UNIVERSIDAD DE COLIMA

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1 UNIVERSIDAD DE COLIMA FACULTAD DE TELEMÁTICA ANÁLISIS DE TEGNOLOGÍAS EN REDES CONMUTADAS TESIS EN OPCION AL GRADO DE MAESTRO EN CIENCIAS, AREA TELEMÁTICA POR ING. EDGAR GENEROSO OBON TOSCANO ASESOR M.C. RAÚL AQUINO SANTOS COLIMA, COLIMA MAYO DE 1999

2 UNIVERSIDAD DE COLIMA FACULTAD DE TELEMÁTICA ANÁLISIS DE TEGNOLOGÍAS EN REDES CONMUTADAS TESIS EN OPCION AL GRADO DE MAESTRO EN CIENCIAS, AREA TELEMÁTICA POR ING. EDGAR GENEROSO OBON TOSCANO ASESOR M.C. RAÚL AQUINO SANTOS COLIMA, COLIMA MAYO DE 1999

3 A mi esposa Amalia, por todo al amor y apoyo brindado durante mis 2 años de estudio de la maestría.

4 A mis padres, Velia y Jr., por el apoyo y esfuerzo incondicional que siempre me han brindado. A mis amigos y compañeros: Arturo, Maggy, Omar, Rafa y Toño por el apoyo y ayuda que me brindaron. A los maestros: Raúl, Roman, Jhonny y Beto por las virtudes y conocimientos que compartieron

5 conmigo durante los cursos de la maestría.

6 ÍNDICE 1. INTRODUCCIÓN 1.1. Antecedentes OSI define los siguientes conceptos El modelo OSI y la comunicación entre sistemas Interacción entre las capas del modelo OSI Capa física Capa enlace Capa red Capa transporte Capa sesión Capa presentación Capa aplicación FUNDAMENTOS BÁSICOS DE INTERCONECTIVIDAD DE REDES 2.1. Definición de una Red de Area Local (LAN) Definición de una Red de Area Extensa (WAN) Líneas Dedicadas y líneas Conmutadas Servicios de Conmutación de Circuitos Servicios de Conmutación de Paquetes Líneas Analógicas Líneas Digitales Formato de Información Servicios de Red Orientados y No Orientados a la conexión Direccionamiento en Interredes Capa de Enlace de Datos 24

7 2.10. Direcciones MAC Direcciones de la capa de Red Asignación de direcciones FUNDAMENTOS DE TECNOLOGÍAS DE REDES DE AREA EXTENSA (WAN) 3.1. Enlaces Punto a Punto Conmutación de Circuitos Conmutación de Paquetes Circuitos Virtuales Servicios de Marcado de WAN Dispositivos de WAN Puentes y Switches Tipos de Puentes Tipos de Switches Sistemas PDH Antecedentes Definición Forma de Operación SONET/SDH 4.1. Definición SONET y SDH según el Modelo de Referencia OSI Antecedentes Encabezado de SDH Términos y Definiciones Forma de Operación Estructura Básica de Marcos SONET y SDH Formato del Marco de SDH Formato del Marco SONET Encabezado de Sección 53

8 Descripción de los Bytes del Encabezado de Sección Punteros Rellenamiento Negativo Rellenamiento Positivo Descripción de los Bytes del Encabezado de Ruta Elementos de Redes SDH Multiplexor de Inserción / Omisión Crosconexión Digital de Banda Amplia Crosconexión Digital de Banda Ancha Concentrador (Hub) Arquitectura de Redes SDH Punto a Punto Punto a Multipunto Anillo Arquitectura de Protección SONET / SDH Protección de Acceso 1: Protección de Acceso 1:N FRAME RELAY 5.1. Definición de Frame Relay Estandarización de Frame Relay Antecedentes Dispositivos de Frame Relay Multiplexión estadística y ancho de banda bajo demanda Formato de Trama Circuitos Virtuales Frame Relay Circuitos Virtuales Conmutados Circuitos Virtuales Permanentes Identificador de Conexión del Enlace de Datos Mecanismos de Control de la Saturación Bit DE 80

9 5.11. Extensiones LMI MODO DE TRANSFERENCIA ASÍNCRONA (ATM) 6.1. Antecedentes ISDN: Redes Digitales de Servicios Integrados de Banda Ancha Formato de Operación Control de Errores Aspectos Generales ATM según el Modelo de Referencia OSI Capa AAL Capa AAL Capa AAL Capa AAL3/ Capa AAL Capa AAL Capa AAL Estructura de las Celdas: Capa ATM Calidad de Servicio ATM Capa Física: Interfaz de Conexión UNI y NNI Señalización y Establecimiento de conexiones ATM Elementos de ATM Emulación de LANs Arquitectura de pro tocolos LANE Componentes de LANE Tipos de Conexión de la Emulación de LAN GIGABIT ETHERNET 7.1. Antecedentes Gigabit Ethernet según el Modelo de Referencia OSI Control Lógico de Enlace (LLC) Control de Acceso al Medio (MAC) 122

10 Subcapa de Reconciliación e Interface Independiente de Medio Gigabit Capa Física (PHY) Subcapa de Codificación Física (PCS) Subcapa de Unión al Medio Físico Subcapa Dependiente del Medio Físico Tipos y Características de Medios Físicos Migración hacia Gigabit Ethernet CONCLUSIONES 8.1. SDH/SONET Frame Relay ATM- Modo de Transferencia Asíncrono Gigabit Ethernet 133 ÍNDICE DE TABLAS 137 ÍNDICE DE FIGURAS 138 BIBLIOGRAFÍA 142

11 ÍNDICE DE TABLAS 9. INTRODUCCIÓN Tabla 1.1 Capas del Modelo OSI y sus características 3 3. FUNDAMENTOS DE TECNOLOGÍAS DE REDES DE AREA EXTENSA (WAN) Tabla 3.1 Comparación de Nivel Jerárquico entre E.U. y Europa SONET/SDH Tabla 4.1 Tasa de Transmisión de Línea y equivalencias entre SONET y SDH MODO DE TRANSFERENCIA ASÍNCRONA (ATM) Tabla 6.1 Estándares y RFC relacionados con ATM 89 Tabla 6.2 Resumen de Características de las Capas AAL 94 Tabla 6.3 Significados de los posibles valores PTI GIGABIT ETHERNET Tabla 7.1 Características de Operación de Gigabit Ethernet en medios Físicos CONCLUSIONES Tabla 8.1 Tabla de Resumen 134

12 ÍNDICE DE FIGURAS 10. INTRODUCCIÓN Figura 1.1 Modelo de Referencia OSI 4 Figura 1.2 División del Modelo OSI 5 Figura 1.3 Las capas del Modelo OSI se comunican con otras capas 6 Figura 1.4 Relación entre las capas del Modelo OSI 8 Figura 1.5 Los encabezados y los datos se encapsulan durante el intercambio de información 9 Figura 1.6 La capa de enlace de datos contiene dos subcapas FUNDAMENTOS BÁSICOS DE INTERCONECTIVIDAD DE REDES Figura 2.1 Redes de área extensa (WAN) 17 Figura 2.2 Servicio de línea dedicada 18 Figura 2.3 Servicio de línea conmutada 18 Figura 2.4 Red de conmutación de circuitos 19 Figura 2.5 Red de conmutación de paquetes 20 Figura 2.6 Los datos de las capas superiores conforman la trama de la capa de enlace de datos 21 Figura 2.7 Tres componentes básicos conforman un paquete de la capa de red 22 Figura 2.8 Dos componentes conforman una celda 22 Figura 2.9 Cada interfase en un dispositivo se identifica únicamente por una dirección de la capa de enlace de datos 24 Figura 2.10 Las direcciones MAC, las direcciones a nivel enlace de datos y las subcapas de IEEE de la capa de enlace de datos, están relacionados entre sí 25

13 Figura 2.11 Las direcciones MAC contienen un formato único de dígitos hexadecimales FUNDAMENTOS DE TECNOLOGÍAS DE REDES DE AREA EXTENSA (WAN) Figura 3.1 Un enlace común punto a punto funciona a través de una WAN hacia una red remota 29 Figura 3.2 Una WAN de conmutación de circuitos experimenta un proceso similar al de una llamada telefónica 30 Figura 3.3 Dos ruteadores ubicados en los extremos remotos de una WAN se pueden conectar por medio de switches WAN 32 Figura 3.4 Un servidor de acceso concentra conexiones de marcación hacia fuera de una WAN 33 Figura 3.5 Una conexión por módem maneja señales analógicas y digitales a través de una WAN 33 Figura3.6 La unidad CSU/DSU se coloca entre el switch y la terminal 34 Figura 3.7 El adaptador de terminal conecta el ISDN con otras interfaces SONET/SDH Figura 4.1 SDH / SONET según el Modelo de Referencia OSI 44 Figura 4.2 Secciones en las que se divide un enlace SDH / SONET 46 Figura 4.3 Multiplexión de SONET 50 Figura 4.4 Construcción de un marco STM-1 51 Figura 4.5 Construcción de un marco STS-1 52 Figura 4.6 Subdivisiones de la Sección del Encabezado 53 Figura 4.7 Ubicación de los punteros en la Sección del Encabezado 56 Figura 4.8 Ubicación del Encabezado de Ruta dentro de la carga de Información 58 Figura 4.9 Diagrama de Bloques de un Multiplexor de Insersión/Omisión 60

14 Figura 4.10 Diagrama de Sistema de Crosconexión 62 Figura 4.11 Diagrama de Bloques de un Concentrador 62 Figura 4.12 Diagrama de enlace Punto a Punto 63 Figura 4.13 Diagrama de enlace Punto a Multipunto 63 Figura 4.14 Diagrama de Anillo 64 Figura 4.15 Representación de enlaces con líneas de protección 1:1 65 Figura 4.16 Representación de enlaces con líneas de protección 1:N FRAME RELAY Figura 5.1 Ubicación de Frame Relay en el Modelo de Referencia OSI 69 Figura 5.2 Los DCE residen en las WAN, cuya operación está a cargo de una compañía de larga distancia 71 Figura 5.3 Multiplexación Estadística 73 Figura 5.4 Representación del Paquete Frame Relay 74 Figura 5.5 Formato de Trama 75 Figura 5.6 Campo Dirección Tipo 1 75 Figura 5.7 Campo Dirección Tipo 2 76 Figura 5.8 Campo Dirección Tipo MODO DE TRANSFERENCIA ASÍNCRONA (ATM) Figura 6.1 Aplicación de ATM 83 Figura 6.2 Celda ATM 85 Figura 6.3 Comparación de tecnología TDM Vs ATM 86 Figura 6.4 ATM según el Modelo de Referencia OSI 90 Figura 6.5 Formación de una celda en ATM según la capa AAL1 96 Figura 6.6 Formación de celdas ATM según la capa AAL3/4 99 Figura 6.7 Formación de celdas ATM según la capa AAL5 102 Figura 6.8 Representación de las Celdas UNI y NNI 103

15 Figura 6.9 Establecimiento de conexión a través de un paso 111 Figura 6.10 Emulación de una LAN física a través de una Red ATMTIR 113 Figura 6.11 La arquitectura de protocolos LANE se puede implementar en los dispositivos de la red ATM GIGABIT ETHERNET Figura 7.1 Elementos funcionales de Gigabit Ethernet 119 Figura 7.2 Formato del Marco de Ethernet 120 Figura 7.3 Representación de Gigabit Ethernet según el Modelo de Referencia OSI 121 Figura 7.4 Actualización de los enlaces switch a switch 125 Figura 7.5 Actualización de los enlaces Switch a Servidor 126 Figura 7.6 Actualización de un Dorsal (Backbone) Fast Ethernet 128 Figura 7.7 Actualización de un troncal de FDDI compartida 129 Figura 7.8 Actualización de computadoras de escritorio de alto desempeño CONCLUSIONES Figura 8.1 Representación de Resumen 135

16 SÍNTESIS La intención de este trabajo es adquirir conocimientos más profundos para el análisis y comparación de las tecnologías emergentes en redes más prometedoras. Este trabajo esta dividido en 8 capítulos los cuales se pueden agrupar en tres bloques. El primer bloque lo conforman los tres primeros capítulos los cuales nos dan una base de conocimientos para el entendimiento de los conceptos principales en el área de redes. El segundo bloque que son los cuatro capítulos siguientes, nos informan sobre las características principales de las cuatro tecnologías de redes que se presentan en este trabajo:? SDH / SONET: Tecnología en redes de transporte que se utiliza principalmente como infraestructura de compañías prestadoras de servicios de telefonía, videoenlaces e interconexión de redes.? Frame Relay: tecnología de conmutación de paquetes de longitud variable que puede trabajar hasta 45 Mbps. Esta tecnología utiliza técnicas de multiplexaje estadístico el cual controla el acceso a la red.? ATM: estándar de la ITU-T (Unión Internacional de Telecomunicaciones, Sector de Estándares en Telecomunicaciones); para la conmutación de celdas, en donde la información de múltiples servicios es enviada a través de pequeños paquetes de longitud fija, llamadas células.? Gigabit Ethernet: tecnología enfocada en un principio para aliviar la congestión en el trafico de datos entre dispositivos de redes locales de datos. Por último se presenta el capítulo de Conclusiones.

17 ABSTRACT The purpose of this work is to acquire deeper knowledge for the analysis and comparison of the emergent technologies in more promising networks. This work is divided in 8 chapters which can be grouped on three blocks. The first block is composed by the first three chapters which give basic knowledge for the understanding of the main concepts in the networks areas. The second block that is the four following chapters give us information on the basic characteristics of the four technologies of networks that appear in this work:? SDH / SONET: Technology that transport information in a network that is mainly used like infrastructure of lending companies of services of telephony, videolinks and interconnection of networks:? Frame Relay: technology of commutation packages of variable length that can work up to 45 Mbps. This technology uses techniques of statistical multiplexaje that controls the access to the network.? ATM: standard of the ITU-T (International Telecommunications Unio n, Section of Standards in Telecommunications); for the commutation of cells, where the information of multiple services is sent through small packages of fixed length, that are called cells.? Ethernet Gigabit: technology focused to help the congestión in deal of data between devices of local networks. Finally, it is showed the conclusion chapter.

18 CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN El área de redes y telecomunicaciones es una de las de mayor crecimiento y desarrollo, tanto en investigación como en productos comerciales, lo que hace difícil mantener un curso estructurado sin grandes cambios en contenido. Esto lleva como consecuencia que el manejo y traslado de información entre computadoras de diversos tipos sea una tarea compleja. Ante este problema de interconexión de computadoras, la ISO (International Organization for Standarization) creó en 1977 un marco de referencia para el desarrollo de estándares universales. El sistema que lo usara, sería un sistema abierto y por tanto interconectable, modelo OSI (Open Systems Interconnection), norma ISO Antecedentes El modelo de referencia OSI, describe cómo se transfiere la información desde una aplicación de software en una computadora a través del medio de transmisión hasta una aplicación de software en otra computadora. OSI, es un modelo conceptual compuesto de 7 capas. En la primavera de 1983, el modelo básico para OSI (ISO 7498) se transformó en un estándar internacional y comenzó la tarea de definir estándares para cada una de sus capas, y que los nuevos estándares se desarrollaran bajo el concepto del modelo. Actualmente se considera el modelo principal de arquitectura para la comunicación entre computadoras.

19 La tarea de este estándar es dividir el problema de la interconexión en partes pequeñas que se llaman capas o niveles. De ésta forma se podrá desarrollar procedimientos estandarizados para cada tarea. Cada capa es razonablemente individual, por lo que las tareas asignadas a cada capa se pueden implementar de manera independiente, Esto permite que las soluciones ofrecidas por una capa se puedan actualizar sin afectar a las demás. De ésta forma se formaron siete capas o niveles, pero cuándo o cómo se crearon cada una de las capas?. Según el Modelo de Referencia OSI, los conceptos seguidos fueron los siguientes:? Una capa se creará en situaciones donde se necesita un nivel diferente de abstracción.? Cada capa deberá efectuar una función bien definida.? La función que realizará cada capa deberá seleccionarse tomando en cuenta la minimización del flujo de información a través de las interfaces.? El número de capas deberá ser lo suficientemente grande para que funciones diferentes no tengan que ponerse juntas en la misma capa, pero también deberá ser lo suficientemente pequeño para que su arquitectura no sea difícil de manejar.

20 1.1.1 Conceptos que OSI define Servicio: Conjunto de operaciones que un nivel provee al nivel superior. El servicio define que operaciones puede ejecutar el nivel, pero no dice cómo se implementan. Protocolo: Conjunto de reglas que gobiernan el formato y significado de las Unidades de Datos del Protocolo (PDU), ya sean frames (marcos), paquetes, mensajes o datagramas, que son intercambiados por las entidades de una capa. Las entidades utilizan protocolos para implementar la definición de sus servicios. N o de Capa Nombre de la Capa Características 7 Aplicación 6 Presentación 5 Sesión 4 Transporte 3 Red 2 Enlace Encontramos la semántica de la información, de cómo nos viene representada la información Realiza los trabajos de compresión y cifrado de la información, intentando estandarizar la representación (ASCII y otros) Esta capa cubre desde el "login" inicio de una sesión de trabajo hasta el "logout". Es una de las capas menos importantes pero realizará funciones de sincronización entre otras que no puedan hacer las capas inferiores. A través de los encabezamientos de la trama y su información, nos asegura una comunicación fiable de extremo a extremo. Tiene funciones de control y direccionamiento. Asegura una comunicación de tramas o de conjunt os de bits. De alguna manera encapsula los bits recibidos marcando un inicio y un final. Esta capa está subdividida en dos subcapas (LLC y MAC)

21 1 Físico Buscamos la normalización total de toda la maquina; conectores, pines, cableado, estructura, etc Aplicación Presentación Sesión Transporte Red Enlace de datos Física Tabla 1.1 Capas del Modelo OSI y sus características Figura 1.1 Modelo de Referencia OSI Las siete capas del modelo de referencia OSI se pueden dividir en dos categorías: Capas Superiores y Capas inferiores. Las Capas Superiores del modelo OSI tiene que ver con la aplicación y en general están implementadas sólo en software. La capa superior, la de aplicación, es la más cercana al usuario final. Tanto los usuarios como los procesos de la capa de aplicación interactúan con aplicaciones de software que contienen un componente de comunicación. El término de capa superior se usa a veces para referirse a cualquier capa que este sobre otra capa en el modelo OSI. Las Capas Inferiores del modelo OSI manejan lo concerniente a la transferencia de datos. Las capas física y de enlace de datos se encuentran implementadas hardware y software. En general las otras capas inferiores están implementadas únicamente en software. La capa inferior, la física, que es la más cercana al medio de transmisión de la red física, es la responsable de colocar la información en el medio de transmisión.

22 Aplicación Aplicación (Capas superiores) Presentación Sesión Transporte Transporte de datos (Capas inferiores) Red Enlace de datos Física Figura 1.2 División del Modelo OSI 1.2 El modelo OSI y la comunicación entre sistemas La información que se transfiere de una aplicación en software en un sistemas de computadoras a una aplicación en software en otra computadora, debe pasar a través de cada una de las capas del modelo OSI. Si, por ejemplo, una aplicación en software en un sistema A tiene información para transmitir a una aplicación en software en el sistema B, el programa de aplicación en el sistema A transferirá su información a la capa de aplicación (Capa 7) del sistema A. Ésta, entonces, transferirá la información a la capa de presentación (Capa 6), la cual transferirá la información a la capa de sesión (Capa 5), y así sucesivamente hasta la capa Física (Capa 1). En ésta última, la información se coloca en el medio de transmisión de la red física y se envía al sistema B. Posteriormente la capa Física del sistema B quita la información del medio físico y, posteriormente, su capa física transfiere la información hasta la capa de Enlace de Datos (Capa 2), que la transfiere hacia la capa de Red (Capa 3), y así sucesivamente hasta que la información llega a la capa de Aplicación (Capa 7) del sistema B. Finalmente ésta última capa transfiere la información al programa de aplicación receptor para completar el proceso de comunicación Interacción entre las capas del modelo OSI

23 Por lo general una capa determinada del modelo OSI se comunica con otras tres capas OSI: la capa ubicada directamente sobre ella, la capa ubicada directamente debajo de ella y su capa equivalente en el otro sistema de computadoras en red. Por ejemplo, la capa de Enlace de Datos del Sistema A se comunica con la capa de Red y con la capa Física del Sistema A y, además, con la capa de enlace de datos en el Sistema B. Aplicación Aplicación Presentación Presentación A Sesión Transporte Sesión Transporte B Red Red Enlace de datos Enlace de datos Física Física Figura 1.3 Las capas del Modelo OSI se comunican con otras capas Para ilustrar las funciones de las capas OSI, se puede hacer una analogía entre los procesos que se desarrollan en una red y una llamada telefónica: 1. Un medio físico (la línea telefónica) enlaza los dos equipos de comunicaciones, y la capa 1 (Física) asegura que las señales vocales sean transformadas en señales eléctricas adecuadas para ser transmitidas en un extremo de la línea y que las señales recibidas se conviertan de nuevo en señales audibles en el otro extremo de la línea. La capa 1 define el tipo de conector que deben de tener los aparatos telefónicos, el propósito de cada pin del conector y los niveles de señal en el interfaz del sistema telefónico. 2. La capa 2 (Enlace) garantiza que siempre que una palabra no sea claramente recibida, se indicará esta situación al emisor para que la retransmita. La clave de este proceso se acordará de antemano. Si el sistema permite conversaciones de más de 2 usuarios, la capa 2 definirá el proceso para controlar quien habla.

24 3. La capa 3 (Red) establece la llamada proporcionando un mecanismo para conectarse con el número de la persona con la que desea comunicar el que llama. Al oír el timbre se descuelga el teléfono y comienza la comunicación. 4. Cuando la llamada se ha establecido, la capa 4 (Transporte) se emplea para asegurar que los mensajes solicitados se envían sin pérdidas. Si la calidad de la línea se degrada, ambas partes pueden acordar interrumpir la llamada colgando y una de ellas volverá a llamar para establecer de nuevo la comunicación. 5. En la capa 5 (Sesión) se proporcionan protocolos que permiten al que llama establecer una sesión con otra persona de la oficina a la que se llama, preguntando por esa persona e identificándose. Se establece un flujo de control entre ambas personas que están hablando entre sí. 6. En la capa 6 (Presentación) se resuelven los problemas del lenguaje. Si ambas partes no hablan la misma lengua, pero ambas conocen el esperanto, se puede especificar que la conversación se desarrolle en esperanto. Si el asunto es confidencial, se puede acordar el empleo de cables para identificar algunos términos. 7. La capa 7 (Aplicación) depende de la forma en que las dos personas que se comunican deseen intercambiarse el mensaje. 8. Ahora veamos la comunicación entre dos sistemas objetivamente. Tenemos dos sistemas, Sistema A y Sistema B los cuales tienen información que intercambiar.

25 SISTEMA A SISTEMA B RED Medio Físico Figura 1.4 Relación entre las capas del Modelo OSI Como habíamos visto, la aplicación en software del Sistema A se comunica con la capa 7 del Sistema A, ésta capa se comunica con la 6 y así hasta que encuentra la Capa 1. Esta capa se encarga de colocar la información en el medio físico de la red. Al llegar la información a la capa 1 del Sistema B, esta pasa la información a la capa 2, ésta a la 3 y así hasta que llega a la capa 7 en donde se comunica con la aplicación en software de este Sistema. El objetivo dentro de esta comunicación es que cada capa de un sistema se comunique con su capa homóloga en el otro sistema, Sistema A con Sistema B y viceversa. Esto es necesario ya que cada capa tiene una tarea que debe realizar y el resultado de esta tarea la debe comunicar a su homóloga en el otro sistema. Esta comunicación se realiza añadiendo una Información de Control, esta información se llama Encabezado.

26 SISTEMA A SISTEMA B 7 6 Unidades de Información Encab Informa. 3 2 Encab Medio Físico Información 2 1 Encab Información 1 RED Figura 1.5 Los encabezados y los datos se encapsulan durante el intercambio de información Capa física La Capa Física se ocupa de la transmisión de bits a lo largo de una canal de comunicación. Su Diseño debe asegurar que cuando un extremo envía un bit con un valor de 1, éste se reciba exactamente como un bit con ese valor en el otro extremo, y no como un bit de valor de 0. Los problemas de diseño a considerar aquí son los aspectos mecánico, eléctrico, de procedimiento de interfase y el medio de transmisión física que se encuentra bajo la capa física. Resumiendo las funciones principales son las siguientes:? Transmisión de flujo de bits a través del medio. No existe estructura alguna.? Maneja voltajes y pulsos eléctricos.

27 Especifica cables, conectores y componentes de interfaz con el medio de transmisión.? Aspectos mecánicos y eléctricos de la interfase de red Capa enlace La tarea primordial de la Capa de Enlace consiste en, a partir de un medio de transmisión común y corriente, transformarlo en una línea sin errores de transmisión para la capa de red (transito confiable de datos a través del enlace de red). Esta tarea la realiza al hacer que el emisor troce la entrada de datos en tramas de datos (formada por octetos) y las transmita en forma secuencial y procese las tramas de asentamiento, devueltas al receptor. Recae sobre la Capa de Enlace la reacción o reconocimiento de los límites de la trama. Esto puede llevarse a cabo mediante la inclusión de un patrón de bit especial al inicio y al fin de la trama. Corresponde a esta capa resolver los problemas causados por daño, pérdida o duplicidad de tramas. Resumiendo, las funciones principales son las siguientes:? Estructura el flujo de bits bajo un formato predefinido llamado trama.? Para formar una trama, el nivel de enlace agrega una secuencia especial de bits al principio y al final del flujo inicial de bits.? Transfiere tramas de una forma confiable libre de errores (utiliza reconocimientos y retransmisión de tramas).? Provee control de flujo. El Instituto de Ingenieros en Electrónica y Electricidad (IEEE) ha subdividido la capa de Enlace de Datos en dos subcapas: LLC (Control de Enlace Lógico) y MAC (Control de Acceso a Medios).

28 Subcapa LLC Capa de enlace de datos Subcapa MAC Figura 1.6 La capa de enlace de datos contiene dos subcapas. La subcapa LLC de la capa de Enlace de Datos administra las comunicaciones entre los dispositivos unidos por un enlace individual de red. La subcapa LLC está definida en la especificación IEEE y soporta los servicios orientados y no orientados de conexión, utilizados por los protocolos de las capas superiores. El IEEE define varios campos en las tramas de la capa de Enlace de Datos que permiten que varios protocolo s de las capas superiores compartan un solo enlace físico de datos. La subcapa MAC de la capa de Enlace de Datos administra el protocolo de acceso al medio de transmisión físico de la red. La especificación IEEE MAC define las direcciones MAC, las cuales permiten a múltiples dispositivos identificarse de manera única entre sí en la capa de Enlace de Datos Capa red La capa de red se ocupa del control de la operación de la subred. Un punto de suma importancia en su diseño, es la determinación sobre cómo enrutar los paquetes de origen al destino. Si en un momento dado hay demasiados paquetes presentes en la subred, ellos mismos se obstruirían mutuamente y darían lugar a un cuello de botella. El control de tal congestión dependerá también de la Capa de Red. Resumiendo, las funciones principales son las siguientes:? Divide los mensajes de la capa de transporte en paquetes y los ensambla al final.? Utiliza el nivel de enlace para el envío de paquetes: un paquete es encapsulado en una trama.

29 ? Enrutamiento de paquetes.? Envía los paquetes de nodo a nodo usando ya sea un circuito virtual o como datagramas.? Control de congestión Capa transporte La función principal de la capa de transporte consiste en aceptar los datos de la capa de sesión, dividirlos, siempre que sea necesario, en unidades más pequeñas, pasarlos a la capa de red y asegurar que todos ellos lleguen correctamente al otro extremo. Bajo condiciones normales, la capa de transporte crea una conexión de red distinta para cada conexión de transporte solicitada para cada sección. Si la conexión de transporte necesita un gran caudal, ésta podría crear múltiples conexiones de red, dividiendo los datos entre las conexiones de la red con el objeto de mejorar dicho caudal. Resumiendo, las funciones principales son las siguientes:? Establece conexiones punto a punto sin errores para el envío de mensajes.? Permite multiplexar una conexión punto a punto entre diferentes procesos del usuario (puntos extremos de una conexión).? Provee la función de difusión de mensajes (broadcast) a múltiples destinos.? Control de flujo Capa sesión La Capa de Sesión permite que los usuarios de diferentes máquinas puedan establecer sesiones entre ellos. A través de una sesión se puede llevar a cabo un transporte de datos ordinario, tal y como lo hace la capa de transporte, pero mejorando los servicios que ésta proporciona y que se utilizan en algunas aplicaciones. Una Sesión podría permitir al usuario acceder a un sistema de tiempo compartido a distancia, o transferir un archivo entre dos máquinas.

30 Uno de los servicios de la Capa de Sesión consiste el gestionar el control de diálogo. Las sesiones permiten que el tráfico vaya en ambas direcciones al mismo tiempo, o bien, en una sola dirección en un instante dado, la capa de sesión ayudará en el seguimiento de quien tiene el turno. Para caso de algunos protocolos que tienen un "Testigo" o "Estafeta", esta capa se encarga de la administración del mismo. Es sumamente importante que en dos lados de una red no traten de realizar la misma operación en el mismo instante. Otro servicio de la capa de sesión es la sincronización. Resumiendo, las funciones principales son las siguientes:? Permite a usuarios en diferentes máquinas establecer una sesión.? Una sesión puede ser usada para efectuar un login a un sistema de tiempo compartido remoto, para transferir un archivo entre dos máquinas, etc.? Controla el diálogo (quién habla, cuándo, cuánto tiempo, half duplex o full duplex).? Función de sincronización Capa presentación La Capa de Presentación realiza ciertas funciones que se necesitan, bastante a menudo, para buscar una solución general para ellas, más que dejar que cada uno de los usuarios resuelva los problemas. En particular y, a diferencia de las capas inferiores, que únicamente están interesadas en el movimiento fiable de bits de un lugar a otro, la capa de presentación se ocupa de los aspectos de sintaxis y semántica de la información que se transmite. La Capa de Presentación está relacionada también con otros aspectos de representación de la información. Por ejemplo, la compresión de datos se puede utilizar aquí para reducir el numero de bits que tienen que transmitirse, y el concepto de criptografía se necesita utilizar frecuentemente por razones de privacidad y de autenticación. Resumiendo, las funciones principales son las siguientes:

31 ? Establece una sintaxis y semántica de la información transmitida.? Se define la estructura de los datos a transmitir (v.g. define los campos de un registro: nombre, dirección, teléfono, etc.)? Define el código a usar para representar una cadena de caracteres (ASCII, EBCDIC, etc.)? Compresión de datos.? Criptografía Capa aplicación La Capa de Aplicación contiene una variedad de protocolos que se necesitan frecuentemente. Otra función de la Capa de Aplicación es la transferencia de archivos. Distintos sistemas de archivo tienen diferentes convenciones para denominar un archivo, así como diferentes formas para representar las líneas de texto, etc. Este trabajo así como el correo electrónico, la entrada de trabajo a distancia, el servicio de directorio y otros servicios de propósito general y específico, también corresponden a la capa de aplicación. Resumiendo, las funciones principales son las siguientes:? Transferencia de archivos (ftp).? Login remoto (rlogin, telnet).? Correo electrónico (mail).? Acceso a bases de datos, etc.

32 CAPÍTULO 2 FUNDAMENTOS BÁSICOS DE INTERCONECTIVIDAD DE REDES 2.1 Definición de una Red de Area Local (LAN) Una LAN es una red de datos de alta velocidad, tolerante a fallas, que cubre un área geográfica relativamente pequeña. Por lo general conecta estaciones de trabajo, computadoras personales, impresoras y otros dispositivos. 2.2 Definición de Red de Area Extensa (WAN) Una red de área extensa (WAN) utiliza conexiones dedicadas o conmutadas para conectar computadoras que se encuentran en lugares geográficamente remotos, demasiados dispersas como para conectarse directamente a una red de área local. Estas conexiones de área extensa pueden realizarse bien a través de una red publica o bien a través de una red privada, construida por la misma organización. Un ruteador envía el trafico desde la red local a través de la conexión de área extensa, hacia el destino remoto. El ruteador puede estar conectado tanto a una línea analógica como a una línea digital.

33 Los ruteadores se conectan a las líneas analógicas a través de un módem o a líneas digitales a través de Unidades de Servicio de Canal / Unidades de Servicio de Datos (Channel Service Unit / Data Service Units, CSU/DSU) El tipo de servicio de transmisión determina la clase de equipo que el área extensa necesita para su funcionamiento. CSU/DS CSU/DS LAN LAN Figura 2.1 Redes de área extensa (WAN) 2.3 Líneas Dedicadas y líneas Conmutadas Las redes de área extensa pueden trabajar tanto con líneas dedicadas como líneas conmutada s. Una línea dedicada es una conexión permanente entre dos puntos que normalmente se alquila por un tiempo determinado. Figura 2.2 Servicio de línea dedicada

34 Chicago CSU/DSU Denver St. Louis CSU/DSU CSU/DSU Los Angeles Orlando CSU/DSU CSU/DSU Un servicio de línea conmutada no requiere conexiones permanentes entre dos puntos fijos. En su lugar, permite a los usuarios establecer conexiones temporales entre múltiples puntos cuya duración corresponde a la de la transmisión de datos. Chicago Denver St. Louis Los Angeles Orland Figura 2.3 Servicio de línea conmutada Existen dos tipos de servicios conmutados: Servicios de Conmutación de Circuitos y Servicios de Conmutación de Paquetes.

35 2.3.1 Servicios de Conmutación de Circuitos: En una conexión de conmutación de circuitos se establece un canal dedicado, denominado circuito, entre dos puntos por el tiempo que dura la llamada. El circuito proporciona una cantidad fija de ancho de banda durante la llamada y los usuarios sólo pagan por esa cantidad de ancho de banda el tiempo que dura la llamada. Los Angeles Boston P9 P8 P7 P6 P5 P4 P3 P2 P1 Figura 2.4 Red de conmutación de circuitos Los inconvenientes de este servicio son dos: 1. El ancho de banda es fijo, no manejan adecuadamente las avalanchas de tráfico, requiriendo frecuentes retransmisiones. 2. Estos circuitos virtuales solo tienen una ruta, sin caminos alternativos definidos Servicios de Conmutación de Paquetes Los servicios de conmutación de paquetes suprimen el concepto de circuito virtual fijo. Los datos se transmiten paquete a paquete a través del entramado de la red o nube, de manera que cada paquete puede tomar un camino diferente a través de la red. Los servicios de conmutación de paquetes son capaces de encaminar paquetes, evitando las líneas caídas o congestionadas, gracias a la disponibilidad de múltiples caminos en la red.

36 Chicago Denver Boston P4 P6 Los Angeles P1 P3 P2 P5 P7 Houston Figura 2.5 Red de conmutación de paquetes 2.4 Líneas Analógicas Las líneas analógicas son las típicas líneas de voz desarrolladas inicialmente para llevar tráfico de voz. Las líneas analógicas son parte del servicio telefónico tradicional, y como tales, se encuentran en cualquier lugar. Aunque el tráfico de datos digitales no es compatible con las señales de portadora analógica, se puede transmitir tráfico digital sobre líneas analógicas utilizando un módem, el cual modula señales digitales sobre servicios de portadora analógica. 2.5 Líneas Digitales Las líneas digitales están diseñadas para transportar tráfico de datos, que es digital por naturaleza. Por esta razón, la computadora

37 no necesitará un módem para montar datos sobre una señal portadora digital. En su lugar, utilizará un canal de servicio digital/unidad de servicio de datos (channel service unit / digital service unit, CSU/DSU), el cual únicamente proporciona una interfaz a la línea digital. Las líneas digitales pueden transmitir tráfico de datos a velocidades de hasta 45 Mbps y están disponibles tanto para servicios dedicados como conmutados. 2.6 Formato de Información Los datos y la información de control que se transmite a través de las redes puede tomar varias formas. Los términos para hacer referencia a estos formatos de información en la industria de la interconectividad no se utilizan de manera consistente sino intercambiable. Así tenemos, trama, paquete, datagrama, segmento, mensaje, celda y unidad de datos, que pertenecen a los formatos comunes de información. La trama es una unidad de información cuyo origen y destino son entidades de la capa de enlace de datos. Una trama está compuesta por el encabezado de la capa de enlace de datos ( y, posiblemente, un finalizador) y los datos de la capa superior. El encabezado y el finalizador contienen información de control para la entidad de la capa de enlace de datos en el sistema de destino. Trama Encabezado de la capa de enlace de Datos de la capa superior Finalizador de la capa de enlace de datos

38 Figura 2.6 Los datos de las capas superiores conforman la trama de la capa de enlace de datos. Un paquete es una unidad de información cuyo origen y destino son entidades de la capa de red. Un paquete se compone de un encab ezado de la capa de red ( y, posiblemente un finalizador) Paquete Encabezado de la Datos de la capa superior Finalizador de la capa capa de red de red y datos de la capa superior. El encabezado y el finalizador contienene información de control para la entidad de la capa de red en el sistema de destino. Figura 2.7 Tres componentes básicos conforman un paquete de la capa de red El término segmento, en general, se refiere a una unidad de información cuyo origen y destino son entidades de la capa de transporte. Un mensaje es una unidad de información cuyas entidades origen y destino están sobre la capa de red ( a menudo, en la capa de aplicación). Una celda es una unidad de información de tamaño fijo cuyo origen y destino son las entidades de la cpa de enlace de datos. Las celdas se utilizan en entornos conmutados. Una celda se compone de un encabezado e información útil. El encabezado contiene la información de control para la entidad de destino de la capa de enlace de datos y tiene 5 bytes de longitud. La información útil contiene datos de la capa superior que está encapsulada en el ancabezado de la celda y suele tener una longitud de 48 bytes. Celda Encabezado de la celda (48 bytes) Información útil

39 Figura 2.8 Dos componentes conforman una celda La longitud de los campos encabezados e información útil siempre es exactamente la misma para cada celda. Una unidad de datos es un término genérico que se refiere a varias unidades de información. Algunas de las unidades de datos que más se utilizan son las SDUs ( Unidades de Datos de Servicio), las unidades de datos de protocolo y las BPUs (Unidades de Datos de Protocolos de Puente). Las SDUs son unidades de información de protocolos de las capas superiores que definen una solicitud de servicio a un protocolo de las capas inferiores. El PDU es un término dentro de OSI que se utiliza para describir un paquete. Los BPUs son utilizados como mensajes. 2.7 Servicios de Red Orientados y No Orientados a la Conexión En general, los protocolos de conectividad de redes y el tráfico de datos que se prestan se pueden caracterizar como orientados o no orientados a la conexión. En pocas palabras, el manejo de datos orientados a la conexión implica el uso de una trayectoria específica que se establece durante el tiempo que dura la conexión. El manejo de datos no orientados a la conexión implica la transferencia de datos a través de una conexión establecida en forma permanente. 2.8 Direccionamiento en interredes Las direcciones de interred identifican los dispositivos por separado o como miembros de un grupo. Los esquemas de direccionamiento varían dependiendo de la familia de protocolos y de la capa OSI. Los tres tipos de direccionamiento de interred que se utilizan comúnmente son: direcciones de la capa de enlace de datos, direcciones MAC (Control de Acceso a Medios) y direcciones de la capa de red.

40 2.9 Capa de Enlace de Datos Una dirección de la capa de enlace de datos identifica de manera única cada conexión física de un dispositivo a la red. A las direcciones de enlaces de datos se les conoce con los nombres de direcciones físicas o hardware. En general, los sistemas terminales tienen sólo una conexión física a la red y, por lo tanto, solamente una dirección a nivel enlace de datos. Los ruteadores y otros dispositivos de interconectividad de redes tienen múltiples conexiones físicas de red y, por lo tanto, también tienen múltiples direcciones a nivel de la capa de enlace de datos. Sistema terminal 1 interfase 1 dirección de la capa Red A A D C D Red Red Ruteador 4 interfases 4 direcciones de la capa Figura 2.9 Cada interfase en un dispositivo se identifica únicamente por una dirección de la capa de enlace de datos 2.10 Direcciones MAC Las direcciones MAC están formadas por un subconjunto de direcciones de la capa de enlace de datos. Identifican las entidades de red en las LANs que implementan las direcciones IEEE

41 MAC de la capa de enlace de datos. Así como sucede con la mayor parte de las direcciones de enlaces de datos, las direcciones MAC son únicas para cada interfase LAN. Subcapa LLC Subcapa MAC Direcciones MAC Direcciones de la capa de Figura 2.10 Las direcciones MAC, las direcciones a nivel enlace de datos y las subcapas de IEEE de la capa de enlace de datos, están relacionados entre sí. Las direcciones MAC tienen 48 bits de longitud y se expresan con 12 dígitos hexadecimales. Los 6 primeros dígitos hexadecimales, que son administrados por el IEEE, identifican al fabricante o proveedor y, por lo tanto, comprenden al OUI (Identificador Único de la Organización). Los últimos 6 dígitos hexadecimales comprenden el número de serie de la interfase u otro valor administrado por un proveedor específico. Las direcciones MAC están grabadas en una ROM (Memoria de Sólo Lectura) y se copian en RAM (Memoria de Acceso Aleatorio) al inicializarse la tarjeta de interfase.

42 Dirección MAC 24 bits 24 bits OUI Proveedor asignado Figura 2.11 Las direcciones MAC contienen un formato único de dígitos hexadecimales Direcciones de la Capa de Red Una dirección de la capa de red identifica una entidad en la capa de red de las capas de OSI. Las direcciones de red, en general, existen en un espacio jerárquico de direcciones y, a menudo, se les llama direcciones lógicas o virtuales. La relación entre una dirección de red y un dispositivo es lógica y no fija. Los sistemas terminales requieren una dirección de la capa de red por cada protocolo soportado de la capa de red. Los ruteadores y otros dispositivos de interconectividad de redes requieren una dirección de la capa de red por cada conexión física a la red, por cada protocolo soportado de la capa de red Asignación de Direcciones Las direcciones que se asignan a los dispositivos pueden ser uno de tres tipos: direcciones estáticas, dinámicas o de servidor. Las direcciones estáticas son asignadas por un administrador de red de acuerdo con un plan preconcebido de direcciones de interred. Una dirección estática no cambia hasta que el administrados de red la cambia manualmente. Los dispositivos obtienen las direcciones dinámicas cuando se conectan a la red, a través de varios procesos específicos del protocolo. Un dispositivo que utiliza una dirección dinámica, a menudo tiene una dirección diferente cada vez que se conecta a la red. Las direcciones asignadas por un servidor se otorgan a los

43 dispositivos conforme se conectan a la red. Las direcciones asignadas por servidor se reciclan para que puedan ser reutilizadas a medida que se desconecten dispositivos de la red.

44 CAPÍTULO 3 FUNDAMENTOS DE TECNOLOGÍAS DE REDES DE AREA EXTENSA (WAN) Como habíamos dicho una red de área extensa es una red de datos que tiene una cobertura geográfica relativamente grande y suele utilizar las instalaciones de transmisión que ofrecen compañías portadoras de servicio. Las tecnologías WAN operan en las tres capas inferiores del modelo de referencia OSI: 1. La Capa Física. 2. La Capa de Enlace de Datos. 3. Y la Capa de Red. 3.1 Enlaces Punto a Punto Un enlace punto a punto proporciona una sola trayectoria de comunicaciones WAN preestablecida desde las instalaciones del cliente, a través de una red de transporte como una compañía telefónica, hasta una red remota. A los enlaces punto a punto también se les conoce como líneas privadas, puesto que su trayectoria establecida es permanente fija para cada red remota a la que se llegue a través de las facilidades de larga distancia. Estos enlaces proporcionan dos tipos de transmisiones:

45 ? Transmisiones de Datagrama: están compuestas de tramas direccionadas de manera individual.? Transmisiones de ráfagas de datos: que están compuestas de una ráfaga de datos para la que la verificación de direcciones se presenta sólo una vez. Figura 3.1 Un enlace común punto a punto funciona a través de una WAN hacia WAN una red remota 3.2 Conmutación de Circuitos La conmutación de circuitos es un método de conmutación WAN en el que se establece, mantiene y termina un circuito físico dedicado a través de una red de transporte para cada sesión de comunicación. La conmutación de circuitos maneja dos tipos de transmisiones, iguales que a las de los enlaces Punto a Punto:? Transmisiones de Datagrama: están compuestas de tramas direccionadas de manera individual.? Transmisiones de ráfagas de datos: que están compuestas de una ráfaga de datos para la que la verificación de direcciones se presenta sólo una vez.

46 DCE WAN DCE DCE Figura 3.2 Una WAN de conmutación de circuitos experimenta un proceso similar al de una llamada telefónica 3.3 Conmutación de Paquetes Este método de conmutación WAN en el que los dispositivos de la red comparten un solo enlace punto a punto para transferir los paquetes desde un origen hasta un destino a través de una red de transporte 3.4 Circuitos Virtuales Un circuito virtual es un circuito lógico creado para asegurar una comunicación confiable entre dos dispositivos de red. Hay dos tipos de circuitos virtuales: SVC (Circuitos Virtuales Conmutados) y PVC(Circuitos Virtuales Permanentes).

47 Los SVC son circuitos virtuales que se establecen dinámicamente por demanda y se terminan al finalizar la transmisión. La conmutación a través de un SVC tiene tres fases: 1. El establecimiento del circuito: es la creación del circuito virtual entre los dispositivos de origen y destino. 2. La transferencia de datos: es la transmisión de datos entre dispositivos entre los dispositivos a través del circuito virtual. 3. La terminación del circuito: es la desconexión entre los dispositivos de origen y destino. Los SVC se utilizan en situaciones donde la transmisión de datos entre los dispositivos es esporádica, en gran medida porque con los SVC se incrementa el ancho de banda, debido a las fases de establecimiento y terminación del circuito, pero disminuyen los costos asociados con la disponibilidad constante del circuito virtual. Un PVC es un circuito virtual que establece de manera permanente y consta de un solo modo: transferencia de datos. Los PVC se utilizan en situaciones donde la transferencia de datos entre los dispositivos es constante. Con los PVC disminuye el uso del ancho de banda asociado con el establecimiento y terminación de circuitos virtuales, pero se incrementan los costos debido a la constante disponibilidad del circuito virtual. 3.5 Servicios de Marcado de WAN Los servicios de marcado ofrecen métodos económicos para llevar a cabo conectividad entre WANs. Las dos implementaciones más comunes son:? El DDR: es una técnica por medio de la cual un ruteador puede iniciar y terminar, de manera dinámica, una sesión de conmutación de circuitos a medida que las estaciones terminales de transmisión lo requiera.? El Respaldo de Marcación: este es un servicio que activa una línea serial de respaldo bajo determinadas condiciones. La línea serial secundaria puede actuar

48 como un enlace de respaldo que se actualiza cuando el enlace principal falla, o como una fuente que proporciona ancho de banda adicional cuando la carga en el enlace principal alcanza un cierto umbral. 3.6 Dispositivos WAN Switch WAN: Este es un dispositivo multipuerto de interconectividad de redes que se utiliza en las redes de transporte. Por lo gneral, estos dispositivos conmutan tráfico como de Frame Relay, X.25 o ATM y operan en la capa de enlace de datos del modelo de referencia OSI. Switch WAN Figura 3.3 Dos ruteadores ubicados en los extremos remotos de una WAN se pueden conectar por medio de switches WAN Servidor de Acceso: Un servidor de acceso actúa como un punto de concentración para conexiones de marcación hacia dentro y hacia fuera.

49 WAN Servidor de acceso Figura 3.4 Un servidor de acceso concentra conexiones de marcación hacia fuera de una WAN Modem: Un módem es un dispositivo que interpreta señales analógicas y digitales, permitiendo de ésta manera que los datos se transmitan a través de líneas telefónicas sonoras. En el punto de origen las señales digitales son convertidas a una forma apropiada para su transmisión a través de equipos de comunicaciones analógicos. En el punto de destino, éstas señales analógicas son convertidas de nuevo a forma digital original. Módem Módem Figura 3.5 Una conexión por módem maneja señales analógicas y digitales a través de una WAN CSU/DSU: Una CSU/DSU (Unidad de Servicio de Canal / unidad de Servicio da Datos) es un dispositivo de interfase digital ( o a veces, dos dispositivos digitales separados) que adapta la interfase física de un dispositivo DTE (Equipo Terminal de Datos), como una terminal, a la interfase del dispositivo DCE (Equipo de Comunicación de Datos),