1 Redes de ComunicacionesCaptulo 5 Captulo 5: Estructura de las Redes de Comunicaciones. Objetivos: Describir las interconexiones de equipos, las desventajas de la interconexin total y la necesidad de redes de comunicaciones con otra conectividad. Establecer las caractersticas de las redesconmutadasylasredesdedifusin.Explicarlasredesconmutadasensusversiones:de circuitos,demensajesydepaquetes,estaconsussubclases:circuitosvirtualesydatagramas. Describirelcongestionamientoenlasredesdeconmutacindepaquetes.DescribirlaTeorade colas de espera, su aplicacin al trfico telefnico y a las redes de comunicaciones. 5.1.- Interconexin de equipos.Orgenes de las redes digitales redes de computadores.

Veamoscomovanevolucionandounaseriedeequiposquesedeseaninterconectar bidireccionalmente.Obviamenteunnicoequiponopuedeestablecerningntipode comunicacin,elanlisiscomienzacondosequiposqueparaintercomunicarserequierendela instalacin de una lnea de comunicacin entre ellos,y cada equipo debe tener una va de entrada salida que permita la conexin con esa lnea de comunicacin,ver Fig.5.1. Figura 5.1.Estructura de conectividad total. Sihayuntercerequipodeberamosinstalardoslneasadicionales,conloquelaslneas totalizan tres y adems cada equipo deber tener dos vas de entrada-salida para conectarse con las dos lneas de interconexin. S el nmero de equipos sube a cuatro, hay que agregar tres lneas ycadaequipodebertenertresvasdeentrada-salida,talcomomuestralaFigura5.1.Si continuamos la adicin de un ensimo equipo, que deber tener N-1 lneas de entrada-salida, hace que debamos: Tender N-1 lneas de comunicacin, una con cada equipo ya instalado. Aadir una va de entrada-salida en cada uno de los N-1 equipos ya instalados. En consecuencia para conectividad total( topologa tipo malla), se requiere: TenderN(N-1)/2lneasdecomunicacin(cadaequiporequiereN-1lneas,sonN equipos, pero cada lnea conecta dos equipos, lo que d el resultado mencionado). Que cada equipo tenga N-1 vas de entrada-salida, y como son N equipos en total se requieren N(N-1) vas de entrada-salida.

Ing.Aldo N.Bianchi,MScEECopyright Junio 2002 2 Redes de ComunicacionesCaptulo 5 PorlotantolacomplejidaddelequipodeinterconexincrececonN2tantoenlneasde comunicacincomoenvasdeentrada-salida,porotrapartesilosequiposnosoncapacesde establecermsdeunacomunicacinsimultnea,oseacomunicacionesenparalelo,porlas diversasvasdeentrada-salida,setendrsiempreunestadodeociosidaddelosrecursos disponibles, por esto la topologa malla slo se usa en circunstancias muy especiales, tales como: 1.Algunasredesdecomunicacionesmuyespecializadasdondeexistelaposibilidadde transmitir simultneamente por las N-1 vas instaladas en cada equipo. 2.Redesdetelefonaprivadaintercomunicadores,dondelacercanadelosequipos hace que el costo de instalacin sea ventajoso respecto de otras tecnologas, adems enestoscasoslavadeentrada-salidaesunsencilloconectortelefnicoasociadoa una tecla. Porotraparteestadsticamentesehadeterminadoqueunempleado se muda una ms vecesenunao,yquelasremodelacionesyreorganizacionessonfrecuentes.Modificar extender el cableado, que es equipo a equipo, resulta tramatico y costoso. En consecuencia la topologa de malla interconectividad total no se utiliza(salvo los casos especialesmencionados)yensulugarseinstalaunareddecomunicacionesalaquese conectan los diversos equipos y que permite solucionar el problema asociado con el aumento del nmero de equipos. Lareddecomunicacionesproporcionalasvasdecomunicacinnecesariaspara establecerlasinterconexionescuandoestassonsolicitadasytransportarlainformacinasu destinatario, es claro que estos recursos son compartidos entre los usuarios de la red. Lareddecomunicacionesesentoncesunconjuntoorganizadoderecursos compartidos de comunicacin. Figura 5.2.Esquema general de una red de comunicaciones con sus estaciones

LaFigura5.2muestraenformagenricaunareddecomunicacionesysus usuarios(terminales,mquinasdeextremo,estacionesdetrabajohosts),yenella observamos,aunquelanomenclaturaenlasredesnoesnica,quepodemosenumerarlos siguientes elementos que las componen: Ing.Aldo N.Bianchi,MScEECopyright Junio 2002 3 Redes de ComunicacionesCaptulo 5 Terminales,mquinasdeextremo,estacionesdetrabajohosts,denominacin queenglobaacualquierequipodetelecomunicaciones:fax,telfono,videotelfonos, computadores, telex, videotext,etc, y es donde se encuentran ubicados los usuarios, se representan mediante un cuadrado en la Figura 5.2. nodos elementos de conmutacin central de conmutacin IMP(Interchange Message Procesors),son equipos(generalmente computadores)especializados que se utilizan para conectar dos ms vas de comunicacin.Los datos llegan por una va de entradayelelementodeconmutacindeberseleccionarunavadesalida,se representan con un crculo en la Figura 5.2.Los nodos conectados solamente a otros nodos,quenosemuestranenlafigura,sedenominancentralesdetrnsito.Los nodos que tienen conectados terminales se llaman nodos perifricos. interfaces,sonlospuntosdeinterconexindelasestacionesdelosnodosconlas vas de comunicacin. lneasdetransmisin,sonelsoportefsico(cables,fibras,enlacesderadiopuntoa punto,etc) para mover las informacin(generalmente bits) y por lo tanto hablamos dela implementacingenricadelasvasdecomunicacin,enlaFigura5.2solose muestran,mediantelneascontnuas,lasqueenlazanlasinterfacesdelasestaciones conlascorrespondientesdelosnodos,lasqueinterconectannodosentresnose detallan pues depende de la estructura especfica de esas interconexiones. red de comunicaciones propiamente dicha,o simplemente la red,que ya se defini y queescapazdetransmitirinformacin(analgicadigital,aunqueestasltimasse extiendencadadams)entreinterfaces.Algunosautoresdenominanalaredde comunicaciones subred de comunicacin. La red se dibuja habitualmente encerrada por una lnea que es ellmite de la red, a veces se considera que el lmite de la red llega hasta los interfaces de terminal(la lnea terminal-nodo es parte de la red) y otras solo hasta los interfaces de nodo(la lnea terminal-nodo no es parte de la red). Eldiseodelareddecomunicacionessesimplificasiseparamoslosaspectospurosde comunicacin(la red subred) de los de aplicacin(las estaciones de trabajo). En esta forma de interconectar: cada estacin, mquina de extremo, host terminal se conecta a travs de suinterfazmedianteunalneadetransmisinconlainterfazdeunnodo. Por lo tanto solo requiere de una va de entrada salida. Losnodosseinterconectanentrespordiversosmecanismosque estudiaremos enseguida. la red no considera ni interpreta el contenido de la informacin intercambiada, solo se ocupa de transportarla del origen al destino,ese es su nico fin.

los recursos de comunicacin,entre nodos,estn compartidos. 5.2.-Arquitectura de la red y tcnicas de transferencia de la informacin. Vamosaestudiarlasredesenbaseasuarquitectura(topologadelosmediosde comunicacinytipodeconmutacin)yalastcnicasdetransferenciadeinformacin,y podemos clasificarlas en: Ing.Aldo N.Bianchi,MScEECopyright Junio 2002 4 Redes de ComunicacionesCaptulo 5 Redesconmutadas,queseilustranenlaFigura5.3,enlasqueelterminalde origen seleccionaunterminaldedestinoylaredseencargadeproveeruncaminoentre ambos,efectuando las conmutaciones necesarias. Dentro de esta categora existen varias clases: Redes de conmutacin de circuitos. Redes de conmutacin de mensajes. Redes de conmutacin de paquetes, que tiene dos subclases: 1.Circuito virtual. 2.Datagramas. Figura 5.3 Red conmutada (nodos de trnsito, nodos perifricos) Redes de difusin, Figura 5.4,en las que el terminal de origen enva la informacin al mediodetransmisin,queescomnatodoslosusuarios,porlotantotodosla reciben, y uno ms de ellos seleccionan la informacin a recibir. Aqu tambin existen varias clases: 1.Redes de rea local(LANs) cableadas. 2.Redes por satlite. 3.Redes inalmbricas(wireless networks), se iniciaron con de las paquetes porradio(packetradio)yfueronseguidasporlasWLAN:wirelessLANs estndar 802.11, wireless PAN(Personal Area Network) estndar 802.15 y wireless MAN estndar 802.16. Ing.Aldo N.Bianchi,MScEECopyright Junio 2002 5 Redes de ComunicacionesCaptulo 5 Redes inalmbricas WLANs, ej: Figura 5.4.Redes de difusin. Seobservaqueenestasredesdedifusinlosnodosnoejercenfuncionesde conmutacin sino que controlan el acceso al medio pues evitan que se enve informacin cuando elmedioestocupadoporotroterminal,estonoimpidequedosterminalesaccedanalaredal mismotiempocontaminandolainformacin(sedenominancolisiones).Latopologaenanillo evitaesteproblema,comnalostresotrosesquemas,puesenlugardecompartirelmedio comparteeltransportedelainformacinporelmedio,aquelnodorecibe,seleccionaloquele interesa y retransmite.En el Captulo 6 daremos amplios detalles de estas tecnologas. 5.3.-Redes conmutadas.Descripcin de las tcnicas de conmutacin. a.-Conmutacin de Circuitos. Latcnica de conmutacin de circuitospermite que el terminal emisor se una fisicamente alterminalreceptormedianteuncircuitonicoyespecficoquesloperteneceaesaunin.La Figura 5.5 ilustra la conmutacion de circuitos entre dos terminales. El circuito se establece completamente antes del inicio de la comunicaciny queda libre( se libera en el argot) cuando uno de los terminales involucrados en la comunicacin la da por finalizada. Ing.Aldo N.Bianchi,MScEECopyright Junio 2002 6 Redes de ComunicacionesCaptulo 5 El principal inconveniente de la conmutacin de circuitos es la escasa rentabilidad que se obtienedeloscircuitosenelcasodequeenelprocesodeintercambiodeinformacinentrelos terminales se introduzcan pausas de transmisin motivadas por cualquier circunstanciacomo por ejemplo,laconsultaaunabasededatosolaejecucineninteractivodecualquierprogramao utilidad.Paramejorarlarentabilidaddelaslneassemultiplexamsdeunacomunicacionpor lnea.Lamultiplexacioneselprocedimientoporelcualuncircuitoolneadecomunicaciones transporta ms de una seal, cada una en una localizacin individualizada que constituye su canal. El sistema desmultiplexor es que permite distinguir las diferentes seales originales. Figura 5.5.Conmutacin de Circuitos. b.-Conmutacin de mensajes. El mensaje es una unidad lgica de datos de usuario, de datos de control o de ambos que el terminal emisor enva al receptor. El mensaje consta de los siguientes elementos, llamados campos: _ Datos de usuario. Depositado por el interesado. _ Caracteres SYN. (Caracteres de sincrona) _ Campos de direccin. Indican el destinatario de la informacin. _ Caracteres de control de la comunicacin. _ Caracteres de control de errores. Ademsde los campos citados, el mensaje puede contener una cabecera que ayuda a la identificacin de sus parmetros (direccin de destino, enviante, canal a usar, etc. ) Laconmutacindemensajessebasaenelenvodelmensajequeelterminalemisor quiere transmitir al terminal receptor, a un nodo o centro de conmutacin en el que el mensaje es almacenadoyposteriormenteenviadoalterminalreceptoroaotronododeconmutacin intermedio,siesnecesario.Estetipodeconmutacinsiempreconllevaelalmacenamientoy posteriorenvodelmensaje-storeandforward-loqueoriginaqueseaimposibletransmitirel mensaje al nodo siguiente hasta la completa recepcin del mismo en el nodo precedente. Ing.Aldo N.Bianchi,MScEECopyright Junio 2002 7 Redes de ComunicacionesCaptulo 5 La Figura 5.6 ilustra el caso ideal en el que no existe retraso alguno en la transmisin de la informacin entre un nodo y el siguiente. Figura 5.6.Conmutacin de Mensajes suponiendo que es nulo el retraso entre nodos. El tipo de funcionamiento hace necesaria la existencia de memorias de masa intermedias enlosnodosdeconmutacinparaalmacenarlainformacinhastaqueestaseatransferidaal siguientenodo.Asimismoseincorporanlosmediosnecesariosparaladeteccindemensajes errneos y para solicitar la repeticin de los mismos al nodo precedente. Alosmensajesselesuneenorigenunacabeceraqueindicaeldestinodelosmismos paraquepuedansercorrectamenteentregados.Losnodossoncomputadorasencargadasdel almacenamientoyposteriorretransmisindelosmensajeshaciasudestino,conloqueesta tcnica resulta atractiva en determinadas condiciones. Laconmutacindemensajespresentacomoventajarelevantelaposibilidaddepoder transmitir un mismo mensaje a todos los nodos de la red, lo que resulta muy beneficioso en ciertas condiciones. c.-Conmutacin de paquetes. Laconmutacindepaquetessurgeintentandooptimizaralutilizacindelacapacidadde laslneasdetransmisindeexistentes.Paraelloserianecesariodisponerdeunmtodode conmutacin que proporcionara la capacidad de retransmisin en tiempo real de la conmutacin de circuitos y la capacidad de direccionamiento de la conmutacin de mensajes. La conmutacin de paquetes se basa en la divisin de la informacin que entrega a la red el usuario emisor en paquetes del mismo tamao, que generalmente oscila entre 1000 y 2000 bits. Los paquetes poseen una estructura tipificada y, dependiendo del uso que la red haga de ellos, contienen informacin de enlace o informacin de usuario. La Figura 5.7 muestra las partes caractersticas de un paquete en sus modalidades de enlace y de informacin de usuario. La estructura global de los paquetes en la que es dividida la informacin se compone a su vez de varias entidades individuales, llamados campos. Cada uno de los campos posee su misin especifica. Elcampoindicador(Flag)tieneunalongituddeochobitsysumisinesladeindicarel comienzo y el final del paquete. Elcampodedireccin(Address)indicacualeselsentidoenelquelainformacindebe progresar dentro de la red. Su longitud es de ocho bits. Elcampodesecuenciadeverificacindetrama(FrameCheckingSecuence)esel encargadodeservircomoreferenciaparacomprobarlacorrectatransmisindelpaquete.Como Ing.Aldo N.Bianchi,MScEECopyright Junio 2002 8 Redes de ComunicacionesCaptulo 5 puede verse en la Figura. 5.7 su posicin depende de la naturaleza del paquete que se transmite. Su longitud es de diecisis bits. IndicadorDireccinControlFCSIndicador 011111108 bits8 bits16 bits01111110 a) Paquete con informacin de enlace solamente. IndicadorDireccinControlInformacinFCSIndicador 011111108 bits8 bitsn-bits16 bits01111110 b)Paquete con la informacin de enlace y datos de usuario. Figura. 5.7Estructura tpica de un paquete de informacin. Elcampodelainformacinposeeunalongitudindeterminada,aunquesujetaaunos mrgenes superiores, y es el que contiene la informacin que el usuario emisor desea intercambiar conelreceptor.Ademselcampodeinformacinincluyeotrotipodedatosquesonnecesarios paraelprocesoglobaldelacomunicacincomoelnumerodecanallgicoqueseesta empleando, el numero de orden dentro del mensaje total, etc. Latcnicadeconmutacindepaquetespermitedosformascaractersticasde funcionamiento: Circuito Virtual y Datagrama, que describiremos un poco mas adelante. 5.4.- Redes conmutadas. Sucesin de eventos en las cuatro tcnicas de conmutacin. Las cuatro tcnicas de conmutacin: de circuitos, de mensajes, de paquetes circuito virtual y de paquetes datagrama, son muy interesantes, y para describirlas en forma similar consideraremos las siguientes etapas: Establecimiento de la conexin. Transferencia de la informacin. Liberacin de la conexin. Antesdecomenzardebemosaclararquedeinmediatoveremosquelaconmutacinde mensajesyladepaquetesrequierenodosdeconmutacindigitalquemanipulen(reciban, almacenenytransmitan)estructurasdedatos,porellolasredesconmutadasconestostiposde conmutacinsolopuedentransmitirsealesdigitales(analgicasdigitalizadas),encambiola conmutacindecircuitospermitirconmutar,siseusalatcnicaadecuada,tantoseales analgicas como seales digitales. LaFigura5.8muestraeneltiempolosdistintoseventosquesesucedenenla comunicacinpormedioderedesconmutadas,debehacersenotarquelalneadetransmisin terminal-nodo es nica por terminal, esta permanentemente a la disposicin de este y no influye en la conmutacin de la red por lo que no se incluye en este estudio.Denominaremos nodo de origen el nodo de conmutacin del que depende el terminal de origen de la comunicacin, y nodo destino al nodo de conmutacin del que depende el terminal destino de la comunicacin. Ing.Aldo N.Bianchi,MScEECopyright Junio 2002 9 Redes de ComunicacionesCaptulo 5 Figura 5.8 Sucesin de eventos para las cuatro tcnicas de conmutacin. Las claves empleadas son las siguientes: RP: retardo de propagacion nodo-nodo. RT: retardo de tratamiento del nodo. SPC: seal de peticin de comunicacin. SAC: seal de aceptacinde comunicacin. SC: seal de confirmacin. PPC: paquete de peticin de comunicacin. PAC: paquete de aceptacin de comunicacin. PC: paquete de confirmacin. INF: informacin. MEN: mensaje. PAQ: paquete. 1-Conmutacin de circuitos. Establecimiento de la conexin. -El nodo origen identifica al primer nodo intermedio en el camino hacia el nodo destino y le envia una seal de peticin de comunicacin. -Elprocedimientoanteriorserepitetantasvecesencuantosnodosintermediossea necesario atravesar hasta arribar al nodo destino. -El nodo destino enva una seal de aceptacin de comunicacin al nodo origen a travs de todos los nodos intermedios atravesados durante la peticin de comunicacin. Ing.Aldo N.Bianchi,MScEECopyright Junio 2002 10 Redes de ComunicacionesCaptulo 5 -Elcircuitoquedaestablecidoysemantendrdurantetodalatransferenciadela informacin. Transferencia de la informacin. -Se enva toda la informacin que se desee desde el origen hasta el destino y viceversa, ya queentrelosdosterminalesexisteunalneadetransmisinbidireccionaldedicada (aunque permanezca inactiva). Liberacin de la conexin. -El nodo origen enva (implcita o explcitamente) al nodo destino la peticin de finalizacin de la comunicacin. -El nodo destino contesta al nodo origen con una seal de confirmacin. -El circuito queda liberado. 2-Conmutacin de mensajes. Establecimiento de la conexin. -No existe. Transferencia de la informacin. -El nodo origen identifica al primer nodo intermedio en el camino hacia el nodo destino y le enva el mensaje completo. -Tras recibir el mensaje y almacenarlo, el primer nodo intermedio identifica al segundo nodo intermedio y, cuando la lnea de transmisin est disponible, le enva el mensaje completo. -El procedimiento anterior se repite tantas veces cuantos nodos intermedios sea necesario atravesar hasta que el mensaje arribe al nodo destino. Liberacin de la conexin. -No existe. 3-Conmutacin de paquetes mediante circuito virtual. Establecimiento de la conexin. -El nodo origen identifica al primer nodo intermedio en el camino hacia el nodo destino y le envia un paquete de peticin de comunicacin. -El procedimiento anterior se repite tantas veces cuantos nodos intermedios sea necesario atravesar hasta arribar al nodo destino. -El nodo destino enva un paquete de aceptacin al nodo origen a travs de todos los nodos intermedios atravesados durante la peticin de comunicacin. -El circuito virtual ( Conexin lgica ) queda establecido. Cada nodo intermedio ha formado unaasociacinentreelcircuitovirtualquesehaestablecidoylaconmutacinrequerida ( entrada-salida ) en dicho nodo. -Todos los paquetes que llevan la informacin seguirn el mismo camino ( circuito virtual ) desde el origen hasta el destino. Transferencia de la informacin. -Elnodoorigencomienzaaenviarpaquetesalprimernodointermedio,usandoelcircuito virtual. Cada paquete lleva un identificador del circuito virtual. Ing.Aldo N.Bianchi,MScEECopyright Junio 2002 11 Redes de ComunicacionesCaptulo 5 -Elprimernodointermedioenvalospaquetes,segnlellegan(sinalmacenarlos),al siguiente nodo intermedio del circuito virtual. -El procedimiento anterior se repite tantas veces cuantos nodos intermedios sea necesario atravesar hasta que todos los paquetes arriben al nodo destino. Liberacin de la conexin. -Elnodoorigenenva(implcitamenteoexplcitamente)alnododestinolapeticinde finalizacin de la conmutacin. -El nodo destino contesta al nodo origen con un paquete de confirmacin. -Existen dos posibilidades: 1.Elcircuitovirtualdesaparece,noquedandohistoria,porloquecualquiernueva comunicacines como si fuera la primera. 2.El circuito virtual se mantiene para siempre (es decir, el encaminamiento de los futuros paquetes queda conocido por el terminal origen). 4.-Conmutacin de paquetes mediante datagramas. Establecimiento de la conexin -No existe. Transferencia de la informacin. -El nodo origen comienza a enviar paquetes al primer nodo intermedio. Cada paquete lleva un identificador del nodo y del terminal destino. -Elprimernodointermedioenvalospaquetes,segnlellegan(sinalmacenarlos),al siguiente nodo intermedio. -El procedimiento anterior se repite tantas veces cuantos nodos intermedios sea necesario atravesar hasta que todos los paquetes arriben al nodo destino. -Larutaseguidaporcadapaquetedesdeelorigenhastaeldestinopuedeserdiferente. Debido a los retardos de propagacin los paquetes pueden llegar en orden diferente al que fueron enviados. Liberacin de la conexin. -No existe. Encaminamiento. Existen dos clases de encaminamiento que se pueden aplicar a todas las posibilidades de conmutacin consideradas anteriormente. -Encaminamiento esttico, en el que cada nodo tiene una tabla fija de rutas que aplica independientemente del estado de la red. Por lo tanto el encaminamiento entre un par de terminales dados ser idntico para cualquier intento de comunicacin. -Encaminamiento dinmico, en el que cada nodo primero examina el estado de la red (analizaeltrfico de la misma y la disponibilidad de los enlaces) y despes decide la mejorruta.Porlotanto,engeneral,elencaminamientoentreunpardeterminales dados ser diferente para cualquier intento de comunicacin. Estadecisinpuedeserautnomaparacadanodoopuederealizarseporuncontrol central de la red tras considerar el estado global de la misma. Ing.Aldo N.Bianchi,MScEECopyright Junio 2002 12 Redes de ComunicacionesCaptulo 5 La Tabla 5.1 efecta una comparacin entre las diversas modalidades de conmutacin. Conmutacin de circuitosConmutacin de MensajesConmutacin de paquete modo datagrama Conmutacin de paquete modo circuito virtual Circuito de TransmisindedicadoCircuitodeTransmisinno dedicado CircuitodeTransmisinnodedicado CircuitodeTransmisinno dedicado Transmisin continua de los datosTransmisin de MensajesTransmisin de PaquetesTransmisin de Paquetes Suficientementerpidoparatrabajar en interactivo Demasiadolentoparatrabajaren interactivo Suficientementerpidoparatrabajar en interactivo Suficientementerpidopara trabajar en interactivo Elcaminoseestablecedesdeel principio al fin del mensaje Larutaseestableceparacada mensaje Larutaseestableceparacada paquete Larutaseestableceparatodala comunicacin Nodosdeconmutacinelectromecnicos o electrnicosNodosdeconmutacindemensajescontiemposdealmacenamiento elevados Nodosdeconmutacincontiemposdealmacenamientopequeos Nodosdeconmutacincon tiemposdealmacenamiento pequeos Elusuarioesresponsabledela proteccincontraprdidade informacin Losmensajessonresponsabilidad de la red Lared no se responsabiliza de lospaquetes individuales La red no puede responsabilizarse de las secuencias de paqutes Normalmentenoesposiblela conversindecdigosovelocidades Conversindecdigosyvelocidades Conversindecdigosyvelocidades Conversindecdigosy velocidades Transmisinconanchodebanda fijo Usodinmicodelanchodebanda disponible Usodinmicodelanchodebanda disponible Usodinmicodelanchodebanda disponible Nohaybitsdecabeceradespus delestablecimientodela comunicacinBits de Cabecera en cada mensajeCabeceras en cada paqueteCabeceras en cada paquete Enviodesealdeocupadosiel receptor no est libre No existe seal de ocupado Elemisornoesavisadosiel paquete no se ha entregado El emisor es avisado si el receptor no acepta la conexin Retraso en el establecimiento de la llamada. Retraso en la transmisin muy pequeo (propagacin) Retrasoenlatransmisindel mensaje Retrasoenlatransmisindel paquete Retraso en el establecimiento de la llamada.Retrasoenlatrasmisin del paquete Los mensajes no son almacenadosLosmensajessealmacenanpara recuperarlos posteriormente Los paquetes pueden almacenarse mientrassetomandecisionesde red Lospaquetessealmacenan mientrassetomandecisionesde red Ing.Aldo N.Bianchi,MScEECopyright Junio 2002 13 Redes de ComunicacionesCaptulo 5 5.5.-Redes de Comunicaciones.Conmutacin de paquetes.Congestionamiento. Cuandohaydemasiadospaquetesenlared(subred)enpartesdeellahayuna degradacindeldesempeo,siellosucedehablamosdecongestionamiento,laFigura5.9 muestraestasituacin.Cuandolacantidadde paquetes enviados por las estaciones hosts esta dentro de la capacidad de conduccin de la red,todos los paquetes se entregan(salvo unos pocos afligidos por errorres de transmisin)y la cantidad entregadaes proporcional al nmero enviado,es lapartelinealdelaFigura5.9.Sinembargoamedidaqueaumentaeltrficolosnodos (enrutadores)yanopuedenmanejarloycomienzanaperderpaquetes.Estoobligaa retransmisiones que tienden a empeorar las cosas, a muy alto trfico el desempeo se desploma por completo y casi no hay entrega de paquetes. Figura 5.9.El desempeo de una red se deteriora notablemente al aumentar el trfico y ocurrir congestionamiento. Elcongestionamientopuedeocurrirpordiversasrazones,sirepentinamentecomienzana llegar paquetes por tres cuatro lneas de entrada(tal como explica el trabajo de William Stallings del Apndice 5 A el trfico aparece en rfagas y no sigue la distribucin de Poisson que se utilizar enlaTeoradeColasdeEsperadelaSeccin5.6queclasicamentesehaaplicado)ytodos necesitan la misma lnea de salida con lo que se generar una cola. Sin no hay suficiente memoria para contenerlos a todos se perdern paquetes. La adicin de memoria puede ayudar, pero hasta ciertopunto,Nagle(1987)descubriquesilosnodos(enrutadores)tienenunacapacidadinfinitade memoria, el congestionamiento en lugar de mejorar puede empeorar, esto se debe aque cuando los paquetes llegan al principio de la cola su temporizacin ha terminado(repetidamente)y se han enviadoduplicados,todosellosserndebidamentereenviadosalsiguientenodo(enrutador), aumentando la carga en todo el camino hasta el destino. Losprocesadoreslentostambinpuedencausarcongestionamiento,silosCPUdelos nodossonlentosparallevaracabolastareasdeadministracinrequeridas(buffersde encolamiento, actualizacin de tablas, etc)pueden alargarse las colas, an cuando haya capacidad ociosaenlaslneas.Delmismomodolneasdepocoanchodebandaproducen congestionamiento. Lamodernizacindelaslneassincambiarlosprocesadores,oviceversa,generalmente mejoranlascosasunpoco,perodesplazan el cuello de botella a otra parte. Frecuentemente el problemaesundesequilibrioentrelasdiversaspartesdelared,yelproblemapersistirhasta que todos los componentes estn en equilibrio. Ing.Aldo N.Bianchi,MScEECopyright Junio 2002 14 Redes de ComunicacionesCaptulo 5

Elcongestionamientocomosedijotiendeaalimentarseasimismoyaempeorar,siun nodo(enrutador)no tiene buffers libres, debe ignorar los paquetes nuevos, el nodo que se los envi terminar su temporizacin y como no puede liberar su buffer hasta que el paquete sea reconocido, volver a enviarlo, quizas varias veces, no liberando ese buffer que normalmente habra liberado, as el congestionamientose acumula. Debe mencionarse la diferencia entre control de congestionamiento y control de flujo, el primerotienequeverconasegurarquelaredseacapazdemanejareltrficorequerido,esun asuntoglobal,mientrasqueelcontroldeflujoserelacionaconeltrficopuntoapuntoentreun transmisor y un receptor dado[2]. El control de congestionamiento requiere de polticas de prevencin,de supervisin y de correccinqueincluyenactividadesenlascapasdetransporte,deredydeenlace,talescomo conformacin de trfico, vigilancia de trfico, etc[2]. Algunos algoritmos de control de flujo pueden incorporarse al hardware de la interfaz, o alsistemaoperativodelaestacinhostdemanerademoderarlasrfagasdeloshostsy reduciendo en buena medida las posibilidades de congestionamiento. Uno de ellos fue propuesto por Turner(1986) y lo describiremos brevemente a continuacin. Algoritmo de tobo por goteo Vamosaimaginaruntobo(baldecubeta)conunpequeoagujeroenelfondo,talcomo muestra la Figura 5.10a, sin que importe la rapidez con que el agua entra al tobo el flujo de salida tieneunatasaconstante(supongamosqueesasydisculpenlosespecialistasendinmicade fludos) cuando hay agua en el tobo, y cerocuando el tobo est vaco. Figura 5.10 (a)Tobo con goteo,lleno agua,(b)Tobo con goteo,lleno de paquetes. Si el tobo est lleno y sigue entrando agua con un flujo superior al de salida el agua comienza a derramarse por los costados y se pierde(es decir no aparece en el flujo por debajo del agujero). Ing.Aldo N.Bianchi,MScEECopyright Junio 2002 15 Redes de ComunicacionesCaptulo 5 Este mismo concepto se aplica a los paquetes,como indica la Figura 5.10b,cada estacin hostestconectadoalaredmedianteunainterfazquecontieneuntobodegoteo,paradecirlo conmsprecisinunacolainternafinita,sillegaunpaquetecuandolacolaestllena simplemente el paquete se descarta,como se dijo este mecanismo,que se llama algoritmo de tobo por goteo(leaky bucket algorithm)se incorporar al hardware del interfaz al sistema operativo delhost.Ademselhostpuedeponerenlaredunpaqueteporpulsodereloj,loqueconvierteel flujodesigualdepaquetesdelosprocesosdeusuarioenunflujocontnuodepaqueteshaciala red, regulando las rfagas y controlando el congestionamiento. Cuandolospaquetessondelmismotamao(casoATM)alalgoritmofuncionacomose describi,cuando son de tamao variable lo mejor es transmitir un nmero fijo de bytes por pulso de reloj, si la regla es 1024 bytes por pulso, podemos transmitir un paquete de 1024 bytes, dos de 512 bytes, cuatro de 256 bytes, etc, si el nmero de bytes residuales es demasiado bajo, el siguiente paquete debe esperar al siguiente pulso. Este algoritmo impone un flujo de salida rgido a la tasa promedio sin importar las rfagas que tenga el trfico, en muchas aplicaciones es mejor permitir que la salida se acelere un poco al llegar rfagas grandes, el algoritmo de tobo con fichas atiende a esa idea y lo hace permitiendo que un host inactivo acumule fichas, esto es permisos para enviar grupos de datos, en un nmero n que cubre hasta el tamao mximo del tobo, de manera que pueden enviarse rfagas de hasta n paquetes,lo que produce irregularidades en el flujo de salida consecuencia de rfagas en el flujo de entrada[2]. 5.6.-Introduccin a la Teora de Colas de Espera [1]. Una de las teoras que inicialmente se ha utilizado para efectuar anlisis cuantitativos de las redesdecomputadoraseslateoradecolasdeesperaquefueaplicadainicialmenteparael anlisis estadstico de los sistemas de conmutacin telefnica y luego ha sido aplicada a resolver problemas de redes de comunicaciones. ComoexplicaelApndice5Ahansurgidootrasteorascnsonasconuntrficocon caractersticas de rfagas ms que de flujo contnuo,sin embargo la aplicacin de la teora de colas de espera permite describir el comportamiento de muchas redes(entre ellas las LANs que veremos en el siguiente Captulo)y tener un feeling de lo que sucede cuando hay colas de espera.El texto clsicoeseldescriptocon[3]ancuando[1]trae un resumen en el esta basado parcialmente lo que sigue.La bibliografa sealada con [7] y [8] d un enfoque de ltima hora en este tema. 5.6.1.-Sistema de colas. El sistema de colas de espera se utiliza para modelar procesos en los cuales los clientes: van llegando esperan su turno para recibir servicio reciben el serviciose marchan Este sistema se encuentra en las colas de los supermercados,bancos,expendio de entradas decualquiertipo(cine,teatro,beisbol.futbol,basquet),enlasaladeesperadelosconsultorios mdicos,etc.Estos sistemas de colas de espera pueden definirse mediante cinco parmetros: 1.La funcin densidad de probabilidad del tiempo entre llegadas. 2.La funcin densidad de probabilidad del tiempo de servicio. 3.El nmero de servidores. 4.La disciplina de ordenamiento de la cola. 5.El tamao mximo de las colas. Ing.Aldo N.Bianchi,MScEECopyright Junio 2002 16 Redes de ComunicacionesCaptulo 5 Debehacersenotarqueestamosconsiderandosistemasconunnumeroinfinitode clientes,lo que significa que el hecho de tener un gran nmero de clientes en cola esperando ser atendidos no afecta la velocidad de entradas. Los parmetros enumerados requieren una explicacin: Ladensidaddeprobabilidaddeltiempoentrellegadas,describeladistribucin estadsticadeltiempoentrellegadas,lasituacinessimple:estamosante un proceso aleatorio[4],un observador registra el tiempo transcurrido desde la llegada previat1, t2 ,t3,t4,etc,estostiemposseclasificanporejemplo:tiempoentrellegadas0.1seg.n1, tiempoentrellegadas0.2seg.n2,yassucesivamente.Siel nmero total de llegadas esn,ni/nserlafrecuenciarelativadeleventorespectivo(i),sirealizamoseste procesomuchasveceslasfrecuenciasrelativasdecadaeventotiendenaagruparse alrededordeunvalorllamadoprobabilidaddeeseevento,quecomoloseventosse han hecho discretos es la densidad discreta de probabilidad[4]que hemos llamado aqu densidad de probabilidad del tiempo entre llegadas. t1t2t3 t4 tiempo Origenllegada 1llegada 2llegada 3 llegada 4llegada 5 Figura 5.11 Anlogamente existir una densidad de probabilidad del tiempo de servicio,ya que el tiempo de servicio de cada usuario es variable,por ejemplo en un supermercado un clientesolocompraunpan,mientrasqueotrotraeantelacajerauncarritollenode productos,lgicamente los tiempos de servicio sern muy diferentes. El nmero de servidores es lo que esa frase indica,sin embargo debe hacerse notar queexistendosmodalidadesquepuedenobservarseenlosbancos,enalgunoshay unasolacolaylapersonaqueencabezalacolasedirigealprimercajeroquese libera,estesistemasellamadecolamultiservidor,encambioenotrosbancoscada cajero tiene su propia cola,ser un sistema monoservidor en cada caja. La disciplina de ordenamiento de la cola se refiere a como son tomados los clientes de la cola de espera,en la sala de emergencia de un hospital los enfermos ms graves son atendidos primero,en un mercado el primero en llegar a la caja es el primero en ser atendido. Eltamaomximodelascolasresaltaelhechodequenotodaslascolasson infinitas,sucede que cuando en una cola hay un nmero finito de puestos de espera,si llegan ms clientes que puestos algunos son rechazados. En lo que sigue nos ocuparemos de sistemas: con un solo servidor, en el que el primero en llegar es el primero en ser atendido y de capacidad infinita clientes. En la literatura referente a este tema se usa la nomenclatura A/B/m, donde A es el tipo de densidad de probabilidad del tiempo entre llegadas, B es la densidad de probabilidad del tiempo de servicio y m el nmero de servidores.A y B son escogidas de entre: M densidad de probabilidad exponencial(M significa memoryless Markov). D tiempo fijo de llegada de servicio( D es por deterministico) G general,probabilidad arbitraria. Ing.Aldo N.Bianchi,MScEECopyright Junio 2002 17 Redes de ComunicacionesCaptulo 5 Aqu consideraremos solamente el caso M/M/1,que tiene solucin analtica exacta. Vamos a considerar el caso dela Figura 5.12 donde la cola es de clientes que pueden ser paquetes de datos llamadas en un sistema telefnico de conmutacin de circuitos.

rea de almacenamiento TemporalServidor Llegada de paquetes Salida de paquetes Figura 5.12 Cola con un solo servidor. Los paquetes van llegando al rea de almacenamiento temporal zona de espera con una velocidadmediadepaquetesporunidaddetiempo(paq./seg),elservidorvatomandolos paquetesenelordenquellegaronylosatiendeconunavelocidadmediadepaquetespor unidaddetiempo(paq./seg.).Como estamos aplicando esto a redes elservidor ser el medio de transmisin:enlace,lnea troncal de salida que transmite datos a una velocidad establecida de C bits/seg(launidadtambinpuedesercaracteres/seg.),silalongituddelpaquete(longitudmedia deungrupodepaquetes)esLbits/paquete,tendremosque,capacidaddetransmisinen paquetes/seg. es: = C/L(paq./seg) 5.1 En telefona conmutada sera el promedio de llamadas efectuadas,en llamadas/seg,y el nmerodellamadasprocesadasporsegundo,enllamadas/seg,conloque1/esladuracin promedio de una llamada en segundos. Recuerdese que tanto como son valores medios, la cola se forma porque la velocidad de llegadas (y la deservicio eventualmente)tiene una distribucin estadstica. Denominaremos intensidad de trfico a: = / 5.2 Si es mayor que el sistema se bloquea,si tiende a el sistema se torna inestable,y si es menor que tenemos estabilidad. 5.6.2.-Frmula de Little. Dosparmetrosimportantesenelanlisisdecolasson,eltiempopromediode permanenciadelospaquetesenelsistema,quedenominaremosT(ennegrita),yelnmero promediodepaquetesenelsistema,quellamaremosN(ennegrita),nuestropropsitoenesta seccin es relacionar ambos parmetros. Ing.Aldo N.Bianchi,MScEECopyright Junio 2002 18 Redes de ComunicacionesCaptulo 5 ParaestablecerlarepresentemosenlaFigura5.13,(t),queeselnmerodepaquetes que han llegado en el intervalo 0 t,y (t) ,que es el nmero de paquetes que han salido en el intervalo 0 t. Obviamente N(t) = (t) - (t) es el nmero de paquetes en el sistema. 4 N(t) 3

3 T(t) 2 2 (t)(t)=3 1 T1 t1t2 t3 t4t ti tiempo de llegada del paquete i Ti tiempo de permanencia del paquete i en el sistema Figura 5.13.-Diagrama para la demostracin de la frmula de Little El rea entre los dos diagramas escalonados correspondientes a (t) y a (t) viene dada por: ) 3 . 5 ( ) ( ) () (1 ) () (10 + = = + =tt ititti t Ti d N Y el nmero promedio de paquetes en el sistema entre 0 y t, es esa rea dividida por t,o sea: ) 4 . 5 () (.) () (0t tttd NNtt += = En la ltima parte dela expresin 5.4 el primer factor es la velocidad media de llegadas entre 0 y t, mientras que el segundo corresponde al tiempo promedio de permanencia de los paquetes en el sistema Tt,tambin entre 0 y t,en consecuencia si suponemos que el sistema est en estado estacionario Nt pasa a ser N y Tt se convierte en T,con lo que tenemos: Frmula de Little5.5 N = T Ing.Aldo N.Bianchi,MScEECopyright Junio 2002 19 Redes de ComunicacionesCaptulo 5 5.6.3.-Aplicacin al trfico telefnico. El dimensionamiento de los recursos de la red telefnica conmutada se realiza aplicando la TeoradeColas.Eltrficoofrecido,necesarioparaobtenerresultadosprcticosapartirdela expresiones obtenidas,se estima a partir de la ocupacin de los diferentes equipos. Si a es la velocidad media de llegada de llamadas(telefnicas)en llamadas/seg y si durante un tiempo T de observacin, son atendidas todas esas llamadas significa que han sido atendidosa T clientes. Dado que cada uno de ellos ocupa el servidor que le atiende un tiempo promedioE (en segundos), se denomina tiempo de ocupacin del servidor , tambin en segundos, a: 5.6

= a T E Si tenemos un grupo M de servidores y sumamos los tiempos de ocupacin de cada uno de ellos tendremos el volmen de trfico M (en segundos), de ese grupo de servidores: 5.7 M = i Se denomina intensidad de trfico IT, cursado por un grupo M de servidores, al cociente el volmen de trfico y el tiempo T respectivo de observacin: 5.8 IT = M / T La intensidad de trfico es adimensional pues es, para un grupo de servidores, el cociente entrelossegundosocupadosenesegrupodeservidoresylossegundosquedurla observacin(segundosobservados),yparaclarificardequeestamoshablandodeintensidadde trfico se utiliza el erlang, o sea se habla de 0.6 erlangs para decir que tenemos una intensidad de trfico de 0.6. El trfico telefnico ofrece notables variaciones: Horarias, a lo largo del da. Estacionales, segn el da de la semana, semana del mes, mes del ao, etc. Accidentales acontecimientos locales, catstrofes,etc. En la prctica se suele hablar de la hora cargada HC, que se define como el perodo de 60 minutosconsecutivosduranteloscualeselvolmendetrfico,dadoporla5.7,esmximo,la formadeestablecerlaestomarlecturascada15minutosyobservarlasumamximadecuatro lecturas consecutivas, el promedio a lo largo del ao de esas horas cargadas d la hora cargada de referencia. EltiempoperododeobservacinTmencionadononecesariamenteesmedidoen segundos, puede medirse en minutos u horas, sin embargo en la prctica es frecuente oir hablar de perodos de observacin de 120 segundos que conduce a una unidad de medida de volmen de trfico llamada LLR(Llamada Reducida), tambin hay otra llamada CCS(Centum Call Seconds) en la que el perodo de observacin es 100 segundos. Por ejemplo si un grupo de servidores ha cursado 2500 llamadas en una hora(pudiera ser la hora cargada, HC) y la ocupacin media de cada llamada es 12 segundos,tendremos un volmen de trfico, segn la 5.6 de: M = 2.500 x 12 = 30.000 seg. = 250 LLR = 300 CCS Ing.Aldo N.Bianchi,MScEECopyright Junio 2002 20 Redes de ComunicacionesCaptulo 5 Si efectivamente los datos corresponden a la hora cargada la intensidad de trfico IT de la 5.8 es: IT = 30.000/3600 = 8.33 erlangs = 250 LLR/1 HC = 250 LLR/HC La intensidad de trfico media observada depende notablemente de la fuente, la Tabla 5.2 d algunos valores tpicos. CategoraTrfico Abonado particular0.01-0.04 erlangs Abonado comercial0.03-0.06 erlangs Centralita automtica 0.10-0.60 erlangs Telfono pblico0.05-030 erlangs

Tabla 5.2 Intensidades de trfico media tpicas. 5.6.4.-Procesos de Poisson.Colas M/M/1. Es frecuente modelar la llegada de paquetes a que nos referamos en relacon a la Figura 5.12comoProcesosdePoisson,estosprocesosestnntimamenterelacionadosconla estadsticaexponencial.Estosignificaqueconsideraremoselcasomssencillodesistemade colasqueeselM/M/1,quetieneprocesosdellegadadePoissonytiemposdeserviciocon distribucin exponencial. Un proceso de Poisson tiene tres postulados bsicos: Laprobabilidaddeunallegadaenelintervalotsedefinecomot+0(t), t