Tema 1. Introducción a las redes de computadores.

Tema 1. Introducción a las redes de computadores.
Motivación y uso.
REDES DE COMPUTADORES: conjunto de computadoras autónomas interconectadas entre sí,
lo que significa que son capaces de intercambiar información.
SISTEMA DISTRIBUIDO: conjunto de computadoras independientes que interconectadas entre
sí se presentan al usuario como un sistema único.
Utilidad de las redes.
Utilidad de las redes:
 Compartir recursos: programas, datos y equipos.

Eliminar las distancias.

Aumentar el nivel de confianza: sistemas redundantes, alternativos.

Elegir una forma de trabajo: cliente-servidor / peer-to-peer.

Ahorrar costes operativos y de infraestructura.

Escalar sistemas.

Establecer comunicaciones inmediatas: web, news, periódicos digitales,
videoconferencia, mail, etc.

Aprovechar el ocio y el entretenimiento.

Comercio electrónico (e-commerce) / comercio móvil (m-commerce).
Modelo de comunicaciones.
Modelo simplificado.
Fuente: genera la señal a transmitir (voz, datos)
Transmisor: adapta la señal al medio y al sistema de transmisión
Sistema de transmisión: transporta la información
Receptor: realiza el proceso inverso al transmisor, transforma la señal en información
Destino: recibe la información tal y como se originó en el origen
Tareas claves:














Utilización del sistema de transmisión: uso eficaz y compartición del sistema.
Multiplexación: reparto del medio entre los distintos usuarios.
Establecer el interfaz con el medio de transmisión: capacidad, formato, medio de
acceso.
Generación de la señal adaptada al medio.
Mecanismos de sincronización (emisor y receptor).
Gestión del intercambio: quien puede transmitir, cuanto, etc.
Detección y corrección de errores.
Control de flujo: evitar medio se sature.
Direccionamiento: a quién va dirigido.
Encaminamiento de la señal.
Recuperación: sistemas de rollback, sitemas incrementables, etc.
Formato de mensajes: código binario usado, estructura de la trama, etc.
Seguridad.
Gestión de red: eficaz, flexible y adaptable.
Comunicaciones por redes de datos.
Uso y clasificación de redes de datos.
Aunque lo ideal serían los enlaces punto a punto, se usan las redes de comunicaciones en base
a:
 Distancias: en largas distancias los enlaces punto a punto no se justifican

Tiempo de comunicación real: suele ser pequeño

Escalabilidad de sistemas

Criterios económicos: costes fijos y ampliaciones
Clasificación de las redes de datos en base a la tecnología de transmisión:

Redes de difusión:
o 1 sólo canal: los mensajes llegan a todos los equipos y estos validan la
dirección destino (ej. grito)
o
o


Dos filosofías:
 Broadcasting: a todos los equipos.
 Multidifusión: a un subconjunto del conjunto de equipos.
La asignación del canal es:
 Estática: cuando le toca por tiempo o turno.
 Dinámica: existe una unidad gestora que asigna el canal.
Punto a punto: directamente conectadas.
Conmutación: transmisión de datos a través de nodos intermedios, que eligen el
camino a seguir.
Clasificación de redes de datos.
Clasificación de las redes de datos en base a su alcance:







Redes de área local: redes LAN.
Redes área residencial: redes MAN.
Redes de área ámplia: redes WAN.
Redes inalámbricas.
Redes inalámbricas de área local: redes WLAN.
Redes de satélite.
Interredes.
Redes de Área Local, redes LAN:




Implementadas sobre cableado directo.
Controlan los tiempos de respuesta.
Las técnicas que más utiliza son:
o Difusión.
o Conmutación (ethernet).
Privadas (usualmente).
Redes de Área Residencial, redes MAN:



Implementadas sobre distancias controladas.
Con tiempos de respuesta controlados.
Tecnologías:
o HFC: tecnología híbrida fibra/coaxial que permite proveer servicios de banda
ancha. Las tendencias son: FTTF (3000 hogares), FTTC (500 hogares), FTTB y
FFTH.
o xDSL: transmisión digital de alta velocidad en el bucle de abonado:
Redes de Área Amplia, redes WAN:




Implementadas sobre grandes distancias.
Los tiempos de respuesta son incontrolados.
Requieren atravesar rutas de acceso público.
Utilizan parcialmente circuitos proporcionados por una entidad proveedora de
servicios de telecomunicación.

Tecnologías:
o Conmutación de circuitos: establece caminos dedicados (RTC).
o Conmutación de paquetes: los paquetes circulan de nodo en nodo eligiendo el
camino más apropiado.
o Frame relay: aporta solución a los errores de transmisión en larga distancia y
aporta más velocidad.
o ATM: evolución de “frame relay” que a muy alta velocidad trabaja con
longitud fija confiando siempre en la robustez del medio.
o RDSI: sistema integrado que transmite y procesa todo tipo de señales,
proporcionado multitud de servicios:
 Banda estrecha: 64 kbps, soportada normalmente sobre Frame Relay
(evolución de la conmutación de circuitos).

Banda ancha: 155 Mbps, soportada sobre ATM (evolución de la
conmutación de paquetes).
Redes Inalámbricas:


Diseñadas para dispositivos que no pueden depender del cable (pdas y portátiles).
Inconveniente: su capacidad es sensiblemente inferior a las redes de cable.

Tecnologías:
o GSM (Global System for Mobile Communications): sistema global para
comunicaciones móviles: sistema digital europeo capaz de operar en dos
bandas: 900 y 1800 (DCS 1800) Mhz.
o GPRS (General packet radio service): sistema global para comunicaciones
móviles, basado en transmisión de paquetes que ofrece conexión permanente
a internet por agregación de canal.
o UMTS (Universal Mobile Telecommunications Service): sistema de transmisión
de paquetes multimedia en banda ancha (2 Mbps) que permite dar
consistencia y servicios avanzados a los dispositivos móviles.
o SMDS (Switched Multimegabit Data Service): servicio conmutación de
paquetes en banda ancha diseñado para unir entre sí múltiples LAN. Ofrece un
backbone de alta velocidad.
o
o
o
o
o
LMDS (Local Multipoint Distribution System): sistema de transmisión de
microondas en banda ancha para “la última milla”: download a 1,5 Gbps,
upload a 200 Mbps en subida.
Wi-Fi (Wireless Fidelity): acrónimo del estándar 802.11b del IEEE permite
velocidades de 11 Mbps (supera en 5 veces las redes inalámbricas actuales)
con encriptación de datos a 128 bits.
WAP: protocolos diseñados para aplicaciones que usan poco ancho de banda
sobre terminales móviles.
Bluetooth: estándar que permite conectar dispositivos a 2,4 Gb y velocidades
de 1, 2 y 10 Mbps. Origen de las PAN (personal area network).
NAN o Parasitic Grid: sobre estándar 801.11b buscan construir una red libre y
autogestionable con la colaboración de los usuarios.
Redes WLAN


Sistema de comunicación de datos inalámbrico flexible.
Muy utilizado como alternativa a las redes LAN cableadas o como extensión de éstas.
o Movilidad: acceso desde cualquier punto.
o Facilidad de instalación: sin cables; acceso inmediato a usuarios temporales.
o Flexibilidad: llega dónde el cable no puede o sería costoso.
Redes de Satélite:






Transmisión por microondas.
Topologías: punto a punto o multipunto.
Aplicable a televisión, telefonía de larga distancia y redes privadas.
Actualmente la mayoría son geoestacionarios (36.000 kms de la tierra), por lo que no
soportan aplicaciones en tiempo real debido a los retrasos implícitos.
La alternativa son satélites de baja órbita como las propuestas de Iridium y Teledisc.
VSAT (Very Small Aperture Terminal): tecnología que permite utilizar un canal del
satélite para establecer una red privada a bajo coste. Consiste en estaciones equipadas
con una antena VSAT que comparten la capacidad del canal para intercambiar
mensajes con la estación central.
Interredes:


Interconexión de redes vía pasarelas (internet).
Múltiples tecnologías.
Protocolos y estándares.
Definición de protocolo.
Protocolo: conjunto de normas que determinan el formato y la transmisión de datos.
Protocolo:





Semánticamente: normas de actuación a aplicar en cada momento.
Técnicamente: conjunto de reglas que gobiernan el intercambio de datos entre dos
entidades.
Todo protocolo debe definir los siguientes aspectos de la comunicación:
o Sintaxis: formato de datos y niveles de señal.
o Semántica: información de control para gestión y control de errores.
o Temporización: velocidades y secuencias.
Características:
o Directos/indirectos: los sistemas se comunican por una línea punto a punto/vía
red.
o Monolíticos/estructurados: un único protocolo para todo un proceso/varios
protocolos en jerarquía para un proceso.
o Simétrico/asimétrico: el número de entidades involucradas es par/impar.
o Estándar/propietario: asumido por la mayoría/de uso particular.
Su unidad de transmisión es la PDU (protocol data unit) que consta de:
o Información de control (cabecera).
o Datos.
Funciones de los protocolos.
Las funciones y tareas elementales de los protocolos son:
 Encapsular.
 Segmentar y ensamblar.
 Control de conexión.
 Entrega en orden.
 Control de flujo.
 Control de errores.
 Direccionamiento.
 Multiplexación.
 Servicios de transmisión.
Encapsular: añadir a los datos la información de control para generar la PDU.
Segmentar y ensamblar: dividir los mensajes en paquetes más pequeños para su transmisión
(segmentar); el proceso contrario (ensamblar).
Control de conexión:

Importante cuando el volumen de tráfico es grande.



Si no se controla (connectionless) cada paquete se gestionan independientemente de
los recibidos con anterioridad.
Una conexión entre dos entidades implica:
o Establecer la conexión: solicitarla, aceptarla o rechazarla y negociar aspectos
del protocolo a Utilizar (tamaño PDU, sintaxis, etc.).
o Transferir los datos: datos e información de control (errores, flujo,etc).
o (interrupción)
o (recuperación)
o Cerrar la conexión: a solicitud de una entidad.
Las entidades numeran secuencialmente las PDU: control orden, flujo y errores.
Entrega en orden: cada PDU puede seguir caminos distintos, por lo que pueden llegar
desordenadas al destino. En protocolos no orientados a conexión es obligatorio numerar
secuencialmente las PDUs en origen.
Control de flujo: operación que realiza el receptor para limitar la velocidad de envío del
emisor:
o La técnica más usada es parada y espera: confirmar cada PDU antes del envío de la
siguiente.
o Otra técnica consiste en establecer una ventana de confirmación (crédito al emisor).
Control de errores: técnicas para recuperar pérdidas y errores en la transmisión de los datos y
de la información de control. Existen dos mecanismos:
 Detección (y corrección) de errores: inserción en la PDU de un código, basado en el
contenido de la PDU, que el receptor ha de validar (y reparar si existe mecanismo de
corrección)
 Retransmisión: si pasado cierto tiempo el emisor no recibe confirmación, retransmitirá
la PDU automáticamente
Direccionamiento: consiste en la identificación total de origen y destino:

Nivel de direccionamiento: cada nivel de la arquitectura realiza su propio
direccionamiento:

Alcance global del direccionamiento:
o Sin ambigüedad: no permitir duplicados.
o Práctico: acceder a cualquier equipo desde cualquier otro.

Identificadores de conexión: dar un nombre a la misma en sistemas orientados a
conexión (ej. VPN), para conseguir:
o Reducir cabeceras.
o Encaminamiento fijo.
o Multiplexación: 1 entidad usa más de 1 conexión.
o Control de la conexión a través de la información de estado.

Modo de direccionamiento:
o Unicast: un único destino.
o Multicast: el destino es un grupo de usuarios determinado.
o Broadcast: el destino son todos los usuarios.
Multiplexación: establecer varias conexiones dentro de un único sistema como las VPNs o los
puertos en una aplicación (ej. 80 en web). Existen 2 sistemas:
 Ascendente: varias conexiones de la capa n comparten una única conexión de la capa
n-1 (ej. eficacia).
 Descendente: una única conexión de la capa n para varias conexiones de la capa n-1
(ej. seguridad).
Servicios de transmisión: servicios adicionales que presta el protocolo como prioridad, QoS y
seguridad. Es necesario que las capas inferiores los soporten para garantizar su
funcionamiento.
Estándares.
Esenciales para:
 Crear y mantener un mercado abierto y competitivo entre los fabricantes de los
equipos.
 Garantizar la interoperabilidad nacional e internacional de los datos, y la tecnología y
los procesos de telecomunicaciones.
Estándares de transmisión de datos:
o De facto (de hecho): adoptados como estándares por su gran difusión.
o De jure (por ley): legislados por un organismo oficialmente reconocido.
Organizaciones de estandarización:

ISO (Organización Internacional para la Estandarización).
o Formado por comités de estándares de varios gobiernos del mundo.
o Desarrollo de la cooperación en los ámbitos científicos, tecnológicos y
económicos.
o Responsable del modelo OSI de redes.

ITU-T (Unión Internacional de Telecomunicaciones.
o Desarrollo de estándares para telecomunicaciones, telefonía y sistemas de
datos.
o Establece estándares de telecomunicaciones a nivel mundial para garantizar la
compatibilidad extremo a extremo: técnicas, tecnologías, operativas,
tarificación, etc.
ISOC .

Asociación no gubernamental y sin ánimo de lucro.



Responsable del desarrollo y publicación de estándares en internet (protocolo TCP/IP),
así como de su funcionamiento.
Ha constituido las siguientes agrupaciones que desempeñan un papel importante en la
estructura global de Internet.
o Internet Architecture Board (IAB) responsable de la arquitectura de internet.
o Internet Engineering Steering Group (IESG) responsable del desarrollo e
ingeniería de protocolos.
o Internet Assigned Numbers Authority (IANA) responsable de la asignación de
direcciones.
Financia a la IETF para la elaboración de los Requests for Comments (RFC editor),
considerados los estándares de Internet que se determinan mediante equipos de
trabajo que operan de manera abierta y democrática para asegurar la evolución
transparente de Internet.
 Método de trabajo:
 Un grupo elabora un Internet Draft.
 IETF publica durante 6 meses dicho borrador.
 Se pasa a RFC en modo estándar propuesto: notas de trabajo para los
desarrollos e investigación en internet.
 Transcurrido un tiempo suficiente alcanza el grado de Internet
Stándard.
Modelos de red.
Definición.
Todos los modelos de red se basan en protocolos organizados en arquitecturas.
Arquitectura de Protocolos: incluye todos los módulos que realizan todas las tareas necesarias
para desarrollar lógicamente la comunicación entre distintos sistemas.
Capa de la Arquitectura: cada uno de los módulos con sus respectivas tareas.
Un ejemplo de tareas y niveles:
Un modelo de red se estructura jerárquicamente como una pila de capas o niveles:
 El número de capas y su nombre en cada red es distinto.
 Cada capa ofrece servicios a la superior y los demanda de la inferior.
 Las capas de dos sistemas se comunican entre sí mediante un conjunto de reglas
denominadas protocolos.
 Entre las capas están los interfaces: operaciones y servicios que la capa n-1 ofrece a la
capa n.
 La última capa normalmente es hardware o firmware.
 Debajo de la última capa está el medio físico.
Arquitectura de red: conjunto de capas y protocolos de una red, creados por los diseñadores
de red.
Interfaces:
 Operaciones y servicios que una capa inferior ofrece a una superior.

Los servicios están disponibles en los SAP (Service Access Point), que se identifican por
un número único (ej. número de teléfono).
Servicios:

Se especifican en base a primitivas (conjunto de operaciones) que permiten acceder a
los mismos:
o Petición: una entidad pide un trabajo a un servicio.
o Indicación: se informa a la entidad sobre un suceso.
o Respuesta: una entidad quiere responder a un suceso.
o Confirmación: ha llegado la respuesta a una petición anterior.

Tipos de servicios:
o Orientados a conexión: el usuario establece la conexión, la usa y luego la libera
(teléfono convencional).
o No orientados a conexión: no se establece conexión y cada paquete de
información sigue su propio camino (servicio de correos).

Calidad de servicio:
o Fiable: no se pierden datos (telefonía fija) .
o No fiable: no se garantiza que no se pierdan datos (servicio web).
¿Por qué un modelo de red?
Necesidad de una arquitectura de protocolos.

Ejemplo: la transferencia de un archivo.
o El sistema fuente debe activar un camino de datos o proporcionar a la red de
comunicación la identificación del sistema destino.
o El sistema fuente debe verificar que el destino está preparado para recibir
datos.
o
o




La aplicación de transferencia de archivos en el origen debe verificar que el
programa gestor en el destino aceptará y almacenará el archivo para su
usuario.
Puede necesitar una traducción de los formatos de los archivos.
El problema se divide en subtareas.
Se realiza por separado en capas de pilas.
Funciones necesarias en los dos sistemas.
Las capas o pares intercambian información.
Un modelo de red sencillo.
La tarea de comunicación está dividida en módulos.
Por ejemplo: la transferencia de archivos podría utilizar tres módulos:
 Aplicación para la transferencia de archivos.
 Módulo del servicio de comunicaciones.
 Módulo de acceso a la red.
Un modelo de tres capas.
Capa de acceso a la red:
 Intercambio de datos entre el computador y la red.

El computador emisor proporciona la dirección del destino.

Puede hacer uso de algunos servicios.

Depende del tipo de red que se use (LAN, conmutación de paquetes, etc.).
Capa de transporte:
 Intercambio de datos de una manera fiable.

Independiente de la red que se use.

Independiente de la naturaleza de las aplicaciones.
Capa de aplicación:
 Admite varias aplicaciones de usuario.

Ejemplo: correo electrónico, transferencia de archivos.
Requisitos para el direccionamiento:
 Se requieren dos niveles de direccionamiento.

Cada computador necesita una única dirección de red.

Cada aplicación en el computador (multitarea) debe tener una única dirección dentro
del propio computador:
o Puntos de acceso al servicio o SAP.
o
El puerto sobre las pilas TCP/IP.
Construcción de una PDU:
 En cada capa se utilizan protocolos para la comunicación.

Se añade información de control a los datos en cada capa.

Se pueden dividir los mensajes en función de la capacidad del medio de comunicación.

La capa de transporte puede fragmentar los datos del usuario.
o A cada fragmento se le añade una cabecera: dirección destino, información de
control para identificación, número de secuencia, etc.
Modelos normalizados.
Son necesarias para que los dispositivos se comuniquen.
Los fabricantes tienen productos con un mercado mayor.
Los clientes pueden insistir en los estándares basados en el equipo.
Dos estándares:
 Modelo de referencia de OSI:
o Nunca ha llegado a alcanzar las promesas iniciales.
 Conjunto de protocolos TCP/IP:
o La arquitectura más usada.
Modelo OSI.
Modelo de interconexión de sistemas abiertos publicado por la ISO en 1984: ISO 7498.
Modelo de 7 capas donde los sistemas no necesitan estar directamente conectados,
permitiéndose la conexión vía red.
OSI no es una arquitectura de red:
 No especifica servicios ni protocolos.

Sólo especifica las funciones de cada capa.
Es un sistema abierto:
 Cada capa puede ser segmentada en subcapas.

En cada capa pueden residir diferentes protocolos.
La comunicación entre capas se realiza con primitivas.
Las capas también están normalizadas y requieren tres elementos clave:

Especificación del protocolo:
o Opera en la misma capa en dos sistemas.
o
Puede implicar distintos sistemas operativos.
o
La especificación del protocolo deber ser precisa.
 Formato de las unidades de datos.

Semántica de todos los campos.
o
 Secuencia permitida de PDU.
Definición del servicio: indica que servicios se proporcionan a la capa superior
(no como se usan).
o
Direccionamiento: identificación vía SAP de los servicios suministrados.
Capa Física: corresponde a la interfaz física:

Define las reglas en la transmisión de bits.

Especifica características:

o
Mecánicas: referentes a las propiedades de los conectores .
o
Eléctricas: representación de los bits (niveles de tensión) y velocidad de
transmisión.
o
Funcionales: funciones de cada circuito entre el sistema y el medio físico.
o Procedimiento: eventos en el intercambio de bits con el medio físico.
Unidad de información: bit.
Capa de Enlace: su misión es hacer del enlace físico un enlace seguro:

Detección y control de errores.

Control del enlace: activarlo, mantenerlo y desactivarlo.

Unidad de información: trama.
Capa de Red: realiza la transferencia de información entres sistemas finales a través de algún
tipo de red, haciendo la red transparente para las capas superiores:

Independiza a las capas superiores de los métodos y tecnologías de transmisión
empleados.

Realiza funciones de direccionamiento, encaminamiento, conmutación, gestión de
prioridades, descartes, etc.

Puede actuar como nodo intermedio: redireccionando datos sin que intervengan las
capas superiores.

Unidad de información: paquete.
Capa de Transporte: proporciona mecanismos para intercambiar datos entre sistemas finales:

El transporte orientado a conexión asegura que los datos se entregan sin errores, en
orden, sin pérdidas ni duplicados.

Puede ayudar a optimizar servicios proporcionando niveles de QoS.

Unidad de información: segmento.
Capa de Sesión: controla el diálogo entre aplicaciones de sistemas finales. Puede ser eludible
ya que sus servicios son opcionales:

Control de diálogo: full duplex, half duplex, etc.

Agrupamiento: en función de la aplicación.

Recuperación: estableciendo puntos de comprobación.
Capa de Presentación: define el formato de los datos que van a intercambiar las aplicaciones y
ofrece servicios de transformación de datos como compresión y cifrado.
Capa de Aplicación: proporciona a las aplicaciones el medio para acceder a la arquitectura OSI.
Comprende aplicativos de uso general: Mail, FTP, etc.
Modelo TCP/IP.
Desarrollada por la Agencia Norteamericana de Proyectos de Investigación Avanzada para la
Defensa (DARPA, Defense Advanced Research Project Agency) para su red experimental de
conmutación de paquetes (ARPANET).
Utilizada por Internet globalmente.
Se considera una arquitectura de protocolos:
 Modelo arquitectónico.

Familia de protocolos estructurados en capas.
No existe un modelo oficial, pero si uno funcional de cinco niveles:
 Capa de aplicación.

Capa extremo-a-extremo o de transporte.

Capa Internet.

Capa de acceso a la red.

Capa física.
A diferencia de OSI el uso estricto de todas las capas no es obligatorio. Existen protocolos de
aplicación que operan directamente sobre IP (capa de red), en concreto las aplicaciones que
no necesitan interconexión de redes.
Capa Física: interfaz física entre el dispositivo y el medio que define:
 Características medio transmisión.

Tasa de señalización.

Esquema de codificación de señales.
Capa de Enlace: responsable del intercambio de datos entre un sistema final y la red a la que
está conectado (interfaz lógico).
Capa de Red: encamina los datos desde el origen hasta el destino a través de varias redes.
Capa de Transporte: proporciona servicios de transferencia de datos extremo a extremo de
forma transparente para la capa de aplicación. También puede proporcionar mecanismos de
seguridad.
Capa de Aplicación: posibilita las aplicaciones de usuario facilitando la comunicación entre
aplicaciones distribuidas.
Modelo TCP/IP vs OSI.
El éxito de TCP/IP se basa en:
 Se especificó antes que OSI y su disponibilidad era inmediata.
 El DoD lo asumió y lo exigió en todo el software que adquiría.
 Es la base de internet y la www.
 Reside en el 90% de los escritorios.