Ingeniería en Redes y Comunicaciones Diseño de Redes - Capítulo 11 Visión General de las Redes...

Ingeniería en Redes y Comunicaciones

Diseño de Redes - Capítulo 1 1

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



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



Conectividad

• Elementos - Enlaces: cable coaxial, fibra óptica…

- Nodos: 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



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



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



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 )



Uso efectivo de los recursos• Los enlaces físicos deben ser compartidos por muchos usuarios

L2

L3

R2

R3

L1 R1

Switch 1 Switch 2

Multiplexado Demultiplexado

• Los métodos de multiplexado más comunes, son: - Síncrono, multiplexado por división del tiempo ( STDM ) - Multiplexado por división en frecuencias ( FDM )



Multiplexado por división síncrona en el tiempo ( STDM )

tiempo

unidad de tiempo

L1 L2 L3

unidad de tiempo

L1 L2 L3

unidad de tiempo

L1 L2 L3

unidad de tiempo

L1 L2 L3

• El tiempo se divide en segmentos iguales “quantum” y los paquetes se envían en cada segmento en modo round-robin ( circular )



Multiplexado por División en Frecuencia ( FDM )

Espectro de frecuencias

L1 L2 L3

• 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



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



Multiplexado Estadístico

switch

cola

• 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.



Marco Analítico

• Si consideramos a l1, l2 y l3 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 l1



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



Canales

• Canal

- Abstracción a nivel de comunicación entre aplicaciones

• Objetivo

- Convertir la comunicación host-a-host en comunicación proceso-a-proceso

Host

Host Host

HostHost

ChannelChannelAPP

APP



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



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



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

Hardware

Conectividad Host-a-Host

Canal requisición/respuestaCanal con flujo continuo de datos



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



Interfaces

Host 1 Host 2

Interfaz de servicio

Protocolo nivel

superior (TCP)

Protocolo nivel

superior (TCP)

Interfaz punto a punto

Protocolo nivel

inferiorl (IP)

Protocolo nivel

inferior(IP)

Interfaz punto a punto



Terminología

• El término protocolo incluye

- La especificaciòn de las interfaces

- El módulo que las implementa



Protocolos

Host 1 Host 2

Fileapplication

Digitallibrary

application

Videoapplication

Fileapplication

Digitallibrary

application

Videoapplication

RRP: protocolo para requisición/respuesta.

MSP: protocolo para flujo continuo de datos.

HHP: protocolo host a host.



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



Encapsulado

Applicationprogram

Request/Reply

Host-to-Host

DATA

RRP HDR DATA

Applicationprogram

Request/Reply

Host-to-Host

DATA

RRP HDR DATA

HHP HDR RRP HDR DATA



El modelo de referencia ISO/OSIISO: International Standards OrganizationOSI: Open Systems Internconnection

Física

Presentación

Sesión

Transporte

Red

Enlace de Datos

AplicaciónLa pila “stack” de protocolos

Objetivo del modelo: Dividiral modelo para hacer más fácilla implementación. Cada capaTiene una función bien definida.Las capas pasan informaciónúnicamente relevante para las otras capas. La comunicaciónocurre solo entre capas adyacentes.



Las capas en el modelo de referencia OSIAplicación: 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 capasuperior.

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.



Comunicación entre capas de diferentes hosts

One or more nodeswithin the network

End host

Application

Presentation

Session

Transport

Network

Data link

Physical

Network

Data link

Physical

Network

Data link

Physical

End host

Application

Presentation

Session

Transport

Network

Data link

Physical

Uno o más nodos en la red.



La arquitectura internet TCP/IP

Enlace de Datos

IPARP RARP

ICMP IGMP

Transporte TCP UDP

Red

Sesión

Presentación

Applicación

FTP HTTP DNS NFS …

Física



Acrónimos

• FTP - Protocolo para transferencia de archivos• TFTP - Protocolo trivial para transferencia de

archivos• HTTP - Protocolo para transferencia de Hyper-texto• NV - Video en red• SMTP - Protocolo simple para transferencia de correo• NTP - Protocolo de red para el tiempo• TCP - Protocolo para control de transmisión• UDP - Protocolo para datagramas de usuario• IP - Protocolo de Internet



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: 1KB = 1.024 bytes 1Mbps = 1.000.000 bits por segundo

1

(a)

1

(b)



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



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

Ancho de banda

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.

A B

4567891011 123




• Ejemplo: Canal Transcontinental

BW = 45 Mbpsdemora = 50mseg

Producto ancho de banda x demora = (50 x 10–3 seg) x (45 x 106 bits/seg) = 2.25 x 106 bits



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



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



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.

- 25MB: Limitado por ancho de banda

1 Mbps vs. 100 Mbps de ancho de banda domina latencias de 1 mseg vs. 100 mseg.

25MB

1 Mbps

1B

1Mbps

100 Mbps 100Mbps

LATENCIA 100 msegs LATENCIA 1 mseg



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



Jitter - Varianza

Red

Espacio entre paquetes

FuenteDe paquetes

RecptorDe aquetes

1234 1234

• 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

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