Universidad Popular Autónoma del Estado de Puebla

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1 UPAEP 2013 Universidad Popular Autónoma del Estado de Puebla

2 Parte IV: REDES DE ÁREA ANCHA (WANs: Wide Area Networks) Capítulo 16: Conceptos de WAN Este capítulo examina las tecnologías WAN, incluyendo las tecnologías de acceso a Internet comúnmente usadas. 2

3 Tecnologías WAN Perspectivas en PSTN El término Public Switched Telephone Network (PSTN) se refiere al equipo y a los dispositivos que los telcos usan para crear servicios básicos de telefonía entre dos teléfonos en el mundo. La parte de public de PSTN, se refiere a que está disponible para el uso público (por una renta), y la parte switched se refiere a que se pueden hacer llamadas telefónicas entre diferentes personas. Un teléfono incluye un micrófono, el cual convierte las ondas de sonido en una señal analógica eléctrica. El PSTN puede enviar la señal eléctrica entre un teléfono y otro, usando un circuito eléctrico. Del lado del receptor, el teléfono convierte la señal eléctrica analógica nuevamente a ondas de sonido, usando una bocina que está dentro de la parte del teléfono que se pone cerca del oído. El telco instala un cable con un par de alambres, llamado local loop, entre una casa y alguna oficina central de telco (CO) cercana. Un extremo del cable entra a la casa y se conecta a las cajas de teléfono. El otro extremo se conecta a una computadora en la CO, genéricamente llamada voice switch. El local loop soporta las señales eléctricas analógicas para crear una llamada de voz. La figura 16-1 muestra dos local loops, uno conectado al Teléfono 1, y el otro conectado al Teléfono 2. Cada local loop se encuentra conectado a diferentes COs. Fig Llamada de voz El proceso que realiza cada dispositivo mostrado en la figura 16-1 es el siguiente: Los teléfonos usan solamente señales analógicas eléctricas. Los voice switches usan un circuito digital para enviar voz (en este caso T1). Los voice switches deben convertir entre señal analógica y señal digital en ambas direcciones. El estándar original para convertir de voz analógica a una señal digital es llamado pulse-code modulation (PCM). Módems Analógicos Los módems analógicos permiten a dos computadoras enviar y recibir bits a través del mismo circuito de voz usado entre dos teléfonos. Los módems pueden ser conectados a una línea telefónica local (local loop), con ningún cambio físico en el cableado del local loop y ningún cambio en el voice switch del telco. La señal analógica representa los bits que la computadora necesita enviar a otra computadora, un 3

4 módem convierte una cadena de dígitos binarios de una computadora en una señal analógica representativa. Este tipo de servicio de WAN es llamado switched circuit, porque PSTN se refiere al camino de comunicación entre los dos módems como un circuito, y los módems pueden cambiar a diferentes destinos colgando y llamando a otro número de teléfono. En la figura 16-2 se muestra un ejemplo, donde PC1 se quiere comunicar con PC2 por medio de una línea telefónica utilizando un módem. Fig Operación básica de los módems Para usar este servicio, el usuario debe conectarse por medio de un módem a un router que le pertenece al ISP (Internet Service Provider). El usuario normalmente tiene un módem integrado en su computadora y el ISP dispone de gran cantidad de bank módems. El ISP entonces debe proporcionar el número de las líneas telefónicas instaladas en los bank módems conectados al router del ISP, y el usuario debe marcar ese número para conectarse al router del ISP. El circuito entre de los dos routers actúa como una línea rentada, sin embargo, hay diferencias en la sincronización y clocking. Los módems crean un circuito asíncrono, el cual significa que los módems tratan de usar la misma velocidad, pero no ajustan su clock rate para que coincida con el de otros módems. Los módems tienen la ventaja de ser la tecnología de acceso remoto con mayor disponibilidad. El costo es bajo, particularmente si la línea de teléfono ya está instalada. Sin embargo, los módems corren a una velocidad lenta, el bit rate es de hasta 100 kbps. Adicionalmente, al mismo tiempo no se puede hacer una llamada telefónica y enviar datos con el módem con la misma línea telefónica. Digital Suscriber Line DSL (Digital Suscriber Line) fue diseñado para proveer acceso de alta velocidad entre una casa o negocio y la CO (Central Office) local. Las características de DSL son las siguientes: DSL permite enviar señales de voz analógicas y señales de datos digitales al mismo tiempo a través del mismo local loop. El local loop debe estar conectado a un dispositivo llamado DSLAM (DSL Access multiplexer). DSL permite una conexión a Internet y una llamada de voz al mismo tiempo. 4

5 A diferencia de los módems, los componentes de DSL siempre están funcionando, esto quiere decir que no se debe marcar un número de teléfono para crear la conexión. Para utilizar el servicio se debe conectar el módem DSL a la línea de teléfono, usando un cable normal de teléfono (conector RJ-11). El teléfono genera una señal analógica a una frecuencia de 0 a 4000 Hz, y el módem DSL usa una frecuencia mayor a 4000 Hz, es por esto que las señales de los dos no interfieren una con la otra. El DSLAM (Digital Suscriber Line Access Multiplexer) se encuentra en el lado del CO local, el telco en lugar de conectar el local loop al voice switch, se conecta al DSLAM. El DSLAM al recibir las señales de voz analógica las enviará al voice switch y el voice switch tratará a la señal como cualquier otra línea de voz analógica. Cuando el DSLAM reciba las señales de datos digitales las enviará a un router que es propiedad del ISP. Tipos de DSL, Velocidades, y Distancias La tecnología DSL incluye muchas opciones a muchas velocidades. El servicio de DSL puede ser simétrico o asimétrico. DSL simétrico significa que la velocidad del link en cada dirección es la misma, en cambio DSL asimétrico significa que las velocidades son diferentes. DSL asimétrico permite una velocidad más rápida para descargar información, pero utiliza una velocidad lenta para enviar información a Internet. En la tabla 16-1 se listan los tipos más populares de DSL. Acrónimo Nombre completo Tipo ADSL Asymmetric DSL Asimétrico CDSL (G.lite) Consumer DSL Asimétrico VDSL Very-high-data-rate DSL Asimétrico SDSL Symmetric DSL Simétrico HDSL High-data-rate DSL Simétrico IDSL ISDN DSL Simétrico Tabla Tipos de DSL Los estándares de DSL listan las velocidades máximas, pero en la práctica las velocidades pueden variar, en base a los siguientes factores: La distancia entre el CO y el consumidor (mientras mayor sea la distancia, menor es la velocidad). La calidad del cableado del local loop (la velocidad es menor si el cable está en malas condiciones). El tipo de DSL (cada estándar tiene diferentes velocidades máximas teóricas). El DSLAM usado en la CO (el equipo viejo puede no tener recientes mejoras para permitir mayores velocidades). 5

6 Cable Internet Los cable módems (y cable routers con cable módems integrados) usan el cable CATV (televisión por cable) en lugar de usar la línea telefónica del telco. El cable módem o el cable router se conecta al cable CATV, y como los módems/routers DSL, el cable módem/router se conecta a la computadora usando una conexión Ethernet. El otro lado del cable se conecta al equipo de las instalaciones de la compañía de cable, generalmente llamado head-end. El equipo en el head-end puede dividir los canales usados por Internet y enviarlos a un router del ISP, el mismo equipo recibe las señales de TV (normalmente de un satélite) y las envía por otros canales en el cable para proveer el servicio de TV. Comparación de las Tecnologías de Acceso Remoto En la tabla 16-2 se muestra la comparación entre los módems analógicos, DSL y cable módems. Módems Analógicos DSL Cable Módems Transporte Telco local loop Telco local loop CATV cable Soporta velocidad simétrica Sí Sí No Soporta velocidad asimétrica Sí Sí Sí Velocidad (puede variar) Hasta 100 kbps 1.5 Mbps (velocidad de descarga) 3 a 6 Mbps (velocidad de descarga) Permite datos y voz concurrentes Servicio de Internet siempre prendido Problemas por la distancia del local loop La velocidad se degrada por tráfico generado en el mismo cable por usuarios adicionales No Sí Sí No Sí Si No Sí No No No Sí Tabla Comparación de módems, DSL y cable ATM ATM (Asynchronous Transfer Mode) es usado como un servicio de packet-switching, similar al propósito de Frame Relay. Para usar ATM, los routers se conectan con un link de acceso a un ATM switch que se encuentra dentro de la red del proveedor de servicio, básicamente la misma topología que Frame Relay. Para varios sitios, 6

7 cada router necesita solamente un link de acceso a la red de ATM, con un circuito virtual (VC) entre los sitios que se necesite. ATM puede utilizar circuitos virtuales permanentes (PVC) como Frame Relay. ATM soporta links físicos a mayores velocidades que Frame Relay. ATM en lugar de enviar frames, envía celdas. Una celda es parecida a un paquete o frame, es una cadena de bits enviada a través de la red. La diferencia es que mientras los paquetes y frames pueden variar de tamaño, las celdas de ATM siempre tienen una longitud de 53 bytes. Las celdas de ATM están formadas por 48 bytes de datos y 5 bytes de encabezado. El encabezado contiene dos campos que juntos actúan como el identificador de la conexión data-link (DLCI) de Frame Relay. Los dos campos son llamados VPI (Vritual Path Identifier) y VCI (Virtual Channel Identifier). Los swtiches ATM envían las celdas basados en el VPI/VCI. Los usuarios finales se conectan a la red por medio de Ethernet, y los dispositivos Ethernet no crean celdas. Por lo tanto, el router que está conectado a la LAN y al servicio WAN de ATM, cuando recibe un paquete de la LAN y decide que lo debe enviar a la red ATM, segmenta el paquete en fragmentos de 48 bytes y los coloca en una celda junto con el encabezado de 5 bytes. El router del otro lado de la red ATM, al recibir la celda invierte el proceso de segmentación, el proceso es llamado reensamblado. Al concepto de segmentar frames en celdas y reensamblarlos, es llamado SAR. Los routers utilizan interfaces especializadas para soportar ATM y realizar rápidamente la función de SAR. ATM es considerado un servicio de packet-switching, pero es más conocido como servicio cell-switching. Packet Switching Contra Circuit Switching Un servicio circuit-switching provee la habilidad física de enviar voz o datos a través de dos puntos finales. Packet-switching significa que los dispositivos en la WAN hacen más que solo pasar bits o señales eléctricas de un dispositivo a otro. Con packet-switching, los dispositivos de la red del proveedor de servicio interpretan los bits enviados por los clientes, analizando algunos campos en los encabezados para decidir hacia qué dirección enviarlos. En la tabla 16-3 se muestran algunos puntos de comparación entre estos dos servicios WANs. Característica Circuit Packet Switching Servicio implementado en la capa de OSI 1 2 Punto-a-punto (dos dispositivos) o más Punto-a-punto Multipunto (más de dos) Tabla Comparación entre packet-switching y circuit-switching Ethernet como un Servicio WAN Otro servicio de WAN es llamado Metropolitan Ethernet (Metro E). Para utilizar este servicio, el proveedor de servicio proporciona un cable Ethernet (normalmente un cable óptico) dentro de las instalaciones del cliente. El cliente puede conectar el cable a un LAN switch o a un router. El proveedor de servicio puede ofrecer velocidades Fast Ethernet y Gigabit Ethernet. 7

8 Servicios IP para Acceso a Internet Asignación de Direcciones en el Router de Acceso a Internet Para poder rutear paquetes, los routers necesitan tener configurada una dirección IP en sus interfaces conectadas tanto a la LAN como a la WAN, siguiendo las reglas a continuación: Las interfaces que se encuentran del lado de Internet necesitan una dirección IP pública. Los ISPs asignan dinámicamente esa dirección IP pública usando DHCP. Las PCs locales normalmente aprenden de forma dinámica las direcciones IP con DHCP, entonces el router de acceso actúa como servidor DHCP de los hosts locales. El router necesita una dirección IP configurada estáticamente en la subred local, usando un número privado de red. La subred LAN local debe usar direcciones de un número de red privada. En la figura 16-3 se muestran los intercambios de DHCP entre los distintos dispositivos. Fig Funciones de un router de acceso a Internet Para que el proceso funcione en la figura 16-3, en el router de acceso (R1) se configura estáticamente la dirección IP de su interfaz local, la función de servidor DHCP es habilitada en esa interfaz, y la función de cliente DHCP es habilitada en la interfaz de Internet. R1 aprende su dirección IP de internet del ISP, en este caso Después de configurar con la dirección IP /24 a la interfaz local, R1 comienza a responder peticiones DHCP, y asigna direcciones IP en la misma subred a PC1 y a PC2. Los mensajes DHCP de R1 listan la dirección IP de DNS ( ) aprendida del servidor DHCP del ISP. Ruteando para el Router de Acceso a Internet R1 necesita ser capaz de rutear paquetes hacia y desde Internet. R1 tiene conectadas dos rutas, y en lugar de aprender todas las rutas de Internet usando un protocolo de ruteo, R1 puede utilizar una ruta predeterminada para enviar paquetes a Internet. Por ejemplo, en la figura 16-3, R1 aprendió la dirección IP de la puerta de enlace predeterminada de que es la interfaz del router ISP1, entonces la ruta predeterminada utiliza esta dirección como la de próximo salto. 8

9 Muy aparte del ruteo, para que los hosts locales den la apariencia que están usando la dirección pública de R1 utilizan PAT (Port Address Translation) y NAT (Network Address Translation), de esta forma podrán intercambiar paquetes con los hosts en Internet. Los hosts en Internet enviarán paquetes a la dirección IP pública del router de acceso, y el router de acceso traducirá las direcciones para que coincidan con las direcciones IP privadas de los hosts en la LAN local. NAT y PAT ICANN (Internet Corporation for Assigned Names and Numbers) se encarga del proceso de asignar direcciones IP públicas en el espacio global IPv4, y las direcciones se están acabando por el crecimiento exponencial de Internet. Entonces, cuando un ISP agrega un nuevo cliente de DSL o de servicio de cable, el ISP necesita asignar a ese cliente la menor cantidad de direcciones IP públicas. Adicionalmente, el ISP prefiere asignar esa dirección dinámicamente, por si el cliente desea dar de baja el servicio, esa dirección estará disponible para uno nuevo. Para una típica conexión de cable o DSL a Internet, el ISP asigna una sola dirección IP pública, usando DHCP. El ISP no asigna direcciones IP públicas particulares para cada PC en la red local, esto para conservar el espacio de direccionamiento público IPv4. Desde la perspectiva del servidor, no es importante la diferencia entre algunos números de conexiones TCP de diferentes hosts, y el mismo número de conexiones TCP del mismo host. En la figura 16-4 se muestra un ejemplo que ayuda a comprender la lógica de PAT. Fig Conexiones TCP En la parte superior de la figura se muestra una red con diferentes hosts conectándose al servidor web usando TCP. La segunda red en la figura muestra la misma red, con tres conexiones TCP de un solo cliente. Las seis conexiones se conectan a la dirección IP del servidor ( ) y al puerto 80. En este caso el servidor es capaz de diferenciar entre las direcciones porque cada una tiene distinta combinación de dirección IP y puerto. Para soportar que grandes cantidades de hosts locales usen una sola dirección IP pública en el router, PAT traduce las direcciones IP privadas de los hosts locales a una sola dirección IP pública. Para saber qué paquetes necesitan ser enviados de regreso a qué host, el router conserva la dirección IP y el puerto TCP o UDP, en la figura 16-5 se muestra un ejemplo. 9

10 Fig Función de PAT en el router de acceso Los pasos numerados en la figura anterior siguen esta lógica: 1. PC1 envía un paquete al servidor y por la configuración de la puerta de enlace predeterminada en PC1, el paquete lo envía al router de acceso R1. 2. R1 realiza PAT, basado en los detalles de la tabla de traducciones NAT, cambiando la dirección IP local (privada) del host a la dirección pública disponible para R1 ( ), R1 envía el paquete basado en su ruta predeterminada. 3. Cuando el servidor responde al paquete enviado por PC1, el servidor envía el paquete con una dirección destino , y un puerto destino 1024, porque estos son los valores de los campos del paquete origen (paso 2). 4. R1 cambia la dirección IP destino y puerto basándose en la tabla NAT, cambiando la dirección/puerto destino /1024 a /1024. NAT utiliza los términos a continuación: Host interno: Se refiere al host que está dentro de la red de la empresa, como PC1 y PC2 en la figura Local interna: Se refiere a la dirección IP en el encabezado IP, que representa la dirección del host local cuando el paquete pasa por el lado de la red local de la empresa. Global interna: Se refiere a la dirección IP en el encabezado IP, que representa la dirección del host local cuando el paquete pasa del lado de Internet. Interfaz interna: La interfaz del router conectada a la misma LAN que los hosts internos. Interfaz externa: La interfaz del router conectada a Internet. 10