arquitectura de redes

DEPARTAMENTO DE ELECTRICA Y

ELECTRONICA

Arquitectura de redes

FUNDAMENTOS DE REDES DE COMUNICACIONES

Mayo del 2011

Ing. Darwin Aguilar

[email protected]

mailto:[email protected]

Introducción

Modelo de capas para el diseño y análisis

◦ Organización por capas

Cada capa realiza un conjunto bien definido de funciones que ofrece como servicios a las capas superiores

◦ Entidades

Elementos activos en las capas

Hay entidades de software (procesos) o de hardware (chips inteligentes de I/O)

Las entidades de la capa N implementan los servicios de esa capa que son usados por las entidades de la capa N+1 3

Modelo de capas

Modelo de capas

Parejas de entidades

◦ Entidades de capas iguales en máquinas diferentes

(origen /destino)

Protocolos horizontales

◦ Las parejas de entidades se comunican por

protocolos de la misma capa (origen/destino)

Transferencia vertical de la información

◦ El flujo real de información transcurre

verticalmente

◦ Por debajo de la capa 1 está el medio físico

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Modelo de capas….

Arquitectura de red

◦ Un conjunto de capas y protocolos cuyo objetivo es El objetivo es definir entre sistemas, procedimientos normalizados para el intercambio de información. El principio se basa en funciones reagrupadas en capas.

Pila de protocolos (stack de protocolos)

◦ El conjunto de protocolos utilizados en una arquitectura de red

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PROTOCOLOS Y NIVELES

PROTOCOLOS

En un proceso de comunicación entre humanos, podemosdistinguir funciones similares a las desarrolladas en losprotocolos de comunicaciones.

De acuerdo a esto, podemos decir que las REGLAS quegobiernan una comunicación se conoce comoPROTOCOLO, una definición más formal es la siguiente:

"Conjunto de reglas predeterminadas que hacen posible elintercambio coordinado de mensajes entre usuarios, procesos,máquinas, esto incluye mecanismos de control de las relacionesentre las entidades comunicantes, la localización de losrecursos y el flujo ordenado de la comunicación."

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CONSIDERACIONES DE DISEÑO DE

PROTOCOLOS

Conjunto de reglas

Codificación de mensajes

Identificar los receptores y transmisores: Mecanismos de direccionamiento (red, host, proceso, etc.)

Modos de transferencia : Simplex

Half-duplex o Full-duplex

Canales lógicos

Datos

Control

Manejo de errores

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Los medios físicos no son perfectos: Como detectar los errores y como corregir los errores. También pueden ser causados por fallas en el protocolo.

Sincronización.

Ordenamiento de mensajes: Numeración, sequenciamiento, reordenamiento

Control de flujo:

Retroalimentación

Negociación de tasas de transferencia.

Control de congestión

Longitud de mensajes: Segmentación y Ensamble de mensajes.

Multiplexación/Demultiplexación.

Enrutamiento

Tipo de servicio: O.C o N.O.C

CONSIDERACIONES DE DISEÑO DE

PROTOCOLOS …

En general cuando se va a realizar un proceso de desarrollo de unprotocolo se debe seguir las siguientes etapas:

1. Definición del "Servicio"

2. Suposiciones del entorno

3. Vocabulario de mensajes

4. Codificación de mensajes

5. "reglas de procedimiento"

Para darle un mayor formalismo al desarrollo de protocolos se hadefinido el concepto de "Ingeniería de protocolos", los cuales consistenen una serie de pasos para llevar a cabo dicho objetivo, entre losaspectos que involucra la ingeniería de protocolos encontramosmecanismos para especificar, validar, probar, etc. protocolos.

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JERARQUIA DE PROTOCOLOS

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NIVELES

El propósito de cada nivel es ofrecer determinados servicios alnivel inmediatamente superior, ocultando todos los detalles deimplementación de estos servicios.

Cada nivel tiene las siguientes características:

I. Ejecuta un conjunto específico y definido de funciones.

II. Presta servicios a la capa superior

III. El nivel N de un extremo se comunica con el nivel N del otroextremo.

IV. Los elementos activos de cada capa se denominanentidades, pueden ser Hardware o Software. Dos entidadesen el mismo nivel en máquinas diferentes se denominanentidades compañeras o procesos pares.

V. Bajo la capa 1 está el medio físico

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Protocolos por capas

Conjunto de reglas predeterminadas que permiten el intercambiocoordinado de información y gobiernan el formato y significado delas unidades de datos del protocolo (frames, paquetes o mensajes)que son intercambiados entre niveles iguales en hosts diferentes.

Las entidades utilizan protocolos para implementar la definiciónde sus servicios.

El protocolo utilizado por dos entidades de nivel N se denomina"Protocolo de nivel N" y a las entidades que se comunican usandoeste protocolo se les denomina "procesos pares" o "entidadescompañeras".

SERVICIOS E INTERFACES

SERVICIOS

Conjunto de primitivas (operaciones) que un nivel o capaprovee al nivel superior. El servicio define que operacionespueden ejecutar el nivel superior, pero no dice como seimplementan.

La entidad N desarrolla un servicio para el nivel N+1, en estecaso el nivel N es un proveedor del servicio y la capa N+1 esusuario del servicio.

Es importante diferenciar entre un protocolo y un servicio: unnivel ofrece determinado servicio al nivel superior el cual esimplementado usando determinado protocolo.

La transferencia de información entre niveles pares realmentees virtual ya que el flujo real de información se realiza a travésde los servicios ofrecidos por el nivel inmediatamente inferior.Este proceso se repite hasta llegar al nivel físico donde sepresenta una transmisión real.

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TIPOS DE SERVICIOS

Existen de dos tipos: Orientados a la Conexión y No Orientados a la Conexión

ORIENTADOS A LA CONEXIÓN (O.C)

Un servicio O.C. es aquel que posee tres fases:

◦ Conexión (Connect)

◦ Transferencia (Data)

◦ Desconexión (Disconnect)

Características del servicio:

◦ Servicio Confiable

◦ Garantía de entrega

◦ Corrección de errores

◦ Los mensajes poseen secuencia y siempre llegan en orden

◦ Puede establecer conexiones PERMANENTES o TEMPORALES

◦ Puede ofrecer mecanismos de control de flujo.

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NO ORIENTADOS A LA CONEXIÓN (N.O.C)

Un servicio N.O.C es aquel que solo posee la fase de transferencia de datos:

◦ Transferencia (Data).

Características del servicio:

◦ Mejor esfuerzo

◦ No hay garantía de entrega

◦ No hay corrección de errores

◦ Los mensajes pueden ser perdidos, duplicados entregados en desorden

◦ No hay secuencia

◦ Se conoce como servicios DATAGRAMA

INTERFACE

Punto entre dos capas adyacentes. La interface define un conjunto dereglas, primitivas y operaciones de intercambio de información entreniveles adyacentes dentro del mismo host. Define los servicios que ofrecela capa inferior a la superior.

Los servicios están disponibles a través de los puntos de acceso alservicio (SAP). Los SAP’s de la capa N es el punto donde la capa N+1puede acceder servicios. Cada SAP tiene un identificador que lo haceúnico.

Para que haya comunicación entre las capas, la superior pasa una Unidadde Datos de Interfaz (IDU), la cual está compuesta por una unidad dedatos del servicio (SDU) e información de control. Luego la capa N seencarga de agregar la información de la SDU en una unidad de datos delprotocolo (PDU).

Encabezados (Headers): Información de control (PCI: Protocol ControlInformation) que cada capa agrega a los datos que recibe de la capasuperior (SDU).

Límites del tamaño de mensajes

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Ejemplo: Provisión de servicio a capas superiores

CALIDAD DE SERVICIO (QoS)

Diferentes niveles, por ejemplo en cuanto confiabilidad

(pérdida de información).

Permite asignar recursos diferenciando el tipo de tráfico y

en las actuales aplicaciones incluso el usuario.

Prioriza los datos de las aplicaciones.

En general, mayor confiabilidad significa mayores demoras.

Permite asignar más o menos recursos a los usuarios.

Se puede configurar desde el equipo terminal pero deberá

informarse al resto de la red para que se garanticen

recursos.

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PRIMITIVAS DE SERVICIO

Un servicio se especifica formalmente mediante

un conjunto de primitivas.

Las primitivas son las operaciones disponibles

para el usuario del servicio.

Son indicaciones para que el servicio haga algo o

para que avise si la entidad par hace algo.

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PRIMITIVAS DE SERVICIO

Primitiva significado

Solicitud request una entidad desea que el

servicio realice alguna

actividad

Indicación indication una entidad debe ser

informada acerca de algún

evento

Respuesta response una entidad desea

responder a un evento

Confirmación confirm la respuesta a una solicitud

anterior ha llegado

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Ejemplo: de primitivas

1. CONNECT.request

2. CONNECT.indication

3. CONNECT.response

4. CONNECT.confirm

5. DATA.request

6. DATA.indication

7. DISCONNECT.request

8. DISCONNECT.indication

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Primitivas

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Modelo de referencia ISO-OSI

International Standards Organization (ISO)

Open Systems Interconnection (OSI)

Principios:

Una capa debe ser creada donde se requiera un diferente

nivel de abstracción.

Cada capa debe realizar una función bien definida

La función de cada capa debe ser elegida teniendo en cuenta

la definición de protocolos estandarizados internacionales

Las fronteras entre las capas deben ser elegidas para

minimizar el flujo de información en las interfaces

El número de capas debe ser lo suficientemente grande

como para que funciones diferentes no caigan por necesidad

dentro de la misma capa pero lo suficiente pequeño como

para que la arquitectura sea manejable

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NIVELES DE ABSTRACCIÓN

Capas Modelo OSI

Nivel Físico. Cuestiones: los voltajes, la duración de un bit, el

establecimiento de una conexión, el número de polos en un

enchufe, etc.

◦ Representación de los bits: codificación a utilizar, características

eléctricas de la señal que representa a los ceros y unos.

◦ Sincronismo de bit y tasa de transmisión: base de tiempo común

entre transmisor y receptor para permitir una correcta

interpretación de la señal recibida.

◦ Aspectos mecánicos: características del medio de transmisióna

utilizar, tamaño de los conectores, número de patillas, topología

física...

◦ Modo de transmisión: simplex, duplex, semiduplex.

Comunicación de Datos DEEE 27

Nivel Físico

Los equipos intermedios que sólo implementan el nivel físico se

denominan repetidores. Su misión es conectar subredes que utilizan el

mismo nivel de enlace (mismo protocolo, mismo formato de trama, etc),

pero distinto soporte físico (por ejemplo: Conectar entre sí dos redes

de área local Ethernet, una soportada por cable coaxial, y otra por cable

de pares RJ45).


Capas Modelo OSI…..

Nivel de enlace. El propósito de este nivel es convertir el medio de

transmisión crudo en uno que esté libre de errores de transmisión.

◦ Entramado: divide el flujo de bits recibido del nivel superior en tramas.

◦ Control de flujo: previene el desbordamiento en el receptor cuando

éste recibe datos a una velocidad menor de a la que son enviados por

el transmisor.

◦ Control de errores: mecanismo para detectar y corregir tramas con

errores, defectuosas, o perdidas.

◦ Control de acceso: organiza el acceso al medio físico cuando este se

encuentra compartido por varios equipos.

◦ Direccionamiento físico: cuando hay varios equipos conectados al

mismo medio, debe distinguirse mediante direcciones cuál de ellos es

el origen y cuál el destino de las tramas.


Nivel de Enlace…..

Los equipos intermedios que sólo implementan las capas 1 y

2 se denominan puentes. Su misión es unir subredes con

diferentes niveles de enlace, de forma transparente al nivel

de red. (por ejemplo: unir una red Token Ring con una red

Ethernet)



Nivel de red. Determina el ruteo de los paquetes desde sus fuentes

a sus destinos, manejando la congestión a la vez. Se incorpora la

función de contabilidad.

◦ Para llevar a cabo el encaminamiento, debemos poder distinguir a

los sistemas de forma unívoca, lo que se realiza mediante la

asignación de direcciones de red. Este nivel puede ofrecer un

servicio en modo circuito virtual, o bien en modo datagrama.

◦ Estas tres primeras capas forman el servicio de red, que ofrece a

las capas superiores un canal de comunicación entre sistemas

finales con independencia de su ubicación física.


Nivel de Red

Los equipos intermedios que implementan estas tres capas se

denominan encaminadores (routeadores). Su misión es

transportar los paquetes desde el punto origen de la red, al punto

destino, atravesando cuantos nodos intermedios sea necesario.


Nivel de transporte. Primer nivel que se comunica directamente

con su par en el destino (los inferiores son PC a PC). Provee varios

tipos de servicio (ej.: Un canal punto-a-punto sin errores). Podría

abrir conexiones múltiples de red para proveer capacidad alta. Se

puede usar el encabezamiento de transporte para distinguir entre los

mensajes de conexiones múltiples entrando en una máquina. Provee

el control de flujo entre los hosts.

◦ Direccionamiento de puntos de servicio. Puede manejar varias

aplicaciones

◦ Segmentación y reeensamblado: Un mensaje de usuario puede ser

dividido en segmentos que serán reensamblados en el destino.

◦ Control de conexión: Datos o segmentos enviados de manera

independiente (N.O.C) o conexión previa origen destino (O.C)

◦ Control de flujo y control de errores: La misma misión que en el nivel

de enlace, pero en este caso, extremo a extremo



Nivel de Transporte

El nivel de transporte, junto con las tres primeras capas,

forman el denominado bloque de transporte, que se ocupa

exclusivamente de aspectos relacionados con la comunicación, y

que ofrece a los sistemas superiores una comunicación fiable,

transparente y libre de errores entre entidades de niveles

superiores.


Nivel de sesión. Ofrece mecanismos para organizar y sincronizar los

diálogos entre entidades de aplicación. El control del diálogo facilita que la

comunicación entre dos procesos pueda tener lugar en modo semi-duplex

o full-duplex, marcando el progreso del diálogo, controlando qué sistema

posee el turno para “hablar”... Permite también insertar puntos de

sincronismo desde donde retomar el diálogo si éste se interrumpiera por

cualquier motivo.

◦ Control de la sesión a establecer entre el emisor y el receptor (quién

transmite, quién escucha y seguimiento de ésta).

◦ Control de la concurrencia (que dos comunicaciones a la misma

operación crítica no se efectúen al mismo tiempo).

◦ Mantener puntos de verificación (checkpoints). Si hay una interrupción,

retoma desde el checkpoint



Nivel de presentación. Permite representar la información de

una forma independiente de la implementación realizada por los sistemas.

La información así representada conforma una serie de datos

estructurados (caracteres, enteros, etc.), y no simplemente una secuencia

de bits que puede ser interpretada de distinta forma por diversos sistemas.

También es responsabilidad del nivel de presentación el cifrado (que

permite la privacidad de la comunicación) y la compresión.



Nivel de aplicación. Proporciona a los usuarios (personas osoftware) un conjunto de servicios de aplicación distribuidos.Asegura la cooperación de los procesos o entidades de aplicaciónentre sí para ofrecer los servicios finales al usuario. Es responsablede la semántica del protocolo intercambiado entre entidades deaplicación. Se encuentran estandarizadas aplicaciones en este nivelcomo terminales virtuales de red (para acceso a consola demáquina remota), administración y transferencia de información enforma de archivos, correo electrónico, o servicios de directoriopara acceso a bases de datos distribuidas.

◦ Tiene como objetivos la conexión de redes múltiples y lacapacidad de mantener conexiones aun cuando una parte de lasubred esté perdida.

◦ La red es packet-switched y está basada en un nivel de internetsin conexiones. Los niveles físico y de enlace (que juntos sellaman el "nivel de host a red" aquí) no son definidos en estaarquitectura.



Ejemplos de Protocolos

Capa 1: Nivel físico

Cable coaxial, Cable de fibra óptica, Cable de par trenzado, Microondas, Radio, Palomas, RS-232.

Capa 2: Nivel de enlace de datos

Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, Token Ring, FDDI, ATM, HDLC.

Capa 3: Nivel de red

ARP, RARP, IP (IPv4, IPv6), X.25, ICMP, IGMP, NetBEUI, IPX, Appletalk.

Capa 4: Nivel de transporte

TCP, UDP, SPX.

Capa 5: Nivel de sesión

NetBIOS, RPC, SSL.

Capa 6: Nivel de presentación

ASN.1.

Capa 7: Nivel de aplicación

SNMP, SMTP, NNTP, FTP, SSH, HTTP, SMB/CIFS, NFS, Telnet, IRC, ICQ, POP3, IMAP.

Modelo TCP/IP

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A diferencia de las tecnologías de networking propietarias

TCP/IP fue desarrollado como un estándar. Esto significa

que cualquiera es libre de usar TCP/IP. Esto ayudo a un

desarrollo mas rápido de TCP/IP como estándar

Algunos de los protocolos más comunes de la capa de aplicación incluyen.

FileTransfer Protocol (FTP)

HypertextTransfer Protocol (HTTP)

Simple Mail Transfer Protocol (SMTP)

Domain Name System (DNS)

Trivial File Transfer Protocol (TFTP)

La capa de transporte incluye los siguientes protocolos:

Transport Control Protocol (TCP)

User Datagram Protocol (UDP)

El protocolo principal de la capa Internet es:

Internet Protocol (IP)

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Comparación

Aporte fundamental del modelo OSI: conceptos

Servicios◦ definen las funciones de una capa

Interfaces◦ como las capas superiores acceden a los servicios

de las capas interiores

Protocolos◦ el mecanismo por el cual las parejas de entidades

se comunican. Es un problema interno de las capas.

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Críticas

OSI

◦ Mala temporización

◦ Mala tecnología

7 capas?, reiteracion de funciones.

◦ Mala implementación

◦ Mala política

TCP/IP

◦ faltan conceptos

◦ no define capas 1 y 2

◦ muchos protocolos de aficionados

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ESTANDARIZACIÓN

◦ estándares de hecho (de facto)

◦ estándares por ley (de jure)

◦ estandarización de telecomunicaciones

existen desde 1865

ITU (International Telecommunication Union (ex CCITT) agencia de las NNUU desde 1947)

sectores: radiocomunicaciones (ITU-R)

estandarización de las telecomunicaciones (ITU-T)

desarrollo (ITU-D)

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Estandarización Internacional

ISO

◦ International Standards Organization

◦ organizaciones de estandarización de 89 países

◦ intensa cooperación con ITU

◦ trabajo realizado por “voluntarios”

IEEE

◦ Institute of Electrical and Electronics Engineers

◦ Importantes estándares para redes locales

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Estandarización Internacional

Etapas de elaboración

◦ método de trabajo: amplio consenso

◦ CD - Committee Draft

◦ DIS - Draft International Standard

◦ IS - International Standard

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Estandarización de Internet

Internet Society elige los miembros de:

◦ IAB Internet Architechture Board que supervisa

a

◦ IRTF

Internet Research Board

◦ IETF

Internet Engineering Task Force

que dirige el proceso de creación de estándares

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Estandarización de Internet

RFC◦ Request For Comment (unas 2000)

◦ “we reject kings and voting, we believe in rough consensus and running code”

50

rechazamos a reyes y votación, creemos en el

acuerdo general áspero y controlando el código

arquitectura de redes

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