Redes de Computadores - Tema 1 PDF

Redes de Computadores Grado en Ingeniería Informática Departamento de Tecnología Electrónica Contenido de la asignatura Tema 1: Redes de Computadores e Internet Tema 2: Capa de Aplicación Tema 3: Capa de Transporte T...

Redes de Computadores Grado en Ingeniería Informática Departamento de Tecnología Electrónica Contenido de la asignatura Tema 1: Redes de Computadores e Internet Tema 2: Capa de Aplicación Tema 3: Capa de Transporte Tema 4: Capa de Red Tema 5: Capa de Enlace y Redes de Área Local Redes de Computadores Tema 1 Redes de Computadores e Internet Departamento de Tecnología Electrónica Tema 1: Redes de Computadores e Internet Objetivos Contenido  Toma de contacto y 1. ¿Qué es Internet? terminología 2. ¿Qué es un protocolo?  Mayor profundidad, detalles 3. La frontera de la red: equipos, más tarde en el curso redes de acceso, medios físicos 4. El núcleo de la red: conmutación  Enfoque: usar Internet como de paquetes/circuitos, ejemplo arquitectura de Internet 5. Rendimiento: pérdidas, retardos, tasa de transferencia 6. Capas de protocolos, modelos de servicio 7. Historia Introducción 1-4 Fuente: Statista, 2019 Introducción 1-5 ¿Qué es Internet?  ¿Qué es Internet? Hardware y Software Red móvil PC millones de dispositivos de ISP global servidor computación conectados: portátil hosts = sistemas terminales = inalámbrico sistemas finales Red doméstica teléfono ejecutando ISP regional móvil aplicaciones de red. enlaces de comunicación puntos de fibra, cobre, radio, Red empresarial acceso satélite enlaces por cable tasa de transmisión = ancho de banda routers: reenvían paquetes (bloques de router datos) ISP = Internet Service Provider o Proveedor de Servicio de Internet Introducción 1-7 ¿Qué es Internet? Red móvil Hardware y Software ISP global Protocolos controlan el envío y la recepción de la información. Ejemplos: TCP, Red doméstica IP, HTTP, Skype, Ethernet ISP regional Internet: es la “red de redes” Poco jerárquica Internet pública frente a intranet Red empresarial privada Estándares de Internet RFC: Request for comments IETF: Internet Engineering Task Force ISP = Internet Service Provider o Proveedor de Servicio de Internet Introducción 1-8 ¿Qué es Internet? Red móvil Servicios ISP global Infraestructura de comunicación permite aplicaciones distribuidas: Red doméstica Web, VoIP, correo y comercio electrónico, juegos, compartir ISP regional ficheros, redes sociales, streaming… Servicios de comunicación Red empresarial proporcionados a las aplicaciones: Entrega de datos fiable de origen a destino Entrega de datos con “mejor esfuerzo” (no fiable) ISP = Internet Service Provider o Proveedor de Servicio de Internet Introducción 1-9 Tema 1: Redes de Computadores e Internet Objetivos Contenido  Toma de contacto y 1. ¿Qué es Internet? terminología 2. ¿Qué es un protocolo?  Mayor profundidad, detalles 3. La frontera de la red: equipos, más tarde en el curso redes de acceso, medios físicos 4. El núcleo de la red: conmutación  Enfoque: usar Internet como de paquetes/circuitos, ejemplo arquitectura de Internet 5. Rendimiento: pérdidas, retardos, tasa de transferencia 6. Capas de protocolos, modelos de servicio 7. Historia Introducción 1-10 ¿Qué es un protocolo? Protocolos humanos Protocolos de red  Preguntar la hora  Intervienen máquinas en lugar  Levantar la mano de seres humanos  Dejar salir antes de entrar  Toda la actividad de comunicación en Internet se rige por protocolos  … se envían mensajes específicos Un protocolo define el formato y  … se toman acciones específicas el orden de los mensajes cuando se reciben las enviados y recibidos entre respuestas u otros sucesos entidades de red, y las acciones tomadas en la transmisión y/o recepción de un mensaje u otro suceso. Redes de Computadores e Internet 1-11 ¿Qué es un protocolo? Protocolos humanos Protocolos de red www TIEMPO Introducción 1-12 ¿Qué es un protocolo? Protocolos humanos Protocolos de red www Sí TIEMPO Introducción 1-13 Tema 1: Redes de Computadores e Internet Objetivos Contenido  Toma de contacto y 1. ¿Qué es Internet? terminología 2. ¿Qué es un protocolo?  Mayor profundidad, detalles 3. La frontera de la red: equipos, más tarde en el curso redes de acceso, medios físicos 4. El núcleo de la red: conmutación  Enfoque: usar Internet como de paquetes/circuitos, ejemplo arquitectura de Internet 5. Rendimiento: pérdidas, retardos, tasa de transferencia 6. Capas de protocolos, modelos de servicio 7. Historia Introducción 1-14 Visión detallada de la Red móvil Estructura de la Red ISP global La frontera de la red: aplicaciones y sistemas terminales. Red doméstica Redes de acceso, medios ISP regional físicos: enlaces de comunicación cableados e inalámbricos. Red empresarial El núcleo de la red: routers interconectados red de redes ISP = Internet Service Provider o Proveedor de Servicio de Internet Introducción 1-15  Estructura de la red: La frontera de la red Red móvil Sistemas terminales (hosts): ISP global Ejecuta programas de aplicación Ej. Web, correo electrónico… Red doméstica En la “frontera de la red” ISP regional Modelo cliente/servidor Sistema terminal cliente solicita y recibe un servicio de un servidor Red empresarial Ej. navegador/servidor Web… Modelo peer-peer: Mínimo uso (o ninguno) de servidores dedicados Ej. Skype, BitTorrent… ISP = Internet Service Provider o Proveedor de Servicio de Internet Introducción 1-16 Estructura de la Red: Redes de acceso y medios físicos ¿Cómo conectar sistemas Red móvil terminales a un router de frontera? ISP global Redes de acceso domésticas Redes de acceso institutionales Red doméstica (colegio, empresa) ISP regional Redes de acceso móviles Ten en cuenta: Red empresarial Ancho de banda (bits por segundo) de acceso a la red Compartida o dedicada Medio físico de transmisión Introducción 1-17 Estructura de la Red: Medios físicos Par trenzado  Bit: se propaga entre transmisor (UTP) y receptor(es) Coaxial  Enlace físico: el medio que hay entre el transmisor y el receptor  Guiados: las señales se transportan por un medio sólido: cobre (par trenzado; coaxial), fibra  No guiados: Las señales se propagan por el espacio: microondas terrestres, WLAN (WiFi), móviles (4G), satélite Fibra óptica Introducción 1-18 Estructura de la Red: Medios físicos guiados Par trenzado (Twisted Pair, TP) dos cables de cobre aislados Categoría del cable => Velocidad soportada Cable coaxial: dos conductores de cobre concéntricos bidireccional Banda base: un único canal sobre un cable heredado de Ethernet Banda ancha: varios canales sobre un cable HFC o en TV. Cable de fibra óptica: fibra de vidrio conduciendo pulsos de luz, cada pulso representa un bit alta velocidad de operación: transmisión punto a punto de alta velocidad (ej., 10’s-100’s Gpbs) tasa de error baja: atenuación baja permite repetidores muy espaciados; inmune a las interferencias electromagnéticas Introducción 1-19  Estructura de la Red: Medios físicos no guiados señales transportadas en el Tipos de canales de radio: espectro electromagnético microondas terrestre sin “cable” físico Alta direccionalidad. Omnidireccional o WLAN (ej., WiFi) direccional. Omnidireccional. efectos del entorno de área-extensa (ej., móvil) propagación: móviles reflexión satélite Retraso de extremo a extremo obstrucción por de 270 ms => ¡Es un problema! objectos TV por satélite interferencia Internet: se prefiere cables submarinos Introducción 1-20 https://www.submarinecablemap.com/  Estructura de la Red: Redes de Acceso: Redes de Banda Ancha  Redes de acceso fijo:  Líneas de abonado digital sobre pares de cobre telefónico (ADSL y VDSL)  Cableadas:  Soluciones híbridas de fibra y coaxial (HFC)  Fibra óptica hasta el hogar(FTTH)  Inalámbricas:  ≥ 2Mbps  ≥ 30Mpbs  Redes de acceso móvil:  Redes 3,5G (UMTS con HSPA)  Redes 4G (LTE)  [Redes 5G] www.xataka.com  WiMAX ≥ 100Mbps ≥21Mbps < 21Mbps http://www.mincotur.gob.es/telecomunicaciones/banda-ancha/cobertura/Documents/Cobertura-BA-2017.pdf  Estructura de la Red: Redes de Acceso: Redes de Banda Ancha  Redes de acceso fijo:  Líneas de abonado digital sobre pares de cobre telefónico (ADSL y VDSL)  Cableadas:  Soluciones híbridas de fibra y coaxial (HFC)  Fibra óptica hasta el hogar(FTTH)  Inalámbricas:  ≥ 2Mbps  ≥ 30Mpbs  Redes de acceso móvil:  Redes 3,5G (UMTS con HSPA)  Redes 4G (LTE)  [Redes 5G] www.xataka.com Estructura de la red: Redes de acceso domésticas Digital Subscriber Line Acceso telefónico (DSL) Línea telefónica existente: (modem) telefonía 0-4KHz; 4-50KHz carga de datos; 50KHz-1MHz descarga de datos Central telefónica Internet Red telefónica Teléfono doméstico DSLAM Internet Modem Red telefónica PC doméstico Modem splitter de acceso del ISP Modem telefónico Central doméstico PC doméstico DSL telefónica Hybrid Fiber Cable (HFC) Fiber To The Home (FTTH) ONT Internet ONT Cable de Cables de OLT fibra óptica fibra óptica ONT Splitter Central óptico telefónica ONT: Optical Network Terminator OLT: Optical Line Terminator Estructura de la Red: Redes de acceso institucionales 100 Mbps Router institucional Conmutador Ethernet al ISP que provee el acceso a Internet a la institución 100 Mbps 1 Gbps servidor 100 Mbps router punto de acceso sistemas terminales móviles Estructura de la Red: Componentes típicos en una Red de Acceso Doméstica Portátiles (inalámbricos) a/desde modem router/ el terminal cable Firewall/ de cabecera de cable NAT punto de (ISP) acceso Ethernet inalámbrico SOHO (Small Office, home Office) Introducción 1-27 Tema 1: Redes de Computadores e Internet Objetivos Contenido  Toma de contacto y 1. ¿Qué es Internet? terminología 2. ¿Qué es un protocolo?  Mayor profundidad, detalles 3. La frontera de la red: equipos, más tarde en el curso redes de acceso, medios físicos 4. El núcleo de la red: conmutación  Enfoque: usar Internet como de paquetes/circuitos, ejemplo arquitectura de Internet 5. Rendimiento: pérdidas, retardos, tasa de transferencia 6. Capas de protocolos, modelos de servicio 7. Historia Introducción 1-28 El núcleo de la red Malla de routers interconectados. ¿Cómo se transfieren los datos a través de la red?  Conmutación de circuitos: circuito dedicado por llamada (red telefónica)  Conmutación de paquetes: los datos se envían a través de la red en fragmentos más pequeños (paquetes) Introducción 1-29  El núcleo de la red Malla de routers interconectados. ¿Cómo se transfieren los datos a través de la red?  Conmutación de circuitos: circuito dedicado por llamada (red telefónica)  Recursos Conmutación de paquetes: los datos de extremo a extremo reservados por “llamada” se envían Ancho de bandaadel través enlace, de la red capacidad delen router fragmentos Recursos más dedicados: no sepequeños comparten (paquetes) Rendimiento garantizado Establecimiento de llamada requerido Recursos de red (p.e., ancho de banda) dividido en “partes” Partes asignadas a llamadas Parte del recurso inutilizado si no es usado por el que realiza la llamada (no se comparte) División del ancho de banda del enlace en “partes” División de frecuencia División de tiempo Introducción 1-30  El núcleo de la red Conmutación de Circuitos: Ejemplos de acceso al medio FDM División del frecuencia enlace en la frecuencia tiempo Ejemplo con 4 usuarios: Marco TDM División del frecuencia enlace en el tiempo tiempo Introducción 1-31 El núcleo de la red Malla Cada flujode routers de datos interconectados. de extremo a extremo se divide en paquetes: ¿Cómo Paquetes sedetransfieren los distintos usuarios datoslos comparten a través dedelala red recursos red? Cada paquete usa el ancho de banda del enlace  Conmutación completo de circuitos: circuito dedicado Recursos se usan por según se necesitan, llamada (red no hay reserva de recursos telefónica) Contienda por los recursos: La demanda de recursos del conjunto puede exceder la cantidad disponible → congestión (espera para el uso del enlace → colas de paquetes) Propagación mediante store and forward: los paquetes avanzan un paso cada vez y el nodo recibe completamente el paquete antes del reenvío  Conmutación de paquetes: los datos se envían a través de la red en fragmentos más pequeños (paquetes) Introducción 1-32 El núcleo de la red Conmutación de Paquetes: Ejemplo de acceso al medio 100 Mb/s A Ethernet multiplexación estadística C 10 Mb/s B cola de paquetes esperando el enlace de salida D E  La secuencia de paquetes de A y B no tiene patrón temporal fijo  El ancho de banda es compartido bajo demanda → multiplexación estadística Introducción 1-33  El núcleo de la red Conmutación de paquetes: Propagación Store-and-Forward A B R R R L bits  Se tarda L/R segundos en transmitir paquetes de L bits sobre un enlace de R bps  Store and forward: el paquete completo debe llegar al router antes de ser transmitido al siguiente enlace  Retardo del nodo A al nodo B es 3L/R (asumiendo retardo de propagación cero) A B 2Mbps 2Mbps 2Mbps 6 Mbits Introducción 1-34 El núcleo de la red Conmutación de paquetes vs. circuitos La conmutación de paquetes permite a más usuarios usar la red. Ejemplo:  Enlace de 1Mbps  Cada usuario: N  100Kbps cuando está “activo” usuarios  Activo el 10% del tiempo Enlace 1 Mbps  Conmutación de circuitos:  10 usuarios  Conmutación de paquetes:  con 35 usuarios, probabilidad > P: ¿qué sucede si > 35 usuarios ? 10 activos en el mismo tiempo es menor que 0.0004 Introducción 1-35  El núcleo de la red Estructura de Internet: red de redes Introducción 1-36 Imagen de Wikipedia  El núcleo de la red Estructura de Internet: red de redes NAP Network Access Point (NAP) (Punto de acceso a la red) Internet Service Provider (ISP) (Suministrador de Servicio de Internet) Tier1 NSP NSP Regional Service Provider (RSP) (Suministrador de Servicio Regional) Network Service Provider (NSP) (Suministrador de Servicio de Red) Tier2 RSP RSP RSP Internet Exchage Point (IXPs) Tier3 ISP ISP ISP ISP ISP Abonados Abonados Abonados Abonados Abonados Introducción 1-37 El núcleo de la red Estructura de Internet: red de redes  Un NAP es una red de acceso de alta velocidad, típicamente Ethernet, a través de la cual los ISPs intercambian rutas y tráfico. También conocido como IXP, Internet Exchange Point o NP (Neutral Point, Punto Neutro).  Ver: http://www.espanix.es/es/traffic.html  Es posible que los RSP se conecten mediante enlaces privados a otros RSP o NSP.  Un paquete pasa a través de muchas redes desde el equipo fuente al equipo destino Introducción 1-38 Tema 1: Redes de Computadores e Internet Objetivos Contenido  Toma de contacto y 1. ¿Qué es Internet? terminología 2. ¿Qué es un protocolo? 3. La frontera de la red: equipos,  Mayor profundidad, detalles redes de acceso, medios físicos más tarde en el curso 4. El núcleo de la red: conmutación  Enfoque: usar Internet como de paquetes/circuitos, arquitectura de Internet ejemplo 5. Rendimiento: pérdidas, retardos, tasa de transferencia (redes de conmutación de paquetes) 6. Capas de protocolos, modelos de servicio 7. Historia Introducción 1-39  Rendimiento ¿Cómo ocurren las pérdidas y los retardos? Los paquetes se encolan en el buffer del router. Si la tasa de llegada de paquetes al enlace excede la capacidad de salida del mismo, los paquetes se encolan, esperando su turno. paquete siendo transmitido (retardo) Nota Cómo se verá más adelante A en la asignatura además de los routers hay otros dispositivos que introducen retardos. B paquetes encolados (retardo) buffer libre (disponible): paquetes que llegan se encolan buffer completo: paquetes no se encolan (pérdida) Introducción 1-40 Rendimiento Cuatro fuentes de retardos transmisión A propagación B procesamiento nodal de cola dnodal = dproc + dcola + dtrans + dprop dproc: procesamiento nodal dcola: retardo de cola  Comprobar errores de nivel de bit  Tiempo de espera antes de ser  Determinar el enlace de salida transmitido por el enlace de salida  Típicamente < µs  Depende del nivel de congestión del router  Típicamente µs o ms Introducción 1-41 Rendimiento Cuatro fuentes de retardos transmisión A propagación B procesamiento nodal de cola dnodal = dproc + dcola + dtrans + dprop dtrans: retardo de transmisión dprop: retardo de propagación  L: longitud del paquete (bits)  d: longitud del enlace físico  R: ancho de banda del enlace (bps)  s: velocidad de propagación del medio (~2x10 8 m/s) dtrans = L/R (µs o ms) dtra ns y dprop dprop = d/s muy diferentes Introducción 1-42 Rendimiento Retardo de cola retardo de cola  R: ancho de banda del enlace (bps) promedio  L: longitud del paquete (bits)  a: tasa de llegada de paquetes promedio (paquetes por segundo) intensidad de tráfico = L·a/R  L·a/R ~ 0: retardo de cola promedio pequeño L·a/R ~ 0  L·a/R → 1: retardo de cola promedio grande  L·a/R > 1: llegan más paquetes de lo que se puede servir, retardo de cola L·a/R → 1 infinito! Introducción 1-43 Rendimiento Pérdida de paquetes  La cola (buffer) asociada a un enlace tiene una capacidad finita  Los paquetes que llegan a una cola llena se descartan (drop) (se pierden)  Los paquetes descartados pueden ser retransmitidos por el sistema terminal origen, por el nodo previo o por nadie buffer (área de espera) paquete siendo transmitido A B paquete que llega al buffer lleno y se pierde Introducción 1-44  Rendimiento Tasa de transferencia (extremo a extremo) Tasa de transferencia (throughput): tasa (bits/unidad de tiempo) a la cual los bits son transferidos entre el cliente y el servidor  Instantánea: tasa en un instante de tiempo determinado  Promedio: tasa medida a lo largo de un periodo de tiempo servidor servidor,envía tienebits que tubería puede capacidad del tubería puede transportar capacidad del (fluido) enviar un tuberíade transportar a lafichero enlaceel fluido a el fluido a una tasa enlace F bits al cliente una tasa de Rs bits/s RRccbits/s (bits/s) Rs (bits/s) Introducción 1-45 Rendimiento Tasa de transferencia (extremo a extremo) Si Rs < Rc, ¿tasa de transferencia promedio de terminal a terminal? Rs bits/s Rc bits/s Si Rs > Rc, ¿tasa de transferencia promedio de terminal a terminal? Rs bits/s Rc bits/s Introducción 1-46  Rendimiento Tasa de transferencia (extremo a extremo) Si Rs < Rc, ¿tasa de transferencia promedio de terminal a terminal? enlace cuello deRsbotella bits/s Rc bits/s Es el enlace en la ruta de extremo a extremo el que limita la tasa deSi transferencia Rs > Rc, ¿tasa de transferencia extremo promedio de terminal a terminal? a extremo. Rs bits/s Rc bits/s Introducción 1-47 Rendimiento Tasa de transferencia: escenario de Internet  Tasa de transferencia terminal Rs a terminal por conexión: min(Rc,Rs,R/10) Rs Rs  En la práctica: Rc o Rs es a menudo el cuello de botella R La tasa de transferencia no depende Rc Rc sólo de las velocidades de transmisión de los enlaces sino Rc también del tráfico existente. Aunque la velocidad de transmisión del enlace sea alta puede ser el cuello de botella si hay mucho flujo de datos atravesando ese enlace. 10 conexiones comparten el enlace común (en partes iguales) con velocidad R bits/s Introducción 1-48 Tema 1: Redes de Computadores e Internet Objetivos Contenido  Toma de contacto y 1. ¿Qué es Internet? terminología 2. ¿Qué es un protocolo? 3. La frontera de la red: equipos,  Mayor profundidad, detalles redes de acceso, medios físicos más tarde en el curso 4. El núcleo de la red: conmutación  Enfoque: usar Internet como de paquetes/circuitos, arquitectura de Internet ejemplo 5. Rendimiento: pérdidas, retardos, tasa de transferencia (redes de conmutación de paquetes) 6. Capas de protocolos, modelos de servicio 7. Historia Introducción 1-49 Capas de protocolos, modelos de servicio Las redes son complejas, con muchas “piezas”:  Sistemas terminales  Routers  Enlaces de varios medios  Aplicaciones  Protocolos  Software  Hardware ¿Tenemos alguna esperanza de poder organizar una arquitectura de red? ¿o al menos nuestra exposición sobre la misma? Introducción 1-50 Capas de protocolos, modelos de servicio Símil con la organización de un viaje en avión billete (compra) billete (reclamación) equipaje (facturación) equipaje (recogida) embarque (carga) embarque (descarga) despegue aterrizaje control de vuelo control de vuelo control de vuelo Un conjunto de pasos… Introducción 1-51  Capas de protocolos, modelos de servicio Símil con la organización de un viaje en avión billete (compra) billete (reclamación) billete equipaje (facturación) equipaje (recogida) equipaje embarque (carga) embarque (descarga) embarque despegue aterrizaje despegar/aterrizar control de vuelo control de vuelo control de vuelo control de vuelo control de vuelo Aeropuerto Centros intermedios de Aeropueto de salida control de tráfico aéreo de llegada Capas o niveles: cada capa implementa un servicio…  llevando a cabo determinadas acciones dentro de dicha capa  utilizando los servicios que proporciona la capa que tiene directamente debajo de ella Introducción 1-52 Capas de protocolos, modelos de servicio ¿Por qué una arquitectura en capas? Los sistemas son complejos:  Una estructura específica permite identificar y relacionar las partes complejas del sistema  Un modelo de referencia en capas para análisis y discusión  La modularización simplifica el mantenimiento y la actualización del sistema  Modificar la implementación del servicio de una capa es transparente al resto del sistema  P.e., cambio en el procedimiento de embarque no afecta al resto del sistema Introducción 1-53 Capas de protocolos, modelos de servicio ¿Cómo se organiza una arquitectura en capas?  En cada extremo debe haber una instancia de un determinado nivel, conocido como entidad.  Cada nivel realiza un conjunto de tareas, conocidas como funciones  No todas las funciones se realizan en cada extremo de la comunicación.  P.e., en la capa de equipaje está la función de facturación y la de recogida.  Cada nivel ofrece un conjunto de prestaciones (proveedor) al nivel superior (usuario), conocidas como servicios  P.e., el servicio de facturación.  El acceso a los servicios de un determinado nivel se realiza a través de una interfaz conocida como SAP (Service Access Point). Introducción 1-54  Capas de protocolos, modelos de servicio ¿Cómo se organiza una arquitectura en capas?  En cada nivel se utiliza un determinado protocolo para comunicarse con otra entidad del mismo nivel, ofrecer los servicios a su nivel superior y realizar la funciones que tiene encomendadas.  Usa los servicios que le ofrece el nivel inferior.  En el protocolo se describe:  el formato de los mensajes a intercambiar → PDU (Protocol Data Unit)  las reglas de intercambio de mensajes.  Ejemplo Extremo A Extremo B...... Nota Un nivel puede ofrecer Nivel N + 1 Nivel N + 1 distintos servicios. Cada N_SAP uno usará su propio Protocolo nivel N Nivel N Nivel N protocolo Entidad de nivel N N_PDU Nivel N - 1 Nivel N - 1...... Introducción 1-55  Capas de protocolos, modelos de servicio Arquitectura en capas ¿Cuál es el flujo de Extremo A Extremo B información? Real: Protocolo capa N Entre niveles adyacentes. N-PDU A través del SAP. Comunicación vertical. Entidades par de nivel N Las PDUs se tienen que Protocolo capa N-1 encapsular y desencapsular. N-1 -PDU En el mismo equipo. Lógica: Entidades par de nivel N-1 Entre entidades pares. Protocolo capa N-2 Comunicación horizontal N-2 -PDU Entre diferentes equipos. Se intercambian PDU. Entidades par de nivel N-2 Nota A las entidades de un mismo nivel se conocen como entidad par Introducción 1-56  Capas de protocolos, modelos de servicio Encapsulación IDU: Interface Data Unit ICI: Interface Control Information Emisor … PDU: Protecol Data Information PCI: Protocol Control Information (N+1)-PDU SDU: Service Data Unit UD: User Data SAP: Service Access Point Nivel N+1 (N)-ICI (N)-SAP (N)-IDU Encapsulación Nivel N (N)-ICI (N)-SDU (N)-PCI (N)-UD (N)-PDU Nivel N – 1 … Introducción 1-57  Capas de protocolos, modelos de servicio Desencapsulación IDU: Interface Data Unit ICI: Interface Control Information Receptor … PCI: Protocol Control Information SDU: Service Data Unit (N+1)-PDU UD: User Data SAP: Service Access Point Nivel N+1 (N)-ICI (N)-SAP (N)-IDU Desencapsulación Nivel N (N)-ICI (N)-SDU (N)-PCI (N)-UD (N)-PDU Nivel N – 1 … Introducción 1-58  Capas de protocolos, modelos de servicio Fragmentación IDU: Interface Data Unit ICI: Interface Control Information Emisor … PCI: Protocol Control Information SDU: Service Data Unit (N+1)-PDU UD: User Data SAP: Service Access Point Nivel N+1 (N)-ICI (N)-IDU (N)-SAP Fragmentación y Encapsulación Nivel N (N)-ICI (N)-SDU (N)-PCI (N)-PDU (N)-PDU Nivel N – 1 … Introducción 1-59  Capas de protocolos, modelos de servicio Reensamblaje IDU: Interface Data Unit ICI: Interface Control Information Receptor … PCI: Protocol Control Information SDU: Service Data Unit (N+1)-PDU UD: User Data SAP: Service Access Point Nivel N+1 (N)-SAP Desencapsulación y Reensamblaje (N)-ICI (N)-IDU Nivel N (N)-ICI (N)-SDU (N)-PCI (N)-PDU (N)-PDU Nivel N – 1 … Introducción 1-60 Capas de protocolos, modelos de servicio ¿Cuántas capas son necesarias?  Depende del conjunto de funciones que se desee que tenga la arquitectura de red.  Dos arquitecturas de red:  TCP/IP  Es la utilizada en Internet.  Se compone de cinco capas.  Describe funciones, servicios y protocolos  Modelo de referencia OSI (Open System Interconnection).  Se compone de siete capas.  Estándar de ISO (International Organization for Standardization).  Describe funciones y servicios. Introducción 1-61 Capas de protocolos, modelos de servicio Pila de protocolos de Internet (TCP/IP)  Aplicación: soporta las aplicaciones de red. A_PDU Sirve de interfaz con el usuario final Aplicación mensaje  FTP, SMTP, HTTP, DNS T_PDU  Transporte: transferencia de datos extremo a Transporte segmento extremo entre procesos R_PDU  TCP, UDP Red datagrama  Internet o Red: direccionamiento y enrutado o paquete de datagramas de origen a destino E_PDU  IP, protocolos de rutado Enlace trama  Enlace: transferencia de datos entre elementos de red “cercanos” Física  Ethernet, 802.11 (WiFi), PPP  Física: bits “en el cable”  Ethernet (conectores y cables) Introducción 1-62 Capas de protocolos, modelos de servicio Modelo de referencia ISO/OSI  Presentación: permite que las aplicaciones interpreten el significado de los datos, ej., Aplicación encriptación, compresión, codifica datos en Presentación modo estándar  Sesión: sincronización, puntos de comprobación, Sesión recuperación del intercambio de datos Transporte  La pila de Internet “omite” estas capas…  Si son necesarios estos servicios, deben ser Red implementados en aplicación  ¿Son necesarios? Enlace Física Introducción 1-63 Capas de protocolos, modelos de servicio ¿Cómo se implementan las capas? Nota No todos los niveles están en todos los aplicación Programas dispositivos que se usan en Internet. transporte Software Sistema Operativo red enlace Nota Al hardware que implementa el nivel de enlace y hardware físico se conoce como interfaz de red, tarjeta de red física o NIC (Network Interface Card). Introducción 1-64 Capas de protocolos, modelos de servicio Ejemplo de dos sistemas finales interconectados por un router origen destino aplicación mensaje M M aplicación transporte segmento Ht M Ht M transporte red datagrama Hnr Ht M Hr Ht M red enlace trama He Hr Ht M He Hr Ht M enlace física física Hr Ht M red enlace He Hr Ht M física Nota router Hx = X_PCI M = A_PCI(Ha) + Datos Usuario (UD) Ejemplo UD: Medio físico Asunto/cuerpo de un e_mail Texto de un mensaje WhatsApp Introducción 1-65 Capas de protocolos, modelos de servicio Ejemplo de dos sistemas finales interconectados por un router origen Protocolo aplicación destino aplicación aplicación Protocolo transporte transporte transporte red Protocolo red red Protocolo red red enlace Protocolo enlace enlace Protocolo enlace enlace física Protocolo físico física Protocolo físico física router Introducción 1-66 Tema 1: Redes de Computadores e Internet Objetivos Contenido  Toma de contacto y 1. ¿Qué es Internet? terminología 2. ¿Qué es un protocolo? 3. La frontera de la red: equipos,  Mayor profundidad, detalles redes de acceso, medios físicos más tarde en el curso 4. El núcleo de la red: conmutación  Enfoque: usar Internet como de paquetes/circuitos, arquitectura de Internet ejemplo 5. Rendimiento: pérdidas, retardos, tasa de transferencia (redes de conmutación de paquetes) 6. Capas de protocolos, modelos de servicio 7. Historia Introducción 1-67 Historia de Internet 1961-1972: principios de la conmutación de paquetes 1961: Kleinrock – teoría de 1972: colas muestra la eficacia de la ▪ demostración pública ARPAnet conmutación de paquetes ▪ NCP (Network Control Protocol) primer 1964: Baran – conmutación de protocolo de equipo a equipo paquetes en redes militares ▪ primer programa de correo electrónico 1967: ARPAnet concebido por ▪ ARPAnet tiene 15 nodos la Advanced Research Projects Agency 1969: primer nodo ARPAnet operacional Introducción 1-68  Historia de Internet 1972-1980: interconexión de redes, redes nuevas y propietarias 1970: red de satélite ALOHAnet en Hawaii Cerf and Kahn’s principios de la 1974: Cerf and Kahn - arquitectura interconexión de redes: para interconectar redes ▪ minimalismo, autonomía – 1976: Ethernet de Xerox PARC no se requieren cambios finales 70’s: arquitecturas internos para interconectar propietarias: DECnet, SNA, XNA redes finales 70’s: conmutación de ▪ modelo de mejor esfuerzo paquetes de longitud fija ▪ stateless routers (precursor ATM) ▪ control descentralizado 1979: ARPAnet tiene 200 nodos define la arquitectura de Internet actual Introducción 1-69 Historia de Internet 1980-1990: nuevos protocolos, proliferación de redes 1983: despliegue de nuevas redes nacionales: TCP/IP Csnet, BITnet, NSFnet, 1982: se define el Minitel protocolo SMTP (correo 100.000 equipos electrónico) conectados a la 1983: se define DNS para confederación de redes la traducción de nombre a dirección IP 1985: se define el protocolo FTP 1988: Control de la congestión TCP Introducción 1-70  Historia de Internet 1990, 2000’s: comercialización, the Web, nuevas aplicaciones principios 1990’s: ARPAnet fuera de finales 1990’s – 2000’s: servicio más aplicaciones: mensajería 1991: NSF levanta las restricciones instantánea, compartición de sobre el uso comercial de NSFnet ficheros P2P (fuera de servicio, 1995) seguridad de la red en primer principios 1990s: Web plano hipertexto [Bush 1945, Nelson est. 50 millones equipos, más de 1960’s] 100 millones usuarios HTML, HTTP: Berners-Lee enlaces backbone funcionando a 1994: Mosaic, más tarde Gbps Netscape finales 1990’s: comercialización de la Web Introducción 1-71 Historia de Internet 2019: ~ 4.388 millones de usuarios voz, video sobre IP aplicaciones P2P: BitTorrent (compartir ficheros), Skype (VoIP), Roku (streaming video) más aplicaciones: YouTube, gaming, Twitter conexión inalámbrica, movilidad IoT (Internet of Things) https://wearesocial.com/blog/2019/01/digital-2019-global-internet-use-accelerates Introducción 1-72 Contenidos Tema 1: Redes de Computadores e Internet Tema 2: Capa de Aplicación Tema 3: Capa de Transporte Tema 4: Capa de Red Tema 5: Capa de Enlace y Redes de Área Local Estas transparencias han sido elaboradas a partir de material con copyright que Pearson pone a disposición del profesorado, a partir del libro: Jim Kurose, Keith Ross (2010). Computer Networking: A Top Down Approach, 5th edition, Ed. Pearson. Algunas actualizaciones pertenecen a la última edición: Jim Kurose, Keith Ross (2017). Redes de Computadoras: Un enfoque descendente, 7ª edición, Ed. Pearson. Redes de Computadores Tema 1 Redes de Computadores e Internet EJERCICIOS Departamento de Tecnología Electrónica  Encapsulamiento y fragmentación Suponga que, en el modelo OSI, un protocolo de nivel de enlace de datos tiene limitado el tamaño máximo de la E_SDU a 1000 bytes, y que el protocolo de nivel de red no limita el tamaño máximo de las R_SDUs a su nivel superior. Si las T_PDUs tienen siempre un tamaño de 2000 bytes y la R_PCI ocupa 100 bytes, ¿Cuántas R_PDUs enviará el nivel de red? ¿Qué contendrá cada R_PDU ? (Nota: Las R_PDUs que se envíen deben ser del tamaño máximo posible) Segmentación Paquete sin segmentación Equipo origen Conmutador Conmutador Equipo destino de paquetes de paquetes Paquete con segmentación Equipo origen Conmutador Conmutador Equipo destino de paquetes de paquetes  Segmentación Considerad que se envía un mensaje cuya longitud es 8x106 bits desde el origen hasta el destino mostrados en la figura anterior. Suponed que cada enlace mostrado es de 2 Mbps. Ignorad los retardos de propagación, de cola y de procesamiento. a) Suponed que el mensaje se transmite desde el origen al destino sin segmentarlo. ¿Cuánto tarda el mensaje en desplazarse desde origen hasta el primer router? Teniendo en cuenta que cada router usa el método de store and forward, ¿cuál es el tiempo total que invierte el mensaje para ir desde el equipo origen al destino? b) Suponed que el mensaje se segmenta en 4000 paquetes y que la longitud de cada uno es 2000 bits. ¿Cuánto tarda el primer paquete en desplazarse desde el origen hasta el primer router? Cuando se está enviando el primer paquete del primer router al segundo, el host de origen envía un segundo paquete al router, ¿en qué instante de tiempo habrá recibido el primer router el segundo paquete completo? c) ¿Cuánto se tarda en transmitir el mensaje completo desde el host origen al destino cuando se emplea la segmentación de mensajes? Comparad este resultado con la respuesta del primer apartado y comentadlo. d) ¿Cuáles creéis que son los inconvenientes de la segmentación de mensajes?  TDM ¿Cuánto se tarda en enviar un fichero de 640000 bits (640 Kb) desde un sistema final A al B sobre una red de conmutación de circuitos? ▪ velocidades de todos los enlaces: 1,536 Mbps. ▪ cada enlace usa TDM con 24 particiones/marco. ▪ 500 ms para establecer el circuito de terminal a terminal.  Retardo de extremo a extremo Considerar un paquete de longitud L transmitido por un sistema terminal A que pasa a través de tres enlaces hasta alcanzar el sistema terminal destino. Los tres enlaces se conectan a través de dos router en una red de conmutación de paquetes. Considerando que di, si y Ri denotan la longitud, la velocidad de propagación y la velocidad de transmisión del enlace i, para i=1,2,3, que los routers retrasan cada paquete dproc, y asumiendo que no hay retardos de colas, en términos de di, si y Ri (i=1,2,3) y L, ¿cuál el retardo total de extremo a extremo para el paquete? Suponer ahora que la longitud del paquete es 1500 bytes, la velocidad de propagación en los enlaces es 2.5x108 m/s, la velocidad de transmisión es 2 Mbps, el retardo de procesamiento del router es 3 ms, la longitud del primer enlace es 5000 km, la del segundo 4000 km y la del tercero 1000 km. Para estos valores, ¿cuál es el retardo de extremo a extremo?  Retardo de cola Un router en una red conmutación de paquetes recibe un paquete y determina el enlace de salida al cual el paquete debe reenviarse. Cuando el paquete llega, otro paquete se está transmitiendo por ese enlace de salida (la mitad se ha transmitido) y tres más están esperando para ser transmitidos. Los paquetes se transmiten por orden de llegada. Suponiendo que todos los paquetes tiene una longitud de 1500 bytes y que la velocidad del enlace es de 2Mbps. ¿Cuál es el retardo de cola del paquete? De forma general, ¿cuál es el retardo de cola cuando todos los paquetes tienen longitud L, la velocidad de transmisión es R, x bits del paquete que se está transmitiendo se han transmitido, y n paquetes están ya en la cola?