INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS DE COMUNICACIÓN

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1 UNIDAD DIDÁCTICA Nº 1: INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS DE COMUNICACIÓN 1.1. EL PROCESO TELEMÁTICO Transmisión Proceso telemático por el que se transportan señales de un lugar a otro, donde estas señales pueden ser de diversa procedencia; mecánicas, acústicas, etc. Y además, siempre tendrán unas magnitudes físicas con que medirlas; frecuencia, amplitud Comunicación En todo proceso de comunicación hay necesidad de transmisión de señales, sin embargo no siempre existe comunicación. Por lo tanto la podemos definir comunicación como el proceso telemático por el que se transporta información sabiendo que ésta viaja sobre una señal que se transmite NORMAS Y ASOCIACIONES DE ESTÁNDARES - Estándar de facto (echo), donde los usuarios por su utilización lo hacen estándar. - Estándar de iure (derecho), donde una organización decide el estándar ASOCIACIONES CCITT Comité Consultivo Internacional Telegráfico y Telefónico. ITU Unión Internacional de Comunicación. ISO(OSI) Organización Internacional de Normalización. ANSI Instituto Nacional Americano de Normalización. IEEE Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos CLASIFICACIÓN SEGÚN LA TOPOLOGÍA DE CONEXIONES DE LAS LINEAS DE COMUNICACIÓN Líneas punto a punto Dos equipos están conectados punto a punto cuando existe una línea conectada entre ordenadores, pero sin que ningún otro equipo pueda solicitar servicios de transmisión sobre esa línea Líneas multipunto Tiene una topología en forma de red troncal, constituida por un bus de comunicaciones común a todos los equipos que se conectan a la red. En este tipo de líneas se pueden establecer contiendas entre los equipos para utilización de los recursos. Sant Josep Obrer Unidades Didácticas

2 1.5. CLASIFICACIÓN SEGÚN SU PROPIETARIO Públicas Privadas Dedicadas 1.6. CONCEPTO DE CIRCUITO DE DATOS Equipo Terminal de Datos (ETD) Es el componente del circuito de datos que hace de fuente o destino de la información (ordenador) Equipos Terminales de circuitos de Datos (ECD) Es el componente del circuito que adecua las señales que viajan por el canal de comunicaciones convirtiéndolas a un formato asequible para el equipo terminal de datos (módem) Línea de circuito de datos Las líneas del circuito de datos unen los equipos terminales de circuitos de datos y se encargan de la transmisión. Por ejemplo, un módem. ETD ETD Emisor o Receptor Controlador de Comunicaciones Emisor o Receptor Controlador de Comunicaciones ECD Líneas de Circulación de Datos ECD 1.7. TIPOS DE TRANSMISIÓN Transmisión Asíncrona (Sin Reloj) El asincronismo es un proceso por el cual el receptor y el emisor se ponen de acuerdo en donde empieza y acaba una información que se ha puesto en el medio de transmisión empleado. Un error de sincronismo implica la posibilidad de una interpretación incorrecta de la información. Una transmisión es asíncrona cuando el proceso de sincronización entre el emisor y el receptor se realiza en cada palabra de código transmitido. Esto se lleva a cabo a través de unos bits especiales que ayudan a definir el entorno de cada código que se va a transmitir. Sant Josep Obrer Unidades Didácticas

3 STOP START Transmisión Asíncrona REPOSO Para enviar 8 bits de datos hay que enviar 11 bits. (8/11)* Transmisión Síncrona (Con Reloj) En la transmisión síncrona los bits transmitidos se envían a un ritmo constante, y se exige la transmisión tanto de datos como de una señal de reloj, llamada señal de envío, que marque la secuencia en que se van enviando los datos, con el fin de sincronizar al emisor y al receptor. En la transmisión síncrona se suelen utilizar unos caracteres especiales para evitar pérdidas de sincronismo INFORMACIÓN CLOCK Transmisión Síncrona 1.8. CLASIFICACIÓN SEGÚN EL MEDIO DE TRANSMISIÓN Transmisión en serie (COM) Se dice que una transmisión es en serie cuando todas las señales se transmiten por una única línea de datos secuencialmente. Por ejemplo: Ordenador -> Módem -> Línea telefónica Puerto Serie PC -> Ratón Transmisión en paralelo Cuando se transmiten simultáneamente un conjunto de bits, uno por cada línea del canal. Así será n veces más rápida que en serie, donde n es el número de líneas. Las conexiones en paralelo siempre son más complejas que en serie (LPT1). Sant Josep Obrer Unidades Didácticas

4 1.9. EXPLOTACIÓN DE LOS CIRCUITOS DE DATOS Comunicación SIMPLEX La transmisión siempre se efectúa en una dirección. Se dice que hay un único canal físico y un único canal lógico unidireccional. Ej. : Televisor. EMISOR RECEPTOR Comunicación SEMIDUPLEX La comunicación puede ser bidireccional, es decir, emisor y receptor pueden intercambiar información, sin embargo, no simultáneamente. Esto significa que hay un solo canal físico y un canal lógico bidireccional. Ej. : Radioaficionado. EMISOR / RECEPTOR ó EMISOR / RECEPTOR Comunicación DUPLEX Se caracteriza por ser bidireccional y simultánea; esto significa que hay un canal físico y dos canales lógicos. EMISOR / RECEPTOR EMISOR / RECEPTOR Sant Josep Obrer Unidades Didácticas

5 1.10. ELEMENTOS DE UN SISTEMA DE COMUNICACIÓN El Emisor y el Receptor El emisor es el elemento terminal de la comunicación que se encarga de proporcionar la información. Se contrapone al receptor, que es el elemento terminal de la comunicación y que recibe la información procedente de un emisor. Cada emisor es inseparable de su receptor, sin embargo, pueden darse casos en los que haya un receptor y múltiples emisores o un emisor y múltiples receptores Los Transductores Es un dispositivo encargado de transformar la naturaleza de una señal. La señal física que más se utiliza en telemática es la señal eléctrica y ello es debido principalmente a su facilidad de transporte, gobierno y transformación, así como a su rapidez de transporte (aprox. La velocidad de la luz). Ej. : Una bombilla, la cual convierte una señal eléctrica en una luminosa o bien micrófonos o altavoces El Canal Es el elemento que se encarga del transporte de la señal sobre la que viaja la información que pretenden intercambiar emisor y receptor. Un canal viene definido desde el punto de vistas telemático por sus propiedades físicas: la naturaleza de la señal que es capaz de transmitir, la velocidad de transmisión, la capacidad de transmisión (ancho de banda), la longitud máxima, el modo de inserción de emisores y receptores Moduladores y demoduladores En aquellos casos en que se deba adecuar las señales a los canales de transmisión, y en el caso de que ambos compartan la misma naturaleza (eléctrica, acústica, luminosa) se utilizan los moduladores Otros Elementos Amplificadores: Se encargan de restaurar una señal analógica devolviéndole su amplitud original, resolviendo así la atenuación producida por las pérdidas de vidas a la longitud de la línea. Repetidores: Tienen como misión regenerar las señales digitales, y no se trata de una amplificación. Distribuidores y Concentradores: Se encargan de repartir o agrupar las señales eléctricas entre diversos emisores y receptores. Conmutadores: Se encargan de establecer un canal de comunicación apropiado tal como las centralitas de comunicación (Telefónica) que lo que hacen es elegir la ruta adecuada para comunicar a un emisor y a un receptor. Sant Josep Obrer Unidades Didácticas

6 UNIDAD DIDÁCTICA Nº 2: LA ARQUITECTURA DE LAS COMUNICACIONES 2.1. CONCEPTOS PREVIOS INTRODUCCIÓN La organización de los ordenadores en red SISTEMAS AISLADOS Y TEMPORALMENTE REMOTOS. Un sistema aislado es un ordenador que es incapaz de comunicarse con el exterior, por vía telemática. En ocasiones, los sistemas aislados pueden efectuar conexiones temporales, normalmente a través de redes públicas para efectuar intercambios de información con el exterior. De este modo, el sistema está conectado temporalmente y se dice que este sistema está realizando conexiones remotas REDES DE ORDENADORES. En este sistema de interconectar ordenadores en red, los distintos equipos se conectan a través de redes de datos, pero sin perder su identidad propia LOS SISTEMAS DISTRIBUIDOS. Está compuesto por una red de ordenadores pero con la peculiaridad especial de que la existencia de múltiples ordenadores en la red, es totalmente transparente al usuario. Es decir, que se puede ejecutar una operación en la red y esta retorna los resultados sin saber a ciencia cierta (ni tan siquiera interesa) que ordenadores de todos los de la red, han atendido nuestra petición EL protocolo de comunicaciones. Un protocolo es un conjunto de reglas, preferentemente organizadas y convenidas de mutuo acuerdo entre los participantes en una comunicación y su misión es regular algún aspecto de la misma. Es habitual que los protocolos se ofrezcan como normativa o recomendaciones de las asociaciones de estándares. Los fabricantes que se ajustan a estas normativas tienen la seguridad de ser compatibles entre sí en aquellos aspectos regulados por los protocolos Concepto de capa ó nivel. Con el fin de simplificar la complejidad de cualquier, red los diseñadores de redes han convenido estructurar las diferentes funciones que realizan los servicios que proveen en una serie de niveles o capas. Las capas están jerarquizadas y cada una se construye sobre su predecesor. El número de capas y sus servicios y funciones es variable según el tipo de red. Sin embargo, en cualquier red, la misión de cada capa es proveer servicios a las capas superiores, haciendo transparente el modo en que esos servicios se llevan a cabo. De esta manera cada capa debe ocuparse exclusivamente de su nivel inmediatamente inferior, a quien solicita servicios, y del nivel inmediatamente superior a quien devuelve resultados El interface entre capas. Sant Josep Obrer Unidades Didácticas

7 Visto que entre dos capas consecutivas se mantienen unas relaciones únicas entre dichas capas, lo cual nos lleva a definir el modo en que cada capa negocia los servicios y se comunica con las capas adyacentes. El interface entendido como la definición de los servicios y/o operaciones que la capa inferior ofrece a la superior, se gestiona como una estructura de primitivas. Las primitivas son llamadas entrantes o salientes, en cada una de las capas que sirven para solicitar servicios, devolver resultados, confirmar peticiones, etc. (Estas primitivas siguen una estructura, regla sintáctica.) Arquitectura de una red. La arquitectura de una red, es el conjunto organizado de capas y protocolos de la misma. Esta organización de la red debe estar suficientemente clara como para que los fabricantes de software/hardware puedan diseñar sus productos con garantía de que funcionarán en comunicaciones con otros equipos que sigan las mismas reglas Los sistemas abiertos. El concepto de sistema abierto fue propuesto por la ISO (International Standard Organization) como el que está compuesto por uno ó más ordenadores, el software asociado, los periféricos, los procesos físicos, los medios de transmisión de información, etc., que constituyen un todo autónomo capaz de realizar un tratamiento de la información. Más adelante la OSI (Open Systems Interconnection) lo volvió a definir como un sistema capaz de interconectarse con otros ordenadores de acuerdo con unas normas establecidas EL MODELO ARQUITECTÓNICO DE CAPAS DE RED. En un modelo arquitectónico de capas de red, se podrá apreciar un conjunto de capas que cumplen las siguientes características: Dada una capa N, puede solicitar servicios a la capa N-1, del mismo modo que la capa N+1 solo puede solicitar servicios a la capa N. (La primera, la última, de las capas es una excepción, pues no tiene ninguna otra capa a la que solicitar servicios ya que fundamentalmente se encarga de operar con los medios de transmisión). COMUNICACION CAPA N+1 Entidad de Capa N+1 Protocolo N+1 Entidad de Capa N+1 Interface N+1/N Interface N+1/N CAPA N Entidad de Capa N Protocolo N Entidad de Capa N Interface N/N-1 Interface N/N-1 CAPA N-1 Entidad de capa N-1 Protocolo N-1 TRANSMISION Entidad de capa N-1 Sant Josep Obrer Unidades Didácticas

8 Este sistema de capas presenta la característica de que si se cambia algo en la capa N ninguna otra capa se sentirá afectada, siempre que se conserven las estructuras de los interfaces N/N-1 y N+1/N. Esta es la gran ventaja de que dicha arquitectura de capas, ya que es muy poco sensible a los cambios tecnológicos que se pueden producir con la evolución de las funciones y servicios en las redes. (son más flexibles) El proceso de comunicación se produce entre las capas equivalentes de Host ó máquinas cualquiera distintas. La información y con ella la petición de servicios, van descendiendo por la estructura de capas de Host emisor hasta que el nivel mas bajo (transmisión física), la información pasa al Host receptor. A partir de aquí se inicia un viaje ascendente hasta llegar a la capa equivalente en el Host de destino. El emisor le parece que la comunicación se ha producido a un nivel alto, se quiere pensar, que ha establecido una comunicación utilizando unas reglas de alto nivel para enlazar con la capa equivalente, también de alto nivel, en el receptor. Aunque realmente sabemos que la comunicación ha descendido hasta el nivel más bajo, así también distinguimos entre una transmisión y una comunicación de tal forma que la capa 1 (es la inferior) opera con transmisiones en el nivel físico, es decir, con algún tipo de señales, el resto de las capas operan con comunicaciones, es decir, señales interpretadas de acuerdo con unas normas protocolarias EL MODELO DE REFERENCIA OSI Conceptos previos. Las siglas OSI no son más que el nombre de un modelo de referencia de una arquitectura de capas para redes de ordenadores y sistemas distribuidos que ha impuesto la ISO como estándar de conexiones de sistemas abiertos. Algunos de los conceptos que aparecen en el modelo OSI son: - Entidades. Se llaman a estas a los elementos activos que se encuentran en cada una de las capas. Hay entidades software como procesos y entidades hardware como pueden ser chips que se encargan de analizar entradas y salidas de datos. A las entidades de una misma capa y residentes en distintos nodos se les llama entidades pares ó iguales. - Punto de acceso a servicio (SAP). Las SAP son los puntos en los que una capa pueden encontrar disponibles los servicios de la capa inmediatamente inferior. - La unidad de datos del interface (IDU). Consiste en el bloque informativo que la entidad de la capa n pasa a la entidad correspondiente de la capa n-1, a través del interface n/n La estructura de capas en el sistema OSI. EL modelo de referencia OSI propone una arquitectura de 7 capas o niveles, donde cada una de ellas ha sido diseñadas con las siguientes propiedades: - Cada capa debe tener una función perfectamente definida. - Se intentará disminuir el máximo posible el flujo de información entre las capas a través de los interface. Sant Josep Obrer Unidades Didácticas

9 - Las capas serán tan numerosas como sea necesario para que dos funciones muy distintas, no tengan que convivir en la misma capa. Los nombres que reciben las 7 capas que conforman el modelo OSI son los siguientes: Aplicación Presentación Sesión Transporte Red Enlace Físico APDU PPDU SPDU TPDU Paquete Trama Bits El modelo OSI en realidad no especifica como son los protocolos de comunicaciones con lo cual no es realmente una arquitectura de red, sino que sencillamente nos recomienda como deben actuar las distintas capas. No obstante, la ISO ha recomendado normas para protocolos en cada una de las capas, donde estas normas ó protocolos concretos que se han especificado, no pertenecen al modelo OSI en sí mismo, sino que más bien pertenecen a normas internacionales independientes llevadas a cabo por organizaciones independientes La comunicación entre capas. EL dialogo entre las diferentes capas se realiza a través del interface existente entre ellas. Esta comunicación está normalizada en conformidad de un sistema de llamadas y respuestas que OSI denomina primitivas. De este modo, cada servicio está nominado por un SAP que le identifica únicamente dentro de cada interface y un conjunto de operaciones primitivas al servicio de la capa superior para solicitar los servicios a los que se tienen acceso desde cada SAP. OSI define 4 primitivas fundamentales llamadas: REQUEST (Solicitud) INDICATION (Indicación) RESPONSE (Respuesta) CONFIRM (Confirmación) - REQUEST: una entidad solicita que un servicio realice un trabajo para ella. - INDICATION: una entidad es informada de que ha ocurrido un evento, por ejemplo, que otra entidad solicita sus servicios. - RESPONSE: una entidad responde con esta primitiva a un evento producido anteriormente. Sant Josep Obrer Unidades Didácticas

10 - CONFIRM: una entidad es informada acerca de una solicitud efectuada anteriormente. El nombre de cada primitiva fundamental consta de un literal precedido por un punto. La primitiva de un servicio se construye escribiendo el nombre del servicio o la función que desempeña seguido por el punto y por la primitiva fundamental. CONNECT.request CONNECT.indication CONNECT.response CONNECT.confirm Tipos de servicios definidos en OSI. El sistema OSI se definen dos tipos de servicios claramente diferenciados. Cada uno de ellos produce a la red una funcionalidad concreta. Estos servicios son: 1. Servicios orientados a conexión. Los servicios que requieren el establecimiento inicial de una conexión y la ruptura ó liberación final de la misma. En estos servicios los bloques de datos se reciben en el destino, en el orden en que se emitieron en el origen. Además, todos los paquetes siguen la misma ruta conseguida en el establecimiento de la conexión. Por lo tanto los paquetes de datos no necesitan especificar la dirección de destino. 2. Servicios sin conexión. Ofrecen la capacidad de comunicación sin necesidad de realizar una conexión con el destinatario. El emisor envía paquetes de datos el receptor confiando en que la red tendrá suficientemente inteligencia como para conducir los datos por las rutas adecuadas. Cada paquete debe llevar la dirección de destino, y en algunos casos el receptor debe enviar al emisor un acuse de recibo para informarle sobre el éxito de la comunicación. Dentro de los servicios sin conexión se puedan clasificar de la siguiente forma: a.- servicio de datagrama sin confirmación: El emisor no necesita confirmación por parte del receptor de que los paquetes de datos le llegan correctamente. Sant Josep Obrer Unidades Didácticas

11 b.- Servicios de datagrama con confirmación: El receptor envía confirmaciones al emisor. c.- Servicio de petición y respuesta: Es un servicio propio de gestión interactiva, basado en que a cada petición le sigue una respuesta. Por ejemplo, a cada petición de una base de datos le sigue un mensaje de respuesta que contiene los datos solicitados. Ejemplo: Tiempo HOST A N+1 (1) (4) (5) (8) (9) N HOST B N+1 (2) (3) (6) (7) (10) N (1) CONNECT.request (2) CONNECT.indication (3) CONNECT.response (4) CONNECTconfirm (5) DATA.request (desde origen a destino) (6) DATA.indication (en el destino) (7) DATA.request (desde destino a origen) (8) DATA.indication (en el origen) (9) DISCONNECT.request (10) DISCONNECT.indication Significado: (1) La petición de marcado al nº de abonado del destinatario. (2) El teléfono del abonado destinatario produce la señal de llamada. Sant Josep Obrer Unidades Didácticas

12 (3) El destinatario descuelga el teléfono. (4) El abonado que originó la llamada, escucha que el teléfono destinatario dejó de realizar tonos de llamadas por que alguien lo descolgó para atender la llamada. (5) Representa un flujo de datos desde el origen al destino. (6) El destinatario escucha los datos que le llegan por la línea telefónica. (7) El teléfono, como el servicio de teléfono es dúplex, el destinatario también puede emitir sus mensajes. (8) El Primer abonado escucha en su auricular lo que su destinatario habló por el micrófono. (9) Quien originó la llamada cuelga el teléfono. (10) El destinatario escucha que han colgado y también cuelga el teléfono. Este esquema representa la comunicación entre las diferentes capas existentes de un protocolo de comunicación basado en el modelo de referencia OSI LOS NIVELES OSI ORIENTADOS A LA RED. En la jerarquía OSI los niveles superiores están más próximos al usuario, que tiene el nivel de abstracción mayor. Se dice que estas capas (aplicación, presentación y sesión) están orientadas a la aplicación o al usuario. Se dice que los niveles inferiores que están más próximos a la red (físico, enlace y red) reciben el nombre de subred. La capa que queda en el nivel intermedio, llamada transporte, no pertenece ni al nivel de aplicación ni al nivel de subred, se encuentran en un nivel intermedio El nivel físico. Las capa física se ocupa de definir las características mecánicas, eléctricas, funcionales y de procedimiento para poder establecer y destruir conexiones entre dos equipos de la red. Es la capa de más bajo nivel y por tanto se ocupa de la transmisión de los bits. Entre otras funciones debe garantizar la compatibilidad de los conectores, el número de cableado, impulsos eléctricos El nivel de enlace. La principal misión de la capa de enlace es establecer una línea de comunicación libre de errores que pueda ser utilizada por la capa inmediatamente superior, la capa de red. Como el nivel físico opera con bits, sin detenerse en averiguar su significado, la capa de enlace debe funcionar en mensaje de bloques de datos de nivel 2 (tramas). Estas tramas serán enviadas secuencialmente por la línea de transmisión a través de los servicios de transmisión que ofrece la capa física, y quedará a la escucha de las tramas de confirmación que generen la capa de enlace del receptor. Por lo tanto, el nivel de enlace se encarga de la detección de errores producidos en la recepción de tramas, eliminarlas y resolicitarlas, descartar tramas repetidas, adecuar la velocidad o flujo de datos entre emisores rápidos y receptores no tan rápidos El nivel de red. La capa de red se ocupa del control de la subred, principalmente su función es la del encaminamiento/enrrutamiento, es decir, como elegir la ruta más adecuada para que el bloque de datos de nivel de red (paquetes), para que llegue a su destino donde cada destino estará identificado unívocamente dentro de la subred por una dirección. Otra función importante es el tratamiento de la congestión, por ello cuando hay muchos paquetes dentro de la red, estos se obstruyen entre ellos generando cuellos de botella, entonces se encargarán de enviarlos por aquellas líneas donde exista menos congestión. Sant Josep Obrer Unidades Didácticas

13 Otras de sus funciones es la resolución de problemas generados por redes heterogéneas, es decir, que es en este nivel de red donde se deben resolver los problemas producidos cuando el destinatario de un paquete está en otro tipo de red El nivel de transporte. Tiene como objetivo aceptar los datos de la capa de sesión. (SPDU) fraccionarlos adecuadamente de modo que sean aceptables por la subred y asegurarse de que llegarán correctamente al nivel de transporte del destinatario, esté o no en la misma red que en la fuente de datos. Proporcionalmente el servicio de transporte abstrayéndose del hardware y el software de bajo nivel que utiliza la subred para producir el transporte solicitado. El flujo de transporte puede llegar a multiplexar conexiones distintas para cada solicitud de la capa inmediatamente superior utilizando uno ó más puntos de salida para la misma comunicación, al usuario que se encuentra en una capa de sesión o superior le es transparente la utilización de múltiples circuitos físicos, ya que el lo experimenta como una única sesión que se ha resuelto como múltiples sesiones de transporte que afectan a la misma o distintas redes. Si tuviéramos un equipo o nodo con varias tarjetas de red, con salir a distintas redes, la capa de sesión las vería como una sola red gestionada por la capa de transporte y de forma transparente El nivel de sesión. Permite el dialogo entre emisor y receptor estableciendo una sesión que es el nombre que reciben las conexiones en esa capa. La capa de sesión mejora el servicio de la capa de transporte. Por ejemplo, si deseáramos transmitir un fichero por la línea telefónica y que por su excesivo volumen tardará 1 hora en efectuar el transporte, y la línea telefónica tiene caídas cada 15 minutos sería imposible transmitir el fichero. La capa de sesión se encargaría en este caso de la resincronización de la transferencia de modo que en la siguiente conexión se transmitirían los datos a partir del último bloque transmitido sin error. En establecimiento de una sesión se pueden diferenciar dos etapas: 1.- El establecimiento de la sesión y creación de un buzón donde se recibirán los mensajes procedentes de la capa de transporte y de la subred. 2.- El intercambio de datos entre los buzones del emisor y el receptor siguiendo unas reglas para el control del dialogo. Entre otros ejemplos la capa de sesión determina si la comunicación será bidireccional o no, simultáneamente, etc El nivel de presentación. Este nivel se ocupa de la sintaxis y semántica de la información que se pretende transmitir. Investiga el contenido informativo de los datos. Por ejemplo, Si el emisor utiliza un código ASCII para la representación de la información alfanumérica y el ordenador utiliza el sistema EBCDIC, no habrá forma de que se entiendan, salvo que la red disponga de algún servicio de conversión y de interpretación de datos, está es una prestación propia de la capa de presentación. Otra función de esta capa puede ser la de comprimir los datos para que la comunicación sea menos costosa o bien la encriptación de la información para garantizar la privacidad de la misma El nivel de aplicación. Se encuentra en la capa superior de la arquitectura OSI y en esta se definen los protocolos que utilizarán las aplicaciones y los procesos de los usuarios. Sant Josep Obrer Unidades Didácticas

14 UNIDAD DIDÁCTICA Nº 3: REDES DE ÁREA LOCAL 3.1. INTRODUCCIÓN GENERAL A LAS REDES DE ÁREA LOCAL Cuando las comunicaciones entre equipos se extienden a una zona geográfica limitada, se exige una elevada velocidad de transmisión de datos y una tasa de error mínimo, entonces es cuando hablamos de redes de área local o LAN (Local Area Network). Una LAN puede incorporar protocolos de múltiples capas, aunque el mayor número de protocolos pertenecerá siempre a las capas inferiores. Es habitual que una LAN tenga funciones y servicios propios de capas superiores de OSI, pero lo propio de las LAN son las capas inferiores. No todas las LAN pueden encaminar paquetes, sin embargo, si que todas ellas serán capaces de entregar tramas de bits (nivel 2) a la capa física (nivel 1) para que sean transmitidas en forma de señales por las líneas de comunicación EL NIVEL FÍSICO Los medios de transmisión tienen unas características y unas limitaciones propias de las propiedades del medio con que son construidas. Alguna de las características de estos medios físicos son el ancho de banda y el ruido que se pueda producir en un canal, el cual adquiere niveles importantes respecto de la señal provocando dificultades en la interpretación de dicha señal EL CAUDAL DE UN CANAL El caudal de un canal representará la máxima capacidad de comunicación de datos de un canal. El caudal de un canal se puede estudiar considerando la posibilidad de que exista "ruido" o sea un canal ideal sin ruido. a) Caudal en un canal sin ruido. Matemáticamente se ha demostrado que la velocidad máxima de los datos en un canal sin ruido está en función del ancho de banda y el número de niveles posibles de la señal, representándolo mediante la fórmula matemática: CapMaxCanal = 2Hlog2V donde H representa el ancho de banda del canal y V el número de niveles posibles para la señal. (Por ejemplo, un bit equivaldría a un impulso binario en donde puede tomar dos niveles posibles, el 0 y el 1). Cabe observar que a mayor ancho de banda, mayor velocidad de transmisión de datos, y que a mayor número de niveles posibles para la señal también un mayor caudal observando que el crecimiento en este caso es logarítmico. Por ejemplo, en un canal sin ruido de 10 kilohercios en el cual pueden transmitirse señales binarias, se podría transmitir a una velocidad máxima de 2*10 4 log 2 2bps. Sin embargo, si las señales tuviesen 8 estados posibles entonces la velocidad máxima del canal sería de 2*10 4 log 2 8 bps que es aprox bps. Por lo tanto, podríamos aumentar el ancho de banda y el mínimo de estados posibles para crear comunicaciones más rápidas, sin embargo sabemos que por las propiedades físicas de los elementos, esto es imposible, aunque también se puede intentar aumentar el número de estados en valores discretos, será el ruido que se pueda provocar en el canal el que nos limite dichas posibilidades. Por ejemplo, en un medio cuya señal máxima sea de 1'6 voltios podríamos construir hasta 8 estados diferentes, cuyos valores serían 0,2; 0,4; 0,6; 0,8; 1,0; 1,2; 1,4; 1,6. Sin embargo si en este canal sabemos que se produce un ruido en el entorno de 0,2 voltios o más, no Sant Josep Obrer Unidades Didácticas

15 seremos capaces de distinguir un nivel de otro con lo cual habrá una pérdida de información. Ejemplo: Caudal máximo: 2 H log 2 V H = ancho de banda 2 KHz V = estados posibles 8 Estados 1'6 Voltios estados RUIDO estados 00 0'2 00 0'4 01 0'4 01 0'8 10 0'6 10 1'2 11 0'8 11 1' ' ' ' ' TOPOLOGÍAS BÁSICAS La topología de una red viene definida por la forma o estructura que toma. Así pues, una red en topología de anillo estará construida por un anillo transportador al que se conectan todos los equipos que pertenecen a la red. Los fabricantes organizan sus productos de acuerdo con unas normas previamente establecidas que son los estándares propuestos por ellos mismos o por asociaciones internacionales. Un estándar muy común en las redes de área local es el propuesto por la IEEE 802.x. Las diferentes topologías de una red son las siguientes: - Topología en estrella: En una red con topología de estrella todos los puestos se conectan a un nodo central a través de líneas de transmisión individuales. Bajo esta topología las comunicaciones no presentan ningún problema, pero tienen el gran inconveniente de que si falla el nodo central de la red, que centraliza todas las comunicaciones entonces no funciona ningún equipo de la red. La figura que la representa es la siguiente: LINEA INDIVIDUAL DE COMUNICACION NODO CENTRAL - Topología en anillo: Una red en anillo conecta todos sus equipos en torno a un anillo físico, el cual tiene la particularidad de que si el anillo sufre una rotura, generalmente se produciría Sant Josep Obrer Unidades Didácticas

16 un fallo general en la red. Un ejemplo concreto de red en anillo es la red TOKENG RING que sigue el estándar IEEE y cuya figura vendría representada de la forma siguiente: - Topología en bus: Los puestos de trabajo de una red en bus se conectan a una línea de transmisión (el bus), que recorre la ubicación física de todos los ordenadores. Es un tipo de red muy sencilla de implementar y de funcionamiento, sin embargo es muy sensible a problemas de tráfico o a roturas que se puedan producir en los cables. Un ejemplo de red con esta topología sería la red ETHERNET sobre un cable coaxial y la figura que la representaría sería la siguiente: FUNCIONES DEL NIVEL FÍSICO El nivel físico define las características mecánicas, eléctricas, funcionales y de procedimiento necesarias para conseguir que las tramas de bits que la capa física recibe del nivel de enlace, puedan ser emitidas por los medios de transmisión adecuados en forma de señales. Así pues, algunas de estas características son las siguientes: a) Los medios de transmisión de señal: cables coaxiales, cables de pares, cables de fibra óptica,... b) Transmisiones analógicas: a través de una línea telefónica utilizando módems estableciendo diferentes sistemas de modulación. c) Transmisiones digitales: a través de redes digitales. d) Transmisiones es serie o paralelo. e) Transmisiones síncronas o asíncronas f) Tipos de conectores que se pueden utilizar (telefónico, RJ45, etc.). Sant Josep Obrer Unidades Didácticas

17 EL NIVEL DE ENLACE La capa de nivel de enlace asegura una conexión libre de errores entre dos ordenadores de la misma red. Fundamentalmente organiza los bits en forma de tramas y los pasa a la capa física para que sean transmitidos al receptor. Las principales funciones de esta capa son: a) Como en muchas redes de área local los canales están compartidos por muchos nodos, cómo se puede saber que el canal está libre?. Y si lo está, cómo sabe un nodo si se puede o no apropiarse de los recursos de la red? b) Puesto que los bits deben ser agrupados en tramas, cómo confeccionarlas?. Además, cómo saber si las tramas recibidas son correctas?. Cada una de estas funciones da origen a una subcapa, la primera función es propia de la subcapa de control de acceso al medio o MAC (Media Access Control), la segunda lo es de la subcapa de control de enlace lógico LLC (Logical Link Control), aunque normalmente toma el nombre de la capa OSI que la incluye: enlace de datos o DLL (Data Link Control) LA SUBCAPA MAC La subcapa de control de acceso al medio es muy importante en las redes de área local, ya que la mayoría de ellas utiliza un canal común-canal de acceso múltiple-como base de sus comunicaciones, a diferencia de las redes de área extendida que suelen utilizar enlaces punto a punto. La principal función de esta subcapa consiste en cómo determinar quién tiene derecho de acceso sobre ese canal compartido por todos los equipos conectados a la misma red. Se establecen cinco posible hipótesis: Modelo de estación: formado por N estaciones independientes. Una vez generada la trama, la estación se bloquea hasta que se haya transmitido con éxito. Hipótesis de un solo canal: en este caso se supone que hay un solo canal que utilizan todas las estaciones, aunque se pueden asignar prioridades a la hora de transmitir Hipótesis de colisión: si dos estaciones transmiten sendas tramas simultáneamente, colisionarán provocando una interferencia. Las tramas tendrán que ser retransmitidas. Tiempo continuo y tiempo ranurado: en el tiempo continuo, la transmisión de la trama puede empezar en cualquier momento. En el tiempo ranurado, el tiempo de la red se divide en intervalos o ranuras y las estaciones emplean las ranuras a las que tienen derecho para transmitir sus tramas. Detección de portadora: la estación puede escuchar en el canal si hay o no señal portadora. Si no la hay, podrá transmitir, aunque no se garantiza que en el instante en que emite la trama siga estando libre. Si la hay tendrá que esperar un tiempo hasta que se desocupe el canal. Las distintas combinaciones de estas hipótesis proporcionan sistemas distintos de establecimiento de las características de transmisión. Una vez elegida una solución concreta, se dice que se ha establecido un sistema de contienda. A continuación vamos a ver algunos ejemplos: EL PROTOCOLO ALOHA Con Aloha cualquier estación que tenga datos que transmitir lo hace inmediatamente y esto puede provocar colisiones con otras estaciones que también iniciaron la transmisión. Cuando se produce una colisión (lo que se escucha no es lo que ella puso), las estaciones esperan un tiempo al azar y vuelven a intentar la transmisión de las tramas que colisionaron. De este modo queda establecido un sencillo sistema de contienda. Sant Josep Obrer Unidades Didácticas

18 EL PROTOCOLO CSMA p-persistente Los protocolos CSMA (carrier sense multiple access) permiten el acceso múltiple a un único canal y averiguan si el canal está libre por detección en él de señal portadora. Los protocolos CSMA llevan asociado un índice de persistencia P, que es un número real comprendido entre 0 y 1 que indica una probabilidad de envío. Cuando una estación desea transmitir se pone a la escucha del canal para determinar si está libre o no. Si el canal está libre, puede efectuar la transmisión. En cambio, si está ocupado, deberá esperar a que se libere lo que detectará automáticamente si permanece a la escucha. Cuando efectivamente se libere, la estación emitirá su trama con probabilidad p. Por ejemplo, si el protocolo fuera 1-persistente, enviará su trama inmediatamente. Cuál es la razón de que algunos CSMA tengan índices de persistencia menores que la unidad?. Fijémonos que si dos estaciones estuvieran esperando la liberación del canal a la vez, con un protocolo 1-persistente, las dos iniciarían su transmisión simultáneamente, puesto que ambas ven el canal libre a la vez, momento en que se produciría la colisión. Si la probabilidad de emisión no es 1 (suceso seguro probabilístico) sino que es menor, entonces la probabilidad de colisión también descenderá, puesto que será más improbable que ambas estaciones comiencen sus emisiones en el mismo momento. También existe un protocolo CSMA no persistente, que consiste en que cuando la estación de un canal escucha el canal y está ocupado, deja de escuchar y lo vuelve a intentar después de un tiempo aleatorio EL PROTOCOLO CSMA /CD La técnica CD (collission detect) del protocolo CSMA implica que las estaciones permanezcan a la escucha mientras transmiten sus tramas. Si reconocen una colisión en el canal, entonces suspenden inmediatamente la transmisión: es inútil seguir enviando tramas sabiendo que no se reconocerán en el destino. Con esto se ahorra tiempo y ancho de banda del canal PROTOCOLOS SIN COLISION Es posible la creación de protocolos carentes de posibilidad de colisión. Imaginemos una red compuesta por cuatro ordenadores, cada uno de ellos está identificado unívocamente por una dirección, aquí supondremos que esta dirección es un número; así el primer ordenador lleva el número 1, el segundo el 2, etc. Para establecer la contienda, la red divide su tiempo de contienda en ranuras, una ranura de tiempo para cada estación conectada a la red, en nuestro caso cuatro. En la red habrá estaciones que necesiten transmitir y otras que no. Cada ranura se identifica con un número equivalente al de una estación. Así, a la estación n se le asocia la ranura n. En la contienda, de duración cuatro ranuras, cada estación puede escribir en el canal durante el tiempo que dura la ranura que tiene asociada un bit <<1>>, indicando así a la red que necesita transmitir, o bien un <<0>>, para indicar que no. Una vez transcurrido el periodo de contienda se habrán rellenado los bits de contienda correspondientes a todas las estaciones de la red. Solo necesitarán recursos de red aquellas estaciones cuyos representantes en las ranuras de contienda estén a <<1>>. Inmediatamente después de la contienda, las estaciones enviarán sus tramas en el mismo orden en que aparecen los <<1>> en las ranuras de contención. Una vez que todas las estaciones que lo solicitaron han efectuado sus transmisiones, se genera un nuevo periodo ranurado de contienda y se vuelve a repetir el proceso. A esta tecnología que proporciona un acceso múltiple sin colisión se le llama método básico del mapa de bits. Sant Josep Obrer Unidades Didácticas

19 4 ranuras de contención 4 ranuras de contención Trama 2 Trama Trama 1 Trama 2 Tiempo de contienda Tiempo de transmisión Tiempo de contienda Tiempo de transmisión LA SUBCAPA SUPERIOR DEL NIVEL DE ENLACE La principal función de esta subcapa es garantizar, en colaboración con la subcapa MAC, la comunicación libre de errores de las tramas construidas con la información recibida del nivel de red SERVICIOS DE LA CAPA DE ENLACE Existen tres tipos de servicios: Servicios sin conexión y sin confirmación. Envía tramas sin esperar confirmación del destino. Si se produce algún error, la responsabilidad de corregirlo estará en las capas superiores. Es un servicio propio de redes con una tasa de error muy baja y con aplicaciones en tiempo real, puesto que la comunicación es muy rápida. Servicio sin conexión y con confirmación. No se establece conexión entre emisor y receptor, pero por cada trama transmitida por el emisor se espera una trama de confirmación procedente del receptor. Si la confirmación no llegara en un tiempo determinado o se confirma que la transmisión fue errónea, se retransmite la trama. Servicio con conexión. Antes de producir el intercambio de tramas, que serán numeradas, se establece una conexión entre emisor y receptor. Tanto en esta capa como en todas las demás, los servicios son invocados a través de primitivas. Sant Josep Obrer Unidades Didácticas

20 CONFECCIÓN DE LAS TRAMAS Las unidades de datos (PDU) de nivel 2 se llaman tramas. La capa de enlace debe proporcionar un flujo de bit a la capa física para que ésta los transmita una vez convertidos en las señales adecuadas al canal de transmisión. Las técnicas de asociación por la que los bits se agrupan formando tramas se llaman técnicas de entramado o framing. La primera función de entramado de la capa DLL es delimitar perfectamente dónde empiezan y acaban las tramas. En segundo lugar, habrá que averiguar si se produjeron errores en la transmisión de los bits. Métodos para delimitar las tramas: Cómputo de caracteres transmitidos según un código de transmisión. Cada trama incorpora un campo inicial en donde se escribe el número de caracteres que componen la trama, es decir, su longitud, permitiéndose, por tanto, tramas de longitud variable. El receptor, al leer la información, lee primero el campo de longitud de trama y así averigua cuantos caracteres vienen detrás. Técnica de inserción de carácter y caracteres delimitadores. Cada trama comienza y termina con un carácter o conjunto de caracteres especiales, normalmente los caracteres ASCII <DLE><STX> para el inicio (dala link escape y start of text) y <DLE><ETX> para el final. Cuando la información contenida en la trama posee algún carácter <DLE>, este se puede confundir con un inicio de trama. Par evitarlo se escribe <DLE><DLE>, es decir se inserta un carácter <DLE>. A esta técnica se le conoce como inserción de carácter o stuffing de carácter. Técnica de inserción de bit y banderas delimitadoras. Las banderas o flags son secuencias de bits a modo de patrones que delimitan las tramas. Una bandera muy común es la secuencia << >>. Con ella se quiere significar que cuando lleguen seis unos seguidos, y solo seis (delimitados ambos por cero), llega el final o el inicio de una trama. Pero que sucederá cuando la información de trama tenga también seis unos seguidos en estas mismas condiciones. El código empleado utiliza una técnica de inserción de bit o bit stuffing, que inserta un <<0>> después del quinto bit a 1 (tanto si después venia un cero como si venia un 1), por ejemplo, si en la parte de datos se tiene que enviar la siguiente información: se enviaría lo siguiente: Si se quisiera enviar la siguiente información, se enviaría: CONTROL DE ERRORES Lo normal en las redes de área local es enviar al emisor alguna información de retroalimentación o feedback en donde se especifique el estado en que llegó la trama. Si un protocolo de comunicaciones tiene prevista la recepción de una trama de confirmación y no llega, podría suspender la emisión de nuevas tramas por tiempo indefinido. Esto sucedería si se produjera, por ejemplo, la ruptura del enlace de la línea de datos si se pierde la confirmación., si el receptor no está en línea, etc. Para estos casos está previsto un sistema de temporizadores. Cuando el emisor envía una trama, dispara un temporizador. Si cuando caduca el temporizador no se ha recibido la confirmación, entonces se entiende que la trama no pudo llegar o llegar mal al destino y se produce la retransmisión. Sant Josep Obrer Unidades Didácticas

21 Si lo que se perdió fue la confirmación, entonces hay posibilidades de que el receptor reciba varias veces la misma trama. Para poder gestionar esta multiplicidad de la misma trama, lo que se hace es numerar las tramas en el emisor. De este modo el receptor las identificará como copias de la misma información y no almacenará información redundante, filtrará las duplicidades y así se harán imperceptibles a las capas superiores CONTROL DE FLUJO El control de flujo es la solución más simple al problema que se genera cuando las velocidades de transmisión o de aceptación de datos del emisor y receptor son diferentes. Normalmente, las técnicas de control de flujo necesitan información de feedback intercambiable entre emisor y receptor. Lo más común es que no se transmitan tramas al receptor hasta que éste no haya dado su permiso para que le sean transmitidas, y, cuando lo hace, expresa cuántas tramas está dispuesto a recibir hasta que se conceda un nuevo permiso GESTIÓN DEL ENLACE DE DATOS En las redes de área local, lo más común es que todas las estaciones sean iguales desde el punto de vista de la funcionalidad en el nivel de enlace, es decir, todos los nodos de la red tienen los mismos derechos de transmisión, estableciéndose la competición en los términos de los sistemas de contienda que se han estudiado anteriormente PROTOCOLOS DE LA CAPA DE ENLACE El número de protocolos de la capa de nivel de enlace es enorme y además crece continuamente. Algunos de los protocolos más conocidos son el HDLC de OSI, y especialmente en las redes de área local los que siguen lo norma IEEE 802 en sus múltiples variedades. Sant Josep Obrer Unidades Didácticas

22 UNIDAD DIDÁCTICA Nº 4: LA FAMILIA DE PROTOCOLOS TCP/IP Debido al gran auge de los protocolos TCP/IP dentro de Internet, estos mismos protocolos se están implantando para utilizar las mismas tecnologías de Intranet dentro de redes de área local formando así las Intranets. El TCP/IP está compuesto pues del protocolo IP (Internet Protocol) y el protocolo TCP (Protocolo de Control de Transmisión). Aunque la pila de protocolos TCP/IP no es una arquitectura de red tipo OSI, si se pueden asociar como que IP pertenecería a un nivel de red y TCP a un nivel de transporte. Aplicación Presentación Sesión Transporte Red Enlace Físico Aplicación TCP IP Interface de red 4.1. IP PROTOCOLO Es el protocolo de nivel de red utilizado inicialmente por Aparnet, que era el sistema de comunicaciones que tradicionalmente han utilizado los sistemas UNIX. IP es un protocolo sin conexión, por tanto, por si mismo carece de seguridad en la entrega de paquetes. En una comunicación que utiliza IP para transferir paquetes será necesaria una seguridad, la cual deberá ser proporcionada por otro protocolo de capa superior (TCP). La idea inicial del diseño para IP fue la confección de un protocolo capaz de conducir paquetes a través de distintas redes interconectadas, por tanto, es un protocolo especialmente preparado para que sus paquetes sean encaminados (utilizando rutters) entre las distintas subredes que componen una red global. Tal es la transferencia de datos a través de Internet. El protocolo IP acepta bloques de datos procedentes de la capa de transporte de hasta 64 kb. Cada bloque debe ser transferido a través de la red. Para ello la capa de red debe fraccionar los datagramas en un conjunto de paquetes IP que tendrán que ser ensamblados en el destino para que el mensaje sea reconstruido. Al ser IP un protocolo sin conexión, cada paquete puede seguir una ruta distinta a través de Intranet, el protocolo de la capa superior TCP se deberá encargar de la reconstrucción del control de errores. Un paquete IP constará de una cabecera y un campo de datos. La cabecera tiene una longitud variable y se compone de una parte fija de 20 bytes y un resto variable, lo que convierte a IP en un protocolo multiflexible. Algunos de los campos que componen una cabecera de IP son: - Versión: hace una codificación de la versión de IP. - IHL: representa la longitud de la cabecera. - Tipo de servicio: define el tipo de servicio que se requiere para la transmisión del paquete. - Longitud Total: Contiene la longitud total del datagrama (cabecera+datos), sabiendo que la longitud máxima es de 64 KB. Sant Josep Obrer Unidades Didácticas

23 - Tiempo de vida: Contador que determina la vida que le queda a cada paquete en su existencia en la red. - Protocolo: Indica el protocolo de transporte que ha generado el datagrama TCP u otros. - Dirección fuente: Codificación de la dirección original del HOST que origina el paquete. - Destino: Dirección del HOST destinatario EL SISTEMA DE DIRECCIONAMIENTO IP Como IP es un protocolo pensado para interconexión de subredes, cada dirección IP codifica una red, y un HOST dentro de la misma. Atendiendo a los primeros bits de cada dirección se puede averiguar el tipo de subred de que se trata (en cuanto a su volumen). Los bits restantes codifican el HOST que se trata dentro de la subred. Existen tres tipos de subredes: - Redes de clase A: el primer bit de los 32 que tiene cada dirección es un 0. Los siete siguientes codifican la subred y los 24 restantes la identificación del HOST dentro de esa subred. Los valores posibles dentro de la subred varían entre 1 y 126 que coinciden con el primer byte de la dirección, es decir, hay 126 subredes posibles de tipo A y cada una puede contener HOSTS distintos. Por lo tanto se suele utilizar para subredes grandes. - Redes de clase B: los primeros bits de la dirección son 10. Los 14 siguientes modifican la subred, desde 128 a 191. Para el primer byte de la dirección son posibles subredes de tipo B. Cada una de estas subredes puede contener HOSTS distintos, que son los codificados por Redes de clase C: los tres primeros bits tienen el valor 110. Los 21 siguientes codifican la subred y los 8 restantes el HOST dentro de la subred. El primer byte de la dirección de una subred de clase C tiene un valor entre 192 y 223. Es posible codificar subredes y 254 HOSTS distintos dentro de cada subred. Cuando un campo de otra dirección IP empieza por la secuencia 1110 se entiende que los 28 bits restantes codifican una dirección de multidifusión, es decir, una dirección especial en la que no hay un único destinatario. Las direcciones que empiezan por 1111 se reservan para protocolos especiales como los de administración de grupos de Internet. También el valor 127 para el primer byte queda reservado para pruebas de comunicación en una misma máquina MÁSCARA DE UNA SUBRED Una máscara de una subred es una secuencia de 32 bits que sirve para distinguir con facilidad que parte de una dirección IP codifica la subred y que parte el HOST. Este elemento se construye poniendo a 1 los bits que pertenecen a la subred y a 0 a los que pertenecen al HOST. Este modo de asignación permite los distintos tipos de subred. Una red de clase A vendría determinada por la máscara 8(1) 8(0) 8(0) 8(0). Una subred de tipo B tendría una máscara 8(1) 8(1) 8(0) 8(0) es decir La subred de tipo C tendría una máscara 8(1) 8(1) 8(1) 8(0) es decir Sant Josep Obrer Unidades Didácticas