Elementos de Redes de Datos

Transcripción

1 Universidad Nacional de Luján Departamento de Ciencias Básicas División Estadística y Sistemas Cuaderno de Estudio Elementos de Redes de Datos Lic. Fernando Bordignon Lic. Gabriel Tolosa Material destinado a alumnos que cursen las asignaturas Computación ó Informática en carreras no relacionadas con los Sistemas de Información. Publicación oficial del Departamento de Ciencias Básicas de la Universidad Nacional de Luján, aprobada según Concurso Anual de Publicaciones DCB Enero

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3 Índice General Primera Parte: Conceptos Básicos - Qué es una red informática? 5 - Beneficios de las redes 5 - Modelo básico de una red 6 - Idea básica de la transmisión de datos 8 - Topologías más usuales 9 - Clasificación de las redes por su extensión 12 - Medios físicos 16 - Transmisión de datos en redes globales (WAN) 19 - Transmisión de datos en redes locales (LAN) 22 - Protocolos 28 - Jerarquía de protocolos 29 - El juego de protocolos TCP/IP 34 Ejercicios. 39 Segunda Parte: Servicios de usuario final que operan sobre Internet - Algunas cifras acerca de Internet 41 - Para qué sirve Internet? 45 - Qué se espera en Internet? 46 - Clientes y servidores 46 - Sistema de nombres de dominio (DNS) 47 - Protocolo de terminal remota (Telnet) 49 - FTP - Protocolo de Transferencia de Archivos 51 - World Wide Web ó simplemente web 53 - Qué es un explorador? 57 - Buscadores de información 57 - Qué servicio provee una computadora proxy HTTP? 61 - Correo electrónico ( ) 62 Ejercicios 68 Bibliografía de consulta 71 3

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5 Primera Parte: Conceptos Básicos Qué es una red de computadoras? Una red de computadoras (o red de datos) es un conjunto de dos o más computadoras, conectadas en forma continua o no, con la finalidad de intercambiar información y compartir recursos Modem Impresora Equipo de escritorio Equipo de escritorio INTERNET Red Ethernet PC portable Servidor Archivos Plotter Beneficios de las redes : Compartir recursos. Implica la posibilidad de que usuarios puedan acceder a recursos que posean otros usuarios, tales como impresoras, unidades de almacenamiento, plotters, scanners. Generalmente los programas y sus archivos de datos se guardan en un equipo denominado servidor de archivos al que pueden acceder muchos usuarios de la red de forma concurrente. Proporcionar una alta confiabilidad y disponibilidad, al contar con fuentes alternativas de almacenamiento o de servicio es posible lograr este objetivo. Disminución de gastos. Las computadoras personales tienen una mejor relación costo/rendimiento comparada con maquinas grandes o mainframes. Por otro lado es posible compartir datos y periféricos. 5

6 Estandarización de aplicaciones. Debido a que se ofrecen ventajas para distribuir o acceder a paquetes de software estandarizados. Por ejemplo, se puede instalar en un equipo servidor un único aplicativo, y mediante la red todos los usuarios de una oficina utilizar tal software. Mensajería. Las redes facilitan la comunicación entre usuarios mediante la utilización de sistemas de mensajería. Éstos permiten enviar y recibir mensajes, ya sea estando en línea (es decir, interactuando directamente en tiempo real ambos usuarios comunicados) ó bien en tiempo diferido (significa que se pueden enviar mensajes sin la necesidad de que el usuario destinatario se encuentre frente a su computadora). Ejemplos de éstos servicios son el sistema de chat y el correo electrónico, respectivamente. Colaboración/Trabajo en grupo. La facilidad en la distribución de la información permite que múltiples usuarios a la vez puedan estar trabajando sobre los mismos documentos. Existe software que permite actualizar documentos en tiempo real a los efectos de que todos los usuarios obtengan las modificaciones realizadas por otros y puedan hacer las propias, generando un resultado global producto de la interacción de varios. Oportuna adquisición de datos. La adquisición de datos y el procesamiento en tiempo real es una opción brindada por las redes de datos. Por ejemplo, cuando usted efectúa un depósito o una extracción de dinero en un cajero automático, tal acción se transmite y se registra en a una base de datos central. Por lo cual, cuando consulte el saldo desde otro cajero automático, el mismo ya estará actualizado a la última operación realizada. Modelo básico de una red FUENTE TX Sistema de Transmisión RX DESTINO Sistema Origen Sistema Destino 6

7 La fuente es el dispositivo que genera los datos a transmitir. (Puede ser una computadora, un equipo de fax, etc). El destino es el dispositivo al cual se envían los datos generados por la fuente. El transmisor (tx) convierte datos entregados por una fuente en señales que son inyectadas al sistema de transmisión. Por ejemplo, la placa de red de una computadora genera las señales que se transmiten por el medio que une los equipos (pudiendo ser, por ejemplo, cable coaxial, fibra óptica ó cable telefónico). El receptor es el dispositivo destinatario de las señales enviadas por el equipo transmisor. En el siguiente gráfico se observan los nombres técnicos con los que se conoce a cada componente: Datos Señales Datos ETD FUENTE ETCD TX Medio ETCD RX ETD DESTINO Circuito de Datos Enlace de Datos Equipo terminal de datos (ETD): Es la fuente ó destino de los datos. Es independiente del grado de inteligencia asignado, dado que puede ser desde un equipo de envío/recepción de fax hasta una computadora. En éste encuentran la fuente o generador de datos, en el caso de una computadora sería la aplicación que genera ó recibe datos, y el control de comunicaciones (driver de software) que gerencia el dispositivo de comunicaciones (módem o interfase de red). También se lo suele conocer como DTE por sus siglas en inglés (Data Terminating Equipment). Equipo terminal del circuito de datos (ETCD): Es el dispositivo encargado de convertir las señales que llegan por el canal de transmisión en datos reconocibles por el ETD y viceversa. Junto al ETD forman el nodo ó estación de comunicaciones. 7

8 Canal de transmisión: Es el conjunto de medios de transmisión que unen los dos ETCD. Circuito de datos: Es el conjunto que forman el canal de transmisión y los ETCD. Enlace de datos: Es el conjunto que forman el circuito de datos junto con el control de comunicaciones de los ETD. Idea básica de la transmisión de datos Un equipo que desea transmitir datos debe transformar los mismos en energía y transmitirla (inyectándola en el medio). En el destino se debe recibir la energía, decodificar y transformarla en datos. Energía puede ser de tipo electromagnética ó eléctrica (luz, microondas, ondas de radio, etc.). Cada forma de energía tiene diferentes propiedades y requerimientos para su transmisión. La energía se transmite en forma de señal sobre un soporte llamado medio. Hardware especial es requerido para codificar y decodificar los datos. Un ejemplo es el modem, dispositivo encargado de tomar un dato digital, convertirlo en una señal analógica e inyectarlo en un medio -generalmente el sistema de telefonía-. En el lado del receptor, otro modem se encargará de realizar la operación inversa. Usuario A Señales digitales Modem Red de Telefonía Pública Señales analógicas Modem Señales digitales Usuario B El siguiente diagrama muestra un sistema típico de acceso a Internet por parte de una empresa proveedora de servicios (ISP) que posee un grupo de modems para que usuarios hogareños suscriptos accedan a su red para obtener tal beneficio. 8

9 Internet Usuario Modem Usuario Modem Red de Telefonía Pública Modem Modem Modem Modem ISP Servidor local Usuario Modem Topologías más usuales La disposición de los diferentes componentes de una red se conoce con el nombre de topología de red. La topología a seleccionar para una red concreta va a depender de diferentes factores, como el número de equipos a conectar, tipo de medio físico, longitud de la red, disposición geográfica de los equipos a conectar, etc. Se presentan dos niveles de topología a saber: La topología física es la disposición real de los equipos y de los enlaces (los medios) en la red. La topología lógica de una red es el orden preestablecido para que cada equipo tenga la posibilidad de transmitir sus mensajes. Los modelos clásicos de topologías físicas de una red pueden ser: Anillo Las estaciones están unidas una con otra formando un anillo por medio de un cable común. Las señales circulan en un solo sentido alrededor del círculo, 9

10 regenerándose en cada nodo. Si un nodo ó enlace falla la red deja de prestar servicio. Anillo Bus Las estaciones están conectadas por un único segmento de cable. A diferencia del anillo, el bus es pasivo, no se produce regeneración de las señales en cada nodo. También adolece del problema de que si falla alguna parte del sistema de transmisión la red deja de prestar servicio. Estrella Es la tercera de las tres principales topologías. La red se une en un único punto, normalmente con control centralizado, como ser un dispositivo concentrador de cableado encargado de regenerar y encaminar señales. 10

11 Arbol La topología en árbol es similar a la topología en estrella, salvo en que no tiene un nodo central. En cambio, existe un bus de enlace troncal desde el que se ramifican distintos segmentos con topología de bus. Esta estructura de red es utilizada en instalaciones de distribución de televisión por cable. Malla En una topología de malla, cada nodo se enlaza directamente con todos los demás. Las ventajas se dan al poder establecer conexiones redundantes, donde si algún enlace deja de funcionar la información puede circular a través de enlaces alternativos hasta llegar a destino. Además, esta topología permite que la información circule por varias rutas a través de la red. La desventaja principal es la cantidad de enlaces necesarios, su costo de instalación y mantenimiento hace que dicha topología se utilice en contadas ocasiones. 11

12 Existe una variante denominada malla irregular, donde no existe un patrón obvio de enlaces y nodos. El cableado no sigue un modelo determinado, sino que de los nodos salen cantidades variables de enlaces, de acuerdo a la necesidad de redundancia. Clasificación de las redes por su extensión Las redes informáticas se pueden clasificar según su extensión, de acuerdo con la distribución geográfica, se habla de redes: Locales ó LAN (Local Area network) Una LAN se compone de un grupo de computadoras adyacentes conectadas unas con otras por algún medio físico, que con algún software de redes, permite a las personas usar cada computadora para compartir información y recursos. Como su nombre lo sugiere, las LAN son de un alcance geográfico limitado a pocos kilómetros. Por ejemplo, una oficina, un edificio ó un campus. La forma más generalizada de transmisión de información responde al modo difusión o broadcast, dado que el envío de mensajes de un nodo origen a otro destino se realiza por un único canal de comunicaciones, compartido por todas las estaciones de trabajo. En general, cualquier mensaje enviado por cualquier máquina es recibido por todas las demás. 12

13 Departamento de Física Laboratorio B Plotter Servidor Administración Globales ó WAN (Wide Area Network) Es un sistema de comunicación entre computadoras, que permite compartir información y recursos, con la característica de que la distancia entre las computadoras es amplia (de una ciudad a otra, de un país a otro, de un continente a otro). Nótese que es común que dos o mas redes locales, que estén separadas a una importante distancia, se interconecten a través de enlaces dedicados (formando una WAN) ó a través de una red WAN existente. La forma de unión de los distintos equipos es en modo punto a punto, donde existen varias conexiones entre parejas individuales de máquinas. Para poder transmitir los mensajes desde una máquina a otra a veces es necesario que éstos circulen por máquinas intermedias (conmutadores ó ruteadores) encargadas de encaminarlos hacia la red destino. Algunas redes de área extendida están conectadas mediante líneas alquiladas a compañías telefónicas (líneas exclusivas destinadas para este propósito). Los enlaces pueden ser realizados sobre cables de fibra óptica, radioenlaces, pares de cobre ó inclusive bajo un sistema de transmisión satelital. 13

14 Departamento de Física Laboratorio B Administración Plotter Servidor Administración Plotter Departamento de Física Laboratorio B Servidor Administración UNLU - DCB INTERNET Campus Central C.R Chivilcoy Departamento de Física Plotter Servidor Campo Fundación Campomar Experimental Laboratorio B Plotter Servidor Administración C.R Campana Tabla comparativa Ejemplo de una Red de Área global de una universidad Tal como se ilustra en la figura, una red de área extendida podría ser la red constituida en una universidad en la que se han conectado varias redes de área local existentes, pertenecientes a Departamentos, Centros Regionales, Edificios anexos, etc. WAN Cobertura amplia (miles de kilómetros) Velocidades típicas inferiores a 10 Mbps (millones de bits por segundo) Suelen ser públicas y administradas por empresas Tasas de error altas (1 bit erróneo entre cada 10 5 bits transmitidos) Suele emplear enlaces punto a punto LAN Cobertura reducida, distancias inferiores a unos pocos kilómetros Velocidades típicas iguales ó superiores a 10 Mbps Suelen ser privadas y administradas por sus dueños Tasas de error bajas (1 bit erróneo entre cada 10 9 bits transmitidos) Suele emplear transmisión broadcast o difusión 14

15 En general, en los ambientes WAN se utilizan enlaces punto a punto para interconectar las redes. Por otro lado, en las redes locales se utilizan topología tipo bus y anillo para interconectar a los equipos que la componen. Red de Area Global -WAN ETD FUENTE ETCD TX Sistema de Transmisión ETCD RX ETD DESTINO Red de Area Local -LAN Token Ring Ejemplo de una red de cobertura global: Internet Internet está formada por un numeroso conjunto de redes interconectadas, de origen público, privado, nacionales, internacionales, dedicadas al comercio, la investigación, el bien común, el entretenimiento, etc. Entre los términos internet e Internet existe una diferencia, internet, hace referencia a los métodos y técnicas necesarias para la interconexión de redes locales y de empresas (internetworking), e Internet se refiere a la infraestructura mundial de redes interconectadas bajo un juego de protocolos denominado TCP/IP. Según la Internet Society < "Internet es una red de redes de computadores, capaces de comunicarse transparentemente uno con otro - usualmente vía el protocolo internet". 15

16 ISP internacional ISP regional Modem ISP local Conexión permanente Abonado Modem Abonado hogareño Dial-up ó ADSL Red local privada Medios físicos El medio físico es el soporte de señales utilizado para conectar los equipos informáticos que constituyen la red. Los medios más comunes en la actualidad son: GUIADOS La señal necesita un soporte físico para ser transmitida Líneas telefónicas Cable UTP - STP Fibra óptica Cable coaxil MEDIOS NO GUIADOS Operan por radiación de la señal Radioenlaces Microondas Cables de cobre Coaxil 16

17 El término coaxial quiere decir eje común, ya que un cable coaxial está formado por un conductor central rodeado de una capa de material aislante o dieléctrico, rodeado a su vez por una malla de hilos conductores cubierta por una funda de material aislante y protector. Formando así cuatro capas concéntricas. Posee elevada inmunidad a interferencias electromagnéticas y una importante capacidad de transmisión de datos por unidad de tiempo. Núcleo (cobre) Conductor exterior trenzado (cobre) Aislante Cubierta protectora (plástico) Cables de pares retorcidos (UTP) En este tipo de cable, los conductores aislados se trenzan entre sí en pares y todos los pares del cable a su vez. Esto reduce las interferencias entre pares y la emisión de señales. Estos cables se utilizan, sobre todo, para los sistemas de cableado integral de redes locales, combinando telefonía y redes de transmisión de datos Fibra óptica Las fibras ópticas se utilizan como guías de haces de luz sobre los cuales se modulan las señales que transmiten la información. El fenómeno físico que subyace en la fibra óptica es la reflexión interna total. Cuando un rayo de luz que se propaga por un medio incide sobre otro medio de índice de refracción menor -con un ángulo de incidencia menor que un valor crítico-, se refleja sin pérdidas en la superficie de separación. De esta manera, mediante sucesivas reflexiones en un tubo óptico el rayo puede transmitirse sin atenuación por grandes distancias. Una fibra óptica es un filamento de vidrio que consta de un núcleo y un recubrimiento. El recubrimiento tiene un índice de refracción ligeramente menor que el núcleo, permitiendo así la reflexión total interna. 17

18 Transmisor (led ó diodo laser) Receptor fotosensible Su uso principal está limitado a la interconexión de edificios y a enlaces de larga distancia que necesiten transportar una importante cantidad de información por unidad de tiempo. Núcleo - (hebra) polímero-vidrio Cubierta protectora (plástico) Revestimiento Radio Las ondas de radio se utilizaron desde los inicios de las redes de datos, y gracias a los avances tecnológicos como la telefonía celular y el auge de los equipos portátiles, se están convirtiendo en uno de los medios de transmisión más utilizados en la actualidad. Estas ondas se irradian en el espacio de manera omnidireccional. LAN A Antena Transmisor Receptor Antena Transmisor Receptor LAN B Microondas 18

19 Microondas es un termino que se utiliza para identificar ondas electromagnéticas en el espectro de frecuencias comprendido entre 1 y 30 Ghz, que corresponde a longitudes de onda de 1 a 30 cms. Las microondas ofrecen ventajas de que es posible concentrarlas formando potentes rayos de gran direccionalidad que, por ejemplo, atraviesan con facilidad la atmósfera terrestre (mientras que las ondas de radio rebotan en la ionosfera), motivo por el cual se emplean para las comunicaciones vía satélite. El proceso es el siguiente: desde una planta transmisora en tierra se envía un haz de microondas al satélite, éste lo recoge, y una vez convenientemente amplificado lo reenvía de regreso a la tierra, a una estación receptora. El satélite se comporta como una estación repetidora en el espacio, la cual permite tener estaciones transmisoras y receptoras a considerables distancias. Satelite LAN A Antena Antena LAN B Transmisor Receptor Transmisor Receptor Cuadro comparativo de medios físicos Criterio Coaxial grueso Par trenzado UTP Fibra óptica Velocidad de transmisión 100 Mbps 100 Mbps 100 Mbps a 2,2 Gbps Longitud enlace 500m 100m kms Inmunidad transferencias Excelente Pobre Inmune a eléctricas Flexibilidad cable Media-alta Alta Media-alta Facilidad instalación Media-alta Fácil Media-alta Costo Medio Bajo Medio-Alto Transmisión de datos en redes globales (WAN) 19

20 En las grandes redes, las comunicaciones se realizan transmitiendo datos desde origen a destino, pasando por nodos de conmutación, cuya finalidad es soportar la transmisión de datos. Existen dos formas fundamentales de conmutación, las cuales se presentan a continuación: Conmutación de Circuitos Entre dos computadoras que desean comunicarse se establece de forma temporal o permanente un camino formado por n enlaces. Es decir que van existir n enlaces físicos y en cada uno se dedica un canal lógico a la comunicación. Los datos pertenecientes a una misma comunicación siempre seguirán por un mismo camino (definido al inicio de la comunicación) y llegarán en el orden que salieron de la computadora origen. En el modelo de red basado en conmutación de circuitos se establecen tres fases en toda comunicación, y son: a) Fase de inicio, en la cual se establece el circuito entre las computadoras que deseen comunicarse y además se negocian parámetros relacionados a la transferencia de datos (velocidad, control de error, etc), b) Fase de transferencia de datos, donde se intercambian los mensajes provenientes de las aplicaciones que se comunican, y c) fase de cierre de la comunicación, que es donde las aplicaciones deciden dejar de comunicarse y la red libera los circuitos dedicados a tal enlace. Los circuitos pueden ser utilizados por próximas comunicaciones entre las mismas computadoras u entre otras. El sistema telefónico clásico es un ejemplo de una red basada en conmutación de circuitos. Características de una red basada en conmutación de circuitos. Necesidad de establecer una conexión Establecimiento/Mantenimiento/Liberación Circuitos dedicados a la conexión Velocidad fija No soporta prioridades 20

21 NC NC A B NC NC NC C NC NC D NC Nodo de Conmutación Conmutación de Paquetes En una red basada en conmutación de paquetes no es necesario, a priori, reservar recursos en nodos de conmutación (también conocidos como ruteadores en el mundo de la conmutación de paquetes), ni establecer una conexión entre computadoras de usuario. Los datos pertenecientes a una comunicación entre dos computadoras de usuario final se envían en unidades de unos cientos de bytes denominadas paquetes; los nodos intermedios que reciben tales paquetes, analizan su contenido y en base a información de topología de red encaminan los paquetes a próximos nodos intermedios, hasta alcanzar la computadora destino. El protocolo IP, utilizado en Internet, es un protocolo de red que opera bajo esta modalidad. Características de una red conmutación de paquetes Almacenamiento temporal en nodos de conmutación de paquetes (store and forward) No hay necesidad de establecer una conexión Los datos se transmiten vía mensajes denominados datagramas Dos datagramas, pertenecientes a una misma comunicación, pueden seguir distintos caminos Velocidad variable de transferencia Soporta prioridades 21

22 NC A1 NC A A2 B NC NC C2 NC NC C1 NC C D NC Nodo de Conmutación ó ruteador Transmisión de datos en redes locales (LAN) Como ya se mencionó, la forma más generalizada de transmisión de mensajes responde a la modalidad difusión, donde el envío de mensajes de un nodo origen a otro destino se realiza por un sólo canal de comunicaciones, compartido por todas las máquinas de la red. Existen dos protocolos de acceso al medio que son los más usados en las redes locales para la transmisión de mensajes entre equipos adyacentes. El "protocolo de pase testigo en anillo" (una versión de producto empresa es Token Ring de IBM) y el "protocolo CSMA/CD - Sensado de señal portadora para múltiples accesos, con detección de colisiones-", conocido vulgarmente como Ethernet. Protocolo de pase de testigo en anillo Las redes de transmisión de testigos (ó tokens) transportan un pequeño mensaje, denominada testigo, a través de una red con topología de anillo. La posesión del testigo (estado libre) otorga el derecho a transmitir datos. Si un nodo que recibe un testigo libre no tiene información para enviar, transfiere el testigo a la siguiente estación en el orden del anillo. Se especifica de forma completa en la norma internacional IEEE Cuando una estación que recibe el mensaje testigo en estado libre y tiene información para transmitir, establece como ocupado el estado del testigo y le adosa los campos que conforman el mensaje a transmitir (siendo generalmente: dirección del equipo origen, dirección del equipo destino, datos a transmitir y datos de control de error). Finalmente envía estos datos a la siguiente estación 22

23 del anillo. Generalmente, no hay ningún testigo en la red mientras un mensaje de datos gire alrededor del anillo (a menos que el anillo acepte envíos anticipados de testigos libres). En tal situación, las demás estaciones del anillo no pueden realizar transmisiones. Deben esperar a que el testigo esté disponible. Las redes de este tipo no tienen situaciones en la que dos mensajes choquen, denominada colisiones. El mensaje con datos gira alrededor del anillo hasta que llega a la estación destino establecida, la cual copia la información para su posterior procesamiento. El mensaje continua girando alrededor del anillo hasta que llega a la estación emisora y entonces se elimina. La estación emisora puede verificar si el mensaje se recibió y se copió en el destino. Toda red de transmisión de testigo sobre anillo es determinística. Esto significa que se puede calcular el tiempo máximo que transcurrirá antes de que cualquier estación terminal pueda realizar una transmisión. Esta característica hace que las redes de pase de testigo en anillo sean ideales para aplicaciones en las que las demoras o retardos deban ser predecibles. Adicionalmente, este tipo de redes usan un sistema de prioridad que permite que determinadas estaciones de alta prioridad designadas por el usuario usen la red con mayor frecuencia. 4 1 Cableado en Anillo 3 Testigo 2 Mensaje TESTIGO 1 ocupado DIRECCION ORIGEN DIRECCION DESTINO DATOS CONTROL Testigo Libre TESTIGO 0 libre 23

24 Ejemplo de operación Objetivo: Envío de un mensaje de PC 2 a PC 4 A) El mensaje testigo libre llega a PC 2 B) PC-2 establece el testigo como ocupado y añade su carga de datos dirigida a PC-4, pero reenvía el mensaje a PC-3, que es la estación siguiente en el sentido de circulación en el anillo. C) PC-3 analiza el mensaje, determina que no es para él y lo reenvía a PC-4 D) PC-4 recibe el mensaje, identifica que la carga de datos va dirigida a él, la copia en su memoria y al final del mensaje añade una marca que indica la recepción del mensaje, denominada acuse de recibo. Finalmente reenvía el mensaje actualizado a PC1 E) PC-1 determina que el mensaje no va dirigido a él y por ende reenvía la trama a PC-2 F) PC-2, el originante del mensaje actual, libera el testigo y lo reenvía a los efectos de que otro equipo pueda utilizarlo. Nótese que PC-2 puede determinar si el mensaje enviado a PC-4 fue bien recibido o no, verificando la información concerniente a acuse de recibo, instanciada por PC-4. Protocolo Ethernet Ethernet y sus protocolo derivados (Fast Ethernet, Giga Ethernet) son la tecnología de transmisión de mensajes en LANs de uso más generalizado a nivel mundial. Su éxito deriva de su sencillez, robustez y costos reducidos de implementación y mantenimiento. Ethernet es un protocolo que se adecua muy bien para soportar aplicaciones que requieran bajo tráfico y ocasionalmente puedan requerir velocidades más elevadas. 24

25 El protocolo de red Ethernet fue diseñado originalmente por Digital, Intel y Xerox por lo cual, la especificación original se conoce como Ethernet DIX. Posteriormente, la organización IEEE ha definido el estándard Ethernet Las redes Ethernet son de carácter no determinístico, es decir que cualquiera de las estaciones de una red local pueden acceder a transmitir sobre el medio en cualquier momento. Antes de enviar datos, una estación sensa el medio físico para determinar si el canal compartido se encuentra en uso ó no. Si lo está, entonces esperan a que se desocupe. Si no se encuentra en uso, la estación comienzan a transmitir. El mensaje enviado llega a todas las otras computadoras ó estaciones, aquella que determine que el mismo va dirigido a ella (revisando si la dirección destino corresponde con la propia) lo copiará a su memoria de trabajo, el resto lo desechará. Ocurre con cierta frecuencia que varios equipos que han estado esperando por canal desocupado para transmitir un mensaje de datos, luego que lo detecten desocupado, empiecen a transmitir sus mensajes a la vez. tal situación se conoce como colisión; los mensajes que colisionan se corrompen y no pueden ser procesados por las aplicaciones. Para evitar la pérdida de mensajes, las estaciones de una red Ethernet pueden detectar colisiones, y poseen algoritmos de postergación que determinan el momento en que las estaciones que han tenido una colisión pueden volver a transmitir. El conjunto de medios físicos de una red, donde un grupo de equipos que comparten un mismo canal pueden colisionar, se denomina dominio de colisión. La velocidad de transmisión de un mensaje en una red Ethernet es de 10 megabits por segundo. Preámbulo bytes SFD (INICIO) byte Dirección Destino 6 bytes Dirección Origen 6 bytes Largo 1 byte Carga de 45 a 1500 bytes Control 4 bytes Formato de un mensaje de datos Los modelos clásicos de cableado de redes Ethernet son: 10base5. Es el modelo de red Ethernet original. Utiliza cable coaxial grueso y transceptores insertados en él, que tienen la misión de convertir datos en señales y viceversa. La longitud máxima del bus es de 500 m con 100 estaciones por segmento, a una distancia mínima de 2.5 m entre puntos de inserción de los transceptores. Se pueden unir hasta cinco buses 25

26 (utilizando un hardware de amplificación de señales denominado repetidor), es decir que el largo total del dominio de colisión puede ser metros. 10base2. Alternativa económica a 10Base5, el cual utiliza cable coaxial fino y transceptores incorporados en equipos (normalmente en un módulo, denominado placa de red). La longitud máxima del bus es de 185 metros con un máximo de 30 estaciones. Con repetidores pueden unirse hasta cinco buses. Segmento A Plotter Dominio de colisión Repetidor BUS 500 metros en 10Base5 185 metos en 10Base2 Segmento B 10baseT. Este modelo de red sigue siendo tipo bus, pero en modalidad colapsado. Dado que el mismo se define en un dispositivo electrónico denominado repetidor multipuerto o hub. El cable a utilizar son pares de cobre retorcido, también conocidos como cable UTP. cada enlace entre equipo y hub tiene una distancia máxima de 100 metros. Es posible unir repetidores (hasta cuatro) a los efectos extender geograficamente la red. 26

27 ENLACE ENTRE HUBS cable coaxil (10Base2) Cable UTP ENLACE Máximo 100 metros Cable UTP HUB HUB 10baseF. Dominio de colisión Especifica a Ethernet sobre fibra óptica, como soporte físico de transmisión. Como beneficio derivado de la fibra óptica se puede citar: posibilidad de contar con enlaces de mayores distancias, inmunidad total a interferencias electromagnéticas, se puede transportar mayor volúmenes de información por unidad de tiempo. En entornos industriales y en enlaces entre edificios se suele utilizar frecuentemente cableado de fibra. Las redes Ethernet de fibra óptica se establecen utilizando una topología en estrella. Norma Medio Velocidad de Transmisión Longitud Máxima del Segmento Topología Física Topología Lógica 10Base5 Coaxial grueso 10 mbps 500 mts Bus Bus 10Base2 Coaxial fino 10 mbps 185 mts Bus Bus 10BaseT UTP 10 mbps 100 mts Estrella Bus 10BaseFL Fibra óptica 10 mbps mts Estrella Bus 100BaseTX UTP 100 mbps 100 mts Estrella Bus Normas de operación Evolución de Ethernet: Protocolo Fast Ethernet Fast Ethernet implementa el mismo modo de trabajo que su antecesor Ethernet, la diferencia principal es que la velocidad de transmisión de un mensaje es de 100 megabits por segundo. El cableado sigue siendo tipo 10BaseT (aquí se denomina 100BaseT). EL formato de los mensajes de datos de conserva. 27

28 Protocolos Cuando una computadora se comunica con algún par u otro dispositivo remoto, se intercambian una series de mensajes. Para comprender y actuar con estos mensajes, las computadoras deben coincidir en la escritura y en el significado de los mensajes (sintaxis y semántica) Un ejemplo simple puede darse cuando una persona desea enviar una carta, analice la siguiente secuencia de operaciones: La persona que posee el rol de remitente escribe sobre papel el mensaje a enviar Se introduce al soporte del mensaje (el papel) en un sobre, agregándose datos adicionales tales como dirección destinatario de la misiva y dirección del remitente. A esta operación de la llama encapsulado. La carta se lleva a la oficina de correos para su transporte El operario de la oficina analiza la dirección destino de la carta a los efectos de decidir a cual oficina de correos enviarla inserta en una bolsa de correspondencia. Otra vez se realiza encapsulado. La carta es transportada por varias oficinas de correo hasta llegar a la oficina de la ciudad donde habita el destinatario. Nótese que una carta puede pasar por varias oficinas de correo (oficina local, oficina, provincial, centro clasificador internacional, etc) hasta llegar a destino, a la operación consistente en que una oficina reciba una carta y la despache al destinatario o a otra oficina de correos, en base al análisis de la dirección destino, se la conoce como ruteo. Se clasifica la carta y se la entrega al correo cuya dirección destino es parte de su dominio de reparto El cartero realiza la entrega en destino La persona destinataria de la misiva, abre el sobre y lee el contenido. 28

29 Origen Destino Mensaje Sistema Intermedio En oficina de correos Proceso de enrutamiento de cartas Mensaje Sobre Mensaje Sobre Mensaje Sobre Mensaje Sobre Mensaje bolsa de correspondencia Sobre Mensaje bolsa de correspondencia Sobre Mensaje bolsa de correspondencia Sobre Mensaje bolsa de correspondencia Sobre Mensaje Un protocolo es un juego de reglas que determinan como se comunicaran las computadoras con cada una de las otras a través de una red subyacente. Un protocolo describe: El formato y el significado de los mensajes a intercambiar, y La manera en la cual, los equipos, deben intercambiar tales mensajes utilizando una red como soporte de comunicaciones. Existen distintos tipos de protocolos de acuerdo a la función que realizan, por ejemplo: Protocolo de envío de mail en Internet SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) Protocolo de recepción de mail en Internet POP3 Protocolo de copia de archivos entre máquinas remotas FTP (File Transfer Protocol) Protocolo de transferencia de archivos en el espacio web HTTP Protocolo Ethernet, para conectar computadoras en una red local ó LAN. Protocolo IP, cuyo objetivo es llevar mensajes entre redes. Protocolo TCP, cuyo objetivo es que dos computadoras remotas (no necesariamente están en la misma red local) puedan comunicarse como si estuvieran en la misma red local. Jerarquía de protocolos Los protocolos utilizados para la comunicación en redes se organizan de una manera jerárquica, de acuerdo a un criterio de división por funciones. Dicha 29

30 jerarquía se la conoce como modelo de comunicaciones por capas y se basa en el concepto de que para que una aplicación que se ejecuta en un sistema final A establezca comunicación con una aplicación que resida en un sistema final B, debe usar los servicios de una capa correspondiente dentro de la jerarquía. Cuando una aplicación desea transmitir información, le entrega a una determinada capa la información a transmitir, la que a su vez, será transmitida a la capa inferior, y así sucesivamente. Cada vez que un bloque de información es entregado a una capa, esta le agrega un encabezado y un final, que proporcionan la información que la capa de destino requiere para entregarle la información a la capa superior del receptor. Este bloque más información adicional es entregado como información a la capa inferior, que vuelve a agregarle información, y entregarla a su capa adyacente inferior. Finalmente, la capa física recibe la información de la capa enlace, y la transforma a las señales eléctricas requeridas para que la información sea transferida a la capa física. La comunicación entre pares de capas se realiza mediante un protocolo de comunicaciones. Existen e protocolos de capa transporte como TCP, UDP, de red como IP, IPX, de enlace como Token Ring y Ethernet. Dado que cada capa transporta la información de su capa superior, el protocolo de la capa n, debe encapsular el protocolo de la capa n+1. Por ejemplo, es normal ver que un mensaje TCP sea encapsulado dentro de mensaje IP, y que este a su vez sea encapsulado en un mensaje Ethernet. Al llegar a la capa física, los datos se convierten en señales y se del transportan por un medio físico (capa física). La interacción entre las diferentes capas adyacentes se realiza a través de una interfase. La interfase define que servicios la capa inferior ofrece a su capa superior y como estos son accedidos. 30

31 Sistema Final A Sistema Final B Aplicación Protocolo de Aplicación Aplicación Presentación Protocolo de Presentación Presentación Sesión Protocolo de Sesión Sesión Transporte Protocolo de Transporte Interfase Transporte Interfase Red P. de Red B Red P. de Red A Red Enlace P. Enlace X Enlace P enlace Y Enlace Capa Física Capa Física Sistema intermedio Los principios que rigen este diseño de capas son: Cada capa (n) debe ofrecer un conjunto bien definido de funciones a su capa superior (n+1). Cada capa (n) debe poder hacer su trabajo usando los servicios provistos por su capa inferior (n-1). Cada capa debe ser lo suficientemente reducida y simple para que sus funciones sean fácilmente entendibles. Existe un modelo mundial de referencia para sistemas abiertos, se lo denomina Modelo de Referencia OSI y fue desarrollado por la Organización Internacional de Estándares (ISO)denominada ISO. A continuación se detallan las siete capas definidas por el modelo: Aplicación: Este nivel hace referencia a las normas que deben cumplir los protocolos con relación a las aplicaciones. Como por ejemplo, un navegador, un cliente de correo electrónico, un programa 31

32 Presentación: Sesión: Transporte: Red: de conferencia, etc. El protocolo obliga a las aplicaciones que van a manejarse dentro de una red de transmisión de paquetes, a cumplir unas normas que le permitan hacerse entender por aplicaciones residentes en otras máquinas de la red Se ocupa de los aspectos de sintaxis y semántica de la información que se transmite. Se establecen las normas que se deben cumplir en relación a la normalización de los códigos de caracteres a utilizar, como ser ASCII y EBCDIC. Se resuelven cuestiones relativas a la compresión y al encriptado de la información. En este nivel se gestiona el control del diálogo. Esta capa permite que los usuarios de diferentes máquinas puedan establecer sesiones entre ellos. Una sesión podría permitir al usuario acceder a un sistema de tiempo compartido a distancia, o transferir un archivo entre dos máquinas. A diferencia de las capas anteriores, esta capa es de tipo origen-destino; es decir, un programa en el equipo origen lleva una conversación con un programa similar que se encuentra en el equipo destino. Por otro lado, esta capa acepta los datos de la capa de sesión, los divide en unidades más pequeñas, y los pasa a la capa de red, asegurando que todos ellos lleguen correctamente al destino final de la manera más eficiente. La capa de transporte se necesita para hacer el trabajo de multiplexado transparente al nivel de sesión. En este nivel se establecen las normas a cumplir con relación a la manera en que los mensajes transcurren entre las redes origen, destino e intermediarias. La información que se añade al mensaje recibido en este nivel, le permitirá moverse a través de redes, buscando siempre el mejor camino para llegar a su destino final. El control de la congestión es también problema de este nivel, así como la responsabilidad para resolver problemas de interconexión de redes heterogéneas Nivel de enlace: En este nivel se establecen las normas para conseguir una transmisión fiable y libre de errores. La información añadida en este nivel se utiliza gestionar la comunicación entre máquinas adyacentes (directamente vinculadas). Nivel físico: Se establecen las normas que deben cumplir los protocolos con relación a las características físicas de todos los componentes involucrados con la transmisión de datos: 32

33 normas de módem, líneas de transmisión, interfases, controladores de comunicaciones, valores de señal, etc. Se consideran los aspectos mecánicos, eléctricos y del medio de transmisión física. En cada capa del modelo de referencia se puede hablar del protocolo de la capa n y cada entidad que reside en una capa usa una interfase para comunicarse con la capa inferior o con la capa superior. Esa interfase consta de un conjunto de operaciones y servicios bien definidos según los principios antes descritos. En un momento dado, se puede decir que existe una comunicación virtual directa entre la capa n de una aplicación en un nodo con la capa n de otra aplicación en otro nodo. La comunicación siempre se realizará entre dos sistemas. La información que se genera en el nivel de aplicación de uno de ellos, desciende por el resto de las capas hasta llegar al nivel físico, que es el correspondiente al medio de transmisión, donde se inyecta y llega al nivel 1 del otro sistema, donde asciende hasta alcanzar el nivel de aplicación. A lo largo de la transmisión, cada capa añade a los datos originales a transmitir información de control relativa a su nivel, de forma que los datos originales van siendo recubiertos por capas datos de control. Nótese que el sistema destino, cada capa va analizando el mensaje entrante y sacando la porción de información de control insertada por la capa compañera (es decir, del mismo nivel) del sistema origen. Sistema Origen Mensaje Sistema Destino Aplicación H7 Datos Aplicación Presentación H6 H7 Datos Presentación Sesión H5 H6 H7 Datos Sesión Transporte H4 H5 H6 H7 Datos Transporte Red H3 H4 H5 H6 H7 Datos Red Enlace H2 H3 H4 H5 H6 H7 Datos Enlace Físico H2 H3 H4 H5 H6 H7 Datos Físico H7-H2 : Datos de control específicos de cada nivel. Las protocolos de mismo nivel se entienden entre ellos, es decir, el protocolo de nivel 4 enviará información al protocolo de nivel 4 del otro sistema. Nótese que para llegar al el nivel 4 del otro sistema se deben recorrer los niveles del 3 al 1 de su propia pila y el 1 al 3 del otro sistema, de manera que la comunicación siempre se establece entre niveles iguales. Cada capa dialoga con su par en el otro sistema utilizando un protocolo. 33

34 Podemos decir que el conjunto de capas, sus principios y sus protocolos definen una arquitectura de red. De esta forma es sencillo que un fabricante produzca equipamiento para algún nivel o niveles de la arquitectura de red. El juego de protocolos TCP/IP A diferencia del modelo de referencia OSI, el juego de protocolos TCP/IP opera sobre cinco capas bien definidas, a saber: física, enlace de datos, red, transporte y aplicación. Nivel de Aplicación Protocolo HTTP Protocolo POP3/SMTP Protocolo Internet-Radio Nivel de Transporte Protocolo TCP Protocolo UDP Nivel de Red Protocolo IP Nivel Enlace de Datos Protocolo Slip Modem Protocolo PPP Nivel Físico Línea telefónica / Microondas La arquitectura definida en el modelo TCP/IP a menudo se llama la arquitectura de Internet, debido a que TCP/IP e Internet están entrelazados de manera muy próxima, esto se debe a que Internet está definida como una red de redes, de alcance mundial, en la cual se utiliza como estandar de comunicaciones el juego de protocolos TCP/IP La génesis del juego de protocolos TCP/IP comenzó a definirse con en la red ARPANET a partir del año ARPANET nació interconectando cuatro organismos relacionados con la educación (Universidad de California en Los Angeles, la Universidad de California en Santa Bárbara, el Stanford Research Institute y la Universidad de Utah), en cada institución se instaló un equipo IMP 34

35 (procesador de mensajes de Internet) que era el punto de acceso a la red ARPANET. En el año 1974, en base a trabajos de investigación de Kahn y Cerf se empieza a trabajar con el concepto de pasarela de red o equipo ruteador, como elemento de interconexión de redes. Los autores sugirieron que el nuevo protocolo fuera independiente de la red y el hardware subyacente. Además, propusieron una conectividad universal a través de la red. El protocolo se elaboró y se conoció como TCP/IP. Dado el éxito de la red ARPANET, organismos militares norteamericanos tomaron la experiencia realizada y crearon una red propietaria, de características similares, denominada MILNET. En 1983, Internet, adopta su estructura actual como consecuencia de un proyecto financiado por la agencia militar DARPA para su utilización sobre plataformas que ejecutaran el sistema operativo UNIX. Se estandariza el juego de protocolos TCP/IP versión 4 (la misma que se utiliza a la fecha). La transferencia de archivos (protocolo FTP), el correo electrónico y el protocolo de terminal remota (Telnet), conformaron la trilogía inicial de servicios a nivel de aplicación por la cual los usuarios interactuaban con la red. ARPANET evolucionó y se creó la red NSFNET para conectar seis supercomputadoras, diseminadas a lo largo de Norteamérica, por medio de líneas de alta velocidad (líneas T1 operando a una velocidad de transmisión de datos de Mbps). En la actualidad la arquitectura TCP/IP se utiliza sobre todo tipo de redes, tanto en LANs como en WANs. Una importante cantidad de fabricantes de hardware y software adaptan o desarrollan productos para operar sobre redes basadas en el juego de protocolos TCP/IP. Los principales sistemas operativos, tales como Microsoft Windows, OS/2, Solaris de Sun, Linux, BSD, MVS y VMS de DEC, soportan de forma nativa el juego de protocolos TCP/IP. Básicamente, la pila de protocolos TCP/IP define las capas de red, transporte y aplicación. En la capa de red está especificado el protocolo IP, mientras que en la capa de transporte se definen dos protocolos: TCP y UDP. Por otro lado, la capa de aplicación define varios protocolos, cada uno de los cuales permite implementar un servicio sobre la red. 35

36 La capa de red Las funciones de la capa de red son llevada a cabo por el protocolo IP, el cual define las bases de todas las comunicaciones en Internet. Básicamente, tiene por finalidad transportar mensajes de datos entre redes hasta alcanzar su destino (independientemente de las aplicaciones que se utilicen). Todas las comunicaciones se pueden ver como intercambio de mensajes. Dichos mensajes se fraccionan en porciones más o menos pequeñas y se empaquetan dentro de unidades de intercambio de información de protocolo IP. Estas unidades, denominadas datagramas, contienen un encabezado donde se indica la dirección IP de origen, de destino e información adicional. A su vez, estos datagramas se transportan sobre las unidades de intercambio de información de capa enlace. (Por ejemplo mensajes Ethernet si se trabajará sobre una LAN de este tipo). La comunicación de nivel de red IP se realiza de un modo totalmente transparente para el usuario, es decir, éste no ve las gestiones a nivel red que desarrollan las aplicaciones. Por otro lado, el protocolo IP administra el direccionamiento de un datagrama, para lo cual se define un esquema de direcciones de red. Toda computadora posee, al menos, una dirección de red única (denominada dirección IP), formada por 4 números, del 0 al 255 cada uno (ej ), separados por puntos, a través de la cual es posible acceder a él. Podría pensarse una analogía con el sistema telefónico donde la dirección IP sería el equivalente al número de teléfono. A cada interfase, al menos se le define una dirección de red IP de 32 bits de longitud. Tal dirección indica dos cosas, a) a que red de Internet pertenece la interfase y b) cual es el número de interfase dentro de la red mencionada. Un ejemplo de dirección IP es , que es la dirección de la interfase asignada al equipo servidor principal de páginas web de la Universidad Nacional de Luján. Donde hace referencia a la red que pertenece y 1 hace referencia al equipo web server dentro de la mencionada red. Nótese que al servidor de web también se lo referencia por medio del nombre es quiere decir el texto es un alias de la dirección numérica. 36

37 Dado que Internet es una red de redes, al elemento de conexión entre redes se lo denomina ruteador. Los ruteadores tienen por misión la interconexión de redes (pueden ser más de dos), lo que hacen es tomar datagramas entrantes, verificar su contenido, extraer la dirección destino, seleccionar la interfase de salida en base a reglas de ruteo (existentes en el ruteador) y finalmente reenviar el datagrama (hasta un nuevo ruteador o si es el ruteador final entregarlo directamente al equipo destino). Como el protocolo TCP/IP no es orientado a la conexión, los datagramas deben llevar toda la información necesaria para alcanzar su destino, dado que los ruteadores no cuentan con información de estado anterior alguno. Los principales campos de un datagrama IP son: dirección destino y origen, control de error, longitud del mensaje, carga de datos. Existen otra serie de campos destinados a transportar información de control. En la transmisión de un datagrama entre equipos finales pueden participar n ruteadores, pero siempre se hará sobre un modelo sin conexión y sin garantías. Sin conexión porque cuando se envía el mensaje desde el emisor, no se avisa al receptor de que se le van a enviar unos datos (a nivel de red) y que esté preparado; simplemente se le envían, es decir, no existe una conexión directa entre el emisor y el receptor. Nótese que en la práctica, en ocasiones se envían datagramas a destinos que no existen ó que no se encuentran disponibles. El concepto "sin garantías" hace referencias a que el protocolo no asegura que el datagrama llegue al destino. Cada componente del sistema entrega su mejor esfuerzo para que llegue, pero no se descarta un fallo en la transferencia, un descarte ó la pérdida de un datagrama. Existe un protocolo auxiliar de red denominado "Internet Control Message Protocol" (ICMP), es utilizado por equipos finales y ruteadores a los efectos de generar mensajes sobre errores ó estados particulares de dispositivos en una red. La Capa de Transporte Protocolo TCP El protocolo TCP (Transmission Control Protocol ó protocolo de control de transmisión) es un protocolo de comunicaciones, a nivel transporte, que proporciona una transferencia confiable de datos entre equipos finales. Es responsable de generar mensajes TCP ó segmentos a partir del flujo de datos pasado por las aplicaciones de la capa superior (capa de aplicación) y asegurar que los segmentos se transfieren y lleguen a destino en forma correcta. 37

38 El protocolo es orientado a la conexión. Esto significa que las aplicaciones, antes de transferir datos deben abrir una conexión, luego intercambiar sus datos propios y finalmente cerrarla. Este modelo de trabajo asegura que: a) la máquina destino recibe exactamente la misma secuencia de bytes que envía la máquina origen y b) Los errores por corrupción o pérdida de segmentos se corregirán. Es común que dos equipos finales, que se están comunicando por medio del protocolo TCP, no posean las mismas características. Generalmente son de distinto fabricante, poseen distintas capacidades, tienen acceso a Internet en base a distintos proveedores, ejecutan distinto software, etc. El protocolo TCP incorpora un mecanismo de control de flujo, a utilizarse en los casos de que la diferencia de capacidades transmisión sea significativa, y haya que detener el envío de datos de un equipo a otro por falta de recursos para recibirlos o procesarlos. TCP está diseñado para soportar comunicaciones entre aplicaciones, es por ello que al punto final de una conexión TCP se lo identifica por una dirección IP y un número de puerto. por medio de la dirección IP se direccionan los datagramas al equipo destino, y por medio del número de puerto se envíen a la aplicación correcta dentro del equipo. Sobre una computadora pueden establecerse varias conexiones TCP simultáneas entre diferentes aplicaciones de una misma computadora o de distintas computadoras. Protocolo UDP A diferencia del protocolo TCP -que requiere que los equipos finales que deseen comunicarse establezcan una conexión, transfieran datos y finalmente la cierrenel protocolo UDP (User datagram protocol ó protocolo de datagrama de usuario) solo establece un estado que es el transferencia de datos, es decir que para que un equipo de dirección IP A envíe un mensaje a otro de dirección B no es necesario entablar una conexión. A solamente necesita encapsular en un mensaje de transporte UDP los datos de la aplicación a enviar a B. El protocolo UDP no es confiable, los mensajes pueden perderse, duplicarse ó llegar fuera de secuencia y el protocolo no contempla acción correctiva alguna. 38