Introducción a las redes de computadores

M.Sc. Carlos Eduardo Gómez M. M.Sc Luis Eduardo Sepúlveda R.�

•  Describir el funcionamiento general de una red de computadores. •  Entender la necesidad de dividir por capas la problemática de la

transmisión de datos. •  Conocer la terminología básica. •  Conocer los medios de transmisión de datos más comunes

actualmente. •  Analizar el tiempo de transmisión y de propagación de los datos a

través de los diferentes medios de transmisión.

John Gage Jefe de investigación y Vicepresidente de Sun Microsystems. Actualmente retirado de la compañía.

Red de computadores: Es una colección de computadores autónomos conectados de alguna forma los cuales pueden compartir recursos.

Terminología básica

Intranet: •  Es una abstracción de Internet en un contexto

privado. •  No está limitada a una red de área local (LAN)

aunque es el caso más común.


Sistema distribuido: •  Es una colección de computadores

independientes que aparecen ante los usuarios como si fuera un sistema único y coherente.

•  El sistema distribuido implica la existencia de

una red de computadores subyacente. •  Una red de computadores no implica la

existencia de un sistema distribuido.


Host: •  Es cualquier dispositivo en una red que presta o

consume servicios. •  En general, se llama host a un servidor o a

cualquier computador conectado a la red.


Broadcast: •  Es la acción de enviar datos a todos los hosts

conectados a la red. •  El conjunto de hosts que es susceptible de ser

destinatario de un mismo mensaje broadcast se denomina dominio de broadcast.


Hub: •  Es un dispositivo que se utiliza para regenerar la

señal y de este modo extender la distancia máxima permitida.

•  Permite además la conexión de un número

determinado de hosts. •  No tiene la capacidad de analizar la información

que transmite por lo que envía los datos a todos los hosts conectados.


Switch: •  Permite conectar un número determinado de

hosts. •  Realiza control de los datos que transmite “tratando” de entregar los datos únicamente al destinatario.


Router: •  Permiten conectar dos o más redes. •  Es el encargado de pasar la información de una

red a otra. •  No retransmite los mensajes broadcast, lo que

establece límites a los dominios de broadcast.


Estándar: •  Es un conjunto de especificaciones técnicas

utilizadas para unificar el desarrollo de servicios, aplicaciones, protocolos, etc.

•  Existen comunidades que se encargan de

coordinar su creación y evolución, por ejemplo ISO, IEEE, ACM, IETF, Icontec, etc.


RFC •  Request for coments (Solicitud de

comentarios). •  Son documentos públicos que especifican un

protocolo con la idea de dar participación a la comunidad durante el proceso de creación.

•  Por ejemplo, el RFC2616 corresponde al

protocolo HTTP versión 1.1.

Las redes son complejas

•  Las redes de computadores son complejas, en particular porque tienen muchos componentes de distintos fabricantes y de distintas tecnologías que deben ser articulados para trabajar en conjunto.

•  Se componen de computadores, equipos de

interconexión, medios de transmisión, protocolos de comunicación y aplicaciones, entre otros componentes.

Las redes son complejas

•  Debido a que existen muchas funcionalidades que deben ser realizadas, algunas de ellas se pueden independizar para facilitar el mantenimiento y la actualización.

•  Cuando las funcionalidades relacionadas se agrupan se

forman capas que se pueden manejar por separado. •  De este modo, un cambio en una capa es transparente

para las demás.

Modelo de referencia OSI

•  Capa de Aplicación: Soporta las aplicaciones necesarias para los usuarios.

•  Capa de presentación: Maneja la sintaxis y la semántica de la información transmitida.

•  Capa de sesión: Controla y sincroniza el diálogo entre el origen y el destino de la comunicación.

•  Capa de Transporte: Permite la transferencia de datos un host a otro.

•  Capa de Red: Enrutamiento de paquetes del origen al destino.

•  Capa de Enlace de datos: Permite la transferencia de datos entre vecinos.

•  Capa Física: Maneja e interpreta los bits en el medio de transmisión.

Modelo de referencia TCP/IP, la pila de protocolos de Internet

•  Capa de Aplicación: Soporta las aplicaciones de Internet (FTP, SMTP, HTTP, ...).

•  Capa de Transporte: Permite la transferencia de datos un host a otro usando los protocolos TCP y UDP.

•  Capa de Red: Enrutamiento de paquetes del origen al destino usando el protocolo IP y los protocolos de enrutamiento.

•  Capa de Enlace de datos: Permite la transferencia de datos entre vecinos usando protocolos como Ethernet y WiFi.

•  Capa Física: Maneja e interpreta los bits en el medio de transmisión.

¿Cómo estudiar las redes de computadores?

Hay dos formas ampliamente conocidas para estudiarlas:

•  De los bits a los mensajes (de abajo hacia arriba). Es

aburrido porque se requiere imaginación todo el tiempo para entender lo que vamos estudiando.

•  De los mensajes a los bits (de arriba hacia abajo). Es

partir de las aplicaciones con las que estamos familiarizados. Se crean algunos vacíos que se van llenando a lo largo del curso.

Comunicación por capas

•  Cada capa implementa las funciones en cada nodo.

•  Cada nodo ejecuta

acciones e intercambia mensajes con sus capas equivalentes.

Comunicación lógica

•  Aplica para cada capa. •  Por ejemplo, la capa de

transporte: o  Toma los datos de la capa de

aplicación. o Adiciona información necesaria

para la correcta entrega en el destino y para garantizar la confiabilidad.

o Envía los datos a la capa de transporte en el destino.

o Espera un reconocimiento (ACK). o Analogía: El sistema de correo

certificado.

Comunicación física

Encapsulación

¿Qué es Internet?

Internet: • Es la red de redes. • En Internet se conectan diferentes redes formadas por diferentes clases de dispositivos, no solo computadores. • Las redes conectadas a Internet son completamente heterogéneas, soportando hardware, software y medios de transmisión distintos.

¿Qué es Internet?

Es un conjunto de: •  Millones de computadores que pertenecen a una red,

conectados. Estos computadores ejecutan aplicaciones de red y son llamados hosts.

•  Enlaces de comunicación que conectan las redes a las cuales se conectan los hosts. Estos enlaces pueden ser de diferentes medios de transmisión de datos con diferentes propiedades de ancho de banda y capacidad de transmisión.

•  Enrutadores que reenvían paquetes (fragmentos de datos).

•  Los protocolos de Internet que controlan el envío y recibo de mensajes.

¿Qué es Internet?

•  Internet es una infraestructura que permite la ejecución de aplicaciones distribuidas como la Web, el correo electrónico, los juegos en red, el comercio electrónico y los servicios de archivos compartidos, entre otros.

•  Internet ofrece a las aplicaciones el servicio de

entrega confiable o no confiable de datos desde el origen hasta el destino, a través de un servicio de entrega de paquetes.

¿Qué es un protocolo?

•  Un protocolo es un acuerdo entre las partes que se comunican.

•  Toda comunicación está gobernada por los protocolos. •  Tiene que estar previsto todo, incluyendo lo que puede

salir mal, para saber qué hacer en cada caso.


•  Las máquinas tienen que tener todo completamente definido.

o El formato de los mensajes. o El significado de cada bit. o  Las acciones que se ejecutan para la transmisión y recepción

de cada mensaje.

•  Los protocolos son la parte más importante de este curso.


•  Las personas también usamos algunos protocolos en nuestra vida cotidiana.

•  Por ejemplo:

o Tomar el bus. o Preguntar la hora. o Registrar una asignatura en la universidad.


Hola

Hola

Qué hora tienes?

2:00

TCP connection request TCP connection response

<file> tiempo

La parte externa de Internet (edge)‏

•  Hosts y dispositivos. •  Medios físicos de acceso a

la red.

La parte interna de Internet (core)‏

•  Es una red de routers conectados.

•  Actualmente los datos son enviados en forma de paquetes (fragmentos), a veces por caminos diferentes.

•  Es similar al sistema de correo postal.

Hosts

•  Ejecutan aplicaciones:

o Web. o Correo electrónico. o  Transferencia de archivos. o Chat y mensajería instantánea. o Sistemas de archivos compartidos.

•  Pueden ser servidores, computadores personales, celulares, impresoras de red, entre otros.

Clasificación de las redes de acuerdo a la distancia

TANENBAUM, A. Redes de computadoras. Cuarta edición. Prentice Hall. 2003.

Conexión a Internet

•  Acceso residencial.

•  Acceso empresarial.

•  Acceso personal.

•  Acceso público.

Medios físicos y acceso a la red

•  Mantenga en mente:

o Ancho de banda (Hz) o Capacidad de transmisión (bits por segundo - bps).

o ¿Compartido o dedicado?

Acceso residencial

•  Dial up (modem). •  xDSL (Digital Suscriber Line). •  HFC (Hybrid fiber coax). •  Wimax. •  Redes caseras (LAN ó WLAN). •  Redes ad hoc.

Acceso corporativo

•  Redes de área local (LAN ó WLAN). •  Routers. •  Enlaces WAN. •  Fibra óptica. •  Microondas. •  Enlaces satelitales. •  Enlaces celulares.

Acceso personal

•  A través del teléfono celular (red celular y WiFi).

•  InfraRojo.

•  Bluetooth.

Acceso público

•  Redes inalámbricas en “hot spots” (restaurantes, hoteles, aeropuertos, centros comerciales, …).

•  Redes en ciudades para ampliar la cobertura.

Otros medios de acceso

•  Cable coaxial

•  Fibra óptica

•  Microondas

•  Satélite

Cableado estructurado

¿Qué es? ¡  Un sistema de cableado estructurado es un

conjunto de dispositivos y cables que se instalan en un edificio o campus con el fin de permitir el montaje posterior de servicios de información, independientemente de su tecnología específica.


Características ¡  Permite identificar, reubicar, modificar y ampliar de forma

racional los equipos conectados.

¡  Es flexible, escalable, abierto y de fácil administración.

¡  Es eficiente, económico y optimiza el espacio físico.

¡  Permite integración de servicios como teléfono, fax, datos, audio, video, seguridad, etc. ‏

¡  Está basado en estándares.


Componentes ¡  Área de trabajo. ¡  Cableado horizontal. ¡  Cableado vertical. ¡  Cuarto principal de piso. ¡  Cuarto principal de edificio.


Limitaciones ¡  Existen distancias máximas entre centros de cableado. ¡  Dependen del medio físico y de algunas propiedades del

material utilizado. ¡  La más significativa es la distancia en el cableado

horizontal de 90 m desde el patch panel hasta el área de trabajo.

¡  Otras distancias como en backbone de un edificio (cableado vertical) o el backbone de un campus, puede ir desde 500 m hasta 3 Km dependiendo de la calidad de la fibra óptica.


Área de trabajo ¡  Va desde una toma de datos en la pared

hasta el computador del operario. ¡  Debe ser fácil de trasladar. ¡  El cable utilizado se denomina patch cord y

no debe ser de más de 3 m.


Cableado horizontal ¡  El cable que va tendido por dentro

de las canaletas. ¡  El o los patch panels. ¡  Los face plates (tomas de pared). ¡  Los patch cords (uno en el cuarto

de comunicaciones de piso y otro en el área de trabajo).

¡  Usualmente se configura una topología en estrella.

¡  El cuarto de comunicaciones en cada piso.


Cableado horizontal ¡  Manejo adecuado del cableado eléctrico para evitar

interferencias. ¡  No se debe cablear por debajo de alfombras. ¡  Máximo 90 metros de longitud en el cable. Se permiten 10

metros adicionales para cables de conexión. ¡  También se requiere un mínimo de 15 metros para

garantizar el transporte adecuado de la señal. ¡  Se recomienda el uso de cable estandarizado. El más

común es UTP 5E (100 MHz). Sin embargo, actualmente se pueden usar UTP 6, UTP 6a UTP 7.


Cableado vertical

¡  Comprende el cableado que se conecta a cada uno de los pisos dentro de una edificación.

¡  La función del cableado vertical es la interconexión de los diferentes cuartos de comunicaciones (backbone).

¡  Normalmente no es muy costoso, porque relativamente debe cubrir poca distancia, aunque el material (fibra óptica) es costoso al igual que la mano de obra especializada.


Cuarto principal de comunicaciones ¡  Son las conexiones que permiten enlazar dos o

más cuartos de comunicaciones de piso.

¡  Aquí se encuentra el punto de acceso al backbone del campus.

¡  Es un área de uso exclusiva dentro del edificio.


Backbone de Campus

¡  Incluye el cableado y

los equipos utilizados para conectar dos o más edificios dentro de un campus.


Administración

¡  Se debe proporcionar un esquema de administración uniforme.

¡  Debe ser independiente de las aplicaciones y la marca de los equipos.

¡  Debe estar debidamente documentado y si se realizan modificaciones, la documentación es necesario que se actualice.

¡  Se deben tener en cuenta factores ambientales como temperatura, humedad, higiene, de tal manera que se pueda garantizar el tiempo de vida del cableado.


Cable UTP

¡  Unshielded Twister Pair (Par trenzado no blindado)‏.

¡  Es vulnerable a la interferencia electromagnética.‏ ¡  Manejo e instalación sencillo, fácil y económico.

¡  La herramienta es fácil de conseguir, no es costosa y no se necesita entrenamiento especializados.


Cable UTP Categoría 3

¡  Soporta hasta 16 MHz para uso con transmisiones de voz y de datos de baja velocidad tipo asincrónicas, o aplicaciones de datos de velocidad media.

¡  Usado en Ethernet de 10 Mbps.


Cable UTP Categoría 4 ¡  Soporta hasta 20 MHz para uso con

transmisiones de voz y datos hasta 16 Mbps.

¡  No tuvo mucha aceptación y fue reemplazado rápidamente.


Cable UTP Categoría 5 ¡  Hasta 100 MHz para aplicaciones de

más de 100 Mbps.

¡  Aplicaciones de voz y redes LAN, con las velocidades requeridas para Fast Ethernet.

¡  Todavía cuenta con una muy amplia base instalada.


Cable UTP Categoría 5E

¡  Frecuentemente usado en redes Fast Ethernet de 100 Mbps y Gigabit Ethernet de 1000 Mbps.

¡  Diseñado para transmisión a frecuencias de hasta 100 MHz.

¡  Es el más usado en la actualidad.


Cable UTP Categoría 6

¡  Es un estándar de cables para Gigabit Ethernet.

¡  El estándar de cable es utilizable para 10BASE-T, 100BASE-TX y 1000BASE-TX (Gigabit Ethernet).

¡  Alcanza frecuencias de hasta 250 MHz en cada par.


Herramientas


Accesorios


Desempeño

•  Ideal: alta velocidad y sin pérdida de datos.

•  Realidad: hay limitaciones a la cantidad de datos que se pueden mover por unidad de tiempo (throughput), se introducen demoras entre los hosts (delay) y ocasionalmente se produce pérdida de paquetes (loss).

¡  Un paquete viaja de un host a otro atravesando nodos intermedios.

¡  En cada uno de ellos puede sufrir diferentes tipos de delay. §  Delay de procesamiento §  Delay por colas §  Delay de transmisión §  Delay de propagación

Delay

Delay de procesamiento

•  El tiempo requerido para examinar el encabezado de un paquete.

•  Incluye revisión de errores, de dirección de destino, reducción del TTL y reescritura de la suma de comprobación.

•  En los routers de alta velocidad el delay de procesamiento es del orden de los microsegundos o menos.

Delay por colas

•  Es el tiempo que debe esperar un paquete para ser transmitido por un enlace de salida.

•  Depende del tráfico que necesita salir por la misma línea de salida.

•  Si no hay más paquetes para enviar y la cola está vacía, este delay es cero.

•  Si hay muchos paquetes pendientes, este delay puede ser largo.

Delay de transmisión

•  Un paquete puede ser transmitido si ha sido almacenado completamente en el router.

•  Sea L la longitud del paquete en bits.

•  Sea R la velocidad de transmisión del enlace medido en bps (bits/seg).

•  El delay de transmisión es L/R.

•  Es la cantidad de tiempo requerida para inyectar (push) o transmitir todos los bits del paquete en el enlace.

•  Son del orden de los microsegundos o milisegundos.

Delay de propagación

•  Es la velocidad de propagación en el enlace de transmisión.

•  Es menor que la velocidad de la luz.

•  Puede variar entre 2x108m/seg y 3x108m/seg

•  Depende del medio físico.

•  Es la distancia entre los dos routers (d) dividido por la velocidad de propagación del medio (s), Dp = d/s.

•  En redes de área amplia es del orden de los milisegundos.

Delay de transmisión vs Delay de propagación

•  La diferencia es sutil pero importante.

•  El delay de transmisión no tiene nada que ver con la distancia entre los enlaces.

•  El delay de propagación no tiene nada que ver con la longitud del paquete o con la velocidad de transmisión del enlace.

End-to-end delay

•  Es la suma de los delay de procesamiento, de colas, de transmisión y de propagación.

•  Los diferentes delays dependen del tipo de redes, de los medios de transmisión utilizados, de la capacidad de los enlaces, del tráfico y de la distancia entre los enrutadores.

Delay de transmisión

•  Cuánto tarda el envío de un archivo de 640.000 bits de un host A a un host B a través de un enlace de 1,6 Mbps?

•  Delay = L/R

•  L = 640.000 bits

•  R = 1.600.000 bits/seg

•  Solución: Delay = 400 mseg

Store and forward

•  Toma L/R segundos transmitir (poner en el cable) un paquete de L bits en un enlace de R bps.

•  Store and forward: Todo el paquete debe llegar al router antes que pueda ser retransmitido por el siguiente enlace.

•  Delay = 3L/R, sin considerar delay de propagación •  Ejemplo: •  L = 7.5 Mbits; R = 1.5 Mbps •  Delay de transmisión:

3L/R = 3*7.5 Mbits / 1.5 Mbps = 15 seg

Segmentación de mensajes

Con base en el ejemplo anterior:

•  Dividamos el mensaje en 5.000 mensajes más pequeños.

•  Cada paquete mide 1.500 bits.

•  Se necesita L/R = 1 mseg para transmitir cada paquete.

•  Pipelining: Cada enlace trabaja en paralelo.

•  El delay se reduce de 15 seg a 5,002 seg.

ISP y backbone de Internet

•  ISP: Proveedor de acceso a Internet.

•  Los ISP son jerárquicos. •  Los ISP que prestan el

servicio residencial están en el nivel más bajo.

•  El nivel mayor consiste en TIER-1 ISP (el backbone de Internet).

•  Tienen enlaces de alta velocidad.

•  Forman una red totalmente interconectada.

•  Están conectados a muchos TIER-2.

•  Sprint, Verizon, AT&T. •  Un ISP proporciona el punto

de acceso a otros ISP (POP Point of presence).

•  Un POP es uno o más routers en la red del ISP en donde otros routers de otros ISP pueden conectarse.

•  TIER-2 pueden tener cobertura nacional.

Backbone de Internet


ARCOS

Rutas y delay en Internet

Tracert (Traceroute) •  un programa que mide el delay end-to-end en Internet y

recupera la ruta por la cual es enviado un paquete.

•  Envía tres paquetes a cada enrutador intermedio, para tener tres medidas diferentes.

•  Si en alguno de los tres intentos no tiene respuesta, no registra esa medida.

•  Cuando hay una diferencia significativa entre las tres medidas, es muestra que algo ha ocurrido.

Rutas y delay en Internet

Ping:

•  Es un programa que permite comprobar el estado de la conexión con uno o varios equipos remotos.

•  Utiliza paquetes de solicitud de eco y de respuesta de eco (ambos definidos en el protocolo de red ICMP).

•  Es útil para diagnosticar los errores en redes o enrutadores IP.

Traceroute - Tracert

•  Es una herramienta de diagnóstico de redes que permite seguir la pista a los paquetes que van de un host a otro.

•  Permite obtener estadísticas de la velocidad de transmisión de los paquetes.

•  Este programa utiliza el campo TTL del datagrama IP.

•  Cuando un router elimina el paquete, envía un mensaje de regreso al host origen.

Perdida de paquetes (loss)‏

•  Las colas en los enrutadores (buffers) tienen tamaño limitado.

•  Cuando un paquete llega y encuentra la cola llena, el paquete es descartado (perdido).

•  Un paquete perdido puede ser retransmitido por el nodo anterior.

Ejercicios

•  ¿Cuánto tiempo toma un paquete de 1.000 bytes en propagarse sobre un enlace de 2.500 Km de longitud, a una velocidad de 2.5 x 108 m/seg y una velocidad de transmisión de 2 Mbps?

En los siguientes problemas, suponga que estamos enviando

un archivo mp3 de 30 Megabits, de un host origen a un host destino. Todos los enlaces en la ruta del origen al destino tienen una velocidad de transmisión de 10 Mbps. Asuma que la velocidad de propagación es de 2 x 108 m/seg, y que la distancia entre la fuente y el destino es de 10.000 Km.

Delay de transmisión = tamaño del paquete / velocidad de transmisión. Delay de propagación = longitud del enlace / velocidad de propagación del medio.

Ejercicios

•  Inicialmente suponga que solo hay un enlace entre la fuente y el destino y que el mensaje consiste en el archivo mp3 completo. Calcule el delay de transmisión.

•  Con referencia a la pregunta anterior, calcule el delay end-to-end (delay de transmisión + delay de propagación).

•  Con referencia a la pregunta anterior, calcule la cantidad de bits que habrá transmitido la fuente cuando el primer bit llegue a su destino.

•  Suponga que hay dos enlaces entre la fuente y el destino, con un router conectando los dos enlaces. Cada enlace tiene de 5.000 Km de longitud. También suponga que el archivo mp3 es enviado como un único mensaje. Suponga que no hay congestión, de manera que el mensaje es transmitido por el segundo enlace tan pronto como el router recibe completamente el mensaje. Calcule el end-to-end delay.

En resumen

•  Terminología básica.

•  Modelos por capas.

•  Medios físicos de transmisión de datos.

•  Acceso a Internet.

•  Desempeño.

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