Fundamentos de Redes

Tcnicas de Conmutacin y

Protocolos

Prof. Jorge Ludea

Tcn icas de Conmutac in

En redes informticas, las tcnicas de conmutacin

(switching) definen la manera en que los datosatraviesan el camino entre el nodo origen y el destino. La

tcnica de conmutacin determina el tamao de la

unidad de control de flujo entre conmutadores, esto es,

la unidad de informacin a la que puede asignarse

almacenamiento (buffer) y canal de salida en elconmutador.

Tcn icas de Conmutac in

Por regla general, para transmitir un mensaje por la red es necesario trocearlo

previamente, dividindolo en unidades ms pequeas, llamadas paquetes.

Esta divisin suele realizarse en las interfaces de los nodos, por lo que las

interfaces de red podrn enviar, recibir y procesar mensajes o paquetes, segn

el caso. En otras palabras, el paquete constituye la unidad de transferencia

entre interfaces de red.

Dependiendo de la tcnica usada, la unidad de control de flujo entre

conmutadores puede ser menor que un paquete; siendo as, cada paquete se

compondr de unidades ms pequeas, denominadas flits (de flow controlunits). En tal caso, el flit constituye la unidad de transferencia entreconmutadores.

Asimismo, el ancho del enlace impone un lmite fsico al tamao de unidad

transferible por dicho enlace en un ciclo de red, por lo que, a su vez, la unidad

de control de flujo entre conmutadores puede dividirse en varios phits (dephysical units). El phit constituye la unidad de transferencia entrecontroladores de enlaces

Conmutac in de C ircu i tos

La conmutacin de circuitos es un tipo de conexin que realizan los diferentesnodos de una red para lograr un camino apropiado para conectar dos usuarios

de una red de telecomunicaciones. A diferencia de lo que ocurre en la

conmutacin de paquetes, en este tipo de conmutacin se establece un canal de

comunicaciones dedicado entre dos estaciones. Se reservan recursos de

transmisin y de conmutacin de la red para su uso exclusivo en el circuito

durante la conexin. sta es transparente: una vez establecida parece como si

los dispositivos estuvieran realmente conectados.

La comunicacin por conmutacin de circuitos implica tres fases: elestablecimiento del circuito, la transferencia de datos y la desconexin del

circuito. Una vez que el camino entre el origen y el destino queda fijado, queda

reservado un ancho de banda fijo hasta, que la comunicacin se termine. Para

comunicarse con otro destino, el origen debe primero finalizar la conexin

establecida. Los nodos deben tener capacidad de conmutacin y de canal

suficiente como para gestionar la conexin solicitada; los conmutadores deben

contar con la inteligencia necesaria para realizar estas reservas y establecer

una ruta a travs de la red.

Conmutac in de C ircu i tos

VentajasEl ancho de banda es definido y se mantiene constante durante la comunicacin.

El circuito es fijo, no se pierde tiempo en el encaminamiento de la informacin.

La transmisin se realiza en tiempo real, siendo til para la comunicacin de vozy video.

Si bien existe retardo en el establecimiento de la llamada, el retardo de latransmisin posterior es despreciable; si el trfico se realiza generalmenteentre el mismo par de estaciones puede ser ms veloz.

DesventajasCuando no se utiliza el enlace se desaprovechan recursos (ancho de banda).

Si la comunicacin es a rfagas en vez de continua, o entre una gran variedadde estaciones, es ineficiente.

Retraso en el inicio de la comunicacin

El camino fsico es siempre el mismo, por lo que no se utilizan los posiblescaminos alternativos que puedan surgir que sean ms eficientes.

Se requiere un tiempo para realizar la conexin, lo que conlleva un retraso en latransmisin de la informacin.

Conmutac in de Paquetes

La conmutacin de paquetes es un mtodo de envo de datos en unared de computadoras. Un paquete es un grupo de informacin queconsta de dos partes: los datos propiamente dichos y la informacin decontrol, que indica la ruta a seguir a lo largo de la red hasta el destinodel paquete. Existe un lmite superior para el tamao de los paquetes; sise excede, es necesario dividir el paquete en otros ms pequeos, por ej.Ethernet usa tramas (frames) de 1500 bytes, mientras que FDDI usatramas de 4500 bytes.

Ventajas

Los paquetes forman una cola y se transmiten lo ms rpido posible. Permiten la conversin en la velocidad de los datos. La red puede seguir aceptando datos aunque la transmisin sea

lenta.

Existe la posibilidad de manejar prioridades (si un grupo de informacin es ms importante que los otros, ser transmitido antes que dichos otros).

Tcn icas de Conmutac in de

Paquetes

Para la utilizacin de la conmutacin de paquetes se han definido dos tipos de tcnicas: los datagramas y los circuitos virtuales.

Datagramas

Internet es una red de datagramas.

En Internet existen 2 tendencias: orientado a conexin y no orientado a conexin.

En el caso orientado a conexin, el protocolo utilizado para transporte es TCP.

En el caso no orientado a conexin, el protocolo utilizado para transporte es UDP.

TCP garantiza que todos los datos lleguen correctamente y en orden.

UDP no tiene ninguna garanta.

No todos los paquetes siguen una misma ruta.

Un paquete se puede destruir en el camino, cuya recuperacin es responsabilidad de la estacin de origen (esto da a entender que el resto de paquetes estn intactos).

Tcn icas de Conmutac in de

PaquetesCircuitos Virtuales

Son los ms usados.

Su funcionamiento es similar al de la Red de conmutacin de circuitos (la diferencia radica en que en loscircuitos virtuales la ruta no es dedicada, sino que un nico enlace entre dos nodos se puede compartirdinmicamente en el tiempo por varios paquetes).

Previo a la transmisin se establece la ruta previa por medio de paquetes de peticin de llamada (pideuna conexin lgica al destino) y de llamada aceptada (en caso de que la estacin destino est apta parala transmisin enva este tipo de paquete); establecida la transmisin, se da el intercambio de datos, yuna vez terminado, se presenta el paquete de peticin de liberacin (aviso de que la red est disponible,es decir que la transmisin ha llegado a su fin).

Cada paquete tiene un identificador de circuito virtual en lugar de la direccin del destino.

Los paquetes se recibirn en el mismo orden en que fueron enviados.

Si no existiese una tcnica de conmutacin en la comunicacin entre dos nodos, se tendra que enlazar enforma de malla. Una ventaja adicional de la conmutacin de paquetes (adems de la seguridad detransmisin de datos) es que como se parte en paquetes el mensaje, ste se est ensamblando de unamanera ms rpida en el nodo destino, ya que se estn usando varios caminos para transmitir elmensaje, producindose un fenmeno conocido como transmisin en paralelo.

Adems, si un mensaje tuviese un error en un bit de informacin, y estuvisemos usando la conmutacinde mensajes, tendramos que retransmitir todo el mensaje; mientras que con la conmutacin de paquetessolo hay que retransmitir el paquete con el bit afectado, lo cual es mucho menos problemtico. Lo niconegativo, quizs, en el esquema de la conmutacin de paquetes es que su encabezado es ms grande.

La conmutacin de paquetes se trata del procedimiento mediante el cual, cuando un nodo quiere enviarinformacin a otro lo divide en paquetes, los cuales contienen la direccin del nodo destino. En cada nodointermedio por el que pasa el paquete se detiene el tiempo necesario para procesarlo.

Conmutac in de Paquetes

Funciones

Cada nodo intermedio realiza las siguientes funciones:

Almacenamiento y retransmisin (store and forward): hacereferencia al proceso de establecer un camino lgico de formaindirecta haciendo "saltar" la informacin de origen al destino atravs de los nodos intermedios.

Control de ruta (routing): hace referencia a la seleccin de unnodo del camino por el que deben retransmitirse los paquetespara hacerlos llegar a su destino.

Los paquetes en fin, toman diversas vas, pero nadie puedegarantizar que todos los paquetes vayan a llegar en algnmomento determinado. En sntesis, una red de conmutacin depaquetes consiste en una "malla" de interconexiones facilitadaspor los servicios de telecomunicaciones, a travs de la cual lospaquetes viajan desde la fuente hasta el destino.

Protoco los

Un Protocolo de Comunicaciones es un conjunto de reglas y normasque permiten que dos o ms entidades de un sistema de comunicacinse comuniquen entre ellos para transmitir informacin por medio decualquier tipo de variacin de una magnitud fsica. Se trata de lasreglas o el estndar que define la sintaxis, semntica y sincronizacinde la comunicacin, as como posibles mtodos de recuperacin deerrores. Los protocolos pueden ser implementados por hardware,software, o una combinacin de ambos.1

Por ejemplo, el protocolo sobre palomas mensajeras permite definir laforma en la que una paloma mensajera transmite informacin de unaubicacin a otra, definiendo todos los aspectos que intervienen en lacomunicacin: tipo de paloma, cifrado del mensaje, tiempos de esperaantes de dar la paloma por 'perdida'... y cualquier regla que ordene ymejore la comunicacin.

En el caso concreto de las computadoras, un protocolo decomunicacin, tambin llamado en este caso protocolo de red, definela forma en la que los distintos mensajes o tramas de bit circulan enuna red de computadoras.

Caracter s t icas

Las caractersticas ms importantes de un protocolo son:- Directo/indirecto: los enlaces punto a punto son directos pero losenlaces entre dos entidades en diferentes redes son indirectos ya queintervienen elementos intermedios.

- Monoltico/estructurado: monoltico es aquel en que el emisor tiene elcontrol en una sola capa de todo el proceso de transferencia. En protocolosestructurados, hay varias capas que se coordinan y que dividen la tarea decomunicacin.

- Simtrico/asimtrico: los simtricos son aquellos en que las dosentidades que se comunican son semejantes en cuanto a poder tantoemisores como consumidores de informacin. Un protocolo es asimtrico siuna de las entidades tiene funciones diferentes de la otra (por ejemplo enclientes y servidores).

- Normalizado/no normalizado: los no normalizados son aquellos creadosespecficamente para un caso concreto y que no va a ser necesarioconectarlos con agentes externos. En la actualidad, para poderintercomunicar muchas entidades es necesaria una normalizacin.

Func iones

1. Segmentacin y ensamblado: generalmente es necesario dividir los bloquesde datos en unidades pequeas e iguales en tamao, y este proceso se lellama segmentacin. El bloque bsico de segmento en una cierta capa de unprotocolo se le llama PDU (Unidad de datos de protocolo). La necesidad de lautilizacin de bloque es por:

- La red slo admite la transmisin de bloques de un cierto tamao. - El control de errores es ms eficiente para bloques pequeos. - Para evitar monopolizacin de la red para una entidad, se emplean bloques

pequeos y as una comparticin de la red.

- Con bloques pequeos las necesidades de almacenamiento temporal sonmenores.

Hay ciertas desventajas en la utilizacin de segmentos: - La informacin de control necesaria en cada bloque disminuye la eficiencia en

la transmisin.

- Los receptores pueden necesitar interrupciones para recibir cada bloque, conlo que en bloques pequeos habr ms interrupciones.

- Cuantas ms PDU, ms tiempo de procesamiento.

Func iones

2. Encapsulado: se trata del proceso de adherir informacin de control alsegmento de datos. Esta informacin de control es el direccionamientodel emisor/receptor, cdigo de deteccin de errores y control deprotocolo.

3. Control de conexin: hay bloques de datos slo de control y otros dedatos y control. Cuando se utilizan datagramas, todos los bloques incluyencontrol y datos ya que cada PDU se trata como independiente. Encircuitos virtuales hay bloques de control que son los encargados deestablecer la conexin del circuito virtual.

Hay protocolos ms sencillos y otros ms complejos, por lo que losprotocolos de los emisores y receptores deben de ser compatibles almenos. Adems de la fase de establecimiento de conexin (en circuitosvirtuales) est la fase de transferencia y la de corte de conexin. Si seutilizan circuitos virtuales habr que numerar los PDU y llevar un controlen el emisor y en el receptor de los nmeros.

Func iones

4. Entrega ordenada: el envo de PDU puede acarrear el problema deque si hay varios caminos posibles, lleguen al receptor PDUdesordenados o repetidos, por lo que el receptor debe de tener unmecanismo para reordenar los PDU. Hay sistemas que tienen unmecanismo de numeracin con mdulo algn nmero; esto hace que elmdulo sean lo suficientemente alto como para que sea imposible quehaya dos segmentos en la red al mismo tiempo y con el mismo nmero.

5. Control de flujo: hay controles de flujo de parada y espera o deventana deslizante. El control de flujo es necesario en varios protocoloso capas, ya que el problema de saturacin del receptor se puedeproducir en cualquier capa del protocolo.

6. Control de errores: generalmente se utiliza un temporizador pararetransmitir una trama una vez que no se ha recibido confirmacindespus de expirar el tiempo del temporizador. Cada capa de protocolodebe de tener su propio control de errores.

Func iones

7. Direccionamiento: cada estacin o dispositivo intermedio dealmacenamiento debe tener una direccin nica. A su vez, en cadaterminal o sistema final puede haber varios agentes o programasque utilizan la red, por lo que cada uno de ellos tiene asociado unpuerto. Adems de estas direcciones globales, cada estacin oterminal de una subred debe de tener una direccin de subred(generalmente en el nivel MAC).

Hay ocasiones en las que se usa un identificador de conexin; estose hace as cuando dos estaciones establecen un circuito virtual ya esa conexin la numeran (con un identificador de conexinconocido por ambas). La utilizacin de este identificador simplificalos mecanismos de envo de datos ya que por ejemplo es mssencillo que el direccionamiento global. Algunas veces se hacenecesario que un emisor emita hacia varias entidades a la vez ypara eso se les asigna un direccionamiento similar a todas.

Func iones

8. Multiplexacin: es posible multiplexar las conexionesde una capa hacia otra, es decir que de una nicaconexin de una capa superior, se pueden establecervarias conexiones en una capa inferior (y al revs).

9. Servicios de transmisin: los servicios que puedeprestar un protocolo son:

- Prioridad: hay mensajes (los de control) que debentener prioridad respecto a otros.

- Grado de servicio: hay datos que deben de retardarse yotros acelerarse (vdeo).

- Seguridad.

Protoco los de In ternet

La familia de protocolos de Internet es un conjunto de protocolos de red en losque se basa Internet y que permiten la transmisin de datos entre computadoras.En ocasiones se le denomina conjunto de protocolos TCP/IP, en referencia a losdos protocolos ms importantes que la componen: Protocolo de Control deTransmisin (TCP) y Protocolo de Internet (IP), que fueron dos de los primeros endefinirse, y que son los ms utilizados de la familia. Existen tantos protocolos eneste conjunto que llegan a ser ms de 100 diferentes, entre ellos se encuentra elpopular HTTP (HyperText Transfer Protocol), que es el que se utiliza para accedera las pginas web, adems de otros como el ARP (Address Resolution Protocol)para la resolucin de direcciones, el FTP (File Transfer Protocol) paratransferencia de archivos, y el SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) y el POP(Post Office Protocol) para correo electrnico, TELNET para acceder a equiposremotos, entre otros.

El TCP/IP es la base de Internet, y sirve para enlazar computadoras que utilizandiferentes sistemas operativos, incluyendo PC, minicomputadoras ycomputadoras centrales sobre redes de rea local (LAN) y rea extensa (WAN).

Protoco los de In ternet

TCP/IP fue desarrollado y demostrado por primera vez en 1972 por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos, ejecutndolo en ARPANET, una red de rea extensa de dicho departamento.

La familia de protocolos de Internet puede describirse por analoga con el modelo OSI (Open System Interconnection), que describe los niveles o capas de la pila de protocolos, aunque en la prctica no corresponde exactamente con el modelo en Internet. En una pila de protocolos, cada nivel resuelve una serie de tareas relacionadas con la transmisin de datos, y proporciona un servicio bien definido a los niveles ms altos. Los niveles superiores son los ms cercanos al usuario y tratan con datos ms abstractos, dejando a los niveles ms bajos la labor de traducir los datos de forma que sean fsicamente manipulables.

El modelo de Internet fue diseado como la solucin a un problema prctico de ingeniera. El modelo OSI, en cambio, fue propuesto como una aproximacin terica y tambin como

una primera fase en la evolucin de las redes de ordenadores. Por lo tanto, el modelo OSI es ms fcil de entender, pero el modelo TCP/IP es el que realmente se usa. Sirve de ayuda entender el modelo OSI antes de conocer TCP/IP, ya que se aplican los mismos principios, pero son ms fciles de entender en el modelo OSI.

El protocolo TCP/IP es el sucesor del NCP, con el que inici la operacin de ARPANET, y fue presentado por primera vez con los RFC 791, 792 y 793 en septiembre de 1981. Para noviembre del mismo ao se present el plan definitivo de transicin en el RFC 801 y se marc el 1 de enero de 1983 como el Da Bandera para completar la migracin.

Protoco lo ICMP

El Protocolo de Mensajes de Control y Error de Internet, ICMP, es de caractersticas similares a UDP, pero con un formato mucho ms simple, y su utilidad no est en el transporte de datos de usuario, sino en controlar si un paquete no puede alcanzar su destino, si su vida ha expirado, si el encabezamiento lleva un valor no permitido, si es un paquete de eco o respuesta, etc. Es decir, se usa para manejar mensajes de error y de control necesarios para los sistemas de la red, informando con ellos a la fuente original para que evite o corrija el problema detectado. ICMP proporciona as una comunicacin entre el software IP de una mquina y el mismo software en otra. El protocolo ICMP solamente informa de incidencias en la entrega de paquetes o de errores en la red en general, pero no toma decisin alguna al respecto. Esto es tarea de las capas superiores.

Protoco lo ICMP

Los mensajes ICMP se transmiten como datagramas IP normales, con el campo de cabecera "protocolo" con un valor 1, y comienzan con un campo de 8 bits que define el tipo de mensaje de que se trata. A continuacin viene un campo cdigo, de o bits, que a veces ofrece una descripcin del error concreto que se ha producido y despus un campo suma de control, de 16 bits, que incluye una suma de verificacin de errores de transmisin. Tras estos campos viene el cuerpo del mensaje, determinado por el contenido del campo "tipo". Contienen adems los 8 primeros bytes del datagrama que ocasion el error.

Protoco lo ICMP

Los principales tipos de mensaje ICMP son los siguientes: Mensajes informativos Entre estos mensajes hay algunos de suma importancia, como los mensajes de peticin de ECO (tipo 8)

y los de respuesta de Eco (tipo 0). Las peticiones y respuestas de eco se usan en redes para comprobar si existe una comunicacin entre dos host a nivel de capa de red, por lo que nos pueden servir para identificar fallos en este nivel, ya que verifican si las capas fsica (cableado), de enlace de datos (tarjeta de red) y red (configuracin IP) se encuentran en buen estado y configuracin.

Mensajes de error En el caso de obtener un mensaje ICMP de destino inalcanzable, con campo "tipo" de valor 3, el error

concreto que se ha producido vendr dado por el valor del campo "cdigo", pudiendo presentar los siguientes valores que se muestran en la parte derecha.

Este tipo de mensajes se generan cuando el tiempo de vida del datagrama a llegado a cero mientras se encontraba en trnsito hacia el host destino (cdigo=0), o porque, habiendo llegado al destino, el tiempo de reensamblado de los diferentes fragmentos expira antes de que lleguen todos los necesarios (cdigo=1).

Los mensajes ICMP de tipo= 12 (problemas de parmetros) se originan por ejemplo cuando existe informacin inconsistente en alguno de los campos del datagrama, que hace que sea imposible procesar el mismo correctamente, cuando se envan datagramas de tamao incorrecto o cuando falta algn campo obligatorio.

Por su parte, los mensajes de tipo=5 (mensajes de redireccin) se suelen enviar cuando, existiendo dos o ms routers diferentes en la misma red, el paquete se enva al router equivocado. En este caso, el router receptor devuelve el datagrama al host origen junto con un mensaje ICMP de redireccin, lo que har que ste actualice su tabla de enrutamiento y enve el paquete al siguiente router.