Intro a Telecomunicaciones

Introducción a la telemática

Telecomunicaciones e Informática

• Telemática (o Teleinformática)= Telecomunicaciones + Informática

• Telecomunicaciones: comprende el estudio del conjunto de medios técnicos necesarios para transportar información entre dos puntos cualesquiera, a cualquier distancia, de la forma más fiel y segura posible a un coste razonable.

• Informática: Estudia el procesamiento automático de la información, así como de las máquinas que realizan este procesamiento, es decir los ordenadores.

• Cada día más interdependientes.

Definición de telemática

• Telemática: estudia el intercambio de información entre sistemas digitales distantes, a través de redes de telecomunicación.

• Al conjunto de varios ordenadores comunicados mediante redes de comunicación, se le denomina red de ordenadores.

Redes de ordenadores

Ventajas:

• compartir los recursos

• aumentar la fiabilidad global

• ahorro de dinero

Ejemplos:

• Red de área local

• Internet

2. Transmisión de datos

Transmisión de Datos: transporte de señales portadoras de información a través de un canal entre dos puntos distantes.

• Canal: medio físico por el que se transmite.• Señal: cualquier magnitud física variable que

transporta información.

Modalidades de Transmisión de Datos:– Naturaleza de las señales– Secuenciamiento de bits – Nivel de simultaneidad emisión/recepción – Sincronismo

Modalidades de Transmisión de Datos

Naturaleza de las señales• Transmisión analógica

• Transmisión digital – Alta fiabilidad.– posibilidad de lograr tasas de error muy bajas.– componentes mucho más baratos.

.


Secuenciamiento de bits: • Transmisión en paralelo: se usan varios

circuitos para transmitir simultáneamente una palabra.

Inconvenientes a larga distancia: – el coste;– cada circuito pueden experimentar retrasos

diferentes

• Transmisión en serie: se utiliza un único canal, transmitiendo los bits de uno en uno.


Nivel de simultaneidad emisión/recepción: • Transmisión símplex: la transmisión se

realiza en un sólo sentido.• Transmisión semi-dúplex: la

transmisión puede efectuarse en los dos sentidos, pero no simultáneamente.

• Transmisión dúplex: la transmisión puede efectuarse simultáneamente en los dos sentidos.


Sincronización: ¿Cómo se determina cuando comienza y acaba cada elemento?

Podemos distinguir:– Sincronización de bit– Sincronización de carácter o palabra– Sincronización de bloque


Sincronización:• Transmisión asíncrona

Se realiza un sincronismo a nivel de palabra.

línea en reposo

bit de arran-que

siete bits de datos bit de pari-dad

bit de parada

sigui ente dato

Configuración de un puerto serie (COM4) en Windows

Ejercicio

Se desea transmitir el carácter ASCII ‘C’ (código 4316) por medio de un esquema de transmisión asíncrono con:

– 7 bits de datos, – bit de paridad par– dos bits de parada– velocidad de transmisión: 4 bps

Realiza un esquema que muestre el estado de la línea de transmisión en función del tiempo.

Sincronización:• Transmisión síncrona

Se transmite una secuencia continua de bits.

Es necesaria información de sincronismo:– se envía en paralelo, a través de otro circuito.– se incorpora en la propia señal de datos

• Ej. codificación Manchester:


“1”: “0”:

3. Las Redes de Comunicación

• No siempre es posible conectar directa-mente dos equipos mediante una línea de comunicación (conex. punto a punto).

• red de comunicación: recurso compartido que se emplea para intercambiar información entre usuarios

• Nodos: dispositivos intermedios para el intercambio de información

• Estaciones: elementos a comunicar• Enlace: medio físico que conecta directamente

un par de nodos

Las Redes de Comunicación

Topología de una Red de Comunicación

• Topología: forma lógica en que se conec-tan los nodos mediante enlaces para constituir una red

caracterizar las topologías:– número de enlaces para interconectar n nodos– distancia máxima que puede cubrir– número máximo de nodos o estaciones– tolerancia a fallos en nodos y conexiones

Topología en malla

• Interconexión total /parcial• Si falla un enlace, podemos utilizar otra ruta• Máximo de distancia y nodos ilimitado • Es la más utilizada

Topología de Red Iris

Topología en estrella

• Solo existe un nodo, el nodo central

• Número de estaciones y distancia limitados

• Muy sensible a fallo en nodo central

Topología en bus

• Medio de transmisión compartido (bus)• No hay nodos• Número de estaciones y distancia limitados• Usada en redes de área local

Topología en anillo

• Cada nodo se conecta a otros dos

• Muy sensible a fallo en nodos o enlaces

• Se utiliza solo en redes de área local

Encaminamiento

• ¿Por donde circularán los mensajes entre un origen y un destino?

Combinación de topologías

Ejemplos de redes de comunicaciones

• Red Telefónica Básica (RTB)

• Redes Públicas de Datos (WAN)

• Redes de Área Local (LAN)

Red Telefónica Básica

• La red de mayor cobertura y disponibilidad

• Red de conmutación de circuito

• No ha sido diseñada para com. ordenadores

• Red de conmutación de circuito:– Antes de enviar información es preciso esta-

blecer una conexión (física) entre emisor y receptor.

– La red reserva unos enlaces para uso exclusivo de esta conexión.

– La red garantiza una determinada velocidad de transmisión y un retraso constante en la transmisión.

Red Telefónica Básica

Red de conmutación de circuito

Redes Públicas de Datos

• En los años 70 aparece Arpanet-> Internet

• Red de conmutación de paquete

Redes Públicas de Datos

• Red de conmutación de paquete:– el mensaje a transmitir se fragmenta en

paquetes. – Cada paquete es transmitido de forma

individual.– Cuando un nodo recibe un paquete lo

almacena en su memoria, para posteriormente retransmitirlos a otros nodos.

– Los paquetes pueden llegar desordenados o no llegar.

Redes de Área Local

• Redes de poca extensión, normalmente propiedad de quien las utiliza.

• Velocidades muy altas (100/1000 Mbits/s)• Principales aplicaciones

– Utilizar otros ordenadores (Terminal virtual)– Servidores de ficheros– Compartir recursos e información– Compartir el acceso a redes WAN– Proporcionar servicios de comunicación

La red Ethernet

• Desarrollada en 1981 por Xerox, Intel y DEC

• Norma IEEE 802.3

• velocidad de transmisión: 10/100 Mbits/s

• hasta 2,5 km. y máximo 1024 estaciones

• Topología lógica en bus: solo uno emitiendo

• Posibilidad de colisiones, solución: CSMA/CD (“Carrier Sense Multiple Access/ Collision

Detection”)

• Cable coaxial: Se conectaban los distintos ordenadores a un cable utilizando conectores en forma de T (BCN)

Alternativas conexión a Ethernet

http://en.wikipedia.org/wiki/Image:10base2_t-piece.png

• Hub o Concentrador: Se conectan los ordenadores con cables de par trenzado y conectores RJ-45. La topología lógica sigue siendo de bus.


• Topología física: bus ó estrella


• Switch o Conmutador: Cuando llega una trama a un puerto esta solo es retransmitada por el puerto donde está el ordenador destino.

Ventajas: se evitan las colisiones, seguridad


• Conexión inalámbrica o Wi-Fi: Basada en la especificación IEEE 802.11. Permite conectarse a una LAN a través de canales de radio. (11 Mb/seg a 54 Mb/seg)


http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/8/81/Lunaruter2.jpg

4. Arquitectura de red

• Red: hardware y software

• Complejidad del software crece cada día

• Solución: organización en capas o niveles

• Función de un nivel: dar servicio a capas superiores, solucionando ciertos problemas

Símil de arquitectura

vendo

I sell

I:inglés

I sell

I:inglés

Fax:…

I sell

I sell

I:inglés

I sell

I:inglés

Fax:…

Nivel deEjecutivos

Nivel deTraductores

Nivel deSecretarios

interfazejecutivo-traductor

interfaztraductor-secretario

Información entre traductores

Información entre secretarios

Mensaje original

Empresa en España Empresa en EEUU

Protocolo entre ejecutivos

Protocolo entre traductores

Protocolo entre secretarios

Arquitectura de red

• Protocolo: acuerdo entre partes de cómo se va a proceder la comunicación

• Interfaz: operaciones que proporciona una capa a la superior

• Arquitectura: Conjunto de capas y protocolos

Arquitectura de red

• Restricciones– Cada nivel solo puede interaccionar con en

nivel inferior y el superior– En único nivel que tiene acceso a los medios

de transmisión es el primero.– El protocolo utilizado en un nivel ha de ser

independiente del interfaz con niveles inferior y superior (Ej. sustituir fax por correo)

Arquitectura de red

• Ventajas:– Organización adecuada (abstracción)– Posibilidad de sustituir el protocolo de un nivel

Problemas clave

• Identificar emisor y receptor (direcciones)• Control de errores• Fragmentación de mensajes

– Numeración de los mensajes• Control de flujo: un emisor rápido puede

desbordar a un receptor lento• Multiplexación: con un única conexión

podemos cubrir varias comunicaciones del nivel superior

• Seguridad: impedir que una tercera parte manipule el mensaje

Tipos de servicios

• Con conexión: Antes de intercambiar información emisor y receptor se ponen de acuerdo– Ej. Conexión telefónica.

• Sin conexión: La información se envía directamente.– Ej. Carta, telegrama

5. La arquitectura TCP/IP

5 Nivel de Aplicación

4 Nivel de Transporte

3 Nivel de Red

2 Nivel de Enlace de Datos

1 Nivel Físico

5.1. El Nivel Físico

OBJETIVOTransmitir bits a lo largo de un medio de transmisión

FUNCIONESDefinir potencia, niveles eléctricos y codificaciónMedios mecánicos y funcionales (conectores)Modulación, filtrado y detecciónDefinir modalidades de transmisión

INTERFACES NORMALIZADOSRS-232 (interf. serie), USB, (interfaces)IEEE 802.3 (Ethernet), (LAN)IEEE 802.11 (WiFi), (LAN inalábrica)

RDSI, ADSL, ATM, (WAN)

Ejemplo: Ethernet (IEEE 802.3) • Definir potencia, niveles eléctricos y codificación:

– Codificación Manchester:

Señal alta: +0,85 V, señal baja: -0,85 V. • Medios mecánicos y funcionales:

– Conector RJ-45 para cable de par trenzado.– Antiguamente conector BNC para cable coaxial.– Distancia máxima entre estaciones 2,5 km.

• Modulación, filtrado y detección:– No requiere modulación ni filtrado.– Detección: flanco de subida: “1”, flanco de bajada: “0”. (diferente en

apuntes)• Definir modalidades de transmisión:

– Transmisión digital, serie, semi-duplex (ó duplex) y síncrona.– velocidad de transmisión: 10 Mbits/s (Fast Ethernet: 10/100 Mbits/s)

(10 Mbits/s => Periodo de bit 100 ns)

“1”: “0”:

RJ-45

Nombre Pin Color del cable

TX+ 1 Blanco/Naranja

TX- 2 Naranja

RX+ 3 Blanco/Verde

4 Azul

5 Blanco/Azul

RX- 6 Verde

7 Blanco/Marrón

8 Marrón

http://es.wikipedia.org/wiki/Imagen:RJ45.svg

http://es.wikipedia.org/wiki/Imagen:Pkuczynski_RJ-45_patchcord.jpg

5.2. El Nivel de Enlace de Datos

OBJETIVOTransmisión de datos fiable y libre de errores entre unidades directamente conectadas

FUNCIONESDetección y recuperación de errores Control de flujoControl de acceso al medio (si este es compartido)

PROTOCOLOS NORMALIZADOSIEEE 802.3 (Ethernet) (LAN)SLIP, PPP, (acceso a WAN)

• Detección y recuperación de errores:– Campo de suma de comprobación

• Control de flujo:– No implementado

• Control de acceso al medio: – CSMA/CD

• Identificación de usuarios: – Dirección Física: 6 bytes

Ejemplo: Ethernet (IEEE 802.3)

Bytes: 7 1 6 6 2 0-1500 0-46 4

preámbulo(10101010)

inicio(10101011)

dirección destino

dirección origen

longitud / tipo

datos relleno suma de comprob.

Cabecera Ethernet• Preámbulo: (7 bytes) Permite sincronizar el reloj del emisor. Se emite la secuencia

101010… que en codificación Manchester presenta la característica de tener un flanco solo en la mitad de cada periodo de bit. Una vez localizado la mitad del periodo de bit, el receptor sabe que aproximadamente trascurrido un periodo de bit habrá un flanco (resincronozando su reloj en dicho flanco).

• Indicador de inicio: (1 byte) Se transmite el valor 10101011, que permite al receptor identificar el inicio de la trama.

• Dirección destino: (6 bytes) El destinatario de la trama. • Dirección origen: (6 bytes) Quien transmite la trama. • Longitud de datos: (2 bytes) Número de bytes que hay en el campo de datos• Datos: (0-1500 bytes) Datos que se transmiten. La longitud máxima es 1500 bytes. Se

impone un máximo para impir que una estación use demasiado tiempo un medio compartido.

• Relleno: (0-46 bytes) Además de una longitud máxima de trama, también se impone una longitud mínima. Si en la red Ethernet se produce una colisión, es importante que todas las estaciones la detecten. Si se permitiera la transmisión de tramas muy cortas, podría ocurrir que una estación terminara de transmitir la trama antes de detectar la colisión. La estación no retrasmitiría esta trama pensando que no ha habido problemas, cuando realmente ha colisionado. Si el campo de datos tiene menos de 46 bytes, se añade el campo de relleno para ocupar entre los dos 46 bytes.

• Suma de comprobación: (4 bytes) Código detector de errores que permite al receptor detectar si algún bit ha cambiado. Se gasta códigos CRC (código de redundancia cíclica).

Direcciones Físicas o MAC

• Unicast: 60:C0:F6:A0:4A:B1 (6 bytes = 48 bits) 248 = 270.000.000.000.000 direcciones

• Broadcast: FF:FF:FF:FF:FF:FF

• Multicast: (Primer bit a 1).

Ventaja: No es necesario asignarlas.

Codificación Manchester

Trama Ethernet obtenida con un osciloscopio digital

Trama Ethernet

5.3. El Nivel de Red OBJETIVO

Permitir la comunicación a través de una red de conmutación de paquetes

FUNCIONESEncaminamientoIdentificación de usuariosTransmisión de datos entre subredes heterogéneasControl de congestiónContabilidad

PROTOCOLOS NORMALIZADOSIP (no confiable, sin conexión)

Ejemplo: Protocolo IP

• Identificación de usuarios:– Direcciones IP(32 bits): byte.byte.byte.byte

• Encaminamiento:– Red de conmutación de paquete (router)

• Transmisión de datos entre subredes heterogéneas:

• Control de congestión:• Contabilidad:

– No suele implementarse

Cabecera IP (v4)

32 bits

versión log.cab. tipo servicio longitud total

identificación D F posición de fragmento

tiempo de vida protocolo checksum de la cabecera

dirección origen

dirección destino

opciones (0 o más palabras)

…

datos…

Cabecera IP (v4)• Versión: Siempre vale lo mismo (0100)• Long. Cabecera: En palabras de 32 bits. • Tipo de Servicio: Calidad de servicio deseada. Prioridad del paquete durante

el tránsito por una red. • Longitud Total: En bytes. Campo de 16 bits, tamaño máximo 216=65.535• Identificador: Identificador único del paquete. Se utilizará, en caso de

fragmentación. • D: 0 = Paquete divisible, 1 = No Divisible (Antes muerto que dividido) • F: 0 = Último fragmento, 1 = Le siguen más fragmentos• Posición de Fragmento: En paquetes fragmentados indica la posición, en

unidades de 64 bits, que ocupa el paquete actual dentro del paquete original. • Tiempo de Vida: Número máximo de routers que un paquete puede

atravesar. Cada vez que atraviesa uno se decrementa su valor. Cuando llegue a ser 0, el paquete será eliminado.

• Protocolo: Indica el protocolo de nivel superior utilizado en la parte de datos.• Checksum Cabecera: Código detector de errores. Una simple suma en

complemento a uno. • Dirección IP de Origen:• Dirección IP de Destino:

Direcciones IP (v4)

32 bits

0 red ordenador

10 red ordenador

110 red ordenador

Clase A

Clase B

Clase C

La UPV tiene asignada una clase B, todas sus IP comienza por 158.42.

Configuración direcciónes IP

Encaminamiento

Tabla direccionamientosubred enlace192.168.0… 1192.45.10… 2 158.43… 2el resto 3

12

3

192.168.0.1

192.168.0.2

Configuración estación: dirección IP: 192.168.0.2mascara subred: 255.255.255.0puerta enlace: 192.168.0.1

5.4. El Nivel de Transporte

OBJETIVOTransmisión de datos de forma transparente, óptima y libre de errores entre dos aplicaciones.

FUNCIONESEstablecer, mantener y liberar conexiones de transporteSegmentación, re-ensamblado y ordenación de paquetesDetección y recuperación de errores residualesControl de flujo

PROTOCOLOS NORMALIZADOSTCP (confiable, con conexión)UDP (no confiable, sin conexión)

Ejemplo: Protocolo TCP

• Establecer, mantener y liberar conexiones de transporte– Se identifican gracias al número de puerto.

• Segmentación, re-ensamblado y ordenación de paquetes

• Detección y recuperación de errores residuales– El servicio de red no es confiable, puede

perdernos paquetes.

Cabecera TCP

32 bits

puerto origen puerto destino

número de secuencia

número de confirmación de recepción

long.cab flags tamaño de ventana

checksum de la cabecera apuntador urgente

opciones (0 o más palabras)

…

datos (opcional)

…

Cabecera TCP• Puerto origen y puerto destino: Permiten identificar la aplicación

origen y destino conectadas. • número de secuencia: Número de secuencia asignado a cada

fragmento. Permitirá su reensamblado.• número de confirmación: Acuse de recibo, por parte del receptor,

indicando que le han llegado correctamente hasta un determinado número de secuencia.

• Long. Cabecera: En palabras de 32 bits.• Flags: Permite diferenciar entre diferentes tipos de mensajes:

solicitud conexión, acuse recibo, datos, …• Tamaño de ventana: Máximo de datos que podrá enviar que

todavía estén pendientes de acuse de recibo. Si superamos el tamaño de ventana hay que esperar algún acuse de recibo.

• Checksum Cabecera: Código detector de errores.

5.5. El Nivel de Aplicación

OBJETIVODar servicios específicos a los usuarios

FUNCIONESDependiendo de la aplicación

PROTOCOLOS NORMALIZADOSHTTP,(Word Wide Web)SMTP, (Correo electrónico) DNS, (Sistema de nombre de dominio)

Ejemplo: Protocolo HTTP

• Permite el intercambio de páginas web entre un navegador y un servidor web.

• En redes TCP/IP se suele asignar un número de puerto fijo por aplicación (puerto 80 para WWW).

• En redes TCP/IP muchos protocolos de aplicación consisten en un simple intercambio de comandos de texto.

Una transacción con HTTP

• El usuario quiere acceder a la página “www.upv.es/dir/pag.html”- El navegador averigua la dirección IP de www.upv.es (servicio

DNS)- El navegador establece una conexión TCP con el puerto 80 de esta

máquina- Envía por esta conexión los caracteres ASCII:

GET /dir/pag.html

- Recibe la página por la conexión:<HTML><HEAD><TITLE>Página de ... </TITLE>...</HTML>

- El servidor cierra la conexión:

VERSIÓN 1.0 DE HTTP Cliente: GET /dir/pag.html HTTP/1.0 User-Agent: Internet Explorer v3.2 Host: mi_ordenador.upv.es Accept: text/html, image/gif, image/jpeg <línea en blanco>

Servidor: HTTP/1.1 200 OK Server: Microsoft-IIS/5.0

Last-Modified: Mon, 25 Feb 2002 15:49:22 GMT Content-Type: text/html

<línea en blanco>

<HTML> <HEAD> <TITLE>Página de ... </TITLE> ... </HTML>

Transferencia HTTP

GET /pg.html

GET /pg.html

cabecera TCP

GET /pg.html

cabecera TCP

cabecera IP

Nivel deAplicación

Nivel deTransporte

Nivel deRed

interfaznivel de Transporte

interfaznivel de Red

Navegador Web Servidor Web

Protocolo HTTP

Protocolo TCP

Protocolo IP

Nivel de Enlace de datos y físico

GET /pg.html

cabecera TCP

cabecera IP

Cabec.Ethernet

interfaz nivel de Enlace de datos

Protocolo Ethernet

GET /pg.html

GET /pg.html

cabecera TCP

GET /pg.html

cabecera TCP

cabecera IP

GET /pg.html

cabecera TCP

cabecera IP

Cabec.Ethernet

medio físico

Transferencia HTTP – 1.conexión

socket << “GET /pag.html”;socket >> páginaWeb;//el navegador visualiza la páginasocket.close();

Nivel deAplicación(HTTP)

Nivel deTransporte(TCP)

Nivel deRed(IP)

Navegador Web (IP: 1.1.1.0) Servidor Web (IP: 1.1.1.1)

Nivel de enlace de datos y físico(Ethernet)

MAC dest.=80:C0:F6:A0:4A:B1, MAC orig..

IP destino=1.1.1.1, IP origen=1.1.1.0

puerto destino=80, tipo=solicitud conexión

Aceptamos conexiones al puerto 80

ServerSocket server(80);while(true){

server.accept(new_sock);new_sock >> solicitud;new_sock << páginaWeb;

Comenzamos bucle infinitoQuedamos a la espera de una conexión

ClientSocket socket(1.1.1.1,80);

El cliente solicita una conexiónEl nivel de transporte prepara mensaje de conexión… y se lo pasa al nivel de redEl nivel de red añade su cabecera …… y se lo pasa al nivel de enlace de datos.El nivel de enlace añade su cabecera …… y lo transmite utilizando el nivel físico.El nivel de enlace destino verifica cabecera …… la elimina y pasa el resto al nivel de red.

MAC dest.=80:C0:F6:A0:4A:B1, MAC orig..

IP destino=1.1.1.1, IP origen=1.1.1.0

El nivel de red verifica su cabecera …… la elimina y la pasa al nivel de transporte.

puerto destino=80, tipo=solicitud conexión

Verifica que una aplicación atiende el puerto 80.

puerto destino=999, tipo=acepto conexión

Se contesta con un mensaje aceptando conexión.Que es mandado a través del nivel de red.Cuando llegue al cliente… ¡Conexión establecida!

medio físico

Transferencia HTTP – 2. transmisión

Socket << “ “;socket >> páginaWeb;//el navegador visualiza la páginasocket.close();

Nivel deAplicación(HTTP)

Nivel deTransporte(TCP)

Nivel deRed(IP)

Navegador Web (IP: 1.1.1.0) Servidor Web (IP: 1.1.1.1)

Nivel de enlace de datos y físico(Ethernet)

puerto destino=80, tipo=datos, n.sec.=1

ServerSocket server(80);while(true){

server.accept(new_sock);new_sock >> solicitud;new_sock << páginaWeb;

ClientSocket socket(1.1.1.1,80);

El cliente solicita enviar datosEl nivel de transporte añade su cabecera.… y se lo pasa al nivel de red

puerto destino=80, tipo=datos, n.sec.=1

medio físico

GET /pag.html

GET /pag.html

Llega al nivel de transporte de la máquina destinoVerificamos la cabecera y ……pasamos los datos a la aplicación del puerto 80.

Comunicación de X a Y pasando por 3 routers

Resumen Arquitectura TCP/IP

Nivel Protocolo Servicio

Aplicación HTTP Permite el intercambio de datos entre un navegador y un servidor web.

Transporte TCP Cualquier aplicación podrá intercambiar información con otra de forma fiable.

Red IP Nos permite el intercambio de paquetes entre dos ordena-dores, de forma no fiable.

Enlace de datos y físico

Ethernet Dos ordenadores conectados a una misma LAN podrán intercambiar paquetes.

¿Qué hemos aprendido?

• Concepto de telemática• Modalidades de transmisión• Topologías de red• Diferencia entre una red de conmutación de paquete y de circuito• Concepto de Arquitectura de protocolos (interfaces y protocolos)• La arquitectura TCP/IP (Objetivo y funciones de cada capa)• La red de área local Ethernet (direcc. MAC, colisiones, switch, … )• El protocolo IP (direcc. IP, encaminamiento , routers,…)• El protocolo TCP (número de puerto, tamaño de ventana, …)• El protocolo HTTP (en sus dos versiones)• Flujo de los datos a través de los niveles

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