CONCEPTOS BASICOS DE REDES

CONCEPTOS BASICOS DE REDES

TEMA 1.- INTROUDUCCIÓN

Redes de comunicaciones

Para comunicar dos aplicaciones se utilizan llamadas al S.O, es decir, tenemos la interfície de comunicaciones del sistema operativo (pipes, mailbox, FIFO, etc.)

A la hora de comunicar aplicaciones que se encuentran en diferentes ordenadores, esta comunicación se ha de realizar mediante hardware, y no como antes que se hacia mediante ficheros utilizando las llamadas write y read. Ahora las aplicaciones siguen utilizando estas llamadas, pero el S.O las ha de interpretar de diferente forma.

La información se ha de convertir en señales eléctricas (voltajes) ya que el hardware es lo que utiliza. En el estado de reposo de un cable, puede haber un voltaje y tenemos que diferenciar cuando hay y cuando no hay información. Para diferenciar estas situaciones se encapsula la información en lo que se llama, una trama, es decir, sabemos cuando empieza y cuando acaba la información.

Por lo tanto necesitamos unas funciones para poder “encapsular” esta información (abrir fichero, encapsular información, convertir la información de voltajes, etc.). De este tipo de funciones surgió la idea de realizar la caracterización de las redes por niveles. Estos niveles son los siguientes:

• Físico: define el tipo de conector, la tarjeta..., el hardware necesario para crear la red.

• Enlace: proceso que actúa de interfície entre la aplicación y el hardware.

• Aplicación: proceso creado por nosotros mismos.

Con una distancia larga el voltaje que se recibe es mucho menor que la que se ha emitido (hasta puede tener diferente forma, que no sea cuadrada). Esta distorsión es debido a que el cable irradia, es decir, pierde información, y puede captar otras comunicaciones ya que actúa como antena. Para solucionar esto, el nivel enlace debe tener unas funciones que traten la gestión de errores:

• Entramar.

• Detectar errores.

• Control de errores.

• Control de flujo: regular la cantidad de información que viaja a través de la red. Un ordenador puede ser mas lento que el que recibe la información.

Ahora tenemos dos ordenadores conectados pero donde puede haber mas de una aplicación ejecutándose a la vez. Ahora las aplicaciones llaman siempre al mismo proceso de enlace, y este no sabría a que aplicación dar la información que le llega, para solucionar esto tenemos la función de multiplexar. Para multiplexar hay que poner un identificador, este identificador de aplicación se guardará en la trama junto con la información de control de errores.

Ahora intentaremos conectar mas de dos ordenadores formando una red.

Con la conexión que hemos estado utilizando hasta ahora (tipo punto a punto) no es factible ya que aumenta de forma muy rápida el número de enlaces necesarios con pocos ordenadores, veamos un ejemplo:

Para solucionar estos problemas de conexión existen dos tipos de filosofías distintas para la conexión de ordenadores en red.

LAN (Local Area NetWork)

• Esta conexión utiliza un medio (cable, infrarrojos, ondas, etc.) compartido por todos los ordenadores.

• Tienen que formar una topología (conexión en bus, en forma de anillo, estrella, etc.).

Estas dos características definen el nivel físico.

• Necesitaremos un algoritmo de arbitraje (acceso al medio) además de las funciones vistas anteriormente.

• Niveles del LAN:

• Aplicación.

• Transporte: busca errores, entrama la información, identifica la aplicación (dar un id al proceso).

• Interconexión (IP): unifica la información, busca direcciones (rutas), da un identificador de la red a la cual queremos acceder.

• Enlace: LLC (Logical Link Control)

MAC (Medium Acces Control)

· Realiza el entramado.

· Acceso al medio.

· Identificador del ordenador.

• Físico.

Ahora tenemos dos identificadores, uno para el ordenador y el otro para la aplicación que necesita la información.

Para interconectar diferentes redes se ha de unificar la información, esta unificación la realiza el Rooter.

Ejemplo: telnet www.cisco.com

dirección IP

identificador de la aplicación

WAN (Wide Area NetWork)

Red de Area Extendida.

Se utiliza un medio muy rápido para la comunicación, pero solo tenemos un medio. Por lo tato los ordenadores están conectados a un aparato que multiplexa y envía la información y busca rutas.

Los niveles de este tipo de redes son los siguientes:

• Aplicación.

• Transporte.

• Red: Interconexión (IP)

Red: busca rutas dentro de la WAN, conmutación.

• Enlace.

• Físico.

Necesitamos el mismo número de identificadores que en el caso de las redes LAN, aunque podrías utilizar más identificadores.

Las redes que se pueden encontrar actualmente son las siguientes:

• LAN: Ethernet (80% del mercado), Token Ring, FDDI, LAN ATM (10 % del mercado)

• WAN: Red telefónica Conmutación (RTC), RDSI, X25, Frame Relay, ATM.

Estandares y organizaciones

Los sistemas cerrados se componen de un ordenador que dispone de software y hardware, propietaria de una empresa, para comunicarse con otros ordenadores. Si se instala otro software o hardware en otro equipo, no nos podremos comunicar.

En los sistemas abiertos tenemos un ordenador con software/hardware de diversos fabricantes y dispone de la posibilidad de conectar con otros ordenadores con otras características. Para establecer esta comunicación comprensible entre ambos, necesitamos una estandarización, organismo de estandarización, que define un estándar (definir reglas /algoritmos que permiten la comunicación entre varios subsistemas)

Estandarización

Las ventajas de una estandarización son las siguientes:

• Estimula la competitividad (sino hay un monopolio los precios bajan y por lo tanto se facilita el acceso a los usuarios).

• Flexibilidad a la hora de instalar la red (puedes poner equipos de distintos fabricantes). Ejemplo: tarjetas de distintas marcas, etc.

Las desventajas son las siguientes:

• Los organismos de estandarización son muy lentos (3 o 4 años aproximados para declarar un estándar).

• Quien compone los organismos de estandarización (empresas: interés por no dejarse aventajar por la competencia; política: comunicación de los votos, universidades: I+D..)

Ejemplo: Ethernet ! IEEE 802.3

DIX (Digital-Intel-Xerox)

Ethernet II ! Compatible mediante protocolo

• Demasiados organismos de estandarización.

A continuación veremos unos organismos de estandarización:

• IEEE (Instituction of Electrical and Electric Enginers): esta organización declaró el protocolo LAN pero no el LAN-ATM.

• EIA (Electrical Industries Asociation): declaró el cableado estructural.

• CCITT (International Telegraph and Telephone Consultatue Comitte): declaró la telefonía, actualmente esta absorbida por ITU (International Telecomunication Union), esta ultima declaró el ATM i la RDSI (comunicación digital)

• IETF (Internet Engineiring Task Force): declaró el protocolo de Internet.

• ISO (International Standard Org): Modelos de referencia

Modelos de referencia

Los modelos de referencia intentan definir niveles. Cada modelo define sus funciones.

Ejemplo:

Un modelo de referencia es el siguiente:

• OSI (Open System Interconexion) ! El organismo de este modelo de referencia es ISO.

Este modelo posee tres niveles:

- 3 niveles orientados a la aplicación: la aplicación, la presentación y la Sesión.

- 1 nivel de transporte

- 3 últimos niveles orientados a redes: el nivel de red, enlace y físico.

Estos niveles se comunican entre si a través de daemons (procesos).

En diferentes ordenadores los niveles se comunican solo con aquellos niveles que estén en la misma posición.

Cada equipo que forme parte de la red tendrá implementados los niveles de Red si sigue el modelo OSI.

En diferentes ordenadores el nivel de aplicación solo podrá comunicares con el nivel de aplicación del otro ordenador, así para todos los niveles. Si algún equipo intermedio no tiene todos los niveles de red, el nivel que n este presente tendrá una comunicación directa con el siguiente equipo que tenga el mismo nivel.

Esta comunicación se hace a través de un solo cable físico por lo tanto la comunicación entre aplicaciones se realiza de la siguiente forma:

La aplicación realiza un write y por lo tanto la aplicación que recibe la información ha de realizar un read.

El nivel de presentación encapsula la información de la aplicación y le pone una cabecera con el control de errores y/o flujo creando el PDU del nivel de presentación.

El nivel de sesión encapsula la PDU de presentación y añade su propia cabecera. La comunicación entre los diferentes niveles se realiza mediante una simple comunicación de procesos.

Así se va formando el PDU definitivo que llega al nivel de enlace, cuyo nivel encapsula el PDU de red le añade su cabecera y la tail (final del PDU) y lo envía al nivel físico el cual convierte dicha información en señales eléctricas y las envía a través de la red física.

Las funciones que desempeñan los diferentes niveles són las siguientes:

• Nivel A: ofrece servicios de transferencia de archivos, gestión de correo electrónico, etc. Ofrece la posibilidad de crear sus propios servicios.

• Nivel P: está relacionado con la representación sintáctica de los datos (presentación de los datos). También está relacionado con la seguridad informática, es decir, con temas de encriptación.

• Nivel S: sincroniza las aplicaciones, por ejemplo cuando hay una caída de la red y al poco tiempo vuelve este nivel hace que las aplicaciones funcionen correctamente.

• Nivel T: intenta realizar una conexión correcta para esto realiza el control de flujo y de errores.

• Nivel R: busca rutas para llegar al destino, y da un identificador de red (dirección de ordenador y de interconexión)

• Nivel E: ofrece un servicio libre y seguro realizando el control de flujo y errores, pero a través de los terminales intermedios. Los niveles R no aseguran que hayan errores y por eso se realiza aquí, también, el control de flujo y errores.

• Nivel F: se ocupa de la electrónica y mecánica, tipologías, etc.

• Modelos TCP/IP

Los niveles de este modelo son:

• Aplicación

• Transporte: TCP-UDP. El TCP ofrece un control de errores (OSI) pero el UDP no ofrece este control de errores, al no utilizar este control tarda menos en realizar la comunicación y por lo tanto es muy útil para aplicaciones en tiempo real.

• Interconexión: IP

• Orientados a red: puede tener todos los niveles que se quieran.

La comunicación entre IP y el nivel de red se realiza mediante drivers.

El nivel A realiza las operaciones que se realizaban en los niveles A, P, S del modelo de referencia OSI.

Direccionamiento en Redes

Normalmente debería haber una dirección por cada nivel , pero hay niveles internos que no necesitan, por lo tanto las direcciones necesarias para alcanzar una maquina remota son tres:

• Una dirección para identificar la aplicación: conocida como puerto, TCP/IP o A-SAP (Service Acces Point)

• Dirección de Internet (IP). Identifica la red y el ordenador (la identificación de ordenador , en esta dirección solo es interesante para ordenadores conectados a la misma red).

• Dirección física o hardware, identifica la dirección propia de la tarjeta de red (identificador del ordenador real)

Ejemplo: LAN

A

TCP-UDP ! puerto

IP ! @ IP

LLC ! la @ LLC identificaría la jerarquía de protocolos.

MAC ! @ hardware

F

WAN: cada WAN tiene diferentes niveles.

· RDSI, RTC: solo definen el nivel físico. Los niveles R y E se comunican directamente. Necesitamos un aparto que nos adapte la señal digital a la del medio (si es telefónica un modem, si es RDSI otro aparatito).

· X25: tiene los niveles F, E, R, es la única que sigue el modelo OSI.

· Frame Relay: define solo hasta el nivel enlace, ha pasado funciones del nivel R al nivel E y ha quitado funciones del nivel E.

· ATM: se define sus propios niveles: F, ATM (se corresponde al nivel E, pero totalmente diferente). En los terminales ofrece un nivel de adaptación de protocolos.

TEMA 2.- TRANSMISIÓN DE DATOS (Nivel Fisico)

Conceptos

El nivel físico define las características eléctricas de la transmisión.

Señal: onda electromagnética que se transmite, propaga por un medio de transmisión. Las señales se representa con un voltaje o una intensidad. Los diferentes tipos de señales son:

• Continuas: señal que no tiene saltos temporales. Función del tiempo (señal) continua (sin saltos).

• Discretas: señal que tiene discontinuidades.

Dominio temporal: representación de una señal en el tiempo.

Dominio frecuencial: representación de una señal en el eje de frecuencias. Esta representación se realiza mediante una transformación (transformación de Fourier).

Ancho de Banda: de la señal se define como aquellas componentes frecuenciales que contienen la energía de la señal. Si recuperamos estas señales recuperamos la señal.

Función de transferencia: función que depende de las frecuencias, esta función da el rango de frecuencias en las cuales oscila un circuito determinado.

Transmisión analógica: el receptor recupera con la máxima fidelidad la señal transmitida. El receptor ha de redibujar la misma forma de onda del transmisor. Una señal discreta se podría transmitir con la transmisión analógica, pero hay señales discretas que no.

Transmisión digital: esta transmisión define símbolos. El receptor toma decisiones durante un tiempo fijo para decidir que símbolo se ha recibido. En cada símbolo encapsula un número determinado de bits.

Velocidad de transmisión (Vt): número de bits que se transmite por unidad de tiempo (por segundo). Se mide en bits por segundo (bps)

Velocidad de modulación (Vm): número de símbolos que se transmite por segundo. Se mide en baudios.

Vt = n·Vm = Vm·log2M n= # bits " m=# símbolos

Tenemos que:

Vm=1/Tsimbolo,

y que la frecuencia fundamental (la que lleva la mayor parte de la energía de la onda) es: fs=1/Ts. i la frecuencia de las señales restantes es fi = i· fs. Donde i es una constante.

Ancho de Banda: esto es el camino por el cual discurren los datos de la comunicación de la red

Por ejemplo: tenemos 2 símbolos (1 bit).

Vm=
; fs ! B.Ws (ancho de banda de la señal)= (fi-fs)= (i·fs-fs)= fs·(i-1) "
(i-1) = ancho de banda de la señal.

• Si Ts es muy grande entonces:

Vm'=
! Si T''s aumenta entonces V''m disminuye ! fs "
baja (la frecuencia fundamental disminuye, i además el resto de las frecuencias se juntan) ! B.W. disminuye.

•Si Ts disminuye entonces:

Vm''=
! Si T''s disminuye entonces V''m aumenta ! fs "
aumenta (la frecuencia fundamental se dispara, i además el resto de las frecuencias se alejan unas de otras) ! B.W. aumenta.

Limite de la velocidad de modulación:

Si Ts es demasiado pequeña, tenemos el criterio de Nyquist, donde Vm(max)= 2·B.Wc (ancho de banda del canal) eso si no se produce distorsión.

Vm = 2·BWs " Vm(max) = 2·BWc ! [BWs " BWc]

Distorsión: Al aumentar la velocidad de transmisión se producen retardos en las frecuencias (interferencia intersimbólica)

La interferencia intersimbólica es la perdida de energía por parte de una de las señales.

Atenuación: reducción de la amplitud de la señal, es decir perdida de energía de la señal.

Esta atenuación se debe al viaje a través del cable o medio de la señal, por lo tanto podemos acabar perdiendo la señal ya que el receptor no puede discernir señales. Nosotros la potencia la medimos en dB y no en vatios por lo tanto tenemos que transformar esta potencia en vatios a decibelios.

P | dB = 10·log10·
= 10· log10·P donde Pref=1wt

L=P(atenuación)=
" 1. 10·log L= L (dB) = 10·log10
= (10·log10Pe) - (10·log10Pr)

L(dB)= Pe(dB)-Pr(dB) ! Pr =Pe-L.

De un cable se da la atenuación mediante un parámetro () que indica la atenuación del material según su longitud en kilómetros.

Ruido: el ruido es una señal no deseada en el medio de transmisión. Un cable aunque no este conectado a ningún aparato, este tiene una señal eléctrica, a esto se le conoce como ruido. Hay diferentes tipos de ruido:

• Impulsivo: ruido influenciado por otros medios, equipos, o otras señales eléctricas (tormenta eléctrica crea el efecto click). Tampoco se debe poner equipos cerca de circuitos de alta tensión, ya que el campo electromagnético es muy grande y esto afecta a la comunicación

• Crosstalk (diafonia): debido a que en la red de telefónica, los cables están pegados unos a otros, formando un gran cable. Los hilos que forman parte de este cable actúan como receptores y emisores a la vez, y al irradiar los hilos puede haber otros hilos que capten esta irradiación y si esta energía capturada de otro hilo es mayor que la que transmite, es esta la que se recibe al final. En equipos que transmiten y reciben también puede haber estos problemas ya que la entrada y salida de información esta muy cercana. Este tipo de ruidos se puede eliminar mediante circuitos especializados.

• Térmico: este ruido esta asociado al movimiento de los electrones. Estos se agitan con la temperatura y por lo tanto existe una señal eléctrica. La potencia del ruido medida en vatios se la calcula mediante la siguiente fórmula:

N(watt) = k · T · BW donde k es la constante de Boltzman=13803"10-23 J/ºK y T la temperatura en ºK

La relación señal ruido (SNR o S/N) nos indica como de bueno es un receptor. S indica la sensibilidad del receptor (mínima potencia en el receptor para poder detectar la señal).