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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