Contenido del Curso Curso de Redes Computadores 1 TEMA 1: Conceptos básicos. Internet. Redes locales, de área ancha, etc. Protocolos de uso e implementación de servicios. Estructuración de software de red por capas. Modelos TCP/IP y OSI. Protocolos basados en preguntarespuesta. Servicios de red. TEMA 2: Introducción a Internet (redes IP). Identificadores de máquinas: dirección física y dirección IP. Espacio de direcciones IP: dominios y máquinas. Nombres nemónicos: servicio DNS. Asociación número IP <-> nombre DNS. TEMA 3: Introducción a la capa de transporte. Interfaz de programación en redes. Sockets: par (dirección IP, puerto). TEMA 4: Estudios de casos de protocolo estándares sobre capas de transporte, tales como RFC822, POP, HTTP. TEMA 5: Otros modelos de programación en redes: RPC. Tema 1 Introducción a las Redes de Computadores 1 4 Objetivo Contenido del Curso Al finalizar el curso los estudiantes tendrán un conocimiento básico sobre la noción de protocolo de comunicación, la estructura de software/hardware de redes locales, las funciones principales de las capas de software en el modelo TCP/IP y algunos modelos de programación en redes, en especial el modelo clienteservidor. TEMA 6: Componentes de una red IP. Redes locales. Redes de difusión, redes punto a punto. Elementos para armar una red local. Medios de transmisión y propiedades. Dispositivos: modems, conmutadores, concentradores (hubs). TEMA 7: Control y manejo del intercambio de datos sobre un enlace (link). Trama (frame) y sincronización de trama. Control de flujo a nivel de enlace. Transmisión confiable. Control de errores. Detección de errores. TEMA 8: IP en detalle. Formato de los paquetes. Conmutación, fragmentación y re-ensamblaje. Introducción a enrutamiento. Algoritmos de vector de distancias y de estado de enlace. TEMA 9: UDP y TCP. Formato de los segmentos. Protocolos. Inducción a control de flujo y control de congestión. TEMA 10: Introducción a aspectos de seguridad. Encriptamiento. Autentificación. 2 5 Perspectivas Curso de Redes Computadores 1 Usuario de la Red Diseñadores e Instaladores de Red Administradores de Redes Proveedores de Servicios (de Red) Tema 1 Introducción a las Redes de Computadores 3 6
Redes de Computadores Redes de Computadores Internet Una red de computadores es un conjunto de equipos conectados por medio de cables, señales, ondas o cualquier otro método de transporte de datos, que comparten información (archivos), recursos (CDROM, impresoras, etc.) y servicios (acceso a internet, e-mail, chat, juegos), con un objetivo específico. 7 Redes de Computadores 10 Redes de Computadores Un servicio puede ser definido como un conjunto de actividades que buscan responder a necesidades de un cliente. El objetivo de una red de Telecomunicaciones es el de intercambiar información entre entidades que pueden estar fisicamente distantes 8 11 Modelo Simplificado para las Telecomunicaciones Redes de Computadores 150 millones de sitios web. 500 millones de usuarios (2008) Su tamaño se duplica cada 5 años. 9 12
Un Modelo de Telecomunicaciones Redes (networks) Fuente genera los datos que se transmiten (p.e. teléfonos, computadores) Transmisor (Tx) Convierte los datos en señales transmitibles (señales eléctricas a ondas electromagnéticas; cadena de bits a señales analógicas) Sistema de Transmisión Portador de los datos (líneas de transmisión; enlaces de radio; red de telecomunicaciones) Receptor (Rx) Convierte la señal recibida en datos para que pueda ser manejada por el dispositivo destino Destino Toma los datos que entrantes Conexión punto a punto entre todas las entidades no es práctica 13 Tareas Claves en un Sistema de Telecomunicaciones Dispositivos están muy lejanos entre sí Una gran cantidad de dispositivos necesitaría un número no práctico de conexiones Número de conexiones necesarias = N x (N-1)/2 Solución es una red de comunicaciones 16 Modelo Simplificado de Red Utilización del Sistema de Transmisión: Interfaz entre el dispositivo y el medio de transmisión Generación de la Señal Sincronización Gestión de Intercambio Detección y Corrección de Errores Control de Flujo Direccionamiento y Encaminamiento (Enrutamiento) Recuperación Formato de Mensajes Seguridad Administración de la Red 14 Modelo Simplificado para la Comunicación de Datos en Redes de Computadores 17 Clasificación de las Redes de Computadores WAN (Wide Area Network) Son Públicas o depende en parte de circuitos comunes de operadores particulares Cubren largas distancias (X.25, Frame Relay, ATM, SDH, Sonet) MAN (Metropolitan Area Network Pueden cubrir el area de una Ciudad (MetroEthernet) LAN (Local Area Network) Redes de computadores en un Campus, Organización o una edificación. La red, por lo general, pertenece al mismo dueño de los equipos que ésta comunica (Ethernet, WiFi) PAN (Personal Area Network) Redes de uso personal de muy corto alcance. (Bluetooth, UWB) 15 18
Conmutación de Circuitos (Circuit Switching) Protocolos Mientras dure la comunicación se establece un camino de comunicación dedicado establecido a través de los nodos de la red El camino es una secuencia conectada de enlaces físicos entre nodos En resumen, se establece un canal físico entre ambos extremos que nadie más puede usar mientras dure la comunicación Conjunto de reglas que gobiernan el intercambio de datos entre dos o más entidades Usado para comunicaciones entre entidades en un sistema Entidades cualquier cosa capaz de enviar y recibir datos Aplicaciones de usuarios gestores de e-mail terminales Un Protocolo es en Redes equivalente a un Algoritmo en la Programación tradicional. p.e. Red telefónica Conmutación de Paquetes (Packet Switching) 19 5 22 Características de los protocolos 4 2 1 Se envían pequeñas unidades (paquetes) de datos, uno a la vez. Los datos se pueden enviar fuera de secuencia. Los paquetes pasan de nodo en nodo entre fuente y destino. En cada nodo el paquete se recibe completamente, se almacena durante un intervalo breve de tiempo y posteriormente se transmite al siguiente nodo Usado para comunicaciones de terminal a computador y de computador a computador La comunicación entre dos entidades puede ser: Directa o indirecta Los protocolos pueden ser: Monolítico o estructurado Simétrico o asimétrico Estándar o no-estándar 3 20 Configuración de una Red 23 Directa o Indirecta Directa Los sistemas comparten un enlace punto a punto o Los sistemas comparten un enlace multi-punto Los datos pueden pasar sin intervención de agentes activos 21 24
Uso de Protocolos Estándares o No Estándares Directo o Indirecto Indirecto Redes conmutadas o Conjunto de redes (Internetworks) o internets La transferencia de datos depende de otras entidades 25 Monolítico o Estructurado Funciones de los protocolos La tarea de la comunicación es compleja como para ser abordada como una unidad El diseño estructurado analiza el problema en unidades más pequeñas En lugar de un único protocolo, habrá un conjunto de protocolos organizados, por ejemplo en una estructura jerárquica en capas 26 28 Encapsulación de mensajes Segmentación y re-ensamblaje de mensajes Control de conexión Entrega ordenada de mensajes Control de flujo Control de Error Direccionamiento Multiplexaje Servicios de transmisión 29 Simétrico o Asimétrico Encapsulación Simétrico Se agrega información de control a los datos Información de dirección: indicar dirección del emisor y/o del receptor Código detector de errores: se debe incluir alguna secuencia de comprobación Control del protocolo: se debe incluir alguna información adicional para realizar las funciones del protocolo que se mencionan más adelante Encabezado Cola Este es el mensaje a enviar Mensaje Comunicación entre entidades pares Asimétrico Cliente/servidor 27 30
Transferencia de Datos Orientada a la Conexión Encapsulación Se agrega información de control a los datos Información de dirección, Código detector de errores, Control del protocolo 31 34 Cuál es la necesidad de una arquitectura de protocolos Segmentación (Fragmentación) Por ejemplo para la transmisión de archivos Los bloques de datos son de tamaño limitado Los mensajes de la capa de aplicación pueden ser muy grandes Los protocolos de niveles inferiores pueden ser más pequeños La segmentación ( o fragmentación en TCP/IP) consiste en dividir los bloques más grandes en otros más pequeños La fuente debe activar el camino de comunicación o informar a la red cual es su destino La fuente debe verificar si el destino está preparado para recibir la información La aplicación de transferencia de archivos en la fuente debe verificar si el sistema de manejo de archivo del destino aceptará y almacenará el archivo para el usuario especificado Puede requerirse una transformación de formato del archivo Los bloques de ATM (cells) son de 53 bytes de largo Los bloques Ethernet (frames) son de hasta 1526 bytes de largo Una tarea es dividida en subtareas Implementadas de forma separada y en capas dentro de una pila Las funciones se necesitan en ambos sentidos Las capas pares (del mismo nivel) se comunican 32 35 La utilidad de un arquitectura jerárquica de protocolos Control de Conexión Establecimiento de la conexión (orientada a la conexión) Transferencia de datos Término de la conexión (orientada a la conexión) Puede haber interrupción y recuperación de la conexión Numeración secuencial de los mensajes enviado, esto se usa para DHL Entrega en orden Control de flujo Control de error 33 36
Elementos Claves de un Protocolo Requerimientos de Direccionamiento Para que dos entidades se comuniquen con éxito, se requiere hablen el mismo idioma. Las entidades deben seguir una serie de convenciones mutuamente aceptadas a fin de saber: qué se comunica (semántica) cómo se comunica (sintaxis) cuándo se comunica (temporización) Se requieren dos niveles de direccionamiento Cada computador necesita una única dirección de red Cada aplicación en un computador multitarea necesita una única dirección dentro del computador Puntos de Acceso al Servico (Service Access Point SAP) El puerto en una red TCP/IP 37 40 Redes y Arquitecturas de Protocolos Arquitectura de un Protocolo Tareas de comunicación separadas en módulos Por ejemplo la transferencia de archivo podría usar tres módulos Aplicación para la transferencia de archivos Módulo de servicio de comunicaciones Módulo de acceso a la red 38 Arquitectura simplificada en Transferencia de Archivos 41 Unidades de Datos de los Protocolos UDP (Protocol Data Units PDU) En cada capa, se usan los protocolos para comunicarse En cada capa se agrega información de control a los datos del usuario La capa de transporte puede fragmentar los datos del usuario Capa de aplicación Capa de transporte Capa de Acceso a la red 39 42
Operación de una Arquitectura de Protocolo Modelo OSI OSI = Open Systems Interconnection Desarrollado por International Organization for Standardization (ISO) como arquitectura para comunicaciones entre computadores Objetivo: ser el marco de referencia en el desarrollo de protocolos estándares Siete capas Un sistema teórico desarrollado muy tarde! TCP/IP es el estándar de facto 43 Arquitectura Estándar de Protocolos El modelo de referencia OSI Nunca fue más alla de las promesas iniciales Suite de protocolos TCP/IP Más ampliamente utilizado También existe: IBM Systems Network Architecture (SNA) 44 Elementos de Estandarización 46 El modelo OSI Se requieren para la comunicación de dispositivos Los vendedores cuentan con productos con mejor mercado Los consumidores pueden insistir en equipos basados en estándares Existen dos estándares principales que son: Es un modelo basado en capas Cada capa desarrolla un subconjunto de las funcionalidades requeridas para lograr la comunicación Cada capa se apoya en la capa siguiente de menor nivel para llevar a cabo funciones primitivas Cada capa provee servicios a la siguiente capa de nivel superior Los cambios en una capa no requerirán de modificaciones en otras capas de la pila Capa k +1 Capa k Capa k - 1 47 Las capas de la OSI Especificación del protocolo Dos entidades en la misma capa en sistemas diferentes cooperan e interactúan por medio del protocolo Las especificaciones del protocolo deben ser precisas Formato de la unidad de datos Semántica de todos los campos Secuencia permitida de PDUs Definición del servicio Se necesita normalizaciones para los servicios que cada capa ofrece a la capa superior contigua Descripción funcional de qué servicios está proporcionando No especifica cómo se proporcionan los servicios Direccionamiento: cada capa suministra a las entidades en la capa superior contigua. Las entidades se identifican mediante SAP Un NSAP(NetworkSAP) indica una entidad de transporte que es usuaria del servicio de red 45 48
Capas OSI Estándares específicos por capa Enlace de Datos: Se encarga de activar, mantener y desactivar un enlace, ofreciendo un tránsito confiable de datos a través de un enlace físico Envía bloques de datos (tramas) llevando a cabo la sincronización, el control de errores, la entrega ordenada de tramas y el flujo necesario Las capas superiores pueden asumir una transmisión libre de errores Red: 49 Capas OSI Proporciona conectividad y selección de rutas entre dos sistemas finales que pueden estar ubicados en redes geográficamente distintas Proporciona independencia a los niveles superiores respecto de las técnicas de conmutación y de transmisión usadas para conectar los sistemas; es responsable del establecimiento, mantenimiento y cierre de las conexiones No hace falta enlaces directos origen-destino. 52 Capas OSI Transporte: Segmenta y reensambla los datos en un flujo de datos Brinda un servicio de transporte de datos que proteja a las capas superiores de los detalles de implementación de transporte Se ocupa de temas tales como la confiabilidad del transporte a través de una interconexión de redes, evitando pérdidas de paquetes, duplicaciones, errores y pérdida de secuencia en los paquetes. Proporciona seguridad, transferencia transparente de datos entre los puntos finales: proporciona además procedimientos de recuperación de errores, control de flujo origen destino y calidad de servicio. Sesión: Proporciona el control de la comunicación entre las aplicaciones. Establece, administra y cierra las conexiones (sesiones) entre las aplicaciones que cooperan Contempla mecanismos de recuperación: procedimiento para reanudar la transmisión después de ocurrido un fallo Brinda sus servicios a la capa de presentación 50 Capas OSI Capas OSI Física: Presentación: Se encarga de la transmisión de cadenas de bits no estructurados sobre el medio físico; esta capa está relacionada con las características mecánicas, eléctricas, funcionales y de procedimiento para acceder al medio físico Aquí se definen características de la interfaz física entre dispositivos, tales como: Físicas: distancias máximas de transmisión Mecánicas: especifica las características físicas del conector y sus circuitos Eléctricas: especifica los niveles de voltaje, velocidades de transmisión de los datos y sincronización de cambio de voltaje Funcionales: especifica las funciones de cada uno de los circuitos De procedimiento: especifica la secuencia de eventos que se realizan en el intercambio de flujo de bits a través del medio físico 53 Asegura que la capa de aplicación pueda leer la información enviada por la capa de aplicación de otro sistema De ser necesario, la capa de presentación realiza una traducción entre varios formatos de representación de datos, usando un formato de representación común Proporciona a los procesos de aplicación independencia respecto a las diferencia en la representación de los datos (sintaxis) Algunos ejemplos de servicios específicos de esta capa son: Compresión de datos Encriptación o cifrado de datos 51 54
Capas OSI Arquitectura Protocolo TCP/IP Aplicación: Desarrollado por Defense Advanced Research Project Agency (DARPA) de EEUU para su red de conmutación de paquetes (ARPANET) Arquitectura comercial dominante Especificada y extensivamente usada antes de OSI Usado por la Internet global Es un modelo no oficial que trabaja con: Proporciona un medio para que las aplicaciones accedan al entorno OSI Es la capa más cercana al usuario y brinda servicios de red a las aplicaciones del usuario Incluye las funciones de administración y en general, a los mecanismos necesarios en la implementación de las aplicaciones distribuidas Pertenecen a esta capa aplicaciones tales como: Transferencia de archivos Correo electrónico Acceso desde terminales a computadores remotos Etc. 55 Modelo de Referencia OSI 7 Aplicación 6 Presentación 5 Sesión 4 Transporte 3 Red 2 Enlace de Datos 1 Física Capa Capa Capa Capa Capa de Aplicación de transporte o Host to host Internet de acceso a la red física 58 Capa Física Procesos de red para aplicaciones Representación de datos Comunicación entre aplicaciones Conexiones extremo a extremo Direcciones y mejor ruta Acceso a los medios Transmisión binaria 56 Uso de las capas en diferentes dispositivos (Un Retransmisor) Define interfaz física entre dispositivo de transmisión de datos (p.e. computador) y medio de transmisión o red Características del medio de transmisión Niveles de señal Velocidad de datos, etc. 59 Capa de Acceso a la Red Intercambio de datos entre el sistema final y la red Proporciona dirección de destino para que la red pueda encaminar los datos hasta el destino apropiado Invocar servicios de red como prioridad El software que se use en esta capa dependerá del tipo de red se han desarrollado estándares para conmutación de circuitos conmutación de paquetes (X.25) LAN (ethernet) 57 60
Modelo de Arquitectura de Protocolo TCP/IP Capa Internet (IP) Los sistemas pueden ser conectados a diferentes redes Funciones de encaminamiento a través de múltiples redes El protocolo IP (Internet Protocol) se usa en esta capa para ofrecer servicio de encaminamiento a través de varias redes Implementado en sistemas finales y routers un router es un dispositivo con capacidad de procesamiento que conecta dos redes y que debe retransmitir datos desde una red a otra siguiendo la ruta adecuada para alcanzar el destino 61 Capa de Transporte (TCP) 64 65 OSI vs TCP/IP Independientemente de la naturaleza de las aplicaciones se requiere que: La entrega de datos sea confiable Se asegure que todos los datos llegan a la aplicación destino y además en el mismo orden en que fueron enviados El Protocolo TCP (Transmission Control Protocol) es el más utilizado para proporcionar esta funcionalidad 62 Capa de Aplicación TCP Contiene la lógica necesaria para soportar la comunicación en varias aplicaciones de usuario La capa usual de transporte en TCP/IP es Transmission Control Protocol (TCP) p.e. para cada tipo distinto de aplicación se necesita un módulo independiente y con características bien definidas Asociación lógica y temporal entre entidades en diferentes sistemas TCP PDU e.g. Http (Hiper Text Transfer Protocol), SMTP (Simple Mail Tranfer Protocol), SNMP, etc. Brinda una conexión confiable Conexión Llamado segmento TCP Incluye puertos de origen y destino (equivalente a SAP) Que identifican respectivamente a las aplicaciones de los usuarios Una conexión hace referencia a un par de puertos 63 66
UDP Seguimiento de una operación simple Una alternativa a TCP es UDP (User Datagram Protocol) Envíos no garantizados No se preserva el orden de secuencia de paquetes No hay protección contra la duplicación de paquetes Presenta una pérdida de eficienca mínima Añade el concepto de puertos a IP El Proceso asociado con el puerto 1 en el host A envía un mensaje al puerto 2 en el host B El Proceso en A envía hacia abajo el mensaje a TCP para que éste lo envíe al puerto 2 del destino TCP envía información a IP para que el mensaje sea enviado a B IP envía a la capa de red (p.e. Ethernet) para que lo envíe al router J Se generan una serie de PDU encapsulados A 1 TCP TCP IP Enrutado Router J Red 67 Conceptos de TCP/IP B 2 IP Red 70 PDUs en TCP/IP 68 Direccionamiento 71 Algunos Protocolos de la Suite TCP/IP Es el nivel dentro de la arquitectura en el cual las entidades reciben su nombre Existe una dirección única para cada sistema final (computador) y enrutador (router) Dirección a nivel de Red IP o dirección de internet (TCP/IP) Network service access point or NSAP (OSI) Los procesos dentro de un sistema se asocian a Número de puerto (Port number) (TCP/IP) Service access point or SAP (OSI) 69 72
Estándares Requerido para permitir la interoperabilidad entre equipos Ventajas Asegura un gran mercado para equipos y software estimula la producción masiva reduciendo los costos Permite que productos de diferentes proveedores se comuniquen Desventajas Tienden a congelar la tecnología mientras que un estándar se desarrolla, se revisa y se adopta, ya se habrán desarrollado otras técnicas más eficaces 73 Organizaciones de Normalización Internet Society ISOC International Organization for Standardization (ISO) creadora de Open Systems Interconnection (OSI). American National Standards Institute (ANSI). USA miembro de ISO. Electronic Industries Association (EIA) Desarrolló el EIA/TIA-232 (antes RS-232) y otros. Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE) -- IEEE. Desarrolló IEEE 802.3 e IEEE 802.5. International Telecommunication Union Telecommunication Standardization Sector (ITU-T) -- ITU-T organización internacional (antes CCITT). Desarrollo X.25 y otros protocolos Internet Activities Board (IAB) The IAB ha presentado varios Request For Comments (RFC) incluído (TCP/IP) y (SNMP). ATM forum 74 Lecturas Adicionales Tanenbaum. Redes de Computadores. Capítulo 1 (1.11.4 y 1.6) Stallings, W. Comunicaciones y Redes de Computadores (7th edicion), Prentice Hall. 2004. capítulos 1 y 2 Comer,D. Internetworking with TCP/IP volume I Comer,D. and Stevens,D. Internetworking with TCP/IP volume II and volume III, Prentice Hall Halsall, F. Data Communications, Computer Networks and Open Systems, Addison Wesley Web sites for IETF, IEEE, ITU-T, ISO 75