Gu a de estudio del tema 1

Gu
a de estudio del tema 1
Arquitectura de Redes, Sistemas y Servicios, ITT, Curso 2008-2009
E.T.S.I. Telecomunicacion, Universidad de Valladolid
1.
Objetivos
Este primer tema plantea la importancia de la asignatura en su conjunto, al introducir la necesidad de redes de comunicaciones, y describir muchos de los problemas que en ellas aparecen. Ademas,
se introducen los conceptos de arquitecturas de comunicaciones, y se explica el modelo de referencia
OSI y la arquitectura de comunicaciones de Internet (TCP/IP). Los objetivos de este tema, por lo
tanto, son los siguientes:
Comprender que las redes de comunicaciones son convenientes.
Comprender la necesidad de un protocolo de comunicaciones entre los dos extremos.
Comprender la conveniencia de denir una arquitectura de protocolos, en lugar de un protocolo
monoltico.
Comprender someramente los conceptos de entidad, comunicacion virtual con la entidad par,
interfaz, servicio, y otros conceptos asociados como el de SDU (Service Data Unit ), PDU
(Protocol Data Unit ), encapsulamiento, primitiva de servicio y SAP (Service Access Point ).
Conocer el modelo de referencia OSI (Open Systems Interconnection ), y la arquitectura de comunicaciones TCP/IP (Transport Control Protocol/Internet Protocol ), as como su momento
historico y sus limitaciones.
Asignar funciones necesarias para ofrecer un servicio de comunicaciones a las distintas capas
de los modelos de referencia.
2.
Lecturas recomendadas
Este es un tema introductorio, por lo que los libros genericos de redes de comunicaciones son los
mas recomendables. En particular, dos libros clasicos para esta funcion son [Tan03] y [Sta04]. El
libro de Tanenbaum [Tan03] es posiblemente el mas utilizado en cursos introductorios. La escritura
intenta ser muy amena, con muchos ejemplos, anecdotas y gracas. Por el contrario, el libro de
Stallings [Sta04] es mas conciso, pero igualmente completo, lo que en muchos casos lo hace preferible,
una vez se tienen unos conocimientos iniciales.
En cualquier caso, dado que este es tu primer contacto con la telematica, el captulo 1 de [Tan03]
es la lectura mas recomendada. Este captulo introduce un repaso por redes de comunicaciones
existentes, que seran tratadas en la asignatura en el tema 7, pero es aconsejable que no evites la
lectura de esos apartados, ya que puede facilitar la comprension de los conceptos generales. Como
segunda lectura se recomiendan los captulos 1 y 2 de [Sta04], mucho mas conciso.
Otro libro general de redes de comunicaciones es [LG04]. Sus captulos 1 y 2 cubren el contenido
de este tema de una forma actual y bastante asequible. El librito [Hui98] ofrece una vision supercial
de varios temas de comunicaciones, por lo que puede ser de ayuda para la toma de contacto. Todos
estos libros puedes encontrarlos en la biblioteca del edicio.
Por ultimo, se recomienda la lectura de los primeros captulos de [RA97] para comprender
rapidamente el contexto historico del origen de Internet, y de los distintos avances que ayudaron a
su desarrollo.
1
3.
Problemas recomendados
En esta seccion se recomiendan una serie de problemas, y de preguntas abiertas que pueden
ayudarte a repasar los conceptos aprendidos en este tema, y a explorar problemas para localizar las
dudas o aspectos mas interesantes.
Como esta es la primera gua, se listan a continuacion unas pautas generales para trabajar los
problemas. Lo mas importante es que desarrolles capacidad para afrontar problemas nuevos por
ti mismo. En el mundo real hay muy pocos \problemas tipo". Por ello, no basta con desarrollar
capacidad de reproducir el proceso de resolucion de un problema: es necesario ser capaz de plantear
el proceso de resolucion de problemas originales.
En este sentido, los problemas estan pensados para ayudarte a aprender los conceptos de los
distintos temas de la asignatura, pero los problemas no son un objetivo de aprendizaje en s: no
tiene ningun sentido memorizar para reproducir el proceso de resolucion de un problema, si no se
comprende por que se ha seguido ese proceso. Por ello, los problemas del examen seran originales, y
durante su realizacion se permitira consultar todo el material que desees, incluyendo los problemas
resueltos en clase.
Por todo ello:
Intenta plantear los problemas antes de la correspondiente clase, utilizando todo el material
de apoyo que consideres adecuado. Aunque no llegues a una solucion, el pensarlos te ayuda a
aprender.
Participa en clase en la resolucion, y plantea dudas, preguntas o alternativas. Copiar las
soluciones que proporciona otro no sirve mucho para aprender.
Cuando se desarrollen las sesiones teoricas, piensa en que problemas podras plantearte a ti
mismo en los que aparezcan los conceptos introducidos.
3.1.
Problemas
3.1.1. Problema 1
Las siguientes cuestiones son una adaptacion del problema 1.10 de [LG04].
(a) Identica los elementos de la red de transporte por ferrocarril que se corresponden
con los siguientes elementos de una red de comunicaciones: la informacion transportada, los nodos terminales, los nodos de comunicacion, los enlaces.
(b) La red de transporte por ferrocarril, >se parece mas a una red de difusion o a una
red punto a punto?
(c) >Que topologa tiene la red de transporte por ferrocarril espa~nola?
(d) >A que tipo de red de comunicaciones se asemeja la red de transporte por ferrocarril
espa~nola si se atiende a su cobertura geograca?
3.1.2. Problema 2
El siguiente problema se basa en los problemas 1.1 y 1.2 de [LG04]. Lo importante es intentar
reexionar sobre la solucion, no hallar la respuesta exacta, que en algunos casos no se podra proporcionar incluso en el ambito de esta asignatura.
(a) Describe el procedimiento paso a paso involucrado en enviar una carta a un amigo,
desde que depositas la carta en el buzon, hasta que el amigo la recibe. >Cual es
el papel de elementos como las direcciones de destinatario o remitente, los nombres o los codigos postales? >Como se encamina la carta hacia su destino? >Hasta
que punto puede automatizarse el proceso?
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(b) Repite el trabajo del apartado (a) con un correo electronico, haciendo suposiciones
de lo que pasa internamente.
(c) Repite el trabajo del apartado (a) cuando el servicio de comunicaciones es una
llamada telefonica con exito, haciendo suposiciones de lo que pasa internamente.
(d) Los procedimientos descritos en los apartados (a) (b) y (c), >son orientados a
conexion o no?
3.1.3. Problema 3
El siguiente problema es una variacion del problema 2.2 de [Sta04].
Los primeros ministros de Francia y China necesitan llegar a un acuerdo, desde sus
respectivos despachos.
(a) Cada uno tiene un traductor de ingles, y una secretaria que se comunica con la
secretaria de su homologo por fax. Dibuja una torre de protocolos, indicando las
interacciones fsicas, las virtuales, as como las PDUs transmitidas y las primitivas
de servicio utilizadas.
(b) Si no tienen traductor de ingles, pero el frances tiene un traductor de francesaleman, y el chino uno de chino-japones, repite lo pedido en el apartado anterior,
suponiendo que en Berln hay una ocina de traductores, con secretarias y faxes,
que ofrece servicios de traduccion aleman-japones.
3.1.4. Problema 4
El siguente es el problema 1.12 de [Tan03].
El presidente de la Speciality Paint Corp. tiene la idea de colaborar con un fabricante
de cerveza local con el proposito de producir una lata de cerveza invisible. El presidente
ordena a su departamento legal que investigue el asunto, y ellos a su vez piden ayuda
al grupo de ingeniera. Como resultado, el ingeniero jefe llama a su homologo en la otra
compa~na para discutir los aspectos tecnicos del proyecto. Despues, los ingenieros presentan un informe a sus respectivos departamentos legales, quienes entonces conversan
por telefono para arreglar los aspectos legales. A continuacion, cada departamento legal
informa a su presidente. Por ultimo, los presidentes de las empresas discuten el aspecto nanciero del trato. >Es este un ejemplo de protocolo multicapas en el sentido del
modelo OSI?
3.1.5. Problema 5
Las siguientes cuestiones se formulan en el problema 2.7 de [Sta04].
En una arquitectura de comunicaciones de capas apiladas, la unidad de datos de protocolo (PDU) de nivel N se pasa al nivel N 1 para que la entregue al destino. Para ello,
el nivel N 1 encapsula la PDU del nivel superior en su propia PDU. Igualmente, el
nivel N 1 puede juntar (agrupar) varias PDUs del nivel N en la PDU de nivel N 1,
o dividir (segmentar) la PDU del nivel N en varias de nivel N 1.
(a) En la segmentacion, >es necesario que cada PDU de nivel N 1 contenga una copia
de la cabecera de la PDU de nivel N ?
(b) En el agrupamiento, >es necesario que cada una de las PDUs de nivel
su cabecera, o se pueden juntar todas las cabeceras?
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N conserve
3.1.6. Problema 6
El siguiente problema ilustra la dicultad de dise~nar protocolos que permitan el dialogo able
entre los dos extremos, cuando el medio de transmision es poco able. El problema es el 2.4 de
[Sta04], y su solucion puede encontrarse en [Tan03, pp. 503-504].
Un ejercito blanco esta acampado en un valle, y en los dos cerros que rodean el valle
se encuentran dos ejercitos azules. El ejercito blanco es mas grande que cualquiera de
los dos ejercitos azules por separado, pero si estos se unen superan al ejercito blanco. Si
cualquiera de los dos ejercitos azules atacan por separado, perderan la batalla, pero si
atacan juntos la ganaran. Para sincronizar sus ataques, el unico medio de comunicacion
es intercambiar mensajes por medio de un soldado de infantera que debe atravesar el
campamento enemigo (medio de transmision muy poco able). El comandante de uno
de los ejercitos azules piensa atacar al medioda, y decide envar un soldado con ese
mensaje. Su problema es que no puede estar seguro de que el mensaje haya llegado,
en cuyo caso su ataque resultara fallido. >Existe algun protocolo que pueda utilizar el
ejercito azul para evitar la derrota?
3.1.7. Problema 7
El siguente es el problema 1.20 de [Tan03], aunque se le han a~nadido algunas preguntas. Ademas
de resolverlo, reexiona sobre el peso de las cabeceras en el total de bytes transmitidos cuando el
numero de capas es alto.
Un sistema tiene una jerarqua de protocolos de
mensajes de M bytes de longitud.
N
capas. Las aplicaciones generan
(a) Suponiendo que en ningun caso se produce segmentacion o agrupamiento, y que
cada capa a~nade una cabecera de H bytes, >que fraccion de los bytes transmitidos
ocupan las cabeceras?
(b) Repite el apartado anterior suponiendo que la capa fsica no introduce cabeceras.
Este problema tambien esta relacionado con el laboratorio de la asignatura.
3.1.8. Problema 8
Las siguientes preguntas (problemas 2.4, 2.5, 2.6 y 2.10 de [LG04]) inciden sobre las funciones
de las capas del modelo de referencia OSI.
(a) Suponiendo que los medios de transmision se vuelven virtualmente libres de errores
(esto casi es as con la bra optica), >es todava necesaria la capa de enlace?
(b) >Por que no esta presente la capa de transporte en los nodos de la red (solo esta en
los nodos extremos)?
(c) >Que capa OSI es responsable de encontrar el mejor camino para llevar paquetes del
origen al destino? >Y de proporcionar una comunicacion libre de errores extremo
a extremo? >Y de proporcionar una comunicacion libre de errores nodo a nodo?
(d) Intenta pensar en que se parecen y en que se diferencian las capas de enlace y
transporte.
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3.1.9. Problema 9
El siguiente problema, numero 1.25 en [Tan03], esta muy relacionado con la evolucion de X.25
hacia Frame Relay, y posteriormente ATM, como se vera en el tema 7.
Al transferir un archivo entre dos ordenadores, son posibles al menos dos estrategias de
acuse de recibo. En la primera el archivo se divide en paquetes, cuyo recibo acusa de
forma individual el receptor, aunque no se acusa el recibo del archivo como un todo.
En la segunda, el recibo de los paquetes indivuales no se acusa, pero s el del archivo
completo. >Cuales son las ventajas e inconvenientes de estos dos enfoques?
3.1.10. Problema 10
La siguiente pregunta, adaptada del problema 2.11 de [LG04], tiene mucha relacion con las
interconexiones de los protocolos TCP, IP y ATM, entre otros.
>Puede una capa ofrecer un servicio able y orientado a conexion, cuando la capa inferior
le ofrece un servicio no able y no orientado a conexion? >Y a la inversa?
3.1.11. Problema 11
Este problema esta adaptado del examen de ARSS de junio de 2001 (parte sin apuntes). Aunque
algunos de los conceptos quedaran mas claros al nal de la asignatura, repasa la funcion de cada
una de las capas en el modelo de referencia OSI, y en la arquitectura de comunicaciones TCP/IP,
e intenta contestarlo.
Una empresa decide montar una red de cabinas de videoconferencia, de forma que en
cada ciudad haya uno o varios locutorios, con varias cabinas. Para ello une las cabinas
de un mismo locutorio a una maquina de salida, mediante bra optica, y las maquinas
de salida de una misma ciudad se conectan con un anillo de bra optica, pudiendo
todas ellas emitir a otras ciudades por un canal de enlace via satelite. Las cabinas
ofrecen una aplicaci
on multimedia que permite recoger y mostrar voz, imagen, y texto tecleado. Sin embargo el software en los distintos terminales es heterogeneo, por lo
que se dene un formato interno para estos tipos de datos (por ejemplo JPG, MP3 y
ASCII extendido), y en todos los terminales el software debe ser capaz de convertir
hacia y desde el formato interno. La maquina de salida debe en cada caso decidir
si enviar los datos por una de sus conexiones en el anillo, por satelite, o internamente. El enlace por satelite es compartido por muchas maquinas, accediendose
mediante ALOHA. Ademas, entre dos cabinas remotas que se comunican, una puede
pedir a la otra una variacion del ujo. El software se encarga de reestablecer
automaticamente las conexiones perdidas, de forma que sean los usuarios quienes
decidan cuando terminar la conversacion.
(a) Asocia los aspectos de la comunicacion marcados en negrita en el parrafo anterior
con las capas de un modelo de referencia OSI.
(b) Haz lo mismo con la arquitectura de comunicaciones TCP/IP.
(c) De la realizacion de los apartados anteriores, >que crticas se pueden formular hacia
ambos modelos (comenta solo lo relacionado con este caso)?
3.1.12. Problema 12
Este problema se plantea a partir del uso de cnet, para profundizar en las cuestiones de la
interfaz de servicio. De acuerdo con [Sta04, pags. 34-35], un dise~nador de protocolos debe:
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Especicar bien el protocolo. Las dos entidades de la misma capa que cooperan mediante
este protocolo no deben encontrarse nunca en una situacion indenida, ni que bloquee el
funcionamiento.
Especicar bien el servicio. Las capas usuarias del protocolo deben saber que hace el servicio,
aunque no sepan como.
Especicar bien la interfaz del servicio, es decir, como se suministra el servicio (o lo que es
lo mismo, que dialogo es posible entre las capas provedora y usuaria de servicio debe estar
denido).
Especicar el direccionamiento. Para ello estan los nSAP, o puntos de acceso al servicio de
capa n.
Teniendo esto en cuenta, y a partir de la experimentacion en la segunda sesion de laboratorio, y mirando el codigo de los protocolos, reexiona sobre las siguientes preguntas:
(a) >Cuantas entidades de capa fsica por maquina hay en cnet, en una red de dos
nodos? >Y en una de tres, conectados punto a punto?
(b) >Cual es el 1-SAP (punto de acceso al servicio de la capa fsica) en cnet?
(c) >Que es el ICI en el acceso al servicio de capa fsica en cnet?
(d) >Que es el SDU en el acceso al servicio de capa fsica en cnet?
3.1.13. Problema 13
Este problema esta tomado del examen de ARSS de junio de 2004 (parte sin apuntes), e intenta
profundizar entre la relacion de los servicios de distintas capas, en una arquitectura cticia de cinco
capas.
En la red de la gura 1, la maquina X quiere enviar un texto correspondiente a una
aplicacion de mensajera instantanea para la maquina Z. Como simplicacion, asume
que esto da lugar a que la capa de aplicacion de X enve un mensaje para la de Z.
X
Y
Z
Figura 1: Red de datos para el problema 13.
La arquitectura de comunicaciones usada en todas las maquinas es de cinco capas,
implementadas de la siguiente manera:
La capa L1 (fsica) ofrece el servicio de envo de datos, que es no orientado a
conexion, y no able.
La capa L2 (enlace) ofrece un servicio no orientado a conexion y no able. La capa
de enlace no hace control de errores o de ujo.
La capa L3 (red) ofrece un servicio orientado a conexion y able. El establecimiento
de la conexion se hace bajo peticion del usuario, mediante el envo de un paquete
que solicita el establecimiento de circuito virtual. La capa de red de destino pide
permiso a su usuario, y si lo obtiene enva un paquete de conrmacion de establecimiento de circuito virtual, que permite que la capa de red de origen garantice a
su usuario que la conexion ha sido establecida.
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La capa de red hace internamente control de errores y control de ujo, mediante el
envo de paquetes de conrmacion.
La desconexion se inicia bajo peticion del usuario, y sigue un proceso identico al
de la conexion.
La capa L4 (transporte) ofrece un servicio orientado a conexion y able. El establecimiento de conexion se hace bajo peticion del usuario, mediante el envo de
un segmento de solicitud de conexion. Al recibirlo, la capa de transporte del destino pide permiso a su usuario, y si lo obtiene enva un segmento de conrmacion.
Cuando la capa de transporte de origen recibe este segmento informa a su usuario
de que la conexion es efectiva.
La capa de transporte hace internamente control de ujo, mediante el envo de
segmentos de conrmacion.
La desconexion se inicia bajo peticion del usuario, pero no es conrmada (es decir,
el usuario pide la desconexion y asume que ya es efectiva). Internamente cuando
el usuario pide la desconexion se enva un segmento para que la capa par pueda
tambien informar a su usuario, y con eso se da por completado el proceso de
desconexion.
La capa L5 (aplicacion) genera el mensaje al que se refera el inicio del enunciado.
Para cada capa has de dibujar los cronogramas de PDUs de dicha capa, as como las primitivas de
servicio que dicha capa intercambia con su usuario. Para dibujar las primitivas de servicio, marca
una echa entrante (si la primitiva es invocada por el usuario) o saliente (si es el proveedor quien
la invoca) en el margen del cronograma, y etiqueta la primitiva con el nombre de la capa, la parte
de servicio (DATA, CONNECT o DISCONNECT) y el tipo de primitiva. Por ejemplo, si la capa L2 pide
conexion a la capa L1, la primitiva intercambiada es L1 CONNECT.Request.
(a) Dibuja el cronograma correspondiente a la capa de aplicacion.
(b) Dibuja el cronograma correspondiente a la capa de transporte.
(c) Dibuja el cronograma correspondiente a la capa de red hasta el punto en el que la capa de
aplicacion puede enviar datos.
(d) Dibuja el cronograma correspondiente a la capa de red desde el punto en el que la capa de
aplicacion pasa datos, hasta que dicha capa inicia la desconexion (no incluido).
(e) Dibuja el cronograma correspondiente a la capa de red desde el punto en el que la capa de
aplicacion inicia la desconexion.
(f) Dibuja el cronograma correspondiente a la capa de enlace correspondiente al apartado (d).
3.2.
Cuestiones
A continuacion se plantean una serie de cuestiones sobre las que deberas reexionar:
Piensa en servicios y redes de comunicaciones que conozcas, e intenta asimilarlos a una arquitectura de comunicaciones. Algunos ejemplos son la telefona ja, la telefona movil, el fax,
la comunicacion de dos ordenadores por el modem nulo, la comunicacion de dos ordenadores
en una red local, la comunicacion de un ordenador con su impresora. . . No intentes hallar una
descripcion perfecta, muchos de estos sistemas son muy complejos y su estudio va mas alla del
proposito de esta asignatura.
7
Los conceptos relacionados con entidad, interfaz y servicio son muy importantes. En particular,
como se menciono en la seccion 1, los conceptos de SDU, PDU, encapsulamiento, primitiva
de servicio y SAP, se utilizan de forma recurrente a lo largo de la asignatura. Asegurate de
que los entiendes, y piensa en algunos ejemplos. Repasa [Tan03, cap. 1] y [Sta04, cap. 2] para
aanzar estos conceptos.
Repasa las ventajas e inconvenientes de OSI y TCP/IP. Reexiona sobre su relevancia tecnica,
y su importancia para el exito. Reexiona sobre en que grado el exito de una tecnologa se
debe a su calidad tecnica.
Referencias
[Hui98] J.M. Huidobro. Todo sobre comunicaciones. Paraninfo, 1998.
[LG04] A. Leon-Garca and I. Widjaja. Communication networks: fundamental concepts and key
architectures. McGraw-Hill Higher Education, New York, NJ, USA, 2a edicion, 2004.
[RA97] J. Ranz Abad. Breve historia de Internet. Anaya Multimedia, 1997.
[Sta04] W. Stallings. Comunicaciones y redes de computadoras. Prentice Hall, Madrid, Espa~na,
7a edicion, 2004. Version original en ingles de 2004.
[Tan03] A.S. Tanenbaum. Redes de computadoras. Prentice Hall Hispanoamericana, Mexico, 4a
edicion, 2003. Version original en ingles de 2003.
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