TEMA 1 Introducción Índice general Red de comunicaciones

Transcripción

Índice general
E.T.S. de Ingenieros de Telecomunicación
Universidad de Valladolid

TEMA 1
Introducción

Arquitectura de Redes, Sistemas y Servicios
IT Telemática
Y. Dimitriadis, F. Simmross

Redes de comunicaciones
Concepto de protocolo
Capas de protocolos
Servicios en el modelo de capas
Modelo de referencia OSI
Arquitectura de protocolos TCP/IP
Comparación entre OSI y TCP/IP
Historia y organización de Internet
Curso 2008-2009
ARSS ITT Curso 08/09
Red de comunicaciones

Ejemplos de redes
Definición:
–
Conjunto de nodos interconectados mediante enlaces
que facilita el transporte de información entre puntos
geográficamente distantes
Tipos de nodos:
–
Nodos terminales

–
Red de telefonía
clásica
Red de difusión de
TV
Red de
ordenadores
Información
Voz
Imágenes de TV
Datos (voz, imágenes,
texto...)
Nodos
terminales
Teléfonos
Centros de
transmisión,
televisores
Ordenadores,
impresoras, ...
Nodos de
comunicación
Centrales de
conmutación
Repetidores, antenas
Encaminadores,
puentes,
concentradores, ...
Enlaces
Par trenzado, fibra
óptica
Radioenlaces, cable
coaxial
Cable coaxial, fibra
óptica, radioenlaces,
...
Dispositivos que generan o utilizan la información
Nodos de comunicación

TEMA 1 (2/68)
Dispositivos que retransmiten la información transportada
TEMA 1 (3/68)
TEMA 1 (4/68)
Tipos de redes (I)

Tipos de redes (II)
Según la tecnología de transmisión
–
Redes de difusión (broadcast)

–
La información enviada por un nodo llega a todos los nodos que
comparten el medio

Malla
Árbol
La información enviada por un nodo sólo llega al otro nodo que
comparte el enlace
TEMA 1 (5/68)

Redes de área local (LAN)

Cubren distancias reducidas (un conjunto de edificios
cercanos como máximo)
Ej: Red de ordenadores de la ETSIT
–

Cubren distancias medias (una ciudad como máximo)
Ej: Red de televisión por cable en Valladolid

–
TEMA 1 (7/68)
Se preestablece un camino de comunicación entre el origen y
el destino
Todos los datos siguen el mismo camino
Ej: red de telefonía
Conmutación de paquetes

Cubren distancias grandes (regiones, países o continentes)
Ej: Red de Telefónica
Conmutación de circuitos

Redes de área amplia (WAN)

TEMA 1 (6/68)
Según el modo en el que se transporta la
información
Redes de área metropolitana (MAN)

Irregular
Tipos de redes (IV)
Según la cobertura geográfica

–
Ej: La señal de voz enviada por una central telefónica llega
sólo a otra central telefónica
Tipos de redes (III)
–
Anillo
Dos nodos comparten el mismo enlace
–
Estrella
Ej: La señal de televisión enviada por un repetidor llega a
múltiples antenas
–
–
Regular
Redes punto a punto (point-to-point)

Según la disposición de los enlaces (topología)
Varios nodos comparten el mismo enlace
–
–

Los datos se dividen en trozos llamados paquetes
Cada paquete puede seguir un camino distinto
Ej: redes de ordenador
TEMA 1 (8/68)
Interconexión de redes

Índice general
interred (internetwork o internet)
–
–

Conjunto de redes interconectadas mediante distintos
dispositivos de conexión
El término internet no ha de ser confundido con el
término Internet

TEMA 1 (9/68)
Necesidad de protocolos (I)
Capas de protocolos
Necesidad de protocolos (II)

Además del cable hace falta
–
A
Red
que A dialogue con la red

B
–
–
Para comunicar dos nodos terminales
–
–

¡NO!
TEMA 1 (11/68)
“A quiere comunicarse contigo”
que A dialogue con B

¿Basta con “enchufar” los nodos a la red?
“quiero comunicarme con B”
que la red dialogue con B

TEMA 1 (10/68)
“mi mensaje es <<me gusta la telemática>>”
...
Aparece la necesidad de protocolos
TEMA 1 (12/68)
¿Qué es un protocolo?

Conjunto de reglas que gobiernan el intercambio de
datos entre nodos
–
–
–
Qué se dice
–
–

Cuándo se dice
TEMA 1 (13/68)
Tipos de protocolos (II)
Monolíticos

–
De facto (de hecho)
–
–
Concebidos como no estándar
Su amplio uso los convierte en estándar

Típicamente se organizan por capas
Fácilmente reutilizables en nuevas aplicaciones

Implementan una parte de las funciones de comunicación
Se combinan para ofrecer el total de funciones
–

Implementan todas las funciones de comunicación
Difícilmente reutilizables en nuevas aplicaciones
Estructurados

TEMA 1 (14/68)
Índice general
Según la cantidad de funciones de comunicación
empleadas por una aplicación que implementan
–
Propuestos por autoridades (gobiernos, organismos de
estandarización, etc)
Qué se dice: voy a empezar a hablar contigo
Cómo se dice: “hola”
Cuándo se dice: antes de comenzar la conversación

De jure (por ley)
–
Cómo se dice
Ejemplo de protocolo social: saludo entre personas
–
No estándar: minoritariamente aceptados
Estándar: ampliamente aceptados

Reglas de temporización

Según el grado de aceptación
–
Reglas sintácticas

–

Reglas semánticas

Tipos de protocolos (I)

TEMA 1 (15/68)
Capas de protocolos
TEMA 1 (16/68)
Organización de redes por capas

Los extremos de la comunicación se conciben
como una serie de capas apiladas
–

Estructura de capas de una red
Los problemas de comunicación se distribuyen entre
las distintas capas
Cada capa
–
–
–
Utiliza un protocolo para dialogar con su capa par
Ofrece servicios a la capa superior
Usa los servicios de la capa inferior
TEMA 1 (17/68)
Ej. de comunicación entre capas
Mecanismo básico de las capas

En el origen de la comunicación
–
–
Tomar la unidad de datos que ofrece la capa superior
Añadir cabecera con información para la capa par

–

–
Pasar la nueva unidad de datos al nivel inferior
Tomar la unidad de datos que ofrece la capa inferior
Interpretar información de la cabecera y retirarla

–
TEMA 1 (19/68)
De acuerdo con protocolo empleado entre ambas capas
En el destino de la comunicación
–
TEMA 1 (18/68)
De acuerdo con protocolo empleado
Pasar los datos a la capa superior
TEMA 1 (20/68)
Ej. de comunicación en una red
1
2
Índice general
3
Capa 3
Capa 3
Capa 3
Capa 3
Capa 3
Capa 3
Capa 2
Capa 2
Capa 2
Capa 2
Capa 2
Capa 2
Capa 1
Capa 1
Capa 1
Capa 1
Capa 1
Capa 1

5
4
Capa 3
Capa 3
Capa 3
Capa 2
Capa 2
Capa 1
Capa 1
Capa 3
Capa 2
Capa 2
Capa 1
6
Capa 1
Capa 3
Capa 3
Capa 2
Capa 2
Capa 1
Capa 1

7
8

9
Capa 3
Capa 3
Capa 3
Capa 3
Capa 3
Capa 3
Capa 2
Capa 2
Capa 2
Capa 2
Capa 2
Capa 2
Capa 1
Capa 1
Capa 1
Capa 1
Capa 1
Capa 1
TEMA 1 (21/68)
Definiciones (I)

Funcionalidad que ofrece una capa a través de un
conjunto de operaciones que pueden ser invocadas
por la capa superior
SAP: Service Access Point (Punto de Acceso al
Servicio)
–
–
Cada SAP tiene una dirección asociada
TEMA 1 (22/68)
IDU: Interface Data Unit (Unidad de Datos de
Interfaz)
–
–
Conjunto de datos que una capa de nivel n+1 pasa a
la capa de nivel n para poder comunicarse con su
capa par de nivel n+1
Incluye:

Punto desde el que es posible invocar las operaciones
ofrecidas por una capa
Cada capa puede tener uno o más SAPs

Definiciones (II)
Servicio
–

Capas de protocolos
SDU: Service Data Unit (Unidad de Datos de Servicio)
–

Conjunto de datos que deben ser transmitidos a la capa par de
nivel n+1
ICI: Interface Control Information (Información de Control de
Interfaz)
– Información necesaria para que la capa de nivel n pueda hacer
su trabajo
TEMA 1 (23/68)
TEMA 1 (24/68)
Definiciones (III)

Relación entre capas
PDU: Protocol Data Unit (Unidad de Datos de
Protocolo)
–
–
Conjunto de datos que una capa de nivel n envía a su
capa par
Incluye:

SDU: Datos que deben ser pasados a la capa de nivel n+1
Cabecera: Información para la capa par de nivel n+1 sobre
cómo debe manejarse la SDU
TEMA 1 (25/68)
Tipos de servicio (I)

–

Orientados a conexión

¿Se confirman las comunicaciones?
–
El usuario establece la conexión, envía los datos y libera la
conexión
Ej: el servicio de telefonía
No orientados a conexión

TEMA 1 (27/68)
Confirmado

–
El usuario envía los datos sin establecer una conexión previa
Ej: el servicio de correos
TEMA 1 (26/68)
Tipos de servicio (II)
¿Es necesaria conexión previa?
–
Por cada mensaje enviado, el usuario recibe una confirmación
que indica si el mensaje ha llegado (o no) correctamente
Ej: el servicio burofax
No confirmado

El usuario no recibe confirmaciones de los mensajes enviados
TEMA 1 (28/68)
Tipos de servicio (III)

¿Se pierden datos?
–

–

Fiables

–

–
Los datos de la comunicación pueden perderse
Ej: el servicio de telefonía móvil

Los servicios fiables suelen implementarse como
servicios confirmados
TEMA 1 (29/68)
–
–
Primitiva empleada por una capa para informar a su usuario de un
evento
Respuesta (response)

–
Primitiva empleada por el usuario de una capa para solicitar un
servicio de la misma
Indicación (indication)

Primitiva empleada por el usuario de una capa para responder a un
evento
Confirmación (confirmation)

TEMA 1 (30/68)
Ejemplo 1: llamada telefónica
1.
2.
Petición (request)

Primitiva es una operación básica que es posible invocar sobre la
interfaz de una capa
Tipos de primitivas de servicio
–
Los datos pueden ser entregados al destinatario en orden
distinto al que fueron entregados por el remitente
Ejemplo de uso de primitivas (I)
Definición
–
Los datos se entregan al destinatario en el mismo orden en
que fueron entregados por el remitente
Ej: el servicio de fax
No garantiza el orden

Primitivas de servicio

Garantiza el orden
Los datos de la comunicación no se pierden
Ej: el servicio burofax

¿Se entregan los datos ordenados?
No fiables

Tipos de servicio (IV)
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
CONNECT.request
CONNECT.indication
CONNECT.response
CONNECT.confirm
DATA.request
DATA.indication
DATA.request
DATA.indication
DISCONNECT.request
DISCONNECT.indication

Marcar el número
El teléfono suena
Se descuelga
Cambio de tono
El origen habla
El destino escucha
El destino habla
El origen escucha
El origen cuelga
Cambio de tono
Primitiva empleada por una capa para informar a su usuario de que
ha llegado una respuesta
TEMA 1 (31/68)
TEMA 1 (32/68)
Ejemplo de uso de primitivas (II)

Ejemplo 2: comunicación a través de un servicio
orientado a conexión
1.
2.
3.
4.
CONNECT.request
CONNECT.indication
CONNECT.response
CONNECT.confirm
5.
6.
7.
8.
Índice general

DATA.request
DATA.indication
DISCONNECT.request
DISCONNECT.indication

TEMA 1 (33/68)
Modelo de referencia OSI (I)

–
TEMA 1 (34/68)
Modelo de referencia OSI (II)
Modelo para el diseño de redes de ordenadores concebido para
facilitar la interoperabilidad entre equipos de distintos fabricantes
Propuesto en 1984 por la ISO (International Standarization
Organization)
Define
–
–

Modelo de referencia para la interconexión de sistemas
abiertos (OSI - Open Systems Interconnection)
–

Capas de protocolos
El número de capas
Las funciones de cada capa
No define los protocolos de cada capa
–
Se proponen posteriormente
TEMA 1 (35/68)
TEMA 1 (36/68)
Capa física

Función
–

Capa de enlace de datos

Transmitir bits por un enlace
–
Aspectos
–
–
Definición de las propiedades físicas de la interfaz y del medio de
transmisión
Ej: número de patillas (pins) que debe tener la interfaz
Especificación de cómo se representan los bits

–
–
Ej: niveles de tensión empleados

TEMA 1 (37/68)
–
Encaminamiento de paquetes (PDUs de nivel de red)
–
Control de congestión
–
–
Cómo se sabe cuándo empieza y cuándo acaba una trama
Cómo se detectan y se corrigen los errores en la comunicación
–
Control de flujo
–
Control de acceso al medio (cuando el medio es compartido)

Cómo se evita que el transmisor desborde al receptor
Cómo se sabe cuándo el medio está libre para transmitir
TEMA 1 (38/68)
Función
–

–
Qué camino deben seguir los paquetes para llegar a su destino
Realizar un transporte de datos libre de errores de extremo a
extremo
Aspectos
–
–
Control de errores extremo a extremo
Control de flujo extremo a extremo
Fragmentación

Cómo se evita que una red se sature por exceso de tráfico
Fragmentación

Control de errores

Aspectos

–
Capa de transporte
Realizar un transporte de datos de extremo a extremo (entre dos
nodos terminales)
Independizar a las capas superiores de la tecnología de
transmisión y conmutación subyacente

Delimitación de tramas (PDUs de nivel de enlace)
Ej: activar patilla de “señal recibida” cuando empiezan a llegar datos
Función
–
–

Capa de red
–
Aspectos
Ej: qué número de patilla recibe la señal de tierra
Realizar un transporte de datos libre de errores salto a salto
(entre dos nodos unidos por un enlace)

Especificación de la secuencia de eventos que se dan en el
intercambio de datos con el medio físico

Especificación de la función que realiza cada uno de los circuitos
de la interfaz

Función
–
Adaptación al tamaño máximo de trama admitido por cada tipo de
red
Los datos se pueden dividir en partes que son enviadas por distintas
conexiones de red para ofrecer un servicio de transporte más rápido
Multiplexación

Cómo se utiliza una misma conexión de red para enviar los datos de
varios usuarios
Tarificación

Recuento de datos enviados por cada usuario
TEMA 1 (39/68)
TEMA 1 (40/68)
Capa de sesión

Función
–

Capa de presentación

Gestionar el diálogo entre los extremos a través de la capa
transporte
Función
–
Aspectos
–
–
y 4 en otro
Gestión de testigo

Qué extremo de la comunicación puede enviar datos en cada
momento

Aspectos
–
Recuperación

Permitir la comunicación entre extremos que usen
representaciones de datos diferentes
Ej: un dato de tipo int puede ocupar 2 Bytes en un tipo de máquina
Formato de datos común

Cómo es posible continuar una transmisión de datos cuando una
conexión ha fallado
–
Transformación

TEMA 1 (41/68)
Capa de aplicación

Cómo se convierten los datos de la capa superior al formato de
datos común y viceversa
TEMA 1 (42/68)
Encapsulado en el modelo OSI (I)
Función
–

Cuál es el formato de datos que se usa en la comunicación con la
capa par
Gestionar el intercambio de datos de aplicaciones distribuidas
concretas
Ejemplos
–
Correo electrónico
SMTP (Simple Mail Transfer Protocol)
Web
HTTP (Hypertext Trasnfer Protocol)
Transferencia de ficheros
FTP (File Transfer Protocol)
Terminal virtual
–
...
–
–
–

Telnet
TEMA 1 (43/68)
TEMA 1 (44/68)
Encapsulado en el modelo OSI (II)

Unidad de datos transmitida por la capa física
Índice general

DH NH TH
SH
PH
AH
Data
DT

TEMA 1 (45/68)
Arquitectura TCP/IP (I)

–
TEMA 1 (46/68)
Arquitectura TCP/IP (II)
Su desarrollo comenzó a finales de los 60 con financiación del
Departamento de Defensa de los EEUU
Desarrollado principalmente por universidades y compañías
Define
–
–

Conjunto de protocolos para la comunicación entre
máquinas de distintas redes
–

Capas de protocolos
Un modelo de comunicación estructurado de 5 capas
Los protocolos de cada capa
Es la arquitectura comercialmente dominante desde los
años 90
–
Se ha convertido en estándar de facto
TEMA 1 (47/68)
TEMA 1 (48/68)
Capas de la arquitectura TCP/IP (I)

Capa física
–
–

Proporciona un servicio de transporte de bits a través de un
enlace
Puede implementarse con múltiples tecnologías
–
–

–

–
–

Orientado a conexión
Fiable
Entrega de datos en orden
UDP (User Datagram Protocol)
–
No orientado a conexión
No fiable
Capa de aplicación
–
–
Proporciona un servicio de comunicación entre procesos o
aplicaciones de ordenadores separados
Utiliza todo tipo de protocolos de aplicación: HTTP, FTP, ...
Utiliza el protocolo IP (Internet Protocol)
TEMA 1 (49/68)
Índice general

–
No orientado a conexión
No fiable

Proporciona un servicio de transporte de datos extremo a extemo
Utiliza dos protocolos:
TCP (Transport Control Protocol)
–
Proporciona un servicio de transporte de datos de extremo a
extremo

–
Proporciona un servicio de envío de datos a través de un enlace
Puede implementarse con múltiples protocolos
También denominada capa de interfaz de red (network interface)

–
Capa de internet
–

Capa de transporte
Capa de acceso a la red
–

Capas de la arquitectura TCP/IP (II)
TEMA 1 (50/68)
Similitudes entre OSI y TCP/IP
Capas de protocolos

Basados en pilas de protocolos

Dos grupos de capas
–
Independientes de tecnología

–
Dependientes de tecnología

–
TEMA 1 (51/68)
Transporte y superiores
Enlace e inferiores
Capa de red aísla estos niveles
TEMA 1 (52/68)
Diferencias entre OSI y TCP/IP

Número de capas
–

Críticas a OSI y TCP/IP

7 en OSI, 5 en TCP/IP
TCP/IP define los protocolos de cada capa, pero
no OSI
Tipos de servicio ofrecidos por las capas de red y
transporte
Red
Transporte
OSI
TCP/IP
CO/CL
CL
CO
CO/CL
OSI
–
Se tardó mucho en desarrollar la especificación
–
Capas descompensadas
–
Especificación muy compleja

No distingue claramente los conceptos de servicio, interfaz y
protocolo
–
Capas descompensadas
–
Algunos protocolos están mal implementados

OSI
TCP/IP
Modelo
Bueno
Malo
Protocolos
Sin éxito
Con éxito
TEMA 1 (55/68)
Dio lugar a implementaciones muy costosas y lentas
–

TEMA 1 (53/68)
Pocas funciones asociadas a presentación y transporte
TCP/IP

Cuando se terminó, los protocolos TCP/IP ya estaban en el mercado
Dificulta el desarrollo de nuevos protocolos
Demasiadas funciones asociadas a la capa de enlace
Se desarrollaron y distribuyeron rápidamente: difícil reemplazo
TEMA 1 (54/68)
Modelo híbrido didáctico
TEMA 1 (56/68)
Índice general

Contexto histórico
Capas de protocolos

–

–
–

TEMA 1 (58/68)

Es una red de investigación, no una red militar
Es financiada por los militares
Basada en las ideas del informe de RAND Corp
El 1969 se entregan los dos primeros IMPs
–
Armarios de 400Kg, 24Kbytes de RAM
La red es diseñada por la Universidad de Stanford
–
Formada por conmutadores de paquetes llamados IMPs
(Interface Message Processors)
Un ordenador conectado a cada IMP
–
Cada IMP conectado al menos con otros 2 IMPs
–

En 1962 entrega un informe en el que aparecen las primeras
ideas de conmutación de paquetes
IMPs
En 1967 se decide crear ARPANET
–
El DoD se da cuenta de que las redes de comunicación
disponibles podrían ser fácilmente destruidas en caso de guerra
El DoD encarga a RAND Corp un estudio de alternativas
–
TEMA 1 (57/68)
Su objetivo es financiar proyectos de investigación de tecnología
con usos militares
En 1961 un grupo de ultraderecha de EEUU vuela tres
torres de comunicaciones en Utah
–

Considerado una muestra de la supremacía científica soviética
En 1958 el DoD (Department of Defense) de los EEUU
decide crear ARPA (Advanced Research Projects Agency)
–
ARPANET

En 1957 la URSS lanza el satélite Sputnik I y II
Podían usarse para enviar mensajes de hasta 8063 bits
En caso de rotura de un enlace, el IMP sigue conectado a la red
Enlaces de 56kbps
En 1968 se asigna a BBN (empresa ligada al MIT) el
desarrollo de los primeros IMPs
TEMA 1 (59/68)
TEMA 1 (60/68)
Desarrollo de ARPANET

Rápido crecimiento
–
–
–
–
–

Internet

4 nodos en 1969: UCLA, SRI, UCSB y Utah
Más de 8 nodos en 1970 incluyendo algunos de la costa Este
Más de 15 nodos en 1971
Más de 34 en 1972
Más de 200 en 1983
–
–
Un camión en California enviaba paquetes por un radioenlace al
SRI, que los reenviaba a la costa este a través de ARPANET y
desde ahí se enviaban por satélite al University College de
Londres
Se comprobó que los protocolos de ARPANET no eran adecuados
para la comunicación entre redes distintas
Comienzan las investigaciones que dieron lugar a TCP/IP
–

En 1972 se hace una demostración pública
–

TEMA 1 (61/68)
Crecimiento de Internet
En 1983 TCP/IP se convierte en el conjunto de protocolos
oficial de ARPANET
En 1986 se conecta con NSFNET

A partir de ese momento, el número de redes que se
conectan a ARPANET crece exponencialmente
Al poco tiempo se comienza a utilizar el nombre Internet
para referirse a la red de redes resultante
A mediados de los 90 se produce su explosión comercial
TEMA 1 (62/68)
Principales usos de Internet

Hasta 1989
–
–
–
–

–

El primer servidor fue info.cern.ch
El desarrollo del WWW continúa en el W3C (MIT, INRIA)
Además, en la actualidad
–
–
–
–
TEMA 1 (63/68)
Correo electrónico
Grupos de noticias
Conexión a máquinas remotas
Transferencia de ficheros
En 1989 se inventa el World Wide Web (WWW) en el
CERN (Suiza)
–
Red financiada por lar NSF (National Science Foundation) para la
interconexión de centros de supercomputación
Mensajería instantánea
Intercambio de ficheros
VoIP
...
TEMA 1 (64/68)
Gobierno de Internet (I)

Internet Society (ISOC)
–

Sociedad para el desarrollo y la evolución de Internet
–
–
–
Gestiona el espacio de direcciones IP
Depende de la ISOC
–
Internet Architecture Board (IAB)
–
Internet Engineering Task Force (IETF)
–
Internet Assigned Numbers Authority (IANA)
–

Gobierno de Internet (II)

Internet Research Task Force (IRTF)
–
Coordinador del diseño y el desarrollo de la
arquitectura de Internet
Depende de la ISOC
–
–
TEMA 1 (65/68)
Gobierno de Internet (III)
Responsable de la evolución a largo plazo de los
protocolos de Internet
Gestionado por el Internet Research Steering Group
(IRSF)
Depende del IAB
ISOC
www.isoc.org

IANA
Un Internet draft es propuesto por el IETF, IRTF o un
individuo
El IESG decide si se publica como Request for Comments
(RFC) en un plazo máximo de 6 meses
El RFC pasa por
–
Proposed Standard
–
Draft Standard

IETF
IRTF
–
TEMA 1 (67/68)
Especificación descrita
Al menos dos implementaciones independientes e interoperables de
la especificación
Internet Standard

TEMA 1 (66/68)
Proceso de estandarización

IAB
Responsable de la evolución a corto y medio plazo de
los protocolos de Internet
Gestionado por el Internet Engineering Steering Group
(IESG)
Depende del IAB
Especificación suficientemente experimentada
TEMA 1 (68/68)

TEMA 1 Introducción Índice general Red de comunicaciones

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