Redes, Comunicaciones y Sistemas...

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Redes, Comunicaciones y Sistemas Distribuidos

Mg. Ing. Eduardo ZavallaLic. Marcelo Moreno

Redes de datos, Modelos y Protocolos

Redes de datos

Objetivos• Explicar los conceptos relacionados con la

comunicación de datos y las redes informáticas.

• Identificar los elementos necesarios para lograr la comunicación de datos.

• Describir los componentes de las redes informáticas.

• Clasificar las redes según diversos criterios.

Redes de datos

Recordemos…Hardware

Dispositivos electrónicos interconectados que se usan para la entrada, procesamiento y

salida de datos/información.Datos

• Elementos de información.• Símbolos que representan hechos, valores o

situaciones.

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Redes de datos

Recordemos…

Dispositivos de entrada/salida

Dispositivos electrónicos que proporcionan funciones tanto de entrada, como de salida

de datos.

Redes de datos

Una red es un arreglo o configuración de nodos (hosts), conectados mediante canales de comunicación.

Definición: Redes

Redes de datos

Son redes en las que:• Cada nodo es una estación que envía y/o

recibe datos (computadoras o dispositivos): los nodos son elementos de hardware.

• Los canales de comunicación son los medios que transportan datos, de un dispositivo emisor a otro receptor.

• Se requiere software especializado para manejar la comunicación de datos.

Definición: Redes informáticas

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Redes de datosDefinición: Redes informáticas

Dispositivo

Computadoras

Medio

Redes de datos

Funciones• Establecer, conducir y finalizar la comunicación de

datos entre dos o más nodos.

Beneficios• Acceso simultáneo a programas e información.• Equipos periféricos compartidos (impresoras,

escáner, etc.)• Comunicación personal más eficiente (correo

electrónico, foros, etc.)• Procesos de respaldo más efectivos.

Definición: Redes informáticas

Redes de datos

Transferencia de datos de un nodo a otro, a través de canales de comunicación.

La comunicación de datos se basa en los dispositivos de entrada/salida de las

computadoras.

Definición: Comunicación de datos

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Redes de datos

• Ente emisor (nodo).• Ente receptor (nodo).• Medios o canales de comunicación.• Protocolos de comunicación.• Mensaje.• Dispositivos de comunicación.• Operador.

Elementos para la comunicación de datos

Redes de datosEmisores y/o receptores

Son las computadoras o dispositivos periféricos que envían y/o reciben datos. Son los nodos de la red.

Para poder comunicarse, cada nodo debe tener instalada un tarjeta NIC (Network Interface Card) o

también llamada “tarjeta de red”.

Redes de datos

Un canal puede ser un medio físico (cable) o un medi o inalámbrico (frecuencia de radio específica).

La selección de un canal es función de:

• Condiciones de la instalación.• Volumen de bits transportados por unidad de

tiempo.• Distancia que pueden recorrer los datos sin sufrir

atenuación.• Costos.

Canales de comunicación

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Redes de datosMedios físicos: Cable trenzado de cobre

Se compone de 2 o más pares de “hilos” trenzados, aislados entre sí.

Existen 2 tipos: Blindados (STP=ShieldedTwisted Pair).No blindados (UTP=Unshielded TwistedPair).

Redes de datosMedios físicos: Cable coaxial

Se compone de un núcleo interno de cobre rodeado de aislamiento plástico, luego un blindaje o malla de cobre y en la parte más externa, otra cubierta plástica.

El blindaje o malla de cobre reduce el efecto de las interferencias electromagnéticas.

Redes de datosMedios físicos: Fibra Óptica

Compuesto por un núcleo de fibra de vidrio, rodeado de malla sintética y recubrimientos internos y externos.

Los datos se transportan a través de pulsos de luz a lo largo de la fibra de vidrio.

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Redes de datosMedios inalámbricos: Microondas

Transmisión a través de ondas de radio de alta frecuencia (En el rango de 1 a 30 GigaHertz) para comunicaciones de banda ancha.

Requiere una estación repetidora cada 20 millas debido a la curvatura de la tierra.

Puede ser utilizada para comunicaciones satelitales.

Transmisor

Receptor

Redes de datosMedios inalámbricos: Satélites

Dispositivo en órbita, que actúa como estación retransmisora.

El satélite recibe señales enviadas desde una estación en tierra, las amplifica y retransmite en diferente frecuencia a otra estación en tierra.

Redes de datosDefinición: Ancho de banda

“Es la capacidad de transmisión de un canal de comunicación”

A mayor ancho de banda, mayor cantidad de información se transmite por unidad de tiempo y

como consecuencia, el proceso de comunicación de datos es más rápido.

La unidad de medida es bits por segundo (bps) y sus múltiplos (Kbps, Mbps, Gbps), aunque también se expresa frecuentemente en Bytes por segundo y sus múltiplos (KBps, MBps, GBps)

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Redes de datosDefinición: Protocolo de comunicación

“Es un conjunto de reglas, normas y procedimientos que garantizan la integridad y correcta secuencia de los datos transmitidos”.

• Asegura que todos los nodos de una red informática, emiten y reciben datos organizados en la misma forma.• Es similar a la gramática de un idioma: asegura que lo que se comunica es comprensible y que se pueden identificar los errores.

Redes de datos

Son funciones del protocolo de comunicación:

• Establecer que un nodo está listo para comunicarse.

• Verificar y recuperar errores.• Numerar los mensajes, para comprobar que

llegan en la secuencia correcta.• Controlar el destino de los mensajes.• Decidir cual elemento debe emitir y cuál

debe recibir.

Definición: Protocolo de comunicación

Redes de datosDefinición: Mensajes

Los mensajes son el conjunto de datos que se envían y reciben, que en una red se transmiten a través de “paquetes”.

Un paquete es una agrupación lógica de información que incluye la información de control y (generalmente) los datos del usuario. El esquema lógico de agrupación obedece a un protocolo de comunicación.

El siguiente es un ejemplo de la estructura de un paquete:

Indicador Dirección Control Datos de usuario FCS Indicadorde inicio de fin

FCS = Frame Check Sequence = Secuencia de comprobación de estructura

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Redes de datosTopologías de Redes de Datos

Es una representación gráfica de cómo se unen las estaciones de trabajo (nodos) de la red. Las topologías pueden ser físicas (cableado) o lógicas (conceptuales), pero siempre se termina respetando una topología física al unir mediante cables u ondas de radio.

Topologías Físicas:

• Bus

• Estrella

Topologías Lógicas:

• Anillo

• Bus

• Estrella


Anillo (lógica):

Consta de varios nodos unidos formando un círculológico. Los mensajes se mueven de nodo a nodo en una sola dirección. El cable forma un bucle cerradoformando un anillo

Ventajas:

Es fácil detectar si falla un nodo.

Desventajas:

Si falla un nodo, falla toda la red.


Bus (lógica y física):

Consta de un único cable (BUS) al que se conectacada ordenador. Los extremos del cable se terminancon una resistencia denominada “terminador”.

Ventajas:Es fácil instalar y mantener.Si falla un nodo, la red continúa operativa.

Desventajas:Si falla el bus, falla toda la red.

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Estrella (física):

Es la más utilizada en redes LAN. Todas las estaciones de la red deben pasar a través de un dispositivo central de conexiones conocido como “concentrador” (HUB o MAU), que controla el flujo de datos.

Ventajas:Es fácil detectar problemas.La falla de un nodo no provoca la caída de la red.

Desventajas:Montaje mas costoso.


Híbrida


Jerárquica

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Redes de datosMezcla de Topologías

Redes de datosDispositivos distribuidores de paquetes

• HUB (Concentrador): solamente recoge y distribuye señales entre los ordenadores de la red.

• SWITCH (Conmutador): además de concentrar señales, puede seleccionar el envío de paquetes y lleva estadísticas de tráfico y errores en la red.

• ROUTER (Encaminador): además de las tareas anteriores es capaz de guiar una transmisión por el camino mas adecuado (Enrutamiento). Es el utilizado para conectar una red a INTERNET.

Redes de datosClasificación de Redes de Datos

Según su área de cobertura:

• Red de Area Local (LAN) �

• Red de Area Metropolitana (MAN) �

• Red de Area Amplia (WAN) �

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Redes de datosRedes Inalámbricas

a) Configuración bluetooth.

b) Wireless LAN

Redes de datosRedes Inalámbricas

a) Computadoras móviles individuales.

b) Una LAN en el aire.

Redes de datosLAN Inalámbricas

a) Red inalámbrica con estación base (AP).

b) Red inalámbrica en modo ad-hoc.

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Redes de datosRedes Inalámbricas Multicelda

Cuando las distancias entre grupos de hosts son relativamente grandes o existe pérdida de señal, se suelen utilizar la redes wireless multicelda.

Redes de datosRecordemos: Protocolo de comunicación

“Es un conjunto de reglas, normas y procedimientos que garantizan la integridad y correcta secuencia de los datos transmitidos”.

• Asegura que todos los nodos de una red informática, emiten y reciben datos organizados en la misma forma.• Es similar a la gramática de un idioma: asegura que lo que se comunica es comprensible y que se pueden identificar los errores.

Redes de datosModelos de capas y protocolos

• Entre los requerimientos necesarios para un diseño de una red de datos están:� Proporcionar conectividad general de manera

robusta, equitativa y económica para una gran cantidad de computadores.

� Ser lo suficientemente flexible para evolucionar y ajustarse a los cambios tecnológicos y a los requerimientos de las nuevas aplicaciones que aparecen constantemente.

• Para afrontar esta complejidad, los diseñadores de redes han creado unos modelos generales que ayudan en el diseño y la implementación de las redes.

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• Cuando un sistema se vuelve complejo, el diseñador del sistema introduce otro nivel de abstracción.�La idea de una abstracción es definir un

modelo unificador que capture los aspectos importantes del sistema y oculte los detalles de cómo fue implementado.

• El reto es identificar las abstracciones que simultáneamente sean útiles en un amplio número de situaciones y, a la vez, puedan ser implementadas eficientemente.


• En redes de datos, la abstracción lleva al concepto del modelo de capas.� Se comienza con servicios ofrecidos por una

capa física y luego se adiciona una secuencia de capas, cada una de ellas ofreciendo un nivel de servicios más abstracto.

• El modelo de capas ofrece dos características importantes:� Descompone el problema de construir una red

en partes más manejables.

� Proporciona un diseño más modular.

Redes de datosPor qué utilizar el modelo de capas?

• Permite trabajar con sistemas complejos� una estructura explícita permite la

identificación de las partes del sistema complejo y la interrelación entre ellas�modelo de referencia de capas para

discusiones� la modularidad facilita el mantenimiento y

la actualización del sistema�cambios que se realicen en la

implementación de un servicio de una capa es transparente para el resto del sistema

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Redes de datos

• ¿Qué es OSI?�Una sigla: Open Systems

Interconnection�Conceptualmente: arquitectura general

requerida para establecer comunicación entre computadoras

• OSI puede verse:�como un estándar.�como un modelo de referencia.

El Modelo (de capas) OSI

Redes de datosEl Modelo OSI como “un estándar”

• El modelo OSI fue adoptado en 1979 por el comité técnico TC97 de la ISO, del cual dependía el subcomité SC16

• OSI fue adoptado en 1984 como la norma ISO/IEC 7498. En 1994 fue reemplazado por la versión 2, con algunas correcciones adicionales. La ISO/IEC 7498 tiene 4 partes– Parte 1: Modelo básico.– Parte 2: Arquitectura de seguridad.– Parte 3: Asignación de nombres y

direcciones.– Parte 4: Framework de gestión de red.

Redes de datosEl Modelo OSI como “modelo de referencia”

• OSI es un modelo de referencia que muestra como debe transmitirse un mensaje entre nodos en una red de datos.

• El modelo OSI tiene 7 niveles de funciones.

• No todos los productos comerciales se adhieren al modelo OSI.

• Sirve para enseñar arquitecturas de redes y en discusiones técnicas (resolución de problemas).

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Redes de datosOperación del Modelo OSI

Al recibirel mensaje“sube”

Al enviarel mensaje“baja”

El mensaje “viaja” a través de la red

Nodo A Nodo B

En la práctica, las 7 capas de funciones del modelo OSI están normalmente construidas como una combinación:

1. Sistema Operativo.2. Aplicaciones.3. Protocolos de transporte y de red.4. Hardware y software de red.


Aplicación

Presentación

Sesión

Transporte

Red

Enlace

Física

Aplicación

Presentación

Sesión

Transporte

Red

Enlace

Física1

2

3

4

5

6

7

1

2

3

4

5

6

7Al enviarel mensaje“baja”

Al recibirel mensaje“sube”

RED

Nodo A Nodo B

Las capas del modelo OSI reciben un nombre de acuerdo a su función.

Redes de datosComunicación entre capas

• Cada capa ofrece un conjunto de funciones para la capa superior y utiliza funciones de la capa inferior

• Cada capa, en un nodo, se comunica con su igual en el otro nodo

Capa A

Capa B

Capa A

Capa B

NODO 1 NODO 2

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Aplicación

Presentación

Sesión

Transporte

Red

Enlace

Física

Aplicación

Presentación

Sesión

Transporte

Red

Enlace

Física

RED

Nodo A Nodo B

DATOS

DATOS

DATOS

DATOSHeader 4

Header 3

Header 2

Unidades de Información

Puede contenerencabezados delas capas 5, 6 y 7

Mensaje

Paquete

Frame

bits

Redes de datosEncapsulación

• Cuando un protocolo de una capa superior envía datos a su par en otro nodo, los entrega al protocolo de la capa inferior.� El protocolo de la capa inferior desconoce lo que

envía la capa superior.• El protocolo del nivel inferior, para crear su mensaje,

agrega una información de control (header) que es utilizada para comunicarse entre pares.� Esta información de control generalmente es

colocada al iniciar el mensaje, aunque a veces se anexa al final del mensaje (trailer).

• A los datos entregados por el protocolo de la capa superior, dentro del mensaje, se le llama payload.

• La operación de “meter” el mensaje del nivel superior detrás de un header en el mensaje de nivel inferior se llama encapsulación.

Redes de datosMultiplexión y Demultiplexión

• En de cada una de las capas de un modelo de comunicaciones se pueden alojar varios procolos.

• Por esta razón, dentro del header, se debe incluir un identificador para indicar a qué protocolo o servicio de la capa superior le pertenece el “payload”. Este identificador es conocido como llave de multiplexación (demux key)

• Cuando el mensaje llega al nodo destino, el protocolo que lo recibe debe retirar el header, mirar la llave de multiplexación y entregar (demultiplexar) la carga útil (payload) al protocolo o aplicación correctos en la capa superior.� En los headers, las llaves de multiplexación se

implementan de diferentes maneras: mediante una cierta cantidad de bytes, o indicando cual es la aplicación origen y cual es la destino.

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Enlace (2)

Física (1)

El Nodo A envía el mensaje “Tengo una idea.”

H4H3

Tengo una idea.

Tengo una idea.

Teng o una idea.H3

H4

H2 H4H3 Teng T2 o una idea.H3H2 T2


Tengo una idea.

Tengo una idea.

Red (3)

Transp. (4)

Sesión (5)

Los datos se encapsulan y se registraa qué protocolo de la capa superiorle pertenece la carga útil (payload)


El Nodo B recibe el mensaje “Tengo una idea.”

Física (1)

H4H3

Tengo una idea.

Tengo una idea.

Teng o una idea.H3

H4



Tengo una idea.

Tengo una idea.

Enlace (2)

Red (3)

Transp. (4)

Sesión (5)

Para entregar el mensaje al protocolocorrecto, dentro de una capa, se usa

la llave de multiplexación.

Redes de datosLos 7 niveles (capas) del Modelo OSI

Aplicación

Presentación

Sesión

Transporte

Red

Enlace

Física

Aplicaciones de Red: transferencia de archivos

Formatos y representación de los datos

Establece, mantiene y cierra sesiones

Entrega confiable/no confiable de “mensajes”

Entrega los “paquetes” y hace enrutamiennto

Transfiere “frames”, chequea errores

Transmite datos binarios sobre un medio

Nivel OSI Función que ofrece

Cada capa tiene unas funciones precisas para resolver determinados problemas de la comunicación (“divide y vencerás”)

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Redes de datosCapa 7: Aplicación

• La capa de Aplicación está cerca al usuario (no ofrece servicios a otras capas).� Es el nivel más alto en la arquitectura OSI� Define la interfaz entre el software de

comunicaciones y cualquier aplicación que necesite comunicarse a través de la red.

� Las otras capas existen para prestar servicios a esta capa

� Las aplicaciones están compuestas por procesos.� Un proceso de aplicación se manifiesta en la capa

de aplicaciones como la ejecución de un protocolo de aplicación.

Redes de datosCapa 6: Presentación

• Define el formato de los datos que se intercambiarán.� Asegura que la información enviada por la capa

de aplicación de un nodo sea entendida por la capa de aplicación del otro nodo

� Si es necesario, transforma a un formato de representación común

� Negocia la sintaxis de transferencia de datos para la capa de aplicación (estructura de datos)

� Ejemplo: formato GIF, JPEG ó PNG para imágenes.

Redes de datosCapa 5: Sesión

• Define cómo iniciar, coordinar y terminar las conversaciones entre aplicaciones (llamadas sesiones).� Administra el intercambio de datos y sincroniza

el diálogo entre niveles de presentación (capa 6) de cada sistema.

� Ofrece las herramientas para que la capa de aplicación, la de presentación y la de sesión reporten sus problemas y los recursos disponibles para la comunicación.

� Lleva control de qué flujos forman parte de la misma sesión y qué flujos deben terminar correctamente.

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Redes de datosCapa 4: Transporte

• Proporciona un número amplio de servicios y asegura la entrega de los datos entre procesos que han establecido una sesión y que se ejecutan en diferentes nodos.� Evita que las capas superiores se preocupen por

los detalles del transporte de los datos hasta el proceso correcto.

� Hace multiplexión para las aplicaciones.� Segmenta bloques grandes de datos antes de

transmitirlos, y los reensambla en el nodo destino.� Asegura la transmisión confiable de los mensajes � No deja que falten ni sobren partes de los

mensajes trasmitidos.� hace control de flujo y control de congestión.

Redes de datosCapa 3: Red

• Entrega los paquetes de datos a la red correcta, al nodo correcto, buscando el mejor camino.� Evita que las capas superiores se preocupen

por los detalles de cómo los paquetes alcanzan el nodo destino correcto

� En esta capa se define la dirección lógica de los nodos

� Esta capa es la encargada de hacer el enrutamiento y el direccionamiento� Enrutamiento � ¿cuál es el mejor camino para

llegar a la red destino? � Direccionamiento � ¿cuál es el nodo destino?

Redes de datosCapa 2: Enlace

• Inicia, mantiene y libera los enlaces de datos entre dos nodos.

• Hace transmisión confiable (sin errores) de los datos sobre un medio físico (un enlace)� Define la dirección física de los nodos� Construye los “frames”� También debe involucrarse con el orden en que

lleguen los frames, notificación de errores físicos, reglas de uso del medio físico y el control del flujo en el medio.

� Es diferente de acuerdo a la topología de red y al medio utilizado.

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Redes de datosCapa 1: Física

• Define las características mecánicas, eléctricas y funcionales para establecer, mantener, repetir, amplificar y desactivar conexiones físicas entre nodos.� Acepta un “chorro” de bits y los transporta a

través de un medio físico (un enlace).� En esta capa se especifican nivel de voltaje,

sincronización de cambios de voltaje, frecuencia de transmisión, distancias de los cables, conectores físicos y asuntos similares.

Redes de datosArquitectura de una Red según el Modelo OSI

Uno o más nodos dentro de la Red

Aplicación

Presentación

Sesión

Transporte

Red

Enlace

Física

Red

Enlace

Física

Aplicación

Presentación

Sesión

Transporte

Red

Enlace

Física

Red

Enlace

Física

End system End system

Intermediate systems

Redes de datos

• El modelo OSI permite trabajar con la complejidad de los sistemas de comunicación de datos.

• Las implementaciones de arquitecturas de red reales no cumplen (o lo hacen parcialmente) con el Modelo OSI.

• Se intentó construir una implementación del modelo OSI, pero fracasó.

• El modelo OSI aún sigue siendo un modelo pedagógico.

Futuro del Modelo OSI

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Redes de datosEl “protocolo” TCP/IP

• El nombre “TCP/IP” se refiere a un stack(pila) o suite de protocolos de datos.� Una colección de protocolos de datos que permite

que las computadoras se comuniquen.

• El nombre viene de dos de los protocolosque lo conforman:� Transmission Control Protocol (TCP)� Internet Protocol (IP)

• Hay muchos otros protocolos en la suite

Redes de datosTCP/IP e Internet

• TCP/IP son los protocolos fundamentales de Internet (aunque también se utilizan para Intranets y Extranets)

• Stanford University y Bold, Beranek andNewman (BBN) presentaron TCP/IP a comienzos de los 70 para una red de conmutación de paquetes (ARPANet).

• La arquitectura de TCP/IP ahora esdefinida por la Internet Engineering Task Force (IETF)

Redes de datosPor que es tan popular TCP/IP?

• Los estándares de los protocolos son ABIERTOS: interconecta equipos de diferentes fabricantes sin problema.

• TCP/IP es independiente del medio de transmisión físico.

• TCP/IP posee un esquema de direccionamiento amplio y común.

• Todos los protocolos de alto nivel están estandarizados (¡muchos servicios!)

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Redes de datos“Estándares” de TCP/IP

• Para garantizar que TCP/IP sea un protocolo abierto los estándares deben ser públicamente conocidos.

• La mayor parte de la información sobre los protocolos de TCP/IP está publicada en unos documentos llamados Requestfor Comments (RFC’s) - Hay otros dos tipos de documentos: Military Standards(MIL STD), Internet Engineering Notes(IEN) -.

Redes de datosModelo de capas del TCP/IP

Aplicación

Presentación

Sesión

Transporte

Red

Enlace

Física

Aplicación

Transporte

Internet

Acceso de Red

Aplicaciones y procesos que usan la red

Servicios de entrega de datos entre nodos

Define el datagrama y maneja el enrutamiento

Rutinas para acceder el medio físico

No hay un acuerdo sobre como representar la jerarquía de losprotocolos de TCP/IP con un modelo de capas (utilizan de tresa cinco), sin embargo – generalmente – se adoptan 4 capas,

aunque algunas suelen subdividirse. TCP/IP es anterior a OSI!!

Redes de datosPila de protocolos de Internet (5 capas)

• aplicación: soporta las aplicaciones de la red– FTP, SMTP, HTTP

• transporte: transferencia de datos host to host– TCP, UDP

• red: enrutamiento de datagramasdesde la fuente al destino– IP, protocolos de enrutamiento

• enlace: transferencia de datos entre elementos de red vecinos– PPP, Ethernet

• física: bits “en el cable”

aplicación

transporte

red

enlace

física

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Redes de datosEncapsulación de Datos

Capa de Acceso de Red

Capa Internet

Capa de transporte

Capa de aplicación

DATOSHeader

DATOSHeaderHeader

Header DATOSHeaderHeader

DATOS• Cada capa de la pila

TCP/IP adiciona información de control (un header) para asegurar la entrega correcta de los datos.

• Cuando se recibe, la información de control se retira.

Redes de datosRelación “aproximada” entre TCP/IP y OSI

Llegó

Modem

SolicitudDNS Red del

CampusAQUÍ ESTÁ LA

TARJETA DE RED

Y EL DRIVER

ModemEL MODEM ESTÁ

EN LA CAPA 1

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