Conceptos de Redes

Componentes de un sistema de comunicación de datos. TCP/IP. Modos de transmisión de datos. Modelos y tipología. Niveles y estructura. Estándares. OSI

  • Enviado por: Carlos Y Armando
  • Idioma: castellano
  • País: España España
  • 40 páginas

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  • Introducción

Interoperabilidad : Es la capacidad de diferentes sistemas de computadores, redes, sistemas operativos y aplicaciones, de trabajar conjuntamente y compartir información.

  • Usos de la redes de computadores:

  • Objetivos de las redes :

Compartir recursos con el fin de que los programas, datos y equipos estén disponibles para cualquiera de la red que así lo solicite, sin importar la localización física del recurso y del usuario.

Proporcionar una alta confiabilidad y disponibilidad, al contar con fuentes alternativas de suministro, con duplicados o réplicas en dos o tres o mas copias del mismo recurso.

Disminuir el gasto, ya que los computadores pequeños tienen una mejor relación costo/rendimiento comparada con maquinas grandes o main frames.

  • Red de la organización :

Red que se ha creado enlazando recursos de computadores existentes dentro de la organización.

Los recursos suelen estar ubicados en departamentos y/o grupos de trabajos independientes y que a menudo utilizan varias topologías de red y protocolos de comunicación.

Una red de empresa proporciona interoperabilidad entre sistemas autónomos y heterogéneos.

Objetivos perseguidos al construir una red:

Integrar sistemas de comunicación incompatibles reducir el número de protocolos de comunicación que se utilizan en la organización.

Aumentar la capacidad de la red para manejar más usuarios y archivos de datos de gran volumen, como los de multimedia.

Permitir que los usuarios de distintas aplicaciones compartan información en diversos formatos y normas, sin que tengan por qué conocer dichas diferencias : transparencia.

Mantener niveles de seguridad razonables sin hacer más engorrosa la utilización del sistema.

Adaptar de forma rápida el sistema, a las necesidades cambiantes.

  • Computación Cliente/Servidor:

Proporciona un medio para que los usuarios de sistemas de escritorio puedan tener acceso a un equipo servidor, por ejemplo de archivos.

  • Mensajería electrónica:

Vehículo para la interacción entre los usuarios.

Proporciona las herramientas para que los usuarios de la red colaboren en proyectos, trabajen en grupos y automaticen de forma electrónica tanto el papeleo como el flujo de documentos administrativos por una organización.

  • Estructuras de redes:

Algunas definiciones:

Host : maquinas que corren programas o aplicaciones de usuario.

Los computadores host se conectan mediante una subred de comunicación o subred.

La subred se compone de: líneas de transmisión y elementos de conmutación o IMP procesadores de intercambio de mensajes o también llamados nodos de conmutación.

Para las líneas de transmisión se tiene dos tipos de diseños:

Canales punto a punto

Canales de difusión

  • Existen varias tecnologías utilizadas por redes de comunicación de datos.

  • Conmutación de paquetes : tecnología que transmite, de una fuente a un destino, bloques de datos denominados paquetes.

Estos paquetes se almacenan sólo en la memoria (ram) de los nodos intermedios, para continuar rápidamente su viaje hacia el nodo destino.

En esta tecnología, los paquetes de distintos usuarios, comparten los mismos medios de transmisión.

  • Conmutación de circuitos: estas redes establecen un circuito o camino físico entre los equipos terminales de datos, un ejemplo típico es el sistema telefónico.

  • Conceptos de Redes:

Redes de comunicación, entre personas y/o sus equipos (teléfonos, fax, computadores).

Una red de computadores es un sistema de comunicación de datos que enlaza dos o más computadores y dispositivos periféricos.

Los componentes típicos de software y hardware son:

Sistema Operativo de red : módulos de software para el soporte funcional de red que complementan al sistema operativo local, y que permiten a los usuarios compartir archivos y periféricos con otros usuarios de la red. Incluyen los módulos de software, controladores o drivers, de las tarjetas de interfaz de red y los protocolos de comunicación.

Un sistema operativo de red para una red dedicada se ejecuta en servidores autónomos, prestando servicios de:

Servidor de archivos.

Servidor o pasarela de correo electrónico.

Servidor de comunicaciones.

Servidor de base de datos.

Servidor de copia de seguridad y de almacenamiento.

Servidor de fax.

Servidor de impresión.

Servidor de servicios de directorio.

NIC : Network Interface Card o Tarjeta Inter-faz de Red, token-ring o ethernet.

Cableado :

Medio guiado: cables de par trenzado, coaxial, fibra óptica.

Medio no guiado o inalámbrico: infrarrojos, microondas, señales de radio.

Topologías

Mapa de la disposición del cableado

Bus o lineal.

Estrella.

Anillo.

  • Arquitecturas de redes:

La comunicación es siempre entre, al menos, dos partes, los cuales establecen una “conversación” o sesión a través de las redes, requiriéndose que ambas partes estén de acuerdo en ciertas cosas básicas :

En establecer la comunicación.

En el formato de los datos.

En la velocidad de transmisión de los datos.

En definir direcciones.

En definir numeración de los paquetes para mantener el orden y “ventanas” para el envío y recepción los paquetes.

Otros mecanismos por ejemplo para el manejo de los errores de transmisión, desconexión, llamada cobro revertido, etc.

Es frecuente que estos sistemas de control se incorporen por software a cada uno de los

dispositivos de la red. Bajo el concepto de Ingeniería de software, es común encontrar el

software organizado en capas o layers en los cuales se agrupan “especializaciones” de la

secuencia de tareas a realizar.

Al conjunto de capas y protocolos se le denomina arquitectura de red.

  • Protocolos:

Cuando tenemos dispositivos de hardware, separados geográficamente, existirán procedimientos para control de cada dispositivo implementados por procesos de software. Como los procesos ejecutan en hardware separado, deben intercambiar mensajes para coordinar la acción y obtener SINCRONIZACIÓN.

Para realizar el intercambio de mensajes debemos diseñar (cuidadosamente) los procedimientos o protocolos.

La principal característica, es la habilidad para trabajar en un ambiente donde los periodos (timing) y secuencia de eventos es desconocida y se esperan errores en la transmisión de datos.

El termino protocolo lo usamos para describir el intercambio de información entre procesos.

Procesos: Programas que se ejecuten en un hardware.

Procesos en:

Equipos de una red.

Sistema multiprocesador, para controlar interacción de procesos paralelos.

Aplicaciones en tiempo real para el control de dispositivos.

En cualquier sistema donde no existe relación fija en el tiempo de ocurrencia de los eventos.

Definición mas formal:

Especificación de la lógica y de los procedimientos de los mecanismos de comunicación entre procesos.

La definición lógica constituye la sintaxis.

La definición de los procedimientos constituye la semántica.

Funciones más importantes:

Control de errores:

Control de Flujo

Control de Congestión

Estrategias de encaminamiento

  • Control de Errores:

Protege integridad de los datos del usuario y de los mensajes de control.

Control de Flujo y Congestión:

Permite a la red compartir sus recursos entre un gran número de usuarios, entregando a cada uno un servicio satisfactorio sin que sus operaciones corran peligro.

Estrategias de Encaminamiento:

Permite optimizar la utilización de los recursos de la red, aumentando la disponibilidad de los servicios de la red al proveer caminos alternativos entre nodos terminales.

  • Procesos:

Los protocolos son implementados vía procesos.

Un proceso se ejecuta en un procesador virtual o lógico.

  • Un proceso es autocontenido:

No se de cuenta (y no le interesa), que un procesador real comparte sus recursos entre varios procesos activos.

Entrada a los procesos ocurre por puertas lógicas de software, por donde el proceso recibe mensajes desde procesos residentes en el mismo o en otro procesador. Un conjunto de datos privados definen el estado actual de un proceso y determinan la acción a tomar por el receptor de un mensaje.

El resultado de la computación ejecutada por el proceso se envía por una puerta lógica de salida.

Conceptos de Redes

  • ¿Cómo opera un protocolo?:

Un proceso recibe un mensaje lo procesa y envía una respuesta, sin que exista relación entre éste evento y otro anterior o posterior.

El proceso origen, conocerá la dirección del proceso destino y la incluirá en el mensaje.

Esta dirección, identificará únicamente a un procesador, quién conocerá al proceso destino. El originador cuando despacha un mensaje, entre un estado de espera de respuesta en una de sus puertas.

El proceso destino ejecuta la función especificada en el mensaje, construye la respuesta (con resultados y dirección del origen) y envía el mensaje respuesta por una puerta de salida, (quedando libre para aceptar otro mensaje).

La respuesta llega al originador, quien realiza un chequeo para asegurarse que viene del lugar correcto antes de aceptarla, luego, pasa al estado “no espera respuesta” en esa puerta de entrada.

Este es un protocolo muy simple, necesita de la sintaxis para definición de formatos de los mensajes y una semántica muy simple.

Debe considerarse el hecho que, la red introduce demoras causadas por congestión, encaminamiento, etc., e incluso puede ocurrir perdida del mensaje.

Para esto, el proceso que realiza la consulta deberá tener un reloj (timer) el que será activado al enviar el mensaje. El reloj enviara una señal al expirar el tiempo indicado en la activación indicando que la respuesta no llegó en el tiempo esperado por lo que el mensaje deberá ser retransmitido.

  • Estructura del Protocolo

La función más importante de un tarea en la red es el transporte de datos, sin errores.

Esta función es parcialmente provista por la red de comunicaciones.

  • Niveles de los Procesos en Comunicación:

Un par de procesos no necesita conocer la estructura interna de su sistema de comunicaciones, sólo se comunica con el , a través de una interfaz. P1 y P2 podrían ser capaces de soportar varios procesos simultáneamente, proporcionando funciones de multiplexación.

Si P3-P1 no están instalados en el mismo procesador, deberá usarse un protocolo para implementar la interfaz.

Además si existe una línea física (P3-P1), propensa a errores, se deberá usar un protocolo a nivel de línea para asegurar la corrección de los mensajes intercambiados por los procesos. Este protocolo no afectará la estructura general, solo reemplazará una conexión directa.

Los protocolos se organizan jerárquicamente o en capas (arquitectura de capas de cebollas, encapsuladas...). La estructura de un mensaje es:

  • El Modelo de Referencia OSI de la ISO.

Un estándar internacional para la arquitectura por capas es el modelo de referencia ISO International Standard Organization para la interconexión de sistemas abiertos OSI.

Se muestra a continuación un esquema completa con protocolos de servicios de la red y protocolos de alto nivel o relacionados directamente con los usuarios.

Los dos grupos de protocolos, los de servicios de la red y los de más alto nivel, suelen dividirse en una serie de niveles o capas donde capa nivel ofrece un servicio en particular.

En el modelo OSI se ha adoptado el concepto de servicio de cada capa a la inmediata superior, mostrados en la figura siguiente:

  • Interconexión de Redes:

Repeater o repetidor: reenvía bits de una red hacia otra, haciendo que las dos sea vean lógicamente como una sola red.

Bridges o puentes : para la interconexión de redes similares, que tienen diferentes capas de enlace pero iguales capas de red, ejemplo: entre ethernet y token-ring en bus.

Routers o encaminadores : para interconectar tipos de redes no similares, con iguales capas de transporte pero diferentes capas de red.

Gateway o pasarelas o compuertas : para la conexión de una red que no utiliza el modelo OSI y la conexión se deberá realizar en la capa de aplicación.

  • Servicios:

  • Modalidades de Servicio en Conmutación por Paquetes:

Los servicios y facilidades ofrecidas por una red pública de transmisión de datos están especificadas en las recomendaciones X.1 y X.2 del CCITT (Comité Consultatif International por le Télégraphe et le téléfone).

La administración de la red ofrece los servicios de transmisión de datos al público.

Los principales servicios ofrecidos en redes públicas de transmisión de datos son:

Comunicación por circuitos y por paquetes.

En una red pública de conmutación por paquetes, existen básicamente dos modalidades de servicio:

Circuitos virtuales.

Datagramas.

  • Circuitos Virtuales:

El concepto de circuito virtual se refiere a una asociación bidireccional, a través de la red, entre dos ETD, circuito sobre el cual se realiza la transmisión de los paquetes.

Al inicio, se requiere una fase de establecimiento de la conexión, denominado: llamada virtual.

Durante la llamada virtual los ETDs se preparan para el intercambio de paquetes y la red reserva los recursos necesarios para el circuito virtual.

Los paquetes de datos contienen sólo el número del circuito virtual para identificar al destino.

Si la red usa encaminamiento adaptativo, el concepto de circuito virtual garantiza la secuenciación de los paquetes, a través de un protocolo fin-a-fin (nodo origen/nodo destino).

El concepto de CV permite a un ETD establecer caminos de comunicación concurrentes con varios otros ETDs, sobre un único canal físico de acceso a la red.

El CV utiliza al enlace físico sólo durante la transmisión del paquete. Existen 2 tipos de CV:

CVP: Circuito virtual permanente. No requiere fase de establecimiento o llamada virtual por ser un circuito permanente (punto a punto) entre ETDs.

CVT: Circuito virtual temporario. Requiere de la llamada virtual.

El protocolo para uso de circuitos virtuales está establecido en la recomendación X.25 del CCITT, (existe confirmación de mensajes recibidos, paquetes perdidos, etc.)

  • Datagramas:

Es un paquete autosuficiente (análogo a un telegrama) el cual contiene información suficiente para ser transportado a destino sin necesidad de, previamente, establecer un circuito.

No se provee confirmación de recepción por el destinatario, pero puede existir un aviso de no entrega por parte de la red.

Algunas redes privadas trabajan en base a DATAGRAMAS, pero en redes públicas, donde existen cargos por paquetes transmitidos, no existe buena acogida para este tipo de servicios.

Una alternativa al servicio de DATAGRAMA propuesto al CCITT, es la facilidad de selección rápida o Fast Select, la cual es aplicable en la llamada virtual ð CVT.

Fast Select permite transmitir datos en el campo de datos del paquete de control que establece el circuito virtual. La respuesta confirma la recepción y termina el CV.

  • Cuadro Comparativo a Nivel de Subred:

Asunto

Datagramas

Circuito Virtual

Establecimiento

n/a

Se requiere

Direccionamiento

De origen y destino en cada paquete

Sólo número de CV

Información de estado

La subred no tiene información de estado.

Cada CV requiere una entrada en la tabla de subred

Encaminamiento

Cada paquete con ruta independiente.

Todos los paquetes siguen la ruta establecida.

Efectos de falla en nodo

Ninguno perdida de paquetes

Todos los CV a través del nodo con falla, terminan.

Control de congestión

Difícil

Fácil si un número suficiente de buffers son pre-asignados.

Complejidad

En la capa de transporte

En la capa de red

Adecuado para

Servicios orientados a con y sin conexión.

Servicios orientados a conexión.

  • Justificación del Modelo:

Otra visión del tema vendría dada por la enumeración de las tareas básicas que deben llevarse a cabo en un sistema de comunicación de datos. A saber:

Utilización del sistema de transmisión: Este primer ítem hace referencia a la necesidad de hacer un uso eficiente de los servicio de transmisión que suelen compartirse entre varios dispositivos de comunicación. Existen variedad de técnicas (conocidas como multiplexación) para repartir la capacidad del medio de transmisión entre varios usuarios. Asimismo, pueden requerirse técnicas de control de la congestión para asegurar que el sistema no se vea desbordado por la demanda excesiva de servicios de transmisión.

Generación de señales: Todas las formas de comunicación que mencionaremos dependen en última instancia de la transmisión de señales electromagnéticas en el seno de un medio. Una vez establecida la interfaz, se requiere la generación de señales para la comunicación. Las propiedades de la señal, tales como forma de onda e intensidad, deben hacer que ésta resulte adecuada para propagarse por el medio de transmisión e interpretable como datos por el receptor.

Sincronización: Debe hacer alguna forma de sincronización entre transmisor y receptor. El receptor debe poder determinar cuando una señal empieza a llegar y cuando termina. Debe conocer también la duración de cada elemento de la señal.

Gestión de intercambio: Incluye aspectos como decidir si ambos usuarios pueden transmitir simultáneamente o por turno, la cantidad de datos que pueden incluirse en un envío, el formato de los datos y las medidas a tomar en caso de error.

Detección y corrección de errores: Necesario en circunstancias en las que no pueden tolerarse fallos. Por ejemplo: Transferencia de ficheros.

Control de flujo: Necesario para evitar que el emisor desborde al receptor.

Direccionamiento y encaminamiento: Cuando un elemento de comunicación es compartido por más de dos dispositivos, el sistema emisor debe identificar el destino deseado. El sistema de transmisión debe garantizar que únicamente el sistema receptor recibe los datos. El sistema de transmisión puede ser una red que permita varias rutas posibles entre fuente y destino, debiéndose elegir un camino entre los posibles.

Recuperación: Concepto distinto a la corrección de errores. Las técnicas de recuperación son necesarias en aquellos casos en los que el intercambio de información, por ejemplo, acceso a bases de datos o transferencia de ficheros, queda interrumpido debido a fallos en el sistema. El objetivo es reanudar el intercambio en el punto de interrupción o al menos restaurar el estado de los sistemas involucrados.

Formato de mensajes: Ambas partes deben estar de acuerdo con el formato de los datos que se transmiten. Por ejemplo, deben utilizar el mismo código binario para los caracteres.

  • Jerarquías de Protocolos:

Cuando los dispositivos que van a intervenir en la comunicación son ordenadores hace falta un alto grado de cooperación entre ellos. Por ejemplo. En una transmisión de ficheros, además de las tareas usuales relacionadas con la comunicación de datos, es necesario asegurarse que el sistema destino está listo para recibir datos, para aceptar y almacenar el fichero, si el formato de ficheros que usan lo dos sistemas es incompatible uno u otro debe realizar una transformación, etc.

Al hablar de redes y de comunicaciones entre ordenadores resultan fundamentales dos conceptos:

  • Protocolos.

  • Arquitectura de comunicación.

Los protocolos se utilizan para la comunicación entre entidades de diferentes sistemas. Los términos Entidad y Sistema se utilizan aquí en un sentido muy general. Ejemplos de entidades son programas de aplicación de usuario, paquetes de transferencia de ficheros, sistemas de manejo de bases de datos y terminales. Ejemplos de sistemas son ordenadores, terminales y sensores remotos. En general, una entidad es algo capaz de enviar o de recibir información, y un sistema es un objeto que contiene una o más entidades. Para que dos entidades puedan comunicarse deben hablar el mismo idioma. Qué se comunica, cómo se comunica y cuando se comunica debe cumplir ciertas convenciones entre las entidades involucradas. Este conjunto de convenciones constituye un protocolo, que puede definirse como el conjunto de reglas que gobiernan el intercambio de datos entre dos entidades.

La tarea de la comunicación entre dos entidades de diferentes sistemas es demasiado complicada para ser manejada por un simple proceso o módulo. En lugar de manejar un único protocolo, implementaremos las funciones de comunicación mediante un conjunto de protocolos estructurados. La organización de estos protocolos se realiza mediante una serie de capas o niveles, con objeto de reducir la complejidad de sus diseño. Cada una de ellas se construye sobre su predecesora. El número de capas, el nombre, contenido y función de cada una varían de una red a otra. Sin embargo, en cualquier red, el propósito de capa es ofrecer ciertos servicios a las capas superiores, liberándolas del conocimiento detallado sobre cómo se realizan dichos servicios.

La capa n en una máquina conversa con la capa n de otra máquina. Las reglas y convenciones utilizadas en esta conversación se conocen conjuntamente con protocolo de la capa n. A las entidades que forman las capas correspondientes en máquinas diferentes se les denomina procesos pares (igual a igual). En otras palabras, son los procesos pares los que se comunican mediante el uso del protocolo.

En realidad no existe una transferencia directa de datos desde una capa n de una máquina a la capa n de otra; sino, más bien, cada capa pasa la información de datos y control a la capa inmediatamente inferior, y así sucesivamente hasta que se alcanza la capa localizada en la parte más baja de la estructura. Debajo de la capa 1 está el medio físico, a través del cual se realiza la comunicación real.

Entre cada par de capas adyacentes hay un interfaz, la cual define los servicios y operaciones primitivas que la capa inferior ofrece a la superior. El diseño claro y limpio de una interfaz, además de minimizar la cantidad de información que debe pasarse entre capas, hace más simple la sustitución de la realización de una capa por otra completamente diferente (por ejemplo, todas las línea telefónicas se reemplazan por canales satélite).

Al conjunto de capas (con sus interfaces) y protocolos se le denomina arquitectura de red.

  • Estándares:

En la industria se aceptó hace ya bastante tiempo, la necesidad de estándares que gobernaran las acciones y las características físicas y eléctricas de los equipos de comunicación. Este punto de vista, sin embargo ha tardado en imponerse en la industria de los ordenadores.

Entre las organizaciones más importantes que han colaborado en el desarrollo de estándares en nuestra área tenemos:

ISO (International Organization for Standarization): Agrupa a 89 países, se trata de una organización voluntaria, no gubernamental, cuyos miembros han desarrollado estándares para las naciones participantes. Uno de sus comités se ocupa de los sistemas de información. Han desarrollado el modelo de referencia OSI (Open Systems Interconnection) y protocolos estándar para varios niveles del modelo.

CCITT (Comité Consultatif International de Télégraphique et Téléphonique): Organización de la Naciones Unidas constituida, en principio, por las autoridades de Correos, Telégrafos y Teléfonos (PTT) de los países miembros. Estados Unidos está representado por el departamento de Estado. Se encarga de realizar recomendaciones técnicas sobre teléfono, telégrafo e interfaces de comunicación de datos, que a menudo se reconocen como estándares. Trabaja en colaboración con ISO (que en la actualidad es miembro de CCITT).

EIA (Electronic Industries Association): Asociación vinculada al ámbito de la electrónica. Es miembro de ANSI. Sus estándares se encuadran dentro del nivel 1 del modelo de referencia OSI.

ANSI (American National Standard Institute): Asociación con fines no lucrativos, formada por fabricantes, usuarios, compañías que ofrecen servicios públicos de comunicaciones y otras organizaciones interesadas en temas de comunicación. Es el representante estadounidense en ISO. Que adopta con frecuencia los estándares ANSI como estándares internacionales.

La aceptación mayoritaria de los diferentes estándares ha supuesto un crecimiento de la oferta de equipos compatibles de diversos fabricantes, proporcionando a los usuarios una mayor libertad de elección, favoreciendo la competencia entre fabricantes e incrementando la demanda de equipos compatibles.

Sin embargo los estándares llevan también aparejados ciertos inconvenientes, como puede ser la introducción de retraso tecnológico, que ralentiza nuevos desarrollos y la multiplicidad de estándares no compatibles.

  • Arquitectura de Comunicación en el Modelo OSI:

En 1977 la Organización INTERNACIONAL DE Estandarización ISO estableció un subcomité encargado de diseñar una arquitectura de comunicación. El resultado fue el Modelo de referencia para la Interconexión de Sistemas Abiertos OSI, adoptado en 1983, que establece unas bases que permiten conectar sistemas abiertos para procesamiento de aplicaciones distribuidas. Se trata de un marco de referencia para definir estándares que permitan comunicar ordenadores heterogéneos.

Dicho modelo define una arquitectura de comunicación estructurada en siete niveles verticales. Cada nivel ejecuta un subconjunto de las funciones que se requieren para comunicar con el otro sistema. Para ello se apoya en los servicios que le ofrece el nivel inmediato inferior y ofrece sus servicios al nivel que está por encima de él. Idealmente, los cambios que se realicen en un nivel no deberían afectar a su nivel vecino mientras ni se modifiquen los servicios que le ofrece.

La tarea del subcomité ISO fue definir el conjunto de niveles y los servicios proporcionados por cada nivel. Los principios aplicados para establecer un nivel fueron los siguientes:

Diferentes niveles deben corresponder a diferentes niveles de abstracción en el manejo de los datos (por ejemplo diferencias en la morfología, la sintaxis, la semántica).

Cada nivel debe ejecutar una función bien definida.

  • Aprovechar la experiencia de protocolos anteriores. Las fronteras de niveles deben situarse donde la experiencia ha demostrado que son convenientes.

  • Establecer las divisiones de los niveles de forma que se minimice el flujo de información entre ellos.

  • El número de niveles debe ser suficiente para que no agrupen funciones distintas, pero no tan grande que haga la arquitectura inmanejable.

  • Permitir que las modificaciones de funciones o protocolos que se realicen en un nivel no afecten a los niveles contiguos.

Cada nivel debe interaccionar únicamente con los niveles contiguos a él (superior e inferiormente).