Czytaj książkę: «Desarrollo del proyecto de la red telemática. IFCT0410»

Capítulo 1

Redes de comunicaciones

1. Introducción

Las redes de computadores actuales son una composición de dispositivos, metodologías y métodos de comunicación que han ido apareciendo prácticamente hacia el final del siglo XIX, procediendo de la cuna de la invención del teléfono.

El teléfono, que inicialmente se concibió para la transmisión de voz, es hoy en día un instrumento para la conexión de ordenadores.

La información que se transfiere, no es transmitida tal y como sale del emisor, utilizando para ello caracteres comprensibles, tanto para el emisor como para el receptor, que se comunican mediante señalización física. Estos códigos serán las expresiones utilizadas y las señales, tanto sonoras como luminosas, etc. son las portadoras. La utilización de códigos y señales precisa que la información sea tratada de forma que en la transmisión y en la recepción sea la misma, empleando para ello el/los protocolos establecidos para tal fin.

Para que la transmisión de la información ocurra deben cumplirse ciertas condiciones:

1 Tanto el emisor como el receptor deben utilizar el mismo protocolo, para ello tendrán que establecerlo antes de iniciar la transmisión.

2 El medio de transmisión no debe interferir en la comunicación.

3 El medio debe estar adaptado técnicamente para el tipo de transmisión.

4 Asimismo, la información a transmitir debe ser puesta de forma tal que sea compatible con el canal.

Nadie duda de que hoy en día constituya una red básica de comunicación entre las personas; siguiendo un hilo histórico, presentando los diferentes mecanismos que se han utilizado y se utilizan para comunicarse a distancia. Igualmente, se verá el concepto de arquitectura de protocolos, fundamental en sistemas distribuidos.

Seguidamente, se abordará el estudio de las redes de área local, presentando de forma descriptiva los diferentes tipos de redes que existen, las ideas básicas de su funcionamiento y la noción de cableado estructurado, clave en el gran auge que han tenido últimamente las redes de área local.

2. Clasificación de redes

Normalmente, las redes de ordenadores se suelen clasificar por su envergadura, es decir, la extensión física de sus dispositivos, pudiendo abarcar distintos tamaños como un Campus Universitario, un edificio o un país:

1 Redes de Área Amplia o WAN “Wide Area Network”: este tipo de redes es la más amplia y suele abarcar países o varios de ellos (incluso continentes). Para su comunicación suelen utilizarse distintos medios como los satélites, cables de larga distancia como los interoceánicos, señales de radio, así como infraestructuras de telefonía, pudiendo ser tanto de carácter público como privado.

2 Red de área extendida (WAN): más de 10 km (por ejemplo, un país): su uso se encuentra concentrado en entidades de servicios públicos como bancos.

3 Redes de área metropolitana (MAN): de 1 a 10 km (por ejemplo, una ciudad). Estas redes, que son mayores que las habituales LAN que se conocen y que suelen utilizar los mismos protocolos que estas, se diferencian en un estándar del IEEE llamado DQDB (Distributed Queue Dual Bus) IEEE 802.6. Al igual que su hermana menor “LAN”, se suelen utilizar en organizaciones de gran tamaño o AAPP, no suelen contener elementos de conmutación y utilizan para ello infraestructuras externas a la propia red; al igual que la anterior pueden ser de carácter público o privado.

4 Redes de Área Local o LAN “Local Area Network”: este tipo de redes, que son las más utilizadas y conocidas, son las de menor tamaño, abarcando oficinas y edificios, e interconectando desde unos pocos equipos a varios miles de ellos.

5 Redes de área local (LAN): de 10 a 1.000 m (por ejemplo, una sala de la organización, un campus, etc.). Esta red, formada habitualmente por estaciones de trabajo y terminales, suele caracterizarse por su tamaño y topología, utilizando como medio de transmisión (por lo general) broadcast.

Actividades

1. Explique brevemente las ventajas de trabajar en una red.

2. ¿Qué diferencias existen entre una LAN y una WAN?

3. Redes de conmutación

El sistema de conmutación (switching en inglés), permite el alto tráfico de información entre los distintos usuarios de la red, evitando su congestión y aumentando su rendimiento.

Este se sitúa en la capa 2 del modelo de interconexión de sistemas abiertos, que es la capa de enlace de datos del OSI (en inglés, Open System Interconnection), permitiendo a los nodos intermedios asignar direcciones y adjuntar datos.

Básicamente, existen dos tipos de arquitecturas de redes de comunicación: conmutación de circuitos y conmutación de paquetes.

3.1. Conmutación de circuitos. Características

La conmutación de circuitos se basa en la creación de un circuito físico entre los dos interlocutores de la red. Este circuito físico se establece antes de transmitir cualquier tipo de información y está formado por diferentes enlaces entre los nodos.

En el momento de iniciarse una comunicación, el emisor debe comprobar que el destinatario del mensaje se encuentre disponible y en caso de ser así, localizar una ruta libre dentro de la red, que incluirá los respectivos conmutadores y enlaces entre este y el destinatario.

Una vez establecido el camino y transmitida la información, la red debe ser capaz de restablecer los recursos utilizados y dejarlos disponibles para las siguiente comunicaciones.

Sabía que...

RTB es la abreviatura de Red Telefónica Básica y su estructura de centralitas situadas jerárquicamente, que multiplexan los datos de voz, son un claro ejemplo de la conmutación de circuitos.

Las fases de envío de información se componen de tres fases en la conmutación de circuitos que son estas:

1 Establecimiento del circuito: esta fase es una de las más importantes de las tres, radica en la creación del circuito entre el emisor y el receptor; mediante solicitudes de los nodos intermedios cada uno de ellos solicitará al siguiente la correspondiente petición, verificando la existencia de recursos disponibles, en caso contrario, se abortará la petición, informando de ello a cada nodo que haya participado en la construcción del enlace, hasta el emisor.

2 Transferencia de datos: una vez finalizada la fase anterior, los ordenadores podrán comunicarse entre sí, efectuando la transmisión.

3 Desconexión: esta fase restablece los recursos utilizados durante la comunicación, una vez que esta haya finalizado, poniéndolos de nuevo a disposición, cuando sean necesarios, para otra comunicación.

Ejemplo

Para entender las tres fases para el establecimiento de la comunicación, se puede apreciar su representación en la figura 3; en el siguiente diagrama de tiempos se observa la intervención de dos nodos intermedios (fase 1), la transferencia de la información (fase 2), y el restablecimiento de recursos (fase 3).

Como se puede observar en la figura, en el establecimiento de la comunicación se aprecia un retardo, indicando el tiempo de propagación (tp), por lo tanto, será necesario antes de enviar la información disponer de todo el circuito de establecimiento. Una vez establecido, se podrá enviar la información sin más retardos que los inicialmente establecidos por los nodos. (tt tiempo de transmisión).

Debido a que cada nodo conmutador tiene que saber organizar el tráfico y las conmutaciones, estos deben tener el suficiente “conocimiento” como para realizar su labor eficientemente.

La conmutación de circuitos suele ser bastante ineficiente, ya que los canales están reservados, aunque no circulen datos a través de ellos.

La conmutación de circuitos, a pesar de sus deficiencias, es el sistema más utilizado para conectar sistemas informáticos entre sí a largas distancias debido a la profusión e interconexión que existe y a que una vez establecido el circuito, la red se comporta como si fuera una conexión directa entre las dos estaciones, ahorrando bastante lógica de control.

3.2. Conmutación de paquetes. Características

El típico problema de eficiencia que se suele encontrar en la conmutación de circuitos es la dedicación en exclusiva de sus recursos para el canal de comunicación, que se mantendrá a pesar de que no se transmita información por el mismo. Este problema puede verse aumentado cuando la información que fluye por el canal se efectúe de forma intermitente y no de forma constante.

Así, con el fin de mejorar el rendimiento en la conmutación de circuitos, se diseñó la conmutación de paquetes con los siguientes objetivos de optimizar el empleo de los canales de comunicación.

1 Interconectar terminales con diferentes velocidades.

2 Crear conexiones simultáneas sin reserva de recursos.

Nota

Con la conmutación de paquetes se consigue dotar a los nodos intermedios de capacidad de proceso, utilizando para ello un sistema de colas que permite almacenar la información, crear el enlace siguiente del canal de comunicación y enviar la información al siguiente nodo que corresponda.

Las ventajas de la conmutación de paquetes frente a la de circuitos son las siguientes:

1 La eficiencia del canal de comunicación es mayor, ya que cada nodo se puede compartir entre varios paquetes que quedarán almacenados en las respectivas colas hasta ser enviados cuando corresponda, evitando la exclusividad del medio.

2 Las conexiones entre distintos equipos con distintas velocidades será posible gracias al almacenamiento de la información en las colas de los nodos intermedios, siendo estos procesados cuando sea necesario.

3 En el supuesto de que el tráfico sea muy grande, no se bloqueará la información, simplemente se producirá retardo en las transmisiones.

4 Este tipo de conmutación permite el uso de prioridades, lo cual hará que el nodo que tenga información almacenada en su cola transmita determinados paquetes antes que otros, basándose en unos criterios.

La conmutación de paquetes debe permitir diferentes velocidades de transmisión, por esa razón se utilizan las colas de recepción y transmisión, tal como se muestra en la siguiente imagen. En esta se puede comprobar que un nodo de conmutación está compuesto por interfaces, que a su vez están formadas, entre otras cosas, por una cola de entrada y otra de salida al sistema, y que son utilizadas para controlar el acceso al nodo de conmutación, que ahora, en lugar de ser pasivo, procesa cada uno de los paquetes que alcanzan las colas de entrada y los sitúa en la cola de salida de la interfaz para ser enviados cuando proceda.

Otra consideración importante en este entorno es el tamaño del paquete que se quiere transmitir. En un principio, se pensó que los paquetes tuvieran el mismo tamaño que el mensaje que iba a ser enviado (conmutación de mensajes), pero se comprobó de inmediato que para mensajes de gran tamaño los nodos intermedios necesitaban demasiada memoria (ya que almacenan el paquete en su totalidad antes de enviarlo y, por ello, requieren demasiado tiempo para procesarlo). En consecuencia, hoy se dividen los mensajes en un tamaño máximo fijado (generalmente, 1.500 bytes).

Conmutación de paquetes con datagramas

Cada paquete se trata de forma independiente, es decir, el emisor enumera cada paquete, le añade información de control (por ejemplo, número de paquete, nombre, dirección de destino, etc.) y lo envía hacia su destino. Puede ocurrir que por haber tomado vías diferentes, un paquete con número, por ejemplo 9, llegue a su destino antes que el número 6. Es igualmente posible que el paquete número 3 se pierda por cualquier causa. Estas hipótesis son desconocidas por el emisor, siendo necesariamente el receptor el encargado de establecer el orden de los paquetes y saber los que se han descartado (para su posible requerimiento al emisor), y para esto, debe tener el software necesario.

Conmutación de paquetes con circuito virtual

Por ejemplo, si un paquete de voz llega demasiado tarde, no podrá ser decodificado y el interlocutor notará un pequeño corte en la conversación. Para minimizar este problema apareció la denominada conmutación de paquetes con circuito virtual, cuyo objetivo es asumir las ventajas de los dos paradigmas. Así, en lugar de enviar independientemente todos los paquetes de una conexión, los circuitos virtuales deciden antes el camino (como sucede en la conmutación de circuitos), pero manteniendo el envío de paquetes individuales. De este modo, todos los paquetes seguirán el mismo camino y se podrá contar con una reserva de recursos.

Las ventajas de los circuitos virtuales frente a los datagramas son estas:

1 Al efectuarse el encaminamiento de una sola vez, para la totalidad del grupo de paquetes, el tiempo de transmisión es menor.

2 Al seguir el mismo recorrido todos los paquetes, estos llegarán siempre en el mismo orden.

3 La eficiencia es mayor, ya que cada nodo es capaz de realizar la detección de errores, solicitándolo al nodo anterior si fuese necesario, antes de continuar con toda la transmisión.

Las desventajas de los circuitos virtuales frente a los datagramas:

1 Al no tener que establecer llamada en circuito de datagramas, para un volumen pequeño esta es más eficiente que los circuitos virtuales.

2 La flexibilidad de los datagramas hace que si en un determinado momento se produce una congestión, una vez que se ha iniciado la comunicación, los siguientes mensajes podrían tomar caminos alternativos (en virtuales esta opción es imposible).

3 El envío mediante datagramas es más confiable, ya que si un nodo cae, solo se perderá un mensaje, mientras que en circuitos virtuales, se perdería la totalidad de la transmisión.

3.3. ATM y Frame Relay

En primer lugar, se tratarán las características de la red ATM. Este modo de transferencia es una tecnología de telecomunicación que nació para poder dar servicio al gran ancho de banda necesario para aplicaciones y servicios.

ATM

La conmutación de celdas en modo circuito virtual a altas velocidades permite simular las condiciones de una conmutación de circuitos y, por lo tanto, poder ofrecer servicios con una cierta calidad de servicio.

Importante

ATM se fundamenta en 3 principios:

1 Conmutación de paquetes de un tamaño reducido y fijo, denominados celdas.

2 Tecnología basada en circuitos virtuales.

3 Utilización de altas velocidades de transmisión.

ATM (Asynchronous Transfer Mode) está orientado a la conexión, como una red de conmutación de circuitos. En el momento de iniciar la comunicación hacia un destino debe establecer el camino virtual que seguirán todas las celdas desde el origen hasta el destino. Este camino no cambia durante toda la comunicación; por lo tanto, si cae un nodo la comunicación se pierde. Todos los encaminadores intermedios (o conmutadores) a lo largo del camino introducen entradas en sus tablas para encaminar cualquier paquete del circuito virtual, y también reservarán los recursos necesarios para garantizar durante toda la sesión la calidad del servicio al usuario. Por esta razón, ATM garantiza el orden de llegada de las celdas, pero no garantiza la recepción de una celda, ya que la puede descartar si no es correcto.

ATM utiliza paquetes de un tamaño fijo y reducido, denominados celdas. Cada celda tiene un tamaño de 53 bytes, de los que 5 bytes son de cabecera y los restantes 48 bytes de datos útiles (payload). La utilización de este tipo de celdas supone las siguientes ventajas:

1 Facilita la conmutación de alta velocidad.

2 Simplifica el hardware en los conmutadores y el procesamiento necesario en cada nodo.

3 Reduce el tamaño de las memorias intermedias internas de los conmutadores y permite una gestión de las memorias intermedias más rápida y eficiente.

4 Reduce el retraso de procesamiento, ya que pueden ser procesadas rápidamente y además permiten realizar esta operación por hardware.

5 Disminuye la variabilidad del retraso al tener todas las celdas la misma medida, lo que resulta esencial para aquellos servicios sensibles a la cuestión temporal, como son los de voz o vídeo.

Otras características de ATM son:

1 El estándar ATM define un conjunto total de protocolos de comunicación, desde una API del nivel de aplicación hasta el final a través de la capa física.

2 ATM puede funcionar sobre cualquier capa física. A menudo, funciona sobre fibra óptica, utilizando el estándar SONET (Synchronous Optical Network, Red Óptica Síncrona) a velocidades entre 155,52 Mbps y 622 Mbps, e incluso más elevadas (del orden del gigabit). Se eligió la velocidad de 155 Mbps porque es lo que se necesita para la televisión de alta definición y para que sea compatible con el sistema de transmisión SONET. La velocidad de 622 Mbps se eligió para que 4 canales de 155 Mbps se pudieran transmitir simplemente en uno.

3 ATM es un sistema flexible, diseñado para soportar una amplia variedad de tipo de tráfico: de tasa constante de bits (CBR), de tasa variable de bits (VBR), de tasa disponible de bits (ABR) y de tasa no especificada de bits (UBR).

4 Permite convertir cualquier tipo de tráfico en celdas de 53 bytes y transportarlo sobre una columna vertebral* o WAN. Permite multiplexar las conexiones de diferentes flujos de datos sobre la misma interfaz física debido a las altas velocidades a las que funcionan los equipos ATM. Nota: en inglés, backbone. Se trata de la columna vertebral de la red, normalmente donde se aloja la electrónica de red.

5 ATM no proporciona retransmisiones en términos de enlace a enlace. Si un conmutador* detecta un error en una cabecera de celda ATM, intenta corregir el error utilizando códigos correctores de errores. Si no puede corregir el error, desecha la celda, en lugar de solicitar una nueva retransmisión desde el conmutador precedente. Nota: en inglés, switch (conmutador).

6 ATM solo proporciona control de congestión para un determinado tipo de tráfico (ABR). Los conmutadores ATM proporcionan realimentación al terminal emisor para ayudar a regular su tasa de transmisión en los momentos de congestión de la red.

Formato de las celdas ATM

Son estructuras de datos de 53 bytes compuestas por dos campos principales:

1 Header: sus cinco bytes tienen las siguientes funciones principales:La identificación del canal.Detección de errores y activación o desactivación de la célula.Información concerniente a la corrección de errores y el número correspondiente de la secuencia.

2 Payload: sus 48 bytes se componen de los datos de usuario y protocolos (denominados AAL).

Dos de las especificaciones más importantes de ATM son los canales virtuales y sus rutas virtuales, que se materializan en 2 identificadores del header de cada célula (VCI y VPI), ambos determinan la ruta entre los nodos.

La definición del estándar marca el protocolo de conexión que las transmite, siendo los dos formatos de celda los siguientes:

1 NNI (interfaz red a red), hace referencia a la conexión conmutada ATM en redes privadas.

2 UNI (interfaz usuario a red), hace referencia a la conexión de un conmutador ATM (puede ser pública o privada), a un terminal ATM de un usuario (este último es el más usado).

Nota

NNI son las siglas de Network to Network Interface.

UNI son las siglas de User to Network Interface.

Conexiones virtuales ATM

Las conexiones lógicas ATM están relacionadas con las conexiones de los canales virtuales (VCC), que indican el camino fijo que debe seguir la celda. La conexión entre dos sistemas finales se puede realizar mediante:

1 Caminos de transmisión (TP): conexión física entre un sistema final y un conmutador o entre dos conmutadores.

2 Camino virtual (VP): conjunto de una o más conexiones entre dos conmutadores. El campo VPI de la celda ATM identifica un camino virtual.

3 Circuito virtual (VC): todas las celdas que pertenecen al mismo mensaje viajan por el mismo circuito virtual y mantienen su orden original hasta llegar al destino. El campo VCI de la celda ATM identifica un canal virtual.

Nota

TP son las siglas de Transmission Path.

VP son las siglas de Virtual Path.

VC son las siglas de Virtual Channel.

Varios circuitos virtuales forman un camino virtual. Y la concatenación de varios caminos virtuales forma un canal físico de transmisión.

Dos tipos de conexiones se ofrecen en ATM:

1 Los circuitos conmutados virtuales, como son las llamadas telefónicas de voz (se establecen dinámicamente).

2 Los circuitos virtuales permanentes, que son solicitados manualmente por el usuario final (por ejemplo, para enviar un fax). La ventaja sobre la conmutación virtual de circuitos es que no es necesario ningún tipo de tiempo para establecer el circuito, los paquetes se mueven instantáneamente. Los troncales ATM en Internet utilizan, a menudo, circuitos virtuales permanentes, lo que evita la necesidad de establecimiento o destrucción de VC dinámicos.

Funcionamiento de ATM

El funcionamiento de ATM se basa en el establecimiento de un camino entre el emisor y el receptor, pasando por los nodos intermedios que sean necesarios; su principal componente es el conmutador.

Emisor

Antes de que una fuente pueda comenzar a enviar celdas a un destino, la red ATM debe establecer un canal o circuito virtual (VC) desde la fuente al destino. Cada VC es un recorrido que consta de una secuencia de enlaces entre la fuente y el destino. En cada uno de los enlaces, el VC tiene un identificador de circuito virtual (VCI).

En el terminal transmisor, la información es escrita byte a byte en el campo de información de usuario de la celda y, a continuación, se le añade la cabecera. Cada celda incluye en su cabecera un campo para el número de circuito virtual, VCI, que es utilizado para encaminar la celda hacia su destino.

Conmutación

El componente principal de una red ATM es el conmutador, diseñado para transmitir información a muy alta velocidad. El conmutador enruta individualmente cada celda ATM basándose en el camino virtual (VPI) y en el circuito virtual (VCI) de su cabecera. Cuando una celda llega a un encaminador, este le cambia el encabezado según la tabla que posee y lo envía al siguiente enlace con un VPI y/o un VCI nuevo.

Receptor

En el extremo distante, el receptor extrae la información, igualmente byte a byte, de las celdas entrantes y, por convenio con la información de cabecera, la envía donde esta le indique, pudiendo ser un terminal u otro módulo ATM para ser encaminada a otro destino.

3.4. Frame relay

Frame relay (que significa retransmisión de tramas) es una técnica simplificada de conmutación de paquetes para el transporte de información de datos. Frame relay representa la evolución de la red X.25. Al igual que su antecesor, Frame relay solo regula la interfaz usuario-red.

Frame relay confía en la utilización de medios digitales de alta velocidad y muy fiables (baja tasa de error). Por esa razón, elimina funciones como el control de flujo y la corrección de errores de las capas de enlace y de red, dejando estas funcionalidades para los niveles superiores.

Si Frame relay recibe una trama errónea, simplemente la descarta, confiando en que sea el protocolo de nivel superior de un equipo final quien pida la retransmisión de la trama. De este modo, esta conmutación se ha convertido en el complemento perfecto del protocolo TCP/IP.

Debido a esta reducción de funcionalidades, todo el mundo considera que Frame relay no es un protocolo de nivel de red, sino de nivel de enlace.

Frame relay, dado que se orienta a la conexión, proporciona uniones entre usuarios a través de una red pública de conmutación de paquetes, del mismo modo que lo haría una red privada con circuitos punto a punto. Está a medio camino entre una red de conmutación de paquetes como X.25 y una red de conmutación de circuitos como RDSI. Por ello, este tipo de red se considera una red de conmutación de paquetes en modo circuito virtual.