REDES DE COMPUTADORAS

Redes de Computadores 2018/2019

Departamento de TecnologĂ­a ElectrĂłnica

Contenidos (6 créditos ECTS) q Tema 1: Redes de Computadores e Internet q Tema 2: Capa de Aplicación q Tema 3: Capa de Transporte q Tema 4: Capa de Red q Tema 5: Capa de Enlace y Redes de Área

Local

Recuerda: • 6 ECTS = 60 horas presenciales + 90 horas no presenciales • Primer cuatrimestre dura 15 semanas à 10 horas/semana Introducción 1-2

Departamento de Tecnología Electrónica

Tema 1 Redes de Computadores e Internet

La mayoría de estas transparencias son proporcionadas como material con copyright por:

Computer Networking: A Top Down Approach , 5th edition.

Jim Kurose, Keith Ross Addison-Wesley, April 2009.

Introducción 1-3

Tema 1: Redes de Computadores e Internet Nuestro objetivo:

Descripción general:

v

v

v

v

toma de contacto y terminología mayor profundidad, detalles más tarde en el curso enfoque: § usar Internet como ejemplo

v v v

v v v

¿qué es Internet? ¿qué es un protocolo? la frontera de la red: equipos, redes de acceso, medios físicos el núcleo de la red: conmutación de paquetes/circuitos, arquitectura de Internet rendimiento: pérdidas, retardos, tasa de transferencia capas de protocolos, modelos de servicio Introducción 1-4 historia

Tema 1: Índice 1.1 ¿Qué es Internet?

1.2 La frontera de la red v sistemas terminales, redes de acceso, enlaces

1.3 El núcleo de la red v conmutación de circuitos, conmutación de paquetes,

arquitectura de la red

1.4 Retardos, pérdidas y tasa de transferencia en las redes de conmutación de paquetes 1.5 Capas de protocolos y sus modelos de servicio 1.6 Historia

Introducción 1-5

¿Qué es Internet?: Componentes HW y SW PC

v millones

servidor portátil inalámbrico teléfono móvil

de dispositivos de computación conectados:

Red móvil ISP global

hosts = sistemas terminales = sistemas finales §

ejecutando aplicaciones

de red v enlaces de comunicación

puntos de acceso enlaces por cable

§ fibra, cobre, radio, satélite § tasa de transmisión =

Red doméstica ISP regional

Red empresarial

ancho de banda

router

v routers:

reenvían paquetes (bloques de datos)

ISP =Internet Service Provider

Introducción 1-6

Dispositivos curiosos que se conectan a Internet Tostador + predictor de tiempo accesible via Web Marcos de fotos IP http://www.ceiva.com/

Frigorífico conectado a Internet

Slingbox: ver y controlar vía Internet la televisión de casa.

Teléfonos de Internet Introducción 1-7

¿Qué es Internet?: Componentes HW y SW v

Protocolos controlan el

envío y la recepción de la información §

v

ej., TCP, IP, HTTP, Skype, Ethernet

Internet: “red de redes” § §

v

Red móvil

poco jerárquica Internet pública frente a intranet privada

ISP global

Red doméstica ISP regional

Red empresarial

Estándares de Internet § §

RFC: Request for comments IETF: Internet Engineering Task Force Introducción 1-8

¿Qué es Internet?: Servicios v

v

la infraestructura de comunicacion permite aplicaciones distribuidas: § Web, VoIP, correo y comercio electrónico, juegos, compartir ficheros servicios de comunicación proporcionados a las aplicaciones: § entrega de datos fiable de origen a destino § “mejor esfuerzo” entrega de datos (no fiable)

Red móvil ISP global

Red doméstica ISP regional

Red empresarial

Introducción 1-9

¿Qué es un protocolo? protocolos humanos: v “¿qué hora es?” v Levantar la mano v Dejar salir antes de entrar … se envían mensajes específicos … se toman acciones específicas cuando se reciben las respuestas u otros sucesos

protocolos de red: v máquinas en lugar de seres humanos v toda la actividad de comunicación en Internet se rige por protocolos

un protocolo define el formato y el orden de los mensajes enviados y recibidos entre entidades de red, y las acciones tomadas en la transmisión y/o recepción de un mensaje u otro suceso Introducción 1-10

¿Qué es un protocolo? un protocolo humano y un protocolo de red de computador: ¿estás a Petición hí sde ervconexión id TCP or?

Sí Respuesta de conexión TCP Dame e GET htl fichero tp://ww w.dtX e

Hola Hola ¿Qué hora es?

2:00

.us.es/i ndex.ht ml

Ah<ífivcahero>

tiempo

Hola

P: ¿Otros protocolos humanos?

Introducción 1-11

Tema 1: Índice 1.1 ¿Qué es Internet?

1.2 La frontera de la red v

sistemas terminales, redes de acceso, enlaces

1.3 El núcleo de la red v conmutación de circuitos, conmutación de paquetes,

arquitectura de la red

1.4 Retardos, pérdidas y tasa de transferencia en las redes de conmutación de paquetes 1.5 Capas de protocolos y sus modelos de servicio 1.6 Historia

Introducción 1-12

Visión detallada de la estructura de red la frontera de la red: aplicaciones y sistemas terminales v redes de acceso, medios físicos: enlaces de comunicación cableados, inalámbricos

v

v

el núcleo de la red: § routers interconectados § red de redes Introducción 1-13

La frontera de la red v

sistemas terminales (hosts): § § §

v

ejecuta programas de aplicación ej. Web, correo electrónico peer-peer en la “frontera de la red”

modelo cliente/servidor

§ sistema terminal cliente solicita y recibe un servicio de cliente/servidor un servidor “puro” § ej. navegador/servidor Web

v

modelo peer-peer:

§ mínimo (o ningún) uso de servidores dedicados § ej. Skype, BitTorrent Introducción 1-14

Redes de acceso y medios físicos P: ¿Cómo conectar sistemas terminales a un router de frontera? v v

v

redes de acceso domésticas redes de acceso institutionales (colegio, empresa) redes de acceso móviles

Ten en cuenta: v v

ancho de banda (bits por segundo) de acceso a la red? compartida o dedicada?

Introducción 1-15

Redes de acceso domésticas

Acceso telefónico (dial-up modem) Central telefónica

Red telefónica Internet

PC doméstico

v

v v

Modem de acceso telefónico doméstico

Modem del ISP (ej., AOL)

usa la infraestructura telefónica existente § hogar conectado directamente a la central telefónica velocidad máxima de 56Kbps (a menudo menos) no se puede navegar y hacer llamadas telefónicas al mismo tiempo: no “siempre disponible” Introducción 1-16

Redes de acceso domésticas

Digital Subscriber Line (DSL) Línea telefónica existente: telefonía 0-4KHz; 4-50KHz carga de datos; 50KHz1MHz descarga de datos

Teléfono doméstico

DSLAM

Red telefónica

splitter Modem DSL

v usa

PC doméstico

Internet

Central telefónica

la infraestructura telefónica existente v velocidad de carga máxima de 1 Mbps (hoy típicamente < 256 kbps) v Velocidad de descarga máxima de 8 Mbps (hoy típicamente < 1 Mbps) v línea física dedicada hasta la central telefónica Introducción 1-17

Redes de acceso domésticas

Cable v v

v

usa la infraestructura de la televisión por cable en lugar de la infraestructura telefónica HFC: hybrid fiber coax (híbrido de fibra y coaxial) § asimétrico: velocidad máxima de descarga de 30Mbps y 2 Mbps de carga red de cable, fibra conecta las casas al router del ISP § las casas comparten el acceso al router § a diferencia del DSL, el cual tiene un acceso dedicado Introducción 1-18

Cable

Redes de acceso domésticas

Típicamente 500 a 5,000 casas

Diagram: http://www.cabledatacomnews.com/cmic/diagram.html

Introducción 1-19

Redes de acceso domésticas

Fibra hasta el Hogar v v v

enlaces de fibra óptica desde la central telefónica a las casas (fibra directa) proporciona velocidades de acceso a Internet mucho mayores; y servicios de televisión y telefonía dos tecnologías de fibra que compiten: § §

Passive Optical Network (PON) Active Optical Network (AON) ONT Cables de fibra óptica

Internet

OLT Central telefónica

ONT

Cable de fibra óptica

Splitter óptico

ONT Introducción 1-20

Redes de acceso institucionales

Ethernet 100 Mbps Conmutador Ethernet

Router institucional

al ISP de la institución

100 Mbps 1 Gbps 100 Mbps

v

servidor

típicamente usado en empresas, universidades, etc. v También se usan en redes domésticas. v 10 Mbps, 100Mbps, 1Gbps, 10Gbps Ethernet v actualmente, los sistemas terminales se conectan generalmente a conmutadores Introducción 1-21 (switches) Ethernet

Redes de acceso móviles

Redes de acceso inalámbricos v

la red de acceso inalámbrico compartida conecta los sistemas terminales al router §

v

LANs inalámbricas: §

v

a través de una estación base también conocida como “punto de acceso” 802.11b/g (WiFi): 11 or 54 Mbps

router estación base

Acceso inalámbrico de área extensa § § §

Proporcionado por los operadores de telecomunicaciones ~1Mbps usando la infraestructura de telefonía móvil (EVDO, HSDPA) emergente (?): WiMAX (10’s Mbps) sobre área extensa

sistemas terminales móviles Introducción 1-22

Redes domésticas Componentes típicos de una red doméstica: v modem DSL o modem cable v router/firewall/NAT v Ethernet Home Station Fibra Óptica Teldat i-1104W (MoviStar) v Punto de acceso inalámbrico

http://www.movistar.es/particulares/ayuda/internet/adsl/equipami ento-adsl/routers/Teldat-i-1104w

a/desde modem el terminal cable de cabecera de cable

router/ Firewall /NAT Ethernet

Portátiles (inalámbricos) Punto de acceso inamlábrico

Introducción 1-23

Medios físicos v v

bit: se propaga entre parejas de transmisores y receptores enlace físico: el medio que hay entre el transmisor y el receptor medios guiados: § las señales se transportan por un medio sólido: cobre, fibra, coaxial

medios no guiados: § Las señales se propagan libremente, ej., radio

Introducción 1-24

Medios físicos guiados Par trenzado (Twisted Pair, TP) v

dos cables de cobre aislados § §

Categoría 3: cables de teléfono tradicionales, 10 Mbps Ethernet Categoría 5: 100Mbps Ethernet

Cable coaxial: v v v

dos conductores de cobre concéntricos bidireccional Banda base: § §

v

un único canal sobre un cable heredado de Ethernet

Banda ancha: § §

varios canales sobre un cable HFC

Cable de fibra óptica: v v

fibra de vidrio conduciendo pulsos de luz, cada pulso representa un bit alta velocidad de operación: §

v

transmisión punto a punto de alta velocidad (ej., 10’s-100’s Gpbs)

tasa de error baja: atenuación baja permite repetidores muy espaciados; inmune a las interferencias electromagnéticas Introducción 1-25

Medios físicos no guiados: radio v

v v v

señales transportadas en el espectro electromagnético sin “cable” físico bidireccional efectos del entorno de propagación: § § §

reflexión obstrucción por objectos interferencia

Tipos de canales de radio: v

microondas terrestre § ej. canales de 45 Mbps (máximo)

v

WLAN (ej., WiFi) § 11Mbps, 54 Mbps

v

área-extensa (ej., móvil) § móviles 3G: ~ 1 Mbps

v

satélite § velocidad del canal: Kbps to 45Mbps (o varios canales más pequeños) § Retraso de extremo a extremo de 270 ms § geoestacionarios frente a los de órbita baja terrestre Introducción 1-26

Tema 1: Índice 1.1 ¿Qué es Internet?

1.2 La frontera de la red v sistemas terminales, redes de acceso, enlaces

1.3 El núcleo de la red v

conmutación de circuitos, conmutación de paquetes, arquitectura de la red

1.4 Retardos, pérdidas y tasa de transferencia en las redes de conmutación de paquetes 1.5 Capas de protocolos y sus modelos de servicio 1.6 Historia

Introducción 1-27

El núcleo de la red v v

malla de routers interconectados la pregunta fundamental: ¿cómo se transfieren los datos a través de la red? § conmutación de circuitos: circuito dedicado por llamada: red telefónica § conmutación de paquetes: los datos se envían a través de la red en fragmentos más pequeños (paquetes)

Introducción 1-28

El núcleo de la red: Conmutación de circuitos recursos de extremo a extremo reservados por “llamada” v v v v

ancho de banda del enlace, capacidad del router recursos dedicados: sin compartir rendimiento garantizado establecimiento de llamada requerido Introducción 1-29

El núcleo de la red: Conmutación de circuitos recursos de red (ej., ancho de banda) dividivido en “partes” v v

partes asignadas a llamadas parte del recurso inutilizado si no es usado por el que realiza la llamada (no se comparte)

v

división del ancho de banda del enlace en “partes” § División de frecuencia § División de tiempo

Introducción 1-30

Banda base y Banda ancha Banda base

Banda ancha

DEMULTIPLEXOR

MULTIPLEXOR

1 enlace 3 canales

- No se modula - Señal original

Introducción 1-31

Conmutaciรณn de circuitos: FDM y TDM Ejemplo:

FDM

4 usuarios

frecuencia tiempo TDM Marco

frecuencia tiempo Introducciรณn 1-32

El núcleo de la red: Conmutación de paquetes cada flujo de datos de extremo a contienda por los recursos: extremo se divide en paquetes v demanda de recursos del conjunto puede exceder v paquetes de distintos usuarios comparten los recursos de la red la cantidad disponible v congestión: colas de v cada paquete usa el ancho de paquetes, espera para el banda del enlace completo uso del enlace v Recursos usados según se v store and forward: los necesitan paquetes avanzan un paso División del ancho de banda cada vez en “partes” Asignación dedicada Reserva de recursos

§ el nodo recibe completamente el paquete antes del reenvío Introducción 1-33

Conmutación de paquetes: multiplexación estadística 100 Mb/s Ethernet

A B

multiplexación estadística 1.5 Mb/s

cola de paquetes esperando el enlace de salida

D v

C

E

la secuencia de paquetes de A y B no tiene un patrón temporal fijo §

ancho de banda compartido bajo demanda: multiplexación

estadística

Introducción 1-34

Conmutación de paquetes: store-andforward L R v

v

v

R

se tarda L/R segundos en transmitir (expulsar) paquetes de L bits sobre un enlace de R bps store and forward: el paquete completo debe llegar al router antes de ser transmitido al siguiente enlace retardo = 3L/R (asumiendo un retardo de propagación cero)

R

Ejemplo: § L = 7.5 Mbits § R = 1.5 Mbps § Retardo de transmisión (extremo a extremo) = 15 s

más sobre retardos en breve …

Introducción 1-35

Conmutación de paquetes frente a conmutación de circuitos La comnutación de paquetes permite a más usuarios usar la red!

• •

100 kb/s cuando “activo” activo 10% del tiempo

v Conmutación §

Enlace 1 Mbps

de circuitos:

10 usuarios

v Conmutación §

N usuarios

…..

Ejemplo: § enlace de 1 Mb/s § cada usuario:

de paquetes:

con 35 usuarios, probabilidad > 10 activos en el mismo tiempo es menor que 0.0004

P: ¿qué sucede si > 35 usuarios ?

Introducción 1-36

Conmutación de paquetes frente a conmutación de circuitos

Es la conmutación de paquetes un “claro ganador”? v ideal para ráfagas de datos § se comparten los recursos § es más simple, sin establecimiento de llamada v congestión excesiva: retardo y pérdida de paquetes § se necesitan protocolos para transferir datos de forma fiable, para control de la congestión v P: ¿Cómo proporcionar el comportamiento de la conmutación de circuito? § garantizar el ancho de banda necesario para aplicaciones de audio y video § todavía es un problema sin resolver P: analogías humanas de recursos reservados (conmutación de circuitos) frente a asignación bajo demanda (conmutación de paquetes)? Introducción 1-37

Estructura de Internet: red de redes NAP Internet Service Provider (ISP) (Suministrador de Servicio de Internet) Regional Service Provider (RSP) (Suministrador de Servicio Regional)

Network Access Point (NAP) (Punto de acceso a la red)

NSP

Network Service Provider (NSP) (Suministrador de Servicio de Red)

RSP

ISP

Abonados

NSP RSP

ISP

Abonados

RSP

ISP

ISP

Abonados

Abonados

ISP

Abonados Introducciรณn 1-38

Estructura de Internet: red de redes v v v v

v v

Los ISPs o TIER 3 ISP (ISP de Nivel 3) se conectan a los RSP. RSP o ISP de Nivel 2 se conectan a los NSP o ISP de Nivel 1.

NSP se interconectan a los NAPs Un NAP es una red de acceso de alta velocidad, típicamente ethernet, a través de la cual los ISPs intercambian rutas y tráfico. También conocido como IXP, Internet Exchange Point o NP (Neutral Point, Punto Neutro).

Es posible que los RSP se conecten mediante enlaces privados a otros RSP o NSP. un paquete pasa a través de muchas redes desde el equipo fuente al equipo destino

Introducción 1-39

Tema 1: Índice 1.1 ¿Qué es Internet?

1.2 La frontera de la red v sistemas terminales, redes de acceso, enlaces

1.3 El núcleo de la red v conmutación de circuitos, conmutación de paquetes,

arquitectura de la red

1.4 Retardos, pérdidas y tasa de transferencia en las redes de conmutación de paquetes 1.5 Capas de protocolos y sus modelos de servicio 1.6 Historia

Introducción 1-40

¿Cómo ocurren las pérdidas y los retardos? los paquetes se encolan en el buffer del router v v

tasa de llegada de paquetes al enlace excede la capacidad de salida del mismo Paquetes se encolan, esperando su turno

paquete siendo transmitido (retardo)

Nota

A

Cómo se verá más adelante en la asignatura además de los routers hay otros dispositivos que introducen retardos.

B

Paquetes encolados (retardo) buffer libre (disponible): paquetes que llegan se encolan buffer completo: paquetes no se encolan (pérdida) Introducción 1-41

Cuatro fuentes de retardos transmisión

A

propagación

B

procesamiento de cola nodal

dnodal = dproc + dcola + dtrans + dprop dproc: procesamiento nodal

comprobar errores de nivel de bit § Determinar el enlace de salida § típicamente < ms §

dcola: retardo de cola

§ tiempo de espera antes de ser transmitido por el enlace de salida § depende del nivel de congestión del router

Introducción 1-42

Cuatro fuentes de retardos transmisiรณn

A

propagaciรณn

B

procesamiento de cola nodal

dnodal = dproc + dcola + dtrans + dprop dtrans: retardo de transmisiรณn: dprop: retardo de propagaciรณn: ยง L: longitud del paquete (bits) ยง R: ancho de banda del enlace (bps) dtrans y dprop ยง dtrans = L/R muy diferentes

ยง d: longitud del enlace fรญsico ยง s: velocidad de propagaciรณn del medio (~2x108 m/sec) ยง dprop = d/s

Introducciรณn 1-43

Retardo de cola (revisado)

v v

v v v

R: ancho de banda del enlace (bps) L: longitud del paquete (bits) a: tasa de llegada de paquetes promedio (paquetes por segundo)

retardo de cola promedio

v

intensidad de tráfico = La/R La/R ~ 0

La/R ~ 0: retardo de cola promedio pequeño La/R -> 1: retardo de cola promedio grande La/R > 1: llegan más paquetes de lo que se puede servir, retardo de cola infinito!

La/R -> 1 Introducción 1-44

PĂŠrdida de paquetes La cola (buffer) asociada a un enlace tiene una capacidad finita v paquetes que llegan a una cola llena se descartan (pierden) v paquetes descartados pueden ser retransmitidos por el sistema terminal origen, por el nodo previo o por nadie v

buffer (ĂĄrea de espera) paquete siendo transmitido

A B

paquete que llega al buffer lleno se pierde IntroducciĂłn 1-45

Tasa de transferencia (extremo a extremo) v

tasa de transferencia (throughput): tasa

(bits/unidad de tiempo) a la cual los bits son transferidos entre el cliente y el servidor § §

instantánea: tasa en un instante de tiempo determinado promedio: tasa sobre un periodo largo de tiempo

tubería puede del servidor tiene envía que capacidad servidor, transportar enlaceel fluido bits (fluido) a la de enviar un fichero aRsuna tasa bits/s tubería F bits al cliente Rs (bits/s)

tubería puede capacidad del transportar enlaceel fluido a tasa Rcuna bits/s Rc (bits/s) Introducción 1-46

Tasa de Transfer. ext. a ext. (cont.) v

Rs < Rc ¿tasa de transferencia promedio de terminal a terminal?

Rs bits/s

v

Rc bits/s

Rs > Rc ¿tasa de transferencia promedio de terminal a terminal?

Rs bits/s

Rc bits/s

enlace cuello de botella

Es el enlace en la ruta de extremo a extremo que limita la tasa de transferencia extremo a extremo.

Introducción 1-47

Tasa de transferencia: escenario de Internet Tasa de transferencia terminal a terminal por conexión: min(Rc,Rs,R/10) v en la práctica: Rc o Rs es a menudo el cuello de botella v

Rs Rs

Rs R

Rc

Rc Rc

10 conexiones comparten el enlace común (en partes iguales) con velocidad R bits/s

Introducción 1-48

Tema 1: Índice 1.1 ¿Qué es Internet?

1.2 La frontera de la red v sistemas terminales, redes de acceso, enlaces

1.3 El núcleo de la red v conmutación de circuitos, conmutación de paquetes,

arquitectura de la red

1.4 Retardos, pérdidas y tasa de transferencia en las redes de conmutación de paquetes 1.5 Capas de protocolos y sus modelos de servicio 1.6 Historia

Introducción 1-49

Capas de protocolos Redes son complejas, con muchas “piezas”: v sistemas

terminales

v routers v enlaces

de varios

medios v aplicaciones v protocolos v hardware, software

Pregunta: ¿tenemos alguna esperanza de poder organizar una arquitectura de red? ¿o al menos nuestra exposición sobre la misma?

Introducción 1-50

Organizaciรณn de un viaje en aviรณn billete (compra)

billete (reclamaciรณn)

equipaje (facturaciรณn)

equipaje (recogida)

embarque (carga)

embarque (descarga)

despegue

aterrizaje

control de vuelo

control de vuelo control de vuelo

v

un conjunto de pasos Introducciรณn 1-51

Disposición en capas de la funcionalidad de una compañía aérea billete (compra)

billete (reclamación)

billete

equipaje (facturación)

equipaje (recogida)

equipaje

embarque (carga)

embarque (descarga)

despegue

aterrizaje

despegar/aterrizar

control de vuelo

control de vuelo

control de vuelo Aeropuerto de salida

control de vuelo

control de vuelo

Centros intermedios de control de tráfico aéreo

embarque

Aeropueto de llegada

Capas o niveles: cada capa implementa un servicio v llevando a cabo determinadas acciones dentro de dicha capa v utilizando los servicios que proporciona la capa que tiene directamente debajo de ella Introducción 1-52

¿Por qué una arquitectura en capas?

Los sistemas son complejos: v

v

Una estructura específica permite identificar y relacionar las partes complejas del sistema § Un modelo de referencia en capas para análisis y discusión modularización simplifica el mantenimiento y la actualización del sistema § Modificar la implementación del servicio de una capa es transparente al resto del sistema § ej., cambio en el procedimiento de embarque no afecta al resto del sistema Introducción 1-53

¿Cómo se organiza una arquitectura en capas? (I) En cada extremo debe haber una instancia de un determinado nivel, conocido como entidad. v Cada nivel realiza un conjunto de tareas, conocidas como funciones v No todas las funciones se realizan en cada extremo de la comunicación. v

v ej., en la capa de equipaje esta la función de facturación y

la de recogida.

Cada nivel ofrece un conjunto de prestaciones (proveedor) al nivel superior (usuario), conocidas como servicios v ej., servicio de facturación. v El acceso a los servicios de un determinado nivel se realiza a través de una interfaz conocida como SAP (Service Access Point).

v

Introducción 1-54

¿Cómo se organiza una arquitectura en capas? (II)

En cada nivel se utiliza un determinado protocolo para comunicarse con otra entidad del mismo nivel, ofrecer los servicios a su nivel superior y realizar la funciones que tiene encomendadas. v Usa los servicios que le ofrece el nivel inferior. v En el protocolo se describe: v el formato de los mensajes a intercambiar v Conocido como PDU (Protocol Data Unit) v las reglas de intercambio de mensajes.

Extremo A Extremo B v Ejemplo Nota ... ... v

Nivel N + 1 N_SAP

Entidad de nivel N

Nivel N Nivel N - 1

...

Nivel N + 1 Protocolo nivel N N_PDU

Nivel N

Un nivel puede ofrecer distintos servicios.

Cada uno usará su propio protocolo

Nivel N - 1

...

Introducción 1-55

Servicios ofrecidos por un nivel Los servicios se especifican formalmente mediante un conjunto de estructuras de información, conocidas como primitivas.

v

v tipos:

solicitud (request) à emitida por el usuario en origen ü indicación (indication) à emitida por el suministrador del servicio (por iniciativa propia o no) ü respuesta (response) à emitida por el usuario en destino ü confirmación (confirm) à emitida por el suministrador del servicio ü

Extremo A (iniciador) solicitud Nivel N+1 Nivel N

1

Servicio

Extremo B respuesta Nivel N+1 2 3 Nivel N Servicio

4

confirmación hacia los niveles de abajo en transmisión

hacia los niveles de arriba en recepción

indicación hacia los niveles de abajo en la transmisión Introducción 1-56

Tipos de Servicios confirmados: v v

requieren una respuesta implementan las cuatro primitivas

no confirmados: v v

no requieren respuesta implementan solicitud e indicación

parcialmente confirmados: v v

responde el proveedor implementan solicitud, indicación y confirmación

Nivel N+1 Usuario de N-Servicio

v

al detectar una condición implementan indicación en ambos sentidos

Proveedor N-Servicio

Servicio.Request

Nivel N+1 Usuario de N-Servicio Servicio.Indication

Servicio.Confirmation Servicio.Request Servicio.Request Servicio.Confirmation Servicio.Indication

iniciados por el proveedor: v

Nivel N

tiempo Transmisión

Confirmado

Servicio.Response

No Confirmado

Servicio.Indication Servicio.Indication

Parcialmente confirmado Iniciado por el proveedor

Servicio.Indication

tiempo Transmisión

Introducción 1-57

Arquitectura en capas Extremo A

Extremo B

primitiva del N-servicio

primitiva del N-servicio

Real:

Protocolo capa N

v

N-PDU primitiva del N-1-servicio

primitiva del N-2-servicio

Entidades par de nivel N Protocolo capa N-1 N-1 -PDU Entidades par de nivel N-1 Protocolo capa N-2

¿Cuál es el flujo de información?

primitiva del N-1-servicio

primitiva del N-2-servicio

N-2 -PDU Entidades par de nivel N-2

v v v

v

Lógica: v v v v

Entre niveles adyacentes.

A través del SAP. Comunicación vertical.

Las PDUs se tienen que encapsular y desencapsular.

En el mismo equipo.

Entre entidades pares.

Comunicación horizontal Entre diferentes equipos.

Se intercambian PDU.

Nota

A las entidades de un mismo nivel se conocen como entidad par

Introducción 1-58

Encapsulaciรณn Emisor

(N+1)-PDU

IDU: Interface Data Unit ICI: Interface Control Information PCI: Protocol Control Information SDU: Service Data Unit UD: User Data SAP: Service Access Point

Nivel N+1

(N)-ICI

(N)-IDU

(N)-SAP

Encapsulaciรณn

Nivel N (N)-ICI (N)-SDU (N)-PCI (N)-UD

(N)-PDU

Introducciรณn 1-59

Desencapsulaciรณn Receptor

Nivel N+1

(N+1)-PDU

(N)-ICI

(N)-IDU

IDU: Interface Data Unit ICI: Interface Control Information PCI: Protocol Control Information UD: User Data (N)-SAP

Desencapsulaciรณn

Nivel N (N)-ICI (N)-SDU (N)-PCI (N)-UD

(N)-PDU

Introducciรณn 1-60

Fragmentaciรณn Emisor

(N+1)-PDU

Nivel N+1 (N)-ICI

IDU: Interface Data Unit ICI: Interface Control Information PCI: Protocol Control Information UD: User Data (N)-SAP

(N)-IDU

(N)-ICI (N)-PCI

(N)-PDU

(N)-SDU

Encapsulaciรณn

Nivel N

(N)-PDU Introducciรณn 1-61

Reensamblaje Receptor

(N+1)-PDU

Nivel N+1 (N)-ICI

IDU: Interface Data Unit ICI: Interface Control Information PCI: Protocol Control Information UD: User Data (N)-SAP

(N)-IDU

(N)-ICI (N)-PCI

(N)-PDU

(N)-SDU

Desencapsulaciรณn

Nivel N

(N)-PDU Introducciรณn 1-62

¿Cuántas capas son necesarias? v v

Depende del conjunto de funciones que se desee que tenga la arquitectura de red.

Dos arquitecturas de red: v TCP/IP la utilizada en Internet. v Se compone de cinco capas. v Describe funciones, servicios y protocolos v Modelo de referencia OSI (Open System Interconnection). v Se compone de siete capas. v Estándar de ISO (International Organization for Standardization). v Describe funciones y servicios.

Introducción 1-63

Pila de protocolos de Internet v

aplicación: soporta las aplicaciones de red. Sirve de interfaz con el usuario final §

v

transporte: transferencia de datos extremo a extremo entre procesos §

v

IP, protocolos de rutado

enlace: transferencia de datos entre elementos de red “cercanos” §

v

TCP, UDP

red: direccionamiento y enrutado de datagramas de origen a destino §

v

FTP, SMTP, HTTP, DNS

aplicación

A_PDU mensaje

transporte

T_PDU segmento

red

R_PDU datagrama

enlace

E_PDU trama

física

Ethernet, 802.11 (WiFi), PPP

física: bits “en el cable” Introducción 1-64

Modelo de referencia ISO/OSI v

v

v

presentación: permite que las

aplicaciones interpreten el significado de los datos, ej., encriptación, compresión, codifica datos en modo estándar sesión: sincronización, puntos de comprobación, recuperación del intercambio de datos pila de Internet “omite” estas capas! § estos servicios, si son necesarios, deben ser implementados en aplicación § ¿necesarios?

aplicación presentación sesión transporte red enlace física

Introducción 1-65

¿Cómo se implementan las capas?

Nota

aplicación transporte red enlace física

Programas Sistema Operativo

No todos los niveles están en todos los dispositivos que se usan en Internet.

Software

Nota

hardware

Al hardware que implementa el nivel de enlace y físico se conoce como interfaz de red, tarjeta de red o NIC (Network Interface Card).

Introducción 1-66

Arquitectura en capas: Internet origen

Ejemplo: Dos sistemas finales interconectados por un router.

aplicación transporte red enlace física

destino mensaje segmento

M

Ht

M

Hrn Ht

M

Hr Ht

M

He Hr Ht

M

He Hr Ht

M

Hr Ht

Nota

Hx = X_PCI M = A_PCI(Ha) + Datos Usuario (UD) Ejemplo UD: Asunto/cuerpo de un e_mail Texto de un mensaje WhatsApp

M

Ht

datagrama trama

M

M

red enlaceHe física

Hr Ht

aplicación transporte red enlace física

M

router Medio físico

Introducción 1-67

Arquitectura en capas: Internet Ejemplo: Dos sistemas finales interconectados por un router.

origen aplicación transporte red enlace física

destino

Protocolo aplicación Protocolo transporte Protocolo red Protocolo enlace Protocolo físico

red enlace física

Protocolo red Protocolo enlace Protocolo físico

aplicación transporte red enlace física

router

Introducción 1-68

Tema 1: Índice 1.1 ¿Qué es Internet?

1.2 La frontera de la red v sistemas terminales, redes de acceso, enlaces

1.3 El núcleo de la red v conmutación de circuitos, conmutación de paquetes,

arquitectura de la red

1.4 Retardos, pérdidas y tasa de transferencia en las redes de conmutación de paquetes 1.5 Capas de protocolos y sus modelos de servicio 1.6 Historia

Introducción 1-69

Historia de Internet 1961-1972: principios de la conmutación de paquetes v

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1961: Kleinrock – teoría de colas muestra la eficacia de la conmutación de paquetes 1964: Baran – conmutación de paquetes en redes militares 1967: ARPAnet concebido por la Advanced Research Projects Agency 1969: primer nodo ARPAnet operacional

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1972: § demostración pública ARPAnet § NCP (Network Control Protocol) primer protocolo de equipo a equipo § primer programa de correo electrónico § ARPAnet tiene 15 nodos

Introducción 1-70

Historia de Internet 1972-1980: interconexión de redes, redes nuevas y propietarias v v

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1970: red de satélite ALOHAnet en Hawaii 1974: Cerf and Kahn arquitectura para interconectar redes 1976: Ethernet de Xerox PARC finales 70’s: arquitecturas propietarias: DECnet, SNA, XNA finales 70’s: conmutación de paquetes de longitud fija (precursor ATM) 1979: ARPAnet tiene 200 nodos

Cerf and Kahn’s principios de la interconexión de redes: § minimalismo, autonomía – no se requieren cambios internos para interconectar redes § modelo de mejor esfuerzo § stateless routers § control descentralizado define la arquitectura de Internet actual

Introducción 1-71

Historia de Internet 1980-1990: nuevos protocolos, proliferación de redes v v

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1983: despliegue de TCP/IP 1982: se define el protocolo smtp (correo electrónico) 1983: se define DNS para la traducción de nombre a dirección IP 1985: se define el protocolo ftp 1988: Control de la congestión TCP

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nuevas redes nacionales: Csnet, BITnet, NSFnet, Minitel 100,000 equipos conectados a la confederación de redes

Introducción 1-72

Historia de Internet 1990, 2000’s: comercialización, the Web, nuevas aplicaciones v principios

1990’s: ARPAnet fuera de servicio v 1991: NSF levanta las restricciones sobre el uso comercial de NSFnet (fuera de servicio, 1995) v principios 1990s: Web § hipertexto [Bush 1945, Nelson 1960’s] § HTML, HTTP: Berners-Lee § 1994: Mosaic, más tarde Netscape § finales 1990’s: comercialización de la Web

finales 1990’s – 2000’s: v

v v v

más aplicaciones: mensajería instantánea, compartición de ficheros P2P seguridad de la red en primer plano est. 50 millones equipos, más de 100 millones usuarios enlaces backbone funcionando a Gbps

Introducción 1-73

Historia de Internet 2010: v ~750 millones de equipos v voz, video sobre IP v aplicaciones P2P: BitTorrent (compartir ficheros) Skype (VoIP), PPLive (video) v mรกs aplicaciones: YouTube, gaming, Twitter v conexiรณn inalรกmbrica, movilidad

Introducciรณn 1-74

Resumen cubierta gran cantidad de ahora conoces: material! v contexto, visión v descripción general de Internet general, la “esencial” de la red v ¿qué es un protocolo? v mayor profundidad y v frontera y núcleo de la red, detalles a redes de acceso continuación! § conmutación de paquetes frente a conmutación de circuitos § arquitectura de Internet v rendimiento: pérdidas, retrasos, tasa de transferencia v capas, modelos de servicio v historia Introducción 1-75

Departamento de Tecnología Electrónica

Redes de Computadores Tema 1: Redes de Computadores e Internet

EJERCICIOS

Introducción 1-76

TDM 1.

¿Cuánto se tarda en enviar un fichero de 640000 bits (640 Kb) desde un sistema final A al B sobre una red de conmutación de circuitos? § § §

velocidades de todos los enlaces: 1,536 Mbps cada enlace usa TDM con 24 particiones/marco 500 ms para establecer el circuito de terminal a terminal

A trabajar!

Introducción 1-77

Retardo de extremo a extremo

Considerar un paquete de longitud L transmitido por un sistema terminal A que pasa a través de tres enlaces hasta alcanzar el sistema terminal destino. Los tres enlaces se conectan a través de dos router en una red de conmutación de paquetes. Considerando que di, si y Ri denotan la longitud, la velocidad de propagación y la velocidad de transmisión del enlace i, para i=1,2,3, que los routers retrasan cada paquete dproc, y asumiendo que no hay retardos de colas, en términos de di, si y Ri (i=1,2,3) y L, ¿cuál el retardo total de extremo a extremo para el paquete?

Suponer ahora que la longitud del paquete es 1500 bytes, la velocidad de propagación en los enlaces es 2.5x108 m/s, la velocidad de transmisión es 2 Mbps, el retardo de procesamiento del router es 3 ms, la longitud del primer enlace es 5000 km, la del segundo 4000 km y la del tercero 1000 km. Para estos valores, ¿cuál es el retardo de extremo a extremo?

Introducción 1-78

Retardo de cola Un router en una red conmutación de paquetes recibe un paquete y determina el enlace de salida al cual el paquete debe reenviarse. Cuando el paquete llega, otro paquete se está transmitiendo por ese enlace de salida (la mitad se ha transmitido) y tres más están esperando para ser transmitidos. Los paquetes se transmiten por orden de llegada.

Suponiendo que todos los paquetes tiene una longitud de 1500 bytes y que la velocidad del enlace es de 2Mbps. ¿Cuál es el retardo de cola del paquete?

De forma general, ¿cuál es el retardo de cola cuando todos los paquetes tienen longitud L, la velocidad de transmisión es R, x bits del paquete que se está transmitiendo se han transmitido, y n paquetes están ya Introducción 1-79 en la cola?

Encapsulamiento y fragmentación Suponga que, en el modelo OSI, un protocolo de nivel de enlace de datos tiene limitado el tamaño máximo de la E_SDU a 1000 bytes, y que el protocolo de nivel de red no limita el tamaño máximo de las R_SDUs a su nivel superior. Si las T_PDUs tienen siempre un tamaño de 2000 bytes y la R_PCI ocupa 100 bytes, ¿Cuántas R_PDUs enviará el nivel de red? ¿Qué contendrá cada R_PDU ? (Nota: Las R_PDUs que se envíen deben ser del tamaño máximo posible)

Introducción 1-80

Segmentación En las redes de conmutación de paquetes modernas, el host de origen segmenta los mensajes largos de la capa de aplicación (por ejemplo, una imagen o un archivo de música) en paquetes más pequeños y los envía a la red. Después, el receptor ensambla los paquetes para formar el mensaje original. Este proceso se conoce como segmentación de mensajes. La figura ilustra el transporte terminal a terminal de un mensaje con y sin segmentación del mensajes.

Paquete sin segmentación

Equipo origen

Conmutador de paquetes

Conmutador de paquetes

Equipo destino

Paquete con segmentación

Equipo origen

Conmutador de paquetes

Conmutador de paquetes

Equipo destino

Introducción 1-81

Segmentación Considerar que se envía un mensaje cuya longitud es 8x106 bits desde el origen hasta el destino mostrados en esa figura. Suponga que cada enlace mostrado es de 2 Mbps.

Ignore los retardos de propagación, de cola y de procesamiento.

Suponga que el mensaje se transmite desde el origen al destino sin segmentarlo. ¿Cuánto tarda el mensaje en desplazarse desde origen hasta el primer router?

Teniendo en cuenta que cada router usa el método de store and forward, ¿cuál es el tiempo total que invierte el mensaje para ir desde el equipo origen al destino?

Suponer que el mensaje se segmenta en 4000 paquetes y que la longitud de cada uno es 2000 bits. ¿Cuánto tarda el primer paquete en desplazarse desde el origen hasta el primer router? Cuando se está enviando el primer paquete del primer router al segundo, el host de origen envía un segundo paquete al router. ¿en qué instante de tiempo habrá recibido el primer router el segundo paquete completo? ¿Cuánto se tarda en transmitirse el archivo desde el host origen al destino cuando se emplea la segmentación de mensajes? Compare este resultado con la respuesta del primer apartado y coméntelo.

Comentar los inconvenientes de la segmentación de mensajes.

Introducción 1-82