introducion ás arquitecturas de rede

Introdución ás arquitecturas de rede Planificación e Administración de Redes

1 Arquitecturas de rede.

A complexidade do deseño dunha rede é enorme, xa que abarca campos tan diversos como a necesidade de definir ata o máis ínfimo detalle acerca dos niveis dos sinais físicos implicados e cales van a ser os mecanismos para recuperarse dun erro, pasando por atopar os camiños entre uns e outros equipos. Para reducir a complexidade do deseño, é habitual organizar as redes como unha pila de capas ou niveis, cada unha relacionada coas inmediatamente superior e inferior. Cada capa ofrece certos servizos aos superiores, empregando á súa vez as capas inferiores para levar a cabo o traballo.

Polo tanto, unha capa dunha máquina manterá unha conversa coa capa homóloga de outra. As regras e convencións empregadas coñécense como protocolo. Por outro lado, cada capa comunícase coas adxacentes mediante un interfaz.

Un conxunto de capas e protocolos coñécese como arquitectura de rede. A especificación da mesma debe permitir que se poida escribir o software e construír o hardware para cada capa cumprindo axeitadamente coas especificacións. Sen embargo os detalles da implementación, incluíndo os interfaces, son necesariamente estándar.

1


Un exemplo que pode explicar a idea da comunicación entre capas é a do problema dos filósofos. Trátase dun filósofo en China que soamente fala francés e outro na India que soamente fala inglés, e que deben comunicarse mediante uns tradutores que falan holandés, e que se comunican entre sí mediante as súas secretarias que se encargan de enviar un fax.

2


2 Encapsulado da información.

Unha das ferramentas máis importantes para o desenvolvemento das arquitecturas de rede é o encapsulado.

A idea básica é que cada capa, para comunicarse coa homóloga do outro equipo o que fai é coller a información procedente da capa superior, engadirlle unha cabeceira na que se inclúe a información do protocolo e enviala pola capa inferior, que a súa vez engadirá a súa propia cabeceira. Vexamos o exemplo:

A capa 5 pretende enviar unha mensaxe M dende a máquina de orixe ata o destino. Para iso empregará o servizo ofrecido pola capa 4, que realizará a tarefa de enviar a mensaxe ata o destino encargándose de temas como o control de erros, a confirmación de recepción dos datos, o rendemento,... Para iso aos datos M lles engade unha cabeceira de nivel 4, denominada H4. Na máquina de destino a capa 4 recibe exactamente os mesmos datos, H4 e .M. Deste xeito, poderá empregar a cabeceira para levar a cabo as tarefas propias da capa e entregar a mensaxe orixinal á capa 5. Para levar a cabo a súa tarefa, a capa 4 apóiase nas capas inferiores.

Na figura apreciamos outras variantes que aparecen dentro do funcionamento das capas. Vemos que na capa 3 a mensaxe M divídese en dúas partes, M1 e M2. As razóns para dividir unha mensaxe

3


en partes máis pequenas soen estar relacionadas coa capacidade das redes de transmisión de datos, pero podemos apreciar que mentres que esa división da mensaxe na capa 3 non afecte aos datos entregados á capa 4 o funcionamento do sistema segue sendo correcto. É dicir, á capa 4 non lle interesa como trata os seus datos a capa inferior, simplemente está interesado na entrega completa, correcta e seguindo os parámetros establecidos da mensaxe, non de como foi tratada para chegar ao seu destino.

Outro aspecto que observamos é que na capa 2 ademais dunha cabeceira aparece unha cola. O fundamento é exactamente o mesmo, simplemente en algunhas circunstancias o rendemento da rede pode mellorar se a información engadida pola capa aparece ao final da mensaxe.

Algunhas das principais tarefas das que se ocupa cada capa e para as que emprega as cabeceiras mencionadas son:

• Direccionamento. Cada capa require un mecanismo para identificar emisores e receptores, tanto a máquina como o proceso de cada máquina implicado na comunicación.

• Control de erros. Debe ter algún medio de atopar se houbo algún erro na transmisión, e nalgúns casos incluso ser capaz de corrixir eses erros.

• Control de fluxo. Neste caso refírese á necesidade de evitar o problema que supón que unha máquina que pode transmitir moi rapidamente chegue a saturar a un receptor máis lento. Hai diversos mecanismos que permiten limitar este problema.

• Fragmentación. Ás veces unha mensaxe é demasiado grande para que un nivel a poida xestionar, polo que deberá ser capaz de dividila en orixe e recompoñela en destino.

• Multiplexión. Consiste na posibilidade de establecer varias conexións para a mesma comunicación, ou ben empregar unha mesma conexión para comunicacións distintas, aforrando recursos.

4


3 Modelos de referencia

3.1 Modelo de referencia OSI.

O modelo de referencia OSI está baseado nunha proposta desenvolvida pola ISO para a estandarización dos protocolos. Definido desde principios dos 80 e revisado no 95, o modelo consta de 7 capas.

As razóns que levaron a desenvolver un modelo con estas capas foron diversas, como as funcións que debe realizar, a intención de definir protocolos estándar e minimizar o fluxo de información a través das interfaces entre capas. Por desgracia, as políticas empresariais tamén tiveron a súa importancia na definición do modelo.

5


3.1.1 Capa física.

Encárgase da transmisión de bits puros a través dunha canle de comunicación, ocupándose de aspectos como asegurarse de que cando se envía un bit 1 este se reciba efectivamente como tal. Cuestións como os voltios empregados para representar cada bit, a duración do mesmo, a posibilidade de transmitir nas dúas direccións, os pins do conector de rede, e en xeral todo o que ten que ver coas interfaces mecánicas, eléctricas e de temporización.

3.1.2 Capa de enlace de datos.

Busca transformar o medio de transmisión puro nunha liña de comunicación libre de erros de transmisión. Fragmenta os datos da capa superior en tramas de datos que se transmiten de xeito secuencial. Existe a posibilidade de ter un servizo confiable, onde o receptor confirma a recepción das mensaxes do emisor. Con frecuencia tamén se realiza un control de fluxo.

Un caso especial son as redes de difusión, que teñen o problema de que o medio de transmisión é compartido por varios equipos. Neste caso aparece unha subcapa dentro da capa de enlace de datos, a subcapa de control de acceso ao medio, que se encarga de definir as normas empregadas polos equipos para transmitir sen interferir uns cos outros.

3.1.3 Capa de rede.

Esta capa ocúpase das operacións da subrede, con énfase especial en como se enrutan os paquetes (tal e como se denomina a unidade de datos do nivel de rede) dende a súa orixe ata o seu destino. O traballo faise atopando o mellor camiño salto a salto, e as rutas poden estar baseadas en táboas estáticas ou mediante algoritmos dinámicos que se encarguen de atopar estas rutas mediante os parámetros indicados polos administradores, sendo capaces de adaptarse aos cambios da topoloxía da rede.

Outros aspectos a ter en conta é a posibilidade de que a acumulación de paquetes nunha zona da subrede produza conxestión, e en xeral a calidade de servizo (retardo, tempo de tránsito, inestabilidade). Ademais ao pretender unir redes que poden ser moi distintas debe ser capaz de modificar o direccionamento se as redes de orixe e destino non empregan o mesmo, a lonxitude máxima dos paquetes...

3.1.4 Capa de transporte.

A función básica desta capa é aceptar os datos das capas superiores, dividilos en unidades máis pequenas en caso de que sexa necesario, pasalas á capa de rede e asegurarse de que todo chega correctamente ao extremo de xeito eficiente e illando as capas superiores dos cambios no hardware.

6


Esta capa determina o tipo de servizo proporcionado aos usuarios, e resulta ser a primeira capa que se ocupa da comunicación extremo a extremo, xa que como podemos ver na figura que representa a torre de protocolos OSI as capas inferiores ocúpanse unicamente dun tramo da comunicación. Polo tanto trátase dun programa que se executa na máquina orixe e que dialoga con outro programa que segue o mesmo protocolo na máquina destino, sen que o enviado por estes programas sexa tratado polos equipos intermedios.

3.1.5 Capa de sesión.

Ofrece aos usuarios de máquinas diferentes sesións entre eles, con control de diálogo e sincronización.

3.1.6 Capa de presentación.

A esta capa correspóndelle a sintaxe e a semántica da información, de xeito que equipos con diferentes representacións de datos poidan comunicarse.

3.1.7 Capa de aplicación.

Nesta capa se sitúan os protocolos que usan directamente os usuarios. Por exemplo, o protocolo HTTP que empregan os navegadores web.

3.2 Modelo de referencia TCP/IP.

O modelo de referencia TCP/IP parte dunha situación distinta a OSI. Cando se empezou a crear a rede ARPANET, que co tempo se convertería en Internet, os estudos das universidades implicadas no proxecto non estaban orientados a crear unha arquitectura de rede ben definida, senón que máis ben se trataba de ir creando unha serie de protocolos que fosen resolvendo os problemas de comunicación segundo se fosen plantexando. Polo tanto, o modelo que nos ocupa reflicte o funcionamento dos protocolos, en vez de estar plantexados os seus obxectivos e a partir de aí codificados os protocolos.

7


3.2.1 Capa de interrede.

Os requirimentos do Departamento de Defensa dos Estados Unidos, que era o que financiaba o proxecto, levaron á elección dunha capa de interrede non orientada a conexión, dado que deste xeito estimábase máis robusta, é dicir, máis difícil de romper en caso de perda masiva de liñas de comunicación. O sistema é análogo co de correo convencional, xa que cada paquete de información viaxa de xeito independente, podendo chegar un antes que outro que se mandou con anterioridade. O formato segue o do protocolo IP (Internet Protocol), que se encarga de facer chegar cada paquete ao seu destinatario atopando o mellor camiño paso a paso, intentando evitar a conxestión da rede. Esta capa é moi similar en funcionalidade á capa de rede do modelo OSI.

3.2.2 Capa de transporte.

A capa de transporte é tamén moi similar á do modelo OSI. Defínese a partir de dous protocolos extremo a extremo, o TCP (Transport Control Protocol), orientado a conexión, e UDP (User Datagram Protocol), que non está orientado a conexión. En xeral podemos considerar que o TCP é un protocolo pensado para controlar comunicacións complexas, mentres que o UDP resulta moito máis simple.

3.2.3 Capa de aplicación.

O modelo TCP/IP non ten capas de sesión nin presentación, xa que cando se foron desenvolvendo os protocolos non se consideraron necesarias, deixando que a capa de aplicación se ocupase das tarefas destas dúas capas en caso de ser necesarias. Esta capa contén protocolos de nivel máis alto agrupados sen que teñan características comúns máis alá de empregar as capas de interrede e transporte do modelo. Entre os principais protocolos nomearemos TELNET, FTP, SMTP, DNS, NNTP, HHTP, POP3, IMAP, SSH...

3.2.4 Capa de host a rede.

Por debaixo da capa de interrede o modelo TCP/IP non define nada, salvo que a capa ten que ser capaz de enviar paquetes IP. Esta indefinición é o resultado dun modelo que non nace dende o deseño, senón dende a descrición dos protocolos xa en funcionamento.

3.3 Comparación entre modelos OSI e TCP/IP. Modelo híbrido.

Ambos modelos parten, como vimos, dun punto totalmente diferente. Á hora de falar dun deseño de arquitectura debemos inclinarnos claramente a favor do modelo OSI, xa que a súa definición como modelo, ao preceder aos protocolos, ten en conta perfectamente os obxectivos de deseño de illamento entre as capas (fundamento básico para crear unha arquitectura de rede, a división do problema) e diferenciación entre protocolo e interface. Ademais, a capa de host a rede máis que unha capa é a definición da indefinición.

8


Sen embargo, hai outros aspectos que favorecen moi claramente a TCP/IP. Para empezar, é un protocolo que cando se definiu definitivamente o modelo OSI xa levaba décadas funcionando na práctica, o que fixo que os protocolos que cumprían co novo modelo chegasen moi tarde e sen que os enxeñeiros de rede encargados de tomar as decisións sobre os protocolos a empregar tivesen experiencia con eles. Ademais, a xestación do modelo OSI estivo rodeada de fortes presións por parte dalgunha das empresas máis importantes do sector, o que fixo de lastre para o modelo final. En concreto, as presións de IBM para que o modelo tivese 7 capas ao igual que o modelo de rede propietario que empregaba esta empresa, forzando a que o modelo contase coas capas de sesión e presentación que son en realidade moi pouco empregadas. Sen embargo, no nivel de enlace non se ten en conta a particularidade das redes de difusión, onde é necesaria una subcapa que se encargue de xestionar o acceso ao medio compartido.

A solución que empregaremos neste tema será o uso dun modelo híbrido de referencia. Este modelo é similar ao OSI, salvo que sen as capas de sesión e presentación que xa comentamos que apenas teñen utilidade. As capas de rede e transporte as estudaremos seguindo os protocolos do modelo TCP/IP, aínda que veremos que en certo modo incumpre normas de deseño. No nivel de enlace estudaremos tamén o subnivel de acceso ao medio, que no modelo OSI orixinal non se tivo en conta.

9


4 Redes de exemplo.

4.1 Redes de área extensa.

4.1.1 Internet.

Internet é hoxe en día a maior e máis importante das redes mundiais de datos. O seu tamaño actual ten pouco que ver cos seus inicios como un proxecto do Departamento de Defensa dos EEUU en colaboración con varias universidades de ese país, se ben algún dos requirimentos de deseño son visibles no seu funcionamento actual, como unha xerarquización pouco estruturada que contrasta co sistema telefónico.

O crecemento da rede entre as Universidades é moi importante a principios dos 70, e o crecemento da mesma foi amosando unha serie de problemas aos que se intentou dar resposta coa aparición dos protocolos TCP/IP. Unha vantaxe destes protocolos foi a de facilitar a conexión de redes de área local a ARPANET, de xeito que non soamente as universidades estaban interesadas en conectarse a esta rede. Este crecemento provocou dúas situacións, por un lado a aparición do

10


sistema de DNS (Domain Name Sistem) para poder empregar nomes para os equipos, máis axeitado para os usuarios, e por outro a aparición de NSFNET, xa non ligado ao Departamento de Defensa.

A evolución de esta rede foi a creación de Internet ao unirse NFSNET e ARPANET a partir de 1983. As aplicacións principais nun principio eran o correo electrónico, as noticias, o inicio remoto de sesión e a transferencia de arquivos, aos que en 1990 se une a aplicación www, inventada por un físico do CERN que fixo moito máis accesible e amigable o uso das utilidades de Internet. Esta novidade fixo que durante os anos 90 as empresas provedoras de servizos Internet (ISPs) ofrecesen aos usuarios domésticos e empresariais a capacidade de conectarse a Internet, normalmente a través do sistema telefónico. Hoxe en día a conexión realízase normalmente a través de provedores de telefonía.

11


A arquitectura de Internet hoxe en día é similar ao que podemos ver na figura anterior. Un usuario doméstico ou unha pequena empresa conéctase normalmente a través dunha liña telefónica ou de TV a un Punto de Presencia (PoP) ofrecido por un provedor de Internet, normalmente o seu propio provedor de telefonía. Este punto de presencia está dentro dunha rede rexional á que se conectan tamén as redes locais de grandes empresas, e que se unen con outras redes rexionais a través dunha rede dorsal. Deste xeito a través do paso por varias redes rexionais e dorsais calquera equipo se pode conectar a calquera outro, independentemente do provedor de servizos.

4.1.2 Redes Telefónicas Conmutadas.

As redes telefónicas conmutadas ou RTCs son as redes de telefonía, que aquí estudaremos desde o punto de vista de que hoxe en día son a base para a comunicación de datos, incluíndo a comunicación a través de Internet.

O teléfono nace en 1876 a partir dos estudos realizados para a mellora da telegrafía. En un principio os teléfonos vendíanse a pares, pero co tempo foi necesario engadir un conmutador centralizado para evitar a maraña de cables. Como o conmutador centralizado podía cubrir soamente un número limitado de usuarios, a resposta foi crear unha rede xerárquica.

O sistema xerárquico tivo unha gran importancia e é aínda hoxe a base do sistema telefónico. Cada teléfono está conectado con unha centraliña a través dun circuíto local ou bucle de abonado. Un grupo de centraliñas conéctanse entre si a través de troncais intraurbanas en oficinas

12


interurbanas, que a súa vez conéctanse mediante troncais interurbanas a oficionas de conmutación. Vemos que hai unha xerarquía en tres niveis, á que podemos engadir un cuarto nivel coas centrais internacionais e as que conectan varias compañías. Esta estrutura permite conectar todos os teléfonos do mundo entre si mediante un sistema fortemente xerarquizado, se ben esta xerarquía está cambiando co dominio dos datos no mundo das comunicacións.

4.2 Redes de área local.

4.2.1 Ethernet.

Ethernet é sen dúbida a rede LAN cableada máis popular. Dado que en temas posteriores imos tratala en profundidade, agora simplemente introduciremos algunha das súas características principais.

Nace a mediados dos 70 co traballo dos enxeñeiros de Xerox, que buscaban un sistema moi simple para transmitir datos a través dun cable coaxial groso, con distancias de ata un par de quilómetros. O deseño tivo un gran éxito, que aumentaría aínda máis coas diferentes melloras que foron aparecendo e que multiplicaron o rendemento desta rede, da que apareceron versións con cables de pares e fibra óptica.

4.2.2 Wi-Fi.

Wi-Fi é o nome que normalmente se usa para o estándar máis importante de LAN sen fíos hoxe en día, campo en tremenda expansión debido ao crecente interese na comunicación de datos onde queira que esteamos e no momento que sexa. O protocolo nace a finais dos 90 e se populariza nos principios deste século, pese a que o seu rendemento, a protección ante fallos e o seu nivel de seguridade sexa moi inferior ao ofrecido polas redes de cable, aspectos que non impiden que a súa comodidade e facilidade de instalación se impoña

13


Índice 1 Arquitecturas de rede........................................................................................................................1 2 Encapsulado da información............................................................................................................3 3 Modelos de referencia......................................................................................................................5

3.1 Modelo de referencia OSI.........................................................................................................5 3.1.1 Capa física.........................................................................................................................6 3.1.2 Capa de enlace de datos....................................................................................................6 3.1.3 Capa de rede......................................................................................................................6 3.1.4 Capa de transporte.............................................................................................................6 3.1.5 Capa de sesión...................................................................................................................7 3.1.6 Capa de presentación.........................................................................................................7 3.1.7 Capa de aplicación............................................................................................................7

3.2 Modelo de referencia TCP/IP....................................................................................................7 3.2.1 Capa de interrede...............................................................................................................8 3.2.2 Capa de transporte.............................................................................................................8 3.2.3 Capa de aplicación............................................................................................................8 3.2.4 Capa de host a rede...........................................................................................................8

3.3 Comparación entre modelos OSI e TCP/IP. Modelo híbrido....................................................8 4 Redes de exemplo...........................................................................................................................10

4.1 Redes de área extensa.............................................................................................................10 4.1.1 Internet............................................................................................................................10 4.1.2 Redes Telefónicas Conmutadas.......................................................................................12

4.2 Redes de área local.................................................................................................................13 4.2.1 Ethernet...........................................................................................................................13 4.2.2 Wi-Fi...............................................................................................................................13

14

introducion ás arquitecturas de rede

Education