TEMA 3. ARQUITECTURAS Y PROTOCOLOS 3.1 Introducción 3.2 Conceptos 3.3 Modelo de referencia OSI 3.4 Modelo de referencia TCP/IP 3.5 Ejemplos de arquitecturas/protocolos 3.6 Nodos intermedios 3.1 Introducción • Complejidad en la comunicación entre dos terminales. • Han de definirse muchos aspectos: código identificador de origendestino, control de errores de transmisión, pérdidas de secuencia de paquetes, diferencias de velocidad de transmisión/recepción, diferencias de longitud de paquete, determinación del mejor camino a seguir, etc, etc, etc. • Todos estos aspectos se agrupan en funciones de comunicación. • Implementación de las funciones de comunicación mediante un conjunto de protocolos estructurados arquitectura de red. • Debido a la complejidad: organización de los protocolos mediante n capas o niveles. Cada capa ofrece ciertos servicios a las capas superiores. Símil: Ejército: pelotón, compañía, batallón, brigada, división, etc. • Cada capa i de un sistema final/nodo conversa con la capa i de otro sistema final/nodo. Las reglas utilizadas en la conversación se conocen como protocolo de la capa n. • La transferencia de datos entre capas no es directa. Los datos son pasados a la capa inmediatamente inferior y así sucesivamente hasta la capa 1, donde se realiza la comunicación con la otra máquina (medio físico). • Entre cada par de capas adyacentes hay una interfaz que define los servicios y operaciones primitivas que la capa inferior ofrece a la superior. • Principales ventajas de una estructuración por capas: – Modularidad o independencia entre tareas: permite resolver el problema general en pequeños problemas más simples. – Facilidad de cambios parciales. Ejemplo: cambiar un protocolo de la capa i por otro de la misma capa sin afectar al resto del funcionamiento. 3.2 Conceptos • • • • • • • • • • • • Sistema final: terminal o host (ver tema 2). Sistema intermedio: nodo de tránsito (ver tema 2). Arquitectura de comunicación o red: Conjunto de capas, interfaces y protocolos que permiten la comunicación entre dispositivos (terminales o nodos) interconectados a través de una red de comunicación. Modelo de referencia: metodología para el diseño de arquitecturas de red. Capa: Cada uno de los niveles en que se divide una arquitectura de red. Interfaz: Conjunto de reglas que permiten el intercambio de comunicación entre capas adyacentes de un mismo terminal o nodo. Protocolo de comunicación: conjunto de reglas que permiten intercambiar información entre capas idénticas de diferentes terminales/nodos. Protocolo/arquitectura propietario o privado: desarrollado por una compañía y mantenido en secreto para evitar implementación por terceros. Protocolo/arquitectura abierto: libre acceso a sus características que permite implementarlo por terceros. Suele ser mantenido por un grupo de usuarios (user group). Protocolo estándar: protocolo abierto que publica un organismo normalizador (CEI, ISO, IEEE). Servicio de comunicación: Determinada funcionalidad que una capa ofrece a la inmediata superior. Aplicación de comunicación: interfaz de usuario alojada en un sistema final que genera la información a transmitir por la red. Ejemplo: cliente de correo. 3.3 Modelo de referencia OSI • Antecedentes – – • Finales de los 70: número importante de redes de comunicación sin posibilidad de conectarse entre sí ya que se basaban en arquitecturas propietarias. Sistemas de potencia: avances en las técnicas de automatización permiten intercambiar más información con la debida precisión y velocidad: • Tiempo en procesar la información: – Disparo de un relé de protección: milisegundos – Disparo de interruptor: segundos – Informes de facturación: minutos – Aplicaciones de mantenimiento: horas – Datos de fiabilidad: meses o años • La información en estas escalas de tiempo es necesaria como soporte al sistema de automatización de redes eléctricas. • Uso de las tecnologías de información para asegurar el flujo organizado de datos y la toma de decisiones en tiempo real proceso de estandarización de protocolos de comunicación para lograr un sistema integrado, fiable, sano, seguro, flexible y con potencial de expansión. 1983: se publica el modelo OSI (Open System Interconnection) – No es una arquitectura, sino un modelo de referencia que aporta la estructura y los criterios para elaborar arquitecturas y protocolos. 3.3 Modelo de referencia OSI • Características del modelo OSI – – – – – • Válido para todo tipo de redes: WAN, LAN, SCADA, etc. Permite interconectar redes distintas abiertas, sin hardware ni sistema operativo específico. No es de obligado cumplimiento. Pone en comunicación aplicaciones de cualquier tipo (universal). Independiente de la tecnología empleada en la comunicación, del sistema operativo donde se implante y de la red (abstracto). Cualidades de la arquitectura de capas – – – – – • Cada capa representa unas funciones diferenciadas de las demás. Interfaz entre capas: claro y sencillo. Número de capas suficientemente grande para que funciones claramente distintas estén separadas. Número de capas suficientemente reducido para evitar complicaciones con protocolos e interfaces distintos. El PDU de una capa es la carga útil (payload) de la inferior. Clasificación de las capas – – • Capas inferiores: capa física, enlace de datos, red y transporte. Capas superiores: capa de sesión, presentación y aplicación. Tipos de PDU – – Control Datos 3.3 Modelo de referencia OSI • • • a: mensaje completo de la capa Ln – Header: cabecera. – Trailer: remolque, cola. b: división del mensaje en dos fragmentos. c: adición a cada fragmento de la cabecera y cola de la capa Ln-1. 3.3 Modelo de referencia OSI • Capa física (L1) – – – – – • En contacto directo con el medio físico de transmisión. Ofrece un servicio básico de transmisión de bits entre puntos adyacentes. Este servicio no tiene por qué ser fiable. PDU de la capa física: byte. Define las características eléctricas, mecánicas y de procedimiento para el inicio, mantenimiento y finalización del servicio mencionado. • Técnica de modulación o codificación empleada. • Niveles de tensión. • Duración de los bits. • Tasa de bits. Ejemplos de estándares asociados a la capa física: RS-232, xDSL. Capa de enlace (L2) – – – Mejora el servicio de transmisión de bits de la capa física. PDU de la capa de enlace: marco o trama (frame). Funciones principales: • Control de errores en la transmisión: Se dividen los datos en tramas y se añade a una trama una información adicional llamada redundancia. • Control de flujo: armoniza la velocidad de generación de datos a las capacidades de procesado en el destino. Se evitan atascos del búfer en el receptor. • Control de acceso a medios físicos de transmisión compartidos por más de dos máquinas: cómo y cuándo cada máquina puede transmitir, evitando conflictos. Se asigna a una subcapa llamada MAC (Medium Access Control). • Facilidad en la transmisión de mensajes por enlaces de medios diferentes (ver figura anterior cómo en los nodos intermedios las capas de enlace y física están divididas en dos). 3.3 Modelo de referencia OSI • Capa de red (L3) – – – – • Constituye una red de comunicaciones. Funciones principales: • Reenvío (relaying) de la información a través de los distintos enlaces y sistemas intermedios que constituyen una red de comunicaciones. • Encaminamiento (routing) de los datos de un nodo a otro nodo en su camino entre dos sistemas finales de modo que se optimice algún criterio (coste, rapidez, etc.) evitando que se congestione la red. • Reencaminamiento (rerouting) de los datos si fallos o atascos de tráfico impiden a los datos transmitirse entre nudos contiguos. PDU de la capa de red: paquete (packet). Ejemplos de protocolos: X.25, IP (Internet). Capa de transporte (L4) – – – Presente en los sistemas finales, no en los intermedios (opera extremo a extremo). Funciones principales: • Control del transporte de datos entre transmisor y receptor sin preocuparse de los nodos intermedios ni de las rutas alternativas. • Segmentación de mensajes largos en paquetes cortos (PDU) que se transmiten a través de la red y luego se reordenan y reensamblan en mensajes completos en el otro extremo. • PDU de la capa de transporte: segmento (TCP) y datagrama (UDP). Ejemplos: TCP (Transmission Control Protocol), UDP (User Datagram Protocol). 3.3 Modelo de referencia OSI • Capa de sesión (L5) – Proporciona los mecanismos para controlar el diálogo y mantener el enlace entre las aplicaciones de los sistemas finales. – Funciones principales • Establecer y finalizar una sesión. • Gestión del diálogo entre sistemas finales (hacer que sea dúplex o semidúplex). • Recuperación: Mantener puntos de verificación que sirven para que, ante una interrupción de transmisión por cualquier causa, la misma se pueda reanudar desde el último punto de verificación en lugar de repetirla desde el principio. – Ejemplo: impresión de un libro en una impresora remota no disponible localmente. • Sesión “impresión del libro”: inserta unos puntos de sincronización a lo largo del texto del libro. • La impresora se queda sin tinta y el operador del sistema donde se encuentra la impresora procede a sustituir el cartucho de tinta agotado cuando ya se han impreso varias hojas en blanco. • La capa de transporte no puede solventar el problema originado por el proceso de aplicación “impresora remota”. – Ha cumplido su misión entregando los datos a la aplicación destino sin ningún error y no puede saber que no se han impreso correctamente. • Mediante la función de recuperación de la capa de sesión se podría reanudar el proceso de impresión desde el último punto de verificación. – En muchos casos los servicios de la capa de sesión son total o parcialmente prescindibles. 3.4 Modelo de referencia TCP/IP • • Anterior al ISO Equivalencia entre capas 3.5 Ejemplos de arquitecturas y protocolos 3.5 Ejemplos de arquitecturas y protocolos • • • • • • • • • • • • Arq. a: L1 y L7, protocolo serie, red punto a punto. Arq. b: L1 y L7, envío de varios canales en un mismo enlace. Arq. c: Capa de aplicación directamente sobre Ethernet (capas L1 y L2). Arq. d: Capa de red IP sobre Ethernet. Arq. e: Red inalámbrica de banda ancha (3G, 4G, WiMAX, etc.). Arq. f: Red PLC (Power Line Communications). Arq. g: Capa de red IP sobre cualquier otra capa que combine L1 y L2 (MAC). Arq. h,j: Capa de red IP sobre capa L2 independiente de L1. Arq. i: Capa de aplicación directamente sobre frame relay. Arq. k: TCP/IP o UDP/IP Arq. l: Capa de aplicación directamente sobre MPLS MPLS: Multiprotocol Label Switching – Incluye capas L1, L2 y parte de L3 (protocolo de 2,5 capas). – Está sustituyendo a frame relay. – Posible sustituto de IP. • Qué ocurre con los protocolos que integran L1 y L2: están asociados a un medio concreto: cable coaxial, par trenzado, fibra óptica, PLC, etc. • ¿Por qué en las arquitecturas d,e,f y g hay un hueco entre la capa L2 y L3? – Porque dichos protocolos de enlace solo incluyen la subcapa MAC, pero existen otra subcapa en la capa de enlace: LLC (logical link control) reenvío de un paquete erróneo. 3.6 Nodos intermedios Repetidor (repeater): opera en la capa física. Regenera la señal. Tiene 2 puertos. Concentrador (hub): repetidor de múltiples puertos. Conecta muchos terminales entre sí. Capa física. Puente (bridge): capa de enlace. Conecta dos redes del mismo protocolo. Identifica las direcciones MAC de fuente y destino. Tiene dos puertos. No existen colisiones entre los dominios separados por un puente. Conmutador (switch): capa de enlace. Similar al puente pero con más puertos. Detecta errores antes de reenviar los datos. Muy eficiente para reducir retrasos. Rúter (router): capa de red. Reconocer las direcciones de red de fuente y destino. Decide la mejor ruta para cada paquete. Conecta redes diferentes pero con el mismo protocolo de red: ej: red inalámbrica (WIFI) con ADSL. Pasarela (gateway): capa de red. Conecta redes con protocolos de red diferentes.
