1908 Arquitectura de Redes

Transcripción

1 1908 Arquitectura de Redes Tema 1. Introducción a la arquitectura y organización de las redes de ordenadores Pedro M. Ruiz <pedrom@um.es> Francisco J. Ros <fjros@um.es> 3º Grado en Ingeniería Informática 2011/2012

2 Organización del tema Clasificación, tipos de redes y estrategias de conmutación Arquitectura por niveles (OSI vs TCP/IP) Aspectos de diseño en Internet Organización y estructura de Internet 2

4 Clasificación y tipos de redes Una red, es una colección interconectada de dispositivos autónomos Pueden intercambiar información Cada dispositivo funciona independientemente Existen clasificaciones en base a múltiples criterios Uso de la red (empresarial, doméstica,..) Extensión espacial (de área local, extensa ) Tipo de tecnología empleada, etc 4

5 Elementos básicos de una red Sistemas finales (hosts) PCs, PDAs, Equipos que ejecutan aplicaciones de red Enlaces de comunicación Medios físicos que conectan los sistemas finales Tipos: Cableados: coaxial, par trenzado, fibra óptica Inalámbricos: microondas, satélites La velocidad de transmisión se denomina ancho de banda (bits/seg, bps) 5

6 Elementos básicos de una red Dispositivos de conmutación (routers) Equipos situados en los cruces de los enlaces de comunicación que conducen la información por el camino adecuado entre sistemas finales Protocolos Reglas que controlan el formato de la información y los procedimientos de envío y recepción 6

7 Clasificación atendiendo a la localidad espacial Redes de área local (LANs) Propiedad privada Principalmente para compartición de recursos Redes de área metropolitana (MANs) Pueden interconectar varias LANs cercanas Actualmente gran interés basado en tecnologías inalámbricas Redes de area extensa (WANs) Interconectan múltiples LANs o MANs remotas Formadas por un núcleo de enlaces de alta capacidad Multitud de tecnologías de red (ATM, FrameRelay, WDM, ) 7

8 Estrategias de Conmutación Conmutación de circuitos Conmutación de circuitos virtuales Conmutación de mensajes Conmutación de paquetes 8

9 Algunas definiciones previas Longitud del paquete, P, se mide en bits. Longitud del enlace, L, se mide en metros. Tasa de datos, R, es la tasa a la que se pueden enviar bits, bits/segundo, b/s, o bps. 1 Retardo de propagación, PROP, es el tiempo que tarda un bit en recorrer la longitud del enlace, L. PROP = L/c. 2 Tiempo de transmisión, TRANSP, es el tiempo que lleva transmitir un mensaje de longitud P. TRANSP = P/R. Retardo es el tiempo desde que se envió el primer bit, hasta que se recibe el último. En un enlace: Latency = PROP + TRANSP. 1. Nótese que un kilobit/segundo, kb/s, son 1000 bits/segundo, no 1024 bits/segundo. 2. La velocidad de transmisión se asume la de la luz en este caso, en general depende del medio de transmisión. Source: CS244, Steve McKeown, Stanford University 9

10 Conmutación de Circuitos A Fuente B Destino Es el método usado por la red telefónica Una comunicación tiene tres fases: 1. Establecer el circuito extremo a extremo ( marcación ), 2. Comunicar los datos, 3. Cerrar el circuito ( colgar ). Un circuito es como un cable físico extremo a extremo. Source: CS244, Steve McKeown, Stanford University 10

11 Conmutación de Circuitos Red Telefónica A cada llamada se le asignan 64kb/s. Por tanto una troncal de 2.5Gb/s pude soportar hasta 39,000 llamadas simultáneas. Fuente llamante Destino llamado Central de Conmutación Central de Conmutación Intercambiador de troncales Source: CS244, Steve McKeown, Stanford University 11

12 Conmutación de Circuitos Virtuales VC 25, IIF 3, OIF 5 VC 19, IIF 3, OIF 6 A Source B Destination Se trata de conmutación de paquetes, no de circuitos Durante la fase de marcación, cada conmutador asocia la interfaz de entrada y de salida para cada CV Los datos enviados incluyen el identificador del CV para que los conmutadores intermedios lo envíen por el camino elegido Se ofrece caudal fijo como en la conmutación de circuitos, pero ofrece una mayor flexibilidad y tolerancia a fallos al operador Source: CS244, Steve McKeown, Stanford University 12

13 Circuito Virtual A B E C D 13

14 Conmutación de Mensajes A Fuente R1 R2 R3 B Destino R4 Cada mensaje se enruta independientemente usando la tabla de rutas local al encaminador Los routers no mantienen estado por flujo Diferentes paquetes podrían seguir caminos distintos Un encaminador podría recibir varios paquetes para un mismo enlace de salida, por tanto requiere de buffers Se puede mejorar el rendimiento, dividiendo los mensajes en paquetes: conmutación de paquetes (datagramas) Source: CS244, Steve McKeown, Stanford University 14

15 Conmutación de Paquetes Modelo simple de Router 4 Link 1, ingress Choose Egress Link 1, egress Link 2 Link 1 R1 4 Link 4 Link 3 Link 2, ingress Link 3, ingress Choose Egress Choose Egress Link 2, egress Link 3, egress Link 4, ingress Choose Egress Link 4, egress Source: CS244, Steve McKeown, Stanford University 15

16 Datagrama 2 1 A 3 B 2 E C 1 D

17 Circuito Virtual vs Datagrama B A Red de CVs C Cada paquete lleva el número del circuito virtual al que pertenece Todos los paquete que van por un mismo VC usan la misma ruta El orden se respeta siempre B A B.3 B.2 C.3 C.2 B.1 C.1 Red de datagramas C Cada datagrama lleva la dirección de destino La ruta se elige de forma independiente para cada datagrama El orden no siempre se respeta 17

18 Multiplexación Estadística Idea Básica tasa Un flujo tasa Dos flujos Tasa media tiempo tiempo El tráfico normal tiene ráfagas, e.d. la tasa cambia frecuentemente. Los picos de flujos independientes normalmente suceden en instantes diferentes. Conclusión: Cuantos más flujos, más estable el tráfico. tasa Múltiples flujos tiempo Tasa media de: 1, 2, 10, 100, 1000 flujos. Source: CS244, Steve McKeown, Stanford University 18

19 Conmutación de Paquetes Multiplexación Estadística 1 2 Paquetes para la misma interfaz de salida N Data Data Data Hdr Hdr Hdr R R R X(t) Buffer de paquetes Tasa enlace, R Tamaño de la cola X(t) B Paquetes descartados Tiempo Como el buffer absobe ráfagas temporales, el enlace de salida no necesita funcionar a una tasa NxR Pero el buffer tiene tamaño limitado, B, puede haber pérdidas. El delay puede ser variable, por lo que no hay garantía de QoS Source: CS244, Steve McKeown, Stanford University 19

20 Multiplexación Estadística Rate A C A C time Rate B C B C time Source: CS244, Steve McKeown, Stanford University 20

21 Ganancia por Multiplexación Estadística Tasa A+B 2C R < 2C A B R tiempo Statistical multiplexing gain (SMG) = 2C/R Otras definiciones de SMG: El ratio de tasas que dan lugar a un determinado nivel de ocupación o de tasa de pérdidas. Source: CS244, Steve McKeown, Stanford University 21

22 Por qué usa Internet conmutación de paquetes? 1. Hace un uso eficiente de enlaces caros Asume que los enlaces son caros y escasos. Permite que muchos flujos compartan el enlace satisfactoriamente. Circuit switching is rarely used for data networks,... because of very inefficient use of the links - Gallager 2. Tolerancia a fallos en los enlaces y los routers For high reliability,... [the Internet] was to be a datagram subnet, so if some lines and [routers] were destroyed, messages could be... rerouted - Tanenbaum Source: CS244, Steve McKeown, Stanford University 22

23 Conmutación de Paquetes A Fuente R1 R2 R3 B Destino R4 Host A R1 R2 R3 Host B TRANSP1 PROP1 TRANSP2 PROP2 PROP3 TRANSP3 TRANSP4 PROP4 Store-and-Forward en cada router Minimum end to end latency= ( TRANSP i + PROP i) Mínimo retardo extremo a extremo i Source: CS244, Steve McKeown, Stanford University 23

24 Conmutación de Paquetes Por qué paquetes mejor que mensajes? M/R M/R Host A Host A R1 R1 R2 R2 R3 R3 Host B Retardo Latency= ( PROP + M/ R) i i i Host B Retardo Latency= M R + / min PROP i i Trocear los mensajes en paquetes permite el envío en paralelo por los diferentes enlaces de la red, reduciendo la latencia extremo a extremo. También evita que un enlace quede ocupado durante mucho tiempo. Source: CS244, Steve McKeown, Stanford University 24

25 Conmutación de Paquetes Retardo por Encolado Como el enlace de salida no tiene por qué estar libre al llegar un paquete, éste se encola en un buffer. Si la red está ocupada, los paquetes podrían tener que esperar un tiempo no despreciable. Host A R1 R2 R3 Host B TRANSP1 PROP1 Q2 TRANSP2 TRANSP3 PROP2 PROP3 TRANSP4 Actual end Retardo to end e2e latency real PROP4 = ( TRANSP i + PROP i + Qi) i Source: CS244, Steve McKeown, Stanford University 25

26 Resumen Conmutación Conmutación de circuitos Ruta de transmisión dedicada Transmisión de datos continua Los mensajes no se almacenan La ruta se establece para la conversación entera Retardo de establecimiento de llamada. Retardo de transmisión despreciable Ancho de banda fijo C.P, Datagramas Ruta de transmisión no dedicada Transmisión de paquetes Los paquetes pueden almacenarse hasta su entrega Se establece una ruta para cada paquete Retardo de transmisión de paquetes Uso dinámico del ancho de banda C.P, Circuitos Virtuales Ruta de transmisión no dedicada Transmisión de paquetes Los paquetes pueden almacenarse hasta su entrega La ruta se establece para la conversación entera Retardo de establecimiento de llamada. Retardo de transmisión de paquetes Uso dinámico del ancho de banda 26

28 Por qué una arquitectura por niveles? En una comunicación se plantean multitud de problemas técnicos a abordar codificación, sincronización, acceso a un medio compartido, detección y corrección de errores, garantía de entrega al siguiente salto, encaminamiento hasta el destino, garantía de entrega al destino, etc. Divide y vencerás la funcionalidad se distribuye entre un conjunto de capas o niveles un par de entidades de una misma capa define un protocolo conjunto de reglas que define el intercambio de mensajes y su sintaxis una entidad en un nivel ofrece servicios al nivel superior usando servicios del nivel inferior 28

29 Arquitectura por niveles Aplicación Aplicación Presentación Presentación CT CS CS Sesión Transporte Protocolo Sesión Transporte CT CS CS CR CT CS Red Red CR CT CS CE CR CT CS Enlace Enlace CE CR CT CS CE CR CT CS Físico Físico CE CR CT CS CE= Cabecera de Enlace CR= Cabecera de Red CT= Cabecera de Transporte CS= Cabecera de Sesión 29

30 Modelo OSI APLICACIÓN PRESENTACIÓN Sistema Final 7 6 Sistema Final 7 6 SESIÓN TRANSPORTE 5 4 Sistema Intermedio 5 4 RED ENLACE FISICO

31 Arquitectura TCP/IP Aplicación Bloque de Aplicación Servicios de Red Transporte Interred Subred Físico Mensajes o Flujos contínuos Segmentos Datagramas IP Tramas de subred 31

32 Mapa de Protocolos TCP/IP APLICACIONES SMTP RPC Rlogin Rsh FTP TELNET DNS SNMP NFS BOOTP ASN.1 TFTP DHCP RPC XDR TCP UDP IP (con ICMP e IGMP) ARP RARP SUBRED + FÍSICO 32

34 Introducción al correo postal Madrid Barcelona Bob Alice Admin Admin Source: CS244, Steve McKeown, Stanford University 34

35 Características del correo postal Cada sobre se envía independientemente. No hay una garantía de tiempo de entrega. No hay garantía de entrega en orden. De hecho, no hay garantía de entrega! Las cosas se pierden Cómo podemos confirmar la entrega? Si no se confirma la recepción, o se confirma la no recepción, reenvío Cómo determinar cuándo reenviar? Expiración? Hacen falta copias de lo que se envió. Cuánto tiempo hay que mantener esas copias? Qué pasa si se piede la confirmación de entrega? Source: CS244, Steve McKeown, Stanford University 35

36 Introducción al correo postal Madrid Bob Admin Nivel de Aplicación Nivel de transporte Nivel de red Barcelona Alice Admin Nivel de enlace Source: CS244, Steve McKeown, Stanford University 36

37 Introducción a Internet host1.madrid.net Bob Nivel de Aplicación Nivel de transporte host2.barcelona.net Alice O.S. Datagramas Data Header Data Nivel de red Header O.S. Nivel de Enlace Source: CS244, Steve McKeown, Stanford University 37

38 Características de Internet Cada paquete se envía independientemente. No hay una garantía de tiempo de entrega. No hay garantía de entrega en orden. De hecho, no hay garantía de entrega! Los paquetes se pierden Cómo podemos confirmar la entrega? Si no se confirma la recepción, o se confirma la no recepción, reenvío Cómo determinar cuándo reenviar? Expiración? Hacen falta copias locales de lo que se envió. Cuánto tiempo hay que mantener esas copias? Qué pasa si se piede la confirmación de entrega? Source: CS244, Steve McKeown, Stanford University 38

39 Características adicionales de Internet No hay garantía de la integridad de los datos. Los paquetes pueden fragmentarse. Los paquetes pueden duplicarse. Source: CS244, Steve McKeown, Stanford University 39

41 Arquitectura de Internet Source: Libro de Stallings 41

42 Ejemplo de Configuración Source: Libro de Stallings 42

43 Bibliografía Básica Comer, cap 1 y 2 Peterson, sec 2.3 y 3.1 Stallings, Data Comm, cap 1, 2 y 8 43

44 Bibliografía Complementaria A. Pattavina, Switching Theory. Wiley, D. Clark, The Design Philosophy of the DARPA Internet Protocols, Proc. ACM SIGCOMM 1988, pp Jose Miguel Alonso, Protocolos de comunicaciones para sistemas abiertos, Addison-Wesley, Tanenbaum, cap 1 44