Introducción a las redes de computadoras (Ingeniería Telemática)

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INTRODUCCIÓN A LAS REDES DE COMPUTADORES 1 REDES DE COMPUTADORES TEMA 1 INTRODUCCIÓN A LAS REDES DE COMPUTADORES

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INTRODUCCIÓN A LAS REDES DE COMPUTADORES1

REDES DE COMPUTADORES

TEMA 1

INTRODUCCIÓN A LAS REDES DE COMPUTADORES

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INTRODUCCIÓN A LAS REDES DE COMPUTADORES

1.- Un modelo para las comunicaciones1.1.- Modelo para las comunicaciones de datos1.2.- Problemática de la comunicación de datos1.3.- Definición de telemática. Evolución

2.- Comunicación de datos a través de redes2.1.- Objetivos de las redes de computadores2.2.- Estructura y clasificación de las redes

3.- Protocolos y arquitectura de protocolos3.1.- Modelo de tres capas3.2.- La arquitectura de protocolos TCP/IP3.3.- El modelo OSI

4.- Normalizaciones4.1.- Organizaciones de normalización

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1.- Un modelo para las comunicaciones

• Objetivo de un sistema de comunicaciones:– Intercambiar información entre dos entidades

Fuente Transmisor

Sistema origen

Sistema de transmisión Receptor Destino

Sistema destino

(a) Diagrama general de bloques

Estación de trabajo Modem Red pública de teléfonos Modem Servidor

(b) Ejemplo

Elementos:FuenteTransmisorMedio de transmisiónReceptorDestino

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Modelo simplificado para las comunicaciones de datos

Texto

Cadena de bits Señal analógica

Señal analógica

Información de entrada

m

Datos de entrada

g(t)

Señal transmitida

s(t)

Señal recibida

r(t)

Datos de salida g’(t)’

Información de salida

m’

FuenteTrans-misor

Sistema de trans-misión

Receptor Destino

Cadena de bits

Texto

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Problemática de la comunicación de datos

• Trabajar con un ordenador aislado– No hay problema de comunicación

• Surge la necesidad de comunicarse con otro ordenador para compartir información y recursos de manera sencilla y eficiente

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Problemática de la comunicación de datos

• ¿Qué medio de transmisión utilizar?– Cable metálico– Fibra óptica– Radio

• ¿Qué tipo de señal y modulación?– Analógica

• AM, FM, PM

– Digital: varios tipos de codificación digital• Manchester, manchester diferencial• Bipolar RZ• Bipolar NRZ

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Problemática de la comunicación de datos

• ¿Cómo es la transmisión?– simplex– half-duplex– duplex

• ¿Quién tiene preferencia para transmitir?– Hay un maestro y esclavos– Todos la misma

• ¿Qué sucede si los dos equipos quieren transmitir al mismo tiempo?– Se produce colisión

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Problemática de la comunicación de datos

• ¿Qué sucede si un equipo transmite a distinta velocidad que otro?

• Hay que realizar un control de flujo entre emisor y receptor

Línea de transmisión a 10Mbps

Proceso emisor8Mbps, máximo

Proceso receptor5Mbps, máximo

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Problemática de la comunicación de datos

• ¿Se producirán errores en la transmisión?– Errores debido a

• Ruidos térmicos• Ruidos inducidos, por relés o ecos• Interferencias en radioenlaces• Pérdidas de sincronismo en transmisiones digitales

• ¿Cómo detectar los errores?– Añadir información redundante , CRC, bit de paridad

• ¿Cómo tratar los errores?– Corregirlos en el receptor– Pedir la retransmisión al emisor– Si hay muchos errores anulo la comunicación

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Problemática de la comunicación de datos

• Ampliar el sistema y unir todos los ordenadores de un edificio– Red de área local (LAN)

Estación 11

Estación1

Estación 10

Estación2

Estación 12

Estación 20

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Problemática de la comunicación de datos

• ¿Cómo será la topología de la red?– Estrella, bus anillo, matriz de conmutación ...

• ¿Cómo acceder a un medio compartido sin problemas de colisión?– Testigo– MDF– MDT– Aloha– CSMA

• ¿Cómo indico a quién van dirigidos los datos?– Direcciones de enlace

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Problemática de la comunicación de datos

• Comunicar LAN’s de otras sucursales que hay repartidas por todo el mundo

WAN: Wide Area NetworkLAN: Local Area Network

WANLAN

LANLAN

LAN

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• Muy costoso y problemático montar una red propia a nivel mudial

• Hay redes de área extendida (WAN) instaladas– Solución: Conectarse a ellas

• ¿Cómo enviar una gran cantidad de datos de forma eficiente?– Dividir los mensajes en paquetes

• Problema de establecer un sistema de direccionamiento único a nivel mundial (ISO)

Problemática de la comunicación de datos

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Problemática de la comunicación de datos

• ¿Cómo viajan los datos por la red de unos nodos a otros?– Almacenamiento y reenvío– Algoritmos de encaminamiento

• Una red está compuesta por muchos nodos interconectados entre sí que controlan el tráfico de datos. Estos nodos reciben datos, los almacenan y los retransmiten al nodo vecino que consideren más oportuno según sea el destino de los datos, utilizando para ello un algoritmo de encaminamiento

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Problemática de la comunicación de datos

• ¿Qué sucede si un nodo se satura o se cae?– Evitar bloqueo de la red– Proveer mecanismos para que los datos lleguen íntegros

• ¿Tiene la red capacidad de adaptarse dinámicamente a los cambios de tráfico en sus distintos puntos?– Algoritmos de encaminamiento fijo – Encaminamiento adaptativo dinámicamente

• Exigir a la red que proporcione una calidad mínima de servicio en la comunicación– Retardo de los datos, tasa de error ...– Si no la puede proporcionar no hay comunicación

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Problemática de la comunicación de datos

• Pagar por utilizar los servicios de la WAN– Tarificación

• ¿Qué seguridad pueden tener los datos transmitidos?– Evitar lecturas por personal no autorizado

• Algoritmos de codificación– Detectar posibles adulteraciones de los datos– Poder enviar documentos firmados digitalmente

• Firma digital: Utilizando datos cifrados con clave privada el receptor descifra con clave pública

• ¿Se pueden comunicar dos equipos que tengan distintas formas de representar o guardar los datos en memoria (PC y MAC)?– Conversión de datos a una sintaxis común

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Problemática de la comunicación de datos

• ¿Se pueden interconectar redes distintas?– Repetidores, puentes (bridge), routers, gateways...

• ¿Qué aplicaciones proporcionan las redes?– Correo electrónico: texto, voz, imágenes– Acceso a bases de datos o videotex, reservas, transferencias,

consultas– Transferencia de archivos– Terminal virtual– Servicio de directorio– Servidores de noticias– Diarios electrónicos– Servidores de archivos

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Tareas en los sistemas de comunicación

• Utilización del sistema de transmisión• Implementación de la interfaz• Generación de la señal• Sincronización• Gestión del intercambio• Detección y corrección de errores• Direccionamiento y encaminamiento• Recuperación• Formato de mensajes• Seguridad• Gestión de red

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Definición de Telemática

• Ciencia-Ingeniería de la interoperación entre procesos para la accesibilidad remota y distribución de la información codificada utilizando sistemas de telecomunicación– Ciencia: conocimiento cierto de las cosas por sus

principios y causas– Ingeniería: conjunto de conocimientos y técnicas que

permiten aplicar el saber científico a la utilización de la materia y de las fuentes de energía mediante invenciones útiles para el hombre

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Evolución

• Importancia de conocer la evoluciónPunto 1:• Utilización sistemática comienza en los años 60

(2ª generación, ordenadores a transistores), el coste de los ordenadores pasa de prohibitivo a carísimo

• Aparecen los terminales de pantalla, dispositivos de almacenamiento de acceso directo, los controladores de comunicaciones, y los ordenadores de tipo mini.

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Evolución

• Son soluciones privadas, monofunción y centralizadas: la tarea consiste en concentrar y distribuir desde o hacia un solo punto. Aparece la RETD (Red Especial de Transmisión de Datos) en España

• Se trata de obtener mayor rendimiento de las líneas de comunicaciones por lo que aparecen dispositivos que van aportando más inteligencia a la red (multiplexores,controladores,concentradores ...)

• Se usan en aplicaciones militares, bancos, líneas aéreas, (incluso con varias redes de concentración solapadas)

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Evolución

Punto 2:• Aparece en los años 70 ARPA (Advanced Research

Project Agency) en un entorno académico con patrocinio militar para experimentar conceptos teóricos de redes de ordenadores:– proceso distribuido,– teoría e implementación de protocolos,– control de flujo,– métodos de encaminamiento,– optimización topológica,– conectividad,– soporte de caídas,– uso de minis, etc.

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Evolución

• Introduce la idea de un mensaje muy corto (paquete), dando lugar a la conmutación de paquetes entre nodos

• Aproximadamente en el 75 se anuncian los servicios públicos de conmutación de paquetes– Datapac, Transpac, Datanet

• En España, fácil cambio a Iberpac• Había tantos modos de organizar como fabricantes

y máquinas (con incompatibilidades incluso entre misma marca)

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Evolución

Punto 3:• Entre 75-85 aparecen múltiples normas de organismos

públicos (CCITT, IEEE, ISO), por ejemplo las normas del CCITT sobre equipos (V), sobre redes públicas (X) y servicios telemáticos de teletex, videotex y telefax

• Surge la idea de arquitecturas estratificadas debido a los cambios tecnológicos y sociales que aumentan la complejidad y requieren una racionalización para armonizar diseños, modelos, comportamientos y operaciones.

• Se trata de aislar y clasificar las funciones según su aproximación al usuario o al medio de transmisión.

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Evolución

• Entre dos sistemas remotos hay funciones homólogas que pertenecerán al mismo nivel y aparecen interfaces entre niveles adyacentes que permiten sustituciones sencillas

• Aparecen SNA (IBM) y DECNET (Digital)• Aparece documento IS 7498 de OSI en el 84 para

la interconexión de sistemas heterogéneos y a continuación el CCITT lo llama X.200

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Evolución

Punto 4:• Comienza a extenderse el uso de fibra óptica• Hay una gran demanda de comunicaciones

globales (internetworking) de grandes prestaciones (multimedia)

• Por un lado hay una gran difusión de redes locales, y por otro se busca la integración total de las comunicaciones con la RDSI (ISDN), el sistema GSM de telefonía móvil y las redes Frame Relayy ATM

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2.- Comunicación de datos a través de redes

• Normalmente no es práctico la conexión mediante un enlace punto a punto:– Los dispositivos están muy alejados.– Muchos dispositivos necesitarían un gran número de conexiones

no prácticas.

• La solución es conectar cada dispositivo a una red de comunicación

• Red de computadoras: conjunto de ordenadoresautónomos interconectados– Autónomos: no necesitan de ningún otro ordenador para operar– Interconectados: intercambio de información

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Objetivos de las redes de computadores

• Compartición de recursos– Archivos, datos, programas, CPU

– Independencia localización usuario y recurso

• Alta fiabilidad– Duplicidad de ficheros

– Fallos en una CPU

– Copias de seguridad

• Ahorro

•Expandibilidad

•Medio de comunicación

•Acceso remoto a información

•Comunicaciones interpersonales– Aspectos sociales: “free speech”

•Diversión interactiva

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Estructura y clasificación de las redes

• Criterios de clasificación:– Por tecnología de transmisión– Por escala

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Por tecnología de transmisión

• Redes multidifusión ( broadcast)– Canal común compartido por varios ordenadores– La información se divide en paquetes

• Información sobre destino en cada paquete• Broadcasting: mensajes a todos los ordenadores• Multicasting: ídem a varios simultáneamente

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Por tecnología de transmisión

• Redes punto a punto ( point-to-point)– Conexiones entre pares de ordenadores– Para alcanzar el destino los paquetes deben pasar por

máquinas intermedias– Almacenamiento temporal de los paquetes en los nodos

intermedios

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Nodos decomuni-cación Red de área

amplia

Sistema destinoSistema origen

Fuente Trans-misor

Sistematransmi-sión

Receptor Destino

Red de área local

Por escala

• LAN : Redes locales• MAN: Redes metropolitanas• WAN: Redes de área extensa

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Por escala

• Redes de área amplia (WAN, Wide Area Network)• Elementos:

– hosts: conjunto de máquinas de usuario– subred (de comunicación): elementos de comunicación

entre los hosts• Separación subred-host(simplicidad de diseño)• Elementos:

• Líneas de transmisión• Elementos de conmutación(IMP)

• Datos almacenadostemporalmente en IMP• Algoritmo de encaminamiento

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Red de área amplia

• Extensa área geográfica.• Requiere atravesar rutas de acceso público.• Utiliza parcialmente circuitos proporcionados por

proveedores de servicios de telecomunicación. • Se ha implementado con otras tecnologías:

– Conmutación de circuitos.– Conmutación de paquetes.– Retransmisión de tramas.– Modo de Transferencia Asícrono (ATM).

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Conmutación de circuitos

• Camino de comunicaciones dedicado a la interconexión de dos estaciones.

• Ejemplo: la red telefónica.

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Conmutación de paquetes

• Datos enviados en secuencias.• Pequeñas unidades (paquetes) de información. • Los paquetes se pasan de nodo a nodo entre la estación

origen y la destino. • Se usa para comunicaciones terminal-computador y

computador-computador.

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Retransmisión de tramas

• Para compensar los errores, se utiliza la información redundante y el procesamiento asociado en los esquemas de conmutación.

• Los sistemas actuales de comunicaciones son más fiables.

• Los errores se pueden tratar en el sistema final.• Casi toda la información redundante y el

procesamiento asociado se eliminan con el control de errores.

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Modo de Transferencia Asíncrono

• ATM• Evolución de la retransmisión de tramas. • Introduce poca información adicional para el control

de errores.• Paquetes de longitud fija (denominadas “celdas”).• Velocidades de transmisión del orden de 10 a 100

Mbps, e incluso Gbps.• El ATM ofrece un canal a velocidad de transmisión

constante, aunque utilice una técnica de conmutación de paquetes.

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Red digital de servicios integrados

• RDSI• Diseñada para sustituir a las redes públicas de

telecomunicaciones.• Gran variedad de servicios. • Dominio digital en su totalidad.

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Redes de área local

• Cobertura pequeña:– Típica de edificios o conjunto de edificios próximos.

• Normalmente pertenece a la entidad propietaria de los dispositivos conectados a la red.

• Mayor cantidad de transmisión de datos. • Utilización de sistemas de difusión. • Reciente introducción de sistemas de conmutación

y ATM.

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• Redes de dimensiones reducidas

• Necesitan de un mecanismo de control de acceso al medio (MAC, Medium Access Control)

• No se usan mecanismos de interconexión de redes ni nodos intermedios

Redes de área local

Características:–Tamaño: Tiempo máximo de transmisión conocido–Medio de transmisión: cable común (multidifusión)–Topología en bus o en anillo

WAN

LANLAN

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3.- Protocolos y arquitectura de protocolos

• Se utilizan para la comunicación entre entidades de sistemas diferentes

• Se requiere que “hablen el mismo idioma”• Protocolo: Conjunto de reglas que gobiernan el

intercambio de información entre dos entidades– Entidades:

• Aplicaciones para usuarios• Correo electrónico• Terminales

– Sistemas:• Computador• Terminal• Sensor remoto

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Puntos clave de un protocolo

• Sintaxis:– Formato de los datos.– Niveles de señal.

• Semántica:– Información de control.– Manejo de errores.

• Temporización:– Sintonización de velocidades.– Secuenciación.

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Arquitectura del protocolo

• Tarea de comunicación dividida en módulos• Arquitectura de protocolos: Estructura formada

por el conjunto de módulos que realizan las funciones de comunicación entre entidades

• Por ejemplo: la transferencia de archivos podría utilizar tres módulos: – Aplicación para la transferencia de archivos.– Módulo del servicio de comunicaciones.– Módulo de acceso a la red.

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Arquitectura simplificada para la transferencia de archivos

Computador X Computador Y

Aplicación para la transferencia de archivos

Módulo del servicio de comunicaciones

Módulo de acceso a la red

Aplicación para la transferencia de archivos

Módulo del servicio de comunicaciones

Módulo de acceso a la red

Archivos y órdenes para la transferencia de archivos

Unidades de datos relacionadas con la comunicación

Red de comunicaciones

Lógica de la interfaz de la red

Lógica de la interfaz de la red

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Un modelo de tres capas

• Las cominicaciones involucran a tres agentes:– Aplicaciones– Computadores– Redes

• Organizar tarea en tres capas o niveles:

Capa de aplicación

Capa de transporte

Capa de acceso a red

Computador X Computador Y

Aplicación

Transporte

Acceso a la red

Aplicación

Transporte

Acceso a la red

Protocolo de Aplicación

Protocolo de Transporte

Red de comunicaciones

Protocolo de acceso a la red

Protocolo de acceso a la red

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Capa de acceso a la red

• Intercambio de datos entre el computador y la red a la que está conectado.

• El computador emisor proporciona a la red la dirección de destino.

• El computador emisor puede necesitar ciertos servicios proporcionados por la red

• Depende del tipo de red que se use (LAN, conmutación de paquetes, etc.).

• Resto de software de comunicaciones por encima de la capa de acceso a la red no tendrá que ocuparse de las características específicas de la red

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Capa de transporte

• Intercambio de datos de una manera segura– Todos los datos llegan a la aplicación destino– Mismo orden en que fueron enviados

• Independiente de la red que se use• Independiente de la naturaleza de las aplicaciones• Capa común compartida por todas las aplicaciones

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Capa de aplicación

• Admite varias aplicaciones de usuario• Para cada tipo de aplicación se necesita un

módulo independiente• Ejemplo: correo electrónico, transferencia de

ficheros

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Redes y arquitecturas de protocolos

Aplicación

Transporte

Acceso a la red

Aplicación

Transporte

Acceso a la red

Red de comunicaciones

----()-----()------()----

---()----()----()---()---

Aplicación

Transporte

Acceso a la red

-----()--------()------

Punto de acceso al servicio (SAP: Service Access Point)

Dirección de red

Dos niveles de direccionamiento

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Protocolos en una arquitectura simplificada

Computador X Computador Y

Aplicación

Transporte

Acceso a la red

Aplicación

Transporte

Acceso a la red

Protocolo de Aplicación

Protocolo de Transporte

Red de comunicaciones

Protocolo de acceso a la red

Protocolo de acceso a la red

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Unidades de datos de los protocolos (PDU: Protocol Data Unit)

• En cada capa, se utilizan protocolos para la comunicación

• Se añade información de control a los datos del usuario en cada capa

• La capa de transporte puede fragmentar los datos del usuario.

• Cada fragmento tendrá una cabecera de transporte:– SAP destino– Número de secuencia de las PDU de transporte– Código de detección de errores

• Resultado: una unidad de datos de transporte de protocolos

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PDU de acceso a la red

• Añade la cabecera de acceso a la red:– La dirección del computador destino. – Solicitud de recursos.

Datos de aplicación

PDU de transporte

Cabecerade transporte

Cabecerade transporte

Cabecerade red

Cabecerade red

PDU de red(paquetes)

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Funcionamiento de una arquitectura de protocolos

Origen X Destino Y

Aplicación

Transporte

Acceso a la red

Aplicación

Transporte

Acceso a la red

Registro Registro

DSAP

DHost

DSAP

DHost

Paquete

PDU de transporte

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La arquitectura de protocolos TCP/IP

• Desarrollada por la red experimental de conmutación de paquetes (ARPANET), financiada por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada para la Defensa (DARPA).

• Se han erigido como estándares de Internet.• No existe un modelo oficial, pero sí funcional:

– Capa de aplicación.– Capa origen-destino o de transporte.– Capa Internet. – Capa de acceso a la red.– Capa física.

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Capa física

• Interfaz física entre el dispositivo de transmisión de datos (por ejemplo: el computador) y el medio de transmisión o red.

• Especificación de las características del medio de transmisión.

• La naturaleza de las señales.• La velocidad de datos.• Y cuestiones afines.

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Capa de acceso a la red

• Intercambio de datos entre el sistema final y la red a la que se está conectado.

• Debe proporcionar a la red la dirección del destino.

• Implica ciertos servicios, como solicitar una determinada prioridad.

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Capa Internet (IP)

• Los dispositivos pueden estar conectados a redes diferentes.

• Encaminamiento a través de varias redes.• Este protocolo se implementa tanto en los sistemas

finales y como en los “routers” intermedios.

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Capa de transporte (TCP)

• Intercambio de datos de forma segura.• Los datos llegan al destino en el mismo orden en

el que fueron enviados.

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Capa de aplicación

• Posibilita las distintas aplicaciones de usuario.• Ejemplo: http, SMPT

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Modelo de arquitectura de protocolo

Sistema origen Sistema destino

Fuente Trans-misor

Sistema de

transmi-sión

Receptor Destino

Aplicación

TCP

IP

Acceso a la red

Físico

Red

Aplicación

TCP

IP

Acceso a la red

Físico

Sistema origen Sistema destino

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El modelo OSI

• Open Systems Interconnection.• Desarrollado por la Organización Internacional de

Estandarización (ISO).• Considera siete capas.• El modelo de siete capas en su conjunto no ha

prosperado.• Por el contrario, la arquitectura TCP/IP se ha

erigido como dominante.

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Capas de OSI

• Aplicación.• Presentación.• Sesión.• Transporte.• Red.• Enlace de datos.• Física.

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Comparación entre las arquitecturas TCP/IP y OSI

OSI TCP/IP

Aplicación

PresentaciónAplicación

Sesión

Transporte

Transporte origen-destino

Red

Enlace de datos

Internet

Acceso a la red

Física Física

Hardware

Firmware

Software

Capas del usuario

Sistema operativo

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Normalizaciones

• Necesario para conseguir la interoperabilidad entre equipos.

• Ventajas:– Asegura un gran mercado de equipos y software. – Permite que los productos de diferentes fabricantes se

comuniquen.

• Desventajas:– Tienden a congelar la tecnología.– Pueden existir varios estándares para una misma

función.

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Organizaciones de normalización

• Organizaciones más importantes de normalización– IEFT: Internet Engineering Task Force

• Responsable del desarrollo e ingeniería de los protocolos

– ISO: International Organization for Standardization• Agencia internacional para el desarrollo de normalizaciones

– ITU-T: International Telecommunications Union(antes CCITT)

• Estudiar y definir recomendaciones de cuestiones técnicas, tecnológicas, de operación y tarificación para normalizar las telecomunicaciones a nivel mundial

– El Forum ATM• Acelerar el procedimiento de elaboración de normas para ATM