Tema 2 - UC3Mocw.uc3m.es/ingenieria-informatica/sistemas-distribuidos-2013/Tema2... · Tema 2 Redes...

Tema 2Redes e interconexión

F. García-Carballeira, Mª. Soledad Escolar,

Luis Miguel Sánchez, Fco. Javier García

Sistemas Distribuidos

Grado en Ingeniería Informática

Universidad Carlos III de Madrid

Objetivo y bibliografía

� Objetivos:� Repasar los principales conceptos sobre protocolos y redes de computadores

� Analizar algunas cuestiones sobre fiabilidad y prestaciones en redes

� Bibliografía básica:

F. García-Carballeira, Mª. Soledad Escolar, Luis Miguel Sánchez, Fco. Javier García

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2

� Bibliografía básica:

Stallings, William .

Comunicaciones y redes de computadores. Ed. Prentice Hall.

Séptima Edición (2004).

Contenido

� Conceptos básicos sobre redes

� Propiedades de los sistemas de comunicación

� Tipos de redes de computadores

� Interconexión de redes� Dispositivos de conexión de redes

Pilas de protocolos



3

� Pilas de protocolos� Modelo de referencia OSI

� Protocolo TCP/IP

� Papel del sistema operativo en los protocolos de comunicación

� Rendimiento y fiabilidad

Conceptos básicos

� Subsistema de comunicación: conjunto de componentes HW y SW que proporcionan servicios de comunicación en un sistema distribuido

� Red de computadores: conjunto de computadores conectados por medio de una red

� Un host es un computador u otros dispositivo que usan la red para propósitos de comunicación.



� Protocolo: conjunto de reglas e instrucciones que gobiernan el intercambio de paquetes y mensajes

� Mensaje: objeto lógico que se intercambian entre dos o más procesos� Su tamaño puede ser bastante grande

� Un mensaje se descompone en paquetes

� Paquete: tipo de mensaje que se intercambia entre dos dispositivos de comunicación� Tamaño limitado por el hardware

4

Propiedades de un subsistema

de comunicación� Tasa de transferencia:

� velocidad de transferencia de los datos� Medida en bits por segundo

� Latencia: � tiempo necesario para transferir un mensaje vacío

� Tiempo de transferencia: � latencia + (tamaño datos /tasa de trasferencia)

� Paquetes/segundo (rendimiento o throughput):



� Número de paquetes enviados/recibidos en un segundo

� Capacidad de crecimiento (escalabilidad):� Medida de: efectividad vs. nº nodos/nº recursos

� Calidad de servicio (QoS):� Importante en aplicaciones multimedia y de tiempo real

� Fiabilidad del subsistema� Mecanismos de detección de errores

� Seguridad (protección de los paquetes): � Confidencialidad: proteger la identidad de los emisores

5

Tipos de redes de computadores

� Redes de área local (LAN, Local Area Network)� Redes que enlazan sistemas cercanos

� Posibilidad de difusión de mensajes (broadcast)

� Personal Area Networks (PANs) son un tipo de LAN

� Redes de área metropolitana (MAN, MetropolitanArea Network)

� Redes de área extensa (WAN, Wide Area Network)Menor ancho de banda



6

� Menor ancho de banda

� Mayor latencia

� Redes telefónicas, redes públicas de datos, fibra óptica RDSI, B-RDSI, ATM

� Redes de área local inalámbricas (WLAN, Wireless LAN)� Eliminan la necesidad de infraestructura cableada para conectar dispositivos

� Ejemplo: IEEE 802.11 (WiFi)

� Diferencias entre LAN y WAN cada vez más borrosas

Clusters y arquitecturas paralelas

� Arquitecturas distribuidas enfocadas a la ejecución de aplicaciones paralelas

� Objetivo: reducir el tiempo de ejecución

� Los clusters utilizan redes de alta velocidad y baja latencia� ATM , fast ehternet, Gigabit ethernet,

� Autonet, Myrinet, HiPPI, SCI



7

� Autonet, Myrinet, HiPPI, SCI

� Arquitecturas más cerradas y optimizadas donde la detección de fallos se puede realizar de forma mucho más rápida

� Utilizan modelos de comunicación distintos

Tendencias en la tecnología

300

400

500

600

700

CPU MIPSMemory MBLAN MbitsWAN Mbits



8

0

100

200

1985-1990

1990-1995

1995-2000

2000-2005

WAN MbitsO/S overhead

Fuente: Birman

Latencias típicas (milisegundos)

1

10

100

1000

Disk I/OEthernet RPCATM roundtrip



9

0,01

0,1

1

1985-1990

1990-1995

1995-2000

2000-2005

WAN roundtrip

Fuente: Birman

Interconexión de redes

� Una interred o internet es un conjunto de redes interconectadas

Dispositivos de Conexión



10

The McGraw-Hill

Protocolos y arquitecturas

� Un protocolo es un conjunto de reglas y formatos que permiten la comunicación entre procesos

� La definición de un protocolo tiene dos partes:� Especificación de la secuencia de mensajes que deben intercambiarse

� Especificación del formato de mensajes

� La arquitectura de un sistema define su estructura en términos de



11

� La arquitectura de un sistema define su estructura en términos de componentes independientes

� Una arquitectura de software es la organización del software como capas o módulos de un único sistema o computador

� Ejemplo de arquitectura: pila de protocolos OSI

Funciones de una pila de protocolos (I)

� Una pila de protocolos es el conjunto completo de capas de protocolos� Ejemplo: Modelo de referencia OSI

� Segmentación y ensamblado de los mensajes� Segmentación: fragmentación de los mensajes en paquetes más pequeños de acuerdo al

MTU

� Ensamblado: composición del mensaje original a partir de los fragmentos del mensaje en la máquina destino

Encapsulado: incorporación de información de control a los datos



� Encapsulado: incorporación de información de control a los datos� Dirección del emisor y receptor

� Código de detección de errores

� Control de conexión

� Protocolos orientados a conexión

� Protocolos no orientados a conexión

� No se asegura el orden secuencial de los datos transmitidos

� Entrega ordenada en protocolos no orientados a conexión� Números de secuencia

12

� Control de congestión o flujo: función realizada en el receptor para limitar la cantidad o tasa de datos que envía el emisor� Tamaño de ventana indica la cantidad de datos que el emisor puede enviar antes del

siguiente ACK

� Control de errores: se basan en el uso de una secuencia de comprobación y reenvío

� Direccionamiento: entrega de los mensajes al receptor� Cada host se identifica mediante una dirección de red y un número de puerto

Funciones de una pila de protocolos (II)



13

� Cada host se identifica mediante una dirección de red y un número de puerto

� Multiplexación: necesario para un uso más eficiente de los servicios� Servicios de transmisión:

� Prioridad

� Calidad de servicio

� Seguridad

Ejemplos de protocolos

� Protocolos Internet:� Originados por el trabajo de DARPA en los años 70

� Muy utilizados en la actualidad

� Gran crecimiento durante los años 90 debido al uso del Web

� Protocolos OSI (Open System Interconnection)� Estándar desarrollado por ISO



14

� Estándar desarrollado por ISO

� Modelo de referencia

� Estándares propietarios� SNA de IBM (años 70)

� DECnet desarrollado por DEC

� NetWare: red de Novell para redes de PC

Modelo de referencia OSI



15

The McGraw-Hill

Modelo de referencia OSI

Sesión

Transporte

Presentación

Aplicación Mensaje enviado

Mensaje recibido



16 The McGraw-Hill

Transporte

Red

Enlace

� ReceptorFísicoEmisor Receptor

Los 7 niveles OSI

� Físico: circuitos y HW de red necesarios para transmitir secuencias de bits mediantes señales analógicas (Ethernet)

� Enlace de datos: responsable de la transmisión de paquetes libres de errores entre computadores directamente conectados a través de un enlace (HDLC, CSMA/CD)

� Red: transfiere y encamina paquetes entre distintas red (X25, IP)� Transporte: es el nivel más bajo que trabaja con mensajes. (por debajo, se



17

� Transporte: es el nivel más bajo que trabaja con mensajes. (por debajo, se usan paquetes). Se encarga del intercambio de mensajes entre dos procesos (TCP, UDP)

� Sesión: Comunicación entre procesos de manera fiable. Se encarga de organizar y sincronizar el dialogo y controlar el intercambio. Control de flujo

� Presentación: transmisión de datos usando una representación que es independiente de la usada por los computadores individuales (XDR, XML).También se encarga del cifrado y compresión de datos

� Aplicación: protocolos de las distintas aplicaciones (FTP, Telnet, etc.)

Comunicación en el modelo OSI



18

The McGraw-Hill

Nivel Físico

� Encargado de transformar una secuencia de bits en señales eléctricas� Ejemplo: 1 cuando en un punto del medio físico se

miden “5 voltios” y 0 cuando se miden “0 voltios”

� Algunas de sus funciones son:

� Envío bit a bit entre un par de nodos

� Proporcionar una interfaz estandarizada para los medios de transmisión físicos



físicos

� Modulación

� Sincronización de bits en comunicación serie síncrona y delimitación de las tramas en comunicación serie asíncrona

� Modo de transmisión simplex, half duplex, full duplex

� Ejemplos: ISDN, 10BASE-T, capa física Bluetooth o IEEE 802.11x

19

Intercambio de datos



20

The McGraw-Hill

Nivel de enlace de datos



21

The McGraw-Hill

Nivel de red

� Encaminamiento de mensajes entre el nodo origen y el destino cuando entre ellos hay una distancia de n saltos (n>1)

� Ejemplo: envío de datos de un nodo con dirección de red A (dirección física 10) al nodo con dirección de red P (dirección física 95)

Red1Red3



22

A P

Red2

Red3

Ejemplo: Encaminamiento (I)

� Objetivo: entrega del paquete desde el nodo A (dir.10) hasta el nodo P (dir. 20)

� El paquete es transmitido a través de varias redes atravesando varios routers

� Un router es un dispositivo de conexión que permite interconectar distintas redes

� La ruta entre A y P es responsabilidad colectiva de routers localizados en cada una de las redes que los paquetes atraviesan

La determinación de las rutas es responsabilidad del



23

The McGraw-Hill

� La determinación de las rutas es responsabilidad del algoritmo de enrutamiento

� Un algoritmo de enrutamiento decide una ruta usando una métrica de enrutamiento

Ejemplo Encaminamiento (II)



24

The McGraw-Hill

Conceptos sobre encaminamiento

� Tipos de encaminamiento� Estático

� Dinámico� Tiempo de vida de un paquete (contador de saltos)

� Ejemplos de algoritmos



25

� Ejemplos de algoritmos� Basado en el vector distancia

� Basado en el estado del enlace

Nivel de transporte

� Sesión �Transporte � Red � Red �Transporte � Sesión



26

The McGraw-Hill

Servicios del nivel de transporte

� Entrega extremo a extremo (proceso a proceso)� Entrega fiable

� Control de errores� Control de secuencia� Control de pérdida� Control de duplicación



27

� Control de duplicación

� Multiplexación� Hacia arriba (nivel de sesión)� Hacia abajo (nivel de red)

� Comunicación� Orientado a conexión� No orientado a conexión

Dispositivos de conexión de redes

� Dispositivos de red� Repetidores

� Puentes (bridge)

� Dispositivos de interconexión� Encaminadores (router)



28

� Pasarelas (gateway)

� Otros dispositivos � Concentradores (hubs)

� Conmutadores (switches)

Dispositivos de conexión en el modelo OSI



29

The McGraw-Hill

Repetidor

� Un repetidor es un regenerador de la señal (no un amplificador)� Opera en el nivel físico



30

The McGraw-Hill

Puentes (bridges)

� Dividen una red grande en segmentos

� Operan en los dos primeros niveles OSI



31

The McGraw-Hill

Funcionamiento de un puente



32

The McGraw-Hill

Encaminadores (routers)

• Utilizan direcciones del nivel de red (direcciones de red)



33

The McGraw-Hill

Pasarelas (gateways)



34

The McGraw-Hill

Otros dispositivos

� Concentrador (hub) � Conmutador (switch)

Hub



35

A B C D E

Nivel de Sesión

� Encargado de proporcionar los mecanismos para controlar el diálogo de las aplicaciones de los sistemas finales

� Los usuarios de distintas máquinas establecen una sesión� Una sesión proporciona servicios adicionales a la capa de transporte

Algunas de sus funciones:



� Algunas de sus funciones:� Control del diálogo (organización, sincronización, intercambio de catos)

� Agrupamiento

� Detección de fallos y recuperación automática

� Ejemplos: SIP (Session Initiation Protocol)

36

Nivel de Presentación

� Objetivo: “cómo se representa la información” más que “cómo se transmite”

� Encargado de la representación de los datos que intercambian dos máquinas origen-destino (posiblemente heterogéneas) usando una representación de red independiente:� Caracteres (ASCII, Unicode, EBCDIC)

� Números (Little-endian, Big-endian)



� Números (Little-endian, Big-endian)

� Algunas de sus funciones:� Formateo de los datos

� Cifrado de los datos

� Compresión de los datos

� Ejemplos: TLS Security, CORBA Data representation

37

Ordenamiento de los bytes

…

0x0

0x1

0x2

Little-endian (Dirección ‘pequeña’ termina la palabra…)

� Dos tipos de ordenamiento: Little-endian y Big-endian



38

…

…

0x0

0x1

0x2

Big-endian (Dirección ‘grande’ termina la palabra…)

� Big Endian

1

Ejemplo: Representación del 1

0 0 0

n n+1 n+2 n+3Direcciones:

LSBMSB



� Little Endian

39

01 0 0

MSBLSB

Dirección de crecimiento

n n+1 n+2 n+3Direcciones:

Dirección de crecimiento

Representación de datos

� Empaquetamiento de datos (marshalling):� Serialización de las estructuras de datos y conversión de los valores de los datos

a su representación externa

-1.5“Esto es una cadena” 1.2 7.3



� Desempaquetamiento de datos (unmarshalling)� Conversión de los datos a su representación interna

40

…10010111…0110010…

-1.5“Esto es una cadena” 1.2 7.3

Representación en el computador A

Representación en el computador B

Nivel de Aplicación

� Protocolos de alto nivel diseñados para satisfacer los requisitos de las aplicaciones � Definen la interfaz de acceso a un servicio

� Ejemplos:� FTP (File Transfer Protocol - Protocolo de transferencia de archivos) para transferencia de

archivos

� DNS (Domain Name System- Servicio de nombres de dominio)



DNS ( - Servicio de nombres de dominio)

� DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol - Protocolo de configuración dinámica de anfitrión).

� HTTP (HyperText Transfer Protocol) para acceso a páginas web

� NAT (Network Address Translation - Traducción de dirección de red)

� POP (Post Office Protocol) para correo electrónico

� SMTP (Simple Mail Transport Protocol)

� SSH (Secure SHell)

� TELNET para acceder a equipos remotos

� TFTP (Trivial File Transfer Protocol)

41

Ejemplo: HTTP

Navegador www.uc3m.es

1) Petición

2) Respuesta

1) Petición: 2) Respuesta:



42

1) Petición:GET /index.html HTTP/1.1

Host: www.example.com

User-Agent: nombre-cliente

[Línea en blanco]

2) Respuesta:HTTP/1.1 200 OK

Date: Fri, 31 Dec 2003 23:59:59 GMT

Content-Type: text/html

Content-Length: 1221

<html>

<body>

<h1>Página www.uc3m.es</h1>

(Contenido) . . .

</body>

</html>

Protocolos TCP/IP

� Resultado de dos décadas de investigación y desarrollo llevados a cabo en la red ARPANET (financiada por DARPA) en los años 70

� Familia de protocolos utilizados en Internet



43

� En los años 90 se ha establecido como la arquitectura comercial dominante:� Se especificaron y utilizaron antes que OSI

� Independiente de la tecnología de red utilizada

� Internet está construida sobre un conjunto de protocolos TCP/IP

� Espectacular desarrollo de World Wide Web

Historia

� Internet nació en 1969 a partir de un proyecto del Ministerio de Defensa de los EEUU (DARPA) denominado ARPANET� Objetivo: intercambiar información entre investigadores, científicos y militares

� En octubre de 1969 se realizó el primer intercambio de información entre la Universidad de Los Ángeles y la Universidad de Standford � El mensaje que se envío fue: “log in”



44

� Se recibió “lo”: el primer mensaje enviado por Internet� En 1972 ya había 40 computadores conectados� Inicialmente se desarrollaron varios protocolos, los cuales no eran compatibles entre sí

� El gobierno de los EEUU encargó el desarrolló de un protocolo común:� En 1974 surge TCP/IP, la pila de protocolos utilizada en Internet

Protocolos TCP/IP

Aplicación

Transporte

Internet

Mensaje recibido

Mensaje enviado



Físico

45

Interfaz de red

Internet

Emisor Receptor

TCP/IP y el modelo OSI

Aplicación

Presentación

Transporte

Sesión

TCP y UDP

Aplicación



46

Red

Transporte

Físico

Interfaz de red

IP

TCP y UDP

Físico

Interfaz de red

Modelo de referencia OSI Pila de protocolos TCP/IP

TCP/IP y el modelo OSI



47

The McGraw-Hill

Conceptos de interconexión entre redes

� Red de comunicación

� Sistema que proporciona servicio de transferencia entre estaciones conectadas a una red

� Internet

� Conjunto de redes interconectadas por puentes o dispositivos de encaminamiento

� Subred



� Subred

� Red constituyente de internet� Sistema final

� Dispositivo conectado a una de las subredes que se utiliza para implementar las aplicaciones

48

Protocolo Internet (nivel IP)

� Responsable de la transmisión de paquetes (datagramas IP) de tamaño variable (máximo 64 KB) con cabecera de 20 bytes (dirección IP origen y destino)� Si length(datagrama) > MTU de la red subyacente � Fragmentar

� Ejemplo: MTU de Ethernet es 1500 bytes

� Se corresponde con el nivel de red del modelo OSI

� Protocolo no orientado a conexión



49

� Protocolo no orientado a conexión

� El encaminamiento se realiza mediante tablas de encaminamiento� Estáticas (las más usadas) o dinámicas

� Si se utiliza encaminamiento dinámico un datagrama podría viajar de forma indefinida� Solución: contador de saltos (Time To Live)

Protocolo Internet (nivel IP)

� Semántica best-effort� Transmisión no fiable

� No hay garantía de entrega

� Mecanismo de comprobación de errores basado en checksum de la cabecera

� Los paquetes se pueden descartar por: Expiración del tiempo de vida (TTL), Congestión, Error en la suma de comprobación (checksum)

� Control de flujo muy limitado

Calidad de servicio muy limitado

“En los próximosaños se planea la



50

� Calidad de servicio muy limitado� Seguridad, Rendimiento : normal o alto

� Retardo: normal o bajo

� Dos implementaciones:

� IPv4: la versión de IP en uso más extendido desde enero de 1984

� IPv6: motivado por el enorme crecimiento de Internet para solucionar el problema de las limitaciones del esquema de direcciones de IPv4 y añadir nuevas características (ej. calidad de servicio)

años se planea lamigración gradualdesde IPv4 a IPv6”

George Coulouris

Direcciones IPv4

� Cada computador tiene una dirección IP (32 bits) que le identifica de forma única� 2 hosts direccionables

Dir de redClase A: 0 Dir de máquina

7 24

32



51

Clase B:

Clase D:

Multicast

1 1 0 Dir de máquinaDir de red

1 1 1 0 Dir multicast

1

14 16

21 8

28

0 Dir de máquinaDir de red

Rango de direcciones en Internet



52

Dirección IP en notación decimal

� Una dirección IPv4 se expresa como una secuencia de 4 bytes separados por puntos. � El valor que puede tomar cada octeto es 0..255 (2^8 -1)



53

Subredes

� La técnica de subnetting permite que una red pueda dividirse en redes más pequeñas denominadas subredes� Para ello, se toman x bits del identificador de host que serán destinados a

identificar la subred (2^x subredes) dentro de la red

� Una organización con una red de clase B puede dividirla en varias de clase C



54

The McGraw-Hill

Enmascaramiento



55

The McGraw-Hill

Protocolo ARP

(Address Resolution Protocol)

� Protocolo de resolución de direcciones� Asocia una dirección IP con una dirección física (ej. Ethernet)

�Se trata de un protocolo específico de la tecnología de red

�Ejemplo: traducción de una dirección IPv4 (32 bits) en una dirección Ethernet (48 bits)



56

The McGraw-Hill

(32 bits) en una dirección Ethernet (48 bits)

�Mantiene una caché con:

(dirección IP,dirección Física)

�2 tipos de mensajes:dirección Ethernet

1) ARP request: mensaje broadcastindicando la dirección IP que se busca

2) ARP reply: sólo responde el ordenador cuya dirección IP es la dirección de búsqueda. Se responde con la dirección Ethernet asociada y se añade a la caché

IP de nueva generación: IPv6

� La versión IPv4 del protocolo IP está alcanzando el fin de su vida:� Direcciones de 32 bits limitan el número de direcciones posibles

� IETF notificó en 1990 los problemas potenciales del direccionamiento en IPv4

� El rápido crecimiento de Internet

� Mayor protagonismo de redes inalámbricas



Mayor protagonismo de redes inalámbricas

� Necesidad de un incremento en el espacio de direcciones

� Necesidad de nuevos requisitos en el protocolo� Calidad de servicio

� Aplicaciones de tiempo real y multimedia

� En 1994 aparece el diseño de IPv6

57

Mejoras que incluye IPv6

� Espacio de direcciones ampliado: � Direcciones de 128 bits

� 7x10^23 direcciones IP por metro cuadrado de la superficie total de la Tierra [Tanenbaum]

� Cabeceras de paquetes más pequeñas: � Objetivo: acelerar el proceso de encaminamiento

� Facilidad para la asignación de recursos:



58

� Facilidad para la asignación de recursos:� Permite el etiquetado de paquetes como pertenecientes a un flujo de tráfico

particular (ej. “traffic class”, “flow level”)� Asegura calidad de servicio

� Capacidades de seguridad mediante extensiones de tipos de cabecera:� Autenticación: authentication security payload

� Confidencialidad: encrypted security payload

Transición de IPv4 a IPv6 pila dual



59

The McGraw-Hill

Transición de IPv4 a IPv6 Traducción de cabeceras



60

The McGraw-Hill

Nivel de transporte



61

The McGraw-Hill

Puertos

� Las direcciones IP identifican de forma única una máquina

� Un puerto es un número de 16 bits que identifica de forma única a un proceso en una máquina

� Uso de los puertos:

� Permitir a los protocolos de transporte comunicación proceso a proceso

� Una aplicación que quiere recibir un mensaje debe abrir un puerto

� Un aplicación que quiere enviar un mensaje a otra debe conocer la dirección IP



62

� Un aplicación que quiere enviar un mensaje a otra debe conocer la dirección IP de la máquina donde ejecuta y el puerto asociado

� Los servicios de Internet well-known usan puertos predefinidos (0..1023) que no pueden ser usados por ningún otro proceso

� La autoridad central encargada de registrar puertos a servicios es la IANA

� Los puertos por encima de 1023 están disponibles para uso privado

� Ejemplos: ftp utiliza el puerto 21, telnet el 23, http el 80

Protocolos de transporte

� Protocolo TCP (Transport Control Protocol):

� Orientado a conexión

� Garantiza que los datos se entregan en el mismo orden en el que se envían

� Las conexiones TCP se ven como un flujo de bytes

� El flujo de bytes se fragmenta en segmentos de datos y se transfieren como paquetes IP

� La transmisión se considera “fiable”.

� Números de secuencia para ordenar los segmentos recibidos en el destino

Control de flujo



63

� Control de flujo

� Retransmisiones (ACKs)

� Buffering

� Checksum sobre los datos del segmento

� Cuando los mensajes son muy pequeños, TCP los retrasa hasta conseguir uno más grande

� Esta opción debe desactivarse si es necesario

� Escrituras concurrentes sobre una misma conexión TCP pueden provocar que los datos se entremezclen

Protocolos de transporte

� Protocolo UDP (User Datagram Protocol):

� Protocolo de datagramas no orientado a conexión

� Protocolo no fiable� Los paquetes se pueden perder, duplicar, recibir en orden distinto al enviado

� Tamaño máximo del mensaje: 64 KB



64

� Tamaño máximo del mensaje: 64 KB� Un datagrama UDP se encapsula dentro de un paquete IP

Papel del sistema operativo (I)

� Los sistemas operativos proporcionan implementaciones de los protocolos de comunicaciones

� El SW de comunicación de un sistema operativo se organiza como un conjunto de componentes con tareas concretas� Subsistema de almacenamiento: buffers donde almacenar los paquetes que llegan

y se envían (limitado)



65

� En implementaciones UNIX típicas:� TCP reserva para cada puerto (socket) un buffer de 8 KB y UDP reserva 2

buffers de 8KB. El tamaño se puede incrementar hasta 64 KB� Los mensajes a enviar se copian a estos buffers� El contenido de estos buffers se fragmenta y se copian a nuevos bloques de

memoria a utilizar por IP� IP envía finalmente los paquetes por la interfaz de red correspondiente

Papel del sistema operativo (II)

� Un sistema operativo puede perder paquetes cuando la tasa de envíos y de recepción es muy grande

� En sistemas operativos multiusuario la pérdida de paquetes suele producirse a ráfagas debido a los algoritmos de planificación

La latencia del SO



66

� La latencia del SO ha crecido en términos relativos

0

5

10

15

20

25

30

35

40

1985-1990 1990-1995 1995-2000 2000-20005

¿Dónde se pierde el tiempo?

� Códigos de corrección (checksum)� Sobre los datos TCP y UDP

� Sobre las cabeceras IP

� Copias de datos� Entre usuario y kernel



67

� Estructura de datos� Gestión de los buffers

� Colas de desfragmentación de paquetes IP

� Sistema Operativo� Sobrecarga impuesta por las operaciones del SO

Problemas de fiabilidad (I)

� Pérdida de datagramas entre dos procesos que ejecutan en la misma máquina (biprocesador Pentium con Linux, 200 MHz). Intercambio de 100000 datagramas.

Mensaje (bytes) % datagramasperdidos

longitud de laráfaga máxima



68

perdidos ráfaga máxima64 27.80 3848128 0.58 89256 15.44 4734512 9.89 34031024 28.15 30432048 26.08 26394096 22.80 7428192 10.94 630

Problemas de fiabilidad (II)

� Pérdida de datagramas entre dos procesos que ejecutan en dos máquinas (biprocesador Pentium con Linux, 200 MHz). Intercambio de 100000 datagramas

� Fast-Ethernet

Mensaje (bytes) % datagramas Longitud de la



69


Longitud de laráfaga máxima

64 6.2 673128 4.18 2517256 27.4 2904512 12.76 29191024 12.2 8712048 9.15 7954096 8.36 6508192 0.76 132

Problemas de fiabilidad (III)

� Pérdida de datagramas entre dos procesos que ejecutan en la misma máquina (biprocesador Pentium con Linux, 1GHz). Intercambio de 100000 datagramas.





70

perdidos ráfaga máxima64 0 0128 0 0256 0 0512 0 01024 0 02048 12,85 54096 30,9 58192 48,87 22

Problemas de fiabilidad (IV)

� Pérdida de datagramas entre dos procesos que ejecutan en dos máquinas (biprocesador Pentium con Linux, 1GHz). Intercambio de 100000 datagramas.

� Fast-Ethernet




71



64 0 0128 73,81 58256 84 98512 0 01024 0 02048 0 04096 0 08192 0 0

Problemas de fiabilidad (V)

� Pérdida de datagramas entre dos procesos que ejecutan en la misma máquina (biprocesador Pentium con Linux, 1GHz). Intercambio de 100000 datagramas.





72

perdidos ráfaga máxima64 0 0128 0 0256 0 0512 0 01024 0 02048 12,85 54096 30,9 58192 48,87 22

Problemas de fiabilidad (VI)

� Pérdida de datagramas entre dos procesos que ejecutan en dos máquinas (biprocesador pentium con Linux, 1GHz). Intercambio de 100000 datagramas.

� Gigabit-Ethernet




73



64 19,62 38128 15,78 28256 6 16512 11,34 161024 1 92048 0 04096 0 08192 0,01 2

Problemas de fiabilidad (VII)

� Pérdida de datagramas entre dos procesos que ejecutan en la misma máquina (Pentium IV con Linux, 3.4 GHz). Intercambio de 300000 datagramas.





74

perdidos ráfaga máxima64 0.17 177128 0.09 274256 0.034 102512 0.12 3731024 0.32 9592048 0.16 4824096 0.18 5348192 0.41 64

Problemas de fiabilidad (VIII)

� Pérdida de datagramas entre dos procesos que ejecutan en dos máquinas (Pentium IV con Linux, 3.4 GHz). Intercambio de 300000 datagramas.





75

perdidos ráfaga máxima64 0128 0256 0.08 17512 01024 0.004 142048 0 4824096 0.0036 58192 0.0073 21

Argumento end-to-end

� El argumento end-to-end soporta la visión de que el subsistema de comunicación no necesita proporcionar en cada salto una comunicación libre de errores

� ¿Es mejor utilizar en cada par de saltos un protocolo fiable o es mejor un protocolo más eficiente, menos fiable y que sean las aplicaciones las que se preocupen de la fiabilidad (end-to-end)?

� La arquitectura de protocolos TCP/IP es inherentemente NO fiable y permite que los paquetes se pierdan en cada punto del subsistema de comunicación



76

los paquetes se pierdan en cada punto del subsistema de comunicación

� Cuantos más saltos mayor probabilidad de fallos

� TCP/IP se ha construido pensando en el argumento end-to-end

� Según este argumento:

� Los sistemas de transporte de bajo nivel deben preocuparse de la velocidad, no de la fiabilidad. Son las aplicaciones [de alto nivel] las que deben preocuparse de las propiedades que necesitan.

Ejemplo: Argumento end-to-end� Suposiciones:

� Un paquete IP tiene que atravesar n saltos hasta alcanzar el destino y la probabilidad de que un paquete se pierda en cada salto es p

� Si se quiere transferir un fichero de k registros (un registro cabe en cada paquete)

� Preguntas:� ¿Cuál es la probabilidad de transmisión de un paquete con éxito:?



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� ¿Cuál es la probabilidad de transmisión de un paquete con éxito:?� (1-p)n

� ¿Número de paquetes perdidos?� k-k*(1-p)n

� Si p es pequeño es mejor el argumento end-to-end� El argumento end-to-end no siempre es adecuado

� p o n son grandes� El coste de la recuperación cuando hay un problema es alto� Complica el desarrollo de las aplicaciones

Comunicaciones en sistemas

de tiempo real

� Objetivo: asegurar una transmisión de mensajes predecible

� Posibles enfoques:� Red en anillo con paso de testigo

� Cuando un procesador desea transmitir un paquete espera al token.

Protocolo TDMA



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� Protocolo TDMA� Organiza el tráfico de marcos de tamaño fijo, cada uno con n espacios (uno por procesador)

� Cada espacio se asigna a un procesador

� Un procesador puede transmitir un paquete cuando le llegue el turno

� Se evitan las colisiones, se acota el retraso y se asegura una fracción del ancho de banda a cada proceso

Ejemplo: Ethernet� Ampliamente utilizada en redes de área local (LAN)� Estándar IEEE 802.3� Desarrollada por Xerox PARC en 1973� Control de acceso al medio:

� CSMA/CD: Carrier Sense MultipleAccess/Colision Detection� Tamaño máximo del paquete:

� MTU (MaximumTransfer Unit):1500 bytes� Velocidades:



79

� Velocidades:� Ethernet (en su implementación original):10 Mbps � Fast ethernet (100 Mbps)� Gigabit Ethernet (1000 Mbps)

� No permite asegurar calidad de servicio� Imposible garantizar la entrega de un mensaje en un plazo fijo

� Soporta broadcast y multicast en HW� La comprobación de errores se realiza en cada máquina y no se asegura que sea fiable

Prestaciones (Fast-Ethernet)

6

8

10

12

MB

/s



80

0

2

4

1 5 9 13 17 21

bytes (escala logaritmica)

MB

/s

Prestaciones (Fast-Ethernet)

bytes segundos MB/s bytes segundos MB/s1 0,000048 0,019778 2KB 0,000366 5,3371292 0,000048 0,039844 4KB 0,000542 7,2074374 0,000048 0,078784 8KB 0,000894 8,7347628 0,000049 0,155989 16KB 0,001593 9,80619516 0,00005 0,302751 32KB 0,00298 10,487845



81

16 0,00005 0,302751 32KB 0,00298 10,48784532 0,000054 0,568302 64KB 0,005772 10,82795764 0,000061 0,997137 128KB 0,011339 11,024245

128 0,000075 1,63108 256KB 0,022497 11,112437256 0,000099 2,460223 512KB 0,044773 11,167471512 0,000144 3,385432 1MB 0,089322 11,1954811024 0,000241 4,06029

Prestaciones (Gigabit-Ethernet)

25

30

35

40

45

50

MB

/s



82

0

5

10

15

20

25

1 4 7 10 13 16 19

Bytes (escala logaritmica)

MB

/s

Prestaciones (Gigabit-Ethernet)

bytes segundos MB/s bytes segundos MB/s1 0,000101 0,009485 2KB 0,0002 9,7685752 0,0001 0,019131 4KB 0,0003 13,0242874 0,0001 0,038172 8KB 0,000308 25,3607578 0,0001 0,07634 16KB 0,000509 30,71554916 0,0001 0,152687 32KB 0,000753 41,491546



83

16 0,0001 0,152687 32KB 0,000753 41,49154632 0,0001 0,30536 64KB 0,001349 46,3234264 0,0001 0,610716 128KB 0,002692 46,434131

128 0,0001 1,221374 256KB 0,005767 43,346599256 0,0001 2,442879 512KB 0,011725 42,645633512 0,000136 3,59188 1MB 0,023511 42,5335621024 0,0002 4,884025

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