Redes de comunicación

Informática. Redes. Transmisión de datos. LAN (Local Area Network). ISO (International Standard Organization). Modelo OSI (Open Systems Interconnection). Nivel físico, de datos, de red, de transporte, de sesión, de presentación, de aplicación. Topología lógica, física

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Introducción:

Los estándares tienen un papel muy importante en las redes de área local. Si estos no existieran los usuarios estarían obligados a comprar equipos y redes propietarias de un solo fabricante, por lo que si alguna compañía o fabricante desapareciera, o bien se discontinuará alguna línea de productos, generaría altos costos para los usuarios de dichas redes y un bajo rendimiento. Es por eso que durante muchos años diversas organizaciones han estado trabajando en el desarrollo de un conjunto de estándares para los equipos de comunicaciones de datos en general, y en particular para las redes de área local.

En 1984 la organización de estándares internacionales (ISO), junto con el CCITT (Comité Consultativo en Telefonía y Telegrafía Internacional) desarrollaron el modelo OSI (Open System Interconnection) que consiste en un conjunto de niveles funcionales, en los que cada nivel tiene sus propios protocolos de comunicación, para facilitar la comunicación entre las redes de computadoras.

El modelo OSI esta basado en el concepto de aplicaciones distribuidas cooperativas (cualquier actividad que involucre el intercambio de información entre dos sistemas abiertos). En este modelo un sistema se compone de una computadora, todos su software y cualquier periférico conectado a ella.

El modelo de referencia OSI de ISO:

El modelo OSI (Open Systems Interconnection) de ISO (International Standards Organization) fue una propuesta para la estandarización de las redes de ordenadores. Este modelo tiene siete capas, diseñadas con arreglo a los siguientes principios:

  • Una capa se creará en situaciones en las que se requiera un nivel diferente de abstracción.

  • Cada capa deberá realizar una función bien definida.

  • La función que realiza cada capa deberá seleccionarse tomando en cuenta la minimización del flujo de información a través de las interfaces.

  • El número de capas será suficientemente grandes como para que las funciones diferentes no estén en la misma capa y suficientemente pequeño para que la arquitectura no sea difícil de manejar.

  • El proceso de transmisión de data, se repite hasta llegar al nivel físico, momento en el cual los datos son enviados a través del canal físico disponible hacia la máquina de destino. El nivel físico de la estación receptora recibirá el conjunto de bits de mensaje y comenzara con el proceso inverso. Capa a capa deberá ir eliminando las distintas cabeceras y transmitiendo el resultado hacia las capas superiores hasta llegar al proceso receptor.

    Evidentemente, el objeto de añadir y eliminar las cabeceras no es tener algo que hacer, sino que las cabeceras permiten a cada nivel suministrar el servicio que le fue requerido por la capa superior de acuerdo al protocolo establecido para la capa. De esta manera, la comunicación funciona como si cada capa se comunicase directamente con su homóloga en la máquina de destino a través de un canal lógico proporcionado por el resto de capas en ambas máquinas.

    Aunque la idea pueda parecer rebuscada, es similar a lo que sucede en la comunicación entre personas. Inicialmente tenemos una idea que queremos comunicar a nuestro contertulio. Esa idea es entrega a la zona del cerebro encarga del lenguaje. A su vez, el área del lenguaje se encargará de generar los impulsos nerviosos necesarios para hacer vibrar nuestras cuerdas vocales. Esta vibración se transformará en un sonido recogido por el oído de nuestro interlocutor. Los impulsos nerviosos generados por su oído serán enviados al cerebro que los transformará en palabras y de ellas extraeremos la idea.

    El proceso de la comunicación es similar si el área del lenguaje decide enviar la información al área encargada de la escritura. En este caso, el área del lenguaje estará pidiendo un servicio diferente a la capa inferior, escribir en lugar de hablar. Además, el medio físico empleado será distinto papel en lugar del aire. En cualquier caso nosotros solo somos conscientes de que enviamos o recibimos un pensamiento.

    A modo de ejemplo, supongamos como dos sistemas abiertos interconectados realizan el intercambio de información. Se ha supuesto una red formada por dos dominios constituidos por redes locales y unidas a través de una red pública de transmisión de datos. Dentro de cada red local o pública, las interfaces de cada nodo están identificadas mediante una dirección física (en caso de la red pública puede ser un número de abonado) impuesta por el propio hardware de red y que normalmente el usuario no puede modificar.

    Por razones mnemónicas a los nodos y dominios se les da nombres que permitan recordar su denominación en la red fácilmente. Estos nombres están asociados a direcciones lógicas, que son las que realmente utiliza el sistema de comunicaciones para identificar cada nodo y dominio. Por lo general el nombre o dirección de un nodo se compone de la identificación del dominio donde se encuentra junto con su identificación individual dentro de ese dominio. Las identificaciones lógicas son asignadas por los usuarios a los nodos generalmente bajo la supervisión de un administrador de la red.

    Cuando se transmite un mensaje, pasa de la capa 7 a la 1 del sistema emisor, y cada nivel añade su propia cabecera o trata el mensaje de alguna forma. Las tramas que constituyen el mensaje transmiten sobre el medio hasta el sistema receptor en el que pasan de la capa 1 a la 7, eliminándose las cabeceras y reconstituyéndose el mensaje. Cuando las funciones de una capa en particular no son necesarias, se emplea una capa nula.

    Un ejemplo sería que el mensaje esté destinado a un nodo que se encuentre en la misma red física que el nodo emisor, las funciones de encadenamiento entre entidades no son necesarias y en nivel de red y la distinción entre direcciones lógicas y físicas pierden sentido al no ser necesario para realizar el encadenamiento.

    El mensaje es adquirido por la capa de aplicación, que se implementaría como el software necesario para recoger el mensaje del teclado del usuario del terminal y enviarlo por la red. Una vez obtenido el mensaje la aplicación lo entregaría al modulo programa que implementa la capa de presentación, que adecuará el mensaje a la sintaxis de la red. En la realidad el nivel de presentación adecua estructuras de datos, representaciones de datos enteros, de coma fija, de coma flotante, comprime, encripta, etc. a una estructuras standard para el sistema de comunicación.

    Aplicación del modelo OSI:

    El propósito de los siete niveles del modelo OSI es poder segmentar las diversas funciones que se requieren para transportar la información cuando dos computadoras se comunican.

    En el modelo OSI en objetivo de cada nivel funcional es proporcionar los servicios necesarios para el nivel superior inmediato. Los niveles son abstractos, de tal forma que cada nivel asegura la comunicación con el nivel asociado en la computadora remota. En realidad, cada nivel se comunican con sus niveles adyacentes en una misma computadora.

    Excepto por el nivel más bajo en el modelo, ningún nivel proporciona información directamente a su contraparte en la computadora remota. La información generada en la computadora emisora tiene que pasar por todos los niveles del modelo del 7 al 1; despues, dicha información se transmite a través del cable de la red hasta la computadora receptora y de igual forma esta tiene que pasar por todos los niveles en orden inverso.

    La interacción entre los niveles adyacentes se llama interfaz. La interfaz define que servicio ofrece los niveles inferiores de la red a los niveles superiores y, además, la forma en que estos servicios serán accedidos; cada nivel en una computadora actua como si estuviera comunicado directamente con su nivel asociado en la computadora remota. El conjunto de normas usadas para comunicarse entre los niveles se llama protocolo.

    Niveles del modelo OSI:

    1. Nivel Físico: (phisical layer)

    El nivel físico es el encargado, primordialmente, de la transmisión de los bits de datos (0 y 1) a través de los circuitos de comunicaciones. Este es el nivel de comunicación física de circuitos. En este nivel se revisas tareas básicas como el acoplamiento de los niveles de voltaje, los factores de tiempo, definir si la comunicación es en serie o paralelo, full duplex o half duplex, reglas para iniciar y establecer la comunicación, así como para terminarla, y estándares en los tipos de los conectores.

    El propósito principal del nivel físico es definir las normas para garantizar que cuando las computadora emisor transmita un bit 1, la computadora receptora verifica que el bit 1 fue recibido y no un bit 0.

    Es fundamental recordar que el nivel 1 es la base de la conexión, la más importante y por donde la información que se transmite proviene de y hacia todos los niveles. El nivel 1 esta relacionado únicamente con hardware, mientras que los niveles del 2 al 7 están relacionados solo con software.

    El nivel físico define la forma en la que el cable se conecta a la tarjeta de la red; por ejemplo, cuantos pines debe de tener el conector y la función de cada uno de ellos. También define la técnica de transmisión que se usará para enviar la información a través del medio de transmisión de la red.

    2. Nivel de Datos: (data link layer)

    El nivel de datos es donde los bits tienen algún significado en la red y puede equipararse con el departamento de recepción y envió de una compañía manufacturera, el cual debe tomar los paquetes que reciben del nivel de red y prepararlos en la forma correcta (tramas) para poder enviarlos (transmitirlos) por el nivel físico.

    De igual forma sucede cuando recibes paquetes (bits) del nivel físico y tienes que ponerlos correctamente (trama) para verificar si la información que esta recibiendo esta libre de errores, si los paquetes vienen en orden, sino faltan algunos de ellos, etc., para poder entregarlos al nivel de red sin ningún error.

    Dentro de sus funciones se incluye la de notificar al emisor si alguna trama se recibió en mal estado, o si se omitieron algunas de las tramas y se requiere que sean enviadas nuevamente (retransmisión); de igual manera se debe notificar si una traba esta duplicada o si llego sin problema. Es responsable de saber en donde comienza la transmisión y en donde termina, así como de garantizar hasta que punto tanto la computadora emisora como la receptora están sincronizadas y si emplean el mismo sistema de codificación y decodificación.

    El nivel datos tiene a su cargo la integridad de la recepción y del envió de la información.

    3. Nivel de red: (Network layer)

    Este nivel determina la ruta del mensaje desde la computadora emisora hasta la receptora, dependiendo de las condiciones de la red.

    El nivel de red es el responsable del direccionamiento de mensajes y de la conversión de las direcciones y de los nombre lógicos a físicos.

    Dentro de las funciones de enrutamiento de mensajes evalúa el mejor camino que debe seguir el paquete dependiendo del trafico en la red, el nivel de servicios, etc. Los problemas de trafico que controla tienen que ver con el enrutamiento (routing), intercambio (switching) y gestionamiento de paquetes en la red.

    El nivel de red maneja pequeños paquetes de datos juntos para su transmisión a través de la red, así como la reestructuración de grandes tramas de datos en paquetes pequeños. En la computadora receptora se reensamblan los paquetes en su estructura de datos original (trama).

    A la información proveniente del nivel de transporte se le añaden componentes apropiados para su enrutamiento en la red y para mantener un cierto nivel en el control de errores. La información se presenta según el método de comunicaciones utilizado para acceder a la red de área local, la red de área extendida como los enlaces T1, la conmutación de paquetes como X.25, etc. Por ejemplo, el protocolo IP (Internet Protocol) es uno de los protocolos que se usa en este nivel de red.

    4. Nivel de transporte: (transport layer)

    En el nivel de transporte se establece, mantienen y terminan las conexiones lógicas para la transferencia de información entre usuarios.

    El nivel de transporte provee un mecanismo de intercambio de información muy confiable entre las computadoras, debido a que es el responsable del manejo de la detección y corrección de errores.

    Este nivel se relaciona con beneficios como son el manejo de las direcciones de la red, el establecimiento de circuitos virtuales y los procedimientos de entrada y salida de esta. Solamente al alcanzar el nivel superior de transporte (sesión) se podrán observar los beneficios notorios para el usuario final.

    Este nivel puede incluir las especificaciones de los mensajes de Broadcast (Difusión), los tipos de datagramas, los servicios de correo electrónicos, las prioridades de los mensajes, la recolección de la información y su administración, la seguridad, los tiempos de respuesta, las estrategias de recuperación en caso de falla y la segmentación cuando el paquete excede su tamaño máximo según el protocolo.

    5. Nivel de Sesión: (session layer)

    Este nivel es el que permite que dos aplicaciones en diferentes computadoras establezcan, usen y finalicen la conexión llamada sesión. El nivel de sesión maneja el dialogo que de requiere en la comunicación de dos dispositivos. Establece reglas para poder iniciar y finalizar la comunicación entre dispositivos y puede brindar el servicio de recuperación de errores, es decir, si la comunicación falla y esto es detectado, el nivel de sesión puede retransmitir la información para completar el proceso en la comunicación.

    En resumen, el nivel de sesión es el responsable de iniciar, mantener y terminar cada sesión lógica entre usuarios finales.

    Para poder entender mejor este nivel se hará una comparación con el sistema telefónico. Cuando uno levanta el teléfono espera el tono y maraca un numero, en ese momento se esta creando una conexión física que va desde el nivel 1 (físico) como un protocolo de persona a red. Al momento de hablar con la persona en el otro extremo del teléfono, uno se encuentra en una sesión persona a persona. En otras palabras, la sesión es el dialogo de las dos personas que transporta por el circuito del teléfono. En ese nivel se ejecutan funciones de reconocimiento de nombres para el caso de seguridad relacionado con aplicaciones que requieren comunicarse a través de la red.

    6. Nivel de presentación: (presentation layer)

    En este nivel se traduce o se transfiere la información recibida en el formato del nivel de aplicación o un formato intermediario reconocido. En la computadora receptora la información se traduce o transfiere del formato intermediario al formato usado en su propio nivel de aplicación.

    El nivel de presentación maneja beneficios como la administración de la seguridad en la red; por ejemplo, la codificación y decodificación, el encriptado, la compresión y descompresión, el cifrado y descifrado. También brinda las normas para la transferencia de información y comprime datos para reducir el número de bits que necesitan ser transmitidos.

    El nivel de presentación define el formato en que la información será presentada al usuario e intercambiada entre ellos, así como la sintaxis usada entre las aplicaciones.

    7. Nivel de Aplicación: (application layer)

    Este nivel es el nivel más alto y sirve como una ventana para los procesos de las misma índole al acceder a los servicios de la red.

    El nivel de aplicación representa el servicio que soporta directamente las aplicaciones de usuario.

    En estas aplicaciones se encuentran el software para transferencia de archivos, acceso a bases de datos y correo electrónico.

    Topologías de las redes:

    Topologías:

    Unos de los aspectos determinante de una red es su topología o, lo que es lo mismo, cómo están interconectados entre sí las computadoras que conforman la red de área local. De una forma más rigurosa, se define topología de una red a la forma en la que se distribuyen las estaciones de trabajo y las conexiones a la red.

    Para cada red de área local se deben definir dos tipos de topologías: la topología lógica y la topología física. Aunque en un primer momento pudiera parecer difícil distinguir un tipo de topología del otro, con el término físico identificamos la disposición de las conexiones físicas a la red, esto es, los criterios que se siguen para conformar la estructura de la red, mientras que con el término lógico se pretende resaltar el comportamiento que tendrán las estaciones al comunicarse.

    Se desglosará a continuación cada una de ellas:

    a) Topología lógica. Define cómo se distribuyen los datos entre las estaciones que componen la red.

    - Topología lógica en bus. Los datos se difunden sin ningún orden preestablecido, es decir, cualquier estación puede capturar los mensajes del medio de transmisión.

    -Topología lógica en anillo. Los datos se difunden con un orden preestablecido, por ejemplo, A, B, C, etc., es decir, si una estación A transmite un mensaje, éste pasa a B, independientemente de si va dirigido a la estación B o a otra, luego por C, etc. El mensaje continúa su recorrido en orden, hasta alcanzar a la estación destino.

    b) Topología física. Las estaciones de trabajo de una red se comunican entre sí mediante una conexión física, y el objeto de la topología es buscar la forma más económica y eficaz de conectarlas para, al mismo tiempo, facilitar la fiabilidad del sistema, evitar los tiempos de espera en la transmisión de los datos, permitir de manera eficiente el aumento de estaciones dentro de la red, etc. Las distintas opciones a la hora de determinar la topología son:

    - Topología física en estrella. Esta es una de las primera estructuras que se utilizaron; en ella, todas las estaciones están conectadas a un dispositivo central, una computadora o elemento intercomunicador.

    Todas las comunicaciones entre las estaciones se hacen a través del elemento central, que se encarga de controlar las prioridades, supervisando la procedencia de los mensajes, así como su distribución. Normalmente el elemento central realizará las labores propias de un servidor, aunque también puede únicamente dedicarse a la interconexión.

    Esta configuración presenta buena flexibilidad para incrementar o disminuir el número de estaciones; su comportamiento ante fallos de las estaciones de trabajo es excelente, ya que la red no ve afectada su actividad. Sin embargo, si el fallo se produce en la computadora central, el resultado es catastrófico, ya que la red queda paralizada.

    El diagnostico de problemas en la red es simple, debido a que todas las computadoras están conectadas al elemento central y disponen de medios independientes de transmisión. Esto es un factor que repercute negativamente, cuando se pretende utilizar esta topología para sistemas con un número elevado de estaciones, ya que al agruparse todas las conexiones en un único dispositivo central, la gestión se convierte en una tarea crítica, propensa a errores.

    Dadas las características de la topología, las comunicaciones entre las estaciones y el elemento de conexión central son muy rápidas; en cambio, introduce un retardo a considerar en las comunicaciones entre estaciones de trabajo.

    - Topología física en bus. En esta estructura de red, todas las estaciones de trabajo comparten el medio de transmisión, toda la información es transmitida por él y todas y cada una de las estaciones la reciben. Cada estación recogerá únicamente la información que tenga su dirección.

    El canal se comporta como un elemento pasivo, por lo que las señales se propagan bidireccionalmente. En los extremos del bus se colocan resistencias de terminación (RT) que absorben la señal. Cada estación se inserta en la red mediante un TAP, que incluye un transceiver (transmisor y receptor).

    Los TAP producen pequeñas reflexiones de la señal, por lo que conviene predeterminar su posición en el bus, de forma que estas reflexiones no acaben sumándose y destruyendo la señal. La distancia total del bus está limitada debido a la atenuación total de la señal en el medio de transmisión, ya que la señal de cada estación debe llegar a todas las demás.

    Este tipo de topología es la menos sensible a la pérdida de cualquier estación, ya que el resto de computadoras podrán seguir comunicándose entre sí, al existir siempre un medio de transmisión entre dos puestos cualesquiera. La cantidad de medio de transmisión que se utiliza es mínima, sobre todo en comparación con la topología física en estrella, que exigen un cable desde cada estación al elemento central de conexión.

    Esta es la configuración de red más difundida. El inconveniente de esta topología es el control de acceso al medio, ya que, aunque varias estaciones intenten transmitir a la vez, al existir un único medio de transmisión, sólo una de ellas puede hacerlo, por lo que se deberán de establecer de los adecuados mecanismos que permitan la comunicación. Además, resulta complicado determinar los puntos en los que se producen problemas de cableado, ya que todas las estaciones utilizan el mismo medio.

    Aunque la topología lógica en bus parece inevitablemente unida a esta topología física, también se puede utilizar la topología lógica en anillo. En ese caso, cuando una estación A desea enviar un mensaje a C, transmitirá los datos y los recogerá única y exclusivamente la estación B, ya que es la estación sucesora a A. Luego B retransmite el mensaje al ver que no es para él y llega a C, que obtiene la información, pero cambia algunos bits de redundancia para indicar que lo ha recibido y lo reenvía a la siguiente estación. Finalmente, cuando el mensaje regresa a A, ésta retira la de entrada y retransmitirlo por el de salida.

    - Topología física en anillo. Todas las estaciones están conectadas entre sí formando un anillo, de modo que cada estación tiene conexión directa a otras dos. Los datos viajan por el anillo de estación en estación, de manera que cualquier información pasa por todas las estaciones hasta llegar al destino, donde se recibe. Cada estación se queda con la información que va dirigida a ella y retransmite al nodo siguiente los mensajes que tienen otra dirección.

    El anillo físico suele formarse mediante la unión entre elementos específicos denominados concentradores. Este dispositivo, además de crear el anillo, permite añadir o eliminar estaciones sin tener que detener el funcionamiento de la red. Hay que tener en cuenta que, cuando se suprime una estación, el anillo queda roto y es necesario reconectar las dos partes del anillo para que la red siga funcionando. El concentrador realiza esta tarea automáticamente.

    - Topología física en árbol. Es la generalización de la topología física en bus en la que el medio de transmisión se ramifica en buses laterales.

    A cada uno de los tramos del bus se le denomina segmento y es necesario un elemento de interconexión (EI) para unir segmentos entre sí. Este dispositivo puede tener muchos grados de complicación, aunque lo más normal es que sea un simple repetidor, es decir, un aparato cuya única tarea es retransmitir a un bus todas las señales que detecta en el bus contrario.

    - Topología física en estrella/bus. Esta topología física se realiza construyendo una estructura de bus con elementos centrales de conexión de diferentes estructuras en estrella, es decir, se unen diferentes redes en estrella interconectando los elementos centrales de dichas redes. La conexión de estos últimos adopta una estructura en bus.

    'Redes de comunicación'

  • Estrella.

  • Anillo.

  • Arbol.

  • Completa.

  • Intersección de anillos.

  • Irregular.

  • Conclusión:

    El modelo OSI considera siete niveles funcionales con lo que diseña el software de comunicaciones: nivel físico, nivel de datos, nivel de red, nivel de transporte, nivel de sesión, nivel de presentación y nivel de aplicación. La instauración de dicho modelo, aparte de los beneficios que trae consigo facilita el reemplazo de piezas, la escalabilidad de los equipos y la administración de los recursos que conforman a las redes de área local.

    OSI es un software que maneja la transmisión de los mensajes de una terminal o programa aplicativo, con otra terminal o programa aplicativo, separados e interconectados en una red.

    Este modelo esta dirigido al intercambio de información entre dos sistemas abiertos, más que al funcionamiento interno de los mismos.

    La visión del modelo OSI es poden conectar cualquier equipo de comunicación de datos y cualquier tipo de software con otros equipos y software, sin importar que compañía los fabricó, y así poder minimizar el trabajo del usuario final y la complejidad al momento de la interoperabilidad de las redes y de los sistemas actuales.

    Bibliografía

    • SHELDON, Tom, “Netware 4.1” Editorial McGraw-Hill. 1996. España.

    • Curso de adiestramiento “Manual de Redes”. U.S.B. 1999.

    • “Redes de comunicación.” 1998.

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