introduccion a las redes de telecomunicaciones

Introducción a las Redes de Telecomunicaciones

Introducción a las Redes de TelecomunicacionesTecnologías de Banda Ancha

AREA DE COMUNICACIONES ELECTRONICAS

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V.3.3 1. INTRODUCCION

En este capítulo se tratan diversas temáticas relativas a las redes de telecomunicaciones. Las telecomunicaciones han sido definidas como la tecnología que permite las comunicaciones a distancia.

La figura anterior muestra una posible clasificación de las diferentes tecnologías de telecomunicaciones. Las comunicaciones han evolucionado desde las mecánicas hasta las eléctricas, esta es la razón por la cual los primeros entes y compañías de comunicaciones se ocuparon de ambos de tipos de sistemas mecánicos y eléctricos, por ejemplo: postal, telegrafía y telefonía (PTT).

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EVOLUCION DE LAS REDES DE TELECOMUNICACIONES 1800–1837 Desarrollos preliminares: Volta descubre la batería primitiva; Fourier y Laplace presentan sus tratados matemáticos; Ampere, Faraday, y Henry conducen experimentos sobre electricidad y magnetismo; Ley de Ohm (1826); Gauss, Weber, y Wheatstone desarrollan sistemas elementales de telegrafía. 1838–1866 Telegrafía: Morse perfecciona su sistema; Steinhill encuentra que la tierra puede usarse como camino de retorno; se instalan servicios comerciales. (1844); se desarrollan técnicas de multiplexado; William Thomson calcula la respuesta al impulso en una línea telegráfica (1855); se instala el primer cable trasatlántico. 1845 Leyes de Kirchoff. 1864 Las ecuaciones de Maxwell predicen la radiación electromagnética. 1876–1899 Telefonía: Alexander Graham Bell perfecciona el transductor acústico; primera central de conmutación telefónica con 8 líneas; Edison perfecciona el transductor de carbón; Strowger desarrolla el conmutador paso a paso (1887). 1887–1907 Telegrafía Inalámbrica: Heinrich Hertz verifica la teoría de Maxwell; demostraciones de Marconi y Popov; Marconi patenta un sistema completo de telegrafía inalámbrica (1897); comienza el servicio comercial, incluido sistemas transatlánticos y tierra aire y tierra mar. 1904–1920 Comunicaciones electrónicas: Lee De Forest inventa el Audion (triodo) basado en el diodo de Fleming; primeros filtros básicos; experimentos con radio AM broadcasting; el Sistema Bell completa la primera línea telefónica transcontinental con repetidores electrónicos (1915); se introduce sistemas de multiplexado telefónico: H. C. Armstrong perfecciona el receptor de radio superheterodino (1918); primera estación comercial de radio broadcasting. 1920–1928 Carson, Nyquist, Johnson, y Hartley presentan su teoría de transmisión. 1923–1938 Televisión: Demostración de sistemas de formación mecánica de imágenes; análisis teóricos de requerimientos de ancho de banda; DuMont y otros perfeccionan el tubo de rayos catódicos; comienzan las pruebas de sistemas experimentales de broadcasting. 1931 Se instalan servicios de tele impresión. 1934 H. S. Black desarrolla amplificadores de realimentación negativa. 1936 Armstrong’s presenta su trabajo en radio de modulación de frecuencia (FM). 1937 Alec Reeves concibe la modulación por pulsos codificados (PCM). 1938–1945 Se desarrollan sistemas de radar y microondas durante la Segunda Guerra Mundial; FM se usa extensivamente para comunicaciones militares, La guerra potencia la investigación y desarrollo en todas las áreas. 1944–1947 Desarrollo en representación matemática del ruido; desarrollo en métodos estadísticos de detección de señales. 1948–1950 C. E. Shannon publica su teoría de la información. 1948–1951 Se inventa el transistor. 1950 La múltiplexación por división de tiempo (TDM) es aplicada a la telefonía. Hamming presenta el primer código de corrección de errores. 1953 Se establece el estándar de TV color TV en EEUU. 1955 J. R. Pierce propone un sistema de comunicaciones satelitales. 1958 Sistemas de larga-distancia de transmisión de datos se desarrollan para uso militar. 1960 Maiman demuestra el primer láser. 1961 Comienza la producción comercial de circuitos integrados. 1962 Las comunicaciones satelitales comienzan con el Telstar I. 1962–1966 Se ofrece comercialmente el servicio de transmisión de datos; se prueba que PCM es factible para la transmisión de voz y TV; se desarrolla la teoría de transmisión

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digital; Viterbi presenta su esquema de corrección de error; se desarrolla la ecualización adaptativa. 1964 Se ponen en servicio sistemas de conmutación telefónica totalmente electrónica. 1965 Mariner IV transmite imágenes desde Marte. 1966–1975 Los satélites comerciales comienzan a operar; se introducen enlaces ópticos usando láser y fibra ópticas; se crea ARPANET (1969). 1976 Xerox inventa la red LAN Ethernet. 1968–1969 Comienza la digitalización de las redes telefónicas. 1970–1975 El estándar PCM es desarrollado por el CCITT. 1975–1985 Se diseñan sistemas ópticos de alta capacidad; se unen la tecnología óptica y los sistemas de conmutación totalmente integrados; microprocesadores para procesamiento digital de señales. 1980–1983 Comienza a operar la red global Internet basada en el protocolo TCP/IP. 1980–1985 Se ponen en servicio el sistema moderno de telefonía celular, NMT en Europa, AMPS en EEUU, Se define el modelo OSI por el ISO (International Standards Organization). Comienza la segunda generación de telefonía digital celular. 1985–1990 Máximo desarrollo en redes LAN; termina la estandarización de ISDN (Integrated Services Digital Network); servicio público de comunicación de datos comienza a estar disponible ampliamente; los sistemas ópticos de transmisión reemplazan los sistemas de cobre en transmisión de larga distancia; se diseña el sistema SONET. Se terminan los estándares GSM y SDH. 1989 Se propone el servicio World Wide Web (WWW) por Tim Berners-Lee (CERN). 1990–1997 Se pone en funcionamiento el sistema de telefonía celular digital, Global System for Mobile Communications (GSM); desregulación de las telecomunicaciones en Europa y gran parte del mundo, se vuelven popular los sistemas de TV por satélite; Internet se expande rápidamente debido al servicio WWW. 1997–2001 El negocio de las telecomunicaciones, desregulado crecer rápidamente; las redes de telefonía celular digital, especialmente GSM, se expanden mundialmente; Internet crece en aplicaciones comerciales; una parte de las comunicaciones de voz son transferidas de las redes publicas de telefonía conmutada (PSTN) a Internet. Aparecen las redes Ethernet de Gigabit. 2001–2005 TV digital TV comienza a reemplazar la TV analógica broadcast, aparecen los servicios de acceso a Internet de banda ancha, el servicio de telefonía comienza a ser reemplazado por la comunicación celular personal con el servicio PCS; la segunda generación de celulares es actualizada para proveer altas tasas en servicio de datos de conmutación de paquetes. 2005– La TV digital TV comienza a reemplazar al servicio analógico, proveyendo servicios interactivos además del servicio broadcast; tercera generación de celulares y tecnología WLAN mejoran los servicios de datos móviles; la red de telecomunicaciones global evoluciona hacia una plataforma común de red de conmutación de paquetes por todo tipo de servicios. El ancho de banda de los sistemas de transmisión ha aumentado un orden de magnitud cada 20 años. 1950: 108 bit/s 2010: 1011 bit/s 1970: 109 bit/s ⇒ 2030: 1012 bit/s 1990: 1010 bit/s

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La evolución de los servicios de telecomunicaciones comienza en 1847 como se observa en la figura:

Una red de telecomunicaciones consiste en la interacción de 3 subsistemas: a) Sistema de transmisión b) Sistema de conmutación c) Sistema de señalización Las redes actuales están especializadas de acuerdo al servicio que brindan, de esta forma existen redes de voz (servicio telefónico), redes de datos, redes de TV por cable (CATV), redes de telex, etc. Cada una de estas redes tiene su propio cableado dentro de los centro urbanos y este cableado esta adaptado a las necesidades del servicio que se ofrece (par balanceado para telefonía, coaxil para CATV, etc.); además cada red tiene sus propios nodos de conmutación (centrales telefónicas, nodos de conmutación de paquetes para las redes de datos, etc.). Sin embargo cuando es necesario vincular estas redes urbanas en una única red nacional e internacional, el sistema de comunicaciones que permite realizar esto es único y se conoce como red de transporte. La red de transporte provee un medio común para enlazar entre sí las distintas redes de servicio. Si bien fue originalmente diseñada para el servicio telefónico y telegráfico, pronto fue utilizado por la TV, las redes de datos, y el resto de los servicios que no poseían el peso suficiente para justificar una red de transporte propia. El servicio telefónico es por lejos el que más número de usuarios emplean en el mundo (500.000.000 de abonados en 1990, 1.000.000.000 para el año 2000 y 2.000.000.000 entre telefonía fija y celular en el año 2003), por eso no es extraño que los primeros diseños de redes de transporte de alta capacidad hayan sido hechos a medida de este servicio. La tendencia actual es hacia una red de transporte digital multiservicio basada en la tecnología SDH (Jerarquía Digital Sincrónica) capaz de soportar aplicaciones de ancho de banda pequeño o grande y de tasa de bit constante o variable. A su vez los servicios serán provistos a través de una red única RDSI (Red Digital de Servicios Integrados - en inglés ISDN) que llegará a cada abonado con un único medio físico y las centrales de conmutación serán también comunes a todos los servicios.

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La siguiente figura ilustra la evolución de las redes telefónicas. La etapa 1, muestra una planta totalmente analógica. En la etapa 2, emerge la transmisión digital. La etapa 3, muestra la aparición de las centrales de conmutación digitales. La etapa 4 (actual) muestra la introducción de ISDN para conexiones realmente digitales extremo a extremo. Todas estas etapas emplean anchos de banda de 4000 Hz es decir 64000 bit/s; en la etapa 5 se verá la introducción de comunicaciones digitales extremo a extremo de banda ancha. ETAPA 1 (1850-1950)

Estación analógica

Terminal datos ETAPA 2 (1960-1970)





Estación ISDN

Terminal datos

Nodo Conmu- tación analógico


Nodo Conmu- tación digital

Nodo Conmu- tación ISDN













Transmisión analógica

Transmisión digital















lazo analógico

lazo digita

l

lazo digita

l

lazo ISDN

Plantel de distribución

analógico

Plantel de distribución

analógico

D/A

A/D

A/D

lazo ISDN

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ETAPA 5 (2000- ?)

HDTV Centrales de conmutación Esta claro que sería poco eficiente y realista pensar que cada abonado dispusiera de una conexión directa con cada uno de los posibles abonados o dispositivos con los que quisiera comunicarse. Las centrales de conmutación están diseñadas para permitir la necesaria ínter conectividad a un costo razonable, discando el número del abonado deseado. Las centrales están conectadas entre si a través de enlaces ínter oficina para permitir la comunicación entre abonados vinculados físicamente a centrales diferentes. Para posibilitar el establecimiento de este tipo de conexiones las centrales deben dialogar entre si para saber cosas como quien es el abonado a quien se llama, estado de este abonado (ocupado o no), quien paga la llamada, etc. Este intercambio de información se llama señalización. Originalmente la señalización era transmitida dentro del canal donde se sostenía la conversación de los abonados (señalización dentro de banda) esto actualmente está siendo reemplazado por una señalización fuera del canal (señalización por canal común) por razones de eficiencia y de para evitar los fraudes (blue boxs). Dentro de la red de telecomunicaciones las centrales se hallan organizadas en una estructura jerárquica, comenzando con las centrales locales, las más cercanas al usuario, siguiendo por las centrales tandem hasta llegar a la central de tránsito internacional. Los enlaces ínter oficinas se dimensionan de acuerdo al tamaño de las dos centrales que interconectan y al tráfico promedio que cursan entre ellas. Un criterio bastante es utilizado es utilizar una cantidad de enlaces ínter oficinas tal que en el mes de mayor tráfico, a la hora de mayor tráfico no se pierdan más del 1% de las llamadas por imposibilidad de ser ruteadas a la próxima central. Cuando la cantidad de centrales locales es muy grande (ejemplo en grandes centros urbanos- Buenos Aires), tener enlaces entre cada par de centrales no resulta práctico. En ese caso cada central local se conecta a un centro de conmutación intermedio conocido como central tandem. La conexión entre dos centrales locales no se realiza a través de un enlace directo sino mediante un tandem. En la ciudad de Buenos Aires existen 3 centrales tandem unidas entre sí por un anillo de fibra óptica (CIDIBA: Cinturón Digital de Buenos Aires), cada uno de las más de 100 centrales de la ciudad se halla vinculada a alguna de las 3 centrales tandem. En algunos países las empresas que dan el servicio de comunicaciones locales (urbanas) no son las mismas que manejan las comunicaciones de larga distancia (interurbanas), en ese caso se las denomina carriers, dado que estas empresas dan un servicio de transporte de señales y las centrales que utilizan no tienen abonados (centrales de tránsito). Algunos carriers sin embargo ofrecen enlaces punto a punto sin conmutación, normalmente para uso de negocios, se denominan carriers privados. Normalmente este tipo de carriers utilizan como medio de transmisión los enlaces satelitales. La comunicación entre el abonado y su central local se realiza mediante un par simétrico de alambres de cobre (UTP: Unshielded Twist Pair), si bien este medio físico permite establecer

Nodo Conmu- tación B-ISDN




Transmisión digital B-ISDN



Transmisión digital BISDN lazo

BISDN lazo ISDN

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comunicaciones hasta 2Mbit/s para distancias inferiores a los 2kms. Normalmente solo se utilizan los 4kHz inferiores para señales de voz. El enlace entre las centrales locales, entre centrales locales y centrales tandem o centrales de tránsito se hace a 4 hilos. Es decir cuando el par del abonado (también llamado lazo de abonado) llega a su central local es convertido a 4 hilos separando la transmisión de la recepción para todo el resto de los enlaces que se realicen hasta llegar a la central local del abonado llamado. La figura siguiente ilustra la estructura jerárquica de una red de telecomunicaciones: enlace radio satelital enlace fibra submarina Central de Central de tránsito nacional tránsito nacional

Central de Central de Central de Central de

tránsito tránsito tránsito tránsito regional regional regional regional Central de Central de Central de Central de tránsito tránsito tránsito tránsito central central central central central central central local local local local local local local

R E D I N T E R N A C I O N A L

Central de Tránsito

Internacional

1

2

3

4

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Las centrales de tránsito se clasifican según su jerarquía dentro de la red, en primarias (1), secundarias (2), terciarias (3) y cuaternaria (el centro de conmutación internacional). La red de distribución de abonados consiste en el cableado que conecta a las centrales locales a sus abonados o PBX (Private Branch Exchange), centralitas telefónica privadas. La red de interconexión vincula un grupo de centrales locales entre sí y las conecta con una central de tránsito. La red de distribución más la red de interconexión conforma la red local. La red de transporte o red troncal provee los circuitos de larga distancia entre redes de área local a través del país. Finalmente, la jerarquía es completada por la red de circuitos internacionales que provee enlaces entre distintos países. Mientras que las centrales de tránsito solo conectan centrales entre sí, las centrales locales conectan abonados a la red. Como se ve en la figura anterior, en algunos casos es posible establecer más de una ruta entre dos centrales. Por ejemplo, hay una ruta directa entre dos centrales en el mismo nivel de jerarquía, y hay una ruta alternativa a través de la central de tránsito del nivel próximo superior. Si todos los circuitos de una ruta están ocupados o han salido de servicio por una falla, es teóricamente posible establecer la comunicación sobre una ruta alternativa. Cuando la conmutación se hacía en forma manual por una operadora, era posible que esta hallara una ruta alternativa. Esta facilidad se perdió cuando aparecieron las primeras centrales automáticas, ya que la conmutación paso a paso solo puede seleccionar una ruta en respuesta a una serie de dígitos discados. Los sistemas modernos de conmutación que se están instalando en las redes de transporte, proveen mayor flexibilidad de enrutamiento y enrutamiento alternativo automático. La red mostrada en la figura anterior esta idealizada. Una red práctica necesariamente debe encontrar soluciones de compromiso que introducen rutas directas entre dos centrales sin importar el nivel de jerarquía al que pertenece cada una cuando el volumen de tráfico lo justifica. EVOLUCION DE LAS REDES DE TRANSPORTE En general, la evolución de las redes de transporte avanza localmente de forma gradual con cada pequeña ampliación y mejora justificada, con criterios de inversión muy estrictos pero está limitada por la necesidad de preservar la compatibilidad con lo existente. El cambio de analógico a digital fue un importante avance tecnológico, pero treinta años después de las primeras instalaciones digitales es sólo ahora cuando se está completando la digitalización en las áreas más avanzadas. El mismo período ha visto la automatización de la telefonía pública con centrales controladas por procesador explotando el impulso de la industria informática, la señalización internacional de abonado a abonado y el potencial de los servicios digitales integrados. La red de transporte está ahora en las primeras etapas de transformación hacia objetivos y potenciales similares. Se caracteriza por la sustitución del cobre por fibra óptica como el medio de transmisión en todas las partes, por la automatización de la operación y gestión de red, y por la capacidad de proporcionar una gran variedad de servicios en una infraestructura cada vez más integrada. Como al comienzo del paso a digital, el proceso es gradual prestándose una gran atención a los escenarios de transición que se pueden justificar localmente sin las dependencias con otros aspectos de un "gran plan". La jerarquía digital síncrona (SDH) es la base de esta moderna transformación.

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Tradicionalmente se han visto a las redes de transmisión y de transporte como la base que soporta y sirve a una capa de cliente multiservicio (ver figura). En este modelo se ha basado la distinción entre transmisión y conmutación durante muchos años y toda la industria se organizó con este criterio. En los últimos años ha habido un gran y continuo crecimiento de los servicios no conmutados y un aumento de la importancia de las nuevas formas de los servicios conmutados no telefónicos. La demanda ya no está completamente dominada por los requisitos de la RTPC (Red Telefónica Pública Conmutada). Ahora es necesario gestionar los recursos de la red de transmisión de forma que cada segmento de servicio se atienda de acuerdo con sus necesidades, que varían mucho de segmento a segmento. Esto ha forzado a las divisiones operativas responsables del suministro del transporte de los grandes operadores de telecomunicaciones públicas (PTO) a entrar en una forma de mercado virtual donde los diferentes segmentos de servicios son los abonados. En muchos casos esto se ha reforzado por los entes reguladores de cada país, que han utilizado estas fronteras naturales para la introducción de una tendencia competitiva en el mercado real. La liberalización en los Estados Unidos y la entrada en algunas redes europeas de nuevos competidores en el suministro de transporte es un ejemplo. Incluso allí donde el monopolio del suministro todavía es legal, las presiones reguladoras para unificar las tarifas de abonados de líneas alquiladas y abonados internos está obligando a los operadores a organizarse de una forma similar, instituyendo procedimientos administrativos que puedan aislar los costos del suministro de transporte y, por tanto, gestionar sus operaciones en base a la optimización de costos. El suministro de redes abiertas (ONP) en Europa es el ejemplo mas claro de esta tendencia. Existe una cadena claramente distinguible de suministro del servicio de telecomunicación análoga a la de muchas grandes industrias que operan en un entorno competitivo plural, en el que el suministro de transporte es como una operación al por mayor y el suministro de servicio al usuario toma la forma de una operación minorista, siendo la banda ancha y la conectividad las mercancías comercializadas. De muchas maneras, los desarrollos modernos más importantes han estado en el entorno regulado. La liberalización del mercado con la entrada de muchos nuevos operadores no solo ha incrementado la competencia sino también el número de fronteras administrativas entre ellos. El creciente nivel resultante de interconexión entre operadores ha coincidido con una tendencia a explotar los beneficios económicos de la fibra con puertos integrados de alta capacidad sobre el equipo nodal. La necesidad de interconexión normalizada de alta capacidad ha proporcionado uno de los mayores impulsos en EE.UU. en la primera fase del proceso de normalización del SONET (red óptica síncrona). Los sistemas de transmisión de línea se habían visto tradicionalmente como entidades independientes que ínter conexionadas al equipo de otro nodo de la red a unas velocidades tributarias eléctricas de baja velocidad, usando tramas de distribución digital grandes, costosas, de trabajo intensivo y de poca fiabilidad que proporcionan la flexibilidad necesaria para operar y mantener la red. Incluían amplias facilidades de supervisión, mantenimiento y protección automática del sistema de línea. El SDH ha aportado la funcionalidad de un sistema de línea óptico normalizado integrable directamente en el equipo del nodo de la red permitiendo así la total sustitución de las conexiones de cobre a un costo razonable, alta seguridad e independencia del tipo de fibra suministrada. El desplazamiento de las tramas de distribución de baja velocidad operadas manualmente crea la necesidad de incorporar una flexibilidad de baja granularidad en la propia red de transporte, en forma de transconectores y multiplexores de inserción y extracción (ADM), para restaurar la clase de flexibilidad operacional ofrecida por las tramas manuales desplazadas. Esto se refuerza por la necesidad de flexibilidad y respuesta requerida por los nuevos servicios y por la constatación de que la capacidad de la banda ancha introducida en estas redes flexibles puede mejorar sensiblemente la eficacia de su utilización, y por tanto el coste del suministro. Las estructuras normalizadas de multiplexación plesiócrona no son adecuadas para una eficiente implantación de tal flexibilidad. El SDH proporciona una estructura de multiplexación síncrona simplificada, de dos etapas, con entrelazado de bytes, que es muy adecuada para el diseño de arquitecturas de conmutación temporal

RTPC / RDSI

Líneas Alquiladas

Video Sonido

Otros Servicios

RED DE TRANSPORTE

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y temporal-espacial-temporal en un entorno predominante de servicios isócronos de n x 64 kbit/s a un coste rentable. El SDH se está desplegando en un momento en el que todos los operadores se encuentran presionados para reducir los costes de operación e incrementar la respuesta y fiabilidad de los servicios. La progresiva automatización de los procesos de gestión para crear un entorno operacional automático se considera el elemento principal en la obtención de esos objetivos. El SDH contribuye con tres principales características. Primero, la flexibilidad operacional anteriormente referida se integra rápidamente en la filosofía de gestión centralizada de la red, TMN (red de gestión de las telecomunicaciones). En segundo lugar, el SDH proporciona características de gestión integrada sin precedentes en forma de prestaciones y control de estado a todos los niveles, y en tercer lugar, y a pesar del alto nivel de integración funcional, el equipo SDH será el primer beneficiario de las extensas normativas de gestión compatibles OSI del UIT-T (antes CCITT), que se siguen en todo el mundo.

IMPULSO TECNOLOGICO

FIBRA OPTICA

DE BAJO COSTO Y ALTO RENDI-MIENTO.

CHIPS DE SILICIO DE ALTA INTEGRA-CION.

SOFTWARE ORIENTADO A OBJETOS PARA SISTEMAS DIS-TRIBUIDOS DE ALTA CALIDAD.

SDH

ESTRUCTURA MULTIPLEX SENCILLA Y FLEXIBLE.

INTERFACES NORMALIZA-DOS DE ALTA CAPACIDAD.

FACILIDADES AUXILIARES Y GESTION INTE-GRAL.

IMPULSO DEL MERCADO

MEJOR REN-

TABILIDAD CON EFICACIA DE RED MEJORADA Y COSTOS RE-DUCIDOS.

ENTORNO LIBERALIZADO MULTI-OPE-RADOR.

INCREMENTO DE ABONADOS, MEJOR CALIDAD DE SERVICIO, FLEXIBILIDAD Y NUEVOS SER-VICIOS.

RED DE TRANSPORTE

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Introducción a las redes - 12

La presión del mercado fuerza a los operadores a reducir costos. El entorno competitivo internacional premia la calidad del servicio y la competitividad. Estos impulsos del mercado se han hecho más intensos en el moderno entorno de multioperadores fragmentado. Los circuitos integrados de silicio de altas prestaciones, la óptica multigigabit y las potentes nuevas tecnologías proporcionan el impulso tecnológico. Son las presiones que están impulsando el desarrollo del SDH y determinando su contenido. El despliegue de una infraestructura SDH moderna se ha hecho una necesidad inevitable de los operadores de red grandes y pequeños. Aunque la estructura SDH se optimiza para los hoy predominantes servicios isócronos, las características más importantes de las primeras instalaciones son los requisitos soporte de las estructuras plesiócronas existentes. Paradójicamente algunos de los más importantes retos técnicos se han derivado de los exigentes requisitos de la fluctuación de fase en las interfaces PDH (jerarquía digital plesiócrona). Aunque no se espera que estas sean características permanentes de la red, proporcionan capacidades transitorias claves de compatibilidad con lo existente y suficientes ventajas como para justificar su pronta implantación, antes de que suceda su decisiva penetración, que permitirá muchas mayores ventajas asociadas a las centrales sin hilos y a la automatización de la gestión. Si la compatibilidad hacia atrás suministra principalmente integración PDH, entonces la compatibilidad hacia adelante será más fácil, con lo cual se pueden proporcionar grandes pero flexibles cantidades de anchura de banda contigua para el transporte de trenes de celdas ATM. El ATM (modo de transferencia asíncrono) es una forma de conmutación rápida de paquetes que ha sido normalizada para la RDSI de banda ancha (RDSI-BA ó B-ISDN) y proporciona un mecanismo poderoso de integración de servicios en un elemento de conmutación común. Parece probable que el ATM desplace la operación isócrona de n x 64 kbit/s como mecanismo predominante en el suministro de servicios. El SDH proporcionando una ubicua, flexible y eficientemente gestionada infraestructura de transporte, permitirá el despliegue de redes ATM bien conectadas geográficamente como una superposición lógica a los servicios isócronos y plesiócronos. Es esta compleja mezcla de capacidades y ventajas interdependientes, lo que está permitiendo a los operadores servir sus necesidades estratégicas a largo plazo y, a corto plazo, reducir costes y mejorar la calidad del servicio. El reto de los suministradores es definir y desarrollar una gama de equipo con una modularidad que permita el máximo beneficio de la integración funcional, pero que permanezca lo suficientemente flexible para satisfacer la amplia gama de funcionalidad requerida en la red. Por encima de todo es importante el poder suministrar soluciones de red con gestión integrada y un potencial para extensiones que permita hacer frente a la incertidumbres del futuro. ARQUITECTURA Y TOPOLOGIA DE REDES Una primera clasificación de las redes sería entre privadas y públicas. Las redes privadas son de menor escala, pueden usar protocolos e interfaces propios es decir no normalizados y pueden interconectarse entre sí a través de redes públicas. Cuando las redes privadas deben cubrir grandes distancias normalmente se recurre a los enlaces satelitales. Las redes públicas son operadas por las empresas de servicio (operadores), son redes de gran escala, actualmente emplean la fibra óptica para la mayor parte del ancho de banda que transportan, usan interfases y protocolos normalizados y deben cumplir con objetivos de calidad (tasa de error, retardos, tiempos de indisponibilidad de servicio, etc.) de servicio. Existe una tercera posibilidad que son las redes privadas virtuales, son

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redes privadas (es decir que son administradas por el dueño de la red) pero que usa una red pública (es decir administrada por un operador público) para interconectar a sus usuarios. En la siguiente gráfica se observan diferentes criterios de clasificación de redes.

En el sentido más amplio, existen dos tipos de tecnologías de transmisión: 1. Redes de difusión (broadcast) 2. Redes punto a punto Redes Broadcast Estas redes un único canal de comunicación que es compartido por todos los terminales de la red. Los mensajes transmitidos por un terminal son recibidos por todos los otros. Para que ese mensaje llegue a un destinatario particular debe incluir un campo de dirección, de manera que sea ignorado por los terminales a los cuales no va dirigido. En otros casos es preciso que el mismo mensaje sea recibido por todos los terminales, esto será indicado por otro campo definido a ese efecto y este modo de operación se llama broadcasting. En algunos casos se pretende que el mensaje sea recibido por un subconjunto de terminales de la red, a este modo de operación se lo llama multicasting. Para indicar que se trata de un mensaje multicasting se reservan un bit que indica este modo y un número de grupo. De esta forma para que un terminal sea incluido dentro de ese grupo debe subscribirse previamente. Las redes broadcast también se clasifican en dinámicas y estáticas dependiendo de la forma en que se asignan los canales. Un caso típico de asignación estática es dividir el tiempo en intervalos regulares y asignar un intervalo de tiempo a cada equipo. El método estático desperdicia ancho de banda cuando un terminal no tiene nada que transmitir durante su intervalo asignado. En este sentido es más eficiente el método dinámico ya que se asigna un canal cuando un terminal lo solicita. Esta asignación puede ser centralizada o descentralizada. En el primer caso, existe una entidad única (por ejemplo una unidad de arbitración de bus) que recibe los pedidos de solicitud de transmisión y asigna los canales de acuerdo a algún algoritmo (que puede por ejemplo tener en cuenta prioridades según la importancia de un terminal o del tipo de tráfico que se cursa: video,

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voz, datos, etc.). En el caso descentralizado, no existe una unidad central, cada máquina decide por si misma cuando puede transmitir. Un ejemplo de este caso son las redes LAN. Punto a punto En contraste con el caso anterior, estas redes muchas conexiones entre pares de terminales. Para que un mensaje llegue desde el origen a destino, normalmente atravesará uno o más equipos intermedios. A menudo existirá más de una ruta posible con diferentes distancias y tiempos de llegada, por lo cual los algoritmos de encaminamiento jugarán un rol importante. TOPOLOGIA Existen 5 tipos de topologías generalmente empleadas en las redes: punto a punto, multipunto (o bus común), estrella, anillo (ring) y malla. El término nodo es cualquier elemento de red con capacidad de ruteo (router), conmutación (switch) o multiplexado (mux). Los nodos se interconectan a través de enlaces. Los enlaces pueden ser lógicos (o virtuales) o físicos. 1. Punto a Punto Es la más simple de las topologías, provee enlaces simples (físicos o virtuales) entre 2 nodos

En el primer caso se observa un enlace físico simple en los nodos A y B. En el segundo, se muestra un enlace físico simple que soporta varios circuitos virtuales. En el último caso hay múltiples enlaces físico que incluyen varios circuitos virtuales o lógicos. Muchos tipos de redes usan la topología punto a punto, por ejemplo las redes de área amplia (WAN), los usuarios finales que se conectan a una red de tipo WAN o MAN también usan enlaces punto a punto. 2. Multipunto La implementación típica de esta topología es el bus común, en la cual todos los nodos están físicamente conectados a una estructura de bus común

NODO A

NODO B

NODO A

NODO B

NODO A

NODO B

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En la figura de muestra como el nodo B se comunica con el nodo F mediante una bus físico y lógico común. Esta topología es usada en las redes IEEE 802.4 Token Bus, IEEE 802.3 Ethernet y IEEE 802.6 DQDB. El bus común hace que este tipo de redes caigan en la clasificación de redes de acceso múltiple, es decir cuando el medio físico es compartido por todos los nodos de la red. Dentro de la categoría multipunto pueden diferenciarse algunos casos especiales:

El caso de Punto-Multipunto (de uno a todos) suele llamarse broadcast (como en la distribución de TV por cable, radiodifusión, etc.), el caso Multipunto-Punto se llama incast (por ejemplo los equipos de determinación satelital de posición GPS) y el caso de multipunto-multipunto se llama multicast (ejemplo bus común visto antes) y es una combinación de broadcast e incast. 3. Estrella Esta topología fue desarrollada durante la época en que las comunicaciones entre computadoras estaban controladas en forma centralizada desde un mainframe. Todos los dispositivos de la red

NODO A

NODO B

NODO C

NODO D

NODO E

NODO F

2

1 3

4

2

1 3

4

2

1 3

4

2

1 3

4

Punto - Multipunto Multipunto - Punto

Multipunto - Multipunto Punto - Punto

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NODO

B

NODO

C

NODO

D

NODO

E

NODO

A

están conectados al nodo central que normalmente realiza los procesos de control, procesamiento o conmutación. La diferencia entre esta topología y la punto-multipunto es que el nodo central solo facilita conexiones punto a punto entre los nodos externos mediante un proceso de conmutación física o lógica. La figura próxima muestra un nodo A que funciona como centro de la estrella y como un terminal unido al nodo B se comunica con otro unido al nodo C vía el nodo A que actúa como conmutador. Otro ejemplo de la topología estrella es cuando muchos terminales remotos acceden a un procesador central o “host”. Los terminales son llamados “bobos” debido a que la inteligencia de procesamiento reside solo en el host.

Otro ejemplo de la topología física de estrella es ampliamente usada para conectar dispositivos a un hub central. El hub organiza en forma lógica la estrella física como un bus lógico o un anillo lógico. Una aplicación típica es cuando una red LAN se cablea con cableado estructurado interconectando las PC a un hub central. Las PC se encuentran interconectadas físicamente con una topología estrella pero la lógica interna del hub simula una topología lógica tipo bus o tipo anillo de manera que las PC son “engañadas” como si estuvieran conectadas a un bus común (Ethernet) o a un anillo (token ring). La arquitectura física de estrella facilita la gestión de las interfaces físicas. Por ejemplo, si en la topología bus un enlace falla se interrumpe el funcionamiento de toda la red, en cambio si en topología estrella falla un enlace, el hub aísla la rama con mal funcionamiento y resto de la red opera normalmente. La estrella también ofrece un mantenimiento más sencillo y económico. Por ejemplo, la incorporación de una nueva terminal a la LAN no significa interrumpir el funcionamiento al abrir el anillo o cortar el bus, sino solo realizar un cambio en una patchera. 4. Anillo

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La topología anillo es usada en redes en las cuales el flujo de datos es unidireccional de acuerdo a un protocolo particular. Cada uno de los dispositivos pasa información en la dirección del anillo. La figura muestra una red en anillo donde el nodo A pasa información (trama 1) al nodo C vía el anillo a través del nodo D. El nodo C luego retorna una confirmación (trama 2) al nodo A vía el nodo B. En ese punto el nodo A remueve los datos del anillo. En este ejemplo se ve como al remover la información del anillo es hace un mejor uso de la capacidad de la red. Ejemplos de esta topología son las redes IEEE 802.5 Token Ring y FDDI (ésta última es una forma de transmisión de alta velocidad sobre un anillo de fibra óptica). Las redes sincrónicas de alta capacidad como

SDH y SONET usan la topología anillo como forma de protección contra fallas.

D B

A

C

D B

A

C

D B

A

C

D B

A

C

1. 2.

3. 4.

1

1

2

2

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4. Mallas Muchas redes conmutadas emplean alguna forma de arquitectura de malla. Las redes en malla tienen muchos nodos que están conectados por múltiples enlaces. Las próximas dos figuras ilustran dos tipos de redes malla. La primera es una red malla de conexión parcial donde los nodos B, C, D, F, E y G tienen una alto grado de conectividad con por lo menos 3 enlaces a otros nodos, mientras que los nodos A y H tienen solo 2 enlaces a otros nodos. Entonces el número de enlaces que llegan a un nodo es llamado el grado de conectividad de ese nodo.

La segunda figura muestra una red tipo malla completamente conectada donde cada nodo tiene un

Nodo D

Nodo B

Nodo F

Nodo A

Nodo H

Nodo C

Nodo G

Nodo E

Red tipo malla parcialmente conectada

Nodo D

Nodo B

Nodo F

Nodo A

Nodo H

Nodo C

Nodo G

Nodo E

Red tipo malla completamente conectada

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enlace a cada posible nodo de la red. Todas las grandes redes de computadoras y redes de comunicación de datos usan la topología malla para ofrecer rutas alternativas para backup (en caso de fallas) y para sobrecarga de tráfico, pero pocas usan una topología de malla completamente conectada debido al costo asociado al gran número de enlaces necesarios. Esto es porque una red tipo malla completamente conectada de N-nodos tiene N(N-1)/2 enlaces. Para N mayores que 4 a 8 usualmente solo se emplean redes malla parcialmente conectadas. Clasificación por escala Otro criterio de clasificación en el caso de las redes de datos es clasificarlas por escala

Distancia entre terminales

Los terminales están en el mismo Ejemplo

0.1 m Circuito Flujo de datos dentro de un equipo 1 m Sistema Computadores en paralelo 10 m Oficina

100 m Edificio 1 Km. Campo

Redes de área local (LAN)

10 Km. Ciudad Redes de área metropolitana (MAN)100 Km. País 1,00 Km. Continente

Redes de área amplia (WAN)

10,000 Km. Planeta Internet Redes de área local (LAN) Las redes LAN son de tipo privado, operan dentro del mismo edificio o campus (menos de 1km de alcance). Las redes LAN comparten un mismo cable al que todas las máquinas están conectadas, operan a velocidad de 10 Mbps, 100Mbps y actualmente 1Gbps. (a partir de ahora siempre que se diga 1Mbps significa 1Mega bit por segundo, no confundir con 1MBps que es 1Mega Byte por segundo, además 1Mb=1,000,000 bits y no 1,048,576 bits que es la unidad usada en informática). Existen dos topologías que son las más usada en las redes LAN: 1. Tipo BUS 2. Tipo ANILLO

Bus

Anillo

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En estas redes debe existir un mecanismo para arbitrar el uso del canal común. El más popular de estos mecanismos es el normalizado por el IEEE como 802.3, más conocido como Ethernet, usa topología bus con velocidad de 10Mbps, FastEthernet de 100Mbps o 1Gbps. En este caso las computadoras pueden transmitir libremente pero cuando dos o más lo hacen simultáneamente se produce una colisión, cada uno de los equipos involucrados en la colisión debe esperar un tiempo aleatorio para retransmitir su mensaje perdido. En el caso de las redes anillo, el método usado para arbitrar el uso del anillo es el IEEE 802.5 más conocido como IBM Token Ring de 16Mbps. Cabe aclarar que existe una tercera clase de redes LAN llamadas redes LAN CONMUTADAS, tienen configuración de tipo estrella, donde el centro de la estrella es un switch, es decir un dispositivo que realiza las conexiones entre los terminales. En este caso no hay un medio de comunicación compartido (es decir no entrarían dentro de la categoría de redes de acceso múltiple). Además el switch permite que varios pares de terminales se comuniquen en forma simultánea entre sí, sin colisiones. Las redes conmutadas no deben confundirse con un caso particular de redes Ethernet con topología estrella en la cual el centro de la estrella es un HUB. El HUB, a diferencia del switch no posee capacidad de conmutación, lo que hace es simular una configuración bus, de manera que cada terminal se comporta exactamente igual que una red tipo bus, con las ventajas de instalación de la configuración estrella. Si bien cada terminal tiene su propia línea de comunicación con el hub, debemos encuadrarla dentro de las redes de acceso múltiple porque el HUB solo permite una conexión por vez, y se pueden producir colisiones. Redes de Área Metropolitana MAN Es básicamente una versión de LAN a gran escala. Puede ser privada o pública. Tienen alcance dentro de la ciudad y son usadas para transportar datos y voz. En algunos casos son parte de la red de los operadores del servicio de TV por cable. Las redes MANs no tienen capacidad de conmutación lo que hace que su diseño sea más sencillo. La principal razón para distinguirla de las redes LANs es que usan un protocolo propio llamado DQDB (Distributed Queue Dual Bus: Bus Doble de Colas Distribuidas) normalizado como IEEE 802.6. Consiste en dos buses unidireccionales (cables) a los cuales se conectan los equipos.

Bus A

Bus B

1 N 32

Terminador

Dirección de transmisión en el bus A

Dirección de transmisión en el bus B

. . . . . .

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Redes de Área Amplia (WAN) Las redes WAN abarcan un país o un continente. Esta compuesta por una cantidad de computadoras que corren los programas de aplicación. Estas computadoras normalmente se llaman hosts. Los hosts están interconectados por una sub-red. El término sub-red se emplea para referirse a la parte de la red que se ocupa exclusivamente de la comunicación entre equipos. El término red implica un concepto más amplio que incluye a las aplicaciones que ejecutan los host y la mensajes en intercambian entre ellas. La sub-red se compone de dos elementos distintivos: líneas de transmisión y elementos de conmutación (switcher). Los elementos de transmisión, también llamados circuitos, canales o troncales mueven bits entre equipos. Los elementos de conmutación con computadoras especializadas que se usan para conectar dos o más líneas de transmisión. Cuando un dato arriba por una línea de entrada, el switcher debe elegir una línea de salida y retransmitir el dato por ella. En forma genérica, a los elementos de conmutación se los llamas nodos de conmutación o routers. En la figura se observa una WAN donde los host se conectan a los routers mediante redes LANs aunque podría ocurrir que un host se conectara directamente a un router. Como se ve en el dibujo una comunicación puede requerir establecer una ruta usando varios routers. Como puede verse la red WAN está formada por una sub-red de tipo punto a punto y redes broadcast (LANs). La figura siguiente muestra distintos tipos de topologías:

LAN

Sub-red

Router

Host

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Las redes LAN son de topología simétrica, en cambio las redes WAN son en general de topología irregular. Interconexión de redes Existen en mundo muchas diferentes redes, con distintos hardware y software. Un equipo conectado a una red a menudo necesita comunicarse con un equipo conectado a otra red. El equipo que permite la interconexión de redes se llama gateway. El gateway realiza la correspondiente traducción a nivel de software y hardware. Un conjunto de redes interconectadas se llama internet (no confundir con Internet que es un caso particular de interconexión de redes). Un caso típico de internet es una red WAN que interconecta redes LAN. Cuando la internet es privada también se llama Intranet. Tipos de circuitos y servicios Las diferentes topologías de red pueden usar 3 tipos de circuitos básicos: conexiones DTE/DCE, líneas dedicadas, y circuitos multidrops. Estos tipos de circuitos forman los componentes fundamentales de conectividad para muchos tipos de arquitecturas de comunicaciones, multiplexado, y conmutación. 1. Conexiones DTE/DCE Este tipo de circuito provee una conexión física local, limitada en distancia entre un equipo terminal de datos (DTE), como una computadora y un equipo de comunicaciones de datos (DCE), como un modem. El medio físico puede ser un par de cobre, 2 pares (4 hilos), coaxil, fibra óptica, o una variedad de otras interfaces.

La figura muestra una conexión simplex entre un DTE y un DCE, la transmisión es un solo sentido, todo el tiempo.

DTE

DCE

Señal

Tierra

Conexión DTE/DCE Simplex

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La figura anterior, ejemplifica una conexión half-duplex donde la transmisión es unidireccional en forma alternativa. El cambio en el sentido de transmisión es realizado por señales de control intercambiadas entre el DTE y el DCE en la capa física.

La última figura muestra una comunicación full-duplex, lo que implica que la transmisión puede ocurrir en ambos sentidos simultáneamente. La utilización de una línea de tierra independiente para cada línea de transmisión ofrece una interfaz balanceada lo que permite conseguir tasas de transmisión más altas o distancias de conexión más grande. Si las dos líneas de transmisión comparten la misma línea de tierra, la interfaz se llama no balanceada y la velocidad de transmisión y distancias máximas permitidas serán menores. 2. Líneas Dedicadas Una línea dedicada (o línea privada, o línea rentada, o línea punto a punto) es un circuito privado contratado a un carrier (prestador de servicio) durante un período de tiempo (usualmente múltiplo de 1 mes). Las líneas dedicadas ofrecen una calidad de servicio (QOS) superior a la de una línea normal, y esto tiene generalmente un costo extra, pero permiten tener una BER (tasa de error) más baja lo que hace una gran diferencia en las comunicaciones de datos. A medida que los carriers instalan fibra óptica en sus redes, las líneas dedicadas digitales reemplazan a los viejos circuitos de voz, analógicos a un costo igual o menor. Cuando las líneas dedicadas se usan para acceder a otros servicios, se las llaman líneas de acceso. Las líneas dedicadas de acceso, pueden contratarse a la compañía local telefónica, o cada vez más

DTE

DCE

Control

Tierra

Conexión DTE/DCE Half-Duplex

Señal 2hilos

Tierra

DTE

DCE Señal

Conexión DTE/DCE Full-Duplex

Señal

Tierra

Tierra

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a proveedores alternativos de acceso, a costos menores. La desventajas con el uso de proveedores de acceso alternativo, es que a menudo éstos ofrecen una calidad de servicio superior a los clientes más importantes, es decir su servicio no es democrático. Una forma de acceso dedicado son las líneas HDSL (High-rate Digital Subscriber Line). Son circuitos de 2 pares trenzados (4 hilos) que permiten transmitir a una tasa DS1 (1.5 Mbps) siempre que el abonado se encuentre a una distancia menor a 3600 metros de la central local de conmutación (el 80% de los usuarios del servicio DS1 se encuentra en ese radio según la distribución habitual de las redes). Este servicio fue pensado por supuesto para transmisión de datos a usuarios corporativos (uso comercial). Otra forma de acceso dedicado que se está usando en nuestro país es el ADSL (Asymmentric Digital Subscriber Lines) que utiliza el par trenzado (2 hilos) normal del abonado de servicio telefónico público. El objetivo del ADSL es proporcionar servicio de transmisión de datos, video, y obviamente voz (telefonía) sobre el cableado existente a los usuarios residenciales (uso no comercial) Aunque a un costo muy elevado existen conexiones dedicadas transoceánicas por fibra óptica. 3. Multidrop Cuando un usuario, típicamente el originador de la información, necesita comunicarse simultáneamente con múltiples usuarios, se usan los circuitos multidrop.

La figura muestra un circuito multidrop de 2 hilos y la figura siguiente un circuito multidrop de 4 hilos. Cuando se usan circuitos multidrop hay una relación maestro-esclavo, donde A sería el maestro y B, C y D los esclavos. Una aplicación típica es cuando A es un host y B,C y D son terminales que acceden en forma remota. El tipo de circuito (half-duplex o full-duplex) afectará la forma en que funciona el protocolo de comunicaciones de la red. Un ejemplo de esto es el protocolo SDLS (Synchronous Data Link Control) desarrollado por IBM para sus redes SNA (Systems Network Architecture), cuando opera sobre una red a 2 hilos, el maestro envía datos a los

Usuario

A

Usuario

B

Usuario

C

Usuario

D

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esclavos, y los interroga (polling) para requerir de ellos una respuesta. Los esclavos colocan una bandera de final en sus respuestas para indicar que se trata de la última trama. La operación en modo 4 hilos (full dúplex) es similar, salvo que el maestro puede enviar en forma continua, y usar ese canal para interrogar a los esclavos.

METODOS DE TRANSMISION DE DATOS La transmisión de datos puede clasificarse en asincrónica y sincrónica, sin embargo estos dos términos pueden tener diferente significado según el contexto en que se los utilice. Una forma bastante generalizada de entenderlos es para diferenciar la transmisión en modo carácter del modo mensaje, en estos términos se estudia por ejemplo la comunicación entre una PC y un modem, o dos módems entre sí. En esta materia sin embargo se utilizará el significado de sincrónica o asincrónica para describir el modo de transferencia de los datos, de esta forma hablaremos de modo de transferencia sincrónico (STM) y modo de transferencia asincrónico (ATM). Transmisión asincrónica y sincrónica de datos La transmisión asincrónica de caracteres se hace sin reloj asociado al tren de datos digitales. Los caracteres son transmitidos como una serie de bits, con cada carácter identificado separadamente por bits de start y de stop, como se ilustra en el carácter ASCII (8 bits) del ejemplo de abajo. Puede transcurrir una cantidad de tiempo variable entre caracteres. Los módems analógicos emplean este método para comunicarse con la PC a través de la interfaz RS232. El baud rate (medido en baudios) define una tasa de reloj nominal, que es la máxima tasa de bit asincrónica, es decir si un hubiese separación entre los caracteres transmitidos.

Usuario

A

Usuario

B

Usuario

C

Usuario

D

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El bit de stop puede ser de mayor duración que un baudio. Debido a que al menos se requieren 10 baudios para representar cada carácter, la tasa de bit neta nuca será superior al 80% del baud rate. La transmisión sincrónica de caracteres normalmente opera a velocidades muy bajas (ejemplo 9600 bps). Ejemplos de interfaces asincrónicas son la RS-232C, y la X.21 En la transmisión sincrónica de datos, existe una señal de reloj asociada que permite que los datos se envíen a una tasa regular. Por lo tanto, la fuente y el destino deben tener un medio para derivar la señal del reloj con una cierta tolerancia de frecuencia. En las interfaces paralelas hay una línea separada para el reloj. Los datos fluyen en trenes de caracteres llamados tramas. La figura ilustra una trama sincrónica típica:

El mensaje comienza con dos caracteres de sincronización (SYNC) y un carácter de comienzan de mensaje (SOM). Los caracteres de control identifican a los datos que siguen a continuación. Los caracteres de Control de Redundancia Cíclica (CRC) controlan posibles errores producidos en el campo de datos durante la transmisión y el carácter de fin de mensaje (EOM) señaliza el final de la trama. La transmisión sincrónica usualmente opera a velocidades superiores a 1200 bps. Ejemplos de interfaces sincrónicas son: V.35, RS449/RS-442, RS-232C y X.21. Modo de transferencia sincrónico y asincrónico de datos En otro capítulo se describirá en detalle los modos STM y ATM, pero digamos por ahora que se trata de un concepto diferente cuya raíz está en el método de conmutación y multiplexación empleado. La figura muestra un ejemplo de STM y ATM En la trama STM, cada ranura de tiempo (time slot) representa un trozo de ancho de banda dedicado a un determinado canal. Por ejemplo un cana E0 (64 kbps) en una trama E1 (2 mbps) del sistema PDH.

1 2 3 4 5 6 7 8 S S 1 2 3 4 5 6 7 8 S S1 2 3 4 5 6 7 8 SS

Tiempo 1 Tiempo 2

Orden de transmisión

Bit de Arranque

Bit de Stop

Bits de datos

Sincr. Sincr. SOM Control DATOS CRC EOM

Trama Canal 1 Canal 2 ... Canal N Trama Canal 1 Canal 2 ... Canal N Trama Canal 1

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Cada trama contiene N ranuras de tiempo dedicadas; por ejemplo en la trama E1, N es 30 y cada canal es de 8 bits. Los campos sombreados son bit de control de la trama, a estos bits se los llama normalmente overhead o tara, no llevan información del usuario y sirven para operaciones de control y gestión de la red. Cuando un canal no está transmitiendo datos, la ranura de tiempo correspondiente permanece reservada y es transmitida (vacía) de todas formas sin ninguna carga útil. En ese caso, si los otros canales tienen más datos para transmitir deben esperar a que la ranura de tiempo que tienen reservada y asignada llegue de nuevo. Esto lleva a un uso poco eficiente del medio de transmisión. ATM usa un acercamiento totalmente diferente. Los canales de carga son longitud fija y están encabezados por un campo de cabecera H (header). Estas unidades se llaman celdas.

La cabecera identifica el canal virtual, de esta forma las ranuras de tiempo están disponibles para cualquier usuario que tenga datos listos para transmitir. Si ningún usuario está listo para transmitir, esa celda se transmite vacía. Cuando los patrones de tráfico no son constantes la solución ATM es más eficiente que la STM en el uso del ancho de banda. En la práctica las celdas ATM son transportadas sobre redes de transmisión STM de muy alta velocidad como SDH o SONET. De esto último puedo concluirse que ninguna de las dos estrategias es mejor que la otra y que pueden complementarse para ofrecer lo mejor de cada una. PRINCIPIOS DE MULTIPLEXADO Y CONMUTACION Existe una relación cercana entre multiplexado y conmutación. La multiplexación explica la forma como múltiples trenes de datos de información comparten un medio de transmisión físico común. La conmutación aprovecha múltiples instancias de un medio de transmisión físico conteniendo flujos de información multiplexados y reordenando esos flujos de información entre la entrada y la salida. En otras palabras, la información de un enlace físico particular en una posición específica de multiplexado es conmutado hacia otro enlace físico de salida generalmente en otra posición diferente de multiplexado. Las posiciones de multiplexado son definidas en espacio, tiempo, frecuencia o dirección. MÉTODOS DE MULTIPLEXACIÓN Hay básicamente 4 métodos de multiplexación: espacio, frecuencia, tiempo y dirección. Esta enumeración coincide con el orden histórico en que fueron empleados en las redes de comunicaciones. Espacio, frecuencia y tiempo ocurren en la capa física del modelo de referencia OSI. La multiplexación por dirección ocurre en capas superiores.

H Canal 1 H Canal 1 H Canal 5 H Sin uso H Canal 1 H Canal 7 H Canal 5

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Multiplexación por división de espacio (SDM) Un ejemplo de SDM es la transmisión por interfaz paralelo (ejemplo: centronic para impresoras) cuando se emplean múltiples conductores para interconectar dos equipos. En otras palabras, división de espacio significa físicamente separado. En las redes telefónicas primitivas, un par de cobre conectaba a cada par de usuarios que mantenía una comunicación, aún de larga distancia, este es un ejemplo del primer uso de la división de espacio. En los sistemas de transmisión de datos primitivos, existía un cable separado para cada terminal hasta el computador central (host). Esta forma de transmisión se volvió rápidamente impráctica. Multiplexación por división de frecuencia (FDM) A medida que las redes de transmisión maduraron, se descubrió que era posible multiplexar muchas conversaciones analógicas en el mismo cable o banda de radio, modulando cada señal por una frecuencia portadora. El espectro de frecuencia de la señal bandabase fue separado en bandas de frecuencia. Este sistema marcó un aumento notable de eficiencia y funcionaba razonablemente bien para señales analógicas. La tecnología estaba sin embargo limitada por la electrónica analógica y sufría de problemas de ruido, distorsión e interferencia entre canales (diafonía) que complicaban las comunicaciones. Multiplexación por división de tiempo (TDM) A finales de la década de los 60, motivados por la necesidad de aumentar la eficiencia en la multiplexación las compañías telefónicas comenzaron a usar la técnica TDM. Esto fue posible gracias la electrónica de estado sólido que también emergía en ese momento, ya que esta forma de multiplexación solo resultaba práctica si era implementada en forma completamente digital. Por supuesto la información que en estado nativa fuese analógica debía previamente ser convertida a digital. Desde entonces TDM es el método prevalente en todas las redes modernas de telecomunicaciones. Teniendo en cuenta que las señales de voz son convertidas a datos, transmitidas por distancias arbitrarias, y luego reconvertidas a señales audibles, la calidad de las comunicaciones de voz transportada por TDM digital es esencialmente independiente de la distancia. Las comunicaciones de datos, si bien son más sensibles que la voz digitalizada, se vieron tremendamente beneficiadas por el desarrollo de la infraestructura TDM en las redes públicas. Los sistemas de TDM convencionales emplean uno de los dos sistemas siguientes: - Bit-Interleaved o - Byte-Interleaved. Bit-Interleaved Multiplexing Se reserva un "time slice" para cada salida al canal agregado. Cada “time slice”, consta de un bit de cada uno de los canales de entrada, y siempre en el mismo orden, es decir, se intercalan los bits de cada uno de los canales de entrada a la salida del mismo. Además hay un canal de sincronización, que transporta una señal fija que el receptor usa para sincronización.

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El ancho de banda total es la suma de la de todos los canales de entrada menos el ancho de banda necesario para la sincronización. Este tipo de multiplexación necesita poco o nada de buffers. No se adapta a la transmisión de bytes. Byte-Interleaved Multiplexing En este tipo, lo que se intercala son octetos, y se envían de forma secuencial al canal agregado de alta velocidad. También se necesita un canal de sincronización para que los multiplexadores funcionen de forma sincronizada. Si los canales de entrada son todos síncronos, el ancho de banda total será la suma de todos los canales excepto el ancho de banda del canal de sincronización. Sin embargo si los canales son asíncronos, el ancho de banda agregado puede ser mayor si el tamaño del octeto agregado es menor que el tamaño del carácter asíncrono (bits de arranque + datos + bits de stop). La razón es porque los bits de arranque y de stop de cada octeto son sustituidos antes de la transmisión, por lo que el receptor los debe restituir. TDM asíncrono o estadístico A diferencia del esquema anterior (sincrónico), existe otro mecanismo llamado estadístico. Este tipo de multiplexación asigna dinámicamente los time slots según demanda. A diferencia del TDM en que hay n canales y n time slots, en este caso hay n canales pero solamente k time slots (k < n). El ancho de banda se aprovecha más con STDM (Statistical TDM), ya que con TDM si un canal no tiene información a enviar, se malgasta su ancho de banda. Por lo general estos multiplexadores usan un protocolo asíncrono como puede ser el HDLC, dado que las tramas a multiplexar son de nivel 2. A medida que llega información a transmitir, es insertada en el campo de información de la trama HDLC. Los receptores lo que hace es desagregar la trama HDLC. Los multiplexadores estadísticos son ideales para la transmisión de datos de transmisiones asíncronas. Sin embargo también pueden multiplexar protocolos síncronos. Multiplexación por direcciones o etiquetas La multiplexación por direcciones o etiquetas fue originalmente desarrollada en la era de las transmisiones FDM analógicas de baja calidad. Un nombre más conocido para la multiplexación por direcciones es ATDM (Multiplexación por División de Tiempo Asincrónica). Los medios de transmisión son costosos, y deben ser por eso compartidos entre muchos usuarios. Cada “paquete” de información es marcado con una dirección que será interpretada por los nodos de la red. Cada nodo decide si el paquete recibido es correcto, y en caso de no serlo, le pide al nodo anterior que lo reenvíe hasta que sea recibido correctamente. Los protocolos X.25, SNA y DECNET son ejemplos de multiplexación de dirección. Ejemplos de tecnologías más recientes son Frame Relay y ATM.

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Conmutación punto a punto La figura muestra las 4 formas básicas de funciones de conexionado punto a punto que pueden ser realizadas por un multiplexor o un switch. La conmutación espacial despacha una señal desde una

interfase física a otra interfase física. Un ejemplo de esto es una central de conmutación crosspoint telefónica. La conmutación por división de tiempo cambia el orden de las ranuras de tiempo (time slots) dentro de una tira de datos particular donde los datos están organizados en una estructura TDM. La conmutación por direcciones cambia el campo de dirección en los paquetes de datos, y el switch enruta cada paquete interpretando y modificando ese campo de dirección. Además los paquetes serán luego multiplexados espacial, temporal o frecuencialmente. O sea que que esta forma de conmutación está siempre asociada a una de las otras tres. Finalmente, la conmutación por frecuencias (FDM), translada señales de una frecuencia portadora a otra. Un caso particular de este método es la conmutación por longitud de onda (WDM) usado en los sistemas de fibra óptica y que permite que la misma fibra transporte varios láseres de distintos “colores” o longitud de onda. Estrictamente hablando FDM y WDM solo difieren en los rangos de frecuencia que emplean. Los switches WDM pueden conmutar señales en forma óptica sin el paso intermedio a señales eléctricas. Conmutación punto a multipunto El concepto de la conmutación puede extenderse desde el caso punto a punto hasta caso broadcast, o punto a multi punto, como se muestra en la figura.

1

2 3 4

3

142

Conmutación frecuencia

1 2 3 4 3 1 4 2

Conmutación espacial

frecuencia frecuencia

1 2 3 4 3 1 4 2

tiempo tiempoConmutación Temporal Conmutación Direcciones

B 1

D 2

A 3

C 4

A 1

B 2

C 3

D 4

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La conmutación espacial por broadcast replica una señal simple en dos o más salidas. Un ejemplo simple de esto, es un splitter (divisor) de señal de TV por cable. La conmutación broadcast FDM, replica la misma señal en muchas frecuencias portadoras de salida. La conmutación broadcast TDM, llena las ranuras de tiempo con los datos de una entrada. La conmutación broadcast por direcciones llena múltiples paquetes de diferentes direcciones con información idéntica tomada de un único paquete de entrada. Un ejemplo de esto es la transmisión de una señal de vídeo de una videoconferencia que se transmite sobre una red de datos conmutada, cuando llega al último switch se hace una copia del paquete original para cada usuario que está recibiendo la transmisión, de esta forma se evita que desde el origen se tenga que enviar una copia individual lo que aumentaría el uso de ancho de banda donde no es necesario. EJEMPLOS DE MULTIPLEXACION Un multiplexor es escencialmente un switch muy simple que realiza las funciones de multipelxado y demultiplexado. La función de multitplexado comparte un único canal de salida entre múltiples canales de entrada. La función de demultiplexado hace que una entrada sea distribuida entre múltiples salidas. Las funciones de multiplexado y demultiplexado pueden ser implementadas por cualquiera de los swithces genéricos vistos más arriba. Usualmente, se usa la misma clase de método para el multiplexado y demultiplexado, de manera que el método de multiplexado usado en cada una de las interfaces es simétrico en cada dirección. La capacidad o ancho de banda total de los accesos es generalmente menor que en el troncal. Por ejemplo, esto corresponde a diferentes niveles de jearquía en uns sistema TDM .La jerarquía está asociada a una velocidad normalizada de transmisión de las tramas TDM. Por ejemplo el primer orden jerárquico puede ser 1.5Mbps, el segundo 6Mbps y así en más.

1 1

234

Conmutación frecuencia Conmutación espacial

1 1 1 1 1

frecuencia frecuencia

1 1 1 1 1

tiempo tiempoConmutación Temporal Conmutación Direcciones

A 1

B 1

C 1

D 1

A 1

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Las técnicas de multiplexado pueden usarse para compartir un medio físico entre múltiples usuarios en dos lugares diferentes sobre una línea privada, con cada par de usuarios en los extremos requiriendo algo o todo el ancho de banda en un instante determinado. Algunos métodos de multiplexado asignan ancho de banda fijo en forma estadística a cada usuario. Otras técnicas de multiplexado asignan ancho de banda estadísticamente a los usuarios basados en la demanda, haciendo un uso más eficiente de los recursos disponibles de la red. La multiplexación TDM es además usada para reducir el costo efectivo de una línea de acceso privada o una línea privada internacional combinando múltiples usuarios de baja velocidad sobre un flujo simple de alta velocidad. Multiplexado por división de frecuencia (FDM) El multiplexado por división de frecuencia fue ampliamente utilizado como un método analógico para formar arreglos de múltiples canales de voz en grandes grupos de circuitos para transporte de alta velocidad. FDM multiplexa 12 canales de voz full dúplex en un grupo de 48KHz de ancho de banda, trasladando cada canal de voz con una frecuencia portadora. Luego, 24 de estos grupos eran multiplexados en un grupo maestro (mastergroup). Múltiples grupos maestros son luego transmitidos por sistemas de microondas (radio enlaces) analógicos. La multiplexación por división de longitud de onda (WDM) en las fibras ópticas es similar al caso FDM sobre cable coaxil o radio enlaces. Las fibras ópticas son “transparentes” en dos ventanas centradas alrededor de las longitudes de onda 1300nm y 1500nm (1500x10-9m)

Acceso Multiplexor

Troncal

Función multiplexora

Función demultiplexora

Longitud de onda en nm

Atenuación (dB/km)

1200 1300 15001400 17001600

0.1

0.2

0.4

0.6

Ventana 1300nmAB=18000 GHz

Ventana 1550nmAB=12500 GHz

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El ancho de banda total que suma estas dos ventanas es 30000 GHz. Asumiendo un 1bps por Hz, esto resulta en un ancho de banda de 30 Tbps (tera bit por segundo) por cada fibra óptica. El pico de atenuación de 1400nm es debido a la presencia de restos de agua (radicales OH) en el vidrio de la fibra. Si se transmiten dos longitudes de onda por fibra (dos láseres de distintos colores), una por cada ventana, obtenemos multiplexación por longitud de onda (WDM). Multiplexado por división de tiempo (TDM) La multiplexación por división de tiempo (TDM) fue originalmente desarrollada para las redes de telefonía públicas en 1950 para eliminar los problemas de filtrado y de ruido cuando muchas señales eran multiplexadas para usar el mismo medio físico. Las primeras formas normalizadas de transmisión TDM fueron las tramas E1 y DS1. Multiplexado por direcciones El ejemplo más ampliamente difundido de multiplexación por direcciones se observa en los multiplexores estadísticos. La multiplexación estadística, también llamada Multiplexación Estadística por División de Tiempo (STDM), o Multiplexación Asincrónica por División de Tiempo (ATDM), opera en forma similar a TDM, excepto que dinámicamente asigna intervalos de tiempo (times slots) solamente al usuario que tiene datos para transmitir. Para el servicio de transmisión de voz, con esta forma de multiplexado se consiguen mejoras de eficiencia de hasta 4 a 1, usando canales libres cuando un abonado está en silencio. La ganancia de un multiplexador estadístico depende de la distribución estadística del tráfico, en particular del burstiness (relación tráfico de pico sobre tráfico promedio).

El efecto neto es un incremento de la eficiencia del uso del ancho de banda ya el mismo es asignado en forma dinámica y a demanda y no hay intervalos de tiempo reservadoso dedicados.

56K sincr.

56K sincr.

9.6K sincr.

9.6K sincr.

19.2K sincr.

9.6K sincr.

9.6K sincr.

1

2

3

4

5

6

7 MUX

128K sincr.

5 6 6 6 6 6 6 4 2 2 1

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La figura anterior muestra un multiplexo estadístico que toma múltiples entradas sincrónicas y asincrónicas de baja velocidad y los consolida en una sola salida de 128 KBPS sincrónica para transmisión. Obviamente este tipo de multiplexor es más complejo que un multiplexor básico TDM, ya que necesita usar buffers de almacenamiento, más inteligencia y más overhead (bit adicionales de cabecera de trama) para cumplir su cometido. En un multiplexor estadístico, el ancho de banda de salida es una fracción del ancho de banda sumado de todas las entradas. Esto será posible siempre y cuando no todas las entradas van a necesitar transportar datos al mismo tiempo. Entonces el tren de datos sincrónico de salida dispone de ancho de banda solo para los usuarios que lo requieren. En nuestro ejemplo los canales 1, 2, 4, 5 y 6 están transmitiendo, y en conjunto utilizan 128Kbs del troncal. Si el canal 3 necesita transmitir datos al mismo tiempo, el ancho de banda total excede la capacidad disponible, y los buffers de entrada del Mux deben almacenar información hasta que haya disponibilidad para transmitirla. El posible almacenamiento de información en los buffers depende del tráfico en la entrada del mux y por lo tanto existe la posibilidad de que los datos a la salida del MUX tengan un retardo variable e incluso puede ocurrir pérdida de datos si los buffers desbordan. Esto hace que este tipo de MUX sea adecuado para servicios que no sean sensibles al retardo (no son por ejemplo útiles para transmisión de voz) y además deberá implementarse algún mecanismo de control de error para recuperar las posibles pérdidas de datos por desborde de buffers. Multiplexado por División de Espacio La multiplexación por división de espacio se reduce esencialmente al manejo de cables con múltiples conductores o fibras. La conmutación se produce en paneles (patch) donde es posible realizar manualmente la conmutación. En la medida que la complejidad de las redes aumenta la multiplexación espacial es reemplazada por nodos de conmutación espacial o por otro tipo de multiplexación. TÉCNICAS DE CONMUTACIÓN Un conmutador o switch es un dispositivo que encaminan las señales analógicas o digitales desde puertos de entradas hacia puertos de salida. Básicamente hay dos formas de conmutación:

- De circuitos. Ejemplos redes analógicas, redes ISDN.

- De paquetes. Ejemplos X.25, Frame Relay. Estas redes pueden diferenciarse en dos tipos: de conmutación por circuitos virtuales o por datagramas.

Un caso particular de las redes conmutación de paquetes es la conmutación de celdas. Ejemplo: ATM

Los conmutadores también pueden realizar otras funciones tales como - encaminar (routing), - direccionar (asignar direcciones de red),

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- gestionar la red (network management), - gestionar el tráfico (traffic control) y - gestionar la congestión (congestion control) Estas funciones dependen de la tecnología de red empleada. Conmutación de circuitos La conmutación de circuitos consiste en comunicar dos extremos mediante un sistema igual al empleado en la telefonía analógica. Como se ve en la figura siguiente, se emplea un circuito físico para comunicar ambos extremos para uso exclusivo de esta conversación.

La conmutación de circuitos es orientada a la conexión y por tanto constan de las 3 fases siguientes: - fase establecimiento de la llamada. - fase de transferencia de la información. - fase de desconexión de la llamada. Durante el establecimiento de la llamada se reservan recursos físicamente (canales dentro de la trama TDM) de forma que los bits que entran por un puerto son conmutados “instantáneamente” a un canal de un puerto de salida. Este tipo de redes son de nivel 1, es decir, no hay propiamente protocolo, y así se trata de transportar información analógica, fundamentalmente voz, de forma analógica o digital. La transmisión de información digital como fax y datos, necesita de una transformación digital/analógica y analógica/digital en sus extremos. Como ejemplos tenemos: – líneas dedicadas – líneas conmutadas Hay dos mecanismos para conmutar los bits: – conmutación espacial: se basa en una matriz por puntos de cruce (cada punto de cruce es una puerta lógica) que conecta puertos de entrada con puertos de salida. Para optimizar el número de

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puntos de cruce se pueden usar sistemas multi-etapa (matrices con menor puntos de cruce conectadas consecutivamente). – conmutación temporal: se basa en buses TDM síncronos internos al conmutador que permiten la conmutación entre puertos de entrada y salida. La lógica del conmutador está gestionada por un control que habilita las puertas lógicas o los canales de los buses TDM. Arquitectura de niveles La arquitectura de niveles en una conmutación de circuitos consiste en conmutadores que implementan únicamente el nivel físico. Este nivel físico usa multiplexación TDM síncrona para transportar los datos.

Sin embargo en la conmutación de circuitos puede haber canales de control asociados a los de datos que se utilizan para establecer y liberar la conexión. Estos canales pueden usar un protocolo de nivel de enlace para asegurarse de que el circuito ha sido establecido, por ejemplo en RDSI. Retardos Los retardos son constantes, es decir, para el usuario es como una conexión punto a- punto, ya que no hay buffers. El tiempo de transferencia T transf vale T transf = T conex + T desconex + Tp + Tt Donde: - T conex es el tiempo de establecimiento de la conexión de la sesión - Tp es el tiempo de propagación - Tt es el tiempo de transmisión y - T desconex es el tiempo de desconexión de la sesión Por consiguiente consideraremos que el retardo total depende de la propagación y del tiempo de transmisión. En realidad habría que añadir un retardo constante introducido en cada conmutador debido a la arquitectura del conmutador (a su funcionamiento interno). Pero este retardo es difícil de calcular y depende del fabricante. Conmutación de paquetes por circuito virtual

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En este caso se trata de comunicar varios extremos, y para ello la información a transmitir se trocea, cada trozo se dice que es un paquete, y son los nodos intermedios o conmutadores que redirigen a los paquetes a sus lugares de destino, pero no necesariamente por el mismo camino.

En este tipo de comunicaciones se emplea un servicio orientado a la conexión. En las redes de conmutación de paquetes también se efectúa una reserva de recursos durante el establecimiento de la conexión. Pero a diferencia de la conmutación de circuitos donde la reserva de recursos eran canales físicos TDM síncronos, en la conmutación de paquetes la multiplexación es TDM asíncrona. Eso significa que los canales se asignan bajo demanda después de que los datos (tramas de nivel 2 o paquetes de nivel 3) se hayan almacenado en un buffer del conmutador. Por consiguiente, la reserva de recursos consiste en una reserva virtual de buffers en el conmutador. Los retardos son variables dada la existencia de buffers. Arquitectura de niveles Las redes de conmutación de paquetes implementan conmutadores con 2 ó 3 niveles, por ejemplo - los conmutadores X25 implementan 3 niveles (físico, enlace y red), - los conmutadores Frame Relay y ATM implementan 2 niveles (físico y enlace). Las funciones que se realizan en cada nivel son totalmente dependientes de la red de conmutación de paquetes. Por ejemplo, el nivel de enlace Frame Relay y ATM realizan algunas funciones parecidas (usan identificadores de circuito virtual en nivel 2), pero también realizan funciones muy distintas (encapsulado distinto, sincronismo de trama distinto, funciones de control de tráfico y de la congestión distintos, ...). Tablas de Circuitos Virtuales. La decisión del camino a seguir por los paquetes se hace durante el establecimiento de la conexión (routing). Una vez decidida la ruta hay reservar los recursos en los conmutadores.

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Para poder identificar los paquetes de los distintos circuitos virtuales, los paquetes incluyen un identificador de circuito virtual en la cabecera. Este identificador es local a cada conmutador. Durante el establecimiento de la conexión, se indica con un paquete de conexión que el circuito virtual atravesará ese conmutador y que vendrá por un puerto de entrada Pin y saldrá por un puerto de salida Pout. El VCI del paquete de entrada viene fijado por el conmutador anterior, el que está conectado al puerto Pin. Como este VCI podría estar siendo utilizado por un circuito virtual del enlace de salida, el conmutador escoge un VCI libre, y que no tiene porque ser el mismo que el de entrada y lo asigna a este circuito virtual. De esta forma los paquetes que entran con un VCI, pueden salir del conmutador con un VCI distinto. El conmutador guarda una tabla donde se indica para cada puerto de entrada, los VCIs que están activos y a que puerto de salida y con que VCI van a salir los paquetes. Retardos Los retardos de los paquetes son difíciles de calcular ya que hay retardos variables. Se puede aproximar el cálculo por un retardo medio. El retardo de la fase de transmisión se puede dividir en el retardo de propagación (Tp) entre los nodos de acceso y el retardo de transmisión. Para calcular este

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último hay que tener en cuenta el retardo medio en los buffers. Cada paquete que llega a un nodo se retarda en media B unidades de transmisión en el buffer del nodo, o sea, B·Tt. Pero hay que tener en cuenta que se transmiten n paquetes y que hay N nodos, y por tanto N-1 enlaces. El tiempo de transferencia T transf vale Ttransf = Tconex + Tdesconex + Tp + n (Tt +B·Tt ) + (N-1) (Tt +B·Tt ) + Tt El retardo de transferencia depende de - el número de paquetes transmitidos, - el número de nodos que se atraviesan y - del retardo medio en los buffers (es decir, del resto de los usuarios). Casos particulares en el cálculo del retardo de transferencia son: – caso de B=0 (encuentra los nodos vacíos y sólo tarda una transmisión por nodo): Ttransf = Tconex + Tdesconex + Tp + n·Tt +N·Tt – caso n=1 (Tiempo de transferencia de un sólo paquete): Ttransf = Tconex + Tdesconex + Tp + N (B + 1) Tt + Tt Se pueden dimensionar los buffers para garantizar retardos acotados. Conmutación de paquetes por datagrama Se trata de una red tipo IP, es decir, una red de nivel 3, obviando los protocolos de nivel 2. En este caso la unidad de información es el datagrama y se trata de un servicio no orientado a la conexión y no hay ningún tipo de reserva de recursos. La red de paquetes se limita a hacer lo que puede, sin garantizar ningún tipo de calidad de servicio (retardos o pérdidas acotadas), ya que la red no sabe por donde van a pasar los paquetes. El encaminamiento de los paquetes se decide en el instante en que llega el paquete a la red. Esta decisión se hace por paquete y no por conexión. De hecho no podemos hablar de “conexión” ya que la red no considera que haya conexiones, considera que hay paquetes que viajan por la red. Los nodos de estas redes son nodos no dedicados, por ejemplo, los enrutadores.

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Ahora ya no se identifican los paquetes con un identificador de circuito virtual ya que no hay un circuito establecido. Para tomar decisiones de por que puerto de salida hay que sacar el paquete, se utilizan las direcciones origen y destino del paquete. Estas direcciones identifican la red al que pertenece el equipo terminal y al mismo tiempo identifican al equipo terminal. La red sigue usando buffers para almacenar los paquetes que llegan. Al no haber una reserva de recursos (buffers), cuando llegan muchos paquetes, los buffers se saturan produciéndose congestión. En este momento, lo normal es que el conmutador descarte paquetes. Es problema de la pila de protocolos en el origen, el ser capaz de recuperar esta información, usando algún mecanismo de retransmisiones, por ejemplo con el protocolo de nivel de transporte. Los retardos son variables para cada paquete, ya que la ruta puede ser distinta para cada uno de los paquetes. Como mucho se puede calcular el retardo medio por paquete transmitido. El tiempo de transferencia T transf vale T transf = Tt + T red_Dat Donde - Tt es el tiempo de transmisión y - T red_Dat es el tiempo desde que entra en la red hasta que sale. Servicios de red En cuanto a los tipos de servicio pueden ser de dos tipos: - orientados a conexión y - no orientados a la conexión. En un servicio orientado a la conexión, las fases de su transmisión son 3 : - fase establecimiento de la llamada donde se efectúa una reserva de recursos (ya sea física o virtual). Los recursos pueden ser buffers, velocidad de transmisión, ancho de banda, canales, ... - fase de transferencia de la información donde se transmite la información en unidades llamadas paquetes

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- fase de desconexión de la llamada donde se liberan los recursos reservados. En los servicios no orientados a la conexión o “best effort”, solo hay la fase de transferencia de la información. En esta única fase se transfiere directamente la información encapsulada en paquetes sin que haya una reserva previa de recursos. La red hará lo posible para transmitir los paquetes pero no garantiza que pueda hacerlo. Dispositivos de interconexión de redes 1. Repetidor: Dispositivo de capa física, tiene por función regenerar la señal digital que recibe,

en algunos casos como las redes SDH los generadores de líneas se sincronizan con la trama, e incluso pueden leer y escribir algunos bits de la cabecera de la trama. En cambio los repetidores analógicos frecuentemente son simples amplificadores

2. Hub: Es un caso particular de repetidor (capa física) con capacidad multipuerto, se usa en las redes LAN para centralizar las conexiones de los terminales de manera de simular una red de acceso múltiple, pero con una topología estrella. Tienen capacidad de detección de fallas y mecanismos de recuperación. Su función es la de concentrador.

3. Hub Conmutados (hub-switch): También llamados hubs inteligentes, si bien tienen capacidad de conmutación, son de capa 2, pueden conmutar tramas entre sus puertos basados en la dirección MAC de las placas de red que generan esas tramas. Permiten reducir las colisiones cuando se transfiere información desde más de un servidor simultáneamente.

4. Bridge: Dispositivo de capa de enlace, permite interconectar dos o más redes LAN entre sí, o los segmentos de la misma LAN, las direcciones de las placas (MAC) de red de los terminales se propaga a través del bridge por multicast. Por ejemplo un bridge puede conectar una red Ethernet y otra token ring. A diferencia de los routers, los bridges son independientes del protocolo. Por eso son más rápidos que los routers.

5. Router: Dispositivo de capa de red. Direcciona los paquetes según la dirección IP, IPX, etc. No propaga las direcciones MAC. Tiene la capacidad de filtrar paquetes y enrutarlos de acuerdo a diferentes criterios.

6. Gateway: Dispositivo de capa 4 y superiores. Es una combinación de hardware y software que permite interconectar dos tipos diferentes de redes. Por ejemplo un gateway entre sistemas de email, permite que usuarios de diferentes sistemas de email intercambien correo.

Protocolos e Interfaces Para reducir la complejidad en el diseño, muchas redes están organizadas en capas o niveles. La función de cada es proveer de algún servicio a la capa inferior. Si el equipo de red A esta

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comunicado a través de una red con el equipo B. La capa n del equipo A dialoga con la capa n del equipo B. El conjunto de reglas y convenciones que permiten esta conversación se denomina protocolo de capa n. Básicamente, un protocolo es un acuerdo entre las partes comunicadas en cuanto a los procedimientos implementados para comunicarse. En la figura se muestra una red de 5 capas. Las entidades de distintos equipos que están en la misma capa se llaman pares. Es decir los pares se comunican usando el protocolo de capa correspondiente. En realidad, no hay transferencia directa de datos de la capa n de una máquina hasta la capa n de la otra capa. En lugar de eso, cada capa pasa los datos y la información de control a la capa inmediatamente inferior hasta que la capa más baja es alcanzada. Debajo de la capa 1 está el medio físico donde la comunicación realmente ocurre. En la figura las líneas de trazos muestra comunicaciones virtuales y las líneas sólidas las comunicaciones reales. Entre cada par de capas adyacentes hay una interfase. El interfaz define las operaciones y servicios que la capa inferior ofrece a la capa superior. Para que una capa intercambie información con la capa inferior debe definirse el formato de los datos que se envían. Este formato se denomina IDU (Interface Data Unit). Cada IDU está formado por un SDU (Service Data Unit) y algunos bits de control ICI (Interfase Control Information). La capa n+1 pasa a la capa n una unidad IDU a través de la interfase.

Protocolo de capa 1

Protocolo de capa 3

Inteface capa 1/2

Inteface capa 2/3

Inteface capa 3/4

Inteface capa 4/5

Capa 2

Capa 1

Capa 5

Capa 4

Capa 3

Capa 2

Capa 1

Capa 5

Capa 4

Capa 3

Protocolo de capa 5

Protocolo de capa 4

Protocolo de capa 2

Medio físico

Host 1 Host 2

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Las capas n intercambian n-PDUs usando el protocolo de capa n. La información agregada en ICI (por ejemplo cantidad de bits del campo SDU) sirve para que las capas inferiores puedan transportar la unidad SDU pero no forma parte de ella. Para transferir una unidad SDU, la capa n puede fragmentarla en varias partes, cada una de ellas tendrá una cabecera (header) propio y será enviada como una PDU (Protocol Data Unit) separada. Las cabeceras de las PDU son usadas por los protocolos de las capas pares. La cabecera informa cuales PDUs llevan datos y cuales información de control, proveen número de secuencia, cantidad de bits del SDU, etc. El conjunto de capas y protocolos es llamado arquitectura de red. La información suministrada por la arquitectura de red permite construir el hardware y escribir los programas para cada capa de manera que obedezca el correspondiente protocolo. La lista de todos los protocolos (capa por capa) de una red se llama stack de protocolos o pila de protocolos. Direccionamiento En cada capa es necesario un mecanismo para identificar al emisor y al receptor de un mensaje. Como una red tiene normalmente muchas computadoras y algunas de ellas ejecutan más de un proceso simultáneamente, es necesario disponer de una forma de direccionamiento para diferenciar un proceso en un equipo en particular. En el caso de Internet, la arquitectura de red está definida por el protocolo TCP/IP, la dirección se expresa con una palabra de 32 bit (conocida como dirección IP), en el caso de las redes Ethernet se utiliza una palabra de 48 bits que ya viene grabada de fábrica en cada placa de red (existe un organismo internacional que suministra los números de placas a los fabricantes para que no existan 2 placas con el mismo número). En el caso de interconexión de redes diferentes (ejemplo Ethernet con TCP/IP) para poder acceder a usuarios de la otra red es necesario emplear protocolos de resolución de nombres que se ejecutan en los equipos de frontera donde se unen las dos redes.

n-PDU

ICI SDU

ICI SDU

Capa n+1

Capa n

Interface

SDU Header

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Control de errores Dado que los circuitos físicos de comunicación no son perfectos es posible que existan errores en la comunicación. En una o varias capas pueden establecerse mecanismos de detección de error y corrección de error. Además el receptor debe contar con medio de comunicarle al transmisor que mensajes han sido recibidos correctamente y cuales no. No todos los canales de comunicación preservan el orden de los mensajes. Cuando una red dispone de más de un camino para llegar desde el origen hasta el destino, y cuando el encaminamiento de cada mensaje se decide mensaje por mensaje es posible que dos mensaje recorran caminos distintos y no lleguen en el mismo orden en fueron enviados. La solución obvia es numerar los mensajes de manera poder re-ordenarlos en el receptor. Control de flujo y congestión En cada capa de red puede ocurrir que la capa superior envíe información a la capa inferior a una tasa superior a la que ésta puede procesarla, esto se conoce como congestión. La forma de evitar la congestión es con el control de flujo. El problema puede resolverse de dos formas 1. Con realimentación desde el receptor hacia el emisor que le informe por ejemplo del nivel de

llenado de un buffer de entrada en el receptor. Este es el mecanismo que emplea un modem conectado a un puerto serial RS232 de una PC.

2. Negociando de antemano una tasa conocida por ambos. En este caso el emisor controlará el flujo de salida de manera de cumplir con la tasa acordada. Podría negociarse una tasa de pico, que aseguraría que nunca habría congestión, o una tasa promedio que aseguraría que no solo producirá congestión en un porcentaje pequeño de tiempo.

Segmentación y Reensamblado Un problema con el que puede encontrarse una capa determinada es que el mensaje que le envía la capa superior es demasiado largo para colocarlo dentro de la zona de carga (en inglés payload) de la trama. Cada capa intercambia tramas con la capa par que están definidas por el protocolo de capa, dentro de esa trama hay un espacio para datos que se llama zona de carga. Si el mensaje mn+1 que una capa n recibe de la capa n+1 es demasiado largo debe segmentarlo y transmitirlo. Cuando la capa par reciba este mensaje mn y extraída los datos de la zona de carga debe re-ensamblar el mensaje mn+1 para entregarlo a la capa superior. Multiplexado Una capa n+1 puede mantener varios canales de comunicación con la capa par, pero por razones de eficiencia la capa n puede decidir multiplexarlos todos para transmitirlos por la misma conexión. Este proceso de multiplexado es totalmente transparente para la capa n+1. Un caso particular de esto es cuando la capa física usa un solo conductor para transmitir canales de voz y de datos que la aplicación envía por canales diferentes. Encaminamiento (ruteo) Cuando hay múltiples caminos entre fuente y destino debe elegirse una ruta. Esta decisión puede tomarse en una o más capas. Por ejemplo, para enviar datos entre Londres y Roma, una capa superior puede decidir que se elija la conexión vía Francia o vía Alemania en función de las políticas de seguridad de redes que se emplea en cada uno de estos países. Una vez elegida esa

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ruta, una capa inferior puede decidir entre conexiones locales alternativas dentro del país elegido en función del tráfico existente. PROTECCION DE REDES En la medida que las sociedades se hacen más dependientes de las redes de telecomunicaciones, una falla de cualquier tipo (humana o de componente) que interrumpa un servicio resulta costosa e incómoda. Debe ser por eso un objetivo disponer de recursos alternativos o de respaldo que eviten la pérdida de servicio en caso de fallas (ver apunte Protección de Redes). ENCAMINAMIENTO (RUTEO) El ruteo es la función principal de la capa de red. La excepción son las redes de broadcast (difusión), como por ejemplo la televisión por cable, radiofonía, televisión abierta, etc. El algoritmo de ruteo es parte del software de la capa de red y es el responsable de decidir en cual de las líneas de salida debe ser transmitido un paquete entrante. Si la red usa internamente datagramas, esta decisión debe tomarse para cada paquete entrante ya que la ruta óptima puede cambiar cada vez. Si la red usa circuitos virtuales internamente, la decisión se toma solamente cuando un circuito virtual nuevo es establecido. Los paquetes sucesivos simplemente siguen la ruta establecida previamente. Otras problemáticas del ruteo se estudiarán más adelante (ver apunte Encaminamiento) Tipos de servicios Una capa puede ofrecer dos tipos de servicios a la capa superior: 1. Orientado a la conexión 2. No orientado a la conexión El servicio orientado a la conexión es el caso típico de la red telefónica RTPC (Red Telefónica Pública Conmutada). Para comunicarnos con alguien descolgamos el microteléfono, discamos, hablamos y colgamos. Es decir, primero establecemos la conexión, usamos la conexión y liberamos la conexión. En este tipo de conexión el canal se mantiene disponible hasta que termine la comunicación. En contraste, el servicio orientado a la no conexión es similar al correo postal. Cada mensaje (como en una carta del correo) lleva la dirección completa del destinatario, y cada uno es encaminado en la red independientemente de los otros. Por esa razón es posible que los mensajes lleguen fuera de orden. En el servicio orientado a la conexión esto es imposible. Calidad de servicio Cada servicio puede ser caracterizado por la calidad de servicio (QOS: Quality Of Service). Algunos servicios se llaman confiables debido a que introducen pérdida de datos. Usualmente, esto se consigue recibiendo la confirmación del receptor de que mensaje llegó correctamente. El mecanismo de confirmación introduce sin embargo un retardo y un uso extra de ancho de banda

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(overhead: sobrecapacidad) que a veces es indeseable. Si el servicio ofrecido es de transferencia de archivos, por ejemplo, es muy importante que sea confiable aunque tenga retardos. Para algunas aplicaciones sin embargo el retardo de tiempo introducido por los sistemas de confirmación es inaceptable, por ejemplo en la transmisión de voz digitalizada. Es preferible para los usuarios del servicio telefónico escuchar un pulso de ruido o incluso perder una palabra en la comunicación que introducir un retardo. Algo parecido ocurre con el video, es más aceptable una imagen con algunos píxeles erróneos que la imagen se interrumpa periódicamente hasta recibir la confirmación o esperar una retransmisión. MODELOS DE REFERENCIA El modelo de red en capas más utilizado es el desarrollado por ISO (International Standards Organization). Se conoce con el nombre de modelo OSI (Open System Interconnection) y está compuesto por 7 capas. La figura siguiente muestra el modelo.

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La capa física Le concierne la transmisión de bits en bruto sobre el canal de comunicaciones. En esta capa se definen las tensiones de representan un '1' y un '0', la cantidad de microsegundos que dura un bit, cuando se puede transmitir en un sentido o en ambos sentidos, como se estable un comunicación y como se finaliza una comunicación, y cuantos pines tiene un terminal y que función tiene cada uno. La capa de enlace La función principal es tomar la transmisión en bruto de la capa inferior y ofrecer a la capa de red una línea libre de errores de transmisión. Para hacer esto empaqueta los datos en tramas (típicamente de cientos a miles de bytes), transmite estas tramas secuencialmente y procesa las tramas de reconocimiento que le envía el receptor. Esta capa puede ofrecer varias clases de

PPDU

APDU

SPDU

TPDU

Paquete

Trama

Bit

Límite de la sub-red

Inteface capa 7/6

Protocolo de Sesión

6

Protocolo de Aplicación

Protocolo de Presentación

Protocolo de Transporte

Capa

Host A

Red

Enlace

Físico

Red

Enlace

Físico

Transporte

Red

Aplicación

Presentación

Sesión

Enlace

Físico

Transporte

Red

Aplicación

Presentación

Sesión

Enlace

Físico

7

5

4

3

2

1

Host B RouterRouter

Nombre de unidad de

intercambio

Protocolo host - router de capa de red

Protocolo host - router de capa de enlace

Protocolo host - router de capa física

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servicios al nivel superior con diferente calidad de servicio. Un servicio de transmisión seguro con control de error, control de secuencia (para evitar pérdida, o secuencias erróneas de tramas) y control de retransmisiones en caso de que no sea posible corregir el error. También puede ofrecer un servicio de transmisión más rápido pero menos seguro. Dado que la capa física no reconoce estructuras en los bits que se le envía, la capa de enlace debe reconocer los límites de la trama, para esto agrega patrones de bits al comienzo y al final de la trama. Estos patrones se llaman palabras de alineación de trama. También se determina el mecanismo usado para control de flujo. En las redes broadcast esta capa tiene la función de controlar el acceso al canal compartido. La capa de red Se ocupa de controlar la operación de la sub-red. La función clave es el enrutamiento de los paquetes. En este nivel se monitorea la cantidad de bits, caracteres, o paquetes que envía cada cliente. Esto puede usarse para funciones administrativas o facturación. En esta capa se resuelven los problemas de direcciones de red cuando un paquete cruza de una red a otra distinta. También se adaptan parámetros como longitud de trama, y otros que pueden originarse por la diferencia de protocolos de las dos redes. En las redes broadcast esta capa es muy delgada o casi no existe. La capa de transporte La función principal es recibir paquetes de la capa de sesión, dividirlo en unidades más pequeñas si es necesario, pasar esto a la capa de red y asegurarse que las partes lleguen correctamente al otro extremo. La idea es que esta capa aísle a las capas superiores de los cambios que inevitablemente se producen en la tecnología del hardware. A diferencia de las anteriores esta capa ofrece un servicio extremo a extremo, es decir el software en la máquina de origen dialoga con su par en la máquina de destino, usando los headers y mensajes de control. En cambio en los niveles 1, 2 y 3 los protocolos son entre máquinas y routers o entre router y router. En condiciones normales, la capa de transporte crea una conexión de red independiente para cada para conexión de transporte requerida por la capa de sesión. Si la conexión de transporte requiere mayor throughput, la capa de transporte puede crear varias conexiones de red, dividiendo los datos entre cada conexión para mejorar el throughput. Muchos host son multiusuarios, lo que hace deban crearse y cerrarse múltiples conexiones constantemente. La capa de transporte debe encargarse de indicar que mensaje va en cada conexión usando el header de la capa de transporte. Todo este proceso de multiplexado debe ser transparente para la capa de sesión. También debe haber un mecanismo para control de flujo para que los host más rápidos no congestionen a los más lentos. La capa de sesión La capa de sesión permite que usuarios en diferentes máquinas establezcan sesiones entre ellos. Una sesión puede implicar servicios de distintos tipos, por ejemplo, puede significar logearse a un equipo multiusuario en forma remota o transferir archivos entre dos máquinas. Una función importante de esta es la relativa a la sincronización. Por ejemplo supongamos que 2 máquinas intentan la transferencia de un archivo que demora 2 horas, pero que el tiempo medio

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entre caída de enlace es 1 hora. Casi nunca se podrá completar la transferencia ya que el enlace se caerá antes de completarla casí con seguridad. Para evitar esto la capa de sesión introduce puntos de chequeo en la tira de datos de manera que en caso de falla solo deba transferirse los datos que sigan al último punto de chequeo. La capa de presentación Esta capa tiene funciones bastante generales para resolver problemas de sintaxis o semántica en la información transmitida. Por ejemplo puede traducir cadenas de caracteres de código ASCII a Unicode (estos son dos formatos para codificar cadenas de caracteres) La capa de aplicación La capa de aplicación se ocupa de adaptarse a los distintos tipos de terminales existentes. Otra función es la transferencia de archivos. Por ejemplo, cada sistema operativo tiene su propia convención para nombres de archivos, para poder transferir archivos entre dos sistemas operativos distintos deben salvarse estas incompatibilidades. Bibliografía:

Introduction to Telecommunications Network Engineering Second Edition Tarmo Anttalainen

Artech House 2003

Computer Networks, Fourth Edition By Andrew S. Tanenbaum Publisher: Prentice Hall 2003

introduccion a las redes de telecomunicaciones

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