TEMA 1 INTRODUCCIÓN UN MODELO PARA LAS · PDF file2.2.- Estructura y...
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INTRODUCCIÓN
1.- Un modelo para las comunicaciones1.1.- Modelo para las comunicaciones de datos1.2.- Problemática de la comunicación de datos1.3.- Definición de telemática. Evolución
2.- Comunicación de datos a través de redes2.1.- Objetivos de las redes de computadores2.2.- Estructura y clasificación de las redes
3.- Protocolos y arquitectura de protocolos3.1.- Modelo de tres capas3.2.- La arquitectura de protocolos TCP/IP3.3.- El modelo OSI
4.- Normalizaciones4.1.- Organizaciones de normalización
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1.- Un modelo para las comunicaciones
• Objetivo de un sistema de comunicaciones:– Intercambiar información entre dos entidades
Fuente Transmisor
Sistema origen
Sistema de transmisión Receptor Destino
Sistema destino
(a) Diagrama general de bloques
Estación de trabajo Modem Red pública de teléfonos Modem Servidor
(b) Ejemplo
Elementos:FuenteTransmisorMedio de transmisiónReceptorDestino
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Modelo simplificado para las comunicaciones de datos
Texto
Cadena de bits Señal analógica
Señal analógica
Información de entrada
m
Datos de entrada
g(t)
Señal transmitida
s(t)
Señal recibida
r(t)
Datos de salida g’(t)’
Información de salida
m’
FuenteTrans-misor
Sistema de trans-misión
Receptor Destino
Cadena de bits
Texto
Telégrafo
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• Se inicia la telecomunicación moderna → telégrafo eléctrico• Previamente tuvo que desarrollarse la electricidad
– Muchos avances en los siglos XVIII y XIX– Hans C. Oersted demostró que una corriente eléctrica podía mover una aguja
imantada(1819). Inicio de electromagnetismo.• Samuel Morse inventa el telégrafo (1837)
– Pulsador interruptor (origen)– Línea de un hilo (con retorno a tierra)– Trazadora de marcas (destino)
pulsador
Teléfono
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Inventado por Graham Bell (1876)Disputó la patente con Elisha Gray
Comunicaciones cubiertas por el teléfonoSe consideró un objeto de lujo
Se encontró aplicación puesto que: No necesitaba especialistasNo requería llevar el telegrama a casa del usuario
Se circunscribió al ámbito localSe explota por compañías localesPrimeras redes París y Londres (1879)
Aparecen problemas cuando se intenta interconectar las redes telefónicas locales
CompatibilidadPropietarios de los terrenos
Radio
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EspañaSe crea la fábrica de receptores Ibérica (1917)Se crean diversos clubs y asociaciones de radio aficionados
Asociación Nacional de Radiodifusión de Barcelona (febrero 1924)
Radio Ibérica (1923)Radio Barcelona, Radio España (1924)
Se descubre el fenómeno de propagación de ionosferaOtras aplicaciones: radar
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Problemática de la comunicación de datos
• Trabajar con un ordenador aislado– No hay problema de comunicación
• Surge la necesidad de comunicarse con otro ordenador para compartir información y recursos de manera sencilla y eficiente
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Problemática de la comunicación de datos
• ¿Qué medio de transmisión utilizar?– Cable de pares, coaxial– Fibra óptica– Radio
• ¿Qué tipo de señal y modulación?– Analógica
• AM, FM, PM
– Digital: varios tipos de codificación digital• Manchester o Manchester Diferencial• Bipolar RZ, Bipolar NRZ• HDB3
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Problemática de la comunicación de datos
• ¿Cómo es la transmisión?– simplex– half-duplex– duplex
• ¿Quién tiene preferencia para transmitir?– Hay un nodo principal (servidor) que tiene prioridad y
un nodo secundario (cliente)?.– Todos la misma?.
• ¿Qué sucede si los dos equipos quieren transmitir al mismo tiempo?– Se produce colisión
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Problemática de la comunicación de datos
• ¿Qué sucede si un equipo transmite a distinta velocidad que otro?– Hay que realizar un control de flujo entre emisor y
receptor
Línea de transmisión a 10Mbps
Proceso emisor8Mbps, máximo
Proceso receptor5Mbps, máximo
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Problemática de la comunicación de datos
• ¿Se producirán errores en la transmisión?– Errores debido a
• Ruidos térmicos (o ruido blanco), ruido de impulso• Ruidos inducidos, por relés o ecos• Interferencias en radio-enlaces (diafonía)• Pérdidas de sincronismo en transmisiones digitales
• ¿Cómo detectar los errores?– Añadir información redundante , CRC, bits de paridad
• ¿Cómo tratar los errores?– Corregirlos en el receptor– Pedir la retransmisión al emisor– Si hay muchos errores anulo la comunicación
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Problemática de la comunicación de datos
• Ampliar el sistema y unir todos los ordenadores de un edificio– Red de área local (LAN)
Estación 11
Estación1
Estación 10
Estación2
Estación 12
Estación 20
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Problemática de la comunicación de datos
• ¿Cómo será la topología de la red?– Estrella, bus, anillo, malla, árbol
• ¿Cómo acceder a un medio compartido sin problemas de colisión?– Testigo– MDF– MDT– Aloha– CSMA
• ¿Cómo indico a quién van dirigidos los datos?– Direcciones de enlace, direcciones IP
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Problemática de la comunicación de datos
• Comunicar diferentes LAN’s.
WAN: Wide Area NetworkLAN: Local Area Network
WANLAN
LANLAN
LAN
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• Muy costoso y problemático montar una red propia a nivel mundial.
• Hay redes de área extendida (WAN) instaladas:– Solución: Conectarse a ellas.
• ¿Cómo enviar una gran cantidad de datos de forma eficiente?– Dividir los mensajes en paquetes.
• Problema de establecer un sistema de direccionamiento único a nivel mundial (ISO, INTERNET).
Problemática de la comunicación de datos
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Problemática de la comunicación de datos
• ¿Cómo viajan los datos por la red de unos nodos a otros?– Almacenamiento y reenvío– Algoritmos de encaminamiento
• Una red está compuesta por muchos nodos interconectados entre sí que controlan el tráfico de datos. Estos nodos reciben datos, los almacenan y los retransmiten al nodo vecino que consideren más oportuno según sea el destino de los datos, utilizando para ello un algoritmo de encaminamiento o routing
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Problemática de la comunicación de datos
• ¿Qué sucede si un nodo se satura o se cae?– Evitar bloqueo de la red.– Proveer mecanismos para que los datos lleguen íntegros.
• ¿Tiene la red capacidad de adaptarse dinámicamente a los cambios de tráfico en sus distintos puntos?– Algoritmos de encaminamiento fijo.– Algoritmos de encaminamiento adaptativo.
• Exigir a la red que proporcione una calidad mínima de servicio en la comunicación– Retardo de los datos, tasa de error ...– Si no la puede proporcionar no hay comunicación.
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Problemática de la comunicación de datos
• Pagar por utilizar los servicios de la WAN– Tarificación
• ¿Qué seguridad pueden tener los datos transmitidos?– Evitar lecturas por personal no autorizado
• Algoritmos de codificación– Detectar posibles alteraciones de los datos– Poder enviar documentos firmados digitalmente
• Firma digital: Utilizando datos cifrados con clave privada, el receptor descifra con clave pública
• ¿Se pueden comunicar dos equipos que tengan distintas formas de representar o guardar los datos en memoria (PC y MAC)?– Conversión de datos a una sintaxis común
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Problemática de la comunicación de datos
• ¿Se pueden interconectar redes distintas?– Repetidores, puentes (bridges), routers, gateways, ...
• ¿Qué aplicaciones proporcionan las redes?– Correo electrónico: texto, voz, imágenes– Acceso a bases de datos, reservas, transferencias, consultas– Transferencia de archivos– Terminal virtual– Servicio de directorio– Servidores de noticias– Diarios electrónicos– Servidores de archivos
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Tareas en los sistemas de comunicación
• Utilización del sistema de transmisión• Implementación de la interfaz• Generación de la señal• Sincronización• Gestión del intercambio• Detección y corrección de errores• Control del flujo de información• Direccionamiento• Encaminamiento• Recuperación• Formato de mensajes• Seguridad• Gestión de red
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Definición de Telemática
• Ciencia-Ingeniería de la inter-operación entre procesos para la accesibilidad remota y distribución de la información codificada utilizando sistemas de telecomunicación– Ciencia: conocimiento cierto de las cosas por sus
principios y causas– Ingeniería: conjunto de conocimientos y técnicas que
permiten aplicar el saber científico a la utilización de la materia y de las fuentes de energía mediante invenciones útiles para el hombre
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Evolución
• Importancia de conocer la evoluciónPunto 1:• Utilización sistemática comienza en los años 60
(2ª generación, ordenadores a transistores), el coste de los ordenadores pasa de prohibitivo a carísimo.
• Aparecen los terminales de pantalla, dispositivos de almacenamiento de acceso directo, los controladores de comunicaciones, y los ordenadores de tipo mini.
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Evolución
• Son soluciones privadas, monofunción y centralizadas: la tarea consiste en concentrar y distribuir desde o hacia un solo punto. Aparece la RETD (Red Especial de Transmisión de Datos) en España.
• Se trata de obtener mayor rendimiento de las líneas de comunicaciones por lo que aparecen dispositivos que van aportando más inteligencia a la red (multiplexores, controladores, concentradores ...).
• Se usan en aplicaciones militares, bancos, líneas aéreas, (incluso con varias redes de concentración solapadas).
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Evolución
Punto 2:• Aparece en los años 70 ARPA (Advanced Research
Project Agency) en un entorno académico con patrocinio militar para experimentar conceptos teóricos de redes de ordenadores:– proceso distribuido,– teoría e implementación de protocolos,– control de flujo,– métodos de encaminamiento,– optimización topológica,– conectividad,– soporte de caídas,– uso de minis, etc.
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Evolución
• Introduce la idea de un mensaje muy corto (paquete), dando lugar a la conmutación de paquetes entre nodos.
• Aproximadamente en el 75 se anuncian los servicios públicos de conmutación de paquetes:– Datapac, Transpac, Datanet
• En España, fácil cambio a Iberpac.• Había tantos modos de organizar como fabricantes
y máquinas (con incompatibilidades incluso entre misma marca).
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Evolución
Punto 3:• Entre 75-85 aparecen múltiples normas de organismos
públicos (CCITT, IEEE, ISO), por ejemplo las normas del CCITT sobre equipos (V), sobre redes públicas (X) y servicios telemáticos de teletex, videotex y telefax.
• Surge la idea de arquitecturas estratificadas debido a los cambios tecnológicos y sociales que aumentan la complejidad y requieren una racionalización para armonizar diseños, modelos, comportamientos y operaciones.
• Se trata de aislar y clasificar las funciones según su aproximación al usuario o al medio de transmisión.
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Evolución
• Entre dos sistemas remotos hay funciones homólogas que pertenecerán al mismo nivel y aparecen interfaces entre niveles adyacentes que permiten sustituciones sencillas.
• Aparecen SNA (IBM) y DECNET (Digital).• Aparece documento IS 7498 de OSI en el 84 para
la interconexión de sistemas heterogéneos y a continuación el CCITT lo llama X.200.
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Evolución
Punto 4:• Comienza a extenderse el uso de fibra óptica.• Hay una gran demanda de comunicaciones
globales (internetworking) de grandes prestaciones (multimedia).
• Por un lado hay una gran difusión de redes locales, y por otro se busca la integración total de las comunicaciones con la RDSI (ISDN), el sistema GSM y UMTS de telefonía móvil y las redes Frame Relay y ATM.
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Evolución
Punto 5: ¿El Futuro?• Despliegue de infraestructuras de mayores
prestaciones hasta el hogar.• Nuevos servicios: Vídeo bajo demanda, vídeo en
directo sobre Internet, etc.• Investigación en tecnologías que resuelvan los
problemas actuales: Direccionamiento (IPv6), Seguridad (IPSec), etc.
• Mayor demanda de movilidad: Desarrollo de tecnología móvil de 3ª y 4ª generación.
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2.- Comunicación de datos a través de redes
• Normalmente no es práctico la conexión mediante un enlace punto a punto:– Los dispositivos están muy alejados.– Muchos dispositivos necesitarían un gran número de conexiones
no prácticas.
• La solución es conectar cada dispositivo a una red de comunicación.
• Red de computadoras: conjunto de ordenadoresautónomos interconectados:– Autónomos: no necesitan de ningún otro ordenador para operar.– Interconectados: intercambio de información.
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Objetivos de las redes de computadores
• Compartición de recursos– Archivos, datos,
programas, CPU
• Alta fiabilidad– Duplicidad de ficheros
– Fallos en una CPU
– Copias de seguridad
• Ahorro
•Expansibilidad
•Medio de comunicación
•Acceso remoto a información
•Comunicaciones interpersonales
•Diversión interactiva
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Por tecnología de transmisión
• Redes multidifusión ( broadcast)– Canal común compartido por varios ordenadores.– La información se divide en paquetes:
• Información sobre destino en cada paquete• Broadcasting: mensajes a todos los ordenadores• Multicasting: ídem a varios simultáneamente
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Por tecnología de transmisión
• Redes punto a punto (point-to-point)– Conexiones entre pares de ordenadores o dispositivos.– Para alcanzar el destino los paquetes deben pasar por
máquinas intermedias.– Almacenamiento temporal de los paquetes en los nodos
intermedios.
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Nodos decomuni-cación Red de área
amplia
Sistema destinoSistema origen
Fuente Trans-misor
Sistematransmi-sión
Receptor Destino
Red de área local
Por escala
• LAN : Redes locales.• MAN: Redes metropolitanas.• WAN: Redes de área extensa.
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Por escala
• Redes de área amplia (WAN, Wide Area Network)• Elementos:
– hosts: conjunto de máquinas de usuario.– subred (de comunicación): elementos de comunicación
entre los hosts.• Separación subred vs. host (simplicidad de diseño).• Elementos de la subred:
• Líneas de transmisión• Elementos deConmutación (IMP)
• Datos almacenadostemporalmente en IMP
• Algoritmo de encaminamiento
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Red de área amplia
• Extensa área geográfica.• Requiere atravesar rutas de acceso público.• Utiliza parcialmente circuitos proporcionados por
proveedores de servicios de telecomunicación. • Se ha implementado con diferentes tecnologías:
– Conmutación de circuitos.– Conmutación de paquetes.– Retransmisión de tramas (Frame Relay).– Modo de Transferencia Asíncrono (ATM).
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Conmutación de circuitos
• Ruta dedicada a la interconexión de dos estaciones o nodos.
• Tres fases: establecimiento de la ruta, transferencia de información y desconexión.
• Ejemplo: la red telefónica (RTC Red Telefónica Conmutada)
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Conmutación de paquetes
• Datos enviados en secuencias.• Pequeñas unidades (paquetes) de información. • Los paquetes se pasan de nodo a nodo entre la estación origen y la destino. • Se usa para comunicaciones terminal-computador y computador-
computador.
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Retransmisión de tramas
• Frame Relay es una mejora de las técnicas de conmutación de paquetes convencionales.
• Para compensar los errores, se utiliza la información redundante y el procesamiento asociado en los esquemas de conmutación.
• Los sistemas actuales de comunicaciones son más fiables y tienen mayor capacidad.
• Los errores se pueden tratar en el sistema final, eliminando casi toda la información redundante y el procesamiento asociado.
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Modo de Transferencia Asíncrono
• ATM• Evolución de la retransmisión de tramas. • Introduce poca información adicional para el control
de errores.• Paquetes de longitud fija (denominadas “celdas”).• Velocidades de transmisión del orden de Mbps, e
incluso Gbps.• El ATM ofrece un canal a velocidad de transmisión
constante, aunque utilice una técnica de conmutación de paquetes.
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Red digital de servicios integrados
• RDSI o ISDN• Diseñada para sustituir a las redes públicas de
telecomunicaciones.• Gran variedad de servicios. • Dominio digital en su totalidad.
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Redes de área local
• Cobertura pequeña:– Típica de edificios o conjunto de edificios próximos.
• Normalmente pertenece a la entidad propietaria de los dispositivos conectados a la red.
• Mayor capacidad de transmisión de datos. • Utilización de sistemas de difusión. • Redes locales inalámbricas (wireless).
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• Redes de dimensiones reducidas:
• Necesitan de un mecanismo de control de acceso al medio (MAC, Medium Access Control).
• No se suelen utilizar mecanismos de interconexión de redes ni nodos intermedios.
Redes de área local
WAN
LANLAN
Características:–Tamaño: Tiempo máximo de transmisión conocido.–Medio de transmisión: cable común (multidifusión).–Topologías: bus, anillo, árbol o estrella.
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Red de usuario, de acceso y troncal
red delusuario distribución red
troncal
red de acceso
conmutaciónservicios
unidad de accesored internaterminales
(integrados oseparados)
punto a puntoo multipunto
(por ej.par telefónico, coaxial, radio,
red óptica pasiva)
último saltored delusuario distribución red
troncal
red de acceso
conmutaciónservicios
unidad de accesored internaterminales
(integrados oseparados)
punto a puntoo multipunto
(por ej.par telefónico, coaxial, radio,
red óptica pasiva)
último salto
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3.- Protocolos y arquitectura de protocolos
• Se utilizan para la comunicación entre entidades de sistemas diferentes.
• Se requiere que “hablen el mismo idioma”.• Protocolo: Conjunto de reglas, normas y formatos, que
gobiernan el intercambio de información entre dos entidades.– Entidades:
• Aplicaciones para usuarios• Correo electrónico• Terminales
– Sistemas:• Computador• Terminal• Sensor remoto
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Puntos clave de un protocolo
• Sintaxis:– Formato de los datos.– Niveles de señal.
• Semántica:– Información de control.– Manejo de errores.
• Temporización:– Sintonización de velocidades.– Secuenciación.
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Arquitectura del protocolo
• Tarea de comunicación dividida en módulos.• Arquitectura de protocolos: Estructura formada
por el conjunto de módulos que realizan las funciones de comunicación entre entidades.
• Por ejemplo: la transferencia de archivos podría utilizar tres módulos: – Aplicación para la transferencia de archivos.– Módulo del servicio de comunicaciones.– Módulo de acceso a la red.
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Arquitectura simplificada para la transferencia de archivos
Computador X Computador Y
Aplicación para la transferencia de archivos
Módulo del servicio de comunicaciones
Módulo de acceso a la red
Aplicación para la transferencia de archivos
Módulo del servicio de comunicaciones
Módulo de acceso a la red
Archivos y órdenes para la transferencia de archivos
Unidades de datos relacionadas con la comunicación
Red de comunicaciones
Lógica de la interfaz de la red
Lógica de la interfaz de la red
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Un modelo de tres capas
• Las comunicaciones involucran a tres agentes:– Aplicaciones– Computadores– Redes
• Organizar tarea en tres capas o niveles:
Capa de aplicación
Capa de transporte
Capa de acceso a red
Computador X Computador Y
Aplicación
Transporte
Acceso a la red
Aplicación
Transporte
Acceso a la red
Protocolo de Aplicación
Protocolo de Transporte
Red de comunicaciones
Protocolo de acceso a la red
Protocolo de acceso a la red
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Capa de acceso a la red
• Intercambio de datos entre el computador y la red a la que está conectado.
• El computador emisor proporciona a la red la dirección de destino.
• El computador emisor puede necesitar ciertos servicios proporcionados por la red.
• Depende del tipo de red que se use (LAN, conmutación de paquetes, etc.).
• Resto de software de comunicaciones por encima de la capa de acceso a la red no tendrá que ocuparse de las características específicas de la red.
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Capa de transporte
• Intercambio de datos de una manera segura:– Todos los datos llegan a la aplicación destino.– Mismo orden en que fueron enviados.
• Independiente de la red que se use.• Independiente de la naturaleza de las aplicaciones.• Capa común compartida por todas las
aplicaciones.
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Capa de aplicación
• Admite varias aplicaciones de usuario.• Para cada tipo de aplicación se necesita un
módulo independiente.• Ejemplo: correo electrónico, transferencia de
ficheros, navegación web, …
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Redes y arquitecturas de protocolos
Aplicación
Transporte
Acceso a la red
Aplicación
Transporte
Acceso a la red
Red de comunicaciones
----()-----()------()----
---()----()----()---()---
Aplicación
Transporte
Acceso a la red
-----()--------()------
Punto de acceso al servicio (SAP: Service Access Point)
Dirección de red
Dos niveles de direccionamiento
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Protocolos en una arquitectura simplificada
Computador X Computador Y
Aplicación
Transporte
Acceso a la red
Aplicación
Transporte
Acceso a la red
Protocolo de Aplicación
Protocolo de Transporte
Red de comunicaciones
Protocolo de acceso a la red
Protocolo de acceso a la red
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Unidades de datos de los protocolos (PDU: Protocol Data Unit)
• En cada capa, se utilizan protocolos para la comunicación.
• Se añade información de control a los datos del usuario en cada capa.
• La capa de transporte puede fragmentar los datos del usuario.
• Cada fragmento tendrá una cabecera de transporte:– SAP (Service Access Point) de destino.– Número de secuencia de las PDU de transporte.– Código de detección de errores.
• Resultado: una unidad de datos de transporte de protocolos o PDU.
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PDU de acceso a la red
• Añade la cabecera de acceso a la red:– La dirección del computador destino. – Solicitud de recursos.
Datos de aplicación
PDU de transporte
Cabecerade transporte
Cabecerade transporte
Cabecerade red
Cabecerade red
PDU de red (paquetes)
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Funcionamiento de una arquitectura de protocolos
Origen X Destino Y
Aplicación
Transporte
Acceso a la red
Aplicación
Transporte
Acceso a la red
Registro Registro
DSAP
DHost
DSAP
DHost
Paquete
PDU de transporte
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La arquitectura de protocolos TCP/IP
• Desarrollada por la red experimental de conmutación de paquetes (ARPANET), financiada por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada para la Defensa (DARPA).
• Se han erigido como estándares de Internet.• No existe un modelo oficial, pero sí funcional:
– Capa de aplicación.– Capa origen-destino o de transporte.– Capa Internet. – Capa de acceso a la red.– Capa física.
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Capa física
• Interfaz física entre el dispositivo de transmisión de datos (por ejemplo: el computador) y el medio de transmisión o red.
• Especificación de las características del medio de transmisión.
• La naturaleza de las señales.• La velocidad de datos.• Y cuestiones afines.
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Capa de acceso a la red
• Intercambio de datos entre el sistema final y la red a la que se está conectado.
• Debe proporcionar a la red la dirección del destino.
• Implica ciertos servicios, como solicitar una determinada prioridad.
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Capa Internet (IP)
• Los dispositivos pueden estar conectados a redes diferentes.
• Encaminamiento a través de varias redes.• Este protocolo se implementa tanto en los sistemas
finales y como en los “routers” intermedios.
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Capa de transporte (TCP)
• Intercambio de datos de forma segura.• Los datos llegan al destino en el mismo orden en
el que fueron enviados.
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Capa de aplicación
• Posibilita las distintas aplicaciones de usuario.• Ejemplo: http, SMTP, MIME,SNMP,FTP, etc
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Modelo de arquitectura de protocolo
Sistema origen Sistema destino
Fuente Trans-misor
Sistema de
transmi-sión
Receptor Destino
Aplicación
TCP
IP
Acceso a la red
Físico
Red
Aplicación
TCP
IP
Acceso a la red
Físico
Sistema origen Sistema destino
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El modelo OSI
• Open Systems Interconnection.• Desarrollado por la Organización Internacional de
Estandarización (ISO).• Considera siete capas.• El modelo de siete capas en su conjunto no ha
prosperado.• Por el contrario, la arquitectura TCP/IP se ha
erigido como dominante.
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Comparación entre las arquitecturas TCP/IP y OSI
OSI TCP/IP
Aplicación
PresentaciónAplicación
Sesión
Transporte
Transporte origen-destino
Red
Enlace de datos
Internet
Acceso a la red
Física Física
Hardware
Firmware
Software
Capas del usuario
Sistema operativo
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Normalizaciones
• Necesario para conseguir la interoperabilidad entre equipos.
• Ventajas:– Asegura un gran mercado de equipos y software. – Permite que los productos de diferentes fabricantes se
comuniquen.
• Desventajas:– Tienden a congelar la tecnología.– Pueden existir varios estándares para una misma
función.
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Organizaciones de normalización
• Organizaciones más importantes de normalización– IEFT: Internet Engineering Task Force:
• Responsable del desarrollo e ingeniería de los protocolos en la arquitectura Internet.
– ISO: International Organization for Standardization:• Agencia internacional para el desarrollo de normalizaciones.
– ITU-T: International Telecommunications Union (antes CCITT):
• Estudiar y definir recomendaciones de cuestiones técnicas, tecnológicas, de operación y tarificación para normalizar las telecomunicaciones a nivel mundial.
– El Forum ATM• Acelerar el procedimiento de elaboración de normas para ATM.