Fundamentos de redes
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Fundamentos de redes Sistemas de comunicaciones de datos Está compuesto por un conjunto de recursos, denominado Entorno distribuido, generalmente equipos con datos, CPU, programas, impresoras, unidades de disco, etc.; que se encuentran diseminados a lo largo de diversas locaciones físicas. El entorno distribuido está vinculado por medio del Sistema de comunicaciones que provee los mecanismos de distribución necesarios para que puedan intercambiar datos entre sí, en forma trasparente a los usuarios. Se trata pues del conjunto de elementos de Hardware y Software que soporta la comunicación entre procesos de los diferentes sistemas que componen los en diferentes Nodos de la Red. Definiciones Nodo: Punto de la red al que se encuentra conectado un recurso cualquiera del Sistema Link: Conexión directa entre uno a mas Nodos. Red: Conjunto de Nodos interconectados a través de vínculos. Internet o red de redes: es un conjunto de redes interconectadas por medio de dispositivos de comunicación (Routers, Switches, y Gateways) que tienen la inteligencia para dirigir los datos hacia la red en la que se encuentra el nodo destino de los mismos. host o server: Componente de hardware que realiza una función principal en el sistema. Name: Es la denominación de un proceso, de un nodo, o de un recurso cualquiera del sistema Address: Indica en donde está ubicado el objeto nombrado (named) Route (ruta): Indica como llegar hasta esa dirección. Protocolo: Conjunto de convenios y formatos necesario para comunicar dos nodos de un sistema de comunicaciones independientemente de la arquitectura particular de cada uno. Establece reglas precisas de comportamiento. Modelo Client­Server: Es una forma de distribución de las tareas a realizar entre diferentes procesadores de modo de realizar la tarea total en menos tiempo. Es esencialmente un Mecanismo de comunicación interprocesos, con la única salvedad de que éstos en lugar de estar en una misma máquina están en diferentes máquinas, cada una de las cuales se corresponderá con un nodo de la red. Por tal motivo, las funciones que permiten implementar esta forma de comunicación interprocesos intersistema son una extensión natural de las que permiten implementar comunicación interprocesos en una misma máquina. Client: Programa que como parte de su ejecución resuelve determinadas tareas por medio de envío de requerimiento de un servicio a un server. Server: Programa que ofrece un servicio que puede ser accedido a través de la red de un sistema distribuido desde cualquier nodo. Acepta requerimientos que le llegan desde la red, realiza las funciones necesarias para prestar el servicio para el que está diseñado y finalmente devuelve el resultado a través de la red al nodo que lo ha requerido. Los Servers no son otra cosa que programas de aplicación, con lo cual pueden residir en cualquier computadora conectada a un nodo del Sistema Distribuido independientemente de la arquitectura de la misma, ya que ante un requerimiento con un determinado formato devuelven un resultado también con un determinado formato. Backbone: Enlace troncal de alta capacidad de transmisión (ancho de banda) sobre el que están conectadas las diferentes redes que componen el sistema de comunicaciones. Ejemplos: desde el anillo de fibra en el caso de una WAN, hasta el cable troncal de un edificio que viaja por las montantes y al que están conectadas las diferentes LANs, instaladas. LAN: El IEEE define a una LAN como un sistema de comunicaciones que permite intercomunicar entre sí un número de dispositivos independientes, dentro de un área geográfica de tamaño moderado y sobre un canal de comunicaciones físico de velocidad moderada. Normalmente se tiene una LAN dentro de un mismo predio (Edificio, Campus Universitario, etc.). WAN: En empresas grandes generalmente se requiere interconectar equipos a lo largo de una gran área geográfica. Típicamente las sucursales de un Banco a lo largo de un país. En este caso la interconexión involucra a la red pública de Telecomunicaciones de ese país, ya que se deben arrendar vínculos exclusivos para realizar la interconexión de manera segura. A estas redes que abarcan estas distancias se las denomina WAN, por Wide Area Network (Redes de Area Extensa). VPN: Una Red Privada Virtual utiliza Internet para montar redes privadas corporativas que cumplan con los mismos estándares de Seguridad que cualquier red privada física. Red construida sobre otra red, generalmente de un prestador de servicios. Se apunta a reducir los costos de Internetworking de las empresas. Funciones de un Sistema de Comunicaciones Naming Addressing Segmentación: Es común que la información no pueda ser trasportada tal cual el Nodo lo requiera y tenga que ser segmentada para viajar por la red. Control de Flujo: Sincronización: Mecanismo por el cual ambos extremos de una comunicación (Nodos) conocen que la información arribó a destino. Priorización: Mecanismos que permiten a los elementos de comunicaciones de una red decidir que tráfico es más prioritario. Control de Errores: Mecanismos que aseguran que la información llegó sin errores. Modelo de capas OSI­ISO Modelo únicamente referencial denominado Open System Interconection para el estudio de los sistemas de comunicaciones que permite dividir las funciones de comunicación de modo de asignarlas a cada capa del modelo, y establecer un orden. De este modo cada capa dialoga con su peer (par) en el extremo remoto, tal como si el resto no existiese. Dentro del nodo local, cada capa interactúa con sus adyacentes superior e inferior, pero solo actúa sobre la información que colocó su peer en el stack remoto. Así se definen las siguientes siete capas: Aplicación: Presentación: Sesión: Transporte: Red: Enlace: Física: Redes de conmutación Cuantas mas estaciones componen una red es más compleja su interconexión directa. Si se desea establecer conexiones del tipo punto a punto hay que proporcionar una forma de derivación de los datos a través de la ruta que los dirija al nodo destino. En esto consiste la conmutación. Hay dos técnicas posibles para realizar esta función: Conmutación de circuitos: Establece un vínculo físico permanente entre los nodos origen y destino, de modo tal que mientras el circuito esté establecido, se tiene la garantía de derivación del mensaje al destinatario Conmutación de paquetes: Divide el tráfico a enviar a la Red en segmentos de tamaño acotado denominados paquetes, que se multiplexan dentro del sistema de interconexión para su transmisión desde un nodo hasta otro, aprovechando el canal de comunicaciones en toda su capacidad ya que cada vínculo está compartido por todos los nodos conectados a él. Topologías de una red Bus: Anillo: Estrella: Malla total o parcial: Es importante que haya una coherencia entre las topologías de red en las diferentes capas. Por ejemplo es común que todos los enlaces de comunicaciones estén en topología “Estrella” hacia un punto determinado de la red; entonces, es allí donde debe converger el tráfico. Sería incoherente ubicar en centro de procesamiento en otro sitio que no sea ese, obligando que todo el tráfico pase por una rama de la estrella. Capa UNO: Medios físicos de transmisión LAN/MAN: Coaxil, Par Trenzado WAN: Fibra óptica, Radio (microonda, Wi­Fi), Par de cobre Capa DOS: Enlace, Ethernet (IEEE 802) En Febrero de 1980 el IEEE propone el standard 802 con el objetivo de identificar y dar forma a estándares de LAN de data rates de hasta 20 Mbps. El conjunto de estándares 802 subdividió la capa 2 del Modelo OSI en dos sub­capas: Control de Acceso al Medio (MAC = Media Access Control): Limita con el nivel inferior en la jerarquía OSI (Nivel Físico), y determina la técnica con que se accede al medio físico compartido. Control de enlace lógico (LLC = Logic Link Control): Interactúa con el Nivel OSI superior (Nivel de Red) de modo tal de garantizarle independencia de la forma en que se accede al medio físico. El protocolo Ethernet es una tecnología de conmutación de paquetes para LANs desarrollada por Xerox a principios de la década del 70, compatible con la propuesta del IEEE y la incorpora en su standard, sus definiciones están plasmadas en el estándar 802.3 de IEEE. Basada en el método de acceso al medio CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access Colision Detection), donde hay conectadas al mismo medio de transmisión muchas estaciones y todas utilizan el mismo criterio para acceder al medio. Acceso al medio en Ethernet El protocolo está basado en “escuchar antes de hablar”, habida cuenta que Ethernet propone una topología de tipo bus. Antes de iniciar la transmisión deseada, una estación Ethernet chequea si existe actividad en el medio, es decir si hay alguna otra estación transmitiendo. Portadora (carrier) significa la presencia de transmisión por otra estación en el medio. Si una estación Ethernet detecta un canal ocupado se inhibe de transmitir. Una vez que haya pasado por el canal el último bit que estaba siendo transmitido, introduce un delay de 9,6 uSeg. (espacio entre frames requerido por este tipo de técnica de acceso). Transcurrido este lapso, si existe en la estación un paquete de datos esperando para su transmisión, la estación inicia su transmisión. Si la estación no tiene datos para transmitir, reinicia la actividad de sensado de portadora. Si una estación intenta transmitir cuando el canal está ocupado, se produce lo que se denomina una colisión. Si hay Sensado antes de transmitir, entonces, ¿Por qué las colisiones?. Durante la operación normal de las LANs Ethernet, ocurren colisiones Una estación que necesita transmitir, lo hará siempre que haya detectado ausencia de portadora. Sin embargo, no puede conocer el estado de encolamiento de frames para transmitir en las restantes estaciones. El tiempo de propagación del medio, es 0,8 a 0,6 veces la velocidad de la luz en cables coaxiles. Existirá un delay entonces, sumamente pequeño pero suficiente como para que en el momento que una estación pone un dato en el medio para iniciar su transmisión, las que en ese mismo instante intentaron sensar presencia de portadora no lleguen a recibirla a tiempo, asumiendo en consecuencia ausencia de portadora, condición que les permitirá iniciar su transmisión también. En el momento en que se produce la colisión, ambas estaciones abortan la transmisión. La primer estación que detecte la situación envía hacia el exterior un pulso especial de congestión (jamming pulse) destinado a alertar a todas las estaciones acerca de la situación. Al recibir esta señal cada estación dispara un intervalo de timer de duración aleatoria, transcurrido el cual se recobra la actividad de intento de transmisión en todas las estaciones. Al introducir delays aleatorios antes de la transmisión se disminuye la probabilidad de colisiones. Si éstas ocurriesen con demasiada frecuencia se duplica el promedio del valor de time­out aleatorio. Esto reduce la probabilidad de colisiones si se tienen hasta 10 colisiones consecutivas. Situándonos en el caso más desfavorable, una estación Ethernet puede estar esperando indefinidamente para acceder a la red sin conseguirlo, ya sea porque encuentra el medio ocupado, o cada vez que intenta el acceso colisiona con otra estación. Esto hace que Ethernet no sea adecuada para aplicaciones de tiempo real. Este es el principal factor de limitación frente a Token Ring que se suele señalar de las LANs Ethernet cuando se establecen comparaciones entre ambos estándares. Sin embargo esta situación límite rara vez aparece en las implementaciones reales ya que la probabilidad de que ocurra esta situación es sumamente baja. Para niveles de tráfico Moderados Ethernet es muy eficiente, debido a que el acceso al medio en la mayoría de los casos es inmediato (solo tiene que haber ausencia de portadora). Esto hace que para condiciones de tráfico bajo a Moderado, la performance de una LAN Ethernet a 10 Mbps, sea comparable con la de una LAN Token Ring a 16 Mbps. Capa TRES: Internet Protocol Estructura de una Dirección IP Capa CUATRO: Transport Control Protocol Eventos del lado origen Mensajes en la Red Envío paquete 1 Eventos del lado destino Recepción paquete 1 Envío ACK1 Recepción ACK 1 Envío paquete 2 Recepción paquete 2 Envío ACK 2 Recepción ACK 2 Eventos del lado origen Envío paquete 1 Arranca Timer Momento teórico para Recepción de ACK 1 Expiración del Re­envío paquete 1 Arranca Timer Recepción ACK 1 Cancela Timer Mensajes en la Red Eventos del lado destino Pérdida del paquete Arribo esperado paquete 1 Envío esperado de ACK1 timer Recepción paquete 1 Envío ACK 1 Eventos del lado origen Envío paquete 1 Mensajes en la Red Eventos del lado destino Recepción paquete 1 Envío paquete 2 Recepción ACK 1 Envío ACK1 Recepción paquete 2 Envío ACK 2 Recepción ACK 2 Recepción paquete 3 Envío paquete 3 Envío ACK 3 Recepción ACK 3 Eventos del lado origen Mensajes en la Red Envío SYN seq=x Recepción segmento SYN Envío SYN seq=y, ACK x+1 Recepción segmento SYN + ACK Envío ACK y+1 Eventos del lado origen La aplicación cierra la conexión Envío FIN seq=x Recepción segmentoACK Recepción segmento FIN + ACK Envío ACK y+1 Eventos del lado destino Recepción segmento ACK Mensajes en la Red Eventos del lado destino Recepción segmento FIN Envío ACK x+1 (Informa a la aplicación) La aplicación local cierra la conexión) Envío FIN seq=y, ACK x+1 Recepción segmento ACK
