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Prof. Ricardo Gonzalez Redes de Computadores Tema1 1

Curso de

Redes Computadores 1

Tema 1

Introducción a las Redes de

Computadores


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.


Perspectivas

Usuario de la Red

Diseñadores e Instaladores de Red

Administradores de Redes

Proveedores de Servicios (de Red)


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 (redesIP). Identificadores de máquimas: 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 transpote, tales como RFC822, POP, HTTP.

TEMA 5: Otros modelos de programación en redes: RPC.


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, hubs.

TEMA 7: Control y manejo del intercambio de datos sobre un enlace (link). Trama o Frame y sincronización de frame. 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.


Curso de

Redes Computadores 1

Tema 1

Introducción a las Redes de

Computadores


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.


150 millones de sitios web. 500 millones de usuarios (2008)

Su tamaño se dobla cada 5 años.



Internet



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



Modelo Simplificado para las

Telecomunicaciones


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


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


Modelo Simplificado para la Comunicación de

Datos en Redes de Computadores


Networking (Redes)

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


Modelo Simplificado de Red


Clasificación de las Redes de

Computadores

WAN (Wide Area Network) Son Públicas o depende en parte de circuitos comunes de operadores particulares

Cubren 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)


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


Conmutación de Paquetes

(Packet Switching)

Se envian pequeñas unidades (paquetes) de datos, unoa la vez.

Los datos se pueden enviar fuera de secuencia.

Los paquetes pasan de nodo en nodo entre fuente ydestino.

En cada nodo el paquete se recibe completamente, sealmacena durante un intervalo breve de tiempo yposteriormente se transmite al siguiente nodo

Usado para comunicaciones de terminal a computador yde computador a computador

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Configuración

de una Red


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.


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


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


Directo o Indirecto

Indirecto

Redes conmutadas o

Conjunto de redes (Internetworks) o internets

La transferencia de datos depende de otras entidades


Monolítico o Estructurado

La tarea de la comunicación es complejacomo para ser abordada como una unidad

El diseño estructurado analiza el problemaen unidades más pequeñas

En lugar de un único protocolo, habrá un conjunto deprotocolos organizados, por ejemplo en unaestructura jerárquica en capas


Simétrico o Asimétrico

Simétrico

Comunicación entre entidades pares

Asimétrico

Cliente/servidor


Uso de Protocolos Estándares o No

Estándares


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


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 adelante

MensajeEste es el mensaje a enviarEncabezado Cola


Encapsulación

Se agrega información de control a los datosInformación de dirección, Código detector de errores, Control del protocolo


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


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


Transferencia de Datos

Orientada a la Conexión


Cuál es la necesidad de un

arquitectura de protocolos

Por ejemplo para la transmisión de archivosLa 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


La utilidad de un arquitectura

jerarquica de protocolos

DHL


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)


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


Arquitectura simplificada en

Transferencia de Archivos

Capa de

aplicación

Capa de

transporte

Capa de

Acceso

a la red


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


Redes y Arquitecturas de

Protocolos


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


Operación de una Arquitectura

de Protocolo


Architectura 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 referenciaOSI

Nunca fue más alla de las promesas iniciales

Suite de protocolos TCP/IP

Más ampliamente utilizado

También existe: IBM Systems Network Architecture (SNA)


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


Modelo OSI

OSI = Open Systems Interconnection

Desarrollado por International Organization forStandardization (ISO) como arquitectura paracomunicaciones entre computadores

Objetivo: ser el marco de referencia en eldesarrollo de protocolos estándares

Siete capas

Un sistema teórico desarrollado muy tarde!

TCP/IP es el estándar de facto


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


Las capas de la OSI


Estándares específicos por capa


Capas OSI


Capas OSI

Física:Se encarga de la transmisión de cadenas de bits no

estructurados sobre el medio físico; esta capa está relacionadacon las características mecánicas, eléctricas, funcionales y deprocedimiento para acceder al medio físico

Aquí se definen características de la interfaz física entredispositivos, 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


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, elcontrol 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 lastécnicas de conmutación y de transmisión usadas para conectar lossistemas; es responsable del establecimiento, mantenimiento y cierrede las conexiones

No hace falta enlaces directos origen-destino.


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 lospuntos finales: proporciona además procedimientos de recuperación deerrores, 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 lasaplicaciones que cooperan

Contempla mecanismos de recuperación: procedimiento para reanudar la transmisión después de ocurrido un fallo

Brinda sus servicios a la capa de presentación


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 traducciónentre varios formatos de representación de datos, usando unformato de representación común

Proporciona a los procesos de aplicación independencia respectoa 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


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 lasaplicaciones 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.


Modelo de Referencia OSI

7 Aplicación

6 Presentación

5 Sesión

4 Transporte

3 Red

2 Enlace de Datos

1 Física

Procesos de red para aplicaciones

Representación de datos

Comunicación entre aplicaciones

Conexiones extremo a extremo

Direcciones y mejor ruta

Acceso a los medios

Transmisión binaria


Uso de las capas en diferentes

dispositivos (Un Retransmisor)


Arquitectura Protocolo TCP/IP

Desarrollado por Defense Advanced Research Project Agency (DARPA) de USA 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


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.


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)


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 deberetransmitir datos desde una red a otra siguiendo la rutaadecuada para alcanzar el destino


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


Capa de Aplicación

Contiene la lógica necesaria para soportar la comunicación en varias aplicaciones de usuariop.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.


Modelo de Arquitectura de

Protocolo TCP/IP


OSI vs TCP/IP


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


UDP

Una 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 un overhead Mínimo

Añade el concepto de puertos a IP


Conceptos de TCP/IP


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)


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 envia 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


PDUs en TCP/IP


Algunos Protocolos de la Suite

TCP/IP


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


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 variosRequest For Comments (RFC) incluído (TCP/IP) y (SNMP).

ATM forum


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

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