INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL ZACATENCO DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA RED DE CÓMPUTO BAJO NORMAS INTERNACIONALES, APLICADAS PARA UN LABORATORIO DE REDES DE COMPUTADORAS T E S I S QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE: INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA PRESENTAN: EMILIO NEUFTI MENDOZA RIOS ASESORES M. EN C. JOSÉ IRENE OLEA RAMÍREZ M.EN C. MARLON DAVID GONZÁLEZ RAMÍREZ MÉXICO D.F. JUNIO 2012
INTRODUCCION... 5 CAPITULO I... 9 1.1 Planteamiento del Problema... 9 1.2 Justificación... 9 1.3 Objetivos... 10 1.4 Antecedentes... 10 1.4.1 Conceptos Básicos de Redes de Computadoras... 11 1.4.2 Clasificación... 11 1.4.3 Modelos de referencia... 13 1.4.3.1 Modelo OSI... 13 1.4.3.2 Modelo TCP/IP... 15 1.4.4 Topologías... 17 1.5 Componentes de Red... 22 1.5.1 Medios de Transmisión... 22 1.5.2 Equipos de Interconexión... 25 1.6 Normatividad... 28 1.6.1 Cableado Estructurado... 29 1.6.2 Subsistemas del Cableado Estructurado... 33 1.6.3 Componentes del Cableado Estructurado... 35 1.7 Aspectos de Seguridad... 40 1.7.1 Estándares de Seguridad Lógica y Física... 40 1.7.1.1 Seguridad Física... 40 1.7.1.2 Requisitos de seguridad lógica... 43 1.8 Control de Acceso... 43 CAPITULO II... 44 2.1 Diseño de Laboratorio de Redes... 44 2.1.1 Análisis de Requerimientos... 44 2.1.1.2 Metodología y plan de implementación... 44 2.1.2 Consideraciones de Diseño... 46 2.1.2.1 Análisis de la estructura... 47 2.1.2.2 Condición y evaluación del área... 47 2.2 Equipo y Herramientas Requeridas... 48 2.2.1 Evaluación de las Necesidades... 48 1
2.2.1.1 Requerimientos del Edificio... 49 2.2.1.2 Requerimientos de las estaciones de trabajo... 50 2.2.1.3 HERRAMIENTAS DE SEGURIDAD Y PROTECCIÓN... 51 2.3 Implementación de Cableado Estructurado... 51 2.3.1 Seguridad en instalación de cableado... 51 2.3.2 Seguridad de Hardware... 52 2.3.3 Ductos y Canalizaciones.... 52 CAPITULO III... 53 3.1 Implementación Estructural... 53 3.1.1 Estructura del Edificio... 53 3.1.2 Estructura Eléctrica... 54 3.1.3 Requisitos de los puntos de red... 54 3.1.4 Diseño de la Red... 55 3.1.4.1 Diseño Físico... 55 3.1.4.2 Justificacion de diseño... 55 Complementos Estructurales... 67 Canalización del Cableado de Red... 69 3.2 Pruebas... 72 3.2. 1 Pruebas Físicas... 73 3.2.2 Pruebas Lógicas... 73 3.3 Configuración de Equipos... 75 3.3.1 Configuración de las Estaciones de Trabajo... 75 3.4 Documentación y Políticas... 76 3.4.1 Políticas de Control de Acceso... 76 3.4.2 Políticas de uso adecuado... 77 3.4.3 Políticas de respaldo... 77 3.4.4 Políticas de sanciones... 78 CONCLUSIONES... 79 Propuesta de implementaciones Futuras... 79 Referencias... 82 Glosario... 84 Anexo 1... 87 2
Figura 1.1Topología Física... 17 Figura 1.2 Topología Lógica... 17 Figura 1.3 Topologías Físicas de la LAN... 18 Figura 1.4 Estructura de un cable Coaxial... 23 Figura 1.5 Subsistema y Esquema de Cableado... 34 Figura 1.6 Esquema de Conexión... 34 Figura 1.7 Keystone ó conector RJ-45 hembra... 35 Figura 1.8 Rosetas... 36 Figura 1.9 Tapa para RJ-45 hembra (Faceplate)... 36 Figura 1.10 Panel de Conexión (Patch Panel)... 37 Figura 1.11 Cable de conexión ó Patch-Cord... 37 Figura 1.12 Plug RJ-45... 38 Figura 1.15 Pela Cables... 39 Figura 1.13 Herramienta de impacto... 38 Figura 1.14 Pinzas Ponchadoras... 38 Figura 1.16 Dispositivo certificador de cables de conexion (patch cord)... 39 Figura 2.2 Obstrucción de paso... 47 Figura 2.1 Extensiones de alimentacion... 47 Figura 2.4 Computadoras disponibles... 47 Figura 2.3 Inseguridad al usuario... 47 Figura 2.5 Regleta de multicontactos en mesas... 48 Figura 2.6 Pasillo en obstrucción... 48 Figura 2.8 Incumplimiento con la norma TIA 568ª distancias mínimas... 48 Figura 2.7 Cables de alimentación entre usuarios... 48 Figura 3.1 Plano 1 de red... 57 Figura 3.2 Plano 1 eléctrico... 58 Figura 3.3 Plano 2 Cableado de Red y Eléctrico... 59 Figura 3.4 Plano 3 Cableado de Red y Eléctrico... 60 Figura 3.6 Implementación de Ductos horizontales... 67 Figura 3.5 Implementación de Ductos... 67 Figura 3.7 Implementación de Ductos y plafones de iluminación... 68 Figura 3.8 Implementación de Ductos y soportes... 68 Figura 3.9 Implementación de Ductos de Red... 68 Figura 3.10 Implementación de Ductos y suministro eléctrico... 68 Figura 3.11 Implementación de la estructura rigida... 68 Figura 3.13 Canalización de cable de Red a la canasta... 69 Figura 3.12 Canalización de cable de Red... 69 Figura 3.15 Canasta de distribución flotante... 69 Figura 3.14 Canasta de distribución... 69 Figura 3.17 Salida hacia el Rack... 69 3
Figura 3.16 Canasta de distribución y canalizaciones... 69 Figura 3.19 Salida hacia los equipos de interconexión... 70 Figura 3.18 Canalización hacia los equipos... 70 Figura 3.20 Canaleta hacia el Rack... 70 Figura Anexo 49Configuraciones T568-A y T568-B... 89 Tabla 1.1 Capas del Modelo OSI... 13 Tabla 1.2 Capas del Modelo TCP/IP... 15 Tabla 1.3 Comparación de OSI y TCP/IP... 16 Tabla 2.1 Metodología y plan de Implementación... 46 Tabla Anexo 2 Tabla de correspondencias de colores del R-J45... 89 4
Introducción El estudio y propósito de diseñar, construir y equipar un Laboratorio de Redes de Computadoras es realizado con el fin de difundir la importancia y el nivel de uso que pueden tener a través de las comunidades estudiantiles y docentes, de esta forma dar un máximo aprovechamiento a estos espacios. En el Centro de Innovación y Desarrollo Tecnológico (CIDETEC), se llevo a cabo la implementación del Laboratorio de Redes de Computadoras, como complemento a la formación práctica y tecnología para la línea de Investigación de Redes de Computadoras de la Maestría en Tecnología de Computo, para ello fue necesario realizar un estudio previo para evaluar las condiciones del área y los componentes con los que el centro disponía; en este proyecto se realizaron una serie de pasos obteniendo como resultado la propuesta más optima de diseño para las condiciones actuales y las mejoras que el mismo podría tener frente a la evolución y la escalabilidad de la red. De esta forma, este proyecto plantea la alternativa de adecuación del área y sus implementos para que el CIDETEC lo utilice con fines didácticos y de investigación, con ello vincular un valor agregado y necesario a las expectativas que cuyos objetivos plantean en este centro como carrera de proyección, así mismo con la presente documentación se registra la evidencia de la aplicación de una serie de conocimientos adquiridos a lo largo de la formación académica enfocados a la solución de una precariedad de practicidad, que implica un gran beneficio para la comunidad estudiantil del Instituto Politécnico Nacional (IPN), en especifico del CIDETEC. El proyecto confirió un esbozo del laboratorio con tres alternativas que plantean el diseño del Laboratorio de Redes, un plan estructural con base en la forma factible de utilización del espacio y ubicación de los componentes con el propósito del estudio de ataques en una Red así como futuras investigaciones. La principal ventaja de tener instalada una Red, es lograr de alguna forma la relación costo / rendimiento. En general una red permite a la gente transferir información de un lugar a otro sin moverse de su puesto de trabajo, así también se puede compartir recursos como archivos e impresoras, emplear programas administrativos y aplicaciones interactivas, así, una red proporciona un poderoso medio de comunicación entre usuarios que comparten un propósito común. Actualmente las redes dan un panorama de comodidad al usuario, consiguiendo así, desplazarse prácticamente a cualquier parte, disponiendo así, no solo de un servicio de red fijo, sino también de un servicio inalámbrico, sin necesidad de cables, dando una ventaja notable en los costos. Es conveniente mencionar que la comodidad de estos medios inalámbricos tienen sus desventajas, ya que son afectados por interferencias y vulnerables a los ataques. Sin duda una red fija es muy 5
convencional en la actualidad, dando un mayor rendimiento y velocidad de transmisión, proporcionando un buen servicio. La necesidad de la comunicación fue un elemento prioritario para el desarrollo de las redes, y como consecuencia, no solo se tuvo que compartir la información de manera local, si no a nivel de ciudades (MAN; Redes de Área Metropolitana), continentes (WAN; Redes de Área Amplia) y a nivel mundial (GAN; Redes de Área Global) La rapidez con la que evolucionan las redes hoy en día es muy significante, dado a que deben incrementar notablemente su capacidad de transportar información, a consecuencia de la creciente demanda mundial de comunicaciones dada por los servicios que deberán canalizar como: Voz, Datos, Video, etc. La tendencia de estas redes es el mejorar su eficiencia y eficacia, haciéndose necesario para los usuarios de las mismas y además evolucionando a un siguiente modelo proporcionando los siguientes servicios: -Seguirán vigentes los pares de alambre de cobre para la llegada a la casa del abonado común y de las empresas. Sobre todo por la gran inversión ya realizada en cuestión de la infraestructura. - Las empresas recibirán enlaces de Fibra Óptica (F.O.) o de cobre de parte de un ISP a modo de canalizar y reducir como efecto el tráfico con conexión digital a sus equipos. - Dentro de las empresas el cableado estructurado seguirá vigente, solo deberá tener soporte a las nuevas tecnologías y sistemas: redes de datos de alta velocidad, ISDN (Red de Servicios Integrados), ATM(Modo de Transferencia Asíncrona). - Los vínculos entre centrales de los ISP serán todos digitales, de F.O. en tecnología SDH. Los vínculos interurbanos e internacionales serán también de F.O. con la misma tecnología. - La tecnología de conmutación migrara hacia switch conmutadores totalmente con tecnología ATM en la filosofía de conmutación de paquetes. - Los medios que se utilizan para transmitir en estos sistemas serán: - Cables de 2 hilos - Cable coaxial; será menos usual el cual será sustituido por la F.O. - Cables UTP/FTP para la conexión de los equipos terminales - Cables de Fibra Óptica para las conexiones entre equipos de conmutación (Backbone). Los laboratorios de este tipo son un recurso pedagógico importante en la actualidad que implementan las instituciones con programas tecnológicos. Algunas muestran este tipo de 6
implementaciones estructurales con finalidades que se orientan a distintas vertientes de ámbitos didácticos: En la Universidad de Bogotá Colombia destinan su Laboratorio de Redes y comunicaciones a las prácticas didácticas presentadas por sus programas curriculares, y está equipado con tecnología como routers 1, switch 2, Access Point, que asocian el respaldo de una empresa reconocida en ambiente de las redes[1]. La Facultad de Ingeniería y Ciencias Hídricas de la Universidad Nacional del Litoral de Santa Fe Argentina, posee cuatro laboratorios destinados a la carrera de Ingeniería en Informática, los cuales son utilizados para el desarrollo de trabajos prácticos en las materias Redes y Comunicaciones I y II. Estos laboratorios al ser compartidos con otras materias deben proveer soporte a distintos sistemas operativos y aplicaciones. Este laboratorio es principalmente para el curso de la materia de Redes y Comunicación de Datos II de la curricula en la carrera de Ingeniería en Informática, teniendo un buen resultado reflejado en el desempeño de los estudiantes de esta carrera [2]. La Universidad Popular Autónoma del estado de Puebla (UPAEP), inaugura el laboratorio de redes y sistemas operativos, cuyo Objetivo es principalmente didáctico para los alumnos de Ingeniería en Computación y Sistemas Computacionales, y brindar la posibilidad de obtener una certificación con reconocimiento internacional (CCNA). Esto tras un convenio con CISCO SYSTEMS, para ser una Académica Local en el programa NetAcad de dicha empresa [4]. En el Instituto Politécnico Nacional, ESIME - Zacatenco y una empresa dedicada a la tecnología de Redes de Computadoras, hicieron la construcción de un laboratorio de Redes. En este laboratorio se cuenta con distintos equipos como son switch, router, VPN's y Wireless; con estos equipos los alumnos tienen la posibilidad de hacer prácticas y concretar los conceptos teóricos. Es conveniente decir que este laboratorio tiene políticas de acceso, y la gran cantidad de alumnos en demanda, hacen que este laboratorio no sea basto para los fines a los que fue destinado [3]. En la Universidad Politécnica de Madrid se creó un laboratorio docente para Redes de Comunicaciones, el cual su uso y finalidad es principalmente con ámbito de docencia en Redes de Comunicaciones para la formación de estudiantes en grado de licenciatura y posgrado. Este laboratorio cuenta con computadoras de escritorio, algunos de los cuales tienen hardware adicional instalado para un buen desempeño en el Laboratorio, además de contar con equipo de interconexión de tecnología que respalda una empresa dedicada a las Telecomunicaciones. El Laboratorio esta descrito en un artículo publicado por la misma institución, además de mencionar el funcionamiento del mismo desde el año de 1998/1999 [5]. 1 Se usara el término Router como sinónimo de Enrutador 2 Se usara el término de Switch como sinónimo de Conmutador 7
Hay una gran cantidad de instituciones educativas que implementan estructuras como son los Laboratorios de Redes con finalidades de Docencia, en las cuales involucran dentro de sus programas curriculares cursos emitidos por empresas dedicadas a realizar certificaciones en una tecnología especifica en Redes de Computadoras. Estas instituciones, que sabiendo que tienen espacios como laboratorios de redes, no hacen referencia a ellos o no existe alguna documentación pública emitida por las mismas. En el CIDETEC, centro perteneciente a la institución del IPN, se realizó la construcción del mismo con fines, como ya se había mencionado, con una finalidad didáctica y de investigación para desarrollo en tecnología en el campo de las Redes de Comunicaciones. Es conveniente mencionar que en su programa curricular emite las bases esenciales y provee de equipo con la tecnología de vanguardia más usada en comunicaciones por empresas dedicadas a las Redes como Cisco, ya que es una empresa el cual emite confiabilidad y respaldo con un porcentaje considerable en cuanto equipo de comunicación de datos, para que así, el alumno de posgrado cuente con los conocimientos necesarios para posibles certificaciones en CCNA y CCNP, así como tecnologías similares. La presente tesis presenta además de una propuesta con fines positivos tanto para los estudiantes de posgrado como para la docencia del CIDETEC, el proceso de construcción de una Red de Computadoras basado en los estándares establecidos que deben de seguirse para la construcción de la misma. Se realizan una serie de pruebas que permite visualizar la disponibilidad con la que cuenta la Red para los usuarios, así mismo, se hacen observaciones de la escalabilidad que puede tener el Laboratorio de Redes en el CIDETEC, además de los posibles trabajos o proyectos que en un futuro pudiesen realizarse para el desarrollo de la misma. El laboratorio de Redes de Computadoras ahora en funcionamiento en el CIDETEC contempla posibles trabajos de innovación y/o implementación para un aprovechamiento máximo. Así se pretende que en un futuro se trabaje para implementar un sistemas de monitoreo que gestione la misma, y no descartar la posible tendencia a ser una red convergente y abarcar todos los campos y vertientes con tecnología en vanguardia en el área de las telecomunicaciones. 8
Capítulo I 1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Al egresar los alumnos de la línea de investigación, sus habilidades están limitadas en el área de Redes de Computadoras, desde un punto de vista técnico, ya que por falta de equipo, herramientas y un espacio dedicado a las Redes, no fortalecen sus conocimientos adquiridos. Esto, de alguna manera es esencial y obligatorio en la institución Académica para la formación de recursos humanos así como para una organización, por la constante demanda de experiencia en las áreas para la cual se desarrollen laboralmente. A falta de equipamiento e infraestructura en cuestión de elementos físicos y arquitectónicos del Centro de Innovación y Desarrollo Tecnológico en Cómputo (CIDETEC), se propuso diseñar y construir un Laboratorio respecto al área de Redes de Computadoras y Seguridad Lógica. 1.2 Justificación En base al problema de falta de espacios idóneos correspondiente a la redes, se pretende capacitar a los alumnos de la línea de investigación, contando con las herramientas, equipo y servicios básicos para el desarrollo de sus conocimientos y la familiarización en el manejo del equipo. Con el ingreso del CIDETEC al PNPC (Programa Nacional de Posgrado de Calidad del CONACYT) hace necesario que el Centro logre cada día con sus acciones no solo la certificación de calidad del programa, sino también fortalecer la calidad del estudiante acorde con la implementación de espacios que proporcione el mejoramiento de su nivel profesional. Por ello surge la iniciativa de entregar una propuesta al CIDETEC en base a la necesidad de construir un laboratorio de pruebas con equipo de un fabricante propietario, para la línea de investigación de Redes de Computadoras de la Maestría en Tecnología de Computo del CIDETEC para el estudio de control de accesos a una red. El Laboratorio de Redes dará soporte y se integrará como un programa académico en aspectos de desarrollo e investigación para el estudiante en la formación de su perfil profesional como futuro egresado, a fin de brindarle un espacio en el cual se puedan realizar las prácticas para el desarrollo de proyectos con el propósito de conceder al estudiante una alternativa para plantear soluciones que complementen o mejoren los sistemas de comunicación. 9
1.3 Objetivos Diseño y construcción de un laboratorio de Redes de Computadoras en el Centro de Innovación y Desarrollo Tecnológico en Cómputo (CIDETEC), además de un plan de implementación con base en la forma más adecuada de utilización del espacio y ubicación de los componentes, aplicando los estándares establecidos garantizando funcionalidad del mismo. Ante la construcción de esta alternativa se tienen aspectos con finalidades de investigación como lo es la seguridad de las redes de cómputo que garanticen funcionalidad y minimicen los riesgos de vulnerabilidad en las redes, cumpliendo con las normas y estándares internacionales establecidos para el buen funcionamiento y operación. Por otra parte, incorporar el Laboratorio de Redes de Computadoras con fines didácticos y formar futuros egresados de la línea de investigación de la Maestría en Tecnología de Cómputo de acuerdo a un perfil profesional fundamentado en aspectos técnicos, tecnológicos, éticos, humanos, con conocimientos sólidos que permitan demostrar en su entorno laboral la capacidad de brindar soluciones integrales en el ámbito de las redes, a su vez, beneficiar a la comunidad estudiantil de manera positiva en su calidad educativa en aspectos de investigación y desarrollo. 1.4 Antecedentes Las redes de computadoras surgen como una solución optima de reducir tiempos y costos en la transmisión de información, que a través del tiempo, se han tenido que perfeccionar para seguir siendo eficientes y resguardar la integridad de la información que viaja en ellas. Desde sus inicios de las Redes de Computadoras, surgen con ciertas tecnologías que establecen una manera de trabajo sin normar internacionalmente, por lo que integrar varias redes en su esencia diferentes era casi imposible. De esta manera comienzan a aparecer las primeras experiencias de transmisión de datos. En los años 40, en una etapa en la que el proceso de datos se limitaba a la utilización de tarjetas perforadas, ya era posible enviar y recibir el contenido de las mismas a través de los medios telegráficos existentes A finales de los años sesenta, con la aparición de nuevas tecnologías de computadoras, se incorporan nuevos desarrollos con necesidades de transmisión de datos. Desde ese momento ya eran significativos los sistemas que utilizan la red telefónica, y hacen su aparición las redes de acceso de tiempo compartido. Posteriormente se comenzó a atacar el problema de compartir los datos y la información, lo cual llevó a innovar la manera de compartir recursos (impresoras, servidores, archivos, etc.) a través 10
de algún medio de transmisión usando una serie protocolos para manipular dichos recursos. En los años 80 se establecen las primeras redes de computadoras con tecnología de protocolo abierto pretendiendo tener una arquitectura universal de conectividad, de esta manera se empiezan a integrar tecnologías divergentes. Actualmente son muchas las organizaciones auxiliadas con un número considerable de computadoras funcionando en red, permitiendo reunir esfuerzos aislados en esfuerzos conjuntos que producen bienes mayores. Sin embargo, en una red, la forma de acceder a dichos recursos va de la mano con conocer la manera de llegar a esos recursos y saber cómo manipularlos La palabra Red describe los métodos que la gente utiliza para mantener sus relaciones con amigos y contactos de negocios. Aplicada a las computadoras, tiene mucho del mismo significado. Una red es una manera de interconectar computadoras de tal forma que estén conscientes unas de otras y puedan unir sus recursos. 1.4.1 Conceptos Básicos de Redes de Computadoras En general una red está formada por una serie de sistemas de con la finalidad de compartir recursos como impresoras, programas, etc. Todos estos dispositivos se encuentran coordinados por máquinas denominadas servidores y dispositivos de interconexión de red. Estos dispositivos de interconexión de red añaden funcionalidades a las redes, como lo son: routers, switches y hubs. Cada dispositivo activo interviene en la comunicación de forma autónoma y se denomina nodo. Todos los dispositivos que conforman a la red se comunican entre sí por medios de transmisión físicos (cables coaxiales, par trenzado, fibra óptica, etc.) o bien basados en ondas (redes inalámbricas), aunque si el tamaño de la red lo exige pueden hacerlo mediante líneas telefónicas, de radio de largo alcance o por satélite. 1.4.2 CLASIFICACION Sabemos de antemano que el campo de las redes se puede clasificar de acuerdo a ciertos criterios. En primera instancia una red se va a clasificar por su área de cobertura, la cual consta de tres categorías en general. Red de Área Local (LAN-Local Área Networks): Es un sistema de comunicación entre computadoras que permite compartir información, con la característica que la distancia entre computadoras debe ser pequeña. Estas redes son usadas para la interconexión de computadoras personales y estaciones de trabajo. Se caracterizan por ser de tamaño restringido, tecnología de transmisión, por lo general de difusión (broadcast), alta velocidad y topología. 11
Son redes con velocidades entre 10 y 100 Mbps, tiene baja latencia y baja tasa de errores. Cuando se utiliza un medio compartido es necesario un mecanismo de arbitraje para resolver conflictos. Dentro de este tipo de red podemos nombrar a INTRANET, una red privada que utiliza herramientas tipo internet, pero disponible solamente dentro de la organización. Redes de Área Metropolitana (MAN-Metropolitan Area Network): Es una versión de mayor tamaño de la red. Puede ser pública o privada. Una MAN puede soportar tanto voz como datos. Una red MAN tiene uno o dos cables y no tiene elementos de intercambio de paquetes o conmutadores, lo cual simplifica bastante el diseño. La razón principal para distinguirla de otros tipos de redes, es que para las MAN se han adoptado un estándar llamado DQDB (Distributed Queue Dual Blus) o IEEE 802.6. Utiliza medios de difusión al igual que las redes de Área Local.[6] Teóricamente, una red MAN es de mayor velocidad que una LAN, pero algunos autores señalan que se distinguen por dos tipos de red MAN. La primera de ellas se refiere a las de tipo privado, las cuales son implementadas en zonas de campus o corporaciones con edificios diseminados en un área determinada. Su estructura facilita la instalación de cableado de fibra óptica. El segundo tipo de redes MAN se refiere a las redes públicas de baja velocidad, la cuales operan menos de 2Mbps en su trafico como Frame Relay, ISDN (Integrated Services Digital Network; Red Digital de Servicios Integrados), TI- E1, entre otros. Redes de Área Amplia (WAN-Wide Area Network): Son redes que cubren con un área geográfica amplia, a menudo un país o un continente. Este tipo de redes contienen equipos que ejecutan programas de usuario, llamadas, host o sistemas finales (end system). Estos sistemas finales están conectados a una subred de comunicaciones. La función de la subred es transportar los mensajes de un host a otro. En la mayoría de las redes de cobertura amplia se pueden distinguir sus componentes como líneas de transmisión y los elementos de un intercambio (conmutación). Las líneas de transmisión se conocen como circuitos, canales o troncales. Los elementos de intercambio son computadoras especializadas utilizadas para conectar dos o más líneas de transmisión. El acceso a los recursos de una WAN a menudo se encuentra limitado por la velocidad de la línea de teléfono. Aún las líneas troncales de la compañía telefónica a su máxima capacidad, llamadas T1s, pueden operar a sólo 1.5 Mbps y son muy caras. Las redes de área local son diseñadas de tal forma que tienen topologías simétricas, mientras que las redes de amplia cobertura tienen topología irregular. Otra forma de lograr una red de amplia cobertura es a través de satélite o sistemas de radio. 12
1.4.3 Modelos de referencia 1.4.3.1 Modelo OSI El modelo de referencia de interconexión de Sistemas Abiertos (OSI-RM; Open System Interconection Reference Model) es un modelo genérico que proporciona a los fabricantes un conjunto de estándares que aseguraran una mayor compatibilidad e interoperabilidad entre los distintos tipos de tecnología de red utilizados por las empresas a nivel mundial. Para poder simplificar el estudio y la implementación de la arquitectura necesaria, la ISO (International Organization for Standardization) dividió el modelo de referencia OSI en 7 capas, entendiéndose por capa una entidad que realiza de por sí una función específica. Cada capa define los procedimientos y las reglas (protocolos normalizados) que los subsistemas de comunicaciones deben seguir, para poder comunicarse con sus procesos correspondientes de los otros sistemas. Esto permite que un proceso que se ejecuta en una computadora, pueda comunicarse con un proceso similar en otra computadora, si tienen implementados los mismos protocolos de comunicaciones de capas OSI. APLICACIÓN PRESENTACION SESION TRANSPORTE RED ENLACE DE DATOS FISICA Tabla 1.1 Capas del Modelo OSI La Capa Física es la encargada de transmitir los bits de información por la línea o medio utilizado para la transmisión. Se ocupa de las propiedades físicas y características eléctricas de los diversos componentes, de la velocidad de transmisión, si esta es unidireccional o bidireccional (simplex, duplex o full-duplex), también se ocupa de aspectos mecánicos de las conexiones y terminales, incluyendo la interpretación de las señales eléctricas. La Capa de Enlace de Datos traslada los mensajes hacia y desde la capa física a la capa de red. Especifica cómo se organizan los datos cuando se transmiten en un medio particular. Esta capa define como son los cuadros, las direcciones y las sumas de control de los paquetes Ethernet. Además del direccionamiento local, se ocupa de la detección y control de errores ocurridos en la capa física, del control del acceso a dicha capa y de la integridad de los datos y fiabilidad de la transmisión. Para esto agrupa la información a transmitir en bloques, e incluye a cada uno una suma de control que permitirá al receptor comprobar su integridad. La Capa de Enlace de Datos está dividida en dos subcapas: 13
Control lógico de enlace LLC: define la forma en que los datos son transferidos sobre el medio físico, proporcionando servicio a las capas superiores. Control de acceso al medio MAC: Esta subcapa actúa como controladora del hardware subyacente (el adaptador de red). De hecho el controlador de la tarjeta de red es denominado a veces "MAC driver", y la dirección física contenida en el hardware de la tarjeta es conocida como dirección física. Su principal función consiste en arbitrar la utilización del medio físico para facilitar que varios equipos puedan tener acceso simultáneamente por la utilización de un mismo medio de transporte. El mecanismo CSMA/CD ("Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection") utilizado en Ethernet. La Capa de Red se ocupa de la transmisión de paquetes y de encaminar cada uno en la dirección adecuada, esta tarea puede ser complicada en redes grandes como Internet, pero no se ocupa para nada de los errores o pérdidas de paquetes. Es responsabilidad de este nivel establecer, mantener y terminar las conexiones. Es esta capa la que proporciona el enrutamiento de mensajes, determinando si un mensaje en particular deberá enviarse al nivel 4 (Capa de Transporte) o bien al nivel 2 (Enlace de datos). La Capa de Transporte se ocupa de garantizar la fiabilidad del servicio, describe la calidad y naturaleza del envío de datos. Esta capa define cuando y como debe utilizarse la retransmisión para asegurar su llegada. Para ello divide el mensaje recibido de la capa de sesión en trozos (datagramas), los numera correlativamente y los entrega a la capa de red para su envío. Esta capa actúa como un puente entre los tres niveles inferiores totalmente orientados a las comunicaciones y los tres niveles superiores totalmente orientados al procesamiento. Asegura que la llegada de datos del nivel de red encuentra las características de transmisión y calidad de servicio requerido por el nivel 5 (Sesión). Asigna una dirección única de transporte a cada usuario y define una posible multicanalización. Es decir, puede soportar múltiples conexiones, de igual forma define la manera de habilitar y deshabilitar las conexiones entre los nodos, determinando el protocolo que garantiza el envío del mensaje. La Capa de Sesión ofrece control de diálogo y sincronización. Provee los servicios utilizados para la organización y sincronización del diálogo entre usuarios y el manejo e intercambio de datos, además de establecer el inicio y termino de la sesión. La capa de Presentación se ocupa de garantizar la fiabilidad del servicio, describe la calidad y naturaleza del envío de datos. Esta capa define cuando y como debe utilizarse la retransmisión para asegurar su llegada. Para ello divide el mensaje recibido de la capa de sesión en trozos (datagramas), los numera correlativamente y los entrega a la capa de red para su envío. 14
Esta capa se ocupa de los aspectos semánticos de la comunicación, estableciendo los arreglos necesarios para que puedan comunicar máquinas que utilicen diversa representación interna para los datos. Describe como pueden transferirse números de coma flotante entre equipos que utilizan distintos formatos matemáticos. En teoría esta capa presenta los datos a la capa de aplicación tomando los datos recibidos y transformándolos en formatos como texto imágenes y sonido. En realidad esta capa puede estar ausente, ya que son pocas las aplicaciones que hacen uso de ella. Por último está la Capa de Aplicación que describe como hacen su trabajo los programas de aplicación (navegadores, clientes de correo, terminales remotos, transferencia de archivos etc.). Esta capa implementa la operación con archivos del sistema. Por un lado interactúan con la capa de presentación y por otro representan la interfaz con el usuario, entregándole la información y recibiendo los comandos que dirigen la comunicación. Algunos de los protocolos utilizados por los programas de esta capa son HTTP, SMTP, POP, IMAP etc. 1.4.3.2 Modelo TCP/IP El modelo de referencia TCP/IP (Protocolo de Control de Transferencia/Protocolo de Internet, por sus siglas en ingles; Transference Control Protocol/ Internet Protocol) es ampliamente utilizado en la red de internet. Un modelo que aunque mucho mas impreciso en principios que OSI, es un protocolo que se impone actualmente. IP es un esquema mediante el cual dos dispositivos se comunican entre sí, ambos con direcciones IP. TCP gestiona el flujo de paquetes IP, y garantiza que los paquetes lleguen a su destino, libres de errores. Las capas del modelo de referencia TCP/IP son cuatro la capa de aplicación, capa de transporte, capa de internet y capa física. APLICACIÓN TRANSPORTE RED FISICA Tabla 1.2 Capas del Modelo TCP/IP La capa de internet es el eje que mantiene unida toda la arquitectura. Su importancia se basa en permitir que los nodos inyecten paquetes en cualquier red y los transporten en forma independiente a su destino. Es un servicio no orientado a conexión. En definitiva, el objetivo de la capa de internet es entregar paquetes IP al destino, funcionalidad que es muy similar a la capa de red del modelo OSI. 15
La capa de transporte TCP, se diseño para permitir que las entidades para todos los nodos de origen y destino llevaran a cabo la comunicación. Es un protocolo orientado a conexión y también se encarga del control de flujo, es decir, controla que ningún transmisor rápido sature un receptor lento, en definitiva, que el flujo de información sea el adecuado entre el emisor y el receptor. La capa de aplicación comprende los protocolos de alto nivel, siendo TELNET, FTP y SMTP entre los más conocidos. El protocolo de terminal virtual (TELNET) permite que el usuario se conecte a una maquina desde otra distante y trabaje desde esta. El protocolo de Transferencia de Archivos (FTP, File Transference Protocol) nos da la posibilidad de mover datos desde una maquina a otra de forma eficiente. El SMTP es uno de los protocolos de correo electrónico. Para cualquier usuario de internet estos servicios son ampliamente conocidos y utilizados en nuestros días. La capa física presenta un gran vacío en lo que se refiere a su definición en este modelo. Esta capa en realidad no dice mucho acerca de las funciones inherentes a implementar, solo indica que las maquinas han de conectarse a la red haciendo uso de algún protocolo e interfaz, de modo que puede enviar paquetes IP a través de ella, así que no está definida, por tanto la implementación de este nivel puede variar de una red a otra. En una primera aproximación puede afirmarse que ambos modelos tienen mucho en común. Las funcionalidades de los niveles y el concepto de protocolos independientes son muy similares Modelo OSI MODELO TCP/IP Se definen tres conceptos: servicio, interfaces y protocolos y se hace explicita la distinción entre estos tres términos En el modelo TCP\IP no se hacía de forma clara esta distinción. Aunque luego se trato a fin de hacer perecido este modelo al de OSI Se desarrollo antes de que se inventaran los protocolos, cosa que los convertía en algo muy general. Aparecieron entonces dificultades para asignar funcionalidades a cada capa, debido a la falta de conocimiento y experiencia de algunos diseñadores Primero llegaron los protocolos y luego se definió el modelo de acuerdo a dichos protocolos Se distingue por tener 7 capas Se distingue por cuatro capas Se apoya tanto en la comunicación orientada a conexión como en la de no orientada a conexión en la capa de red Solo tiene un modo en la capa de red (Orientada a no Conexión), pero se apoya en ambos modos de conexión en la capa de transporte Tabla 1.3 Comparación de OSI y TCP/IP 16
1.4.4 TOPOLOGIAS La mayoría de las computadoras con las que se trabaja forman parte de una red. Las topologías y arquitecturas son elementos fundamentales para el diseño de las mismas. Aunque no se necesite crear una red, se debe comprender cómo se diseña a fin de trabajar en un sistema de redes. Hay dos tipos de topologías de LAN: la física y la lógica. Una topología física, que se muestra en la Figura 1.1 es la distribución física de los componentes de la red. Una topología lógica, que se muestra en la Figura 1.2, determina la forma en que los hosts se comunican a través de un medio, como un cable o las ondas de aire. Por lo general, las topologías se representan como diagramas de red. Una arquitectura LAN se crea en torno a una topología. La arquitectura LAN comprende todos los componentes que forman la estructura de un sistema de comunicación. Estos componentes incluyen el hardware, el software, los protocolos y la secuencia de operaciones. Una topología física define el modo en que se conectan las computadoras, impresoras y otros dispositivos a una red. Una topología lógica describe la forma en que el host accede al medio y se comunica en la red. El tipo de topología determina las capacidades de la red, como pueden ser: facilidad de configuración, velocidad y longitudes de cables. Figura 1.1Topología Física Figura 1.2 Topología Lógica 17
Topologías lógicas Los dos tipos más comunes de topologías lógicas son broadcast y paso de tokens. En una topología de broadcast, cada host direcciona cualquiera de los datos a un host específico o a todos los host conectados a la red. No hay un orden preestablecido que los hosts deban seguir para utilizar la red: los datos se transmiten en la red por orden de llegada. El paso de tokens controla el acceso a la red mediante la transmisión de un token electrónico a cada host de forma secuencial. Cuando un host recibe el token, puede enviar datos a través de la red. Si el host no tiene ningún dato para enviar, transmite el token al siguiente host, y el proceso se repite. Topologías físicas a) d) b) c) e) Figura 1.3 Topologías Físicas de la LAN La Figura 1.3 muestra las topologías físicas de LAN comunes: Bus Anillo Estrella Estrella extendida o jerárquica Malla 18
Topología de bus En esta topología, los elementos que constituyen la red se disponen linealmente, es decir, en serie y conectados por medio de un cable; el bus. Las tramas de información emitidas por un nodo (Terminal o servidor) se propagan por todo el bus (en ambas direcciones), alcanzado a todos los demás nodos. Cada nodo de la red se debe encargar de reconocer la información que recorre el bus, para así determinar cuál es la que le corresponde, la destinada a él. Es el tipo de instalación más sencillo y un fallo en un nodo no provoca la caída del sistema de la red. Como ejemplo más conocido de esta topología, encontramos la red Ethernet de Xerox. El método de acceso utilizado es el CSMA/CD, método que gestiona el acceso al bus por parte de los terminales y que por medio de un algoritmo resuelve los conflictos causados en las colisiones de información. Cuando un nodo desea iniciar una transmisión, debe en primer lugar escuchar el medio para saber si está ocupado, debiendo esperar en caso afirmativo hasta que quede libre. Si se llega a producir una colisión, las estaciones reiniciarán cada una su transmisión, pero transcurrido un tiempo aleatorio distinto para cada estación. Figura 1.3 (a) Topología de anillo Los nodos de la red se disponen en un anillo cerrado conectado a él mediante enlaces punto a punto. La información describe una trayectoria circular en una única dirección y el nodo principal es quien gestiona conflictos entre nodos al evitar la colisión de tramas de información. En este tipo de topología, un fallo en un nodo afecta a toda la red aunque actualmente hay tecnologías que permiten mediante unos conectores especiales, la desconexión del nodo averiado para que el sistema pueda seguir funcionando. La topología de anillo está diseñada como una arquitectura circular, con cada nodo conectado directamente a otros dos nodos. Toda la información de la red pasa a través de cada nodo hasta que es tomado por el nodo apropiado. Este esquema de cableado muestra alguna economía respecto al de estrella. El anillo es fácilmente expandido para conectar más nodos, aunque en este proceso interrumpe la operación de la red mientras se instala el nuevo nodo. Así también, el movimiento físico de un nodo requiere de dos pasos separados: desconectar para remover el nodo y otra vez reinstalar el nodo en su nuevo lugar. Figura 1.3 (b) Topología de estrella Todos los elementos de la red se encuentran conectados directamente mediante un enlace punto a punto al nodo central de la red, quien se encarga de gestionar las transmisiones de información por toda la estrella. La topología de Estrella es una buena elección siempre que se tenga varias unidades dependientes de un procesador, esta es la situación de una típica mainframe, donde 19
el personal requiere de acceso frecuente a esta computadora. En este caso, todos los cables están conectados hacia un solo sitio, esto es, un panel central. Resulta económica la instalación de un nodo cuando se tiene bien planeado su establecimiento, ya que este requiere de un cable desde el panel central, hasta el lugar donde se desea instalarlo. Figura 1.3 (c) Topología de estrella extendida o jerárquica Una topología de estrella extendida o jerárquica es una red en estrella con un dispositivo de red adicional conectado al dispositivo de red principal. Por lo general, un cable de red se conecta a un hub o switch y, luego, los otros equipos se conectan al primero. Las redes más grandes, como las de grandes empresas o universidades, utilizan la topología de estrella jerárquica. Figura 1.3 (d) Topología de malla En una topología de malla completa, cada nodo se enlaza directamente con los demás nodos. Las ventajas son que, como cada todo se conecta físicamente a los demás, creando una conexión redundante, si algún enlace deja de funcionar la información puede circular a través de cualquier cantidad de enlaces hasta llegar a destino. Además, esta topología permite que la información circule por varias rutas a través de la red. Figura 1.3 (e) La desventaja física principal es que sólo funciona con una pequeña cantidad de nodos, ya que de lo contrario la cantidad de medios necesarios para los enlaces, y la cantidad de conexiones con los enlaces se torna abrumadora. Ethernet La arquitectura Ethernet se basa en el estándar IEEE 802.3 [7]. El estándar IEEE 802.3 especifica que una red emplea el método de control de acceso denominado Acceso múltiple con detección de portadora y detección de colisiones (CSMA/CD). En CSMA/CD, los hosts acceden a la red mediante el método de topología de broadcast de orden de llegada para la transmisión de datos. Ethernet emplea una topología lógica de broadcast o bus y una topología física de bus o de estrella. A medida que las redes se amplían, la mayoría de las redes Ethernet se implementan mediante una topología de estrella jerárquica o extendida, como se muestra en la Figura 1. Las velocidades estándar de transferencia son 10 Mbps y 100 Mbps, pero los estándares nuevos proponen Gigabit Ethernet, que puede alcanzar velocidades de hasta 1000 Mbps (1 Gbps). 20
Token Ring IBM originalmente desarrolló Token Ring como una arquitectura de red confiable y basada en el método de control de acceso de paso de tokens. Token Ring se integra generalmente con los sistemas de computadora central de IBM. Token Ring se utiliza con computadoras y computadoras centrales. Token Ring constituye una arquitectura en la que la topología física es distinta de su topología lógica. La topología Token Ring se conoce como un anillo cableado en forma de estrella ya que el aspecto externo del diseño de la red es una estrella. Las computadoras se conectan a un hub central, denominado unidad de acceso de estación múltiple (MSAU). Sin embargo, en el interior del dispositivo, el cableado forma una ruta circular de datos que crea un anillo lógico. El anillo lógico se crea debido a que el token viaja fuera de un puerto MSAU a una computadora. Si la computadora no tiene datos para enviar, el token se envía nuevamente al puerto MSAU y luego hacia el puerto siguiente, hasta la próxima computadora. Este proceso continúa para todas las computadoras y, por lo tanto, se asemeja a un anillo físico.. FDDI (Siglas en Inglés se traduce como Interfaz de Datos Distribuidos por Fibra) FDDI es un tipo de red Token Ring. La implementación y la topología de FDDI difieren de la arquitectura LAN Token Ring de IBM [9]. FDDI se utiliza frecuentemente para conectar varios edificios en un complejo de oficinas o en una ciudad universitaria. FDDI se ejecuta en cable de fibra óptica. Combina el rendimiento de alta velocidad con las ventajas de la topología de ring de paso de tokens. FDDI se ejecuta a 100 Mbps en una topología de anillo doble. El anillo externo se denomina anillo principal y el anillo interno se denomina anillo secundario. Normalmente, el tráfico circula sólo en el anillo principal. Si se produce un error en el anillo principal, los datos circulan automáticamente en el anillo secundario en la dirección opuesta. Un anillo dual de FDDI admite un máximo de 500 computadoras por anillo. La distancia total de cada longitud del anillo de cable es de 100 km (62 millas). Cada 2 km (1,2 millas), se precisa un repetidor, que es un dispositivo que regenera las señales. En los últimos años, muchas redes token ring fueron remplazadas por redes Ethernet más veloces. 21
1.5 Componentes de Red Una red en general puede constar de algunos o todos de los siguientes elementos básicos: - Tarjetas de Red o NIC s (Network interface Connector): proporcionan la interfaz entre las PCs o terminales y el medio físico. - MEDIOS DE TRANSMISION: Es el medio físico empleado como enlace por el cual se transmite la información y estos pueden ser de materiales y características distintas como cobre, fibra de vidrio y el espacio libre. - CONCENTRADORES O HUBS: se utilizan como punto de partida del cableado UTP. De allí salen los cables a cada una de los terminales. Su funcionamiento se basa en "repetir" la señal que llega por una boca en las demás. Pueden conectarse en cascada constituyendo una estructura tipo árbol. - REPETIDORES: son elementos activos que se utilizan como "refuerzo" de la señal. Permiten incorporar nuevos segmentos de cableado. - BRIDGES O PUENTES: interconectan 2 redes iguales por medio direcciones MAC - SWITCHES: cumplen la misma función que los hubs pero poseen una cierta inteligencia que los hace más eficientes. En vez de repetir la señal a todas las bocas sólo la envía a la salida correspondiente. esto permite reduce el tráfico en la red. Al igual que los Puentes manejan direcciones MAC. - ROUTERS: Encaminan la información hacia otras redes. Son la piedra fundamental de Internet. - GATEWAYS: Tienen una funcionalidad muy similar a los routers pero permiten conectar redes de diferentes tipos. 1.5.1 Medios de Transmisión Los medios de transmisión juegan un papel muy importante en las redes, ya que es por este medio en el cual se lleva a cabo la conexión y transmisión de datos, normalmente son utilizados tres tipos de cables en las redes locales. Cable Coaxial Está compuesto por un conductor cilíndrico externo hueco que rodea un solo alambre interno compuesto de dos elementos conductores. Uno de estos elementos (ubicado en el centro del cable) es un conductor de cobre. Está rodeado por una capa de aislamiento flexible. Sobre este material aislador hay una malla de cobre tejida o una hoja metálica que actúa como segundo alambre del 22
circuito, y como blindaje del conductor interno. Esta segunda capa de blindaje ayuda a reducir la cantidad de interferencia externa, y se encuentra recubierto por la envoltura plástica externa del cable. Estructura de un cable coaxial Figura 1.4 Estructura de un cable Coaxial Cable UTP Los cables trenzados son soportes físicos que permiten propagar señales inteligentes en una red de telecomunicaciones como también voz. Consiste en pares de alambres de cobre de 0,5 mm de diámetro, retorcidos mediante una hélice en sentido contrario del reloj y una vuelta de 5 a 15 cm. Cuanto mayor es la cantidad de vueltas por centímetro mejor es su calidad. Este tipo de cable se divide en varias categorías: Categoría 3: La cual soporta Voz (telefonía), Ethernet, 2 Mb y 10 MB posee una velocidad de transferencia de 10 Mb y la distancia máxima entre repetidores es de 100 mts Categoría 4: La cual soporta Voz (telefonía), Arnect, Ethernet, 2 Mb y 10 MB posee una velocidad de transferencia de 16Mb y la distancia máxima entre repetidores es de 100 mts Categoría 5: La cual soporta Voz ( telefonía ), Arnect, Ethernet, 2 Mb y 10 MB, Fast Ethernet, 100 Mb, velocidad de transferencia de 100 Mb y la distancia máxima entre repetidores es de 100 mts Categoría 5e: La cual soporta Voz (telefonía), Arnect, Ethernet, 2 Mb y 10 MB, Fast Ethernet, ATM posee una velocidad de transferencia de 165Mb y la distancia máxima entre repetidores es de 100 mts Categoria 6: esta es la designación del cable de par trenzado y conectores los cuales están especificadas hasta 300MHz 23
STP (Par trenzado aislado) Velocidad de transferencia es de 20 Mbits. Es el mismo cable anterior pero con un blindaje externo evita aun más las interferencias pero obliga a tener un sistema de masa el cual no puede pasar de los 3 Ohms Fibra Óptica En un cable de fibra óptica, lleva las señales digitales (datos) en la forma de pulsos modulados de luz. Esta es una forma relativamente segura de enviar datos ya que no hay impulsos eléctricos dentro del cable de fibra óptica. Esto significa que la fibra óptica por sus características de transmisión es más fiable. El cable de fibra óptica es bueno para transmisiones muy rápidas y de alta capacidad debido a su carencia de atenuación y a la fidelidad de la señal. La fibra óptica consiste en un cilindro de vidrio extremadamente delgado, llamado el núcleo, rodeado por una cubierta concéntrica de vidrio, conocida como cladding. A veces la fibra está hecha de plástico. El plástico es más fácil de instalar, pero no puede llevar los pulsos de luz tan lejos como el vidrio. Cada fibra pasa las señales en sólo una dirección, así que el cable consiste de dos o más fibras en cubiertas separadas. Uno para recibir y otro para enviar. Una capa de plástico de refuerzo rodea cada fibra y le da flexibilidad. Por último una capa de kevlar le provee de fuerza. Las transmisiones por cable de fibra óptica no son sujetas a interferencia eléctrica y son extremadamente rápidas. Se usan cotidianamente velocidades de 100 Mbps y se han hecho pruebas a 1 Gbps [8]. Además pueden llevar los datos por varias millas sin necesidad de regeneración. Tipos básicos de fibras ópticas - Multimodales: viajan varios rayos ópticos reflejándose a diferentes ángulos. Los diferentes rayos ópticos recorren diferentes distancias y se desfasan al viajar dentro de la fibra. Por esta razón, la distancia a la que se puede trasmitir esta limitada. - Multimodales con índice graduado: En este tipo de fibra óptica el núcleo esta hecho de varias capas concéntricas de material óptico con diferentes índices de refracción. En estas fibras él numero de rayos ópticos diferentes que viajan es menor y, por lo tanto, sufren menos el severo problema de las multimodales. - Monomodales: Esta fibra óptica es la de menor diámetro y solamente permite viajar al rayo óptico central. No sufre del efecto de las otras dos pero es más difícil de construir y manipular. Es también más costosa pero permite distancias de transmisión mayores. 24