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Prof. Ricardo Gonzalez Redes de Computadores Tema1 1
Curso deRedes Computadores 1
Tema 1Introducción a las Redes de Computadores
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Objetivo Al finalizar el curso los estudiantes
tendrán un conocimiento básico sobre la noción de protocolo de comunicación, la estructura de software/hardware de redes locales, las funciones principales de las capas de software en el modelo TCP/IP y algunos modelos de programación en redes, en especial el modelo cliente-servidor.
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Perspectivas Usuario de la Red Diseñadores e Instaladores de Red Administradores de Redes Proveedores de Servicios (de Red)
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Contenido del Curso TEMA 1: Conceptos básicos. Internet. Redes locales, de
área ancha, etc. Protocolos de uso e implementación de servicios. Estructuración de software de red por capas. Modelos TCP/IP y OSI. Protocolos basados en pregunta-respuesta. Servicios de red.
TEMA 2: Introducción a Internet (redes IP). Identificadores de máquinas: dirección “física” y dirección IP. Espacio de direcciones IP: dominios y máquinas. Nombres nemónicos: servicio DNS. Asociación número IP <-> nombre DNS.
TEMA 3: Introducción a la capa de transporte. Interfaz de programación en redes. Sockets: par (dirección IP, puerto).
TEMA 4: Estudios de casos de protocolo estándares sobre capas de transporte, tales como RFC822, POP, HTTP.
TEMA 5: Otros modelos de programación en redes: RPC.
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Contenido del Curso TEMA 6: Componentes de una red IP. Redes locales. Redes de
difusión, redes punto a punto. Elementos para armar una red local. Medios de transmisión y propiedades. Dispositivos: modems, conmutadores, concentradores (hubs).
TEMA 7: Control y manejo del intercambio de datos sobre un enlace (link). Trama (frame) y sincronización de trama. Control de flujo a nivel de enlace. Transmisión confiable. Control de errores. Detección de errores.
TEMA 8: IP en detalle. Formato de los paquetes. Conmutación, fragmentación y re-ensamblaje. Introducción a enrutamiento. Algoritmos de vector de distancias y de estado de enlace.
TEMA 9: UDP y TCP. Formato de los segmentos. Protocolos. Inducción a control de flujo y control de congestión.
TEMA 10: Introducción a aspectos de seguridad. Encriptamiento. Autentificación.
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Curso deRedes Computadores 1
Tema 1Introducción a las Redes de Computadores
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Redes de Computadores
Una red de computadores es un conjunto de equipos conectados por medio de cables, señales, ondas o cualquier otro método de transporte de datos, que comparten información (archivos), recursos (CD-ROM, impresoras, etc.) y servicios (acceso a internet, e-mail, chat, juegos), con un objetivo específico.
Redes de Computadores
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Redes de Computadores 150 millones de sitios web. 500 millones
de usuarios (2008) Su tamaño se duplica cada 5 años.
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Redes de Computadores Internet
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Redes de Computadores Un servicio puede ser definido como un
conjunto de actividades que buscan responder a necesidades de un cliente.
El objetivo de una red de Telecomunicaciones es el de intercambiar información entre entidades que pueden estar fisicamente distantes
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Modelo Simplificado para las Telecomunicaciones
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Un Modelo de Telecomunicaciones Fuente
genera los datos que se transmiten (p.e. teléfonos, computadores)
Transmisor (Tx)
Convierte los datos en señales transmitibles (señales eléctricas a ondas electromagnéticas; cadena de bits a señales analógicas)
Sistema de Transmisión Portador de los datos (líneas de transmisión; enlaces de radio;
red de telecomunicaciones) Receptor (Rx)
Convierte la señal recibida en datos para que pueda ser manejada por el dispositivo destino
Destino Toma los datos que entrantes
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Tareas Claves en un Sistema de Telecomunicaciones Utilización del Sistema de Transmisión: Interfaz entre el dispositivo y el medio de transmisión Generación de la Señal Sincronización Gestión de Intercambio Detección y Corrección de Errores Control de Flujo Direccionamiento y Encaminamiento (Enrutamiento) Recuperación Formato de Mensajes Seguridad Administración de la Red
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Modelo Simplificado para la Comunicación de Datos en Redes de Computadores
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Redes (networks) Conexión punto a punto entre todas las
entidades no es práctica Dispositivos están muy lejanos entre sí Una gran cantidad de dispositivos necesitaría un
número no práctico de conexiones Número de conexiones necesarias = N x (N-1)/2
Solución es una red de comunicaciones
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Modelo Simplificado de Red
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Clasificación de las Redes de Computadores WAN (Wide Area Network) Son Públicas o depende
en parte de circuitos comunes de operadores particularesCubren largas distancias (X.25, Frame Relay, ATM, SDH, Sonet)
MAN (Metropolitan Area NetworkPueden cubrir el area de una Ciudad (MetroEthernet)
LAN (Local Area Network)Redes de computadores en un Campus, Organización o una
edificación.La red, por lo general, pertenece al mismo dueño de los equipos
que ésta comunica (Ethernet, WiFi)
PAN (Personal Area Network)Redes de uso personal de muy corto alcance. (Bluetooth, UWB)
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Conmutación de Circuitos(Circuit Switching) Mientras dure la comunicación se establece un
camino de comunicación dedicado establecido a través de los nodos de la red
El camino es una secuencia conectada de enlaces físicos entre nodos
En resumen, se establece un canal físico entre ambos extremos que nadie más puede usar mientras dure la comunicación
p.e. Red telefónica
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Conmutación de Paquetes (Packet Switching)
Se envían pequeñas unidades (paquetes) de datos, uno a la vez.
Los datos se pueden enviar fuera de secuencia. Los paquetes pasan de nodo en nodo entre fuente
y destino. En cada nodo el paquete se recibe
completamente, se almacena durante un intervalo breve de tiempo y posteriormente se transmite al siguiente nodo
Usado para comunicaciones de terminal a computador y de computador a computador
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Configuración de una Red
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Protocolos Conjunto de reglas que gobiernan el
intercambio de datos entre dos o más entidades
Usado para comunicaciones entre entidades en un sistema
Entidades cualquier cosa capaz de enviar y recibir datos
Aplicaciones de usuarios gestores de e-mail terminales
Un Protocolo es en Redes equivalente a un Algoritmo en la Programación tradicional.
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Características de los protocolos La comunicación entre dos entidades
puede ser: Directa o indirecta
Los protocolos pueden ser: Monolítico o estructurado Simétrico o asimétrico Estándar o no-estándar
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Directa o Indirecta Directa
Los sistemas comparten un enlace punto a punto o Los sistemas comparten un enlace multi-punto Los datos pueden pasar sin intervención de agentes
activos
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Directo o Indirecto Indirecto
Redes conmutadas o Conjunto de redes (Internetworks) o internets La transferencia de datos depende de otras entidades
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Monolítico o Estructurado La tarea de la comunicación es
compleja como para ser abordada como una unidad
El diseño estructurado analiza el problema en unidades más pequeñas En lugar de un único protocolo, habrá un
conjunto de protocolos organizados, por ejemplo en una estructura jerárquica en capas
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Simétrico o Asimétrico Simétrico
Comunicación entre entidades pares
Asimétrico Cliente/servidor
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Uso de Protocolos Estándares o No Estándares
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Funciones de los protocolos Encapsulación de mensajes Segmentación y re-ensamblaje de mensajes Control de conexión Entrega ordenada de mensajes Control de flujo Control de Error Direccionamiento Multiplexaje Servicios de transmisión
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Encapsulación Se agrega información de control a los
datos Información de dirección: indicar dirección
del emisor y/o del receptor Código detector de errores: se debe incluir
alguna secuencia de comprobación Control del protocolo: se debe incluir alguna
información adicional para realizar las funciones del protocolo que se mencionan más adelanteMensaje
Este es el mensaje a enviar Encabezado Cola
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EncapsulaciónSe agrega información de control a los datos
Información de dirección, Código detector de errores, Control del protocolo
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Segmentación (Fragmentación)
Los bloques de datos son de tamaño limitado Los mensajes de la capa de aplicación pueden ser muy
grandes Los protocolos de niveles inferiores pueden ser más
pequeños La segmentación ( o fragmentación en TCP/IP) consiste en
dividir los bloques más grandes en otros más pequeños Los bloques de ATM (cells) son de 53 bytes de largo Los bloques Ethernet (frames) son de hasta 1526 bytes de
largo
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Control de Conexión Establecimiento de la conexión (orientada a la
conexión) Transferencia de datos Término de la conexión (orientada a la conexión) Puede haber interrupción y recuperación de la
conexión Numeración secuencial de los mensajes enviado,
esto se usa para Entrega en orden Control de flujo Control de error
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Transferencia de Datos Orientada a la Conexión
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Cuál es la necesidad de una arquitectura de protocolos Por ejemplo para la transmisión de archivos
La fuente debe activar el camino de comunicación o informar a la red cual es su destino
La fuente debe verificar si el destino está preparado para recibir la información
La aplicación de transferencia de archivos en la fuente debe verificar si el sistema de manejo de archivo del destino aceptará y almacenará el archivo para el usuario especificado
Puede requerirse una transformación de formato del archivo
Una tarea es dividida en subtareas Implementadas de forma separada y en capas
dentro de una pila Las funciones se necesitan en ambos sentidos Las capas pares (del mismo nivel) se comunican
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La utilidad de un arquitectura jerárquica de protocolos
DHL
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Elementos Claves de un Protocolo Para que dos entidades se comuniquen con
éxito, se requiere hablen el mismo idioma. Las entidades deben seguir una serie de
convenciones mutuamente aceptadas a fin de saber: qué se comunica (semántica) cómo se comunica (sintaxis) cuándo se comunica (temporización)
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Arquitectura de un Protocolo Tareas de comunicación separadas en
módulos Por ejemplo la transferencia de archivo
podría usar tres módulos Aplicación para la transferencia de archivos Módulo de servicio de comunicaciones Módulo de acceso a la red
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Arquitectura simplificada en Transferencia de Archivos
Capa de aplicación
Capa de transporte
Capa de
Acceso
a la red
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Requerimientos de Direccionamiento Se requieren dos niveles de
direccionamiento Cada computador necesita una única
dirección de red Cada aplicación en un computador
multitarea necesita una única dirección dentro del computador Puntos de Acceso al Servico (Service Access
Point SAP) El puerto en una red TCP/IP
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Redes y Arquitecturas de Protocolos
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Unidades de Datos de los Protocolos UDP (Protocol Data Units PDU)
En cada capa, se usan los protocolos para comunicarse
En cada capa se agrega información de control a los datos del usuario
La capa de transporte puede fragmentar los datos del usuario
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Operación de una Arquitectura de Protocolo
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Arquitectura Estándar de Protocolos Se requieren para la comunicación de dispositivos Los vendedores cuentan con productos con mejor
mercado Los consumidores pueden insistir en equipos
basados en estándares Existen dos estándares principales que son:
El modelo de referencia OSI Nunca fue más alla de las promesas iniciales
Suite de protocolos TCP/IP Más ampliamente utilizado
También existe: IBM Systems Network Architecture (SNA)
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Elementos de Estandarización Especificación del protocolo
Dos entidades en la misma capa en sistemas diferentes cooperan e interactúan por medio del protocolo
Las especificaciones del protocolo deben ser precisas Formato de la unidad de datos Semántica de todos los campos Secuencia permitida de PDUs
Definición del servicio Se necesita normalizaciones para los servicios que cada capa
ofrece a la capa superior contigua Descripción funcional de qué servicios está proporcionando No especifica cómo se proporcionan los servicios
Direccionamiento: cada capa suministra a las entidades en la capa superior contigua. Las entidades se identifican mediante SAP Un NSAP(NetworkSAP) indica una entidad de transporte que es
usuaria del servicio de red
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Modelo OSI OSI = Open Systems Interconnection Desarrollado por International Organization for
Standardization (ISO) como arquitectura para comunicaciones entre computadores
Objetivo: ser el marco de referencia en el desarrollo de protocolos estándares
Siete capas
Un sistema teórico desarrollado muy tarde! TCP/IP es el estándar de facto
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El modelo OSI Es un modelo basado en capas Cada capa desarrolla un subconjunto de
las funcionalidades requeridas para lograr la comunicación
Cada capa se apoya en la capa siguiente de menor nivel para llevar a cabo funciones primitivas
Cada capa provee servicios a la siguiente capa de nivel superior
Los cambios en una capa no requerirán de modificaciones en otras capas de la pila
Capa k +1
Capa k
Capa k - 1
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Las capas de la OSI
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Estándares específicos por capa
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Capas OSI
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Capas OSI Física:
Se encarga de la transmisión de cadenas de bits no estructurados sobre el medio físico; esta capa está relacionada con las características mecánicas, eléctricas, funcionales y de procedimiento para acceder al medio físico
Aquí se definen características de la interfaz física entre dispositivos, tales como: Físicas: distancias máximas de transmisión
Mecánicas: especifica las características físicas del conector y sus circuitos
Eléctricas: especifica los niveles de voltaje, velocidades de transmisión de los datos y sincronización de cambio de voltaje
Funcionales: especifica las funciones de cada uno de los circuitos De procedimiento: especifica la secuencia de eventos que se realizan en
el intercambio de flujo de bits a través del medio físico
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Capas OSI Enlace de Datos:
Se encarga de activar, mantener y desactivar un enlace, ofreciendo un tránsito confiable de datos a través de un enlace físico
Envía bloques de datos (tramas) llevando a cabo la sincronización, el control de errores , la entrega ordenada de tramas y el flujo necesario
Las capas superiores pueden asumir una transmisión libre de errores
Red: Proporciona conectividad y selección de rutas entre dos sistemas
finales que pueden estar ubicados en redes geográficamente distintas Proporciona independencia a los niveles superiores respecto de las
técnicas de conmutación y de transmisión usadas para conectar los sistemas; es responsable del establecimiento, mantenimiento y cierre de las conexiones
No hace falta enlaces directos origen-destino.
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Capas OSI Transporte:
Segmenta y reensambla los datos en un flujo de datos Brinda un servicio de transporte de datos que proteja a las capas
superiores de los detalles de implementación de transporte Se ocupa de temas tales como la confiabilidad del transporte a través
de una interconexión de redes, evitando pérdidas de paquetes, duplicaciones, errores y pérdida de secuencia en los paquetes.
Proporciona seguridad, transferencia transparente de datos entre los puntos finales: proporciona además procedimientos de recuperación de errores, control de flujo origen destino y calidad de servicio.
Sesión: Proporciona el control de la comunicación entre las aplicaciones.
Establece, administra y cierra las conexiones (sesiones) entre las aplicaciones que cooperan
Contempla mecanismos de recuperación: procedimiento para reanudar la transmisión después de ocurrido un fallo
Brinda sus servicios a la capa de presentación
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Capas OSI Presentación:
Asegura que la capa de aplicación pueda leer la información enviada por la capa de aplicación de otro sistema
De ser necesario, la capa de presentación realiza una traducción entre varios formatos de representación de datos, usando un formato de representación común
Proporciona a los procesos de aplicación independencia respecto a las diferencia en la representación de los datos (sintaxis)
Algunos ejemplos de servicios específicos de esta capa son:
Compresión de datos Encriptación o cifrado de datos
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Capas OSI Aplicación:
Proporciona un medio para que las aplicaciones accedan al entorno OSI
Es la capa más cercana al usuario y brinda servicios de red a las aplicaciones del usuario
Incluye las funciones de administración y en general, a los mecanismos necesarios en la implementación de las aplicaciones distribuidas
Pertenecen a esta capa aplicaciones tales como: Transferencia de archivos Correo electrónico Acceso desde terminales a computadores remotos Etc.
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Modelo de Referencia OSI
7 Aplicación6 Presentación5 Sesión4 Transporte3 Red2 Enlace de Datos1 Física
Procesos de red para aplicacionesRepresentación de datos
Comunicación entre aplicacionesConexiones extremo a extremo
Direcciones y mejor rutaAcceso a los mediosTransmisión binaria
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Uso de las capas en diferentes dispositivos (Un Retransmisor)
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Arquitectura Protocolo TCP/IP Desarrollado por Defense Advanced Research
Project Agency (DARPA) de EEUU para su red de conmutación de paquetes (ARPANET)
Arquitectura comercial dominante Especificada y extensivamente usada antes de
OSI Usado por la Internet global Es un modelo no oficial que trabaja con:
Capa de Aplicación Capa de transporte o Host to host Capa Internet Capa de acceso a la red Capa física
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Capa Física Define interfaz física entre
dispositivo de transmisión de datos (p.e. computador) y medio de transmisión o red
Características del medio de transmisión
Niveles de señal Velocidad de datos, etc.
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Capa de Acceso a la Red Intercambio de datos entre el sistema final y la
red Proporciona dirección de destino para que la
red pueda encaminar los datos hasta el destino apropiado
Invocar servicios de red como prioridad El software que se use en esta capa
dependerá del tipo de red se han desarrollado estándares para
conmutación de circuitos conmutación de paquetes (X.25) LAN (ethernet)
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Capa Internet (IP) Los sistemas pueden ser conectados a
diferentes redes
Funciones de encaminamiento a través de múltiples redes
El protocolo IP (Internet Protocol) se usa en esta capa para ofrecer servicio de encaminamiento a través de varias redes
Implementado en sistemas finales y routers un router es un dispositivo con capacidad de
procesamiento que conecta dos redes y que debe retransmitir datos desde una red a otra siguiendo la ruta adecuada para alcanzar el destino
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Capa de Transporte (TCP) Independientemente de la naturaleza de
las aplicaciones se requiere que: La entrega de datos sea confiable Se asegure que todos los datos llegan a la
aplicación destino y además en el mismo orden en que fueron enviados
El Protocolo TCP (Transmission Control Protocol) es el más utilizado para proporcionar esta funcionalidad
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Capa de Aplicación Contiene la lógica necesaria para soportar
la comunicación en varias aplicaciones de usuario p.e. para cada tipo distinto de aplicación se necesita un
módulo independiente y con características bien definidas
e.g. Http (Hiper Text Transfer Protocol), SMTP (Simple Mail Tranfer Protocol), SNMP, etc.
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Modelo de Arquitectura de Protocolo TCP/IP
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OSI vs TCP/IP
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TCP La capa usual de transporte en TCP/IP es
Transmission Control Protocol (TCP) Brinda una conexión confiable
Conexión Asociación lógica y temporal entre entidades en
diferentes sistemas
TCP PDU Llamado segmento TCP Incluye puertos de origen y destino (equivalente a SAP)
Que identifican respectivamente a las aplicaciones de los usuarios
Una conexión hace referencia a un par de puertos
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UDPUna alternativa a TCP es UDP (User
Datagram Protocol) Envíos no garantizados No se preserva el orden de secuencia de
paquetes No hay protección contra la duplicación de
paquetes Presenta una pérdida de eficienca mínima Añade el concepto de puertos a IP
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Conceptos de TCP/IP
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Direccionamiento Es el nivel dentro de la arquitectura en el cual las
entidades reciben su nombre
Existe una dirección única para cada sistema final (computador) y enrutador (router)
Dirección a nivel de Red IP o dirección de internet (TCP/IP) Network service access point or NSAP (OSI)
Los procesos dentro de un sistema se asocian a Número de puerto (Port number) (TCP/IP)
Service access point or SAP (OSI)
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Seguimiento de una operación simple El Proceso asociado con el puerto 1 en el host A
envía un mensaje al puerto 2 en el host B El Proceso en A envía hacia abajo el mensaje a TCP para
que éste lo envíe al puerto 2 del destino TCP envía información a IP para que el mensaje sea
enviado a B IP envía a la capa de red (p.e. Ethernet) para que lo
envíe al router J Se generan una serie de PDU encapsulados
TCP
IP
A1
Red
B2
TCP
IP
Red
EnrutadoRouter J
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PDUs en TCP/IP
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Algunos Protocolos de la Suite TCP/IP
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Estándares Requerido para permitir la
interoperabilidad entre equipos Ventajas
Asegura un gran mercado para equipos y software estimula la producción masiva reduciendo los costos
Permite que productos de diferentes proveedores se comuniquen
Desventajas Tienden a congelar la tecnología
mientras que un estándar se desarrolla, se revisa y se adopta, ya se habrán desarrollado otras técnicas más eficaces
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Organizaciones de Normalización Internet Society ISOC International Organization for Standardization (ISO) creadora
de Open Systems Interconnection (OSI). American National Standards Institute (ANSI). USA miembro de
ISO. Electronic Industries Association (EIA) Desarrolló el EIA/TIA-232
(antes RS-232) y otros. Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE) -- IEEE.
Desarrolló IEEE 802.3 e IEEE 802.5. International Telecommunication Union Telecommunication
Standardization Sector (ITU-T) -- ITU-T organización internacional (antes CCITT). Desarrollo X.25 y otros protocolos
Internet Activities Board (IAB) The IAB ha presentado varios Request For Comments (RFC) incluído (TCP/IP) y (SNMP).
ATM forum
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Lecturas Adicionales
Tanenbaum. Redes de Computadores. Capítulo 1 (1.1- 1.4 y 1.6)
Stallings, W. Comunicaciones y Redes de Computadores (7th edicion), Prentice Hall. 2004. capítulos 1 y 2
Comer,D. Internetworking with TCP/IP volume I Comer,D. and Stevens,D. Internetworking with TCP/IP
volume II and volume III, Prentice Hall
Halsall, F. Data Communications, Computer Networks and Open Systems, Addison Wesley
Web sites for IETF, IEEE, ITU-T, ISO