GENERALIDADES DE LA COMUNICACIÓN DE DATOS

Comunicaciones I
Capítulo 1
GENERALIDADES DE LA
COMUNICACIÓN DE DATOS
1
El Sistema de Comunicación
Sistema de comunicación: Lleva a cabo el intercambio de
información entre dos entes ubicados en los extremos que
generan y/o consumen esa información.
Ejemplos de entes son, desde el punto de vista más general: un
computador, un dispositivo electrónico, un programa que corre
en un computador, los seres humanos.
En este curso se tratará sólo con entes llamados dispositivos.
Dispositivo: ente con hardware y software que genera y/o
consume información en forma de datos.
Dato: En un contexto amplio, es cualquier variable física que
transporta información.
2
Modelo de Sistema de Comuicación
Sistema fuente
Fuente
Transmisor
Sistema destino
Sistema de
Transmisión
Receptor
Destino
(a) Diagrama en bloques.
Estación de
trabajo
Módem
Módem
Servidor
Red telefónica pública
(b) Ejemplo.
3
Tareas del Sistema de Comunicación
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
Utilización del sistema de transmisión
Implementación de la interfaz
Generación de la señal
Sincronización
Gestión del intercambio
Detección y corrección de errores
Control de flujo
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
Direccionamiento
Encaminamiento
Recuperación
Formato de mensajes
Seguridad
Gestión de red
4
Ejemplo de Comunicación de Datos
Tren de bits
Señal analógica
Señal analógica
Tren de bits
Texto
Texto
Fuente
m
Información
de entrada
Sistema de
Transmisión
Transmisor
g(t)
Datos de
entrada
s(t)
Señal
transmitida
Receptor
r(t)
Señal
recibida
Destino
g'(t)
Dato de
salida
m'
Información
de salida
Figura 1.2. Modelo de comunicación de datos simplificado.
5
Comunicación de Datos a través de Redes
Esquema más simple de comunicación de datos: punto a punto.
En la práctica hay varios - a veces muchos - dispositivos que
decesitan comunicarse. Ej: los teléfonos de la Quinta
Agronómica, los computadores en Internet.
Hay dos alternativas: tender un enlace entre cada uno de ellos
Fig.(b), o implementar una red de comunicación Fig.(c)
Red de
comunicación
(a)
(b)
(c)
6
Comunicación de Datos a través de Redes
Alternativa Fig(b): Número de enlaces = n(n-1)/2
Ej: - para 6 dispositivos se requieren 15 enlaces entre cada par.
- para 50 dispositivos se requieren 1225 enlaces.
Solución más razonable: usar una red de comunicación.
Tipos de Redes de Comunicación
ƒ LAN – Local Area Network
ƒ MAN – Metropolitan Area Network
ƒ WAN – Wide Area Network
7
Comunicación de Datos a través de Redes
Red de área extensa - WAN nodos de
conmutación
Sistema fuente
Fuente
Transmisor
Sistema destino
Sistema de
transmisión
Receptor
Destino
Red de área local - LAN -
8
Comunicaciones I
Capítulo 2
ARQUITECTURA DE COMUNICACIÓN
9
Introducción
Comunicación entre sistemas de información: tema complejo
Ejemplo.
Supóngase que un computador necesita transferir un archivo de
datos a otro.
- Tiene que haber un camino físico entre ambos.
Además, para que la comunicavción tenga lugar se necesita:
1. Activación del camino.
2. Preparación del sistema destino.
3. Preparación de la aplicación destino.
4. Compatibilidad en el formato.
10
Protocolos y Arquitectura de Protocolos
ƒ Dispositivo de usuario: Dispositivo definido en el Cap1.
Dispositivo más común: computador.
ƒ Comunicación entre dispositivos de usuario: Intercambio de
información entre dispositivos de usuario.
ƒ Red de computadores: Conjunto de dispositivos que
intercambian datos a través de una red de comunicación.
Red de computadores = dispositivos de usuario + red de comunicación
ƒ Entidad: Es cualquier programa - aplicación - corriendo en un
dispositivo de usuario que tiene capacidad de intercambiar
información con otra entidad.
11
Concepto de Protocolo
Para que dos entidades ejecutándose en sistemas diferentes se
puedan comunicar es necesario que “hablen el mismo idioma”
para poder “entender” qué, cómo y cuándo se comunican.
Para ello se necesita un convenio.
Protocolo: conjunto de reglas que gobierna el intercambio de
datos entre dos entidades. En un computador los protocolos se
implementan mediante programas o módulos.
Conceptos asociados a los protocolos:
ƒ Sintaxis: - formato -, campos de datos, tamaño, ubicación,..
ƒ Semántica: Interpretación del contenido. Manejo de la
información de control para la comunicación.
ƒ Temporización: Velocidades de envío de señales y datos.
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Arquitectura de Protocolos
Para que pueda realizarse la comunicación entre computadores
se requiere una gran cooperación entre éstos.
Tarea de comunicación: gran complejidad y gran cantidad de
operaciones. Esto se resuelve de la siguiente forma:
En lugar de implementar toda la tarea mediante un único
protocolo, se subdivide la gran tarea en varias subtareas.
De esta manera, cada subtarea es realizada por un
protocolo por separado, de tal forma que sumando todas
las subtareas se realiza la tarea total.
Para dar una idea concreta de lo enunciado, se presenta el
Ejemplo 2 basado en el Ejemplo 1 dado al principio:
Ejemplo 2: Se necesita transmitir de un archivo de datos desde
un computador a otro.
13
Ejemplo 2
Tarea total: Transmisión de un archivo desde un computador a otro.
Para ello se implementan 3 módulos:
- Módulo de transferencia de archivos:
- Módulo de servicio de comunicación:
- Módulo de acceso a la red.
Computador X
Computador Y
Aplicación para
la transferencia
de archivos
Datos de archivo y órdenes para la transferencia de archivos
Aplicación para
la transferencia
de archivos
Módulo del servicio
de comunicación
Unidades de datos relacionadas con la comunicación
Módulo del servicio
de comunicación
Módulo de acceso
a la red
Red de comunicación
Lógica de la
interfaz de red
Lógica de la
interfaz de red
Módulo de acceso
a la red
14
Resumen sobre el Ejemplo 2
Resumen
Motivos por los cuales conviene contar con varios módulos:
ƒ En el módulo de transferencia de archivos está toda la lógica
exclusiva de las aplicaciones: procesar datos y prepararlos
para ser enviados. Hay un módulo específico para cada
aplicación.
ƒ Se necesita que la información se transmita en forma segura
hasta el destino. Además, es importante por que un solo
módulo de servicio de comunicación puede ser usado para
todas las aplicaciones.
ƒ La lógica encargada de que el computador dialogue con la red
se implementa en otro módulo: módulo de acceso a la red.
15
Conclusión
Independientemente del tipo de información que se
intercambie entre dos entidades, es válida la siguiente
conclusión:
En lugar de disponer de un solo módulo que realice
todas las tareas involucradas en la comunicación desde
una entidad a otra, se propone una estructura
compuesta por varios módulos, cada uno con funciones
diferentes, pero que en conjunto realizan la tarea total.
Esta estructura se denomina
arquitectura de protocolos.
16
Resumen de lo visto hasta aquí
Se ha definido:
ƒ protocolo: Conjunto de reglas que gobierna el intercambio de
datos entre dos entidades.
ƒ arquitectura de protocolos: Es una estructura compuesta por
varios protocolos, donde cada uno realiza una subtarea
diferente pero que en conjunto realizan la tarea total.
Definir una arquitectura de protocolos como la
mencionada significa resolver el qué:
es decir, “¿qué se ha hecho para solucionar el problema?”
Ahora toca resolver el cómo.
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Organización de las tareas: Modelo de Tres Capas
Objetivo: resolver cómo se realiza la comunicación entre dos
entidades. Para ello se usará un Modelo de 3 Capas.
Aplicaciones, computadores y red.
Las aplicaciones se ejecutan en computadores, pudiendo
correr múltiples aplicaciones simultáneamente. Los
computadores se conectan a una red a través de la cual
transfieren sus datos.
ƒ La transferencia de datos desde una aplicación a otra implica,
en primer lugar, la obtención de los mismos y, luego, hacerlos
llegar a la aplicación destino.
ƒ Organización de toda la tarea: dividirla en tres capas
independientes: de acceso a la red, de transporte, y de
aplicación.
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Modelo de Tres Capas
ƒ Capa de Acceso a la Red: Comunicación entre el computador
y la red, que consiste en:
1.El comp. emisor deberá proporcionar a la red la dirección del
comp. destino, para que la red pueda entregarle los datos.
2.El comp. emisor necesitará hacer uso de algunos servicios de
la red: gestión de prioridades, velocidad requerida, etc.
El software de esta capa dependerá del tipo de red, es decir, el
programa debe poder dialogar con la red para 1. y 2.
Haciendo así, el software que está encima de la capa de
acceso no tendrá que ocuparse del tipo de red.
ƒ Capa de Transporte: tareas para asegurar que los datos
lleguen al otro extremo todos los datos y en orden.
ƒ Capa de Aplicación: Especifica la lógica necesaria para cada
aplicación: procesamiento + preparación de datos y señales de
control.
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Modelo de Tres Capas
Ejemplo de 3 computadores conectados por una red
Aplicación
()
()
Punto de acceso al servicio
()
Tansporte
Aplicación
()
Dirección de red
()
Tansporte
Acceso a la red
Acceso a la red
Red de comunicación
Aplicación
() () () ()
Tansporte
Acceso a la red
20
Conexión entre aplicaciones. Direccionamiento
Situación: una red tiene conectados varios computadores y en
cada computador están ejecutándose varias aplicaciones.
•
Para que dos aplicaciones puedan intercambiar datos deben
tener una conexión entre ambas.
•
Para que pueda establecerse la conexión, las aplicaciones
necesitan tener una dirección única en la red.
Es necesario que haya dos niveles de direccionamiento:
- Cada computador deberá tener una dirección de red única.
- Cada aplicación en el computador deberá tener una dirección
única. Puntos de acceso al servicio - SAP -.
SAP: conexión por la que cada aplicación se comunica con el
módulo de la capa de transporte.
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Ejemplo
Computador X
Computador Y
Protocolo de Aplicación
Aplicación
Aplicación
Protocolo de Transporte
Transporte
Transporte
Acceso a la red
Red de comunicación
Protocolo de
acceso a la red
Acceso a la red
Protocolo de
acceso a la red
La Fig. muestra cómo se comunican, siguiendo un protocolo, dos módulos en
el mismo nivel.
Supóngase que una aplicación asociada al SAP1 de X desea transmitir un
mensaje a otra aplicación asociada al SAP2 de Y.
• La aplicación en X pasa el mensaje a la capa de transporte con la
instrucción de que le entregue a la aplicación en Y usando el SAP2.
• La capa de transporte pasa el mensaje a la capa de acceso a la red, con la
instrucción de que se comunique con la red para:
1. Solicitar los servicios necesarios.
2. Ubicar la comp.Y en la red y entregarle el mensaje.
22
Modo de Transmitir la Información de Control
Instrucciones: se envían como información de control junto a
los datos del usuario.
1. La aplicación genera un bloque de datos.
2. Pasa el bloque a la capa transporte la que puede fraccionarlo
en unidades más pequeñas.
3. A cada unidad la capa de transporte añadirá una cabecera con
info. de ctrl. conjunto de datos + info de control = PDU
Datos de la aplicación
Cabecera
de transporte
PDU de transporte
Cabecera de red
Cabecera
de transporte
Cabecera de red
Unidades de datos
del protocolo
de transporte
Unidades de datos
del protocolo
de red (paquetes)
23
Información en la Cabecera de las PDU
PDU de Transporte. Información en la cabecera:
ƒ SAP destino.
ƒ Número de secuencia.
ƒ Código de detección de error.
PDU de Acceso a la Red. Información en la cabecera:
ƒ Dirección del computador destino.
ƒ Solicitud de recursos - prioridades, velocidad, etc -.
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Ejemplo 3: Transferencia de archivo registro a registro
Computador X
Aplicación
- Registro
- SAP destino
- Dirección comp.Y
Computador Y
Registro
Aplicación
- SAP destino
- Número de secuencia
- Código de error
Transporte
Transporte
- PDU de transporte
- Dirección comp.Y
Registro
PDU de transporte
- Dirección computador Y
- Solictud de recursos
Acceso
a la red
Acceso
a la red
PDU de acceso a la red
(paquete)
25
Comentarios sobre el Ejemplo 3
ƒ
El pasaje de la PDU de una capa a la inferior se realiza
mediante un llamado a procedimiento.
ƒ
Los parámetros de la información de control se pasan como
argumento al módulo de la capa inferior.
ƒ
La cabecera de transporte no es visible en la capa de acceso
a la red porque no es necesario que lo sea.
ƒ
Cuando llega la PDU de acceso a la red al comp. destino, el
módulo examina la cabecera, realiza las operaciones
correspondientes, y luego elimina la cabecera y pasa el resto
a la capa superior - Transporte -. El módulo de ésta procede
de manera similar.
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Observaciones sobre la info en las Cabeceras
ƒ La información está en forma de parámetros.
ƒ El manejo de los parámetros es variado. Hay parámetros que:
1. Son pasados de una capa a otra inferior y son utilizados en la
cabecera de ésta. Ej: De Aplicación a Transporte, el “SAP” de
la aplicación remota.
2. Se generan en una capa para ser utilizados en la misma capa
Ej: En Transporte, el “número de secuencia” de los paquetes.
3. Son pasados a una capa inferior y esta los pasa directamente a
la siguiente capa. Ej: De Aplicación a Transporte y a Acceso de
Red, la “dirección de computador” destino.
27
Modelo OSI de ISO
• Surge con la necesidad de intercambiar datos entre sistemas
heterogéneos, es decir, incompatibles en Hw, Sw y formato de
los datos.
• Interviene la ISO - Intenational Standards Organización - al que
adhieren gobiernos y grandes empresas - IBM, DEC, AT&T,… • ISO creó en 1977 un subcomité con el fin de definir un modelo
de interfaz común, el que fue aprobado como estándar en 1983
• El modelo es el Referencial Model Open System Interconection
más conocido como “Modelo OSI de ISO”.
• El término “abierto” significa que cualquier sistema que adopte
las normas creadas por la ISO podrá comunicarse con
cualquier otro sistema que se rija por las mismas normas.
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Estructura de Capas
Definir una estructura de capas surge de la cuestión ya analizada:
comunicar dos computadores entre sí constituye un problema
sumamente complicado de resolver, por lo tanto el subcomité
de la ISO lo encaró dividiendo esta compleja tarea en varias
tareas menores.
•
Ideó un conjunto jerárquico de capas y asignó a cada capa
una tarea específica, de manera que, realizando
sucesivamente cada tarea específica, al final se resuelve
todo el problema de comunicación entre dos computadores.
29
Estructura de Capas
El esquema de funcionamiento de las capas es el siguiente:
Cada capa utiliza los servicios suministrados por la capa
inmediata inferior y produce servicios para la capa inmediata
superior.
Una capa dada no sabe, ni le interesa saber, cuántas capas
existen ni cómo realizan sus tareas, solo le importa qué le
ofrece la capa adjunta como servicio.
La ventaja del esquema propuesto es que, al independizar el
modo en que cada capa resuelve su problema, se consigue:
ƒ
simplificar la resolución del problema completo al dividirlo en
varios problemas menores, y
ƒ
flexibilizar el diseño de protocolos de cada capa puesto que
no interesa cómo éstos resuelven el problema sino que, a
partir de determinados servicios que recibe de una capa,
deben operar de alguna manera para entregar otros servicios
determinados a la otra capa adyacente.
30
Capas del Modelo OSI
La arquitectura del modelo OSI está formada por 7 capas.
La ISO se guió por las siguientes pautas básicas:
• Cada capa deberá tener una función bien definida, claramente
diferente de las otras. Esto fija un número mínimo de capas.
• El número máximo de capas no debe ser tan alto a fin de no
dificultar el trabajo de descripción e integración de cada capa.
• Demarcar el límite entre dos capas adyacentes en el punto
donde la transferencia de servicios sea pequeña, minimizando
las interacciones entre las capas.
• Cada capa solo tiene interfaces con la capa superior y con la
inferior.
• Garantizar que la modificación de los protocolos que realizan
las funciones de una capa no afecte a las otras capas.
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Capa Física
En esta capa se define la interfaz física entre los dispositivos y,
además, cómo debe realizarse la transmisión de las señales a
través del medio de transmisión.
Ej: si se debe transmitir un 1 por el medio de transmisión, debe
llegar un 1 y no un 0.
En esta capa se deben realizar básicamente las siguientes
especificaciones:
• Mecánicas
• Eléctricas
• Funcionales
• De procedimientos
32
Capa de Enlace de Datos
ƒ La tarea primordial de esta capa consiste en lograr que la
comunicación por un enlace físico entre dos dispositivos sea
sin error.
Esto implica que, a partir de un medio de transmisión real - con
ruido, interferencias y atenuación que producen errores en la
transmisión -, la transferencia de datos se realice como si se
tratara de un medio ideal, es decir, sin errores de transmisión.
ƒ Las funciones básicas de la capa de enlace están relacionadas
con el control del enlace punto a punto entre dispositivos que
están en los extremos del mismo. El control del enlace
consiste básicamente en las siguientes tareas:
ƒ Sincronización de trama.
ƒ Control de flujo.
ƒ Control de error.
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Capa de Red
Esta capa especifica básicamente sobre la transferencia de datos
entre dos sistemas finales a través de una red, liberando así a
las capas superiores de esta tarea que tiene en cuenta la
tecnología de la red particular.
Las funciones de esta capa están relacionadas con dos tareas
básicas:
1. El módulo de esta capa en el computador le especifica al
módulo del dispositivo de red la dirección del comp. destino y
le solicita ciertos servicios, como, por ejemplo, la gestión de
prioridades según el tipo de dato que transmite - voz, video,
datos de archivo -.
2. La red debe realizar las acciones necesarias para que el
mensaje alcance el destino evitando en lo posible las
congestiones de tráfico en enlaces y dispositivos internos de
la red. Estas funciones se denominan:
- Ruteo
- Gestión de servicios de red.
- Control de tráfico
34
Capa de Transporte
• Una característica distintiva de esta capa, en relación con las
capas ya vistas, es que no está involucrada con la transmisión
en la red sino con las necesidades de comunicación de los
sistemas finales.
En ese sentido, la función esencial de la capa de transporte es
que los datos generados por la aplicación en un computador
lleguen a la aplicación en otro computador libres de errores, en
orden, sin pérdidas ni duplicaciones.
Las funciones de esta capa son:
• Control de secuenciamiento.
• Control de flujo.
• Determinación del tipo de servicio o conexión.
35
Capa de Sesión
• A esta capa le incumbe que los usuarios de diferentes
computadores puedan establecer sesión entre ellos.
Una sesión implica el intercambio de datos entre dos
aplicaciones, lo que concierne a la capa de transporte; pero,
además, necesita de otros servicios adicionales a los
proporcionados por esta capa, con el fin de asegurar que la
operación se realice sin inconvenientes.
36
Capa de Presentación
• Esta capa se ocupa de los aspectos de sintaxis y semántica
de la información que se transmite.
En esto se diferencia de las capas inferiores las que
únicamente están interesadas en la transferencia confiable de
los datos de un lugar a otro. Las funciones típicas asociadas a
la capa de presentación son:
- Codificación
- Seguridad
- Compresión
37
Capa de Aplicación
• Esta capa tiene que ver básicamente con la interfaz aplicaciónusuario.
• Ej1: La transferencia de archivos. Los distintos sistemas de
archivo tienen convenciones diferentes para denominar un
archivo, así como diferentes formas para representar líneas de
texto, etc. La transferencia de archivos entre dos computadores
requiere de la resolución de éstas y de otras
incompatibilidades.
• Ej2: Correo electrónico.
38
Arquitectura de Protocolos TCP/IP
Hay dos estructuras que han sido fundamentales en el desarrollo
de las normas de comunicación entre sistemas: el modelo de
referencia OSI y el conjunto de protocolos TCP/IP.
• OSI se ha convertido en el modelo estándar para clasificar las
funciones de comunicación.
• TCP/IP es la arquitectura más adoptada.
• La arquitectura TCP/IP se desarrolló como consecuencia de la
necesidad de comunicar confiablemente redes de disitnto tipo
dispersas en todo el mundo.
39
Arquitectura de Protocolos TCP/IP
• A diferencia de OSI, no hay un “modelo de referencia TCP/IP”.
•
•
•
•
•
No obstante, sobre la base de los protocolos estándar que se
han desarrollado en el grupo TCP/IP, todas las tareas
involucradas en la comunicación se pueden organizar en cinco
capas relativamente independientes, que son:
Capa de Aplicación.
Capa de Transporte.
Capa de Interred.
Capa de Acceso a la Red.
Capa Física.
40
Capa de Interred
• Como se mencionó, la capa de acceso a la red está
relacionada con el acceso y ruteo de los datos a través de la
red.
• En situaciones que dos dispositivos están conectados a redes
diferentes, se necesitarán una serie de procedimientos que
permitan que los datos atraviesen las distintas redes
interconectadas. Este conjunto de redes interconectadas se
denomina interred.
41
Capa de Interred
• En este sentido, la función básica de la capa de interred es que
los datos generados por un dispositivo conectado a una red
atraviesen la interred y lleguen a otro sistema final específico
de la misma o de otra red.
• El protocolo principal que realiza esta función es IP – Internet
Protocol –; es decir, es el protocolo encargado de proveer el
servicio de ruteo a través de varias redes. Para poder realizar
este servicio, el módulo IP debe estar instalado tanto en los
dispositivos finales como en los routers intermedios.
• Router: dispositivo que conecta redes diferentes y es el
encargado de realizar el ruteo de los datos en una interred.
42