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1.I.1© UPM-ETSISI-RC Tema 1: Introducción a las redes de Computadores. Parte I

Redes de ComputadoresTema 1: Introducción a las redes de Computadores Parte I


Contenido1. Definición de Teleinformática. Aplicaciones.2. Conceptos básicos de transmisión de datos.3. Introducción a las arquitecturas de comunicaciones.4. Generalidades de servicios y protocolos.5. Los enlaces de datos


1.Definición de Teleinformática. Aplicaciones


Definición de teleinformática/telemáticaTelecomuni

caciones

Informática

Teleinformática/Telemática


Aplicaciones de la telemáticaAplicaciónÁmbitoTaxonomía

Telemática

Empresa

Comunicación empleados

CSCW

Fabricación

Hogar

Telecompra

Telemedicina

Juegos

Teleenseñanza

Estado

Fiscalidad

Padrón

Información ciudadana

Procesos electorales

Transporte


2. Conceptos básicos de transmisión de datosModelo de sistema de Comunicaciones


Modelo simple de un sistema de comunicacionesFuente de

informaciónDestino de la información

Transmisor

Sist.Transmision(Canal)

Rece

ptor

Sistema de comunicaciones


Tipo de dato vs tipo de transmisión [1]Tipo de Transmisión

Analógico Digital

Tipo de dato

AnalógicoRadioEmisión de TV PCMVideo+Codec

Digital Modem LAN


Tipo de dato vs tipo de transmisión [2]Fuente de

información

Teléfono


Fuente de información

Codec



Modem



Transceptor



Modelo físico de comunicación de datos Funciones a realizar: interfaz, sincronización, formato de los mensajes, detección/corrección de errores, control de flujo, etc.

ETD/DTE ETD/DTESist.Transmision(Canal)

ETCD/DCE ETCD/DCE

Circuito de datos

DTE DTEDCE DCE


Capacidad de un canal sin ruido [1] Se llama capacidad de un canal a la velocidad de transmisión, expresada en bps ( bits por segundo), a la que se pueden transmitir los datos en un sistema de transmisión (canal) Lo deseable es conseguir la mayor velocidad posible dado un ancho de banda limitado Pero según demostró Nyquist, la limitación de la velocidad de transmisión permitida en el canal1, es la impuesta exclusivamente por el ancho de banda del canal.


Capacidad de un canal sin ruido [2]: Teorema de NyquistEl teorema de Nyquist establece que la velocidad máxima de transmisión (bps) para un canal (sin ruido) con ancho de banda B (Hz) es:

C=2B log2 M

Donde :M= niveles de la señalSi M=2 entonces log2 (2)=1, por lo tanto: C=2B


Modelo matemático de Shannon - WeaverFuente de

informaciónDestino de la información

Transmisor Re

cept

or

Fuente de ruido

Mensaje MensajeSeñal

+

Señal recibida


Capacidad de un canal con ruido La capacidad de comunicaciones de un canal para una relación S/R es:

C B log2 1S

N

Donde,C = capacidad del canal [bits/s]B = Bandwidth [Hz]S/N = relación señal-ruido [S y N en vatios]


Ejemplo de aplicación del teorema Shannon - HartleySupóngase en el espectro de un canal vía satélite situado en la banda Ku (12 GHz) cuyo ancho de banda (B) es de 36 MHz que la (S/N)db es de 18 dB.

Como 10 log10 (S/N)=18 S/N=1018/10=63

Usando la fórmula de Shannon se tiene que :

C= (36x106) log2 (1+63)= 216 Mbps

Nota: (S/N)dB=10 log10[S/N]


Perturbaciones en la transmisión


Topologías básicasPunto a punto La topología es la disposición física de las estaciones en el medio de transmisión

Servidor

Terminal


Topologías básicasMultipunto

Bus

Anillo

EstrellaHub


Modos de transmisiónModos

Serie

Asíncrono

Síncrono

Paralelo

Medio

Sincronismo


Transmisión serie y paralelo

Emisor

8 bi

ts

envi

ados

a

la v

ez

111001011100011100

10110110Receptor

Emisor Receptor


Transmisión asíncrona Una transmisión asíncrona es aquella que se produce "sin reloj" o sea que no hay ninguna señal que marque los tiempos en que los datos deben leerse o están disponibles.

1 11001101 0 1 00001101 01 11001000 0

Emisor Receptor

Bit d

e ST

ART

Bit d

e ST

OP

Líne

a en

re

poso

“1

”

Bits

de

dato

s (5

a 8

)


Transmisión síncrona Una transmisión síncrona (con reloj) permite la sincronización de los relojes del emisor y receptor mediante la adición de información de sincronismo entre los datos .

Emisor

Del

imita

dor

FIN

AL

Del

imita

dor

PREÁ

MBU

LO

DATO

S

1 ByteFlag (8b) 1 Byte 1 Byte Flag (8b)1 ByteReceptor

Reloj RelojSincronismo de bloque

Sincronismo de bit


Velocidades y tiempos de transmisión y propagaciónTrama

A B

A Bt=0t=Tt 𝑇 𝑡=

𝐿(𝑏𝑖𝑡𝑠)𝑉 𝑡

TramaA Bt=Tp 𝑇 𝑝=

𝐷 (𝑚𝑡𝑠)𝑉 𝑝

A Bt=Tt+Tp

Tt= tiempo de trasmisiónTp= Tiempo de propagación


Diagramas para representar la transmisión: cronogramas

Ttotal = Tp + Tt

A: Origen

B: Destino

t=0

t=Ttt=Tp

t=Tt+Tp

A BTrama


3. Introducción a las arquitecturas de comunicacionesNocionesModelo de 3 capasArquitectura OSI


Noción de arquitectura de las comunicaciones La arquitectura de comunicaciones es el conjunto estructurado de protocolos que implementa el intercambio de información entre ordenadores. La arquitectura de comunicaciones es un patrón o marco común estructurado de protocolos que implementa el intercambio de información entre ordenadores.


Modelo de capas de arquitectura de comunicaciones [1] Actualmente todas las arquitecturas de red se describen utilizando un modelo de capas. El modelo de capas es solo una manera de dividir el problema de la comunicación en partes mas sencillas llamadas capas. El primer modelo de protocolo en capas para comunicaciones se creó a principios de la década de los setenta y se conoce con el nombre de modelo de Internet o modelo DoD (por Vinton Cerf y Robert E. Kahn) y fue implementado en ARPANET.


Modelo de capas de arquitectura de comunicaciones [2] El modelo de capas es una solución de referencia para la arquitectura de comunicaciones que se basa en los siguientes principios:

• La capa n ofrece sus servicios a la capa N+1• La capa N+1 solo usa los servicios de la capa n• La capa N solo habla con la capa N de otro sistema siguiendo el protocolo de la capa n

La comunicación entre dos capas adyacentes (encima y debajo) se realiza a través de la interfaz (normas de intercomunicación entre capas) El conjunto de protocolos que interoperan en todos los niveles de una arquitectura dada se conoce como pila de protocolos.

Capa N+1 Capa N+1 Protocolo N+1

Capa N Capa N Protocolo N

Sistema A Sistema B

Interfaz

Pila


Modelo de capas de arquitectura de comunicaciones [3]Comunicación mediante correo

Buzón de Juan

José

Cartero

Flujo de información Maria

Buzón de María

Flujo de cartas


AplicaciónSoporte para la comunicación entre

aplicaciones situadas en distintos sistemas

Arquitectura de comunicaciones (protocolos) simpleModelo de tres capas

TransporteComunicación confiable entre procesos extremo-a-extremo (independiente de

la red y la aplicación)

Acceso a la redComunicación confiable entre equipo y red, direccionamiento, enrutamiento,

errores, QoS

AplicaciónSoporte para la comunicación entre

aplicaciones situadas en distintos sistemas

TransporteComunicación confiable entre procesos extremo-a-extremo (independiente de

la red y la aplicación)

Acceso a la redComunicación confiable entre equipo y red, direccionamiento, enrutamiento,

errores, QoS

RED

Protocolo de aplicaciónProtocolo de transporte

Ap1 Ap2 Ap3 Ap1 Ap2 Ap3


Aplicación

Arquitectura de comunicaciones (protocolos) simpleEncapsulación

Transporte

Acceso a la red

ApX

Datos

DatosDSAP

DatosDSAPDHost

SAP

Datos

Datos DSAP

Datos DSAP DHost

Aplicación

Transporte

Acceso a la red

ApY

SAPTPDU TPDU

NPDU NPDU

Sistema X Sistema Y


La arquitectura de comunicaciones OSIAplicación

Acceso a los servicios OSI de las aplicaciones

PresentaciónSe ocupa de las conversiones que puedan ser necesarias

para que los datos sean interpretados correctamente.

SesiónGestión de la comunicación entre aplicaciones:

establece y cierra conexiones (sesiones)

TransporteTransferencia fiable. Segmentación. Control del flujo y

errores.

RedTrans. Paquetes entre sistemas finales.

Direccionamiento. Prioridad. Enrutamiento. Conexiones

EnlaceTrans. De datos (tramas) fiable, control de errores y

flujo. Sincronización

FísicaTrans. de bits, características funcionales, mecánicas y

eléctricas

Solo en los Host (nodos finales)

En todos los nodos de la red


La arquitectura de comunicaciones OSIEncapsulaciónAplicación

Presentación

Sesión

Transporte

Red

Enlace

Físico

Aplicación

Presentación

Sesión

Transporte

Red

Enlace

Físico

Red

ApX ApYDatos

Protocolo de aplicación

Protocolo de presentación

Protocolo de sesión

DatosAH

DatosAHPH

DatosAHPHSH

Protocolo de transporteDatosAHPHSHTH

Protocolo redDatosAHPHSHTHRH

Protocolo Enlace DatosAHPHSHTHRHEH ET

BitsDatosAHPHSHTHRHEH ET


La arquitectura de comunicaciones OSIComunicación entre sistemas finalesAplicación

Presentación

Sesión

Transporte

Red

Enlace

Físico

Aplicación

Presentación

Sesión

Transporte

Red

Enlace

Físico

ApX ApY

Protocolo de aplicación

Protocolo de presentación

Protocolo de sesión

Protocolo de transporte

Protocolo red

Protocolo Enlace

Bits

Red

Enlace

Físico

Enlace

Físico

Retransmisor

Medio físico Medio físico


4. Generalidades de servicios y protocolos.Servicios CONS y CLNSCalidad de servicioControl de flujoControl de erroresProtocolos de enlace


Los servicios en el modelo OSI En el modelo OSI, cada capa provee servicios a la capa que está encima La capa n+1 invoca los servicios que provee la capa n Los servicios invocados están disponibles en los SAP La relación de las capas n+1 y n, es de cliente/servidor

Capa n+1

n+1_PDU

Capa nN_SAP

n_SDUn_PCI

Service Request

n_PCIn_PDU


Tipos de servicio(de transporte)Servicio orientado a conexión Los usuarios del servicio (entidades de transporte)

solicitan al proveedor (entidades de red), el establecimiento de una conexión (servicio de red). Los usuarios utilizan la conexión para la transferencia de

información, y después la liberan

• Orientado a Conexión, es necesaria la conexión (circuito virtual)

• El encaminamiento es independiente para cada paquete, dirección completa de origen y destino

• Control sencilla de la congestión

Servicio no orientado a conexión

Los usuarios del servicio no tienen que solicitar del proveedor (entidades de red) el

establecimiento de una conexión cuando se tiene información para transmitir, sencillamente la

envía..,

• No Orientado a Conexión, no es necesaria la conexión

• El mismo encaminamiento para todos los paquetes

• Control de la congestión complicada


Servicio orientado a conexión (CONS) El servicio CONS establece un circuito virtual (VC) o conexión lógica, permanente (PVC) o conmutada (SVC).

• Se respeta el orden de los paquetes.• Se mantiene el mismo camino físico (ruta) para todos los paquetes.• Los paquetes no necesitan llevar la dirección de destino

Circuito virtual

Paquete

Nodo de la red


Servicio no orientado a conexión (CLNS) El servicio CLNS no plantea una coordinación previa

• No se respeta el orden de los paquetes.• No se mantiene el mismo camino físico (ruta) para todos los paquetes.• Los paquetes deben llevar la dirección de destino

Paquete

Nodo de la red


Calidad de servicio


Los protocolos en el modelo OSI El protocolo de capa-n es un conjunto de reglas, procedimientos y formatos que gobiernan las comunicaciones entre entidades (procesos) de capas iguales (n) El protocolo de capa-n permite el intercambio entre procesos de n_PDUs

Capa n+1

N+1_PDUCapa n+1

Sistema X Sistema Y

Protocolo n (P2P)

Capa n

n_SAP n_SAP

Conexión n


Los protocolos en el modelo OSIFunciones Las unidades de datos de protocolo, también llamadas PDU , se utilizan para el intercambio de datos entre entidades, dentro de una capa del modelo OSI. Existen dos clases:

• Las PDU de datos, que contienen los datos del usuario o la PDU del nivel inmediatamente superior.• Las PDU de control, que sirven para gobernar el comportamiento completo del protocolo N en sus funciones de:

Establecimiento y liberación de la conexión lógica Control de flujo Control de errores (detección y corrección), etc.


Los protocolos en el modelo OSIFunciones de control de flujo [1] Problema:Cuando el emisor es mas rápido que el receptor (porque este es mas lento o por el rebose de los buffers, etc.) se produce un desbordamiento. Solución:

• Incorporar un control de flujo, que permita al receptor, regular el flujo de datos para no sobrecargarle con una cantidad excesiva de datos.

Emisor Receptor3 2 1


Los protocolos en el modelo OSIFunciones de control de flujo [2]Control de flujo

Ventana deslizante

Fija Variable

Parada y espera

X-ON/X-OFF

Técnicas


Los protocolos en el modelo OSIFunciones de control de flujo [3] El control de flujo permite al receptor regular el flujo de los datos enviados por el emisor, de manera que no se sature su capacidad. Las técnicas mas comunes son:

• X-ON/X-OFF: Se aplica en conexiones asíncronas. El receptor manda un carácter (X-OFF) para detener temporalmente el envío cuando detecta sobrecarga• Parada y espera (stop&wait): El receptor indica su disponibilidad para recibir datos mediante un el envío de un asentimiento o confirmación(ACK)• Mecanismos de ventana: El receptor indica al emisor sus disponibilidad, regulando el número de tramas pendientes de confirmación

Tamaño fijo ( X-25)Tamaño variable (TCP/IP)


Los protocolos en el modelo OSIControl de flujo mediante parada y esperaCanal sin errores El transmisor envía una trama o paquete y espera hasta que recibe la confirmación por parte del receptor de que la trama llegó correctamente (Stop and wait protocol).

Emisor Receptor

Datos_1

ACK

Datos_2

ACK

Datos_3

ACK

Datos_4

ACK


Los protocolos en el modelo OSIControl de flujo mediante ventanaCanal sin erroresEmisor (A) Receptor (B)

Tiempo de espera de la confirmación

de alguna trama

F1F2

ACK4

F3

W=3W=2W=1W=0

F4F5

W=3W=2W=1

W=3

ACK6

W=3Control del

secuenciamiento y de la confirmación

Control del secuenciamiento y de la ventana de

emisión


Los protocolos en el modelo OSITransmisión continuaCanal sin erroresEmisor (A) Receptor (B)

F1F2

ACK1F3F4 ACK2

Control del secuenciamiento

Control del secuenciamiento

ACK3

ACK4

W=3W=2W=1W=0

F5W=3

ACK5

Ventana antes del envío


Los protocolos en el modelo OSIFunciones de control de errores El control de errores hace referencia a los mecanismos necesarios para la detección y la corrección de errores que aparecen en el envío de PDUs Sin embargo, la detección de errores es una técnica útil, incorporada en la mayoría de los protocolos de control del enlace y de transporte (Ejemplo: HDLC y TCP) Los principales mecanismos de control de errores son:

• Descarte (en Frame Relay y ATM): la estrategia de descarte consiste en renunciar a la corrección mediante la eliminación de la PDU errónea• Solicitud de repetición automática (ARQ, Automatic Repeat Request): Los errores, una vez detectados, se recuperan con retransmisiones. El objetivo de este esquema es convertir una conexión no fiable en fiable.• Corrección de errores hacia delante (FEC, Forward Error Correction): En ocasiones no es posible disponer de retransmisiones. En este caso se recurre, para corregir errores, exclusivamente a los bits redundantes recibidos en la transmisión.


Funciones de control de erroresSolicitud de repetición automática (ARQ,)ARQ con parada y esperaEmisor Receptor


Datos perdidos


Datos_1

Timeout

Datos_2

ACK

NAK

Datos_2

ACK

Datos_2

Datos corruptos


Funciones de control de erroresSolicitud de repetición automática (ARQ,)ARQ con vuelta atrás (Go back n)Emisor (A) Receptor (B)

F1F2

ACK4

F3

F4F5

ACK4

Detección de que no se ha recibido la trama F4

Se vuelve a transmitir todo desde la trama

F4 en adelante

Datos perdidos

F4F5F6

ACK7


Los enlaces de datosFuncionesContexto OSIProtocolos destacados de enlace


Capas superiores Capas superiores

La capa de enlaceEncapsulación La capa de enlace de datos es responsable del intercambio de tramas entre nodos sobre los medios de comunicación de una red física.

Red

Enlace

Físico

Red

Enlace

Físico

Protocolo redAHPHSHTHRH

Protocolo Enlace AHPHSHTHRHEH ET

Bits

Medio de transmisión (canal)

Datos

Datos

PaqueteTrama


Funciones de la capa de enlace de datos Estructuración de los datos en tramas

• los datos se envían en bloques denominados tramas, cuyo principio y fin deben ser identificables. Direccionamiento

• en una línea multipunto, como por ejemplo una red de área local (LAN), se debe identificar a las dos estaciones involucradas en una transmisión. Gestión del enlace

• el inicio, mantenimiento y finalización de un intercambio de datos precisa un alto grado de coordinación y cooperación entre las estaciones. Control de flujo Control de errores


Protocolos de enlaceSDLC, LAP, HDLC y 802.2 En 1972 IBM desarrolló el protocolo de enlace SDLC (Synchronous Data Link Control); luego lo propuso a ANSI e ISO. De SDLC han derivado directa o indirectamente la mayoría de los protocolos de enlace actuales: ANSI lo modificó y creó ADCCP (Advanced Data Communication Control Procedure) ISO a su vez creó HDLC (High level Data Link Control); éste es el más conocido y utilizado. ITU-T creó LAP (Link Access Procedure) y más tarde LAP-B (Link Access Procedure Balanced) subconjunto de HDLC que se utiliza en redes X.25, entre otras. IEEE creó 802.2 (LLC, Logical Link Control) para uso en LANs 802.x.


Protocolos de enlacePPP (Point to Point Protocol) Es un estándar Internet, definido en los RFC 1661, 1662 y 1663.

• Puede utilizarse sobre medios físicos muy diversos: conexiones RTC, líneas dedicadas, o incluso SONET/SDH. Se suele utilizar principalmente sobre RTC (analógico y RDSI).• Puede funcionar de forma síncrona y asíncrona.• Es multiprotocolo, permite transportar simultáneamente diversos protocolos a nivel de red.• Incluye el protocolo LCP (Link Control Protocol), que se ocupa de negociar una serie de parámetros en el momento de establecer la conexión con el sistema remoto (RFC 1570)• Además comprende el protocolo NCP (Network Control Protocol) que permite negociar el uso de diversos protocolos a nivel de red. En el caso de IP el NCP permite asignar la dirección de forma dinámica.


Referencias[1] William Stallings: Comunicaciones y Redes de Computadores. Prentice Hall[2] J Kurose & K Ross: Computer networking (2009)


Anexo


La capa de transporte vs. la capa de red La capa de red: provee comunicaciones lógicas entre equipos (host) La capa de transporte: provee comunicaciones lógicas extremo-a-extremo entre procesos que están ejecutándose en diferentes equipos

Transporte

ApX

SAP

Transporte

ApY

SAP

Servicios de red

Protocolo de transporte

Sistema X Sistema Y

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