Tema 1 - OCW - Universidad de Murcia

1908 – Arquitectura de Redes
Tema 1. Introducción a la arquitectura
y organización de las redes de
ordenadores
Pedro M. Ruiz
<pedrom@um.es>
Francisco J. Ros
<fjros@um.es>
3º Grado en Ingeniería Informática – 2011/2012
Organización del tema
Clasificación, tipos de redes y estrategias de
conmutación
Arquitectura por niveles (OSI vs TCP/IP)
Aspectos de diseño en Internet
Organización y estructura de Internet
Arquitectura de Redes - Universidad de Murcia
2
Organización del tema
Clasificación, tipos de redes y estrategias de
conmutación
Arquitectura por niveles (OSI vs TCP/IP)
Aspectos de diseño en Internet
Organización y estructura de Internet
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3
Clasificación y tipos de redes
Una red, es una colección interconectada de
dispositivos autónomos
– Pueden intercambiar información
– Cada dispositivo funciona independientemente
Existen clasificaciones en base a múltiples criterios
– Uso de la red (empresarial, doméstica,..)
– Extensión espacial (de área local, extensa…)
– Tipo de tecnología empleada, etc
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4
Elementos básicos de una red
Sistemas finales (hosts)
– PCs, PDAs,…
– Equipos que ejecutan aplicaciones de red
Enlaces de comunicación
– Medios físicos que conectan los sistemas finales
Tipos:
Cableados: coaxial, par trenzado, fibra óptica
Inalámbricos: microondas, satélites
– La velocidad de transmisión se denomina ancho de
banda (bits/seg, bps)
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5
Elementos básicos de una red
Dispositivos de conmutación (routers)
– Equipos situados en los cruces de los enlaces de
comunicación que conducen la información por el
camino adecuado entre sistemas finales
Protocolos
– Reglas que controlan el formato de la información y los
procedimientos de envío y recepción
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Clasificación atendiendo a la localidad
espacial
Redes de área local (LANs)
– Propiedad privada
– Principalmente para compartición de recursos
Redes de área metropolitana (MANs)
– Pueden interconectar varias LANs cercanas
– Actualmente gran interés basado en tecnologías inalámbricas
Redes de area extensa (WANs)
– Interconectan múltiples LANs o MANs remotas
– Formadas por un núcleo de enlaces de alta capacidad
– Multitud de tecnologías de red (ATM, FrameRelay, WDM,…)
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Estrategias de Conmutación
Conmutación de circuitos
Conmutación de circuitos virtuales
Conmutación de mensajes
Conmutación de paquetes
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Algunas definiciones previas
Longitud del paquete, P, se mide en bits.
Longitud del enlace, L, se mide en metros.
Tasa de datos, R, es la tasa a la que se pueden enviar bits,
bits/segundo, b/s, o bps.1
Retardo de propagación, PROP, es el tiempo que tarda un bit en
recorrer la longitud del enlace, L.
PROP = L/c. 2
Tiempo de transmisión, TRANSP, es el tiempo que lleva
transmitir un mensaje de longitud P.
TRANSP = P/R.
Retardo es el tiempo desde que se envió el primer bit, hasta
que se recibe el último. En un enlace:
Latency = PROP + TRANSP.
1. Nótese que un kilobit/segundo, kb/s, son 1000 bits/segundo, no 1024 bits/segundo.
2. La velocidad de transmisión se asume la de la luz en este caso, en general depende
del medio de transmisión.
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Conmutación de Circuitos
A
B
Fuente
Es el método usado por la red telefónica
Una comunicación tiene tres fases:
1.
2.
3.
Destino
Establecer el circuito extremo a extremo (“marcación”),
Comunicar los datos,
Cerrar el circuito (“colgar”).
Un circuito es como un cable físico extremo a extremo.
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Conmutación de Circuitos
Red Telefónica
A cada llamada se le asignan
64kb/s. Por tanto una troncal de
2.5Gb/s pude soportar hasta
39,000 llamadas simultáneas.
Destino
“llamado”
Fuente
“llamante”
Central
de
Conmutación
Central de
Conmutación
Intercambiador
de troncales
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Conmutación de Circuitos Virtuales
VC 25, IIF 3, OIF 5
VC 19, IIF 3, OIF 6
A
Source
B
Destination
Se trata de conmutación de paquetes, no de circuitos
Durante la fase de marcación, cada conmutador asocia la
interfaz de entrada y de salida para cada CV
Los datos enviados incluyen el identificador del CV para que los
conmutadores intermedios lo envíen por el camino elegido
Se ofrece caudal fijo como en la conmutación de circuitos, pero
ofrece una mayor flexibilidad y tolerancia a fallos al operador
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Circuito Virtual
A
B
3
2
1
E
C
D
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Conmutación de Mensajes
A
Fuente
B
R2
R1
R3
Destino
R4
Cada mensaje se enruta independientemente usando la tabla de
rutas local al encaminador
Los routers no mantienen estado por flujo
Diferentes paquetes podrían seguir caminos distintos
Un encaminador podría recibir varios paquetes para un mismo
enlace de salida, por tanto requiere de buffers
Se puede mejorar el rendimiento, dividiendo los mensajes en
paquetes: conmutación de paquetes (datagramas)
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Conmutación de Paquetes
Modelo simple de Router
“4” Link 1, ingress
Choose
Egress
Link 1, egress
Link 2, ingress
Choose
Egress
Link 2, egress
Link 3, ingress
Choose
Egress
Link 3, egress
Link 4, ingress
Choose
Egress
Link 4, egress
Link 2
Link 1
R1“4”
Link 3
Link 4
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Datagrama
2
A
B
1
3
2
E
C
1
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D
1
2
1 3
16
Circuito Virtual vs Datagrama
B
A
1.3
1.2
1.1
2.3
2.2
2.1
Cada paquete lleva el
número del circuito virtual
al que pertenece
Red de CVs
Todos los paquete que
van por un mismo VC
usan la misma ruta
C
El orden se
respeta siempre
B
A
B.3
B.2
B.1
Red de datagramas
C.3
C.2
C.1
Cada datagrama lleva la
dirección de destino
C
La ruta se elige de
forma independiente
para cada datagrama
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El orden no siempre
se respeta
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Multiplexación Estadística
Idea Básica
Dos flujos
Un flujo
tasa
tasa
Tasa
media
tiempo
Múltiples flujos
tiempo
El tráfico normal tiene ráfagas,
e.d. la tasa cambia frecuentemente.
Los picos de flujos independientes
normalmente suceden en instantes
diferentes.
Conclusión: Cuantos más flujos, más
estable el tráfico.
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tasa
Tasa media de:
1, 2, 10, 100, 1000
flujos.
tiempo
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Conmutación de Paquetes
Multiplexación Estadística
Paquetes para la
misma interfaz de
salida
1
Data
Hdr
2
Data
Hdr
R
R
Tamaño de
la cola
X(t)
X(t)
Paquetes descartados
B
Tasa enlace, R
R
N
Data
Hdr
Buffer de
paquetes
Tiempo
Como el buffer absobe ráfagas temporales, el enlace de salida no
necesita funcionar a una tasa NxR
Pero el buffer tiene tamaño limitado, B, puede haber pérdidas.
El delay puede ser variable, por lo que no hay garantía de QoS
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19
Multiplexación Estadística
Rate
A
C
A
C
B
C
time
Rate
B
C
time
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Ganancia por Multiplexación Estadística
Tasa
A+B
2C
R < 2C
A
R
B
tiempo
Statistical multiplexing gain (SMG) = 2C/R
Otras definiciones de SMG: El ratio de tasas que dan lugar a un
determinado nivel de ocupación o de tasa de pérdidas.
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21
¿Por qué usa Internet conmutación de
paquetes?
1. Hace un uso eficiente de enlaces caros
–
–
–
Asume que los enlaces son caros y escasos.
Permite que muchos flujos compartan el enlace
satisfactoriamente.
“Circuit switching is rarely used for data networks, ... because
of very inefficient use of the links” - Gallager
2. Tolerancia a fallos en los enlaces y los routers
–
”For high reliability, ... [the Internet] was to be a datagram
subnet, so if some lines and [routers] were destroyed,
messages could be ... rerouted” - Tanenbaum
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Conmutación de Paquetes
A
B
R2
Fuente
R1
Destino
R3
R4
Host A
TRANSP1
TRANSP2
R1
“Store-and-Forward” en cada router
PROP1
TRANSP3
R2
PROP2
TRANSP4
R3
PROP3
Host B
PROP4
Minimum
to end
latency =
Mínimo
retardoend
extremo
a extremo
∑ (TRANSP + PROP )
i
i
i
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Conmutación de Paquetes
¿Por qué paquetes mejor que mensajes?
M/R
M/R
Host A
Host A
R1
R1
R2
R2
R3
R3
Host B
Host B
Latency = ∑ ( PROPi + M / Ri )
Retardo
Latency = M / Rmin + ∑ PROPi
Retardo
i
i
Trocear los mensajes en paquetes permite el envío en paralelo por los
diferentes enlaces de la red, reduciendo la latencia extremo a extremo.
También evita que un enlace quede ocupado durante mucho tiempo.
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Conmutación de Paquetes
Retardo por Encolado
Como el enlace de salida no tiene por qué estar libre al llegar un paquete,
éste se encola en un buffer. Si la red está ocupada, los paquetes podrían
tener que esperar un tiempo no despreciable.
Host A
TRANSP1
Q2
TRANSP2
R1
PROP1
TRANSP3
R2
PROP2
TRANSP4
R3
PROP3
Host B
PROP4
Actual end
to ende2e
latency
Retardo
real = ∑ (TRANSPi + PROPi + Qi )
i
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25
Resumen Conmutación
Conmutación de
circuitos
Ruta de transmisión
dedicada
Transmisión de datos
continua
Los mensajes no se
almacenan
La ruta se establece para la
conversación entera
Retardo de establecimiento
de llamada. Retardo de
transmisión despreciable
Ancho de banda fijo
C.P, Datagramas
C.P, Circuitos Virtuales
Ruta de transmisión no
dedicada
Transmisión de paquetes
Los paquetes pueden
almacenarse hasta su
entrega
Se establece una ruta
para cada paquete
Retardo de transmisión
de paquetes
Uso dinámico del ancho
de banda
Ruta de transmisión no
dedicada
Transmisión de paquetes
Los paquetes pueden
almacenarse hasta su
entrega
La ruta se establece para la
conversación entera
Retardo de establecimiento
de llamada. Retardo de
transmisión de paquetes
Uso dinámico del ancho de
banda
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26
Organización del tema
Clasificación, tipos de redes y estrategias de
conmutación
Arquitectura por niveles (OSI vs TCP/IP)
Aspectos de diseño en Internet
Organización y estructura de Internet
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27
¿Por qué una arquitectura por niveles?
En una comunicación se plantean multitud de problemas
técnicos a abordar
– codificación, sincronización,
– acceso a un medio compartido, detección y corrección de errores,
garantía de entrega al siguiente salto,
– encaminamiento hasta el destino,
– garantía de entrega al destino, etc.
“Divide y vencerás”
– la funcionalidad se distribuye entre un conjunto de capas o niveles
– un par de entidades de una misma capa define un protocolo
conjunto de reglas que define el intercambio de mensajes y su sintaxis
– una entidad en un nivel ofrece servicios al nivel superior usando
servicios del nivel inferior
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28
Arquitectura por niveles
CS
CT CS
Aplicación
Aplicación
Presentación
Presentación
Sesión
Sesión
Protocolo
CS
CT CS
Transporte
Transporte
Red
Red
CE CR CT CS
Enlace
Enlace
CE CR CT CS
CE CR CT CS
Físico
Físico
CE CR CT CS
CR CT CS
CR CT CS
CE= Cabecera de Enlace
CR= Cabecera de Red
CT= Cabecera de Transporte
CS= Cabecera de Sesión
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Modelo OSI
Sistema
Final
Sistema
Final
APLICACIÓN
7
7
PRESENTACIÓN
6
6
SESIÓN
5
TRANSPORTE
5
4
Sistema
Intermedio
RED
3
3
3
ENLACE
2
2
2
1
1
1
FISICO
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4
30
Arquitectura TCP/IP
Aplicación
Bloque de
Aplicación
Mensajes o
Flujos contínuos
Transporte
Segmentos
Servicios
de Red
Interred
Datagramas IP
Subred
Tramas de subred
Físico
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31
Mapa de Protocolos TCP/IP
APLICACIONES
FTP
SMTP RPC
Rlogin
Rsh
TELNET DNS
SNMP
NFS
BOOTP
ASN.1 TFTP DHCP RPC XDR
TCP
UDP
IP (con ICMP e IGMP)
ARP
RARP
SUBRED + FÍSICO
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32
Organización del tema
Clasificación, tipos de redes y estrategias de
conmutación
Arquitectura por niveles (OSI vs TCP/IP)
Aspectos de diseño en Internet
Organización y estructura de Internet
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33
Introducción al correo postal
Madrid
Barcelona
Bob
Alice
Admin
Admin
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34
Características del correo postal
Cada sobre se envía independientemente.
No hay una garantía de tiempo de entrega.
No hay garantía de entrega en orden.
De hecho, ¡no hay garantía de entrega!
Las cosas se pierden
¿Cómo podemos confirmar la entrega?
Si no se confirma la recepción, o se confirma la no
recepción, reenvío
¿Cómo determinar cuándo reenviar? ¿Expiración?
Hacen falta copias de lo que se envió.
¿Cuánto tiempo hay que mantener esas copias?
¿Qué pasa si se piede la confirmación de entrega?
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35
Introducción al correo postal
Madrid
Barcelona
Nivel de Aplicación
Bob
Alice
Nivel de transporte
Admin
Admin
Nivel de red
Nivel de enlace
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Source: CS244, Steve McKeown, Stanford University
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Introducción a Internet
host2.barcelona.net
host1.madrid.net
Nivel de Aplicación
Bob
Alice
Nivel de transporte
O.S.
Datagramas
Data
Header
Data
Header
O.S.
Nivel de red
Nivel de Enlace
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Source: CS244, Steve McKeown, Stanford University
37
Características de Internet
Cada paquete se envía independientemente.
No hay una garantía de tiempo de entrega.
No hay garantía de entrega en orden.
De hecho, ¡no hay garantía de entrega!
Los paquetes se pierden
¿Cómo podemos confirmar la entrega?
Si no se confirma la recepción, o se confirma la no
recepción, reenvío
¿Cómo determinar cuándo reenviar? ¿Expiración?
Hacen falta copias locales de lo que se envió.
¿Cuánto tiempo hay que mantener esas copias?
¿Qué pasa si se piede la confirmación de entrega?
Arquitectura de Redes - Universidad de Murcia
Source: CS244, Steve McKeown, Stanford University
38
Características adicionales de Internet
No hay garantía de la integridad de los datos.
Los paquetes pueden fragmentarse.
Los paquetes pueden duplicarse.
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Source: CS244, Steve McKeown, Stanford University
39
Organización del tema
Clasificación, tipos de redes y estrategias de
conmutación
Arquitectura por niveles (OSI vs TCP/IP)
Aspectos de diseño en Internet
Organización y estructura de Internet
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40
Arquitectura de Internet
Arquitectura de Redes - Universidad de Murcia
Source: Libro de Stallings
41
Ejemplo de Configuración
Arquitectura de Redes - Universidad de Murcia
Source: Libro de Stallings
42
Bibliografía
Básica
– Comer, cap 1 y 2
– Peterson, sec 2.3 y 3.1
– Stallings, Data Comm, cap 1, 2 y 8
Arquitectura de Redes - Universidad de Murcia
43
Bibliografía
Complementaria
– A. Pattavina, “Switching Theory”. Wiley, 1998.
– D. Clark, “The Design Philosophy of the DARPA Internet
Protocols”, Proc. ACM SIGCOMM 1988, pp. 106-114.
– Jose Miguel Alonso, “Protocolos de comunicaciones
para sistemas abiertos”, Addison-Wesley, 1996.
– Tanenbaum, cap 1
Arquitectura de Redes - Universidad de Murcia
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