Visin General de las Redes Qu funcionalidad debe

Visión General de las Redes • ¿Qué funcionalidad debe proveer una red? - Conectividad - Compartimiento de recursos efectivo - Funcionalidad - Rendimiento • ¿Cómo son diseñadas y construidas las redes? - Por capas - Por protocolos - Con normas Ingeniería en Redes y Comunicaciones Diseño de Redes - Capítulo 1 1

Perspectivas sobre las Redes • Usuarios de la red - Servicios para sus aplicaciones Garantía que los mensajes enviados sean despachados sin errores y en un tiempo prudencial • Diseñadores de redes - Diseños con óptima relación costo/eficiencia Los recursos de la red son utilizados eficientemente y equitativamente asignados a los diferentes usuarios • Proveedores de servicios a la red - Una red que es fácil de administrar y mantener Las fallas pueden ser facilmente aisladas y corregidas Ingeniería en Redes y Comunicaciones Diseño de Redes - Capítulo 1 2

Conectividad • Elementos - Enlaces: - Nodos: cable coaxial, fibra óptica… estaciones de trabajo, routers… • Enlaces - Punto a punto - Acceso múltiple … • Cada nodo requiere de una interfaz al enlace • La cobertura geográfica y escalabilidad son limitadas Ingeniería en Redes y Comunicaciones Diseño de Redes - Capítulo 1 3

Conectividad Indirecta • Redes Conmutadas • Internetworks • Definición recursiva de la red - Dos o más nodos conectados por un enlace físico - Dos o más redes conectadas por uno o más nodos Ingeniería en Redes y Comunicaciones Diseño de Redes - Capítulo 1 4

Efectos de la Conectividad Indirecta • Los nodos reciben datos por un enlace y lo envían al siguiente circuito conmutado Conmutados por circuitos - Teléfonos - Basados en flujo ( circuitos dedicados ) - Flujo de bits a velocidad constante - Enlaces reservados para canales de comunicaciones Conmutados por paquetes - Internet - Paso de mensajes - Enlaces son utilizados de manera dinámica - Las políticas de admisión y otro tráfico determinan el ancho de banda Ingeniería en Redes y Comunicaciones Diseño de Redes - Capítulo 1 5

Internetworking • Para interconectar a dos o más redes hace falta un gateway o un router • La conectividad de host a host solo es posible con un esquema uniforme de direccionamiento y un método para enrutamiento • Los mensajes pueden ser enviados a un solo destino ( unicast ), a múltiples destinos ( multicast ) o a todos los destinos posibles ( broadcast ) Ingeniería en Redes y Comunicaciones Diseño de Redes - Capítulo 1 6

Uso efectivo de los recursos • Los enlaces físicos deben ser compartidos por muchos usuarios Multiplexado Demultiplexado • Los métodos de multiplexado más comunes, son: - Síncrono, multiplexado por división del tiempo ( STDM ) - Multiplexado por división en frecuencias ( FDM ) Ingeniería en Redes y Comunicaciones Diseño de Redes - Capítulo 1 7

Multiplexado por división síncrona en el tiempo ( STDM ) L 1 L 2 L 3 tiempo unidad de tiempo • El tiempo se divide en segmentos iguales “quantum” y los paquetes se envían en cada segmento en modo round-robin ( circular ) Ingeniería en Redes y Comunicaciones Diseño de Redes - Capítulo 1 8

Multiplexado por División en Frecuencia ( FDM ) L 1 L 2 L 3 Espectro de frecuencias • Los datos de todas las fuentes transitan al mismo tiempo por el enlace. Sin embargo, cada una ocupa un rango de frecuencia diferente a los otros • Los métodos de transmisión descritos son efectivos cuando existe un flujo constante de datos. Este no es el caso típico para una red de computadoras Ingeniería en Redes y Comunicaciones Diseño de Redes - Capítulo 1 9

Multiplexado Estadístico • Multiplexado Estadístico ( SM ), características - División en el tiempo, por demanda - Organización basada en paquetes - Paquetes de diferentes fuentes, son intercalados - Se establece un tope en velocidad de transmisión para cada fuente El tamaño de las colas establecen la capacidad de transmisión para las fuentes Ingeniería en Redes y Comunicaciones Diseño de Redes - Capítulo 1 10

Multiplexado Estadístico cola switch • Los paquetes son almacenados en un “buffer” en el switch hasta que son despachados • El siguiente paquete a ser despachado del switch depende de la politica establecida, FIFO, Round-Robin, etc. Ingeniería en Redes y Comunicaciones Diseño de Redes - Capítulo 1 11

Marco Analítico l 1 l 2 m l 3 • Si consideramos a l 1, l 2 y l 3 como las probabilidades de llegada de los paquetes correspondientes a las tres fuentes, y u el servicio prestado a los paquetes, podemos utilizar teoría de colas para establecer el rendimiento del sistema l 1 Ingeniería en Redes y Comunicaciones Diseño de Redes - Capítulo 1 12

Funcionalidad • Soporte para servicios comunes Objetivo - Comunicación eficiente entre los hosts en la red Medio - Servicios comunes, simplifican el desarrollo de aplicaciones - Esconder la complejidad de la red sin restringir al diseñador de aplicaciones Semántica e interfaz depende de la aplicación - Requisición/respuesta: FTP, HTTP - Flujo continuo: video-en-demanda, video conferencia Ingeniería en Redes y Comunicaciones Diseño de Redes - Capítulo 1 13

Canales • Canal - Abstracción a nivel de comunicación entre aplicaciones • Objetivo - Convertir la comunicación host-a-host en comunicación proceso-a-proceso Host APP Channel Host Ingeniería en Redes y Comunicaciones Diseño de Redes - Capítulo 1 Host 14

Comunicación entre procesos • Problemas ocultos por la abstracción del canal de comunicaciones - Errores en los bits ( interferencia eléctrica ) - Errores en los paquetes ( congestión ) - Fallas en el enlace/nodo - Demoras en los mensajes - Entrega de paquetes fuera de orden - Intromisiones no autorizadas • Objetivos del sistema - Proveer respuesta a los requerimientos de las aplicaciones utilizando la tecnología disponible Ingeniería en Redes y Comunicaciones Diseño de Redes - Capítulo 1 15

Arquitectura de la Red • El reto para el diseño de la arquitectura - Cumplir con los requerimientos de las aplicaciones utilizando la tecnología existente y hacerlo eficientemtente • Los requerimientos de las aplicaciones así como la tecnología existente son variables dinámicas, evolucionan con el tiemo - ¿Cómo enfrentan este reto los diseñadores de redes? Diseño por capas Uso de protocolos Estableciendo normas Ingeniería en Redes y Comunicaciones Diseño de Redes - Capítulo 1 16

Abstracción por medio de capas • Abstracción del sistema por medio de capas: - Descomponer el problema de diseñar una red en componentes más fáciles de manejar Cada capa implementa un conjunto de funciones - El diseño modular provee flexibilidad La modificación de una capa no afecta a las demás capas Permite diseñar y evaluar abstracciones alternativas Programas de aplicación Canal con flujo continuo de datos Canal requisición/respuesta Conectividad Host-a-Host Hardware Ingeniería en Redes y Comunicaciones Diseño de Redes - Capítulo 1 17

Protocolos • Definición Un protocolo es un objeto abstracto incluido en las capas del sistema El protocolo provee servicios de comunicación para objetos en capas superiores con el fin de intercambiar mensajes Interfaz de servicio Utilizada en un mismo host para intercambiar mensajes entre capas Interfaz de punto ( Peer ) Utilizada para intercambiar mensajes entre maquinas diferentes Ingeniería en Redes y Comunicaciones Diseño de Redes - Capítulo 1 18

Interfaces Host 1 Protocolo nivel superior (TCP) Protocolo nivel inferiorl (IP) Ingeniería en Redes y Comunicaciones Host 2 Interfaz punto a punto Interfaz de servicio Interfaz punto a punto Diseño de Redes - Capítulo 1 Protocolo nivel superior (TCP) Protocolo nivel inferior(IP) 19

Terminología • El término protocolo incluye - La especificaciòn de las interfaces - El módulo que las implementa Ingeniería en Redes y Comunicaciones Diseño de Redes - Capítulo 1 20

Protocolos Host 1 File application Digital library application Video application Host 2 File application Digital library application Video application RRP: protocolo para requisición/respuesta. HHP: protocolo host a host. MSP: protocolo para flujo continuo de datos. Ingeniería en Redes y Comunicaciones Diseño de Redes - Capítulo 1 21

Conceptos de las capas • Encapsulado - Los protocolos de nivel superior crean mensajes y los envían a las capas de nivel inferior - Estos mensajes son tratados como datos por las capas inferiores - Las capas inferiores les añaden a estos datos información de control en encabezados al inicio y terminadores al final Ingeniería en Redes y Comunicaciones Diseño de Redes - Capítulo 1 22

Encapsulado Application program DATA Request/ Reply RRP HDR Request/ Reply DATA RRP HDR Host-to-Host HHP HDR RRP HDR Ingeniería en Redes y Comunicaciones DATA Diseño de Redes - Capítulo 1 DATA 23

El modelo de referencia ISO/OSI ISO: International Standards Organization OSI: Open Systems Internconnection Aplicación La pila “stack” de protocolos Objetivo del modelo: Dividir al modelo para hacer más fácil la implementación. Cada capa Tiene una función bien definida. Las capas pasan información únicamente relevante para las otras capas. La comunicación ocurre solo entre capas adyacentes. Ingeniería en Redes y Comunicaciones Presentación Sesión Transporte Red Enlace de Datos Diseño de Redes - Capítulo 1 Física 24

Las capas en el modelo de referencia OSI Aplicación: Protocolos generalmente requeridos por las aplicaciones ( http, ftp, telnet, etc. ). Presentación: Maneja la sintáxis y semántica de la información como son la codificación, encriptamiento. Sesión: Establece conexiónes entre diferentes usuarios entre diferentes hosts. Transporte: Separa los datos en segmentos y los despacha hacia la capa inmediatamente inferior, al recibir datos, los reordena y los despacha a la capa superior. Red: Enrutamiento. Enlace de datos: Implementa el entramado de los datos. (maneja pérdidas, duplicación, errores, control de flujo). Física: Transmite los bits al medio de transmisión. Ingeniería en Redes y Comunicaciones Diseño de Redes - Capítulo 1 25

Comunicación entre capas de diferentes hosts Uno o más nodos en la red. Ingeniería en Redes y Comunicaciones Diseño de Redes - Capítulo 1 26

La arquitectura internet TCP/IP Applicación Presentación FTP HTTP DNS NFS … Sesión Transporte ICMP Red TCP UDP IGMP IP ARP RARP Enlace de Datos Física Ingeniería en Redes y Comunicaciones Diseño de Redes - Capítulo 1 27

Acrónimos • FTP • TFTP • HTTP • NV • SMTP • NTP • TCP • UDP • IP - Ingeniería en Redes y Comunicaciones Protocolo para transferencia de archivos Protocolo trivial para transferencia de archivos Protocolo para transferencia de Hyper-texto Video en red Protocolo simple para transferencia de correo Protocolo de red para el tiempo Protocolo para control de transmisión Protocolo para datagramas de usuario Protocolo de Internet Diseño de Redes - Capítulo 1 28

Rendimiento • El sistema debe cumplir los requerimientos de las aplicaciones con la tecnología existente y con buen RENDIMIENTO. • Ancho de Banda / Tasa de Transferencia - Cantidad de datos transmitidos por unidad de tiempo - Ejemplo: 10 Mbps - Tenemos ancho de banda de un enlace así como de un canal punto a punto - Notación: 1 KB = 1. 024 bytes 1 Mbps = 1. 000 bits por segundo Ingeniería en Redes y Comunicaciones Diseño de Redes - Capítulo 1 29

Rendimiento • Latencia / demora - Tiempo en transferir un dato entre A y B - Ejemplo: 30 mseg. ( 30 milisegundos ) - Muchas aplicaciones utilizan el tiempo de ida y venida como latencia ( RTT ) - Componentes: Demora de propagación sobre el enlace Velocidad de transmisión Demora en las colas Latencia = Propagación + Transmisión + Colas Propagación = Distancia / velocidad de la luz en el medio Transmisión = Tamaño de los datos / ancho de banda Ingeniería en Redes y Comunicaciones Diseño de Redes - Capítulo 1 30

Producto ancho de banda x demora • Canal = tubo • Demora = longitud • Ancho de banda = área de sección transversal del tubo • Ancho de banda x demora = volumen del tubo o cantidad de de bits con el cual hay que llenarlo para que el receptor reciba el primer bit de la transferencia de datos Demora Ancho de banda Ingeniería en Redes y Comunicaciones Diseño de Redes - Capítulo 1 31

Producto ancho de banda x demora • Producto ancho de banda x demora - Representa la cantidad de bits que deben ser transmitidos por el canal hasta que el primer bit alcance al destino. 11 10 9 8 7 6 5 4 A Ingeniería en Redes y Comunicaciones 3 2 1 B Diseño de Redes - Capítulo 1 32

Producto ancho de banda x demora • Ejemplo: Canal Transcontinental BW = 45 Mbps demora = 50 mseg Producto ancho de banda x demora = (50 x 10– 3 seg) x (45 x 106 bits/seg) = 2. 25 x 106 bits Ingeniería en Redes y Comunicaciones Diseño de Redes - Capítulo 1 33

Ancho de banda vs. Latencia • Ancho de banda infinito - Domina el RTT Tasa de transferencia = Tamaño de los datos / tiempo transferencia Tiempo de transferencia = RTT + ( 1/ancho de banda ) x tamaño de los datos por transferir • Es relativo - Un archivo de 1 -MB en un enlace de 1 -Gbps, luce como un paquete de 1 -KB en un enlace de 1 -Mbps Ingeniería en Redes y Comunicaciones Diseño de Redes - Capítulo 1 34

Observaciones sobre el rendimiento • Velocidad de la luz - 3, 0 x 108 metros/segundo en el vacío - 2, 3 x 108 metros/segundo en un cable de cobre - 2, 0 x 108 metros/segundo en fibra óptica • Comentarios: - No existen demoras por colas en un enlace directo - El ancho de banda no es importante cuando se transmite un solo bit - El procesamiento de datos por algún algoritmo es de importancia cuando la distancia es pequeña - La latencia domina transmisiones de datos de pequeño tamaño - El ancho de banda domina las transmisiones con paquetes de datos de gran tamaño Ingeniería en Redes y Comunicaciones Diseño de Redes - Capítulo 1 35

Ancho de banda vs. Latencia • Importancia relativa - 1 byte : Limitado por latencia 1 mseg vs. 100 mseg de latencia domina anchos de banda de 1 Mbps vs. 100 Mbps. - 25 MB: Limitado por ancho de banda 1 Mbps vs. 100 Mbps de ancho de banda domina latencias de 1 mseg vs. 100 mseg. 25 MB 1 B Ingeniería en Redes y Comunicaciones 100 Mbps 100 Mbps 1 Mbps LATENCIA 100 msegs LATENCIA 1 mseg Diseño de Redes - Capítulo 1 36

Producto ancho de banda x demora • La importancia relativa del ancho de banda y la latencia depende de la aplicación - El ancho de banda es crítico para transmisión de archivos de gran tamaño - Para mensajes pequeños ( HTTP, NFS, etc. ), la latencia es crítica - La varianza en la latencia ( jitter ) puede afectar algunas aplicaciones ( por ejemplo: videoconferencias ) • Producto ancho de banda x demora - Representa a la cantidad de datos en la línea de transmisión Ingeniería en Redes y Comunicaciones Diseño de Redes - Capítulo 1 37

Jitter - Varianza Espacio entre paquetes 4 Fuente De paquetes 3 2 1 4 Red 3 2 1 Recptor De aquetes • Jitter es la variación ( aleatoria ) de la latencia entre paquete y paquete en una transmisión de datos • Esta variación se observa con cierta frecuencia cuando los paquetes atraviesan múltiples dispositivos desde la fuente al destino Ingeniería en Redes y Comunicaciones Diseño de Redes - Capítulo 1 38