Arquitetura de Redes - Introdução

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1908 – Arquitectura de Redes
Tema 1. Introducción a la arquitectura 
y organización de las redes de 
ordenadores
Pedro M. Ruiz
<pedrom@um.es>
Francisco J. Ros
<fjros@um.es>
3º Grado en Ingeniería Informática – 2011/2012
Organización del tema
� Clasificación, tipos de redes y estrategias de 
conmutación
� Arquitectura por niveles (OSI vs TCP/IP)
� Aspectos de diseño en Internet
� Organización y estructura de Internet
2Arquitectura de Redes - Universidad de Murcia
Organización del tema
� Clasificación, tipos de redes y estrategias de 
conmutación
� Arquitectura por niveles (OSI vs TCP/IP)
� Aspectos de diseño en Internet
� Organización y estructura de Internet
3Arquitectura de Redes - Universidad de Murcia
Clasificación y tipos de redes
� Una red, es una colección interconectada de 
dispositivos autónomos
– Pueden intercambiar información
– Cada dispositivo funciona independientemente
� Existen clasificaciones en base a múltiples criterios
– Uso de la red (empresarial, doméstica,..)
– Extensión espacial (de área local, extensa…)
– Tipo de tecnología empleada, etc
4Arquitectura de Redes - Universidad de Murcia
Elementos básicos de una red
� Sistemas finales (hosts)
– PCs, PDAs,…
– Equipos que ejecutan aplicaciones de red
� Enlaces de comunicación
– Medios físicos que conectan los sistemas finales
�Tipos:
�Cableados: coaxial, par trenzado, fibra óptica
�Inalámbricos: microondas, satélites
– La velocidad de transmisión se denomina ancho de 
banda (bits/seg, bps)
5Arquitectura de Redes - Universidad de Murcia
Elementos básicos de una red
� Dispositivos de conmutación (routers)
– Equipos situados en los cruces de los enlaces de 
comunicación que conducen la información por el 
camino adecuado entre sistemas finales
� Protocolos
– Reglas que controlan el formato de la información y los 
procedimientos de envío y recepción
6Arquitectura de Redes - Universidad de Murcia
Clasificación atendiendo a la localidad 
espacial
� Redes de área local (LANs)
– Propiedad privada
– Principalmente para compartición de recursos
� Redes de área metropolitana (MANs)
– Pueden interconectar varias LANs cercanas
– Actualmente gran interés basado en tecnologías inalámbricas
� Redes de area extensa (WANs)
– Interconectan múltiples LANs o MANs remotas
– Formadas por un núcleo de enlaces de alta capacidad
– Multitud de tecnologías de red (ATM, FrameRelay, WDM,…)
7Arquitectura de Redes - Universidad de Murcia
Estrategias de Conmutación
� Conmutación de circuitos
� Conmutación de circuitos virtuales
� Conmutación de mensajes
� Conmutación de paquetes
8Arquitectura de Redes - Universidad de Murcia
Algunas definiciones previas
� Longitud del paquete, P, se mide en bits.
� Longitud del enlace, L, se mide en metros.
� Tasa de datos, R, es la tasa a la que se pueden enviar bits, 
bits/segundo, b/s, o bps.1
� Retardo de propagación, PROP, es el tiempo que tarda un bit en 
recorrer la longitud del enlace, L. 
PROP = L/c. 2
� Tiempo de transmisión, TRANSP, es el tiempo que lleva 
transmitir un mensaje de longitud P. 
TRANSP = P/R. 
� Retardo es el tiempo desde que se envió el primer bit, hasta 
que se recibe el último. En un enlace: 
Latency = PROP + TRANSP.
1. Nótese que un kilobit/segundo, kb/s, son 1000 bits/segundo, no 1024 bits/segundo.
2. La velocidad de transmisión se asume la de la luz en este caso, en general depende
del medio de transmisión.
9Arquitectura de Redes - Universidad de Murcia Source: CS244, Steve McKeown, Stanford University
Conmutación de Circuitos
A B
Fuente Destino
� Es el método usado por la red telefónica
� Una comunicación tiene tres fases:
1. Establecer el circuito extremo a extremo (“marcación”),
2. Comunicar los datos,
3. Cerrar el circuito (“colgar”).
� Un circuito es como un cable físico extremo a extremo. 
10Arquitectura de Redes - Universidad de Murcia Source: CS244, Steve McKeown, Stanford University
Conmutación de Circuitos
Red Telefónica
Fuente
“llamante”
Central
de
Conmutación
Destino
“llamado”
Central de
Conmutación
Intercambiador
de troncales
A cada llamada se le asignan 
64kb/s. Por tanto una troncal de 
2.5Gb/s pude soportar hasta 
39,000 llamadas simultáneas.
11Arquitectura de Redes - Universidad de Murcia Source: CS244, Steve McKeown, Stanford University
Conmutación de Circuitos Virtuales
A B
Source Destination
� Se trata de conmutación de paquetes, no de circuitos
� Durante la fase de marcación, cada conmutador asocia la 
interfaz de entrada y de salida para cada CV
� Los datos enviados incluyen el identificador del CV para que los 
conmutadores intermedios lo envíen por el camino elegido
� Se ofrece caudal fijo como en la conmutación de circuitos, pero 
ofrece una mayor flexibilidad y tolerancia a fallos al operador
VC 25, IIF 3, OIF 5
VC 19, IIF 3, OIF 6
12Arquitectura de Redes - Universidad de Murcia Source: CS244, Steve McKeown, Stanford University
Circuito Virtual
3 2 1
A
B
C
D
E
13Arquitectura de Redes - Universidad de Murcia
Conmutación de Mensajes
A
R1
R2
R4
R3
B
Fuente Destino
� Cada mensaje se enruta independientemente usando la tabla de 
rutas local al encaminador
� Los routers no mantienen estado por flujo
� Diferentes paquetes podrían seguir caminos distintos
� Un encaminador podría recibir varios paquetes para un mismo 
enlace de salida, por tanto requiere de buffers
� Se puede mejorar el rendimiento, dividiendo los mensajes en 
paquetes: conmutación de paquetes (datagramas)
14Arquitectura de Redes - Universidad de Murcia Source: CS244, Steve McKeown, Stanford University
R1
Link 1
Link 2
Link 3
Link 4
Link 1, ingress Link 1, egress
Link 2, ingress Link 2, egress
Link 3, ingress Link 3, egress
Link 4, ingress Link 4, egress
Choose
Egress
Choose
Egress
Choose
Egress
Choose
Egress
“4”
“4”
Conmutación de Paquetes
Modelo simple de Router
15Arquitectura de Redes - Universidad de Murcia Source: CS244, Steve McKeown, Stanford University
Datagrama
A
B
C
D
E
1
2
1
1 3
2
12
3
16Arquitectura de Redes - Universidad de Murcia
1.11.3 1.2
2.12.3 2.2
B.1B.3 B.2
C.1C.3 C.2
Red de CVs
Red de datagramas
A
A
B
B
C
C
Cada paquete lleva el
número del circuito virtual
al que pertenece 
Cada datagrama lleva la
dirección de destino
El orden se 
respeta siempre
El orden no siempre
se respeta
Todos los paquete que
van por un mismo VC
usan la misma ruta
La ruta se elige de
forma independiente
para cada datagrama
Circuito Virtual vs Datagrama
17Arquitectura de Redes - Universidad de Murcia
Multiplexación Estadística
Idea Básica
tiempo
tiempo
tiempo
tasa
Un flujo Dos flujos
Tasa
media
Múltiples flujos
� El tráfico normal tiene ráfagas,
e.d. la tasa cambia frecuentemente.
� Los picos de flujos independientes
normalmente suceden en instantes
diferentes.
� Conclusión: Cuantos más flujos, más 
estable el tráfico.
Tasa media de: 
1, 2, 10, 100, 1000 
flujos.
tasa
tasa
18Arquitectura de Redes - Universidad de Murcia Source: CS244, Steve McKeown, Stanford University
Tasa enlace, R
X(t) B
Paquetes descartados
Tamaño de 
la cola
X(t)
Tiempo
Buffer de 
paquetes
Paquetes para la 
misma interfaz de 
salida
Conmutación de Paquetes
Multiplexación Estadística
Data Hdr
Data Hdr
Data Hdr
R
R
R
� Como el buffer absobe ráfagas temporales, el enlace de salida no 
necesita funcionar a una tasa NxR 
� Pero el buffer tiene tamaño limitado, B, puede haber pérdidas.
� El delay puede ser variable, por lo que no hay garantía de QoS
1
2
N
19Arquitectura de Redes - Universidad de Murcia Source: CS244, Steve McKeown, Stanford University
Multiplexación Estadística
B
A
time
time
Rate
Rate
C
C
A C
B C
20Arquitectura de Redes - Universidad de Murcia Source: CS244, Steve McKeown, Stanford University
Ganancia por Multiplexación Estadística
A
B
R
2C
R < 2C
A+B
tiempo
Tasa
Statistical multiplexing gain (SMG) = 2C/R
Otras definiciones de SMG: El ratio detasas que dan lugar a un 
determinado nivel de ocupación o de tasa de pérdidas.
21Arquitectura de Redes - Universidad de Murcia Source: CS244, Steve McKeown, Stanford University
¿Por qué usa Internet conmutación de 
paquetes? 
1. Hace un uso eficiente de enlaces caros
– Asume que los enlaces son caros y escasos. 
– Permite que muchos flujos compartan el enlace 
satisfactoriamente.
– “Circuit switching is rarely used for data networks, ... because 
of very inefficient use of the links” - Gallager
2. Tolerancia a fallos en los enlaces y los routers
– ”For high reliability, ... [the Internet] was to be a datagram 
subnet, so if some lines and [routers] were destroyed, 
messages could be ... rerouted” - Tanenbaum
22Arquitectura de Redes - Universidad de Murcia Source: CS244, Steve McKeown, Stanford University
Host A
Host B
R1
R2
R3
A
R1
R2
R4
R3
B
TRANSP1
TRANSP2
TRANSP3
TRANSP4
PROP1
PROP2
PROP3
PROP4
Fuente Destino
“Store-and-Forward” en cada router
( )i i
i
TRANSP PROP= +∑Minimum end to end latency
Conmutación de Paquetes
Mínimo retardo extremo a extremo
23Arquitectura de Redes - Universidad de Murcia Source: CS244, Steve McKeown, Stanford University
Conmutación de Paquetes
¿Por qué paquetes mejor que mensajes?
Trocear los mensajes en paquetes permite el envío en paralelo por los 
diferentes enlaces de la red, reduciendo la latencia extremo a extremo. 
También evita que un enlace quede ocupado durante mucho tiempo.
Trocear los mensajes en paquetes permite el envío en paralelo por los 
diferentes enlaces de la red, reduciendo la latencia extremo a extremo. 
También evita que un enlace quede ocupado durante mucho tiempo.
Host A
Host B
R1
R2
R3
M/R
min/ i
i
M R PROP= +∑Latency
Host A
Host B
R1
R2
R3
( / )i i
i
PROP M R= +∑Latency
M/R
Retardo Retardo
24Arquitectura de Redes - Universidad de Murcia Source: CS244, Steve McKeown, Stanford University
Conmutación de Paquetes
Retardo por Encolado
Host A
Host B
R1
R2
R3
TRANSP1
TRANSP2
TRANSP3
TRANSP4
PROP1
PROP2
PROP3
PROP4
( )i i i
i
TRANSP PROP Q= + +∑Actual end to end latency
Q2
Como el enlace de salida no tiene por qué estar libre al llegar un paquete, 
éste se encola en un buffer. Si la red está ocupada, los paquetes podrían 
tener que esperar un tiempo no despreciable.
Retardo e2e real
25Arquitectura de Redes - Universidad de Murcia Source: CS244, Steve McKeown, Stanford University
Resumen Conmutación
Conmutación de 
circuitos
C.P, Datagramas C.P, Circuitos Virtuales
�Ruta de transmisión 
dedicada
�Transmisión de datos 
continua
�Los mensajes no se 
almacenan
�La ruta se establece para la 
conversación entera
�Retardo de establecimiento 
de llamada. Retardo de 
transmisión despreciable
�Ancho de banda fijo 
�Ruta de transmisión no 
dedicada
�Transmisión de paquetes
�Los paquetes pueden 
almacenarse hasta su 
entrega
�Se establece una ruta 
para cada paquete
�Retardo de transmisión 
de paquetes 
�Uso dinámico del ancho 
de banda 
�Ruta de transmisión no 
dedicada
�Transmisión de paquetes
�Los paquetes pueden 
almacenarse hasta su 
entrega
�La ruta se establece para la 
conversación entera
�Retardo de establecimiento 
de llamada. Retardo de 
transmisión de paquetes
�Uso dinámico del ancho de 
banda
26Arquitectura de Redes - Universidad de Murcia
Organización del tema
� Clasificación, tipos de redes y estrategias de 
conmutación
� Arquitectura por niveles (OSI vs TCP/IP)
� Aspectos de diseño en Internet
� Organización y estructura de Internet
27Arquitectura de Redes - Universidad de Murcia
¿Por qué una arquitectura por niveles?
� En una comunicación se plantean multitud de problemas 
técnicos a abordar
– codificación, sincronización,
– acceso a un medio compartido, detección y corrección de errores, 
garantía de entrega al siguiente salto,
– encaminamiento hasta el destino,
– garantía de entrega al destino, etc.
� “Divide y vencerás”
– la funcionalidad se distribuye entre un conjunto de capas o niveles
– un par de entidades de una misma capa define un protocolo
�conjunto de reglas que define el intercambio de mensajes y su sintaxis
– una entidad en un nivel ofrece servicios al nivel superior usando 
servicios del nivel inferior
28Arquitectura de Redes - Universidad de Murcia
CSCTCRCE
CSCTCR
Arquitectura por niveles
Aplicación
Presentación
Sesión
Transporte
Enlace
Físico
Aplicación
Presentación
Sesión
Transporte
Enlace
Físico
Protocolo
Red Red
CS
CSCT
CSCTCRCE
CS
CSCT
CSCTCRCE
CSCTCR
CSCTCRCE
CE= Cabecera de Enlace CR= Cabecera de Red 
CT= Cabecera de Transporte CS= Cabecera de Sesión
29Arquitectura de Redes - Universidad de Murcia
Modelo OSI
Sistema 
Final
Sistema 
Final
7
6
5
4
3
2
1
3
2
1
7
6
5
4
3
2
1
Sistema 
Intermedio
APLICACIÓN
PRESENTACIÓN
SESIÓN
TRANSPORTE
RED
ENLACE
FISICO
30Arquitectura de Redes - Universidad de Murcia
Arquitectura TCP/IP
Transporte
Interred
Subred
Físico
Aplicación
Bloque de 
Aplicación
Servicios 
de Red
Mensajes o 
Flujos contínuos
Segmentos
Datagramas IP
Tramas de subred
31Arquitectura de Redes - Universidad de Murcia
Mapa de Protocolos TCP/IP
SUBRED + FÍSICO
IP (con ICMP e IGMP)
ARP RARP
UDPTCP
NFS
DNS
Rlogin
Rsh
FTP
TELNETSMTP RPC
BOOTP
DHCP
SNMP
ASN.1 TFTP RPC XDR
APLICACIONES
32Arquitectura de Redes - Universidad de Murcia
Organización del tema
� Clasificación, tipos de redes y estrategias de 
conmutación
� Arquitectura por niveles (OSI vs TCP/IP)
� Aspectos de diseño en Internet
� Organización y estructura de Internet
33Arquitectura de Redes - Universidad de Murcia
Introducción al correo postal
Bob Alice
Madrid Barcelona
Admin Admin
34Arquitectura de Redes - Universidad de Murcia Source: CS244, Steve McKeown, Stanford University
Características del correo postal
� Cada sobre se envía independientemente.
� No hay una garantía de tiempo de entrega.
� No hay garantía de entrega en orden.
� De hecho, ¡no hay garantía de entrega!
� Las cosas se pierden
� ¿Cómo podemos confirmar la entrega?
� Si no se confirma la recepción, o se confirma la no 
recepción, reenvío
� ¿Cómo determinar cuándo reenviar? ¿Expiración?
� Hacen falta copias de lo que se envió.
� ¿Cuánto tiempo hay que mantener esas copias?
� ¿Qué pasa si se piede la confirmación de entrega? 
35Arquitectura de Redes - Universidad de Murcia Source: CS244, Steve McKeown, Stanford University
Introducción al correo postal
Bob Alice
Madrid Barcelona
Admin Admin
Nivel de Aplicación
Nivel de transporte
Nivel de red
Nivel de enlace
36Arquitectura de Redes - Universidad de Murcia Source: CS244, Steve McKeown, Stanford University
Introducción a Internet
Bob Alice
host1.madrid.net host2.barcelona.net
Nivel de red
Nivel de Enlace
Nivel de Aplicación
Nivel de transporte
O.S. O.S.HeaderData HeaderData
DatagramasDatagramas
37Arquitectura de Redes - Universidad de Murcia Source: CS244, Steve McKeown, Stanford University
Características de Internet
� Cada paquete se envía independientemente.
� No hay una garantía de tiempo de entrega.
� No hay garantía de entrega en orden.
� De hecho, ¡no hay garantía de entrega!
� Los paquetes se pierden
� ¿Cómo podemos confirmar la entrega?
� Si no se confirma la recepción, o se confirma la no 
recepción, reenvío
� ¿Cómo determinar cuándo reenviar? ¿Expiración?
� Hacen falta copias locales de lo que se envió.
� ¿Cuánto tiempo hay que mantener esas copias?
� ¿Qué pasa si se piede la confirmación de entrega?
38Arquitectura de Redes - Universidad de Murcia Source: CS244, Steve McKeown, Stanford University
Características adicionales de Internet
� No hay garantía de la integridad de los datos.
� Los paquetes pueden fragmentarse.
� Los paquetes pueden duplicarse.
39Arquitectura de Redes - Universidad de Murcia Source: CS244, Steve McKeown, Stanford University
Organización del tema
� Clasificación, tiposde redes y estrategias de 
conmutación
� Arquitectura por niveles (OSI vs TCP/IP)
� Aspectos de diseño en Internet
� Organización y estructura de Internet
40Arquitectura de Redes - Universidad de Murcia
Arquitectura de Internet
41Arquitectura de Redes - Universidad de Murcia Source: Libro de Stallings
Ejemplo de Configuración
42Arquitectura de Redes - Universidad de Murcia Source: Libro de Stallings
Bibliografía
� Básica
– Comer, cap 1 y 2
– Peterson, sec 2.3 y 3.1
– Stallings, Data Comm, cap 1, 2 y 8
43Arquitectura de Redes - Universidad de Murcia
Bibliografía
� Complementaria
– A. Pattavina, “Switching Theory”. Wiley, 1998.
– D. Clark, “The Design Philosophy of the DARPA Internet 
Protocols”, Proc. ACM SIGCOMM 1988, pp. 106-114.
– Jose Miguel Alonso, “Protocolos de comunicaciones 
para sistemas abiertos”, Addison-Wesley, 1996.
– Tanenbaum, cap 1
44Arquitectura de Redes - Universidad de Murcia