Comunicación: motivación
¿Por qué nos interesa la comunicación? Para compartir recursos Para compartir información Para coordinar un conjunto de acciones/procesos
¿Qué impacto tienen las tecnologías de telecomunicación? Aumentar la información disponible y la coordinación Disminuir los costes Aumentar la eficiencia Disminuir los tiempos de respuesta ante incidencias o cambios Aumentar la productividad Etc.
Comunicación: el papel de las redes Infraestructuras de comunicación (Permiten trasmitir mensajes entre nodos remotos) (Gp:) terminales
Red: Conjunto de infraestructuras de interconexión que permiten el establecimiento de una comunicación entre dos o más terminales a través del intercambio de información
Topología de red: ejemplos (Gp:) Red completamente conectada
(Gp:) Red centralizada en estrella
(Gp:) Red en anillo unidireccional
(Gp:) Red en bus con medio compartido
¿Requiere mecanismo de direccionamiento? (Identificar cada destinatario a través de un nombre único) ¿Requiere mecanismo de encaminamiento? (Determinar el camino a seguir entre varios posibles)
Ingredientes de una red Elementos Físicos Medios de transmisión Dispositivos de emisión – recepción CPUs, memoria, etc. Hardware específico
Elementos lógicos Elementos lógicos que gestionen el proceso de intercambio de mensajes entre los diferentes elementos con el fin de que la comunicación extremo – a – extremo tenga lugar Software para redes de comunicaciones Firmware para redes de comunicaciones
Elementos Físicos: señales y comunicaciones Señal de información Variación de una propiedad física (presión, voltaje, intensidad luminosa, etc.) producida por un emisor, que es susceptible de ser recibida por un receptor Medio de transmisión Soporte físico por el que viaja la señal de información Ejemplos de transmisión de información Transmisión analógica de voz a través del aire Transmisión digital de datos a través de un par de cables
Transmisión digital: parámetros de interés Ancho de banda Mide la cantidad de información digital que se puede enviar por unidad de tiempo La información digital se mide en bits Un bit es la información que transporta un dígito binario (normalmente 0 o 1) El ancho de banda se mide en bits por segundo
Retardo de transmisión Mide el tiempo que transcurre desde que el emisor envía un bit hasta que el receptor lo recibe Se mide en segundos
Calidad de transmisión – BER (Bit Error Rate) Mide la probabilidad de que se produzca un error en la transmisión de un bit debido a las alteraciones que el medio de transmisión añade sobre la señal No tiene unidades
Prefijos métricos en telecomunicaciones
mili (m) 10-3 Kilo (K) 103 micro (?) 10-6 Mega (M) 106 nano (n) 10-9 Giga (G) 109
Medios de transmisión: cables Cables de Par trenzado Un par de alambres de cobre aislados y trenzados helicoidalmente Buena calidad de transmisión para distancias cortas (centenares de metros) Existen diferentes clases dependiendo del tipo de trenzado y del diámetro Categoría 3: Bucle local para abonados de telefonía fija Ethernet 10Mbps Categoría 5: Ethernet 100Mbps
Cables Coaxiales Un alambre de cobre rígido, rodeado de un material aislante, que está, a su vez, forrado de un conductor cilíndrico Buena calidad de transmisión para distancias intermedias (algunos kilómetros) Los primeros sistemas Ethernet lo utilizaban Redes HFC (Hibrid Fiber Coaxial) de televisión por cable
Transmisión por fibra óptica Fibra óptica Fibra de vidrio (cristal de ventana) que transporta impulsos de luz Buena calidad de transmisión para distancias largas (centenares de kilómetros) Altísimas tasas de transmisión Anchos de bada típicos: 10 Gbps Anchos de banda máximos: 50 Tbps Inmune al ruido electromagnético Muy difícil de “pinchar” Múltiples aplicaciones en las que se requieran elevadas tasas de transmisión Redes de área local (FDDI) Redes troncales de telefonía (SDH – SONET) Núcleo de las redes de datos (Internet) Etc.
Transmisión a través de ondas radioeléctricas Ondas radioeléctricas Las señales viajan como ondas radioeléctricas No existe ningún tipo de “cable” que sirva de “guía” Se interceptan con facilidad Muy sensibles al entorno de propagación Reflexiones, desvanecimientos Obstrucción de objetos, Interferencias Aplicaciones Microondas terrestres Canales de hasta 45Mbps Redes de área local Diferentes estándares: 10Mbps, 54Mbps Redes de telefonía móvil GSM, 3G Comunicaciones por satélite Canales de hasta 56Mbps Geoestacionarios: 270ms de retardo de extremo a extremo LEOS
Espectro electromagnético
Transmisión símplex, dúplex y semidúplex Conexión dúplex (dúplex total, full duplex): Permite el flujo de tráfico en ambas direcciones de manera simultánea Ejemplo: Una calle ancha de doble sentido por donde pueden circular dos coches a la vez Conexión símplex: Permite el flujo de tráfico en una sola dirección Ejemplo: Una calle de un solo sentido Conexión semidúplex (half-duplex): Permite el flujo de tráfico en ambas direcciones, pero sólo en un sentido a la vez Ejemplo: Una calle estrecha de doble sentido donde sólo puede circular un coche a la vez
Lección 1.1: Comentarios y referencias Comentarios y reflexiones Las redes de ordenadores son el principal protagonista de la Sociedad de la Información, en detrimento de otras redes más tradicionales, ¿por qué? Los cables de par trenzado son los más utilizados en las redes de ordenadores, ¿por qué? Investiga qué tipos existen y cuáles son sus características Existe una relación ente el rango de frecuencias que componen una señal y la cantidad de información que esta puede transportar. Investiga cuál es esta relación. ¿Crees que este hecho guarda alguna relación con la capacidad de transmisión de los medios que hemos estudiado? Las ondas radioeléctricas pueden atravesar paredes y edificios, aunque esta capacidad depende de su frecuencia. Investiga este fenómeno Referencias Redes de Computadores. Andrew S. Tanenbaum. Prentice Hall, Cuarta Edición, 2003 Capítulo1: Introducción Capítulo 2: Capa Física Redes de Computadores, un enfoque descendente basado en Internet. James F. Kurose y Keith W. Ross. Addison Wesley, Segunda Edición, 2003 Capítulo 1: Redes de Computadores e Internet
Elementos físicos en una red Sistemas terminales Son los dispositivos en los que se ejecutan las aplicaciones que requieren un servicio de comunicación Pueden ser de múltiples naturalezas: Ordenadores personales (PC) Teléfonos PDAs Teléfonos móviles Etc.
Núcleo de la red (core network) La parte de la red cuyo objetivo es hacer llegar los mensajes desde lugar en que se emiten hasta el lugar en que deben recibirse
Sistemas de acceso La parte de la red que se ocupa de conectar, de manera eficiente y económica, los nodos terminales y el núcleo de la red conmutador PC servidor móvil
El núcleo de la red (core network) Objetivo: Hacer llegar mensajes desde el emisor hasta el receptor
Componentes: Líneas y sistemas de transmisión Dispositivos de encaminamiento Conmutadores Encaminadores = Enrutadores = Routers
Prioridades: Eficiencia y velocidad Deben dar servicio a un número muy elevado de usuarios
Cómo hacer viajar la información en la red Conmutación de circuitos: Se establece un circuito de transmisión de uso exclusivo entre el emisor y el receptor Conmutación de paquetes: Los datos se envían a través de la red partidos en pedazos (paquetes) cada uno de los cuales viaja de manera independiente
Conmutación de circuitos Se reservan los recursos necesarios para establecer un circuito desde el emisor hasta el receptor Ancho de banda de los enlaces Capacidad de conmutación Los recursos se dedican en exclusiva (no se comparten) Se garantizan las prestaciones Requiere establecimiento de la comunicación El sistema telefónico se basa en la conmutación de circuitos Cómo se hace? Los recursos se dividen en “pedazos” Cada pedazo se asigna a una comunicación Si una comunicación está inactiva, sus recursos se desperdician Hay dos mecanismos básicos Multiplexación por división en frecuencia Multiplexación por división en el tiempo
(Gp:) FDMA: Frequency Division Multiple Access (Gp:) frecuencia (Gp:) tiempo
(Gp:) TDMA: Time Division Multiple Access (Gp:) frecuencia (Gp:) tiempo
(Gp:) 4 usuarios (Gp:) Ejemplo:
FDMA y TDMA
Conmutación de paquetes Los datos a transmitir se dividen en paquetes Cada paquete puede ser encaminado, de forma independiente, desde el emisor hasta el receptor Todos los paquetes comparten los mismos recursos de transmisión y conmutación Cada paquete utiliza de manera plena los recursos mientras es transmitido Se utiliza el principio “store and forward” (almacena y reenvía) Los paquetes que llegan a un router se almacenan en una cola hasta que les llegue su turno y puedan ser transmitidos hacia el siguiente router o hacia su destino Los recursos comunes re reparten a través de un mecanismo de “multiplexación estadística” en el tiempo
Conmutación de circuitos Vs conmutación de paquetes 1 Mbps link 1 Mbps link TDMA Multiplexación estadística La conmutación de paquetes permite utilizar de manera óptima los recursos disponibles Coste: no se garantiza un reparto equitativo de recursos entre los usuarios
Conmutación de circuitos Vs conmutación de paquetes N usuarios 1 Mbps link Ejemplo Enlace 1Mbps Cada usuario 100Kbps si “activo” Activo 10% del tiempo Conmutación de circuitos 10 usuarios Garantizados 100Kbps Conmutación de paquetes Con 35 usuarios Probabilidad > 10 activos es menor que 0.0004
La conmutación de paquetes permite dar servicio a un número mayor de usuarios Coste: no se garantiza la calidad de servicio
Conmutación de paquetes y congestión 1 Mbps en todos los enlaces 1 Mbps en todos los enlaces Conmutación de circuitos Se garantiza que toda la información que se envía en cada intervalo de tiempo puede ser encaminada No se pierde información El retardo es constante Conmutación de paquetes En un intervalo de tiempo, pueden llegar más paquetes al router de los que éste puede enviar Si la situación se prolonga, decimos que el router entra en congestión Se pueden perder paquetes Los retardos no son constantes 500 bits 1000 bits
Almacenar – y – enviar (Store – and – forward) Tardamos L/R segundos en transmitir un paquete de L bits sobre un enlace de R bps El paquete debe ser recibido completamente antes de poder ser reenviado (almacenar – y – enviar) Retardo: 3L/R Nota: Consideramos tiempo de propagación despreciable R R R L Ejemplo L = 7,5 Mbits R = 1,5 Mbps Retardo = 15 s
Almacenar – y – enviar (Store – and – forward) Rompamos ahora el mensaje en 5.000 paquetes de menor tamaño Cada paquete tiene P = L /5.000 = 1.500 bits P/R = 1ms para transmitir el paquete en cada enlace
R R R L Ejemplo L = 7,5 Mbits R = 1,5 Mbps Retardo = 5,003 s
Tipos de redes Redes de Telecomunicación (Gp:) Conmutación de circuitos (Gp:) FDM (Gp:) TDM
(Gp:) Conmutación de paquetes (Gp:) Circuitos virtuales (Gp:) Redes de Datagramas
Lección 1.2: Comentarios y referencias Comentarios y reflexiones Las redes de telefonía se basan en la conmutación de circuitos, sin embargo, en los últimos años son numerosas las aplicaciones que utilizan Internet para transmitir voz humana interactiva (p.e. skype). ¿Qué ventajas e inconvenientes tienen dichas aplicaciones? Los sistemas de conmutación de paquetes utilizan la multiplexación estadística para determinar cuál es el siguiente paquete a transmitir. En una red con congestión, ¿garantiza este mecanismo que los recursos se reparten de manera justa? Investiga y averigua si existen trabajos sobre este tema Las tecnologías ATM incorporan una solución que trata de incorporar las ventajas de la conmutación de paquetes y de circuitos sin sufrir sus inconvenientes. Investiga cuál es el mecanismo que se utiliza Referencias Redes de Computadores. Andrew S. Tanenbaum. Prentice Hall, Cuarta Edición, 2003 Capítulo1: Introducción Capítulo 2: Capa Física Redes de Computadores, un enfoque descendente basado en Internet. James F. Kurose y Keith W. Ross. Addison Wesley, Segunda Edición, 2003 Capítulo 1: Redes de Computadores e Internet
Sistemas de acceso: Internet ¿Cómo conectamos los sistemas terminales a los encaminadores del núcleo? Redes de acceso residencial Redes de acceso institucionales Redes de acceso móviles Parámetros a tener en cuenta Ancho de banda Coste Dedicadas o compartidas Nos centramos en Internet
Acceso a través del sistema telefónico fijo: Modems Características del sistema telefónico Muy extendido Preparado para la transmisión de voz, no para datos Analógico en el bucle local Acceso a redes de ordenadores mediante el sistema telefónico Codificar la información digital mediante formas de onda “similares” a la voz humana (en rangos de frecuencia) Impide utilizar la línea de telefonía para “hablar” Modem: Modulador – Demodulador Diversos estándares: V.34: 33.600 bps full duplex V.90: 33.600 de subida (“uplink”) 56.000 de bajada (“downlink”) Codec de voz
Acceso a través del sistema telefónico fijo: ADSL ¿Es posible un mayor ancho de banda a través del bucle local? Ancho de banda máximo para cable de categoría 3 en función de la distancia Asumimos que los filtros y codecs de voz no están presentes Es posible ofrecer un servicio de más alta velocidad siempre y y cuando el proveedor disponga de equipos “especiales” en las centrales locales
Acceso a través del sistema telefónico fijo: ADSL ADSL: Asymmetrical Digital Subscriber Line Proporciona un servicio full duplex asimétrico Hasta 1Mbps de “subida” (up-link) Hasta 8Mbps de “bajada” (down-link) Utiliza la línea telefónica convencional Permite establecer llamadas de voz de forma simultánea ADSL: algunos detalles tecnológicos Se basa en FDMA para “separar” la voz y lo los datos Requiere que el proveedor instale equipos especiales Estos equipos reciben la señal antes de que esta alcance los codecs de voz NID Conmutador de voz DSLAM Línea telefónica Modem ADSL Divisor Divisor Codec de voz Digital Subscriber Line Access Multiplexer Network Interface Device
Redes de cable: cable modem Origen Empresas de televisión por cable Disponen de infraestructuras de comunicación que alcanzan multitud de clientes, tanto residenciales como empresariales Ofrecen un servicio integrado: televisión, teléfono, Internet, etc. HFC (Hibrid Fiber Coaxial) Redes de fibra óptica y cable coaxial unen a los clientes con los routers de acceso a la red Prestaciones típicas 27 Mbps de “bajada” (down-link) 9 Mbps de “subida” (up-link) Medio compartido Puede tener mejores o peores prestaciones que el ADSL dependiendo del número de usuarios activos en cada momento hogares coaxial fibra Head end
Redes de cable: cable modem Fuente: http://www.cabledatacomnews.com/cmic/diagram.html
Accesos corporativos: redes de área local En vez de facilitar un acceso a cada nodo terminal, todos los ordenadores corporativos se conectan en una red “interna” utilizando uno o varios routers Al menos uno de esos routers cuenta con un enlace que le conecta al núcleo de la red superior (p.e. Internet) Este enlace puede ser ADSL, Cable Modem (soluciones económicas) e incluso directamente un enlace de fibra óptica (más caro) Los ordenadores corporativos suelen conectarse utilizando redes de área local (Local Area Network – LAN). Las redes de área local más populares son las de tecnología Ethernet: 10 Mbps (Obsoletas) 100 Mbps (Muy utilizadas) 1 Gbps (Caras todavía) Línea de salida
Redes de área local inalámbricas (Gp:) Estación base (Gp:) Hosts móviles (Gp:) router
La interconexión entre los nodos terminales y el router corporativo se realiza a través de un enlace inalámbrico El medio de transmisión (aire) es compartido Muy sensible a interferencias electromagnéticas Existen numerosos estándares IEEE 802.11b (WiFi): 11Mbps IEEE 802.11a: 54Mbps IEEE 802.11g: 54Mbps
¿Qué sucede con la privacidad?
Redes domésticas Punto de Acceso WiFi portátiles router/ firewall ADSL Al proveedor Ethernet Posibilidad de conectar diferentes dispositivos Posibilidad de desplazar los hosts en el hogar Acceso a través de ADSL o Cable Módem Bajo coste Muy populares en la actualidad
Otros mecanismos de acceso: redes de telefonía móvil Muy extendidas y con gran popularidad La mayor parte de los territorios habitados disponen de cobertura Se adaptan fácilmente a la transmisión de datos Los recursos se comparten dentro de cada celda GSM: Capacidad equivalente a un canal de voz GSM (9,6 Kbps) GPRS: Puede utilizar varios canales de voz GSM simultáneamente (C< 112 Kbps) UMTS y 3G: Diversos estándares (C = 384 Kbps, llegará hasta 2Mbps en el futuro)
Otros mecanismos de acceso: satélites Basado fundamentalmente en satélites geoestacionarios Hasta 56 Mbps en bajada, hasta 384 Kbps en subida Retardos elevados (?300ms) La única solución posible para acceso en entornos rurales remotos Dos posibilidades Subida por modem – bajada por satélite Requiere sólo antena receptora (mucho más barata) Requiere la presencia de una línea telefónica apropiada Subida por satélite – bajada por satélite Requiere antena y equipamiento emisor (mucho más caro) No requiere ningún elemento adicional (aparte de la potencia eléctrica)
Lección 1.3: Comentarios y referencias Comentarios y reflexiones La fibra óptica dispone de anchos de banda muy superiores a los del resto de medios de transmisión. ¿Por qué crees entonces que no se utiliza habitualmente como tecnología de acceso a Internet? Investiga qué costes tienen en tu ciudad los diferentes mecanismos de acceso que hemos presentado. Presenta en una tabla los resultados incorporando las prestaciones que se ofrecen en cada uno de ellos El espectro electromagnético es un recurso gestionado por los estados. Para transmitir en una determinada franja de frecuencias es necesario contar con una licencia que lo autorice. ¿Necesitas licencia para instalar una red WiFi en tu casa? Investiga al respecto en la legislación pertinente
Referencias Redes de Computadores. Andrew S. Tanenbaum. Prentice Hall, Cuarta Edición, 2003 Capítulo1: Introducción Capítulo 2: Capa Física Redes de Computadores, un enfoque descendente basado en Internet. James F. Kurose y Keith W. Ross. Addison Wesley, Segunda Edición, 2003 Capítulo 1: Redes de Computadores e Internet http://www.idg.es/iworld/articulo.asp?id=133607
El concepto de servicio Servicio: Conjunto de facilidades que un sistema ofrece para satisfacer una necesidad, así cómo las garantías asociadas a las mismas
Ejemplo de servicios de comunicaciones humanas Correo postal Correo postal certificado con acuse de recibo Radiodifusión Telefonía Videoconferencia Etc.
Las redes de ordenadores ofrecen e implementan servicios de comunicación entre los mismos El servicio va a ser el hilo vertebrador a partir del cual vamos a comprender la estructura y funciones de las redes
El concepto de protocolo Protocolo: Conjunto de reglas que rigen el intercambio de mensajes entre dos entidades que se comunican para lograr un fin Ejemplo de protocolo humano: Pedir la hora Finalidad: Obtener información sobre la hora actual de la otra entidad Entidad 1 Entidad 2 (Gp:) KJDjdjKJDF
(Gp:) Hola
(Gp:) Hola
(Gp:) Tiene hora?
(Gp:) Son las tres
Diseñando redes de telecomunicación Toda red cuenta con dos ingredientes esenciales Elementos físicos: Medios de comunicación: cables, fibra óptica, emisores, receptores, etc. Elementos de conmutación y encaminamiento Elementos de control: CPUs, memorias, etc. Elementos lógicos: Procedimientos que controlan los medios físicos para llevar a cabo los servicios. Normalmente se implementan como un software de comunicaciones Las redes ofrecen multitud de servicios que requieren elementos lógicos (software) y físicos (hardware) complejos y difíciles de desarrollar y mantener (elementos de tiempo real, ejecución concurrente, interacción entre sistemas remotos desarrollados por personas diferentes, etc.) ¿Qué técnicas conocemos para minimizar los problemas asociados al desarrollo y mantenimiento de software complejo?
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