redes de computadoras 1 · 2013. 8. 21. · estructura de internet: red de redes “nivel-2”...
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-
REDES DE
COMPUTADORAS 1 Clase 2
-
Introducción
• ¿Qué es Internet?
• La frontera de la red
• El núcleo de la red (core)
• Red de acceso
• Medios físicos
• Estructura de Internet e ISPs
• Retardos & pérdidas en redes de conmutación de paquetes
• Capas de protocolos, Modelo de servicio
• Historia
-
Medios Físicos
-
Medios Físicos
Enlace físico: lo que
existe entre transmisor
y receptor
Medio guiado:
• La señal se propaga en
un medio sólido: cobre,
fibra, coaxial.
Medio no guiados:
• La señal se propaga
libremente, e.g., radio,
infra-rojo
Par trenzado (Twisted Pair,
TP)
Dos cables de cobre
aislados
• Categoría 3: cables tradicionales de teléfonos,
10 Mbps Ethernet
• Categoría 5:
100Mbps Ethernet
• Categoría. 6:
1Gbps Ethernet
• Lo más relevante es el
número de trenzas por cm.
• Conector común se llama 8P8C
-
Medios físicos: coaxial y fibra
Cable Coaxial: Dos conductores concéntricos
de cobre con aislante entre ellos
bidireccional
Banda base: • Un único canal en el cable
• Ethernet original
Banda amplia: • múltiples canales en el
cable
• HFC (Hybrid Fiber Coax) Internet+TV+Teléfono por cable
Cable de fibra óptica:
Fibra de vidrio transportando
pulsos de luz, cada pulso un
bit
Operación a alta velocidad:
• Transmisión punto-a-punto (e.g., 5 Gbps)
Baja tasa de errores:
repetidores espaciados a
distancia; inmune a ruido
electromagnético, ataques.
-
Medios físicos: radio
Señal transportada en
espectro electromagnético
no “cable” físico
bidireccional
Efectos del ambiente de
propagación: • reflexiones
• obstrucción por objetos
• interferencia
Tipos de radio enlaces:
Microondas terrestres
• e.g. canales de hasta 45 Mbps
LAN (e.g., Wifi)
• 2Mbps, 11Mbps, 54Mbps
Área amplia (e.g., celular)
• e.g. 3G: cientos de kbps
Satélite
• Canales de hasta 50Mbps (o
varios canales más pequeños)
• 270 mseg retardo extremo a
extremo
• Geo-estacionarios versus baja
altitud (poca versus alta
latencia)
-
Estructura de Internet: Red de Redes
Básicamente jerárquica
Al centro: “nivel-1” ISPs (ej., Global Crossing), cobertura
nacional/internacional
• Se tratan entre si como iguales
Nivel 1 ISP
Nivel 1 ISP
Nivel 1 ISP
Proveedores
Nivel-1 se
interconectan
privadamente
Proveedores nivel-
1 se conectan a
través de Puntos
de intercambios en
Internet (Internet
Exchange point)
-
Nivel-1 ISP: ej. Sprint
Sprint US backbone network
-
Estructura de Internet: Red de Redes
“Nivel-2” ISPs: ISPs más pequeños (a menudo
regionales)
• Se conectan a 1 ó más Nivel-1 ISPs, y posiblemente a otros
ISPs de nivel-2
Nivel 1 ISP
Nivel 1 ISP
Nivel 1 ISP
nivel-2 ISP nivel-2 ISP
nivel-2 ISP nivel-2 ISP
nivel-2 ISP
ISP de Nivel-2 ISP
paga a nivel-1 ISP
por su conectividad
al resto de Internet
nivel-2 ISPs
también se
conectan
privadamente
-
Estructura de Internet: Red de Redes
“Nivel-3” ISPs e ISPs locales
• Último salto (“acceso”) de la red (más cercano a los sistemas
terminales)
Nivel 1 ISP
Nivel 1 ISP
Nivel 1 ISP
nivel-2 ISP nivel-2 ISP
nivel-2 ISP nivel-2 ISP
nivel-2 ISP
local
ISP local
ISP
local
ISP
local
ISP
local
ISP nivel 3
ISP
local
ISP
local
ISP
local
ISP
Local e ISPs
nivel- 3 son
clientes de
ISPs de mayor
nivel
Que los
conectan al
resto de
Internet
-
Estructura de Internet: Red de Redes
un paquete pasa por muchas redes de diferentes ISPs!
Nivel 1 ISP
Nivel 1 ISP
Nivel 1 ISP
nivel-2 ISP nivel-2 ISP
nivel-2 ISP nivel-2 ISP
nivel-2 ISP
local
ISP local
ISP
local
ISP
local
ISP
local
ISP nivel 3
ISP
local
ISP
local
ISP
local
ISP
-
¿Cómo ocurren las pérdidas y retardos?
Los paquetes son encolados en la memoria de cada router Tasa de arribo de paquetes puede exceder la capacidad
de salida del enlace
Los paquetes son encolados, y esperan por su turno
A
B
Paquete siendo transmitido (retardo
de transmisión)
Paquetes encolados (retardo en cola)
Memoria libre (disponible): arribo de paquetes
descartes (pérdidas) si no hay espacio
-
Cuatro fuentes de retardo de paquetes
1. Retardo de
procesamiento en el nodo:
• Chequeo de bits de error
• Determinar el enlace de
salida
2. Retardo de cola
• Tiempo esperado en la
cola para que los paquetes
anteriores sean
transmitidos
• Depende del nivel de
congestión del router
A
B
propagación
transmisión
Procesamiento
en nodo encolamiento
-
Cuatro fuentes de retardo de paquetes (2)
3. Retardo de transmisión:
• R=tasa de bits del enlace
(bps)
• L=largo del paquete (bits)
• Tiempo de envío = L/R
4. Retardo de propagación:
• d = largo del enlace físico
• s = rapidez de propagación en
medio (~2x108 m/seg)
• Retardo de propagación = d/s
A
B
propagación
transmisión
Procesamiento
en nodo encolamiento
-
Caravana como analogía
Autos se “propagan” a 100 km/hr
Peaje demora 12 s para atender un auto (tiempo de transmisión)
Auto~bit; caravana~ paquete
¿En cuánto tiempo la caravana llega al 2do peaje?
Tiempo para pasar la caravana por el 1er peaje = 12*10 = 120 s
Tiempo de propagación del último auto hasta 2do peaje: 100km/(100km/h)= 1 h
62 minutos
peaje peaje Caravana
de 10 autos
100 km 100 km
-
Caravana como analogía
Ahora los autos se “propagan” a 1000 km/h
Peaje se demora 1 min en atender un auto.
¿Llegarán autos al 2do peaje antes que todos paguen?
Sí! Después de 7 min, el 1ero llega al 2do peaje y 3 autos aún están en 1er peaje.
1er bit de un paquete puede llegar al 2do router antes que el paquete es completamente transmitido en 1er router!
• Esta situación es el caso común en Ethernet.
peaje peaje Caravana
de 10 autos
100 km 100 km
-
Retardo nodal
proptranscolaprocsentre_nodo d+d+d+d=d
dproc
= retardo de procesamiento
• Típicamente unos pocos microsegundos o menos
dcola
= retardo de espera en cola(s)
• Depende de la congestión (tráfico en nodo)
dtrans
= retardo de transmisión
• = L/R, significativo en enlaces de baja tasa (“bajo ancho de banda” o “baja velocidad”) en bps
dprop
= retardo de propagación
• De pocos microsegundos a cientos de milisegundos
-
Retardo de cola
R=bandwidth del enlace de
salida [bit/s]
L=largo del paquete [bit],
asumiremos cte.
a=tasa promedio de arribo
de paquetes [paquetes/s]
L*a=n° bits/s de entrada
Intensidad de tráfico=tasa llegada/tasa salida = L*a/R
¿Qué pasa con diferentes valores de L*a/R?
L*a/R ~ 0: => pequeño retardo de encolamiento
L*a/R tiende a 1: retardo se hace grande
L*a/R > 1: llega más “trabajo” que el posible de servir,
retardo promedio tiende a infinito!
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Retardo “Real” en Internet y rutas
¿Cuáles son los retardos reales en Internet y las rutas de los paquetes?
Programa traceroute: entrega medidas del retardo de ida y vuelta desde el terminal de origen hacia cada router en la ruta al destino en Internet. (en windows tracert como en trace route)
Para cada router i: • manda tres paquetes que van a llegar al router i en la ruta
hacia el destino
• router i le devuelve paquetes de información al terminal origen
• terminal de origen mide el intervalo entre transmisión y respuesta.
3 pruebas
3 pruebas
3 pruebas terminal
origen
terminal
destino
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Retardo “Real” en Internet y rutas
Probar: traceroute www.eurocom.fr agustin@pcagv:~$ traceroute www.google.cl
traceroute to www.google.cl (64.233.163.104), 30 hops max, 60 byte packets
1 elo-gw.elo.utfsm.cl (200.1.17.1) 0.479 ms 0.938 ms 1.123 ms
2 telmex-gw.usm.cl (200.1.20.131) 2.286 ms 2.355 ms 2.343 ms
3 border-gw.usm.cl (200.1.20.130) 2.302 ms 2.331 ms 2.319 ms
4 ge-1-1-0.452.ar1.SCL1.gblx.net (208.178.62.9) 5.300 ms 5.357 ms 5.476 ms
5 te4-3-10G.ar3.SCL1.gblx.net (67.16.130.78) 5.319 ms 7.266 ms 7.404 ms
6 72.14.216.105 (72.14.216.105) 7.308 ms 5.997 ms 5.942 ms
7 209.85.240.138 (209.85.240.138) 5.989 ms 5.120 ms 6.961 ms
8 72.14.238.48 (72.14.238.48) 53.155 ms 72.14.233.134 (72.14.233.134) 51.959 ms 51.948 ms
9 72.14.233.91 (72.14.233.91) 52.973 ms 72.14.233.95 (72.14.233.95) 51.146 ms 52.047 ms
10 64.233.175.62 (64.233.175.62) 55.207 ms 55.211 ms 56.045 ms
11 bs-in-f104.1e100.net (64.233.163.104) 51.918 ms 51.869 ms 54.939 ms
En windows usar > tracert www.eurocom.fr
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Pérdida de paquetes
Buffer de encolamientos en conmutadores tiene
capacidad finita
Cuando un paquete llega a una cola llena, el paquete es
descartado (pérdida)
Paquetes perdidos pueden ser retransmitidos por nodo
previo (caso wifi) o por el computador fuente (caso TCP),
o bien no retransmitidos nunca (caso Ethernet en capa
enlace y también UDP capa transporte).
-
Throughput (“rendimiento”)
throughput: tasa (bits/unidad de tiempo) al cual bits son
transferidos entre transmisor y receptor
instantáneo: tasa en un punto dado del tiempo
promedio: tasa sobre largos periodos
Cuello de botella: enlace que limita el throughput extremo
a extremo
server, with file of F bits
to send to client
link capacity Rs bits/sec
link capacity Rc bits/sec
Tx envía bits
por el enlace
Enlace que puede llevar bits a
tasa Rs bits/seg)
Enlace que puede llevar bits a tasa
Rc bits/seg)
-
“Capas” de Protocolos
Las redes son complejas!
Muchos “componentes”:
• hosts
• routers
• enlaces de varios medios
• aplicaciones
• protocolos
• hardware, software
Pregunta:
Hay alguna esperanza de organizar la estructura de
la red?
O al menos nuestra discusión de la red?
-
Ejemplo sistema complejo: Líneas aéreas
Una serie de pasos
Ojo si usted debe hacer trasbordo, no retira sus maletas y se vuelve a embarcar.
pasaje (compra)
maletas (chequeo)
puertas (subida)
pista despegue
navegación del avión
pasaje (recuperar gasto)
maletas (retiro)
puerta (bajada)
pista de aterrizaje
navegación del avión
Navegación del avión
-
¿Por qué usar capas?
Nos enfrentamos a sistemas complejos:
Estructura explícita permite identificación y relación de la
partes complejas del sistema
• modelo de referencia de capas para análisis y discusión
Modularización facilita mantención, actualización del
sistema
• Cambio de la implementación de la capa de servicio es
transparente al resto del sistema
• e.g., cambio en control en puertas (caso avión) no afecta al
resto
-
Capas en el funcionamiento de una
aerolínea
Capas: cada capa implementa una clase de servicio
• a través de acciones internas a esa capa
• depende de servicios provistos por capas inferiores
-
Pila de protocolos en Internet (protocol
stack) – modelo TCP/IP aplicación: compuesto por las aplicaciones de red
• SSH, SMTP, HTTP, Messenger, Skype, etc
transporte: transferencia de datos host-host para
una aplicación específica
• TCP, UDP, SCTP (2000), DCCP (2006)
red: ruteo de datagramas desde fuente a destino
• IP, protocolos de ruteo
enlace: transferencia de datos entre elementos
vecinos en la red
• PPP, Ethernet, Wifi
físico: transporte de bits “en el cable”
El modelo OSI (Open System Interconnection)
incluye capas de Presentación y Sesión adicionales
no incluidos en el modelo TCP/IP
Aplicación
Transporte
Red
Enlace
Físico
-
Comparación: OSI vs. TCP/IP
-
Comparación: OSI vs. TCP/IP
Similitudes:
• Ambos se dividen en capas.
• Ambos tienen capas de aplicación, aunque incluyen
servicios distintos.
• Ambos tienen capas de transporte similares.
• Ambos tienen capa de red similar pero con distinto
nombre.
• Se supone que la tecnología es de conmutación de
paquetes (no de conmutación de circuitos).
• Es importante conocer ambos modelos.
-
Comparación: OSI vs. TCP/IP
Diferencias:
• TCP/IP combina las funciones de la capa de presentación
y de sesión en la capa de aplicación.
• TCP/IP combina la capas de enlace de datos y la capa
física del modelo OSI en una sola capa.
• TCP/IP más simple porque tiene menos capas.
• Los protocolos TCP/IP son los estándares en torno a los
cuales se desarrolló Internet, de modo que la credibilidad
del modelo TCP/IP se debe en gran parte a sus
protocolos.
• El modelo OSI es un modelo “más” de referencia, teórico,
aunque hay implementaciones.
-
Dispositivos y Capas
-
Encapsulamiento
• Cada capa define su PDU: Protocol Data Unit
-
Encapsulamiento
message segment
datagram
frame / trama
application transport network
link physical
Ht Hn Hl M
Ht Hn M
Ht M
M
destino
application transport network
link physical
Ht Hn Hl M
Ht Hn M
Ht M
M
network link
physical
link physical
Ht Hn Hl M
Ht Hn M
Ht Hn Hl M
Ht Hn M
Ht Hn Hl M Ht Hn Hl M
router
capa 3
switch
capa 2
-
Unidades de información: mensajes,
segmentos, datagramas y tramas
Unidades de información intercambiadas por las distintas capas: Mensajes de nivel aplicación, segmentos de la capa transporte, datagramas en capa red y tramas en capa enlace de datos. Cada capa agrega su propio encabezado.
-
Clasificación de red por cobertura
• LAN: (Local Area Network). Red de cobertura local. Ethernet, Wi-Fi.
• MAN: (Metropolitan Area Network). red de cobertura metropolitana, dentro de una ciudad. MetroEthernet, MPLS, Wi-Max.
• WAN: (Wide Area Network). red de cobertura de área amplia. Geográficamente distribuida. PPP, Frame-Relay, MPLS, HDLC, SONET/SDH.
• SAN: (Storage Area Network). red de almacenamiento. iSCSI, Fibre Channel, ESCON.
• PAN: red de cobertura personal. Red con alcance de escasos metros para conectar dispositivos cercanos a un individuo. Bluetooth, IrDA, USB.
-
Historia de Internet
1961: Leonard Kleinrock – Teoría de colas muestra efectividad de packet-switching
1964: Baran - packet-switching en redes militares
1967: ARPAnet concebida por Advanced Research Projects Agency
1969: primer nodo ARPAnet operacional usando IMP (Internet Message Processor)
1972:
• ARPAnet demostrado públicamente
• NCP (Network Control Protocol) primer protocolo host-host => TCP
• 1° programa e-mail
• ARPAnet tiene 15 nodos
1961-1972: Principios sobre packet-switching
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Historia de Internet
1970: ALOHAnet red satelital en Hawaii
1973: Tesis de PhD de Metcalfe propone Ethernet
1974: Cerf and Kahn – Arquitectura para interconectar redes
late70’s: arquitecturas propietarias: DECnet, SNA, XNA
late 70’s: Conmutación de paquetes de largo fijo (ATM precursor)
1979: ARPAnet tiene 200 nodos
Principios de redes de Cerf y Kahn :
• minimalismo, autonomía - no requiere cambios internos para interconectar redes
• Modelo de servicio de mejor esfuerzo (best effort service)
• Routers sin estado
• Control descentralizado
define la arquitectura actual de Internet
1972-1980: Redes de comp., nuevas y propietarias
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Historia de Internet
Inicios 1990’s: ARPAnet dejó de operar
1991: NSF levantó restricciones para uso comercial del NSFnet (ésta cesó, 1995)
Inicios 1990s: Web
• hypertext [Bush 1945, Nelson 1960’s]
• HTML, HTTP: Berners-Lee
• 1994: Mosaic, luego Netscape
• Finales de 1990’s: comercialización de la Web
1990, 2000’s: comercialización, la Web, nuevas apps
Finales 1990’s – 2000’s:
Más killer apps: mensajería instantánea, P2P compartición de archivos
Seguridad en redes
50 millones de hosts, 100 millones+ usuarios
Backbone corre a Gbps
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Historia de Internet
2010:
~750 millones de hosts
Voz, vídeo sobre IP
Aplicaciones P2P: BitTorrent (compartición de archivos)
Skype (VoIP), PPLive (vídeo)
Más aplicaciones: YouTube, gaming, Twitter, Redes
sociales (linkedin, Facebook)
wireless, movilidad
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Organizaciones de Internet
Sistema Descentralizado, pero con Organizaciones, RFC
4677 (The Tao of IETF).
• ISOC (Internet Society): cabeza de la organización.
Participantes de todo el mundo.
• IAB (Internet Architecture Board): grupo consultivo de
aspectos técnicos y colabora con IETF.
• IETF (The Internet Engineering Task Force): se encarga
de los nuevos desarrollos, coordinado por IAB
(desarrollos corto plazo).
• IRTF (The Internet Research Task Force): se encarga de
los nuevos desarrollos a largo plazo.
-
Organizaciones de Internet
• IESG (Internet Engineering Steering Group) y RFC Editor
(Requests For Comments Editor): estandarización y
publicación de protocolos.
• IANA (Internet Assigned Numbers Authority): se encarga
del control de la asignación de recursos (ej. IP Addresses,
DNS Roots, etc).
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RFC (Request for Comments)
• Las RFCs son notas/documentos sobre la Internet y sus protocolos.
• Propuesta para un nuevo protocolo de la red Internet, modificación, mejores prácticas, experiencias, etc.
• Instrucciones: RFC-2223, redactadas en inglés y en formato txt ASCII (7bits).
• Reciben un número único y un título.
• Abiertas: Cualquiera puede enviar una propuesta de RFC a la IETF, luego se evaluará mediante un proceso estricto.
• Proceso: RFC-2026. No todas tienen la categoría de STANDARD.
• Comienza como “Internet-Draft”.
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Introducción: Resumen
Vista global de Internet
¿Qué es un protocolo?
Periferia de la red, su núcleo, y redes de acceso
• Conmutación de paquetes versus conmutación de circuitos
Estructura de Internet/ISP
Desempeño: pérdidas, retardo
Modelo de servicio de capas
Historia
Ahora ustedes tienen:
Contexto, visión general de la red
Más detalles en profundidad por venir!
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