sist. y apli. informÁticas redes de área extensa · processor), también conocidos como nodos o...

SIST. Y APLI. INFORMÁTICAS Redes de área extensa

PREPARADORES DE OPOSICIONES PARA LA ENSEÑANZA C/ Sagasta 20 – 1ºD • 28004 Madrid Tel.: 91 308 00 32

1

RE

V.:

05/1

6

E

mai

l: in

fo@

prep

arad

ores

.eu

•

Web

: http

://w

ww

.pre

para

dore

s.eu

TEMA 58: Redes de área extensa. Interconexión redes locales Esquema:

1.- Introducción

2.- Redes Punto a Punto

3.- El Protocolo PPP

4.- Redes por cable

4.1.- Red Telefónica Conmutada

4.2.- Línea de Suscripción Digital (DSL)

4.3.- Redes por Cable

4.4.- SONET/SDH

4.5.- ATM

4.6.- Frame Relay

5.- Redes inalámbricas

5.1.- WiMax

5.2.- Telefonía Móvil

5.3.- Redes de Satélite

6.- Conclusiones

7.- Bibliografía

1. INTRODUCCIÓN

Se entiende por red de ordenadores a una colección interconectada de ordenadores autónomos. La interconexión se refiere a la posibilidad de intercambiar información entre ambos computadores, que deben ser autónomos en el sentido de que ninguno controla al otro en una relación amo – esclavo. Al nivel de abstracción más alto, las redes están formadas por tres tipos de componentes:



2

• Hosts: son las máquinas autónomas (ordenadores) que forman la

red y que se mantienen interconectados. • Subred: son los elementos y mecanismos que permiten la

interconexión, como por ejemplo el cableado. • Placas de interfaz de red: es el hardware adicional añadido a los

hosts para conectarlos a la subred. Sus características varían con la subred utilizada. Normalmente disponen de una memoria ROM con software empotrado, y memoria RAM para almacenamiento temporal. En la actualidad, estas placas suelen venir integradas en la placa base de los hosts.

Para conseguir que dos hosts se comuniquen correctamente, la subred debe ser capaz de crear entre ambos un canal de comunicación que transmita la información, una vez que ésta ha sido codificada en señales, ya sean eléctricas, ópticas, de radio, o de cualquier otro tipo.

En general, las redes de ordenadores se pueden clasificar respecto a muchos parámetros que definen el modo en el que opera la subred. Una clasificación muy utilizada es la que diferencia las redes de difusión frente a las redes punto a punto. En las redes de difusión la subred es muy simple, consistiendo únicamente en un único canal de comunicación compartido que permite el envío de las señales con la información, al que están conectados todos los host de la red. Cuando un sistema envía un elemento de información (denominado trama), éste llega a todos los hosts de la red, pero sólo el host destinatario lo recoge. Para que el destinatario se dé por aludido, la trama contendrá una dirección que identificará de forma inequívoca al host destino. Por su parte, en las redes punto a punto existen conexiones directas entre parejas de hosts. Si un host no está conectado directamente con aquél con el que se quiere comunicar, será necesario que la subred busque un camino para unirlos pasando por otros hosts intermedios. En este caso la subred estará formada por los canales de transmisión (cables, fibra óptica, etc.) y los denominados IMP (Interface Message Processor), también conocidos como nodos o elementos de conmutación.



3

Otra clasificación útil es la que divide a las redes dependiendo de su cobertura o tamaño. Las redes de área local (LAN, local area networks), son restringidas en tamaño, contenidas en un solo edificio o campus de hasta unos cuantos kilómetros de extensión. Su finalidad es la conexión de los ordenadores personales y estaciones de trabajo de compañías o universidades para compartir recursos e información. En el otro extremo están las redes de área amplia o extensa (WAN, wide area networks), que se extienden sobre áreas geográficas mucho mayores, que pueden llegar a nivel de países o continentes. Su utilidad principal es la de unir redes de área local entre sí. Dentro de las redes de área local, las más conocidas son Ethernet (por cable) y WiFi (inalámbrica). Ambas son redes por difusión, aunque con los medios de interconexión de redes existentes hoy en día los dominios de colisión pueden reducirse al mínimo. Las redes de área extensa, que trataremos en este tema, son sin embargo redes punto a punto en la que los distintos nodos que forman la subred están conectados unos con otros por líneas sólo accesibles al par de nodos que une. Cuando se necesita comunicar un sistema final con otro, los nodos de la subred encaminarán los datos enviados utilizando esas líneas para hacer llegar la información al destino. Antes de entrar en las distintas tecnologías de redes de área amplia existentes, en el siguiente apartado veremos las distintas posibilidades de redes punto a punto, dependiendo de en qué momento se tomen esas decisiones de encaminamiento. Posteriormente, pasaremos a describir algunas de las redes de área extensa más conocidas. Para el estudio de estas redes, hay que tener en cuenta que las veremos como un conjunto de hardware y software que permite enviar información entre dos nodos de la red, ofreciendo un modo de transmisión punto a punto. Con esta infraestructura de red, los usuarios podrán utilizar la arquitectura superior que les interese. En particular, sobre estas redes se podrá utilizar TCP/IP, IPX/SPX, etc., que no trataremos en el tema.



4

2. REDES PUNTO A PUNTO

Como hemos dicho, en las redes punto a punto un host envía información a un IMP, que se plantea qué hacer con ella. Si él es el destinatario, la tratará como corresponda. Si no, debe decidir a qué IMP enviarla, en función de su conocimiento de la organización de la subred y la dirección destino. A este proceso se le conoce con el nombre de enrutamiento (o encaminamiento). Según en qué momento se tomen las decisiones de enrutamiento, existen dos modelos básicos de redes punto a punto: las redes de conmutación de circuitos y de paquetes. En las redes de conmutación de circuitos, el enrutamiento se realiza una única vez por flujo de información. Cuando el emisor quiere ponerse en contacto con un destinatario, debe solicitar explícitamente a la subred la creación de un canal de comunicación, que deberá estar disponible antes de que la comunicación pueda llevarse a cabo. El proceso es sencillo. Si el host A quiere comunicarse con el host B con el que no tiene un enlace directo, le solicita al IMP al que está conectado (al que denominaremos 1) la creación de un canal con el host B. El IMP hace uso de sus conocimientos sobre la estructura de la subred para decidir que para alcanzar al host B debe enviar la información al IMP 2 con el que está conectado de forma directa. En ese momento, el IMP 1 reserva recursos de modo que a partir de ese momento todo lo que le llegue desde el Host A con destino el Host B será reenviado directamente al IMP 2 sin replantearse si es o no correcto. Este proceso se realiza de forma similar en el IMP 2, y en todos aquellos que queden en medio hasta llegar al Host 2. Una vez creado el canal, toda la información enviada por el host 1 será enrutada automáticamente por los IMP, llegando al destino sin que se deban tomar más decisiones. Cuando el host 1 decida que la comunicación ha terminado, solicitará a la subred la destrucción del canal y los IMPs liberarán los recursos. En las redes de conmutación de circuitos, el intercambio de información, por lo tanto, debe pasar por tres pasos: establecimiento de la conexión, comunicación, y cierre de la conexión. La desventaja de este modelo es que si en algún momento durante la fase de comunicación no se envía nada, se desaprovecharán recursos de la subred que están reservados para esa comunicación y que quedan infrautilizados. Además si por alguna razón un IMP falla completamente, las conexiones entre hosts



5

que pasen por ese IMP se perderán completamente, y los host tendrán que encargarse de volver a crear una conexión nueva, confiando en que la subred sea capaz de conectarlos pasando por otros IMPs. El posible desaprovechamiento de recursos en conexiones que no se utilizan facilita que la red se congestione por un mal aprovechamiento de los recursos. La ventaja, sin embargo, es que las congestiones son fáciles de detectar y solucionar: simplemente no se permite la creación de nuevas conexiones, y se mantienen activas las existentes con la misma calidad de servicio. Otra ventaja es que, una vez establecida la conexión, el retraso en el envío en cada IMP es mínima, pues el trabajo de los IMPs es sencillo. Por último, una vez creada la conexión, el host emisor sólo tiene que especificar el “circuito” por el que desea enviar la información: la subred se encargará de que llegue al receptor asociado a ese circuito. Originalmente estas subredes se creaban con circuitos reales, donde las conexiones entre IMPs era mediante cables y el enrutado se realizaba uniendo físicamente los cables de entrada con los de salida. Un ejemplo de esto es la red telefónica de principios del siglo pasado que veremos en el apartado siguiente. Con el avance de las tecnologías, estas redes se han ido migrando a redes de conmutación de circuitos virtuales, en los que no existe la conexión física, sino “virtual”, usando, por ejemplo, multiplexación. El otro modelo son las subredes de conmutación de paquetes, en los que la decisión de enrutamiento se toma continuamente. Ahora no es necesario el establecimiento y el cierre. Cuando un host quiere enviar un elemento de información (paquete) a otro, envía dicho paquete a un IMP que decide “al vuelo” qué hacer con él. Este modelo mejora al anterior porque no se desaprovechan recursos en la subred si se ha creado una conexión que no se utiliza, por lo que, teóricamente, las congestiones son menos probables, aunque también más difíciles de predecir y solucionar. Además ante el fallo de un IMP no se pierden todas las conexiones que pasan por él, solamente los paquetes que tenía en la cola de envío. La desventaja principal es que los IMPs son más complejos y necesitan una velocidad de procesamiento mucho mayor. Para simplificar los elementos de conmutación, pueden establecerse restricciones a los paquetes que pueden ser enviados, por ejemplo imponiendo un tamaño fijo y reducido a los paquetes, que, como veremos en el apartado 6, suelen conocerse como celdas.



6

Con este modelo de conmutación, dos paquetes o celdas enviados por el mismo host al mismo destino podrían seguir caminos diferentes. Para lograr esto, todos los paquetes enviados deben contener la identificación (dirección) del host destino. Existe una aproximación mixta, que consiste en una red de paquetes sobre circuitos virtuales. En ella, las unidades básicas de transmisión son los paquetes, pero todos ellos se envían sobre el mismo circuito virtual, por lo que las decisiones de encaminamiento sólo se toman al establecer el circuito, pero el envío de datos se realiza de forma intermitente en paquetes.

3. EL PROTOCOLO PPP

Para lograr que dos hosts, o dos IMPs se comuniquen entre sí, se crean unos protocolos, que definen las normas a seguir en esas comunicaciones. Hay protocolos en todas las capas de los modelos de red. En las redes punto a punto, uno de los protocolos más empleados es el PPP (Point-to-Point Protocol), siendo el más usado para, por ejemplo, conectar redes SOHO (Small Office and Home Office) con Internet. La mayor parte de estas conexiones emplean una línea telefónica como capa física y emplea un protocolo de capa de enlace de datos para controlar y gestionar la transferencia de los datos. PPP es de lejos el más común. PPP proporciona varios servicios comunes mientras se mantiene sencillo (evitando implementar muchos otros servicios habituales en los protocolos de esta capa, tales como el control de flujo): define el formato de la trama y cómo se ha de negociar el establecimiento de un enlace y el intercambio de datos; soporta autenticación, aunque es opcional y, en su nueva versión (Multilink PPP) proporciona conexiones sobre varios enlaces. Una de sus características más interesantes es que proporciona configuración de las direcciones de red, algo especialmente útil para direcciones que acceden a Internet temporalmente. Y emplea un mecanismo muy sencillo para el control de errores, empleando CRC; de modo que si la trama está corrupta, se descarta sin más. PPP emplea una trama orientada a carácter (u orientada a byte), que recuerda mucho a HDLC. Para establecer y emplear una conexión PPP, es preciso pasar por una serie de fases. Se parte de un estado en el que no hay portadora en la capa física y la línea está vacía. Cuando uno de los extremos quiere



7

comunicar, se negocian las opciones, incluyendo si se desea o no autenticación. Si todo va bien, se realiza el intercambio de paquetes de datos, hasta que se desea su finalización. Aunque PPP es un protocolo de capa de enlace de datos, emplea un conjunto de otros protocolos para establecer el enlace, autenticar a las partes involucradas y transportar los datos de la capa de red. En concreto, hay tres conjuntos de protocolos definidos para estas labores: LCP (Link Control Protocol), dos Protocolos de Autenticación (APs) y varios Protocolos de Control de Red (NCPs). De modo que en cualquier momento, los paquetes PPP pueden transportar datos de cualquiera de estos protocolos dentro de su campo de datos. LCP es el protocolo responsable del establecimiento, mantenimiento, configuración y terminación de los enlaces. Los dos protocolos encargados de la autenticación son PAP (Password Authenticacion Protocol) y CHAP (Challenge Handshake Authentication Protocol). PAP es más sencillo y sólo tiene dos pasos: el primero lo da quien quiere establecer la comunicación, enviando su identificación y una contraseña. El segundo lo da el otro extremo, que chequea los datos recibidos y acepta o deniega dicha comunicación. CHAP es algo más complejo, con un proceso en tres pasos: el sistema envía un paquete desafío al usuario; el usuario aplica una función predefinida que toma ese desafío y la contraseña del usuario y genera una respuesta, que es la que responde el usuario; el sistema comprueba la respuesta y decide si acepta o deniega la comunicación. Es más seguro que PAP. Por último, para la gestión de red, se pueden usar los protocolos habituales definidos para Internet, OSI, Xerox, etc. Para poder hacerlo así, PPP define un protocolo NCP específico para cada protocolo de red. Por ejemplo, el protocolo IPCP permite introducir paquetes IP. Así los paquetes NCP no transportan datos de capa de red, sino que simplemente configuran el enlace en la capa de enlace de datos para ese tipo de datos. PPP está presente en gran cantidad de conexiones y sigue en desarrollo. Combinándose con él van surgiendo otros protocolos de creciente implantación, tales como PPPoE, que combina PPP con Ethernet o PPPoA, que combina PPP con ATM.



8

4. REDES POR CABLE

Si bien las posibilidades inalámbricas de conexión están muy extendidas y disponibles, siguen siendo las redes por cable las que, aún hoy en día, copan la mayor parte de las conexiones de red, aunque esta tendencia está cambiando a pasos agigantados. En este apartado vamos a repasar las tecnologías de red por cable más extendidas y disponibles en la actualidad, en cuanto a la interconexión de redes se refiere.

1. Red Telefónica Conmutada La red de telefonía conmutada (RTC) o red telefónica básica (RTB) es la red de área extensa más famosa. El invento del teléfono original consiguió enviar señales de voz sobre un cable de cobre. Sin embargo, para permitir la comunicación entre cualquier par de teléfonos, se tuvo que crear una infraestructura de red (RTC), que permitía conectar cualquier par de teléfonos conectados a ella. Debido a que fue la primera red de área extensa que se construyó (si obviamos la de telegrafía con hilos), también se utilizó, y aún se usa, para conectar sistemas informáticos. La red telefónica está formada por centralitas, a las que llegan los bucles locales de abonado provenientes de cada usuario. Las centralitas son los conmutadores o enrutadores de la red, que en la introducción llamábamos IMPs. Originalmente, estos nodos eran paneles de clavijas que un operario unía para poner en comunicación a dos usuarios (como se puede ver en la Figura adyacente [4]). Cuando un abonado levantaba su auricular, el operario de la centralita le preguntaba el número al que quería llamar. Si ese número era de otro usuario conectado a la misma centralita, utilizando un cable conectaba los dos bucles locales estableciendo el circuito o conexión. Si no pertenecía a la misma centralita, se necesitaba “enrutar” la llamada hacia otra centralita, iniciando lo que se conocía como llamada de larga distancia. Utilizando el número destino y gracias al método de asignación de números (“direccionamiento de red”), conectaban el bucle local del abonado con la siguiente centralita en el camino hacia el destino final.



9

Este proceso encaja perfectamente en las redes punto a punto por conmutación de circuitos explicada anteriormente: para establecer la conexión con el destino final, el origen se pone en contacto con el primer IMP que es el que se encarga de buscar la ruta. Una vez establecida esta, se mantiene (los “latiguillos” que unen las clavijas no se mueven) hasta que termina la conexión (alguno de los dos cuelga). Aunque la idea de encaminamiento sigue siendo la misma, el mecanismo evolucionó pronto. A principios del siglo XX aparecieron los primeros conmutadores automáticos. Para poder ponerlos en funcionamiento, se tuvo que añadir un mecanismo de señalización del control sobre la misma línea que antes únicamente llevaba voz. En particular, en el escenario de centralitas controladas por operarios, el usuario descolgaba el teléfono y esperaba a que el operario contestara. Esa acción provocaba que apareciera un aviso (a modo de luz intermitente) en el panel del operario, que respondía preguntando el número al que quería “llamar”. Con las centralitas automáticas, ese proceso se tuvo que automatizar, utilizando una señal que indica el “tono” o disponibilidad de la centralita, y una codificación del número al que se quería llamar (utilizando la lenta codificación por pulsos). También se tuvieron que añadir otras señales que indican que la comunicación con el destino se ha establecido y se está a la espera de su respuesta, y la que indica que el destino está ocupado (comunica).

Con el tiempo, la RTC ha ido evolucionando hacia una red digital para comunicación analógica (voz). Hoy en día las comunicaciones entre centralitas no se hacen con transmisiones analógicas sino digitales. Éstas utilizan multiplexación no sólo en el espacio (es decir, tener varias líneas conectando dos centralitas) sino también en el tiempo, asignando a cada conversación un slot determinado periódicamente. La digitalización también permitió deshacerse del primitivo método de marcado por pulsos y sustituirlo por los tonos, que codifican mediante distintas frecuencias el número de teléfono marcado, lo que permite una marcación más rápida y de duración constante, independientemente del número de teléfono.

La RTC se utilizó durante la década de los 80 y hasta mediados de los 90 para la conexión directa entre dos ordenadores utilizando MODEMs.

Con la expansión de Internet, sin embargo, la RTC pasó a ser el mecanismo primario de acceso. Utilizando un MODEM se hacía una llamada al número de teléfono del proveedor de acceso. Utilizando el protocolo PPP el ordenador conseguía una dirección IP que se utilizaba durante la conexión. Hoy en día éste método de acceso ha caído también en desuso, con el abaratamiento y popularidad de líneas ADSL y las redes por Cable.



10

2. Línea de Suscripción Digital (DSL) Cuando los módems tradicionales llegaron a su tope de capacidad, las compañías desarrollaron la tecnología DSL, para proporcionar acceso a Internet a alta velocidad, empleando los cables telefónicos ya existentes. DSL incluye una serie de tecnologías, comúnmente denominada xDSL, que difieren entre sí en la primera letra (ADSL, VDSL, HDSL, and SDSL). Vamos a centrarnos en la versión más extendida: ADSL (DSL asimétrica). ADSL, al igual que los módem 56K, proporciona mayor velocidad en el sentido descendente que en el ascendente, por lo que se denomina asimétrico. Su característica más importante es que aprovecha los bucles locales ya existentes en las líneas telefónicas. Y, ¿cómo es posible que ADSL logre velocidades nunca alcanzadas por los módems tradicionales? Los cables de par trenzado que se emplean en las líneas telefónicas actuales son capaces de manejar anchos de banda superiores a 1.1 MHz, pero son los filtros instalados en las oficinas terminales de las compañías telefónicas los que limitan el ancho de banda a 4 KHz (suficiente para las conversaciones de voz). Sin embargo, si se eliminan esos filtros, se puede emplear la totalidad del ancho de banda tanto para comunicaciones de voz como para datos: se divide el ancho de banda en un canal de datos, un canal de subida y otro de bajada. De este modo, ADSL permite el uso del canal de voz al mismo tiempo que se intercambian datos en ambos sentidos, a una velocidad nunca lograda antes. El ancho de banda de subida puede alcanzar los 1.44 Mbps, aunque para datos suelen emplearse menos de 500 Kbps, debido al alto nivel de ruido del canal. En cuanto a la bajada, se puede alcanzar los 13.4 Mbps, aunque realmente suele estar por debajo de los 8 Mbps. Un punto interesante es que en este caso, la compañía telefónica actúa de ISP, de modo que proporciona directamente servicios tales como correo electrónico o acceso a Internet.

3. Redes por cable Otra de las tecnología disponible hoy en día es la de redes por cable. Originariamente, las redes por cable se crearon para proporcionar acceso a programas de TV para aquellos suscriptores que no podían recibir la señal debido a obstrucciones naturales. Más tarde, se popularizaron también para otros usos, debido a la mayor calidad de su señal: para proporcionar acceso a estaciones de difusión remotas



11

mediante conexiones de microondas y para acceso a Internet, empleando para ello algunos de los canales originalmente asignados al vídeo. Tras comentar brevemente la estructura de estas redes, veremos cómo proporcionan conexiones a Internet de alta velocidad. La TV por Cable tradicional empleaba una antena comunitaria (CATV) que recibía la señal y de la cual partían cables coaxiales que distribuían la señal entre los abonados. La oficina de TV por cable, llamada “head end”, era la encargada de recibir las señales e introducirlas en los cables coaxiales. Se empleaban amplificadores (hasta 35) para contrarrestar la pérdida de potencia de la señal con la distancia. En el otro extremo, los “splitters” gestionaban la conexión de los suscriptores a la red. Entonces se empleaban cables coaxiales. La transmisión era unidireccional, debido principalmente a la atenuación de la señal. Además, eran los suscriptores los que deseaban recibir la señal de vídeo. La segunda generación de redes de cables emplea la tecnología HFC (Hybrid Fiber-Coaxial) empleando una combinación de fibra óptica (desde la oficina hasta una caja, llamada nodo de fibra) y cable coaxial (desde la caja a las casas). En esta arquitectura se emplean repetidores (hubs) que modulan y distribuyen la señal. El uso de la fibra óptica reduce la necesidad de amplificadores (a 8 o menos) y además permite el uso bidireccional de la red. Hoy en día las compañías de TV por cable compiten con las compañías telefónicas por el acceso a Internet. DSL emplea cables de par trenzado sin apantallar, lo que les hace muy susceptibles de ser afectados por las interferencias, algo que no ocurre en las redes por cable. En los sistemas HFC, la última parte de la red sigue siendo coaxial, lo que limita el ancho de banda a entre 5 y 750 MHz (aproximadamente). Para proporcionar acceso a Internet, la compañía de cable divide este ancho de banda en tres bandas: vídeo (6 MHz, más de 80 canales), datos de bajada (de 550 a 750 MHz, divididos en canales de 6 MHz) y datos de subida (de 5 a 42 MHz, también divididos en canales de 6 MHz). Tanto la banda de subida como la de bajada son compartidas entre los suscriptores. Así, el ancho de banda de subida es de 37 MHz, por 6 canales. Para lograr dar servicio a todos los suscriptores, se emplea la técnica del “tiempo-compartido”. Para la bajada se proporcionan 33 canales y se hace uso de la difusión.



12

Como en DSL, las compañías de cable necesitan transformarse en ISP y proporcionar un conjunto de servicios a los suscriptores.

4. SONET/SDH Los cables de fibra óptica son muy adecuados para la transmisión de grandes cantidades de datos, debido a su gran ancho de banda. Debido a ello, se ha extendido su uso y ha sido precisa su estandarización. SONET es un protocolo que está definido para emplearse sobre fibra óptica. Incluye una serie de estándares y se aplica hoy masivamente en día en las redes de área extensa (WAN). Las organizaciones ANSI (EEUU) e ITU-T (Europa) crearon dos estándares (SONET de ANSI y SDH de ITU-T) muy similares y compatibles. SONET/SDH es una red síncrona que emplea mecanismos TDM síncronos. La arquitectura de un sistema SONET define señales, dispositivos y conexiones. Las señales SONET definen una jerarquía de niveles de señales eléctricas llamadas Señales de Transporte Síncrono (STSs), donde cada nivel SRS (de STS-1 a STS-192) soporta cierto envío de datos, especificados en Mbps. Las señales ópticas correspondientes se llaman Portadores Ópticos (OCs). SHD especifica un sistema similar llamado Módulo de Transporte Síncrono (STM), que está diseñado para ser compatible con las jerarquías existentes en Europa, tales como las líneas E. El nivel más bajo de esta jerarquía (STS-1) tiene un ancho de banda de 51.840 Mbps. El ancho de STS-3 es exactamente el triple que el de STS-1 y esta relación se mantiene entre cualesquiera niveles. Así, en un STS-18 se pueden multiplexar 2 STS-9 o 6 STS-3. Toda la transmisión se basa en tres dispositivos básicos: los multiplexores terminales, los regeneradores y los multiplexores Add/Drop. Los multiplexores terminales marcan los puntos de inicio y fin de un enlace SONET. Proporcionan el interfaz entre la red eléctrica y la red óptica. Los regeneradores extienden la longitud de los enlaces, siendo realmente repetidores. Los multiplexores Add/Drop permiten insertar y extraer señales. Todos estos dispositivos se conectan empleando secciones, líneas y caminos. Una sección es el enlace óptico que conecta dos dispositivos vecinos. Una línea es la porción de la red que hay entre dos multiplexores. Un camino es la porción extremo a extremo de la red



13

entre dos multiplexores STS. En una red SONET sencilla formada por dos multiplexores terminales, la sección, la línea y el camino son lo mismo. El estándar SONET incluye cuatro niveles funcionales: fotónico, sección, línea y camino, que corresponden con las capas física y de nivel de enlace de datos. El nivel de camino es el responsable del movimiento de la señal desde su origen óptico a su destino óptico; en este nivel se introduce una cabecera de camino. El nivel de línea es responsable del movimiento de la señal sobre la línea física; también tiene una cabecera asociada. El nivel de sección es el responsable de mover la señal a través de la sección física: maneja tramas, ensamblado y control de errores y también tiene su cabecera asignada. El nivel fotónico es el nivel físico. Cada transferencia asíncrona de una señal STS-n conlleva la creación de 8000 tramas. Cada trama es una matriz bidimiensional de bytes de 9 filas por 90 x n columnas. El ocurrente diseño de SONET/SDH permite manejar las líneas STS-n y los anchos de banda de una manera controlada y sencilla. Las cabeceras de los distintos niveles encajan perfectamente en el diseño de las tramas y permite combinar señales STS con fluidez, multiplicando los anchos de banda. Y además encaja perfectamente con ATM, otra tecnología fundamental en este ámbito, de la que hablamos a continuación.

5. ATM Las redes de conmutación de paquetes permiten el envío de paquetes de tamaño variable que pueden ser extremadamente grandes. La complejidad de los paquetes, además, ha hecho que las cabeceras hayan ido creciendo, decrementando el porcentaje de carga útil, especialmente en los paquetes pequeños. Todo esto hace que los nodos encaminadores requieran mecanismos de control sofisticados para realizar su labor. En particular, deben almacenar todo el paquete para comprobar sus errores. En ausencia de comprobación de errores, el nodo puede también verse obligado a almacenarlo, debido a que la conexión de salida está ocupada en el envío de otro paquete que llegó antes. Además, la complejidad de las cabeceras hace que la implementación de los nodos encaminadores sea compleja.



14

El retardo introducido debido a que un canal está ocupado desfavorece además a los paquetes pequeños. En una red en la que los paquetes son de longitud variable, un paquete corto puede llegar a un nodo que acaba de ocupar la conexión saliente en el envío de un paquete largo. Esto hace que el paquete corto tenga que esperar a que termine todo el envío del paquete largo. Es decir, la relación entre el tiempo esperado para conseguir el enlace y el tiempo de ocupación de ese enlace en los paquetes largos es mucho menor que en los paquetes pequeños. Esta situación hace que las redes de conmutación de paquetes transmitan muy mal datos en tiempo real. Por ejemplo, la transmisión de voz requiere el envío de paquetes cortos de forma periódica. Sin embargo, dado que pueden “cruzarse” con paquetes largos, el retardo del envío de esos datos puede ser demasiado grande. Por ambos motivos (la complejidad de implementación de los nodos encaminadores y la desventaja de los paquetes pequeños), surgió la alternativa de redes basadas en celdas, en las que la unidad básica de intercambio de datos son las celdas en vez de los paquetes. Cada una de las celdas es un bloque de información pequeño y de tamaño fijo. El modo de transferencia asíncrono (ATM, Asynchronous Transfer Mode) utiliza celdas como sistema de comunicación. El tamaño es de únicamente 53 bytes de los cuales 48 son de carga útil y 5 son de cabecera. Gracias a su simplicidad, la implementación de las funciones requeridas por un nodo encaminador ATM puede ser desplazada hacia el hardware, inherentemente más rápido que el software con el que había que implementar el encaminamiento en redes de paquetes. De esta forma, se puede aumentar la velocidad de transmisión, pues los nodos pueden procesar celdas mucho más rápidamente. Igual que Frame relay, que veremos después, ATM utiliza circuitos virtuales para la transmisión de celdas extremo a extremo. En realidad, los identificadores de los circuitos virtuales están jerarquizados en dos partes: un camino virtual (VP, Virtual Path) y un circuito virtual (VC, Virtual Circuit). En la cabecera de cada celda se codifica el identificador del camino virtual (VPI) y el identificador del circuito virtual (VCI). Un camino virtual representa un conjunto de conexiones entre dos conmutadores. Así se puede reducir el tamaño de las tablas de encaminamiento. La longitud del VCI es de 16 bits, mientras que la del VPI puede ser de 8 o 12 bits dependiendo de si la celda viaja entre un sistema final y un conmutador (interfaz usuario-red, UNI) o entre dos nodos internos



15

(interfaz red-red, NNI) respectivamente. Los cuatro bits extras que se ganan en la cabecera de una trama enviada por el interfaz UNI se utilizan para el control de flujo. ATM tampoco proporciona comprobación de errores de celdas, sino que delega esa funcionalidad en las capas superiores. Únicamente dispone de un mecanismo de control de errores en la cabecera, reservando un byte para control mediante CRC, que permite incluso recuperar errores de un bit en la cabecera. También existe un bit que marca la prioridad de la trama. En caso de congestión de la red, las primeras tramas que se desechan son las de baja prioridad. El proveedor de una red ATM puede permitir contratar, igual que Frame relay, circuitos virtuales permanentes (PVC) entre dos sistemas finales. El propio proveedor establece los VPI y VCI e introduce los valores en las tablas de cada conmutador para que las celdas se encaminen siempre por el mismo sitio. Una alternativa de circuito permanente es el conocido como PVCs dinámicos, que pueden responder ante fallos de los nodos intermedios, estableciendo rutas alternativas. Sin embargo, también existe la alternativa de circuitos virtuales conmutados (SVC). Cuando un sistema final quiere iniciar la comunicación con otro, se crea un nuevo circuito virtual ATM. Igual que ocurre con Frame relay, ATM es incapaz de hacer esto directamente, ya que no implementa ningún tipo de direccionamiento de red. Si se está implementando una red IP, se utilizará el direccionamiento particular de estas redes para establecer y cerrar la conexión (crear y destruir el circuito virtual). La explicación anterior hace patente que ATM no implementa el nivel de red. En realidad el estándar ATM define tres niveles: el nivel físico, el nivel ATM y el nivel de adaptación ATM (también conocido como nivel de adaptación de la aplicación). El nivel físico define el medio de transmisión, transmisión de bits, codificación, etc. ATM no obliga a la utilización de ningún nivel físico particular, sino que deja las puertas abiertas a los implementadores de la red. Para facilitar esta libertad, separa el nivel físico en dos subniveles, una dependiente del medio físico y otra de convergencia de transmisión. El nivel ATM es el que implementa los servicios de encaminamiento, gestión de tráfico, conmutación y multiplexación. Acepta segmentos de 48 bytes de datos del nivel superior, y los transforma en las celdas de 53 bytes explicadas anteriormente.



16

Por encima, se encuentra el nivel de adaptación ATM (AAL, ATM Adaptation Layer). Esta capa permite a las redes existentes (como las redes de paquetes) utilizar ATM. Por encima de AAL se colocan las diferentes implementaciones de las capas de esas redes. En redes de paquetes, por ejemplo, la capa AAL divide el paquete de longitud variable en tramas de tamaño fijo para ser enviadas utilizando el nivel ATM. La capa AAL puede utilizar algún byte de datos de las celdas ATM para control, reduciendo la carga útil de la trama de 48 a 47 o menos bytes. Existen diferentes categorías de AAL diseñadas para soportar los distintos tipos de datos que pueden requerir las capas superiores. Por ejemplo, la implementación AAL1 se utiliza para aplicaciones que transfieren flujos de bits constantes como vídeo y voz, de forma que se pueda utilizar ATM para conectar redes telefónicas digitales. AAL3 soporta servicios de datos orientados a conexión y AAL4 servicios sin conexión. EN Internet hoy en día, se emplea AAL5. ATM se utiliza principalmente para conectar entre sí distintas LAN o incluso WAN a través de circuitos virtuales permanentes. ATM es básicamente una tecnología WAM para el envío de celdas a largas distancias. En esos casos, el sistema final de la red ATM sería el encaminador entre la red ATM y la otra red. Por ejemplo consideremos la unión de dos redes Ethernet utilizando TCP/IP a través de ATM. Cada una de esas dos LAN tienen sendos encaminadores que implementan la pila de protocolos de Ethernet junto con TCP/IP. Además, ambos implementan una segunda pila de protocolos ATM, que consiste en la capa del nivel físico, nivel ATM, nivel AAL y nivel IP o de red. ATM también puede utilizarse para unir dos redes de área extensa, utilizando encaminadores que implementan ambas pilas de protocolo.

6. Frame Relay Frame relay (también escrito como frame-relay) surgió como alternativa al ya superado X.25, para la transmisión eficiente de datos digitales. Frame relay conforma una red de nodos encaminadores separados a gran distancia, por lo que entra dentro de las redes de área extensa. El uso habitual que se ha dado a esta red es la interconexión de redes locales conectadas a frame-relay a través de los correspondientes DCEs.



17

Frame relay está construida utilizando líneas de buena calidad y señales digitales. Gracias a la mayor fiabilidad de estas líneas, frame-relay no se preocupa de la comprobación de errores, asignando esa tarea a los dos extremos que intervienen en la comunicación. La calidad de las líneas redunda también en una baja tasa de error de las líneas, lo que permite no perder ancho de banda en tramas de reconocimiento. Las redes frame-relay utilizan conmutación de paquetes sobre circuitos virtuales. Implementa únicamente la capa de enlace de datos, por lo que los circuitos virtuales son a nivel 2 de OSI. La ventaja de no imponer un nivel de red determinado es que cada usuario de la red puede utilizar el que desee. El proveedor de la red dispone, igual que en ATM, de dos servicios: la contratación de circuitos virtuales permanentes (PVC, Permanent Virtual Circuit) y circuitos virtuales conmutados (SVC, switched virtual circuits). Un uso habitual de Frame relay es la contratación de un PVC para la unión de dos LAN de una organización separadas geográficamente. El proveedor de la red proporciona el identificador del circuito virtual, llamado en frame-relay identificador de conexión de enlace de datos (DLCI, Datalink Connection Identifier). El dispositivo de encaminamiento de cada una de las redes locales (ya sea un switch, puente o router), hace las veces de DTE conectado al DCE de frame-relay. Cuando detecta que tiene que enviar una trama a la otra LAN, utiliza el identificador del circuito virtual para enviar la información al DCE que la hace llegar al DCE destino, al que estará enganchado el encaminador de la LAN final. Los DLCI son identificadores locales a nivel de enlace de datos entre el DTE y el DCE, y pueden cambiarse por el camino. Cuando una organización contrata un circuito virtual permanente, el proveedor indica el DLCI que se utilizará en cada uno de los extremos. Los circuitos virtuales conmutados (SVC) fueron añadidos posteriormente a las redes frame-relay. La creación de estos circuitos virtuales no puede hacerse directamente utilizando los medios que frame-relay pone a nuestra disposición. Debido a que ésta únicamente implementa el nivel de enlace de datos punto a punto, no tiene forma de direccionar cada uno de los nodos conectados a la red. Una vez establecido un circuito virtual (es decir, establecidas las entradas en las tablas de los nodos intermedios de la red), es capaz de encaminar paquetes enviados de un nodo a otro, pero no es capaz por sí sola de crear esos circuitos.



18

En el caso de los PVC, el proveedor de la red añade las entradas directamente a los nodos en el momento de la contratación, pero para los SVC esa alternativa no es válida, pues deben poder establecerse automáticamente. Para eso, se necesitan los servicios del protocolo que tenga el nivel de red y su modo de direccionamiento. Por ejemplo la tecnología frame-relay se utiliza en RDSI. Ésta proporciona un método de direccionamiento que se utiliza en la fase de conexión entre dos nodos para crear el circuito virtual en el nivel de enlace de datos. Cuando los dos extremos cierran la conexión (a nivel de red), se destruye el circuito virtual.

5. REDES INALÁMBRICAS

En el pasado, las redes por cable copaban la mayor parte de las comunicaciones a nivel de área extensa. Pero en los últimos años, la tendencia a la movilidad y la necesidad de la ubicuidad de las conexiones ha conllevado el desarrollo de potentes estándares inalámbricos. En este apartado vamos a repasar las tecnologías inalámbricas más extendidas y disponibles en la actualidad, en cuanto a la interconexión de redes: WiMAX, una red de acceso inalámbrica que puede reemplazar a las redes por cable; la red celular de teléfonos móviles, con sus cuatro generaciones y las redes de satélites, con sus satélites GEO, MEO y LEO.

1. WiMAX Antes hemos comentado cómo las compañías telefónicas y de cable proporcionan acceso a Internet para oficinas y hogares. La tendencia actual es ir transitando a un modelo inalámbrico para este propósito, por dos razones: primero, porque la gente quiere poder acceder a Internet incluso en los lugares en los que no es posible (o es muy caro) emplear cables y segundo, porque la gente quiere acceder desde sus teléfonos móviles. WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave), resultado del proyecto IEEE 802.16, se ha creado con este propósito. WIMAX ofrece dos tipos de servicios para los suscriptores: fijo y móvil. En el servicio fijo, una estación base puede emplear diferentes tipos de antenas para optimizar sus prestaciones. Mientras transmite, puede enfocar su energía en la dirección del suscriptor; mientras recibe, puede



19

enfocarse en la dirección de la estación del suscriptor para recibir de él la máxima energía posible. Puede ser comparado con el servicio proporcionado por cable. En el servicio móvil, todo es igual, excepto que la estación del suscriptor puede moverse. IEEE ha dividido la capa de enlace de datos en 3 subcapas (SSC, MAC y Security) y la capa física en 2 subcapas (TC y PMD). La subcapa SSC (Service Specific Convergence) es parecida a una subcapa DLC revisada para banda ancha inalámbrica; la subcapa MAC define el método de acceso y el formato de la trama y es orientada a conexión; la subcapa de Seguridad proporciona encriptación entre las estaciones. Las conexiones que se establecen tienen asociadas un identificador (VCI) para gestionarlas. La subcapa TC (Transmission Convergence) emplea división en el tiempo bidireccional y se apoya en los VCI. Y por último está la capa PMD (Physical Medium Dependent), que está en continua evolución. Apoyándose en estas capas y servicios, WiMAX ofrece un acceso inalámbrico para la “última milla” (de hecho también se le conoce como “enlace local inalámbrico”) que está llamado a ir sustituyendo a las tecnologías por cable en este punto de acceso a la red.

2. Telefonía móvil Otra tecnología ampliamente extendida es la telefonía celular (conocida en España como “telefonía móvil”). Originariamente se diseñó para proporcionar comunicaciones entre dos unidades móviles, llamadas estaciones móviles (MSs) o entre una estación móvil y una estática. Los proveedores de este servicio deben ser capaces de localizar y seguir a un llamador, asignar un canal a la llamada y transferir el canal entre estaciones base si el llamador se sale del área de cobertura.

Para hacer posible este seguimiento (tracking), cada área de servicio celular se divide en áreas más pequeñas llamadas celdas. Cada celda contiene una antena y es controlada por una estación de red llamada estación base (BS). Cada estación base es controlada por una oficina de conmutación, llamada centro de conmutación móvil (MSC). Los MSC coordinan la comunicación entre estaciones base y la oficina telefónica central, que es un centro informatizado y automatizado responsable de las llamadas, de recopilar su información y de su facturación. El tamaño de las celdas no es fijo, de modo que puede modificarse dependiendo de la población del área. El radio típico de una celda es de 1 a 12 millas, pero en realidad se determinada la densidad del área, y se optimiza el tamaño de la celda, así como la potencia de la señal, para prevenir interferencias de señales de celdas adyacentes



20

Cuando un llamador introduce un código de entre 7 y 10 dígitos (un número de teléfono) y presiona el botón de llamada, una estación móvil escanea la banda disponible, buscando un canal con una señal fuerte y envía los datos (el número de teléfono) a la estación base más cercana, empleando dicho canal. La estación base le pasa los datos al MSC. El MSC envía los datos a la oficina telefónica central. Si el destinatario de la llamada está disponible, se crea una conexión y se envía la información de la misma al MSC. En ese momento, el MSC asigna un canal de voz libre a la llamada y se establece la conexión. La estación móvil se ajusta automáticamente al nuevo canal y comienza la comunicación. Cuando se llama a un teléfono móvil, la central telefónica central envía el número al MSC. El MSC busca la estación móvil que puede encontrarlo enviando señales con ese número a todas las celdas, en un proceso llamado paginado (“paging”). Una vez que se localiza la estación, el MSC transmite una señal de llamada y, cuando la estación móvil responde, asigna un canal de voz a la llamada, permitiendo que comience la comunicación de voz.

Es posible que, durante una conversación, la estación móvil se mueva a otra celda, debilitando la señal. Para resolver este problema, el MSC monitoriza la potencia de la señal cada pocos segundos y, si disminuye, envía una señal a la nueva celda para recolocar la comunicación.

Una de las principales características de la telefonía celular es el llamado “roaming”. Roaming, significa, en principio, que un usuario puede llamar si está en un lugar que dispone de cobertura. Cada proveedor de servicios proporciona una cobertura limitada; de modo que los proveedores de servicios emplean la cobertura de proveedores vecinos para ampliar su propia cobertura. Esto es lo que se denomina un contrato de roaming.

Hasta el día de hoy, ha habido cuatro generaciones de sistemas de telefonía móvil. Las dos primeras, 1G y 2G estaban orientadas a la transmisión de voz. 1G estaba diseñada para transmisión de voz sobre señales analógicas; con una tecnología denominada AMPS. 2G proporcionaba comunicaciones de voz de alta calidad (con mucho menos ruido) y estaba diseñada principalmente para voz digitalizada. Los tres sistemas principales de 2G fueron: GSM (Global System for Mobile Communication) en Europa y D-AMPS (Digital-AMPS) e IS-95 (Interim Standard 95) en América. Con la 2G se avanzó mucho en la digitalización de las señales y en los algoritmos de gestión de los canales, la sincronización y la propia transmisión digital, logrando de este modo mejorar sensiblemente la calidad y el ancho de banda disponible.



21

3G es una combinación de tecnologías que proporciona comunicación digital de voz y datos. Empleando un pequeño dispositivo portátil, una persona puede hablar con otra, igual que lo haría en la red telefónica habitual y puede hacer uso de la red de datos, para descargar y escuchar música, navegar por internet, hacer videoconferencia, y mucho más. Una de sus características más interesantes es que el dispositivo portátil siempre está conectado; no es necesario marcar un número para conectar a Internet. El principal objetivo de 3G es proporcionar comunicación personal universal. 4G se plantea como una completa evolución en las comunicaciones sin cable. Algunos de sus objetivos son: red de alta capacidad, ancho de banda de 100 Mbps en un coche en movimiento y 1 Gbps para usuarios en reposo, roaming global, alta calidad de servicio, interoperatividad con los estándares de redes inalámbricas y redes de conmutación de paquetes sobre IP, soportando IPv6. Cada día es más frecuente ver cómo una persona emplea su móvil para conectarse a Internet, al tiempo que lo conecta a su portátil y navega a través de la conexión que proporciona. El ancho de banda amplio y las tas tarifas planas popularizan este tipo de acceso.

3. Redes de satélites Hace unos años, los satélites sonaban como algo demasiado sofisticado, remoto o caro. Hoy en día esta situación ha cambiado, hasta el punto de que los dispositivos móviles se conectan continuamente a las redes de satélites; valga como ejemplo el uso indiscriminado del sistema GPS. Una red de satélites es una combinación de nodos, algunos de los cuales son satélites, que proporcionan comunicación desde un punto de la Tierra a otro. Un nodo de la red puede ser un satélite, una estación en Tierra, o un teléfono o terminal de usuario. Se usan satélites artificiales para regenerar la señal, que pierde potencia durante el trayecto.

Las redes de satélites comparten con las celulares el uso de celdas. Los satélites pueden enviar transmisiones desde y hacia cualquier lugar de la Tierra, no importa lo lejos que esté. Esto permite la comunicación de alta calidad a lugares inaccesibles por tierra. Los satélites orbitan alrededor de la Tierra, con órbitas que pueden ser ecuatoriales, inclinadas o polares. Los satélites emplean microondas con antenas bidireccionales, el área en que la señal de un satélite se puede localizar se conoce como “huella” (footprint). La potencia de la señal es máxima en el centro de la huella y disminuye según nos alejamos.



22

Según la altitud de sus órbitas, se dividen los satélites en tres categorías: GEO (órbita geoestacionaria) los más altos, LEO (low-Earth-orbit) y MEO (médium-Earth-orbit). Los satélites GEO mantienen su posición relativa con respecto a la Tierra, girando a su misma velocidad. Esto sólo puede conseguirse en el Ecuador a una cierta altitud. Se conectan entre sí para cubrir la extensión de toda la Tierra. Los satélites MEO precisan de entre 6 y 8 horas para dar la vuelta a la Tierra. En ellos se apoya el sistema GPS, que emplea 24 satélites en seis órbitas, de modo que en cualquier momento y desde cualquier punto de la Tierra, se pueden ver 4 de los satélites. Mediante la comunicación con ellos, se puede deducir la posición en la que se encuentra el observador. Los satélites LEO tienen órbitas polares, con un periodo de rotación de entre 90 y 120 minutos. Suelen tener un acceso de tipo celular, parecido al sistema telefónico celular. Como están cerca de la tierra, el retardo de propagación es pequeño y pueden emplearse para comunicación de audio. Un sistema LEO está hecho de una constelación de satélites que trabajan juntos como una red; cada satélite trabaja como un conmutador. Un sistema móvil puede conectarse a esta red. La red de satélites es otra forma viable de conectar redes entre sí y de hacer transmisiones a lo largo y ancho del planeta.

6. CONCLUSIONES

En este tema se han enumerado las tecnologías empleadas en las redes de área extensa más importantes de los últimos tiempos, tanto por cable como inalámbricos. Hemos comentado el protocolo más extendido en las redes punto a punto, el PPP, y hemos expuesto cómo se ha ampliado el rango de posibilidades tanto para acceder a las redes de área extensa (siendo Internet el ejemplo más evidente de estas redes) o de conectar redes existentes entre distintos puntos del globo.

7. BIBLIOGRAFÍA

• “Transmisión de datos y redes de comunicaciones”. Behrouz A. Forouzan. Segunda, Cuarta y Quinta Ediciones.



23

• “Redes de computadoras”. Andrew S. Tanenbaum. Cuarta edición. Prentice Hall

• “Comunicaciones y redes de computadores”. William Stallings. Sexta Edición. Prentice Hall

• Large Image of telephone switchboard- Photograph courtesy of Joseph A. Carr (en http://en.wikipedia.org/wiki/Telephone_exchange)

• http://en.wikipedia.org



24

RE

V.:

05/1

6

E

mai

l: in

fo@

prep

arad

ores

.eu

•

Web

: http

://w

ww

.pre

para

dore

s.eu

NOTAS

sist. y apli. informÁticas redes de área extensa · processor), también conocidos como nodos o...

Documents