TELEINFORMÁTICA Y REDES DE COMPUTADORAS

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1 TELEINFORMÁTICA Y REDES DE COMPUTADORAS Por : Avid Roman Gonzalez INTRODUCCIÓN LAS REDES DE COMUNICACIÓN DE DATOS Concepto Sistemas de comunicación de datos son todos aquellos sistemas de información cuyos procesadores y terminales no coinciden en situación geográfica y la información fluye entre ellos a través de algún sistema de telecomunicación. Servicios Tipo de servicio: Aparecen así servicios clásicos de proceso remoto en batch, proceso remoto interactivo, sistemas transaccionales sobre bases de datos, sistemas de entrada de datos y sistemas de control de procesos. Por donde? Redes Públicas El soporte básico de la comunicación de datos son las redes públicas de telecomunicación y en especial la red telefónica. La prestación inicial ha sido transmitir los datos a través de los enlaces telefónicos conmutados o a través de circuitos punto a punto dedicados permanentemente al enlace entre los dos equipos del usuario. En todo caso la comunicación de datos utiliza los servicios de las compañías de telecomunicación. Estos servicios pueden ser solo de transmisión y conmutación a través de una red especial o bien un servicio de comunicaciones hacia una aplicación de gran público. La construcción de redes informáticas se parece mucho más al urbanismo que a la arquitectura. Un edificio se proyecta y luego se construye. En una ciudad se esta viviendo y se busca una futura estructura mas racional pactando entre los que se puede cambiar y lo que no.

2 CAP I: ARQUITECTURA DE LOS SISTEMAS DISTRIBUIDOS Introducción La evolución de la tecnología ha acercado a los electrónicos a la informática. Y para poder llegar a la situación que hora se considera normal el profesional de la electrónica ha debido acercarse a la informática ha tenido que hacerse un poco (a veces un mucho) informático y en el camino que ha tenido que recorrer ha sido necesario adquirir y dominar conceptos de arquitectura de computadores y de ingeniería de software conceptos todos ellos reservados antaño a lo que se consideraba como una elite de profesionales de la informática Los sistemas distribuido suna clasificación El termino de sistema distribuido ha venido utilizándose para denominar indistintamente a diferentes clases de sistemas informáticos en los que la potencia de tratamiento de la información se encuentra repartida en el espacio y que por diferentes motivos han aparecido como una alternativa a aquellos otros sistemas ya clásicos en los que la potencia de tratamiento de la información se encuentra concentrada. En la figura 1.1 se representa un esquema general de un sistema distribuido. Figura 1.1 Esquema general de un sistema distribuido

3 Cuatro tipos de sistemas (figura 1.2) a. Redes de computadores. b. Redes locales de computadoras. c. Sistemas mulitcomputadoras d. Sistemas multiprocesadores Redes de computadoras Solución para la interconexión de computadores situados en lugares remotos con el objetivo fundamental de compartir recursos es decir permitir a cualquier usuario de cualquier computador acceder y utilizar los recursos ya sean hardware o software del conjunto de lasa máquinas que constituyen la red Redes locales Los primeros trabajos en este campo trataron de aplicar a escala mas reducida soluciones experimentadas en los casos anteriores simplificando y optimizando aquellas y sacando partido de las ventajas que reporta la disminución de la distancia entre elementos de proceso Sistemas multicomputadores Por lo que se refiere a los sistemas multicomputadores, desarrollando y aplicando la idea de descentralización de funciones en un computador y así aparecieron en las máquinas clásicas, unidades especializadas bien en la manipulación de periféricos bien en la gestión de comunicaciones por citas casos bien conocidos.

4 Sistemas multiprocesadores La realización de máquinas potentes para el tratamiento de la información basadas en la cooperación sistemática y ordenada de elementos de menor potencia funcionando en paralelo ha sido constantemente una tentación de la arquitectura de computadores desde mucho antes de la aparición del microprocesador. Únicamente tenemos que decir que en muchos casos estos esfuerzos para la realización de máquinas paralelas se han visto superados por la propia evolución de la tecnología al permitir la realización de máquinas secuenciales potentes y rápidas Los componentes de un sistema distribuido Elementos y relaciones Un sistema informático, desde el punto de vista del usuario y de una forma general, estará constituido por un conjunto de elementos (hardware o software) capaces de realizar conjuntamente una determinada función orientada hacia la resolución del problema objeto de la aplicación de dicho sistema informático. Dichos elementos serán, bien tareas (programas) bien recursos (periféricos, ficheros) entre los que podrán establecerse determinadas relaciones. En un sistema centralizado es decir basado un computador la responsabilidad del establecimiento de dichas relaciones corresponde generalmente a un sistema operativo. Un sistema operativo bien sea orientado a la manipulación de ficheros bien sea orientado hacia el control de aplicaciones en tiempo real estará constituido básicamente por un conjunto de programas que se ejecutan en el propio computador y que realizan dicho servicio de comunicación entre los elementos mencionados. Es evidente que el mecanismo que permita materializar dichas relaciones deberá estar igualmente distribuido entre los diferentes componentes que constituyen el sistema.

5 Enlaces, caminos lógicos, caminos físicos La materialización de la relaciones entre los elementos de un sistema distribuido al establecimiento de enlaces entre ellos con objeto de permitir el intercambio de información. La realización de un enlace implica la utilización de una vía de comunicación que aquí designaremos de forma genética con el nombre de camino lógico (o conexión). Un camino físico será pues una vía de comunicación realizada sobre un soporte material capaz de permitir la transmisión mediante la utilización de alguno de los parámetros físicos de dicho medio. Por motivación tanto de orden económico como tecnológico un camino físico suele ser un recurso de comunicaciones escaso Materialización de un camino lógico Alternativas Consideraremos dos casos extremos: que se utilice un único físico o bien que se emplee más de un cambio físico para la materialización de un camino lógico. Encontrar a su vez dos soluciones extremas la primera consistirá en utilizarlo para la realización de un único camino lógico permitir que sea utilizado de forma compartida, esto es, multiplexando sobre él diferentes caminos lógicos La estructura de los caminos físicos topología Tipos de topología más utilizadas: Interconexión Total Consiste en interconectar directamente todos los ETI del sistema mediante un conjunto de caminos físicos que los enlacen dos a dos. En este caso todos los caminos lógicos entre cada par de ETI, compartirían el mismo camino físico, directo entre ellos Interconexión Irregular Se suele denominar subred. En este tipo de sistemas podrán utilizarse las soluciones basadas en conmutar circuitos o conmutar paquetes para obtener la transferencia de la información Interconexiones Tipo Bus En el caso de los sistemas distribuidos el principio de funcionamiento es similar es decir, el establecimiento de todos los caminos lógicos a través de un único camino físico bidireccional: el bus.

6 Interconexiones en anillo Con el mismo objetivo de simplificar la estructura del sistema de interconexión aparecieron las topologías en anillo; en este caso los diferentes caminos lógicos se realizan sobre un mismo camino físico que Interconecta a los diferentes elementos del sistema, cerrándose sobre sí mismo. El anillo esta constituido, pues, por un conjunto de nodos, enlazados mediante conexiones punto a punto La utilización de un camino físico En la actualidad la transmisión paralelo queda limitada a distancias cortas (<20 m), siendo necesario utilizar las técnicas de transmisión serie para comunicaciones a distancias superiores a las indicadas.

7 1.5.- La transmisión del a información La comunicación entre sistemas informáticos ha venido a aparecer cuando ya existía una amplia tradición y experiencia en las comunicaciones tanto analógicas como digitales, fundamentalmente en los campos de telefonía y la telegrafía; esta experiencia se traducía no sólo en conceptos sino fundamentalmente en soluciones; soluciones probadas y en funcionamiento. Es lógico pensar que el inicio de las comunicaciones entre Sistemas Informáticos estuviera ampliamente influenciado por toda esta experiencia Los caracteres y su codificación En la comunicación entre un terminal y un computador se utiliza el código de 7 bits denominado código ASCII (American Standard Code for Information Interchange) conocido también como código CCITT n. 5. Normalmente, los 7 bits del código van acompañados de un octavo bit utilizado para controlar la paridad (par o impar) del conjunto. Por extensión del concepto suele denominarse carácter a una unidad de información de 8 bits, conteniendo los 7 bits de código más el bit suplementario La transmisión asíncrona Cada elemento de información (por ejemplo un octeto) se transmite individualmente, acompañado de un conjunto de 2 a 3 bits de sincronismo, lo que constituye la unidad de información transmitida. De una forma general a los terminales cuya trasmisión es de tipo asíncrono se les denomina terminales en modo carácter (o equipos terminales de datos modo carácter) La transmisión sincrona Un equipo terminal de datos puede generar información en forma de carácter y transmitirlos en modo síncrono, para lo cual formará un bloque de N caracteres que acompañará con las informaciones de control apropiadas. En este caso, e! bloque de información que se transmite estará formado por un conjunto de unidades elementales de información; por ejemplo, caracteres codificados en ASCII con bit de paridad, caracteres codificados en EBCD1C, o simplemente octetos, ensamblados y transmitidos conjuntamente con objeto de optimizar el rendimiento de la transmisión La transmisión de paquetes La Organización Internacional de Normalización (ISO) define un paquete como un conjunto de datos y otros elementos binarios de control que están organizados según un determinado formato y que se transmiten como un todo de acuerdo con un determinado procedimiento de transmisión.

8 Toda trama de información transmitida en modo síncrono puede denominarse paquete y de (a misma forma un procedimiento de transmisión síncrono podría denominarse "de transmisión de paquetes"; sin embargo, también aquí cabe hacer algunas puntualizaciones El control del a comunicación Las características del camino lógico utilizado impondrán en cada caso unas determinadas reglas de estructuración de la información La detección de errores A nivel de carácter, suele utilizarse el método de detección de paridad. A nivel de bloque de caracteres, ya sea en transmisión asíncrona o síncrona, se complementa la detección a nivel de cada carácter, que aquí suele denominarse detección vertical, con una detección a nivel de bloque denominada detección horizontal (checksum). En el caso de trasmisión asíncrona suele ser más habitual la utilización de métodos de control de error denominada de detección longitudinal o cíclica (CRC) La identificación del camino En el caso de que el camino lógico utilizado para la transmisión de la información comparta con otros la totalidad o parte de su recorrido, será necesario que la información transmitida vaya acompañada de una identificación de dicho camino. Normalmente, un camino lógico se identificará mediante los puntos de origen y destino del mismo El control de flujo de la información En los sistemas más primitivos puede verse cómo para cada mensaje de información transmitida en un sentido debe generarse otro mensaje de confirmación (acknowledge) en sentido contrario, interpretándose su ausencia como un signo de la existencia de un error. Una manera de disminuir el volumen de información transmitida consistió en eliminar la necesidad de responder a la transmisión de cada mensaje mediante un mensaje específico; esto se consiguió mediante la incorporación de estas respuestas en los mensajes de información transmitida en sentido contrario La codificación del tipo de mensajes Con objeto de facilitar la interpretación del contenido de cada bloque transmitido, a cada tipo de mensaje se le suele asociar un código que se transmitirá junto con el resto de las informaciones que lo componen.

9 Los protocolos Al conjunto de reglas que regulan el intercambio de información entre elementos que cooperan se le denomina protocolo La comunicación de circuitos, la comunicación de paquetes La conmutación de circuitos Para el transporte de la información entre sistemas informáticos en una Red de computadores es posible utilizar, la red telefónica ya sea a través de la red automática conmutada, ya sea mediante líneas dedicadas a las comunicaciones punto a punto o multipunto. El establecimiento de una conexión a través de una red telefónica conmutada se basa en el principio de conmutación de circuitos. La ISO define a la conmutación de circuitos (circuit switching) como el procedimiento que enlaza a voluntad dos o más equipos terminales de datos y que permite la utilización exclusiva de un circuito de datos durante la comunicación La conmutación de paquetes La ISO define la conmutación de paquetes como un procedimiento de transferencia de datos mediante paquetes provistos de direcciones, en el que la vía de comunicación se ocupa solamente durante el tiempo de transmisión de un paquete, quedando a continuación la vía disponible para la transmisión de otros paquetes.

10 CAP II: MODELOS DE REFERENCIA I.- Modelo de referencia OSI: La Organización Internacional de Estandarización (ISO), creó una arquitectura normalizada de protocolos, descomponiendo las funciones en niveles o capas. Este es el origen del modelo de referencia OSI (Open System Interconection). Este modelo no normaliza ningún protocolo, solo define cada capa. Los protocolos utilizados son posteriores. El modelo OSI consta de niveles o capas. Cada nivel agrupa unas funciones requeridas para comunicar sistemas. Estas capas poseen una estructura jerárquica. Cada capa se apoya en la anterior, realiza su función, y ofrece un servicio a la capa superior. Este modelo posee la ventaja de poder cambiar una capa sin necesidad de modificar el resto. El número de capas se definió de forma que: Los problemas (cada problema en una capa distinta) a resolver fueran ser sencillos, pero su número total no debía ser elevado. La frontera entre dos capas fuera lo más sencilla posible. Se intentara agrupar por capas funciones relacionadas. Todas las capas tuvieran interfaz sólo con la inferior y la superior. Cada capa ofrecerá servicios a las capas superiores, sin que éstas conozcan realmente cómo se realizan estos servicios. Se aprovechara al máximo los protocolos ya existentes. La función que realizará una capa deberá seleccionarse con la intención de definir protocolos normalizados internacionalmente. Es recomendable no crear demasiadas capas, de forma que la integración y definición de las mismas no sea más difícil que lo estrictamente necesario. De esta manera se construye una Arquitectura de Comunicaciones, concepto por el cual entendemos al conjunto de capas y protocolos que definen las funciones que se deben llevar a cabo en una comunicación entre los procesos ubicados entre sistemas diferentes. Cada arquitectura cuenta con un determinado número de capas, cada una de estas capas posee un nombre, contenido y función, con los que se define dicha arquitectura. En el caso del Modelo OSI, se establecieron siete capas. 1.- Nivel físico (Nivel 1) Permite utilizar directamente el medio físico de transmisión. Como servicio ofrece la transmisión de bits. En este nivel se definen las siguientes características: El medio, es decir, los tipos de conectores, el diámetro del cable y el tipo de material en su caso, etcétera. Eléctricas de la transmisión, como los niveles de transmisión o el tipo de señal transmitido. Funcionales del medio, es decir, especificar que hace cada hilo o canal. También se definen las reglas de procedimiento, la secuencia de eventos para transmitir.

11 2.- Nivel de enlace (Nivel 2). La capa física proporciona un flujo de datos, pero es el nivel de enlace de datos el que se encarga de que el enlace físico sea seguro, además de proporcionar medios para activar, mantener y desactivar el enlace. Sus funciones más importantes son la detección de errores y el control de flujo. Ofrece al siguiente nivel una transmisión fiable de bits. En redes de conmutación, además del control de flujo, controla el establecimiento, mantenimiento y liberación de la conexión en cada uno de los enlaces. Por toro lado garantiza un salto sin errores, es decir, asegura que el bit transmitido pasa entre dos nodos, o entre un nodo y un terminal sin problemas. En redes de difusión, también se encarga del control de acceso al medio compartido. Ejemplos de protocolos son: HDLC, CSMA, CSMA/CD y Paso testigo. La unidad de información con la que se trabaja es la trama (o secuencia de bits). El origen envías las tramas de forma secuencial y procesa las tramas de asentimiento, devueltas por el destino. Establece los límites de la trama mediante la inclusión de un patrón de bit determinado al principio y final de la trama. 3.- Nivel de red (Nivel 3). Se encarga de suministrar una conexión de extremo a extremo, es decir, la transmisión de información entre sistemas finales a través de algún tipo de red de comunicación. Libera a las capas superiores (les proporciona independencia) de preocuparse por las tecnologías de conmutación utilizadas para conectar los sistemas. Esta capa sólo es necesaria en las redes de conmutación o en redes interconectadas, pues en redes punto a punto o de difusión existe un canal directo entre los dos equipos, por lo que el nivel 2 proporciona por tanto conexión fiable entre los dos equipos. No obstante, estas dos últimas tipologías de redes son de uso más restringido. Es el nivel responsable de establecer, mantener y terminar las conexiones. Efectúa el encaminamiento de los mensajes desde el origen al destino a través de los nodos de la red. Es en este nivel cuando se han de resolver los problemas derivados de la interconexión de redes heterogéneas. También este nivel es el responsable del control de flujo de datos y de la congestión del tráfico. En este nivel se pueden incorporar utilidades de gestión que permitan realizar la tarificación de las comunicaciones con base en el número de bytes enviados o recibidos. Ejemplos de protocolos son: X25, Frame Relay y ATM para redes de conmutación, e IP para redes interconectadas. 4.- Nivel de transporte (Nivel 4). Su función es parecida a la del nivel de Enlace, salvo que garantiza la transmisión sin errores de extremo a extremo, independientemente del tipo de red. Se encarga de que los datos lleguen sin errores, ordenados, sin pérdidas ni duplicados. En una red de conmutación de paquetes por datagramas, es el nivel de transporte el que se encarga de ordenar los distintos paquetes que llegan. En estas redes se encarga de fragmentar el mensaje en el origen, y de recomponerlo en el destino.

12 La capa de Transporte puede multiplexar varias conexiones de transporte sobre la misma conexión de red o bien distribuir la misma conexión de transporte en varias conexiones de red. En la cabecera que añade este nivel se envía la información que identifica a qué conexión pertenece cada mensaje. El ejemplo más conocido de protocolos de este nivel es el TCP 5.- Nivel de sesión (Nivel 5). Se encarga de organizar y sincronizar el diálogo entre los dos extremos. Ofrece mecanismos para gestionar el diálogo entre dos extremos por medio de: Disciplinas de diálogo, es decir, quien debe emitir en cada instante. Agrupamiento de datos en unidades lógicas. Recuperación, es decir, si se produce algún problema en la comunicación, disponer de algún punto de comprobación a partir del cual poder retransmitir los datos. 6.- Nivel de presentación (Nivel 6). Este nivel elimina los problemas que puedan surgir al comunicar distintas arquitecturas, pues cada arquitectura estructura los datos de una forma específica, que no tienen por que ser compatibles. En el nivel de transporte se traducen los datos a un formato común, que se define en este mismo nivel. En esta capa se definen el formato de los datos que se van a intercambiar entre las aplicaciones y ofrece a los programas de aplicación un conjunto de servicios de transformación de datos. En caso de ser necesario, también se encarga de la compresión y del cifrado (mal llamado encriptado). 7.- Nivel de aplicación (Nivel 7). Este último nivel se encarga de las aplicaciones más frecuentes, como http, transferencia de ficheros (ftp...), acceso terminal a computadores remotos (telnet...), etcétera. También define ciertas funciones que pueden ser usadas por varias aplicaciones (ACSE, ROSE, CICS...). En general, la aplicación en sí (el programa, por ejemplo), hace uso de este nivel, que es que proporciona el medio para que los procesos de las aplicaciones accedan al entorno OSI. 8.- OSI y los servicios. En el modelo OSI la comunicación es de par a par, entre iguales (comunicación ficticia). Esto quiere decir que las aplicaciones se comunican entre sí, a través del nivel 7. El nivel 7 a su vez se comunica con su homólogo del otro extremo a través del nivel 6, etcétera. Se diferencia entonces entre el flujo ficticio de datos del nivel real de datos (en trazo grueso). Por otro lado, cada nivel de la torre OSI añade una cabecera a los datos a transmitir, a excepción del nivel 1 que no añade nada,

13 y del nivel 2 que además añade una cola. Dicha cabecera son datos de control para el nivel correspondiente del extremo de la comunicación. II.- Arquitectura TCP/IP Este tipo de arquitectura se ha impuesto en los años 90, contrariamente a lo que se opinaba que ocurriría en los 80, cuando se creía que el modelo OSI sería el que finalmente triunfaría. TCP/IP ha llegado a convertirse en un estándar de facto en redes, de hecho, es la familia de protocolos de comunicaciones empleada por Internet. TCP equivale a las siglas de "Transmission Control Protocol" e IP corresponde a las siglas de "Internet Protocol". Estos protocolos se crearon y normalizaron mucho antes de que se definiera el modelo de referencia OSI de la ISO. Ya a finales de los 80, muchas empresas y administraciones usaban TCP/IP, cuando todavía OSI no estaba totalmente desarrollada. Aun así, el modelo OSI es una buena idea de organización de protocolos, y es muy didáctico, por lo que suele ser el más estudiado. No existe un modelo oficial de protocolos TCP/IP, al contrario que en OSI. Los protocolos se han ido definiendo anárquicamente, y a posteriori han sido englobados en capas. En el modelo TCP/IP no es estrictamente necesario el uso de todas las capas sino que, por ejemplo, hay protocolos de aplicación que operan directamente sobre IP y otros que lo hacen por encima de IP. En la imagen se pueden apreciar los 5 niveles de la arquitectura, comparados con los siete de OSI. 1.- Nivel físico (Nivel 1). Coincide aproximadamente con el nivel físico de OSI. Define las características del medio, su naturaleza, el tipo de señales, la velocidad de transmisión, la codificación, etcétera. 2.- Nivel de acceso a la red (Nivel 2). Comprende el nivel de enlace y buena parte del nivel de red de OSI. Es el nivel responsable del intercambio de datos entre dos sistemas conectados a una misma red. Controla la interfaz entre un sistema final y una subred. 3.- Nivel de Internet (Nivel 3). Comprende el resto del nivel 3 de OSI no incluido en el nivel de acceso a la red. Se encarga de conectar equipos que están en redes diferentes. Permite que los datos atraviesen distintas redes interconectadas desde un origen hasta un destino. El principal protocolo utilizado es IP (Internet Protocol).

14 4.- Nivel de transporte (Nivel 4). Incluye el nivel 4 y parte del nivel 5 de OSI. Proporciona transferencia de datos extremo a extremo, asegurando que los datos llegan en el mismo orden en que han sido enviados, y sin errores. Esta capa puede incluir mecanismos de seguridad. Los principales protocolos utilizados son TCP y UDP. 5.- Nivel de aplicaciones (Nivel 5). Proporciona una comunicación entre procesos o aplicaciones en computadores distintos. Además de las aplicaciones, este nivel se ocupa de las posibles necesidades de presentación y de sesión. Los protocolos más utilizados con TCP en el nivel 4 son: TELNET, FTP, HTTP y SMTP, sobre el que a su vez se apoya MIME. Y el más utilizado con UDP en el nivel 4 es SMNP. 6.- Funcionamiento. El router o encaminador es la máquina encargada de encaminar la información en interconexiones de distintas redes. Los routers IP unen redes (ver imagen). Para que dos ordenadores se comuniquen, el protocolo IP debe estar implementado en todos los ordenadores de las distintas redes interconectadas. Cada una de estas redes que forman la Internet, se llaman subredes. Cada equipo implementa un nivel físico, otro de acceso al medio, uno de IP, otro de TCP, y puede desarrollar varios niveles de aplicaciones. Para que dos aplicaciones en ordenadores distintos se comuniquen, se necesitan dos direcciones. Una de ellas es la dirección IP de la máquina destino, única e irrepetible dentro de cada red. La otra dirección necesaria es la del puerto, que se refiere a cada aplicación del ordenador y que también es única, pero sólo dentro del ordenador en concreto. Al igual que en el modelo de referencia OSI cada capa del modelo TCP/IP añade una cabecera a los datos del nivel de aplicación: Alguno de los campos que se incluyen en la cabecera TCP son: Puerto destino: al que va dirigida la comunicación. Número de secuencia: para poder reordenar la información en el destino. Suma de comprobación: mecanismo que permite detectar posibles errores en la transmisión. Consiste en aplicar una determinada función a los datos y enviar el resultado junto a éstos, el destinatario realiza la misma operación y compara el resultado con el código recibido. Si no son iguales es porque se ha producido un error. IP añade en su cabecera información referente al encaminamiento. Finalmente la capa de acceso a subred (típicamente la lógica Ethernet) introduce en su cabecera campos como: Dirección de la subred destino. Facilidades solicitadas: la subred ofrece ciertas facilidades, como por ejemplo la utilización de prioridades.