ARQUITECTURA DE LAS COMUNICACIONES

CONCEPTOS BÁSICOS

La arquitectura de las comunicaciones es una estructura organizada jerárquicamente con el fin de permitir el intercambio de datos entre niveles lógicos semejantes en distintas máquinas o terminales de la misma o distinta red.

Ordenadores: equipos emisores y receptores con capacidad de mantener una comunicación.

Host o nodo: ordenador con capacidad de interactuar en red.

Sistema aislado: Ordenador incapaz de comunicarse con el exterior por vía telemática.

Sistema temporalmente remoto: un ordenador con recursos telemáticos de comunicación que realiza conexiones temporales. Las estaciones de los usuarios solo pertenecen a la red cuando se produce la conexión.

Redes de ordenadores: Distintos equipos se conectan a través de redes de datos, pero sin perder su identidad propia.

Sistemas distribuidos: Está compuesto por una red de ordenadores que es totalmente transparente al usuario. La red se comporta como un sistema que gestiona todos los recursos de los ordenadores que posee.

Protocolo de comunicaciones: es un conjunto de reglas perfectamente ordenadas y convenidas de mutuo acuerdo entre los participantes en una comunicación y su misión es regular algún aspecto de la misma.

Capa o nivel: es una estructura jerarquizada de las diferentes funciones y servicios que realiza la red. Su misión es proveer servicios a la capa inmediatamente superior y solicitar servicios a la capa inmediatamente inferior, haciendo trasparente el modo en que estos se llevan a cabo.

Interface entre capas: son las normas de comunicación entre capas, o sea la definición de los servicios y operaciones que la capa inferior ofrece a la superior.

Primitivas: Son llamadas entrantes o salientes en cada una de las capas que sirven para solicitar servicios, devolver resultados, confirmar las peticiones, etc.

Arquitectura de la red: conjunto organizado de capas y protocolos de la misma.

Sistemas abiertos: conjunto de uno o más ordenadores, el software asociado, los periféricos, los procesos físicos, los medios de transmisión de la información, etc. que constituyen un todo autónomo capaz de realizar un tratamiento a la información, interconectarse con otros de acuerdo a normas establecidas.

OSI (open system interconnection) Interconexión de sistemas abiertos: Se ocupa del intercambio de información entre sistemas y su objetivo es la confección de una serie de normas que permitan la intercomunicación entre estos.

EL MODELO ARQUITECTÓNICO DE CAPAS DE RED

En una arquitectura de red basadas en capas, existen varios niveles de capas con interfaces entre ellas. Las interfaces proporcionan los puntos de acceso a los diferentes servicios que cada capa provee; la primera capa no tiene otra por debajo a quien solicitar servicios, ésta se encarga de operar con los medios de transmisión .

Una ventaja de esta arquitectura es que es poco sensible a los cambios tecnológicos que se producen por evolución en las funciones y en los servicios de las redes lo que las hace enormemente flexibles.

El proceso de comunicación se produce entre capas equivalentes de dos host distintos. La información va descendiendo por la estructura de capas del host emisor hasta llegar al nivel más bajo, de donde pasa al host receptor y aquí se inicia el viaje ascendente hasta llegar a la capa equivalente en el host de destino. La capa N de un host emisor se comunica con la capa N de un receptor a través de un protocolo que enmascara el proceso desencadenado en las capas de nivel inferior haciéndolo transparente. La capa 1 opera con transmisiones en el nivel físico, es decir con señales; el resto de las capas opera con comunicaciones.

EL MODELO DE REFERENCIA OSI

OSI es el nombre de una arquitectura de capas para redes de ordenadores y sistemas distribuidos propuesto por la ISO como estándar de interconexión de sistemas abiertos.

Conceptos del modelo OSI:

• Entidades: son elementos activos, tanto de software como de hardware, que se encuentran en cada una de las capas. A las entidades de la misma capa, residentes en distintos nodos, se les llama entidades pares o iguales.

• Punto de acceso al servicio SAP: son los puntos en los que una capa puede encontrar disponibles los servicio de la capa inmediatamente inferior. Cada SAP tiene una dirección que lo identifica y por la que se invoca el servicio

• Unidad de datos del interfaz IDU: Es el bloque informativo que la entidad de una capa superior pasa a la inferior a través del interface entre ellas. Está compuesto por un campo ICI y un campo SDU

• Información para el control de interface ICI: campo del IDU que controla el interface

• Unidad de datos del servicio SDU: Es la información que se pasa a través de la red a la entidad par.

• Unidad de datos del protocolo PDU: Es el campo compuesto por el SDU más la cabecera de control. Cuando el tamaño de la información no es adecuado para transmitirla directamente, hay que fraccionarlo y ponerle alguna cabecera con información de control necesaria para el interface y para la propia capa. Si estamos operando en la capa N, el PDU recibe el nombre de N-PDU.

La estructura de capas en OSI: El modelo OSI propone siete capas o niveles diseñadas teniendo en cuenta los siguientes factores:

• Una capa se identifica con un nivel de abstracción.

• Cada capa debe tener una función perfectamente definida.

• La función de cada capa debe elegirse de modo que sea posible la definición posterior de protocolos.

• Se disminuirá al máximo el flujo de información entre las capas a través de los interfaces.

• Las capas serán tan numerosas como sea necesario para que dos funciones muy distintas no tengan que convivir en la misma capa.

La comunicación entre las capas: La comunicación se realiza a través del interface, y se da por un sistema de llamadas y respuestas denominado primitivas. Cada servicio es el conjunto de primitivas que cada capa ofrece a través de su interface a la capa superior y está nominado por un SAP que lo identifica unívocamente dentro de cada interface.

OSI define cuatro primitivas:

La primitiva de un servicio se construye escribiendo el nombre del servicio(en mayúsculas) seguido por un punto y la primita fundamental. Ejemplo CONNECT.request para hacer una petición.

Tipos de servicios definidos en OSI: Existen dos tipos de servicios:

Servicios orientados a la conexión: requieren el establecimiento inicial de una conexión y la ruptura o liberación final de la misma, en donde se produce el intercambio de datos del usuario. Los bloques de datos se reciben en el mismo orden en que fueron emitidos y todos los paquetes siguen la ruta conseguida en la conexión, por ejemplo el servicio telefónico.

Estos tienen dos variantes:

• Secuencia de mensajes: Se establecen fronteras que definen y determinan cada mensaje.

• Secuencia de bytes: no hay contorno entre los mensajes. Cada mensaje es una secuencia de caracteres dejando al receptor la responsabilidad de su interpretación.

Servicios sin conexión: Ofrecen la capacidad de comunicación sin realizar una conexión con el destinatario. Se envían paquete de datos con la dirección de destino, confiando en que la red conduzca los datos por la ruta adecuada. En algunos casos, el receptor debe enviar acuse de recibo al emisor, por ejemplo el sistema postal.

Existen varios tipos de servicio sin conexión:

• Servicio de datagrama sin confirmación: no necesita confirmación por parte del receptor, ejemplo protocolo IP

• Servicio de datagrama con confirmación: se envía confirmación al emisor, ejemplo correo electrónico con acuse de recibo.

• Servicio de petición y respuesta: se basa en que a cada petición le sigue una respuesta. Ejemplo, en una base de datos.

LOS NIVELES OSI ORIENTADOS A LA RED

Un ordenador puede soportar múltiples aplicaciones simultáneas que solicitan servicios de comunicación a la capa de transporte. A su vez, la capa de transporte debe solicitar servicios a la subred con el fin de elegir la que sea más necesaria, la ruta más conveniente y el fraccionamiento de datos más adecuado. Muchas comunicaciones de alto nivel pueden ser ejecutadas por múltiples transmisiones de bajo nivel. Sin embargo el nivel de la capa de transporte tiene que ser común.

OTRAS ARQUITECTURAS Y REDES

Siendo el modelo de referencia OSI teórico, no hay ninguna red 100% OSI, y existen otras arquitecturas que han evolucionado, siendo compatibles con OSI. Algunas son:

LA ARQUITECTURA SNA DE IBM

SNA (system network architecture). Red propia de IBM. El modelo OSI se configuró a partir de SNA, de donde toma el número de funciones aproximadas de sus capas.

La primera versión comenzó en 1974 para gestionar redes en forma de árbol con un solo host al que se conectaban sus terminales. La segunda versión en 1976, en ella se permitían varios host con sus respectivos árboles pudiendo establecer comunicación entre ellos. En 1985 se incluyeron el resto de las topologías y relaciones de área local.

SNA está constituido por un conjunto de máquinas conectadas ala red y llamadas nodos, que se pueden denominar como terminales, controladores, procesadores frontales y los hosts.

Cada uno de estos nodos tienen una NAU(network address unit) unidad de direccionamiento de red, que es el software por el que un proceso puede llegar a utilizar la red. Hay varios tipos de NAU. EL conjunto de hardware y software controlado por una NAU de tipo SSCP es lo que se llama dominio en SNA.

El número de capas es igual al de OSI, pero no hay correspondencia exacta entre ellas.

LA ARQUITECTURA DNA DE DEC

DNA (digital network architecture) es la arquitectura de red compuesta por DEC (digital equipment corporation). Consta de siete capas semejantes a las de OSI.

Relación de las capas entre las arquitecturas OSI, SNA y DNA

LA ARQUITECTURA DE ARPANET

Arpanet no sigue el modelo OSI. Tiene protocolos equivalentes a lo que en OSI serían la capa de red y de transporte. Los más conocidos son:

IP (Internet protocol): protocolo entre redes. Protocolo sin conexión diseñado para la interconexión de redes WAN y LAN.

TCP (Transmission control protocol) protocolo de control de transmisión. Protocolo orientado a la conexión equivalente en OSI a la capa de transporte en cuento a su función, aunque difiere de su formato.

Entre las capas de presentación y sesión, ARPANET no tiene protocolos, pero en la de aplicación si hay varios. Los más conocidos son:

FTP (files trasnfer protocol) protocolo de transferencia de ficheros de un ordenador a otro.

SMPT (simple Mail Protocol Transfer) protocolo de simple de transferencia de correo electrónico a través se la red.

TELNET: protocolo de conexión remota utilizado para conexiones remotas gestionadas como terminales virtuales.

ARPANET se ha convertido un estándar de hecho, multiplicando su utilización debido al Internet.

LA ESTRUCUTURA DE LAS REDES DE AREA LOCAL

Un ordenador se puede considerar como una entidad que se relaciona con otros ordenadores o dispositivos de comunicación. Cuando las comunicaciones entre equipos se extiende en una zona geográfica limitada, se exige una elevada velocidad de transmisión de datos y una tasa de error mínima, nos encontramos entonces en el campo de las LAN (Local Area Network) o redes de área local. Una LAN puede incorporar protocolos de múltiples capas, aunque numero de protocolos pertenece a las capas inferiores.

El Nivel Físico

Esta regido por las física de la comunicación. Una de las dificultades en la transmisión de datos se debe a la limitación del ancho de banda de los equipos ( si es pequeña transmite a baja velocidad), otro problema es el ruido, si la razón señal/ruido es baja, aparecen dificultades en la interpretación de la señal y desciende el caudal de información.

• La capacidad de un canal: para averiguar la máxima capacidad de comunicación de datos (caudal) de un canal, tenemos dos respuestas:

Velocidad Máxima de Datos

• Tipologías básicas: es la forma de la red organizada de acuerdo a normas establecidas y estándares propuestos

• Funciones del nivel físico: Define las características necesarias para conseguir que las tramas de bits puedan ser emitidas por los medios de transmisión adecuados en forma de señales. Para ello se utiliza una gran cantidad de recursos:

• Los medios de transmisión de señal: cables de pares, coaxiales, fibras ópticas, etc.

• Transmisiones analógicas a través de líneas telefónicas utilizando módems con diferentes técnicas de modulación.

• Transmisiones digitales a través de redes digitales de transmisión de datos utilizando técnicas de modulación digital

• técnicas de mutiplexación en el tiempo y la frecuencia

• técnicas de concentración de canales

• Técnicas de conmutación: de circuitos, de mensajes y de paquetes

• Transmisión en serie o paralelo

• Transmisión síncrona o asíncrona

El Nivel de Enlace

Asegura una conexión libre de errores, organiza los bits en forma de tramas y los pasa la capa física para ser transmitidos. Tiene dos funciones:

Averiguar si un canal esta libre y si lo esta, saber si un nodo puede o no apropiarse de los recursos (sub capa Mac) y cómo confeccionar las tramas y como saber si son correctas (subcapa DDL -Data Link Control- control de datos lógicos).

La primera función da origen a una subcapa:

• La subcapa Mac (Media Access Control) Control de acceso al medio: es muy importante en las LAN que utilizan un canal común de acceso múltiple como base de sus comunicaciones. Su principal función es como determinar el derecho de acceso al canal compartido por todos los equipos conectados a la misma red, para lo cual existe 5 hipótesis

Combinando estas hipótesis se proporcionan sistemas de establecimiento de las características de acceso al medio de transmisión. Un sistema de contienda se establece cuando se elige una solución concreta. El tiempo de contienda se da cuando dos estaciones desean transmitir y esperan que el canal se libere, volcando su información simultáneamente. Algunos de estos sistemas son:

• El protocolo Aloha: cualquier estación que tenga datos que transmitir lo hace inmediatamente y esto puede provocar colisiones que se descubren escuchando el canal: si lo que se escucha no es lo que se puso es que hay una colisión. En este caso se espera un tiempo y se vuelve a intentar nuevamente. El rendimiento es muy bajo y especialmente critico cuando se incrementa el número de estaciones en la red .

• Protocolo CSMA p-persistente (Carrier Sense múltiple Access): permiten el acceso múltiple a un único canal y averiguan si el canal esta libre por detección en él de señal portadora. Llevan asociados un indice de persistencia p (número real entre cero y uno) lo que indica una probabilidad de envió. Si dos estaciones estuvieran esperando la liberación del canal a la vez con un protocolo 1-persistente, las dos iniciarían la transmisión simultáneamente y habría colisión; si la probabilidad de emisión no es 1 sino que es menor, entonces la probabilidad de colisión también descenderá. Existe un protocolo CSMA no persistente: si el canal esta ocupado se vuelve a intentar después de un tiempo aleatorio, haciendo mas difícil que dos estaciones coincidan en leer el canal libre y así hay una menos probabilidad de colisión.

• Protocolo CSMA/CD: La técnica CD (collission detect) implica que las estaciones permanezcan a la escucha mientras transmiten sus tramas, si reconocen una colisión suspenden inmediatamente la transmisión ahorrando tiempo y ancho de banda del canal.

• Protocolo sin Colisión: Para establecer la contienda, la red divide su tiempo de contienda en ranuras, una ranura de tiempo por cada estación conectada a la red. Cada estación escribe en el canal un bit “1” indicando que necesita transmitir o “0” indicando que no necesita competir por los recursos de la red, así ninguna estación se adelantará a otra

La Subcapa Superior del Nivel de Enlace

Su principal función es garantizar la comunicación libre de errores de las tramas construidas con la información recibida del nivel de red.

Servicios: Provee tres tipos de servicios:

• Servicio sin conexión y sin confirmación: envía tramas sin esperar confirmación. La responsabilidad de corregir algún error esta en las capa superiores. Es un servicio propio de redes con tasa de error muy baja y con aplicaciones en tiempo real.

• Servicio sin conexión y con confirmación: por cada trama transmitida se espera la confirmación, si no llega o se confirma que la transmisión fue errónea, se retransmite la trama.

• Servicio con conexión: antes de producir el intercambio de tramas se establece una conexión entre emisor y receptor

Confección de las tramas

Una trama es una asociación de bits conformada tanto por la información de usuario como por la información de control. Las técnicas de asociación de los bits se denomina entramado o framing. La primera función de entramado es delimitar donde comienza y acaba las tramas, la segunda es averiguar si se produjeron errores en la transmisión; veamos los métodos mas comunes para la delimitación:

• Cómputo de caracteres transmitidos según un código de transmisión: aquí se incorpora un campo inicial donde se indica el número de caracteres de la trama; el receptor lee este campo para ver cuantos caracteres vienen detrás. Los otros caracteres corresponden al campo de longitud de una nueva trama.

• Técnica de inserción de carácter y caracteres delimitadores. Cada trama comienza con un carácter o conjunto de caracteres ASCII <DEL><STX> para el inicio y <DLE><ETX> para el final. Este es el método empleado por la sincronización de bloques.

• Técnica de inserción de bit y banderas delimitadoras. Las banderas son secuencias de bits que delimitan las tramas. Una bandera muy común es <<01111110>>, con ella se dice que cuando lleguen seis unos seguidos delimitados por ceros, llega al final o al inicio de una trama, cuando la información de la trama tenga también seis unos, se emplea la técnica de inserción de bit o bis stuffing que inserta un cero después del quinto uno, esto lo debe tener en cuenta el receptor

• Alternación del código en la capa física. Aquí los delimitadores consisten en enviar una secuencia de señales que no pertenecen al código de emisión.

Control de errores

Lo normal en las LAN es enviar al emisor información de retroalimentación donde especifique el estado en que llegó la trama. Si un protocolo tiene prevista la recepción de una trama de confirmación y no llega podría suspender la emisión de nuevas tramas por tiempo indefinido. Para esto esta previsto un sistema de temporizadores. Cuando el emisor manda una trama, el temporizador se dispara. Si al terminar el temporizador no se ha recibido confirmación, entonces se entiende que la trama no pudo llegar y se retransmite. Si lo que se perdió fue la confirmación, entonces el receptor puede recibir varias veces la misma trama, para poder gestionar esto, lo que se hace es numerar las tramas en el emisor, de este modo el receptor las identificará como copias y filtrara las duplicadas.

Control de flujo

El control de flujo es la solución a las velocidades de transmisión o de aceptación de datos son diferentes. Es por tanto un sistema que regula el tráfico en la red. Esta necesita información de retroalimentación entre emisor y receptor. Lo más común es que no se transmitan tramas hasta que el receptor no haya dado permiso para que sean transmitidas y cuando lo hace, dice cuántas tramas puede recibir.

Gestión del enlace de datos

Cuando es entre dos ordenadores, la gestión de enlace es muy simple: hay un emisor y un receptor y pueden intercambiar sus papeles. El problema se complica cuando tengo múltiples ordenadores, puesto que hay que gestionar quién, cuándo, cómo y con quién. Algunos sistemas de gestión requieren una estación primaria que lleve el peso de la gestión. Se creó un sistema de sondeo donde la estación primaria pregunta a la secundaria por sus necesidades de transmisión, estableciendo un permiso para la utilización del enlace.

En las LAN, lo mas común es que todos los nodos de la red tengan los mismo derechos de transmisión.

Protocolos de la capa de enlace

El número de los protocolos de la capa de enlace es enorme y crece continuamente. En las redes públicas el protocolo es HDLC y sus derivados SDLC, LAPB, LAPM, LAPX, etc. En ARPANET el protocolo más cercano equivalente es IMP - IMP. Otro protocolo de capa 2 es LLC quien está ligado al HDLC.

Las capas de red y de transporte

En la capa de red de operan las funciones de las subredes, es decir, aquello que hace transparente la tecnología de la red al resto de los servicios de alto nivel. También puede ofrecer servicios con conexión o sin conexión. Las unidades de datos PDU de esta capa se llaman Paquetes. Proporciona un modo de nombrar los nodos para su uso desde la capa de transporte. Los IMP (Interface Message Processor) son un dispositivo lógico y físico que actúa de intercomunicador llevando una dirección que lo identifica unívocamente en la red.

Algunos de las funciones de la capa de red son:

• Encaminamiento: Se encarga de que los paquetes lleguen a su destino eligiendo la ruta apropiada.

• Tratamiento de la congestión: Se encarga de detectar, diagnosticar y corregir los problemas generados por sobrecarga de paquetes en la red.

• Internetworking o Interconexiones entre redes: resuelve el problema creado cuando el emisor y el receptor no están en la misma red.

Algunos protocolos utilizados en las LAN para la capa de red son: Redes públicas X.25, red ARPANET con su protocolo por excelencia IP.

La capa de transporte es el núcleo de la jerarquía de capas y su misión es garantizar la seguridad y proveer un transporte de datos a un coste efectivo independiente de la red en uso. Para efectuar una conexión se verifican una serie de parámetros en el emisor y en el receptor, tales como: la probabilidad de fallo en la conexión el nivel de flujo de datos, la probabilidad de fallo en la transferencia de datos, etc.

OSI aconseja un protocolo de transporte con cinco variantes o clases dependiendo de su seguridad, si una sola sesión de red puede o no soportar varias conexiones de transporte, si la conexión se podría recuperar, etc. EL protocolo más utilizado es TCP, proporcionado por ARPANET.

Los niveles orientados al usuario

Los protocolos de alto nivel, simplifican las peticiones de servicios de la red para los usuarios, y convierte los paquetes en un número de señales que se transmitirán por una o varias líneas de comunicación.

En la capa de sesión aparece el protocolo RPC (Remote Procedure Call), orientado a la ejecución remota de tareas y utilizado en aplicaciones cliente servidor y en accesos a bases de datos distribuidos.

En la capa de presentación, se propone la resolución de la representación de los datos, la comprensión de los mismos, la seguridad y la privacidad en la red, etc. Para lo cual se ha desarrollado el lenguaje ASN.1 (Abstract Syntax Notation 1) que codifica datos como : integer, bolean, bi stream, octect stream, any, null y object identifier.

La capa de aplicación es la más próxima al usuario, y sus servicios se relacionan con las aplicaciones que se ejecutan sobre el sistema operativo como la transferencia, acceso y manipulación de ficheros, correo electrónico con o sin confirmación, conexiones de terminales virtuales y otros simuladores, servicios de directorio electrónico, etc. Los protocolos de esta capa se han multiplicado.