aproximarse al límite de la capacidad de proceso de paquetes de la misma El objetivo del control de congestión es mantener el número de paquetes en la red por debajo del nivel para el que decaen dramáticamente las prestaciones Medidas primarias para controlar la congestión Con circuitos virtuales  Reserva de Buffers En la fase de establecimiento de la conexión, cada nodo intermedio del circuito virtual hace una reserva de buffers adecuada. Si no se puede garantizar la reserva de buffers, no se establece la conexión. Con datagramas  Descartado de paquetes Si un nodo no puede colocar un paquete en un buffer de salida, lo descarta

33 Referencias [1] William Stallings: Comunicaciones y Redes de Computadores. Prentice Hall [2] J Kurose & K Ross: Computer networking (2009)