Fundamentos y Elementos de Diseño de Los Sistemas Distribuidos_parte1

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FUNDAMENTOS Y ELEMENTOS DE DISEÑO DE LOS

SISTEMAS DISTRIBUIDOS

(PARTE I)

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Nacimiento de los Sistemas Nacimiento de los Sistemas DistribuidosDistribuidosCausas: Tecnología de microprocesadores: relación

potencia/coste.

Tecnologías de comunicaciones:◦ Protocolos de comunicaciones.◦ Redes de área local (LAN): Coste y prestaciones.◦ Internet

Factores comerciales:◦ Comercio electrónico: e-comerce.◦ Información distribuida (WWW).◦ Reducción de costes.

Sistemas Operativos Distribuidos3

Aplicaciones de los Sistemas Distribuidos

• Entornos de empresa: redes corporativas e intranets.

– Sustituyen a los clásicos mainframes

• Entornos que requieren procesamiento paralelo.

– Sustituyen a costosos supercomputadores

• Servicios con alta disponibilidad y rendimiento.

• Sistemas distribuidos de gestión de bases de datos.

• Aplicaciones multimedia.

• Sistemas industriales distribuidos y aplicaciones de control.

• Internet es un enorme sistema distribuido.

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Ventajas de los Sistemas Ventajas de los Sistemas DistribuidosDistribuidosEconomía: Buena relación rendimiento/coste

◦ Ley de Grosch (obsoleta):Prestaciones = cte x (Precio)2

Alto rendimiento: Procesamiento paralelo.Soporte de aplicaciones inherentemente

distribuidas.◦ Por ejemplo: empresa distribuida

geográficamenteCapacidad de crecimiento: Escalabilidad.Fiabilidad y disponibilidad: Tolerancia a

(ciertos) fallos.Carácter abierto y heterogéneo:

◦ Estándares de interoperabilidad.Compartir recursos y datos.


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Desventajas de los Sistemas Desventajas de los Sistemas DistribuidosDistribuidosNecesidad de un nuevo tipo de

software:◦Más complejo.◦No hay todavía un acuerdo sobre cómo

debe ser.Red de interconexión introduce

nuevos problemas:◦Pérdida de mensajes y saturación.◦Latencia puede provocar que al recibir un

dato ya esté obsoleto.◦La red es un elemento crítico.

Seguridad y confidencialidadSistemas Operativos Distribuidos

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Arquitectura de Sistemas Arquitectura de Sistemas CentralizadosCentralizadosÚnico computador (caro y de gran

potencia) con terminales alfanuméricos directamente conectados.

Entornos de empresa:◦ Soporte multiusuario◦ Uso de mainframes o minicomputadores

Entornos científicos:◦ Ejecución eficiente de aplicaciones◦ Uso de supercomputadores

Uso ocasional de la red:◦ Transferir ficheros o logins remotos

Interfaz de usuario poco amigable◦ Interfaces gráficas gastan muchos recursos


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Arquitectura de Sistemas Arquitectura de Sistemas DistribuidosDistribuidosConjunto de procesadores conectados

por una redCada usuario tiene capacidad de

procesamiento local que permite interfaces de usuario sofisticadas.

Uso intensivo de la red para compartir recursos:◦ dispositivos◦ datos◦ procesadores (migración de procesos)

Capacidad global de procesamiento disponible para:◦ Servicio a múltiples usuarios◦ Ejecución paralela de una aplicaciónSistemas Operativos Distribuidos

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SoftwareSoftwareSe encuentran tres variantes de

plataformas de software para sistemas distribuidos

◦Sistemas operativos distribuidos◦Sistemas operativos de Red◦Middle-ware

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Evolución de los Sistemas Evolución de los Sistemas OperativosOperativosSistemas

Operativos Centralizados.

Sistemas Operativos en Red

Sistemas Operativos Distribuidos

Sistemas Cooperativos


Sistema Objetivos

Sistema OperativoCentralizado

Gestión de recursos,“Máquina extendida”,(Virtualidad)

Sistema Operativoen Red

Compartición de recursos,(Interoperabilidad)

Sistema OperativoDistribuido

Vista única de variascomputadoras(Transparencia)

SistemaCooperativa

Trabajo cooperativo,(Autonomía)

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Capas de un Sistema Capas de un Sistema OperativoOperativoLa visión esquemática de un sistema

operativo comprende los siguientes niveles:


• Hardware.• Núcleo (kernel).• Servicios del sistema.• Programas de aplicación.• Usuarios.

Hardware

Kernel

Servicios

Aplicaciones

Usuarios

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Responsabilidades del Responsabilidades del KernelKernel


Kernel

Servicios

m-Kernel

Servicios

Computadora

Computadora

m-Kernel m-Kernel m-Kernel

Servicios

Kernels Monolíticos:Muchas funcionalidades dentro del kernel:planificador, gestión de memoria, drivers,...

m-Kernels:Se sacan funcionalidades del kernel. Sólo quedan: (i) comunicación entre procesos, (ii) administración de memoria, (iii) administración y planificación de bajo nivel y (iv) entrada/salida de bajo nivel

Servicios Distribuidos:Estructura de sistema distribuido. Dependiendodel nivel se habla de: Sistema Operativo Distribuido, Sistema en Red o (Cooperativo).

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Heterogeneidad de un Sistema Heterogeneidad de un Sistema DistribuidoDistribuido

Un sistema distribuido puede estar formado por multitud de elementos conectados por redes LAN o WAN:

◦ Terminales X y Estaciones Java (Network Computer).

◦ PCs y estaciones de trabajo.◦ Sistemas portátiles (redes móviles: GSM, WAP y ...)◦ Minicomputadores.◦ Supercomputadores.◦ Multiprocesadores con memoria compartida o no.◦ Servidores especializados (de almacenamiento, de

impresión, ...).◦ Sistemas empotrados.

Fomentada por los siguientes factores:◦ Extensibilidad de los sistemas distribuidos.◦ Especialización de los servidores.


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Aplicaciones de los Sistemas Aplicaciones de los Sistemas DistribuidosDistribuidos Servicios Internet: correo, noticias, Web, ... nuevos

servicios. Redes corporativas e intranets. Procesamiento paralelo:

◦ Procesamiento masivo (solución a la eficiencia).◦ Topología distribuida (problemas de naturaleza

distribuida) Sistemas distribuidos de gestión de bases de datos y

explotación de los mismos: e.g. Data Warehousing. Aplicaciones multimedia. Sistemas industriales distribuidos y aplicaciones de

control. Sistemas distribuidos de tiempo real. ..... < y muchos más >


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Distribución de los Sistemas Distribución de los Sistemas Operativos Operativos Sistemas operativos para

multiprocesadores con memoria compartida (SMP):◦Software fuertemente acoplado ◦sobre Hardware fuertemente acoplado

Sistema operativo distribuido (SOD):◦Software fuertemente acoplado ◦sobre Hardware débilmente acoplado

Sistema operativo en red:◦Software débilmente acoplado ◦sobre Hardware débilmente acopladoSistemas Operativos Distribuidos

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Sistemas Operativos Sistemas Operativos Distribuidos (SOD)Distribuidos (SOD)Definición: [Gal00]

Un sistema operativo distribuido es un conjunto de procesadores interconectados por redes que ocultan dicha característica mostrando una visión al usuario de “uniprocesador virtual”.

Características:◦ Ejecuta sobre un sistema distribuido haciendo creer a

los usuarios que se trata de un sistema centralizado.◦ Trasparencia: Debe ocultar factores derivados de la

distribución.◦ Es fácil de decir pero no de hacer.◦ Cada sistema alcanza hasta cierto punto esta meta.◦ Los fracasos pueden generar frustraciones en los

usuarios.


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Sistema operativo distribuido Sistema operativo distribuido (SOD)(SOD)

Se comporta como un SO único (visión única)◦ Distribución. Existe Transparencia

Se construyen normalmente como micronúcleos que ofrecen servicios básicos de comunicación◦ Mach, Amoeba, Chorus.

Todos los computadores deben ejecutar el mismo SOD

Sistem a operativo distribuido

Lenguajes de programación

Aplicaciones

Red de interconexión

Hardware Hardware

Sistema distribuido (SD)

• Nivel físico: Conjunto de procesadores sin memoria común

conectados por una red

– Sistema débilmente acoplado

– No existe un reloj común

– Dispositivos de E/S asociados a cada procesador

– Fallos independientes de componentes del SD

– Carácter heterogéneo

– Sistemas Operativos Distribuidos

– Consigue que usuarios y aplicaciones crean que trabajan con una única máquina (Single System Image)

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conceptos y características de conceptos y características de los sistemas operativos los sistemas operativos distribuidosdistribuidos

S.O.D. • Software fuertemente acoplado en hardware débilmente acoplado (en multicomputadoras)

• Parecer que toda la red es un sistema de tiempo compartido (imagen de único sistema).

• Es aquel que se ejecuta en una colección de máquinas enlazadas mediante una red actúan como un uniprocesador virtual.

• Ninguno actualmente cumple con ese requisito

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Características de un Características de un Sistema DistribuidoSistema DistribuidoDefinición: [Tan95] Un sistema distribuido es una colección de computadoras independientes que aparece ante los usuarios del sistema como una única computadora.

Recursos distribuidos para un trabajo común. N computadoras Un “servicio” único a los usuarios.

Tradicionalmente (1972):◦ Clasificación de Flynn: SISD, SIMD, MISD, MIMDSistemas Operativos Distribuidos

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Características de un Características de un Sistema DistribuidoSistema DistribuidoUn sistema distribuido implica las

siguientes consecuencias:No existe un reloj común: Afecta a

cualquier aspecto de coordinación y mensajes.

Concurrencia global: Los elementos del sistema se ejecutan realmente en paralelo.

Fallos independientes: Los modos de fallo del sistema pueden ser locales a un subconjunto de sus componentes.Sistemas Operativos Distribuidos

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Características de los SODCaracterísticas de los SOD

Mecanismo de comunicación global entre procesos. Cualquier proceso se puede comunicar con otros local o remoto.

Esquema global de protección. Acceso a listas de control

Misma administración de procesos. (crean, destruyen, inician o detienen los procesos)

La apariencia del sistema de archivos debe ser la misma en todas partes . (por ejemplo, si el nombre del archivo es limitado a 11 caracteres)

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Sistemas Operativos Sistemas Operativos Distribuidos (SOD)Distribuidos (SOD)Problemática:

◦ Cada nodo tiene su copia del sistema operativo: ¿Qué tareas se realizan localmente y cuáles son globales?

◦ ¿Cómo lograr exclusión mutua sin memoria compartida?

◦ ¿Cómo tratar los interbloqueos sin un estado global?◦ Planificación de procesos: Cada copia del sistema

operativo tiene su cola de planificación (migración de procesos).

◦ ¿Cómo crear un árbol de ficheros único?◦ Implicaciones de la falta de reloj único, la presencia de

fallos o la heterogeneidad.Principal aportación:

◦ Se han desarrollado nuevos conceptos y planteamientos que se han podido trasladar a los otros modelos de sistemas distribuidos.


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Evolución de los SODEvolución de los SOD Primeros SO de red:

◦ Incluir servicios de red en SO convencional◦ Ejemplo: UNIX 4BSD (1980)

Paulatina incorporación de más funcionalidad:◦ ONC de Sun (1985): incluye NFS, RPC, NIS

Primeros SOD:◦ Nuevos SO pero basados en arquitecturas

convencionales (monolíticas)◦ Ejemplo: Sprite de la Universidad de Berkeley

(1988) SOD basados en m-kernel. Ejemplos:

◦ Mach de CMU (1986)◦ Amoeba diseñado por Tanenbaum (1984)◦ Chorus de INRIA en Francia (1988)


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Sistemas Operativos en Sistemas Operativos en RedRedDefinición: [Cho97]

Red de computadoras débilmente acopladas en las que no existe un control externo directo sobre el hardware/software de cada computadora para la compartición de recursos.

Características:◦ No dan la visión de uniprocesador virtual (máquinas

independientes).◦ Cada una ejecuta una copia de sistema operativo

(distinto).◦ Sistema operativo convencional + utilidades de red.◦ Protocolos de comunicación para intercambio de

recursos y acceso a servicios de alto nivel.◦ Desde rcp/rlogin hasta Open Network Computing (ONC)

de Sun.


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Sistemas CooperativosSistemas CooperativosDefinición: [Cho97]

Sistemas software orientados a servicios de alto nivel que requieren el soporte de mecanismos de comunicación en base a los cuales los protocolos de comunicaciones de alto nivel se construyen.

Características:◦ Se mantiene el grado de trasparencia sacrificando la

visión de único sistema. Son sistemas autónomos independientes.

◦ Se construyen en base a middlewares (CORBA, DCE, DCOM, ...)

◦ Los sistemas resultan de la integración de múltiples servicios proporcionados por diferentes elementos de la red.


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MiddlewareMiddlewareMiddleware:

◦ Capa de software que ejecuta sobre el sistema operativo local ofreciendo unos servicios distribuidos estandarizados.

◦ Sistema abierto independiente del fabricante.◦ No depende del hardware y sistema operativo subyacente.

Ejemplos:◦ DCE (Open Group).◦ CORBA (OMG).◦ ...


Hardware

SO

Hardware

SO

Hardware

SO

Middleware

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Sistema operativo en red Sistema operativo en red (SOR)(SOR)

El usuario ve un conjunto de máquinas independientes◦ No hay transparencia

Se debe acceder de forma explícita a los recursos de otras máquinas

Difíciles de utilizar para desarrollar aplicaciones distribuidas

Sistema operativo


Aplicaciones

Red de interconexión

Hardware

Sistema operativo


Aplicaciones

Hardware

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Sistemas Operativos de Sistemas Operativos de RedRed

Dos o más computadores conectados por red.

Comparten los diferentes recursos y la información del sistema mediante la red.

Novell Netware, Personal Netware,Windows NT Server, UNIX, etc.

Aplicaciones distribuidas

Kernel Kernel Kernel

Red

Máquina A Máquina B Máquina C

Servicios deRed del S.O.



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concepto y características de concepto y características de los sistemas operativos de los sistemas operativos de redesredesSOR. Es aquel en el que cada

máquina tiene un alto grado de autonomía y existen pocos requisitos a lo largo del sistema.

• Software débilmente acoplado en hardware débilmente acoplado

• Ejemplo: estaciones de trabajo conectadas mediante una LAN

• Cada usuario tiene su propia estación de trabajo

• Tiene su propio S.O.

• Por su ámbito:– Redes de área local o LAN (Local Area Network):

Diseñadas desde el principio para transportar datos.

– Redes de área extensa o WAN (Wide Area Network): Utilizan el sistema telefónico, diseñado inicialmente para transportar voz.

• Por su tecnología:– Redes broadcast (broadcast = radiodifusión)– Redes punto a punto

Clasificación de Clasificación de RedesRedes

Distancia entre

procesadores

Procesadores ubicados

en el mismo ...

Ejemplo

1 m Sistema Multiprocesador

10 m Habitación

LAN100 m Edificio

1 Km Campus

10 Km Ciudad MAN (o WAN)

100 Km País

WAN1.000 Km Continente

10.000 Km Planeta

Clasificación de Redes por su Clasificación de Redes por su ámbitoámbito

Redes de área local o LAN(Local Area Network)

• Características:– Generalmente son de tipo broadcast (1/2 compartido)– Cableado normalmente propiedad del usuario– Diseñadas inicialmente para transporte de datos

• Ejemplos:– Ethernet (IEEE 802.3): 1, 10, 100, 1000 Mb/s– Token Ring (IEEE 802.5): 1, 4, 16, 100 Mb/s– FDDI: 100 Mb/s– HIPPI: 800, 1600, 6400 Mb/s– Fibre Channel: 100, 200, 400, 800 Mb/s– Red inalámbrica X radio (IEEE 802.11): 1, 2, 5.5, 11 Mb/s

• Topología en bus (Ethernet) o anillo (Token Ring, FDDI)

Redes de área extensa o WAN (Wide Area Network)

• Se caracterizan por utilizar normalmente medios telefónicos, diseñados en principio para transportar la voz.

• Son servicios contratados normalmente a operadoras (Telefónica, Millicom, BellSouth, IBM, ATT, etc.).

• Las comunicaciones tienen un costo elevado, por lo que se suele optimizar su diseño.

• Normalmente utilizan enlaces punto a punto temporales o permanentes, salvo las comunicaciones vía satélite que son broadcast. También hay servicios WAN que son redes de conmutación de paquetes.

• Redes telefónicas, redes públicas de datos, fibra óptica RDSI, B-RDSI, ATM

• Diferencias entre LAN y WAN cada vez más borrosas

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RDSI y ATMRDSI y ATMRDSI. Red Digital de Servicios Integrados.Una red que procede por evolución de una Red Digital Integrada (RDI) telefónica y que facilita conexiones digitales extremo a extremo para soportar una amplia gama de servicios, tanto de voz como de otros tipos, y a la que los usuarios tienen acceso a través de un conjunto limitado de interfaces normalizados de usuario multiservicio.

ATM. Modo de Transferencia Asíncrona (Asynchronous Transfer Mode) Es una tecnología de conmutación de celdas que utiliza la multiplexación por división en el tiempo asíncrona, permitiendo una ganancia estadística en la agregación de tráfico de múltiples aplicaciones. Las celdas son las unidades de transferencia de información en ATM. Estas celdas se caracterizan por tener una longitud fija de 53 octetos. La longitud fija de las celdas permite que la conmutación sea realizada por el hardware, consiguiendo con ello alcanzar altas velocidades (2, 34, 155 y 622 Mbps) de forma fácilmente escalable.

Clasificación de redes X su tecnología

Tipo Broadcast Enlaces punto a punto

Características La información se envía a todos los nodos de la red, aunque solo interese a unos pocos

La información se envía solo al nodo al cual va dirigida

Ejemplos •Casi todas las LANs (excepto LANs conmutadas)

•Redes de satélite

•Redes de TV por cable

•Enlaces dedicados

•Servicios de conmutación de paquetes (X.25, Frame Relay y ATM).

•LANs conmutadas

Redes broadcast• El medio de transmisión es compartido. Suelen ser

redes locales. Ej.: Ethernet 10 Mb/s

• Los paquetes se envían a toda la red, aunque vayan dirigidos a un único destinatario. Posibles problemas de seguridad (encriptado)

• Se pueden crear redes planas, es decir redes en las que la comunicación entre dos ordenadores cualesquiera se haga de forma directa, sin routers intermedios.

Redes de enlaces punto a punto

• La red está formada por un conjunto de enlaces entre los nodos de dos en dos

• Es posible crear topologías complejas (anillo, malla,etc.)• La comunicación entre dos ordenadores cualesquiera se

realiza a través de nodos intermedios que encaminan o conmutan los paquetes (conmutador o router).

• Un router o conmutador es un ordenador especializado en la conmutación de paquetes; generalmente utiliza un hardware y software diseñados a propósito (p. ej. sistemas operativos en tiempo real)

• En una red de enlaces punto a punto el conjunto de routers o conmutadores y los enlaces que los unen forman lo que se conoce como la subred. La subred delimita la responsabilidad del proveedor del servicio.

Redes de enlaces punto a punto• En una red punto a punto los enlaces pueden ser:

– Simplex: transmisión en un solo sentido– Semi-dúplex o half-duplex: transmisión en ambos sentidos, pero

no a la vez– Dúplex o full-duplex: transmisión simultánea en ambos sentidos

• En el caso dúplex y semi-dúplex el enlace puede ser simétrico (misma velocidad en ambos sentidos) o asimétrico. Normalmente los enlaces son dúplex simétricos

• La velocidad se especifica en bps, Kbps, Mbps, Gbps, Tbps, ... Pero OJO: – 1 Kbps = 1.000 bps (no 1.024)– 1 Mbps = 1.000.000 bps (no 1.024*1.024)

• Ejemplo: la capacidad total máxima de un enlace de 64 Kbps son 128.000 bits por segundo (64.000 bits por segundo en cada sentido).

Clasificación de las redes

Redes LAN Redes WAN

Redes broadcast Ethernet,

Token Ring, FDDI

Redes vía satélite,

redes CATV

Redes de enlaces punto a punto

HIPPI,

LANs conmutadas

Líneas dedicadas, Frame Relay,

ATM

Posibles formas de enviar la informaciónPor el número de destinatarios el envío de un paquete puede ser:

• Unicast: si se envía a un destinatario concreto. Lo normal.• Broadcast: si se envía a todos los destinatarios posibles

en la red. Ejemplo: para anunciar nuevos servicios en la red.

• Multicast: si se envía a un grupo selecto de destinatarios de entre todos los que hay en la red. Ejemplo: emisión de videoconferencia.

• Anycast: si se envía a uno cualquiera de un conjunto de destinatarios posibles.

Ejemplo: servicio de alta disponibilidad ofrecido por varios servidores simultáneamente; el cliente solicita una determinada información y espera recibir respuesta de uno cualquiera de ellos.

Modelo de capas• Actualmente todas las arquitecturas de red se describen

utilizando un modelo de capas.• El más conocido es el denominado Modelo de Referencia

OSI (Open Systems Interconnect) de ISO, que tiene 7 capas (como el SNA).

• Los objetivos fundamentales del modelo de capas son:– Sencillez: hace abordable el complejo problema de la

comunicación entre ordenadores– Modularidad: permite realizar cambios con relativa

facilidad a una de sus partes sin afectar al resto– Compatibilidad: La comunicación entre dos entidades

de una capa puede realizarse independientemente de las demás.

El Modelo de referencia OSI de ISO (OSIRM)

• Fue definido entre 1977 y 1983 por la ISO (International Standards Organization) para promover la creación de estándares independientes de fabricante. Define 7 capas:

Capa de Aplicación

Capa Física

Capa de Enlace

Capa de Red

Capa de Transporte

Capa de Sesión

Capa de Presentación

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Aplicación

Físico

Enlace de Datos

Red

Transporte

Sesión

Presentación

Ofrece servicios al usuario final, Transferencia de archivos, Aplicaciones.

Interface estándar a las aplicaciones, servicios de comunicaciones comunes

Estructura de control para la comunicación entre aplicaciones, estable y finaliza las conexiones (sesiones).

Transferencia fiable y transparente de datos, recuperación de errores, control del flujo de datos.

Independencia en la tecnología de transmisión y conmutación de datos, establece, mantiene y finaliza las conexiones

Transferencia fiable de datos, envia bloques de datos, los sincroniza, controla el flujo de datos y controla errores de transmisión.

Controla la transmisión de un flujo no estructurado de bits por el enlace físico, maneja niveles de voltaje, duración de bits. etc

Capa Física

Especificación de medios de transmisión mecánicos, eléctricos, funcionales y

procedurales

TransmiteLos Datos

N=1N=1

Medio físico

Capa de Enlace

Datos puros

Driver del dispositivo de comunicaciones Provee el control

de la capa física

Detecta y/o corrigeErrores de transmisión

N=2N=2

Capa de Red

¿Por donde deboir a w.x.y.z?

Suministra información sobre

la ruta a seguir

N=3N=3

Routers

Capa de Transporte

Conexión extremo a extremo (host a host)

Error de comprobación

de mensaje

Paquetesde datos

¿Son estosdatos buenos?

Este paquete no es bueno. Reenviar

Verifica que los datos se

transmitan correctamente

N=4N=4

Capa de Sesión

CerrarConexión

De nada!GraciasMe gustaría

enviarte algoBuenaidea!

EstablecerConexión

Sincroniza el intercambio de datos entre capas inferiores y superiores

N=5N=5

Capa de Presentación

Datos de la aplicación(dependientes de la máquina)

Datos de capas bajas (independientes de la

máquina)

Convierte los datos de la red al formato requerido por la aplicación

N=6N=6

Capa de Aplicación

¿Que debo enviar?

• Es la interfaz que ve el usuario final

• Muestra la información recibida

• En ella residen las aplicaciones

• Envía los datos de usuario a la aplicación de destino usando los servicios de las capas inferiores

N=7N=7

WWW (HTTP)

Tran

sf. F

iche

ros

(FTP

)

e-mail (

SMTP)

Vid

eoco

nfer

enci

a (H

.323

)

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