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DEPARTAMENTO DE ELECTRICA Y ELECTRONICA FUNDAMENTOS DE REDES DE COMUNICACIONES

Arquitectura de redes Mayo del 2011

Ing. Darwin Aguilar darwinaguilar@yahoo.es


Introducci贸n


Modelo de capas 

Modelo de capas para el diseño y análisis ◦ Organización por capas  Cada capa realiza un conjunto bien definido de funciones que ofrece como servicios a las capas superiores

◦ Entidades  Elementos activos en las capas  Hay entidades de software (procesos) o de hardware (chips inteligentes de I/O)  Las entidades de la capa N implementan los servicios de esa capa que son usados por las entidades de la capa N+1 3


Modelo de capas 

Parejas de entidades ◦ Entidades de capas iguales en máquinas diferentes (origen /destino)

Protocolos horizontales ◦ Las parejas de entidades se comunican por protocolos de la misma capa (origen/destino)

Transferencia vertical de la información ◦ El flujo real de información transcurre verticalmente ◦ Por debajo de la capa 1 está el medio físico 4


Modelo de capas…. 

Arquitectura de red ◦ Un conjunto de capas y protocolos cuyo objetivo es

El objetivo es definir entre sistemas, procedimientos normalizados para el intercambio de información. El principio se basa en funciones reagrupadas en capas.

Pila de protocolos (stack de protocolos) ◦ El conjunto de protocolos utilizados en una arquitectura de red

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PROTOCOLOS Y NIVELES PROTOCOLOS En un proceso de comunicación entre humanos, podemos distinguir funciones similares a las desarrolladas en los protocolos de comunicaciones. 

De acuerdo a esto, podemos decir que las REGLAS que gobiernan una comunicación se conoce como PROTOCOLO, una definición más formal es la siguiente: "Conjunto de reglas predeterminadas que hacen posible el intercambio coordinado de mensajes entre usuarios, procesos, máquinas, esto incluye mecanismos de control de las relaciones entre las entidades comunicantes, la localización de los recursos y el flujo ordenado de la comunicación." 6


CONSIDERACIONES DE DISEÑO DE PROTOCOLOS   

    

Conjunto de reglas Codificación de mensajes Identificar los receptores y transmisores: Mecanismos de direccionamiento (red, host, proceso, etc.) Modos de transferencia : Simplex Half-duplex o Full-duplex Canales lógicos Datos Control Manejo de errores

         

Los medios físicos no son perfectos: Como detectar los errores y como corregir los errores. También pueden ser causados por fallas en el protocolo. Sincronización. Ordenamiento de mensajes: Numeración, sequenciamiento, reordenamiento Control de flujo: Retroalimentación Negociación de tasas de transferencia. Control de congestión Longitud de mensajes: Segmentación y Ensamble de mensajes. Multiplexación/Demultiplexación. Enrutamiento Tipo de servicio: O.C o N.O.C 7


CONSIDERACIONES DE DISEÑO DE PROTOCOLOS … En general cuando se va a realizar un proceso de desarrollo de un protocolo se debe seguir las siguientes etapas: 1.

2. 3. 4. 5.

Definición del "Servicio" Suposiciones del entorno Vocabulario de mensajes Codificación de mensajes "reglas de procedimiento" Para darle un mayor formalismo al desarrollo de protocolos se ha definido el concepto de "Ingeniería de protocolos", los cuales consisten en una serie de pasos para llevar a cabo dicho objetivo, entre los aspectos que involucra la ingeniería de protocolos encontramos mecanismos para especificar, validar, probar, etc. protocolos. 8


JERARQUIA DE PROTOCOLOS

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NIVELES El propósito de cada nivel es ofrecer determinados servicios al nivel inmediatamente superior, ocultando todos los detalles de implementación de estos servicios.  Cada nivel tiene las siguientes características: I. Ejecuta un conjunto específico y definido de funciones. II. Presta servicios a la capa superior III. El nivel N de un extremo se comunica con el nivel N del otro extremo. IV. Los elementos activos de cada capa se denominan entidades, pueden ser Hardware o Software. Dos entidades en el mismo nivel en máquinas diferentes se denominan entidades compañeras o procesos pares. V. Bajo la capa 1 está el medio físico 

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Protocolos por capas 

Conjunto de reglas predeterminadas que permiten el intercambio coordinado de información y gobiernan el formato y significado de las unidades de datos del protocolo (frames, paquetes o mensajes) que son intercambiados entre niveles iguales en hosts diferentes.

Las entidades utilizan protocolos para implementar la definición de sus servicios.

El protocolo utilizado por dos entidades de nivel N se denomina "Protocolo de nivel N" y a las entidades que se comunican usando este protocolo se les denomina "procesos pares" o "entidades compañeras".


SERVICIOS E INTERFACES SERVICIOS 

Conjunto de primitivas (operaciones) que un nivel o capa provee al nivel superior. El servicio define que operaciones pueden ejecutar el nivel superior, pero no dice como se implementan.

La entidad N desarrolla un servicio para el nivel N+1, en este caso el nivel N es un proveedor del servicio y la capa N+1 es usuario del servicio.

Es importante diferenciar entre un protocolo y un servicio: un nivel ofrece determinado servicio al nivel superior el cual es implementado usando determinado protocolo.

La transferencia de información entre niveles pares realmente es virtual ya que el flujo real de información se realiza a través de los servicios ofrecidos por el nivel inmediatamente inferior. Este proceso se repite hasta llegar al nivel físico donde se presenta una transmisión real. 12


TIPOS DE SERVICIOS Existen de dos tipos: Orientados a la Conexión y No Orientados a la Conexión

ORIENTADOS A LA CONEXIÓN (O.C) Un servicio O.C. es aquel que posee tres fases: ◦ Conexión (Connect) ◦ Transferencia (Data) ◦ Desconexión (Disconnect) Características del servicio: ◦ ◦ ◦ ◦ ◦ ◦

Servicio Confiable Garantía de entrega Corrección de errores Los mensajes poseen secuencia y siempre llegan en orden Puede establecer conexiones PERMANENTES o TEMPORALES Puede ofrecer mecanismos de control de flujo. 13


NO ORIENTADOS A LA CONEXIÓN (N.O.C)

Un servicio N.O.C es aquel que solo posee la fase de transferencia de datos: ◦ Transferencia (Data). Características del servicio: ◦ ◦ ◦ ◦ ◦ ◦

Mejor esfuerzo No hay garantía de entrega No hay corrección de errores Los mensajes pueden ser perdidos, duplicados entregados en desorden No hay secuencia Se conoce como servicios DATAGRAMA


INTERFACE 

Punto entre dos capas adyacentes. La interface define un conjunto de reglas, primitivas y operaciones de intercambio de información entre niveles adyacentes dentro del mismo host. Define los servicios que ofrece la capa inferior a la superior.

Los servicios están disponibles a través de los puntos de acceso al servicio (SAP). Los SAP’s de la capa N es el punto donde la capa N+1 puede acceder servicios. Cada SAP tiene un identificador que lo hace único.

Para que haya comunicación entre las capas, la superior pasa una Unidad de Datos de Interfaz (IDU), la cual está compuesta por una unidad de datos del servicio (SDU) e información de control. Luego la capa N se encarga de agregar la información de la SDU en una unidad de datos del protocolo (PDU).

Encabezados (Headers): Información de control (PCI: Protocol Control Information) que cada capa agrega a los datos que recibe de la capa superior (SDU).

Límites del tamaño de mensajes 15


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Ejemplo:

Provisi贸n de servicio a capas superiores


CALIDAD DE SERVICIO (QoS)      

Diferentes niveles, por ejemplo en cuanto confiabilidad (pérdida de información). Permite asignar recursos diferenciando el tipo de tráfico y en las actuales aplicaciones incluso el usuario. Prioriza los datos de las aplicaciones. En general, mayor confiabilidad significa mayores demoras. Permite asignar más o menos recursos a los usuarios. Se puede configurar desde el equipo terminal pero deberá informarse al resto de la red para que se garanticen recursos.

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PRIMITIVAS DE SERVICIO Un servicio se especifica formalmente mediante un conjunto de primitivas.  Las primitivas son las operaciones disponibles para el usuario del servicio.  Son indicaciones para que el servicio haga algo o para que avise si la entidad par hace algo. 

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PRIMITIVAS DE SERVICIO 

Primitiva

significado

Solicitud

request

Indicación

indication

Respuesta

response

Confirmación

confirm

una entidad desea que el servicio realice alguna actividad una entidad debe ser informada acerca de algún evento una entidad desea responder a un evento la respuesta a una solicitud anterior ha llegado

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Ejemplo: de primitivas 

  

  

1. CONNECT.request 2. CONNECT.indication 3. CONNECT.response 4. CONNECT.confirm 5. DATA.request 6. DATA.indication 7. DISCONNECT.request 8. DISCONNECT.indication

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Primitivas

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Modelo de referencia ISO-OSI International Standards Organization (ISO) Open Systems Interconnection (OSI)


Principios:  Una capa debe ser creada donde se requiera un diferente nivel de abstracción.  Cada capa debe realizar una función bien definida  La función de cada capa debe ser elegida teniendo en cuenta la definición de protocolos estandarizados internacionales  Las fronteras entre las capas deben ser elegidas para minimizar el flujo de información en las interfaces  El número de capas debe ser lo suficientemente grande como para que funciones diferentes no caigan por necesidad dentro de la misma capa pero lo suficiente pequeño como para que la arquitectura sea manejable 24


NIVELES DE ABSTRACCIÓN


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Capas Modelo OSI 

Nivel Físico. Cuestiones: los voltajes, la duración de un bit, el establecimiento de una conexión, el número de polos en un enchufe, etc. ◦ Representación de los bits: codificación a utilizar, características eléctricas de la señal que representa a los ceros y unos. ◦ Sincronismo de bit y tasa de transmisión: base de tiempo común entre transmisor y receptor para permitir una correcta interpretación de la señal recibida. ◦ Aspectos mecánicos: características del medio de transmisióna utilizar, tamaño de los conectores, número de patillas, topología física... ◦ Modo de transmisión: simplex, duplex, semiduplex.

Comunicación de Datos DEEE

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Nivel Físico 

Los equipos intermedios que sólo implementan el nivel físico se denominan repetidores. Su misión es conectar subredes que utilizan el mismo nivel de enlace (mismo protocolo, mismo formato de trama, etc), pero distinto soporte físico (por ejemplo: Conectar entre sí dos redes de área local Ethernet, una soportada por cable coaxial, y otra por cable de pares RJ45).

Comunicación de Datos DEEE

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Capas Modelo OSI….. 

Nivel de enlace. El propósito de este nivel es convertir el medio de transmisión crudo en uno que esté libre de errores de transmisión.

◦ Entramado: divide el flujo de bits recibido del nivel superior en tramas. ◦ Control de flujo: previene el desbordamiento en el receptor cuando éste recibe datos a una velocidad menor de a la que son enviados por el transmisor. ◦ Control de errores: mecanismo para detectar y corregir tramas con errores, defectuosas, o perdidas.

◦ Control de acceso: organiza el acceso al medio físico cuando este se encuentra compartido por varios equipos. ◦ Direccionamiento físico: cuando hay varios equipos conectados al mismo medio, debe distinguirse mediante direcciones cuál de ellos es el origen y cuál el destino de las tramas. Comunicación de Datos DEEE

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Nivel de Enlace….. 

Los equipos intermedios que sólo implementan las capas 1 y 2 se denominan puentes. Su misión es unir subredes con diferentes niveles de enlace, de forma transparente al nivel de red. (por ejemplo: unir una red Token Ring con una red Ethernet)

Comunicación de Datos DEEE

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Capas Modelo OSI….. 

Nivel de red. Determina el ruteo de los paquetes desde sus fuentes a sus destinos, manejando la congestión a la vez. Se incorpora la función de contabilidad. ◦ Para llevar a cabo el encaminamiento, debemos poder distinguir a los sistemas de forma unívoca, lo que se realiza mediante la asignación de direcciones de red. Este nivel puede ofrecer un servicio en modo circuito virtual, o bien en modo datagrama. ◦ Estas tres primeras capas forman el servicio de red, que ofrece a las capas superiores un canal de comunicación entre sistemas finales con independencia de su ubicación física.

Comunicación de Datos DEEE

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Nivel de Red 

Los equipos intermedios que implementan estas tres capas se denominan encaminadores (routeadores). Su misión es transportar los paquetes desde el punto origen de la red, al punto destino, atravesando cuantos nodos intermedios sea necesario.

Comunicación de Datos DEEE

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Capas Modelo OSI….. 

Nivel de transporte. Primer nivel que se comunica directamente con su par en el destino (los inferiores son PC a PC). Provee varios tipos de servicio (ej.: Un canal punto-a-punto sin errores). Podría abrir conexiones múltiples de red para proveer capacidad alta. Se puede usar el encabezamiento de transporte para distinguir entre los mensajes de conexiones múltiples entrando en una máquina. Provee el control de flujo entre los hosts. ◦ Direccionamiento de puntos de servicio. Puede manejar varias aplicaciones ◦ Segmentación y reeensamblado: Un mensaje de usuario puede ser dividido en segmentos que serán reensamblados en el destino. ◦ Control de conexión: Datos o segmentos enviados de manera independiente (N.O.C) o conexión previa origen destino (O.C) ◦ Control de flujo y control de errores: La misma misión que en el nivel de enlace, pero en este caso, extremo a extremo Comunicación de Datos DEEE

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Nivel de Transporte 

El nivel de transporte, junto con las tres primeras capas, forman el denominado bloque de transporte, que se ocupa exclusivamente de aspectos relacionados con la comunicación, y que ofrece a los sistemas superiores una comunicación fiable, transparente y libre de errores entre entidades de niveles superiores.

Comunicación de Datos DEEE

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Capas Modelo OSI….. 

Nivel de sesión. Ofrece mecanismos para organizar y sincronizar los diálogos entre entidades de aplicación. El control del diálogo facilita que la comunicación entre dos procesos pueda tener lugar en modo semi-duplex o full-duplex, marcando el progreso del diálogo, controlando qué sistema posee el turno para “hablar”... Permite también insertar puntos de sincronismo desde donde retomar el diálogo si éste se interrumpiera por cualquier motivo. ◦ Control de la sesión a establecer entre el emisor y el receptor (quién transmite, quién escucha y seguimiento de ésta). ◦ Control de la concurrencia (que dos comunicaciones a la misma operación crítica no se efectúen al mismo tiempo). ◦ Mantener puntos de verificación (checkpoints). Si hay una interrupción, retoma desde el checkpoint

Comunicación de Datos DEEE

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Capas Modelo OSI….. 

Nivel de presentación.

Permite representar la información de una forma independiente de la implementación realizada por los sistemas. La información así representada conforma una serie de datos estructurados (caracteres, enteros, etc.), y no simplemente una secuencia de bits que puede ser interpretada de distinta forma por diversos sistemas. También es responsabilidad del nivel de presentación el cifrado (que permite la privacidad de la comunicación) y la compresión.

Comunicación de Datos DEEE

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Capas Modelo OSI….. 

Nivel de aplicación. Proporciona a los usuarios (personas o

software) un conjunto de servicios de aplicación distribuidos. Asegura la cooperación de los procesos o entidades de aplicación entre sí para ofrecer los servicios finales al usuario. Es responsable de la semántica del protocolo intercambiado entre entidades de aplicación. Se encuentran estandarizadas aplicaciones en este nivel como terminales virtuales de red (para acceso a consola de máquina remota), administración y transferencia de información en forma de archivos, correo electrónico, o servicios de directorio para acceso a bases de datos distribuidas. ◦ Tiene como objetivos la conexión de redes múltiples y la capacidad de mantener conexiones aun cuando una parte de la subred esté perdida. ◦ La red es packet-switched y está basada en un nivel de internet sin conexiones. Los niveles físico y de enlace (que juntos se llaman el "nivel de host a red" aquí) no son definidos en esta arquitectura. Comunicación de Datos DEEE

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Ejemplos de Protocolos 

    

Capa 1: Nivel físico Cable coaxial, Cable de fibra óptica, Cable de par trenzado, Microondas, Radio, Palomas, RS-232. Capa 2: Nivel de enlace de datos Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, Token Ring, FDDI, ATM, HDLC. Capa 3: Nivel de red ARP, RARP, IP (IPv4, IPv6), X.25, ICMP, IGMP, NetBEUI, IPX, Appletalk. Capa 4: Nivel de transporte TCP, UDP, SPX. Capa 5: Nivel de sesión NetBIOS, RPC, SSL. Capa 6: Nivel de presentación ASN.1. Capa 7: Nivel de aplicación SNMP, SMTP, NNTP, FTP, SSH, HTTP, SMB/CIFS, NFS, Telnet, IRC, ICQ, POP3, IMAP.


Modelo TCP/IP


A diferencia de las tecnologías de networking propietarias TCP/IP fue desarrollado como un estándar. Esto significa que cualquiera es libre de usar TCP/IP. Esto ayudo a un desarrollo mas rápido de TCP/IP como estándar 41


Algunos de los protocolos más comunes de la capa de aplicación incluyen.     

File Transfer Protocol (FTP) Hypertext Transfer Protocol (HTTP) Simple Mail Transfer Protocol (SMTP) Domain Name System (DNS) Trivial File Transfer Protocol (TFTP)

La capa de transporte incluye los siguientes protocolos:  

Transport Control Protocol (TCP) User Datagram Protocol (UDP) El protocolo principal de la capa Internet es:

Internet Protocol (IP) 42


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Comparación  

Aporte fundamental del modelo OSI: conceptos Servicios ◦ definen las funciones de una capa

Interfaces

◦ como las capas superiores acceden a los servicios de las capas interiores

Protocolos

◦ el mecanismo por el cual las parejas de entidades se comunican. Es un problema interno de las capas. 44


Críticas 

OSI ◦ Mala temporización ◦ Mala tecnología  7 capas?, reiteracion de funciones.

◦ Mala implementación ◦ Mala política 

TCP/IP ◦ faltan conceptos ◦ no define capas 1 y 2 ◦ muchos protocolos de aficionados 45


ESTANDARIZACIÓN ◦ estándares de hecho (de facto) ◦ estándares por ley (de jure) ◦ estandarización de telecomunicaciones  existen desde 1865  ITU (International Telecommunication Union (ex CCITT) agencia de las NNUU desde 1947)  sectores:  radiocomunicaciones (ITU-R)  estandarización de las telecomunicaciones (ITU-T)  desarrollo (ITU-D)

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Estandarización Internacional 

ISO ◦ International Standards Organization ◦ organizaciones de estandarización de 89 países ◦ intensa cooperación con ITU ◦ trabajo realizado por “voluntarios”

IEEE ◦ Institute of Electrical and Electronics Engineers ◦ Importantes estándares para redes locales 47


Estandarización Internacional 

Etapas de elaboración ◦ ◦ ◦ ◦

método de trabajo: amplio consenso CD - Committee Draft DIS - Draft International Standard IS - International Standard

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Estandarización de Internet 

Internet Society elige los miembros de: ◦ IAB Internet Architechture Board que supervisa a ◦ IRTF  Internet Research Board

◦ IETF  Internet Engineering Task Force  que dirige el proceso de creación de estándares

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Estandarización de Internet 

RFC

◦ Request For Comment (unas 2000)

◦ “we reject kings and voting, we believe in rough consensus and running code” rechazamos a reyes y votación, creemos en el acuerdo general áspero y controlando el código

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ARQUITECTURA DE REDES