Ingenieria - Analisis de Redes y Sistemas de Comunicaciones (UPC)

5/21/2018 Ingenieria - Analisis de Redes y Sistemas de Comunicaciones (UPC)

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POLITEXT 128

Anlisis de redes ysistemas de comunicaciones



POLITEXT

EDICIONS UPC

Xavier Hesselbach SerraJordi Alts Bosch

Anlisis de redes ysistemas de comunicaciones



La presente obra fue galardonada en el octavo concurso

"Ajut a l'elaboraci de material docent" convocado por la UPC.

Primera edicin: octubre 2002

Diseo de la cubierta: Manuel Andreu

Los autores, 2002

Edicions UPC, 2002

Edicions de la Universitat Politcnica de Catalunya, SLJordi Girona Salgado 31, 08034 Barcelona

Tel.: 934 016 883 Fax: 934 015 885

Edicions Virtuals: www.edicionsupc.es

E-mail: [email protected]

Produccin: CPET (Centre de Publicacions del Campus Nord)

La Cup. Gran Capit s/n, 08034 Barcelona

Depsito legal: B-41612-2002

ISBN: 84-8301-611-7

Quedan rigurosamente prohibidas, sin la autorizacin escrita de los titulares del copyright, bajo las san-

ciones establecidas en las leyes, la reproduccin total o parcial de esta obra por cualquier medio o pro-cedimiento, comprendidos la reprografa y el tratamiento informtico, y la distribucin de ejemplares de

ella mediante alquiler o prstamo pblicos.



Prlogo 7

Prlogo

Esta obra que est en sus manos es fruto del reto de cubrir un hueco bibliogrfico en la descripcin delas redes de comunicaciones y en la aplicacin de herramientas para su anlisis.

En el nimo de los autores se encuentra ofrecer una visin descriptiva y general de las tecnologas dered actuales, contemplando la tan frecuentemente olvidada vertiente analtica, indispensable tanto parala comprensin del funcionamiento de los sistemas como para su correcto dimensionado.

Es por este motivo que este libro se estructura del siguiente modo: un captulo inicial para presentarlos conceptos y definiciones fundamentales en el rea de las redes telemticas, que permite introduciren el siguiente la descripcin de los principales mtodos y algoritmos de las modernas tecnologas(que por avanzadas que sean, siempre tienen fecha de caducidad). Se dedica un captulo a lasherramientas de anlisis basadas en la teora de colas, cuyos modelos permiten el estudio de todasestas tecnologas, con instrumentos de trabajo perennes en el tiempo. No se pasan por alto los mtodosde acceso tradicionales, ni tampoco las redes de banda ancha, con especial atencin a los problemasespecficos a los que estn enfocadas y las soluciones que aportan.

Confiamos en que los esfuerzos dedicados a la culminacin de este libro sean tiles tanto a estudiantes

de los ltimos cursos de ingeniera especializada en telemtica como a jvenes estudiantes dedoctorado, que buscan comprender los fundamentos de las redes de comunicaciones y conocer las

principales herramientas de anlisis para abordar el problema de estudio del comportamiento de undeterminado sistema o red.

Las tecnologas de red nacen, se desarrollan y acaban por desaparecer. Algunas, como Ethernet,parecen revitalizarse da a da, lejos de seguir la suerte de muchas otras contemporneas suyas que yaestn casi olvidadas. Sin embargo, los conceptos de red perduran. El lector encontrar en estas pginasimplementaciones y anlisis, las primeras sufriendo el paso del tiempo, pero las segundas mostrandometodologas de anlisis que se va aplicando y se podrn aplicar a las tecnologas existentes y las queestn por llegar en el futuro.

Los autores, 2002; Edicions UPC, 2002.



ndice 9

ndice

PRLOGO............................................................................................................................................7

NDICE..................................................................................................................................................9

1. INTRODUCCIN..........................................................................................................................13

1.1 DEFINICIONES BSICAS ................................................... ........................................................ 131.1.1 La codificacin de canal .....................................................................................................131.1.2 La modulacin de la seal...................................................................................................151.1.3 Los medios de transmisin...................................................................................................161.1.4 El multiplexado de la seal .................................................................................................201.1.5 Clasificacin de la transmisin segn su sentido................................................................231.1.6 Transmisin sncrona/asncrona .............................................. ........................................... 231.1.7 Capacidad de canal.............................................................................................................23

1.2 CONCEPTOS BSICOS DE REDES DE COMUNICACIONES ......................................................241.2.1 Servicios orientados y no orientados a conexin ........................................... ..................... 261.2.2 Tipos de redes segn su capacidad de cobertura................................................................261.2.3 Clasificacin de las topologas de red.................................................................................271.2.4 Clasificacin de los tipos de conmutacin de datos............................................................281.2.5 Clasificacin del trfico en clases.......................................................................................30

1.3 CONCEPTOS BSICOS DE TELETRFICO.................................................................................31

2. ARQUITECTURAS DE COMUNICACIONES..........................................................................33

2.1 PERSPECTIVA HISTRICA ................................................. ....................................................... 332.2 CONCEPTOS DE ARQUITECTURAS DE COMUNICACIONES ....................................................342.3 ANALOGA DE UNA ARQUITECTURA DE COMUNICACIONES................................................372.4 EL MODELO DE REFERENCIA OSIDE LA ISO.........................................................................39

2.4.1 Introduccin ........................................................................................................................392.4.2 Terminologa OSI ................................................... ......................................................... .... 412.4.3 La capa fsica ......................................................................................................................42

2.4.4 La capa de enlace de datos .................................................................................................432.4.5 La capa de red.....................................................................................................................512.4.6 La capa de transporte..........................................................................................................562.4.7 La capa de sesin ................................................................................................................592.4.8 La capa de presentacin......................................................................................................632.4.9 La capa de Aplicacin.........................................................................................................71




10 Anlisis de redes y sistemas de comunicaciones

3. INTRODUCCIN AL ANLISIS MEDIANTE TEORA DE COLAS.................................... 81

3.1 INTRODUCCIN.........................................................................................................................813.2 PROCESOS DE POISSON .................................................... ........................................................ 83

3.2.1 Definicin de proceso de Poisson........................................................................................833.2.2 Propiedades.........................................................................................................................843.2.3 Distribucin de las llegadas en un proceso de Poisson ......................................................86

3.2.4 Propiedad de superposicin ................................................. ............................................... 873.2.5 Propiedad de descomposicin ............................................ ................................................. 87

3.3 CADENAS DE MARKOV .................................................... ........................................................ 883.3.1 Sistemas de tiempo discreto y sistemas de tiempo continuo ............................................ .... 893.3.2 Cadenas de Markov de tiempo continuo .............................................................................893.3.3 Ecuacin de futuro ..............................................................................................................913.3.4 Procesos de nacimiento y muerte ....................................................... ................................. 923.3.5 Ejemplo................................................................................................................................933.3.6 Procesos de nacimiento y muerte en rgimen permanente..................................................953.3.7 Estudio mediante flujos .......................................................................................................953.3.8 Clculo de las probabilidades de estado de los procesos de nacimiento y muerte.............96

3.4 FRMULA DE LITTLE........................................................ ........................................................ 97

3.5 LA NOTACIN DE KENDALL Y LOS MODELOS DE COLAS.....................................................973.6 LA COLA M/M/1 .................................................... ............................................................ ........ 98

3.6.1 Modelo de cola ....................................................... ......................................................... .... 983.6.2 Probabilidades de estado ............................................ .................................................... .... 993.6.3 Nmero medio de unidades en el sistema..........................................................................1003.6.4 Tiempo medio de permanencia de una unidad en el sistema ............................................1003.6.5 Ejemplo numrico..............................................................................................................101

3.7 LA COLA M/M/......................................................................................................................1023.7.1 Modelo de cola ....................................................... ........................................................ ... 1023.7.2 Probabilidades de estado ............................................ .................................................... .. 103

3.8 LA COLA M/M/M. ERLANG C ..................................................... ............................................ 1033.8.1 Modelo de cola ....................................................... ........................................................ ... 103

3.8.2 Probabilidades de estado ............................................ .................................................... .. 1043.9 LA COLA M/M/M/M. ERLANG B.............................................................................................1053.9.1 Modelo de cola ....................................................... ........................................................ ... 1053.9.2 Probabilidades de estado ............................................ .................................................... .. 1063.9.3 Situacin de bloqueo. Funcin de Erlang B......................................................................1073.9.4 Aplicacin tpica: Dimensionado de un sistema................................................................1083.9.5 Relacin de recurrencia ....................................................................................................1083.9.6 Ejemplo..............................................................................................................................1093.9.7 Ejemplo de dimensionado..................................................................................................109

3.10 PROBABILIDAD DE DEMORA EN ERLANG C. RELACIN CON ERLANG B ....................... 1103.10.1 Expresin analtica..........................................................................................................1103.10.2 Nmero de elementos en cola..........................................................................................1113.10.3 Ejemplo............................................................................................................................111

3.11 LA COLA M/G/1 ............................................................ ......................................................... 1133.11.1 La frmula de Pollaczek-Khinchine ................................................................................1133.11.2 Ejemplo 1: Servicio exponencial ......................................... ............................................ 1143.11.3 Ejemplo 2: Servicio determinista.....................................................................................114

3.12 DIVERSOS ESCENARIOS DE ESTUDIO..................................................................................115




ndice 11

4. REDES DE REA LOCAL.................................................................... ..................................... 117

4.1 PROTOCOLOS DE ACCESO ALEATORIO.................................................................................1174.2 ALOHA .....................................................................................................................................118

4.2.1 Algoritmo de acceso ........................................................ .................................................. 1184.2.2 Anlisis ............................................................ ....................................................... ........... 118

4.3 S-ALOHA ..................................................................................................................................122

4.3.1 Algoritmo de acceso ........................................................ .................................................. 1224.3.2 Anlisis ............................................................ ....................................................... ........... 1224.3.3 S-Aloha con poblacin finita.............................................................................................125

4.4 REDES CSMA .................................................... ............................................................ .......... 1264.5 REDES CSMA/CD....................................................................................................................1294.6 ALGORITMO DE BACK-OFF EXPONENCIAL BINARIO TRUNCADO ......................................1304.7 ESTNDARES IEEEPARA REDES LOCALES..........................................................................1314.8 EL ESTNDAR IEEE 802.2 (LLC) ...........................................................................................1334.9 EL ESTNDAR IEEE 802.3 (ETHERNET)................................................................................136

4.9.1 Introduccin ......................................................................................................................1364.9.2 Subcapa MAC de IEEE 802.3. Servicio y protocolo ......................................... ................ 1364.9.3 Configuraciones topolgicas de la tecnologa Ethernet....................................................137

4.9.4 Definicin de trama en una red Ethernet ................................................. ......................... 1394.9.5 Fast-Ethernet, Gigabit Ethernet ........................................................ ................................ 1394.9.6 Consideraciones en la compatibilidad entre Ethernet de diversas capacidades...............1414.9.7 Incremento de capacidad a 1000 Mbit/s ...........................................................................1424.9.8 La solucin de Metro Ethernet Forum ..............................................................................144

5. REDES PBLICAS DE DATOS.................................................................................................145

5.1 LA RED DIGITAL DE SERVICIOS INTEGRADOS .....................................................................1455.1.1 Introduccin ......................................................................................................................1455.1.2 Arquitectura de la RDSI ................................................ .................................................... 1475.1.3 Tipos de acceso a la RDSI de banda estrecha...................................................................149

5.2 LA RED FRAME RELAY...........................................................................................................151

5.2.1 Objetivos............................................................................................................................1515.2.2 Caractersticas bsicas......................................................................................................1525.2.3 La conmutacin ........................................................ ...................................................... ... 1535.2.4 Arquitectura de protocolos................................................................................................1555.2.5 Acceso a una red Frame Relay..........................................................................................1565.2.6 El nivel fsico ............................................................... ...................................................... 1565.2.7 El nivel de enlace...............................................................................................................1575.2.8 Parmetros de contrato.....................................................................................................1585.2.9 Control de congestin........................................................................................................159

6. LA RED DE BANDA ANCHA....................................................................................................163

6.1 INTRODUCCIN.......................................................................................................................1636.1.1 Problemtica .....................................................................................................................163

6.1.2 Caracterizacin de los servicios........ ............................................................ .................... 1636.2 TCNICAS DE MULTIPLEXADO PARA LA B-ISDN................................................................1656.3 MODELO DE PROTOCOLOS DE LA B-ISDN .................................................. ......................... 1666.4 DIVISIN JERRQUICA ATM ..................................................... ............................................ 1676.5 TRANSPORTE Y CONMUTACIN............................................................................................1676.6 ESTABLECIMIENTO DE CONEXIONES ...................................................................................168



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6.7 INTERFASES Y FORMATOS DE CELDA...................................................................................1706.8 LA CAPA DE ADAPTACIN .....................................................................................................171

6.8.1 AAL1..................................................................................................................................1736.8.2 AAL2..................................................................................................................................1736.8.3 AAL3/4...............................................................................................................................1746.8.4 AAL5..................................................................................................................................175

6.9 GESTIN DE TRFICO.............................................................................................................1766.9.1 Introduccin ......................................................................................................................1766.9.2 Definicin de parmetros ...................................................... ............................................ 1776.9.3 Notacin ............................................................................................................................1786.9.4 Control de Admisin de la Conexin.................................................................................1796.9.5 Funcin de UPC................................................................................................................1796.9.6 Conformacin de trfico....................................................................................................1816.9.7 El servicio ABR..................................................................................................................1826.9.8 Comportamiento de los conmutadores ante congestin....................................................1836.9.9 Comportamiento de las fuentes .........................................................................................1846.9.10 La reparticin de los recursos disponibles ABR.............................................................. 1856.9.11 Clculo del caudal justo mediante criterio Max-Min......................................................1866.9.12 Ejemplo prctico: Adaptador de red VMA-200 de Fore Systems....................................188

BIBLIOGRAFA ............................................... ........................................................ ....................... 191



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1 Introduccin 13

1. Introduccin

Este captulo presenta brevemente los conceptos y trminos ms bsicos relacionados con las redes y

sistemas de comunicacin. Algunos de los conceptos se desarrollarn ms ampliamente a lo largo del

libro.

1.1 Definiciones bsicas

Comencemos por algunas definiciones bsicas en el campo de la transmisin de datos:

Transmisin analgica: aquella que usa seales que toman valores continuos (de un conjunto infinitode valores) a lo largo del tiempo (normalmente tambin continuo).

Transmisin digital: aquella que usa seales que toman valores discretos (de un conjunto finito devalores) a lo largo del tiempo (dividido usualmente en unidades elementales iguales).

Codificacin (de canal): mecanismo de conversin de una seal digital a otra tambin digital msadecuada a un propsito determinado; generalmente para obtener alguna ventaja en su proceso de

transmisin. As, por ejemplo, puede desearse:

a) reducir el nmero de cambios en la seal transmitida (ancho de banda mnimo)

b) incluir informacin de temporizacin o sincronizacin

c) eliminar la existencia de componente continua

d) incluir cierta inmunidad al ruido o interferencia o, equivalentemente, cierta capacidad de

deteccin/correccin de errores

1.1.1 La codificacin de canal

De los muchos mtodos de codificacin existentes, presentaremos solamente dos para ilustrar la idea

de la codificacin.



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Supongamos una secuencia digital de datos a transmitir, es decir, de ceros y unos cuya duracin

individual es el tiempo de bit (Tb).

La codificacinNRZ (Non Return to Zero), que asigna un nivel de tensin bajo, digamos de V Volt, alos ceros y un nivel de tensin alto, digamos de +V Volt, a los unos.

La codificacin Manchester diferencial. Este mecanismo puede describirse mediante las dos reglassiguientes: a) siempre existe transicin (cambio de nivel bajo a alto o viceversa) en la mitad del bit; b)existe una transicin adicional al inicio del bit, si ste es un cero, no existiendo en caso de ser un

uno.

NRZ

Manchester

diferencial

0 11 0 1 0 0 0 1

+V

-V

+V

-V

Fig. 1.1 Secuencia de bits codificada segn NRZ y Manchester diferencial

Veamos algunas caractersticas de ambos esquemas de codificacin. Usando la codificacin NRZ,lacomponente continua de la seal transmitida (es decir, su valor medio a largo trmino) flucta en

funcin de la proporcin de ceros y unos de la secuencia a transmitir. Por el contrario, usando la

codificacinManchesterdiferencial podemos ver, tras cierta reflexin, que la componente continua essiempre nula, independientemente de la proporcin de 0s y 1s de la secuencia original. Este hecho

permite el acoplamiento de las seales as codificadas mediante transformadores o condensadores (que

proporcionan un aislamiento muchas veces deseado entre los diferentes elementos del sistema de

transmisin).

Otra ventaja de la ausencia de componente continua en las transmisiones que usan cdigos Manchester

diferenciales es la eliminacin de fenmenos de corrosin electroltica en los conectores y de fallos,

por tanto, en stos (Recordemos que dos metales distintos puestos en contacto a travs de cierta

humedad ambiental pueden originar fenmenos de descomposicin electroqumica).




1 Introduccin 15

Pero quizs la mayor ventaja de usar el cdigo Manchester sea la de la autosicronizacin (self-clocking) a nivel de bit que proporciona. En efecto, usando cdigos NRZ, largas secuencias de ceroso unos consecutivos hacen difcil en el receptor determinar exactamente cuantos bits iguales se han

transmitido debido a las inevitables diferencias entre los relojes (los que definen el Tb) de transmisiny recepcin.

La solucin a ese problema pasara por utilizar una lnea de transmisin adicional con la informacinde reloj del transmisor o relojes extremadamente precisos (los llamados relojes atmicos, de cesio o

rubidio) y caros en los lados transmisor y receptor. Por el contrario, las seales codificadas segn el

esquema Manchester, independientemente de la secuencia original, siempre presentan transiciones

frecuentes (al menos cada Tbs y, a veces, cada Tb/2 s) que permiten al receptor ajustar continuamenteel reloj con el que muestrea las seales recibidas.

Por ltimo, tambin puede verse, tras cierta reflexin, que la informacin que transporta el cdigo

Manchester diferencial est asociada a las transiciones y no a los valores, bajo o alto, de la seal. Es

decir, podramos intercambiar sin ningn problema los hilos que llevan la seal. (Esto es

especialmente interesante en los actuales sistemas de cableado de red que usan lneas pares trenzados.)

Las ventajas del cdigo Manchester diferencial respecto al cdigo NRZ tienen su precio. Mientras el

ritmo mximo de variacin de las seales codificadas en NRZ es una vez cada Tbs, dicho ritmo llega aser el doble en las seales codificadas en Manchester diferencial, es decir, cada Tb/2 s. Dicho de otromodo, el espectro de potencia de las seales codificadas en Manchester diferencial se extiende a

frecuencias ms altas. Dado que las lneas de transmisin responden peor a frecuencias elevadas, al

usar cdigos Manchester tendremos ms problemas (errores) al decodificar en recepcin las seales, o

bien deberemos utilizar lneas de transmisin de mayor calidad (y, por tanto, mayor coste), o bien

limitar las distancias alcanzables.

Existen muchos otros cdigos, cada uno de ellos orientado a obtener alguna ventaja durante la

transmisin de seales digitales a travs de las lneas de transmisin. Los dos cdigos presentados, sin

embargo, ilustran de forma bastante clara la idea y los objetivos que hay detrs de la funcin de

codificacin.

La codificacin descrita aqu se suele llamar codificacin de canalpara distinguirla de la codificacinde fuente. Esta ltima se aplica en un nivel superior, est ntimamente relacionada con la clase deinformacin a enviar (datos, sonidos, imgenes, ) y su funcin principal es la compresin(reduccinde la cantidad de bits necesaria para representar una informacin).

1.1.2 La modulacin de la seal

Se puede definir la modulacincomo el mecanismo de conversin de una seal, digital o no, en otraanalgica con el fin de obtener alguna ventaja en su transmisin o de separarla de otras seales dentro

de un mismo medio de transmisin.

La modulacin se basa en la utilizacin de una seal portadora, generalmente una onda senoidal defrecuencia ms elevada o variacin ms rpida que la de la seal original. La modulacin consiste en

la modificacin de al menos uno de los parmetros (amplitud, frecuencia o fase) de la portadora como





funcin de la seal original. As tendremos los siguientes tipos de modulacin (para fuentes analgicas

o digitales, respectivamente):

a) AM (Amplitude Modulation) o ASK (Amplitude Shift Keying)

b) FM (FrequencyModulation) o FSK (Frequency Shift Keying)

c) PM (Phase Modulation) o PSK (Phase Shift Keying)

o, cuando se modifican simultneamente los parmetros de amplitud y fase:

d) QAM (Quadrature and Amplitude Modulation)

Una caracterstica del proceso de modulacin es que, desde el punto de vista espectral, se produce una

translacin en frecuencia (aparte de probable modificacin) del espectro de la seal original; esto no

sucede en los procesos de codificacin (donde slo se produce una modificacin, ensanchamiento o

reduccin, del espectro original). Por ello, a veces, se ver la palabra broadband (banda ancha)asociada a los sistemas donde se utilizan modulaciones, y baseband (banda base) donde se utilizancodificaciones.

1.1.3 Los medios de transmisin

Los medios de transmisin son aquellas estructuras fsicas que soportan la propagacin de las ondaselectromagnticas asociadas a los bits (o a seales analgicas, tambin) a enviar de un punto

geogrfico a otro. Constituyen, por tanto, la infraestructura ms bsica de toda red de comunicaciones.

Con el fin de establecer algn criterio de cara a su clasificacin y presentacin, diremos que pueden

serguiantesy no-guiantes.

En los medios guiantes, el campo electromagntico asociado a la informacin transportada estconfinado alrededor de la estructura fsica del medio. Estn realizados a base de:

a) materiales de elevada conductividad elctrica (cobre, aluminio, aleaciones, recubrimientos de

plata, oro, etc.) o elevada conductividad ptica (vidrio silceo)

b) materiales dielctricos, no necesarios desde el punto de vista de transmisin pero s para

ejercer funciones de soporte mecnico, de aislamiento o de proteccin (polietileno, nylon,

tefln, PVC, papel, encerado, cauchos, etc.).

Los tipos de medios guiantes son:

a) lnea de pares paralelos

b) lnea de pares trenzados

c) lnea coaxial

d) fibra ptica




1 Introduccin 17

lnea paralela

lnea de par trenzado

lnea coaxial

fibra pt ica

Fig. 1.2 Distintos tipos de medios fsicos de transmisin guiantes

En los medios no-guiantes, el campo electromagntico asociado a la informacin transportada no est

confinado y se extiende por el material de soporte que llamaremos ter(el espacio areo o el vaco).En realidad, no existe medio de transmisin y estamos hablando de transmisin por ondas de radio

(desde las de frecuencia ms baja -VLF: Very Low Frequency-hasta las de frecuencia ms elevada -W: micro-Waves-) o por ondas luminosas (usualmente infrarrojas o lser).

Se pueden describir cada uno de los medios de transmisin:

a) Lnea de pares paralela: formada por dos conductores que discurren prximos yparalelamente. De bajo coste, ofrecen caractersticas de transmisin muy limitadas (cifras

meramente orientativas podran ser: tasa de transmisin < 20 Kbit/s; distancia < 50 m). Sus

principales desventajas son la captacin de ruido, el acoplamiento con otras lneas prximas

(diafona) y las prdidas por radiacin a frecuencias elevadas. Ejemplos de utilizacin: el

interfaz local de datos EIA RS-232C, el bucle de abonado telefnico (ltimo tramo).

b) Lnea de par trenzado: formada por dos conductores trenzados (retorcidos) sobre s mismo.Su geometra cambiante reduce la captacin de ruido, las prdidas por radiacin y la diafona

entre pares cercanos. De bajo coste, ofrece mejores caractersticas de transmisin que la lnea

de pares paralela (algunas cifras orientativas son: tasa de transmisin < 1 Mbit/s.; distancia

< ACK

Datos2>

< ACK

Tt

Tp

Tproc

Tack

Tp

Tproc

T

Fig. 2.10 Protocolo parada-espera. Tiempos a considerar en el anlisis de su rendimiento




2 Arquitecturas de comunicaciones 47

Puede verse fcilmente que ackprocpt TTTTT 22 .

Considerando que el tiempo de procesado del protocolo es despreciable (es decir, que la velocidad deejecucin del protocolo es prcticamente infinita; lo cual es bastante cierto para los controladores encircuito integrado actuales) y que el tiempo de transmisin del mensaje de ACK (unos pocos bits) esmuy pequeo en comparacin con el del bloque de datos, tenemos que

pt

TTT 2 .

La definicin de eficiencia dada anteriormente puede expresarse de forma equivalente como uncociente de tiempos en vez de tasas; as,

a

T

TTT

T

T

TU

t

ppt

tt

21

1

21

1

2

(2.1)

En donde el parmetro ase ha definido como el tiempo de propagacin en el enlace con respecto altiempo de transmisin de las tramas de datos:

t

p

T

Ta (2.2)

Dicho parmetro resume las caractersticas del enlace y tambin puede expresarse como

tpt

p

LV

dR

T

Ta (2.3)

donde:

d: longitud del enlace de datos (en m)

R: tasa de transmisin (en bit/s)

Vp: velocidad de propagacin en el enlace (en m/s)

Lt: longitud de la trama de datos (en bit).

La expresin de la eficiencia obtenida anteriormente puede completarse con el fin de introducir laulterior reduccin de sta que supone la sobrecargade los bits de control (nmeros de secuencia, bitsde redundancia, etc.). As,

aLL

L

aL

L

UL

L

Uhd

d

t

d

t

d

21

1

21

1

(2.4)

DondeLdes la longitud de los datos de usuario yLhes la longitud de los datos de control del protocolo(la PCI).





A modo de ejemplo, se calcular la eficiencia de un protocolo parada-espera en tres contextosdistintos:

a)Enlace entre 2 estaciones terrestres a travs de un satlite en rbita geoestacionaria:

d=238.000 km,R=2Mbit/s.,Lt=4000 bit, Vp=3108m/s

Tp=270 ms, Tt=1,953 ms

a=138,24, U=0,0036

b)Red de rea local clsica:

d=1 km,R=4Mbit/s.,Lt=500 bit, Vp2108m/s

Tp=5s, Tt=125s

a=0,04, U=0,93

c) Transmisin de datos sobre red telefnica (mdem):

se contemplan dos escenarios (comunicacin local e intercontinental)

d1=1 km, d2=5000 km.,R=9600 bit/s.,Lt=500 bit, Vp=2108m/s

Tp1=5s, Tp2=25s, Tt=52,1 ms

a1=0,000096, U11

a2=0,48, U2=0,69

Protocolos ARQ continuos

Cuando el valor del parmetro a no es pequeo (digamos a>0,05) el protocolo parada-espera nopresenta una buena eficiencia. Para mejorarla debe pensarse en un protocolo que inunde el canal decomunicacin, es decir, que transmita continuamente tramas, aun cuando se desconozca la suerte de latransmisin de tramas anteriores. El nmero de tramas (N) que el transmisor puede enviar sin tener quedetenerse a esperar confirmaciones es el llamado crdito o ventana de transmisin. La figura 2.11ilustra el funcionamiento de ese tipo de protocolos.

Como puede verse de la figura 2.11, existen, a su vez, dos variantes de protocolos ARQ, en funcin

del procedimiento seguido cuando hay errores en las tramas recibidas:

1. ARQ Go-Back N(vuelta atrs): el receptor, cuando detecta una trama errnea, descartalas tramas siguientes a esa y se queda a la espera de recibir de nuevo la trama encuestin; el emisor, cuando se apercibe del error en una trama, vuelve hacia atrs y

procede a retransmitir la trama en error y todas las tramas que ya hubiera transmitido.





Este mtodo, que puede ser ineficiente porque retransmite tramas que pueden haber sido

recibidas correctamente, simplifica la realizacin del protocolo, dado que no requiere

capacidad de almacenamiento y reordenacin de tramas en el receptor.

2. ARQ Selective Reject(rechazo selectivo): el receptor, cuando detecta una trama errnea,

enva la seal para su retransmisin pero sigue aceptando las tramas siguientes; el

emisor, cuando se apercibe del error en una trama, slo retransmite la trama errnea a laprimera oportunidad. Este mtodo es ms eficiente, pero supone que el receptor es capaz

de almacenar varias tramas para, cuando reciba correctamente la trama en error,

entregarlas en orden al usuario del nivel superior.

D(0)

D(1)

D(2)

D(3)

D(4)

D(5)

D(6)

D(7)D(4)

D(5)

D(6)

D(7)

ACK(2)

X

REJ(4) X

X

X

Asentimiento inclusivo

(de ms de 1 trama)

Trama #4 con error o norecibida.

El receptor se da cuenta alrecibir la trama siguiente.

Manda una peticin dereenvo ignorando las ya

recibidas.

El transmisor procede areenviar la trama errnea ytodas las siguientes de

nuevo.

a)

D(0)

D(1)

D(2)

D(3)

D(4)

D(5)

D(6)

D(7)D(4)

D(8)

D(9)

D(10)

ACK(2)

X

REJ(4)

Trama #4 con error ono recibida.

Manda una peticin dereenvo pero acepta yalmacena las tramas

#5, #6 y #7.

El emisor sloreenva la trama

errnea.

b)

Fig. 2.11 Protocolos ARQ continuos: a) go-back (vuelta atrs); b) selective reject (rechazo selectivo)

Los protocolos ARQ continuos presentan una eficiencia de 1 (en el caso sin errores y sin considerar la

sobrecarga de la cabeceras de control)) cuando la ventana de transmisin (N) es suficientemente

grande, es decir, cuando el transmisor nunca debe detenerse a la espera de confirmaciones. Tras cierta

reflexin, pude verse que esto se cumple cuandoN>2a+1.





Cuando se considera el efecto de los errores en las tramas, es decir, cuando existe una probabilidad nonula de error en cualquier trama transmitida (Pt), la eficiencia se reduce consecuentemente. El anlisisde la eficiencia en esta situacin resulta algo ms complejo.

La implementacin real de un protocolo ARQ debe contemplar muchos detalles no comentados aqu(el establecimiento/iniciacin del enlace de datos, el control de flujo, el soporte del modo full-duplex,

etc.). Esto conlleva a una definicin de nuevos campos en las cabeceras (L-PCI) de las tramas (L-PDUs) y a una especificacin compleja del protocolo (segn los estados y transiciones entre ellos,variables de estado, temporizadores, etc.). Un buen ejemplo de implementacin de un protocolo deenlace de datos clsico lo constituye la familia de protocolos HDLC (High level Data Link Control)estandarizada por la ISO.

Algunos ejemplos de protocolos pertenecientes a la capa de enlace de datos:

a) BSC (Binary Synchronous Control): uno de los primeros protocolos para el control de errores yflujo desarrollado por IBM en las dcada de 1960. Era orientado a carcter, es decir, loscampos de control y datos estaban estructurados en octetos.

b) SDLC (Synchronous Data Link Control): mejora del protocolo anterior tambin debida a IBM.Es orientado a bit, es decir, los campos de control y datos contienen un nmero arbitrario de

bits.

c) HDLC (High level Data Link Control): Familia de protocolos de enlace de datos estandarizadapor la ISO e inspirada en SDLC.

d) LAP-B (Link Access Procedure Balanced): Variante de HDLC que define la capa de enlacede datos en el estndar de acceso a redes pblicas de conmutacin de paquetes definido en lanorma X.25 del ITU-T.

e) LAP-D (Link Access Procedure on D channel): Variante de HDLC que define la capa deenlace de datos en el canal D de sealizacin en el estndar de acceso a la RDSI (Red Digital

de Servicios Integrados) de banda estrecha.

f) LLC (Logical Link Control): Variante de HDLC que define la sub-capa superior de la capa deenlace de datos para redes de rea local segn la norma IEEE 802.2.

Control de acceso a medios fsicos de transmisin compartidos

Cuando el medio fsico de transmisin es compartido por ms de dos sistemas (lo que a veces tambinse denomina enlace multi-punto) surge el problema adicional de arbitrar su uso, es decir, determinarcundoy cmocada uno de los sistemas puede usarlo, evitando los conflictos. Dicha funcin, dentro

de la capa de enlace de datos, tiene tal relevancia que, arquitectnicamente hablando, se la ha asociadoa una subcapa denominada MAC (Medium Access Control). As pues, cuando convenga (tpicamenteen entornos de redes de rea local), la capa de enlace de datos se estructura segn la figura 2.12.

Existen multitud de mtodos (protocolos) para realizar la funcionalidad de la subcapa MAC,dependiendo de si el control del acceso reside en una sola entidad (el controlador maestro) o est





distribuido entre todas las entidades que comparten el medio, o en funcin del grado de ordenamientoo determinismo de los accesos por parte de las diferentes entidades (protocolos aleatorios, pordemandao por turnos). Todo ello se ver ms en detalle en el captulo 4.

sub-capa decontrol de acceso al medio

sub-capa decontrol del enlace lgico

capa de

enlace de datos

Fig. 2.12 Subdivisin de la capa de enlace de datos en el caso de medios de transmisin compartidos pormltiples sistemas

2.4.5 La capa de red

Esta capa, situada por encima de la de enlace, aprovecha los servicios brindados por esta y aadealgunas caractersticas, como son:

a) Reenvo (relaying) de la informacin a travs de los distintos enlaces y sistemas intermediosque constituyen una red de comunicaciones.

b) Encaminamiento (routing) de la informacin, es decir, eleccin del camino a seguir a travs dela red en funcin de la optimizacin de algn criterio (coste, rapidez, seguridad, fiabilidad,equilibrio justicia-, etc.). El otro trmino relacionado es el de conmutacin que se aplica ms

bien al proceso que sufre la informacin el los sistemas intermedios cuando sta es encaminada.

c) Control de congestin, es decir, control de todas las comunicaciones que se producen a travsde la red con el fin de que los recursos de sta se utilicen de la mejor forma posible.

d) Tarificacin, es decir, cmputo de los costes incurridos en el envo de la informacin a travsde la red en funcin de volumen, del tiempo empleado, de la distancia, o del grado de servicio(calidad) ofrecido.

e) Interconexin (adaptacin) entre redes.

f) La unidad de informacin en esta capa es el paquete o datagrama (para las redes deconmutacin de paquetes).

Puede decirse que la capa de red articula el conjunto de enlaces fsicos, mejorados por la capa deenlace de datos, para constituir lo que propiamente se entiende por red de comunicaciones. Aunque lacapa de Red est obviamente implementada en los sistemas finales, es en los sistemas intermediosdonde sta se encuentra realizada de forma completa.





Servicios de Red Orientados y No Orientados a conexin

En la seccin 1.2.1 del captulo de introduccin se definieron los conceptos de servicio orientadoyno-orientadoa conexin. En sta, se plantear su aplicacin en el nivel de red de la arquitectura OSI.

Elservicio de red orientado a conexin (OC)se caracteriza por el establecimiento de un camino y la

reserva de ciertos recursos, lo que usualmente se llama un circuito virtual, en la red.

Supone tres fases: establecimiento de la conexin, intercambio de datos y la liberacin de la conexin(esto es, de los recursos que se han ocupado durante la fase de intercambio de la informacin). El smil

para este tipo de servicio lo constituira la realizacin de una llamada telefnica.

Esta tcnica ofrece las siguientes ventajas:

a) Requiere poco esfuerzo de encaminamiento durante la fase de transferencia, al estar fijado elcamino

b) Ofrece una gran facilidad para garantizar diversas calidades de servicio, al poder reservarrecursos de antemano

c) La tarificacin es fcil de llevar a cabo

d) Garantiza gran fiabilidad, al poder secuenciar los paquetes como pertenecientes a una conexiny poder detectar la prdida de alguno o evitar su desordenamiento

e) Menor complejidad en los sistemas finales o terminales en cuanto al control de errores

Aunque presenta tambin algunos inconvenientes:

a) El establecimiento de la conexin es un proceso lento y costoso en recursos de red y, por tanto,mal adaptado a aplicaciones que envan pequeas rfagas de datos a mltiples destinos

b) Al estar fijado el camino, la cada de un nodo de conmutacin o enlace origina la prdida de lasconexiones que pasaban a travs de ellos, aun cuando topolgicamente existan caminosalternativos

c) Requiere una elevada capacidad de memoria en los nodos de conmutacin para almacenar elestadode todos los circuitos virtuales

Por otro lado, elservicio de red no orientado a conexin (NOC) se caracteriza por que cada bloque dedatos (datagrama) es auto-contenido (lleva informacin de su destino) y es tratado de forma individuale independiente por la red. No existe, por tanto, camino establecido a priori ni fases asociadas alservicio.

El smil para este tipo de servicio lo constituira el envo de cartas del servicio postal. Las ventajas deeste procedimiento son las siguientes:

a) No presenta el retardo previo que se requiere para el establecimiento de una conexin





b) Al no existir un camino fijado a priori, sino determinado para cada datagrama, se tiene mayorrobustez frente a fallos de nodos de conmutacin o enlaces (siempre que topolgicamenteexistan caminos alternativos)

c) Se caracteriza por un uso ms eficiente de los recursos de red al no existir ninguna reservaprevia

d) No se requiere memoria en los nodos de conmutacin para almacenar informacin relativa a lasconexiones pues stas no existen

Aunque tiene los siguientes inconvenientes:

a) Al tener que evaluar el trayecto que debe seguir cada unidad de datos, se requiere mayorcapacidad y velocidad de clculo en los nodos de conmutacin

b) Muestra cierta ineficiencia dado que cada datagrama debe llevar informacin completa(direcciones, etc.) para su trnsito por la red

c) Tarificacin ms difcil, especialmente cuando existe ms de un proveedor del servicio de red,al tener que identificar los usuarios fuente y destinatarios de cada datagrama

d) Control de la congestin ms difcil, al no existir ninguna planificacin/reserva de recursos deantemano

e) Poca fiabilidad, al no poder secuenciar los datagramas como pertenecientes a ninguna conexiny no poder detectar su prdida o desordenamiento

Puede resumirse diciendo que las diferencias entre el servicio de red OC y el NOC residen en sumayor o menor fiabilidad y en donde se sita la complejidad (en los sistemas intermedios para elservicio OC y en los sistemas finales -capa de transporte ms sofisticada- para el servicio NOC).

Durante la redaccin del modelo arquitectnico OSI, se propuso que el servicio de red deba ser OC(ms en la lnea de pensamiento en Europa), aunque los defensores del servicio NOC (ms en la lneade pensamiento en EEUU) tambin hicieron prevalecer sus argumentos. Finalmente se incluyeronambos tipos de servicio de red.

Direccionamiento

El direccionamientoes la identificacin nica de cada equipo terminal o sistema final conectado a unared o grupo de redes interconectadas.

Para ello se suelen utilizar nmeros. Dos aspectos importantes son:

a) el nmero de dgitos o bits usados, que determinan el tamao del espacio de direcciones, esdecir, el nmero mximo de terminales distintos que podrn conectarse las redes





b) la estructuracin de dichos nmeros y los criterios para su asignacin a los equipos terminales enfuncin de su situacin geogrfica, que deben ser de tal forma que faciliten la creacin de tablasy algoritmos de encaminamiento viables para los nodos de conmutacin o sistemas intermedios(los esquemas de direccionamiento en la red telefnica o en la Internet, por ejemplo, siguen esecriterio).

Estos nmeros pueden estar asociados o no a una palabra que facilite recordar el nombre del equipo.Un ejemplo donde existe esta asociacin es en la red Internet. Tras cualquier direccin de pgina webexiste siempre una identificacin de 32 bits que indica el equipo donde se encuentran los contenidossolicitados.

Un ejemplo donde no existe asociacin es en los nmeros de telefona. Pero sera francamente cmodopoder efectuar una llamada simplemente indicando al operador el nombre del interlocutor con el quese desea conversar.

Algoritmos de encaminamiento (routing)

Los algoritmos de encaminamiento permiten a los nodos intermedios de la red tomar decisiones sobreel siguiente nodo al que deben dirigir la unidad de datos que acaban de recibir. Los criteriosconsiderados en la toma de decisin constituyen el algoritmo de encaminamiento.

A continuacin se presenta una clasificacin de los algoritmos de encaminamiento:

a) No adaptativos: en estos algoritmos, las decisiones de encaminamiento se basan en tablas fijas,elaboradas a prioriy cargadas en los sistemas intermedios. Dichas tablas, que no varan con eltiempo, se calculan segn la topologa de la red y a las expectativas de trfico que va a soportar.

b) Adaptativos: en este caso, las decisiones de encaminamiento pueden variar en el tiempo enfuncin de los cambios de la topologa de la red (por la adicin/supresin de nodos o enlaces) y

del trfico. A su vez, pueden clasificarse en:

1. globales o centrales, cuando recogen informacin de toda la red

2. locales, cuando slo utilizan informacin disponible en un nodo de conmutacin

3. distribuidos, a medio camino entre los dos anteriores, es decir, utilizan informacin dezonas de la red

Control de congestin

El control de congestin refiere a los mecanismos necesarios para que los recursos de la red se utilicende forma armoniosa entre todas las comunicaciones. Debe evitar los efectos de realimentacin

positiva, que resulta negativa o perjudicial para el equilibrio de trficos en el sistema.





Por ejemplo, en presencia de trfico intenso, el nmero de paquetes perdidos por la red puedeaumentar al llegar al lmite la capacidad de almacenamiento en los sistemas intermedios. En estasituacin, el nmero de retransmisiones de paquetes aumenta, lo que hace agravar an ms el

problema. Existen diversos mtodos para llevar a cabo el control de la congestin. Se pueden citar lossiguientes, entre otros existentes:

a) reserva de memoria (buffers) en los nodos de conmutacin

b) reserva de ancho de banda en los enlaces para redes con servicio orientado a conexin (OC)

c) mecanismo de permisos (tokens) para transmitir paquetes con el fin de mantener ms o menosconstante el nmero de paquetes en la red en cualquier momento

d) uso del control de flujo a nivel de cada circuito virtual para redes con servicio OC o de mensajesde limitacin de flujo a nivel de equipo terminal para redes con servicio no OC

Interconexin de redes

La propuesta inicial del modelo OSI asignaba a la capa de red la misin de resolver las diferenciaspara permitir la interconexin de redes con tipos de servicio y calidades distintos (aunque en el mundoreal la interconexin de redes puede resolverse no slo en dicho nivel). A efectos de interconexin, lacapa de red puede dividirse hasta en tres subcapas, como se refleja en la figura 2.13.

subcapa independiente de subred

o

subcapa de interred

subcapa dependiente de subred

osubcapa de mejora de subred

subcapa de acceso a subred

Armoniza subredes con

prestaciones diferentes

Resuelve diferencias de

direccionamiento

Depende de la tecnologa

de la subred

capa de red

Fig. 2.13 Subdivisin de la capa de red segn OSI a efectos de interconexin entre redes

Con el fin de ilustrar las ideas subyacentes en la interconexin de redes, en la figura 2.14 se presentaun ejemplo relativamente abstracto y elemental de interconexin entre una red con servicio no OC y

una red con servicio OC.

La primitiva N-UNIT-DATA (la nica existente) sirve para el envo de bloques de datos (datagramas)en la red con servicio no OC. Las primitivas N-CONNECT, N-DATA y N-DISC sirven para elestablecimiento de conexin, el envo de datos y la liberacin de la conexin, respectivamente, en lared con servicio OC. Obsrvese que en el ejemplo se establece una conexin por la que se enva el





datagrama procedente de la red con servicio no OC hacia su destino en la red con servicio OC,liberndose a continuacin dicha conexin.

En muchos casos es razonable pensar que cuando un sistema final enva un bloque de datos a otrosistema final, es que se ha iniciado algn tipo de interaccin entre procesos residentes en ellos y que,

por tanto, en un futuro inmediato se observarn nuevos bloques de datos intercambiados entre ellos. Si

esto fuera as, sera ms eficiente que el sistema intermedio mantuviera la conexin abierta, es decir,no invocara la primitiva N-DISC.req tan pronto hubiera enviado el datagrama procedente de la red conservicio no OC, sino que esperara cierto tiempo antes de hacerlo. Con ello se reducira el retardo y sedisminuira el nmero de establecimientos y liberaciones de conexin.

321

21

3

21

3 321

N-UNIT-DATA.req

N-UNIT-DATA.indN-CONNECT.req

N-CONNECT.indic

N-CONNECT.resp

N-CONNECT.conf

N-DATA.req

N-DATA.indicN-DISC.req

a a b c d d

a

a

N-DISC.indic

b

b

c

c

d

d

sistema final proveedorservicio NOC

proveedorservicio OC

sistema finalsistema intermedio

b c

Fig. 2.14 Ejemplo de realizacin de un sistema intermedio para la interconexin entre una red con servicio noOC y otra red con servicio OC

2.4.6 La capa de transporte

La capa de transporte solamente est realizada en los sistemas finales (aquellos que alojan a losprocesos de aplicacin que se comunican); no existen entidades de transporte en los sistemasintermedios. Se dice, entonces, que la capa de transporte opera extremo a extremo, al igual que lascapas por encima de sta.





Su misin principal es esconder las imperfecciones de las redes subyacentes a los procesos deaplicacin, ofreciendo un servicio de comunicacin de datos extremo a extremo perfectamente fiable yde una calidad pactada. Esto debe hacerlo, adems, de forma eficiente, es decir, optimizando el uso delos recursos que tiene a su disposicin.

La anteriormente citada calidad de servicio (en adelante, QoS: Quality of Service) que la capa de

transporte se compromete a ofrecer viene especificada, segn OSI, hasta por 12 parmetros quepueden, a su vez, contener subparmetros. La realizacin completa de la capa de transporte OSI en uncaso real, en cuanto a sus exigencias de compromiso con tan sofisticada especificacin de QoS, podrallegar a ser extremadamente compleja. Sin embargo, actualmente el trmino QoS ha resurgido confuerza ante el fenmeno de la integracin de un nmero cada vez mayor de servicios (especialmentelos de audio y vdeo en tiempo real) en redes IP (lase internet). Para ilustrar el concepto de QoS seenumeran solamente algunos de los parmetros que la definen:

a) Caudal, es decir, flujo medio en bits/s entre los dos T-SAP que definen una conexin detransporte; el uso de subparmetros permitira especificar dicho caudal de forma ms completa,

por ejemplo: caudal mnimo garantizado, caudal de pico, duracin mxima del pico de caudal,etc.

b) Retardo de trnsito, es decir, el tiempo medio desde que una T-SDU atraviesa el T-SAP origenhasta que aparece en el T-SAP destino; el uso de subparmetros permitira especificar, porejemplo: fluctuacin (desviacin) media o mxima de dicho retardo, retardo mximo, etc.

c) Probabilidad de error residual, es decir, de errores no detectados y, por tanto, no corregidosproducidos en la conexin de transporte

d) Probabilidad de desconexin espontnea

e) Tiempo mximo de establecimiento / liberacin de la conexin de transporte

Con el fin de determinar la complejidad necesaria en la capa de transporte, OSI clasifica las redes entres tipos:

a) Tipo A: redes prcticamente perfectas, sin ningn tipo de errores

b) Tipo B: redes con una tasa de erroressealizadosinaceptable

c) Tipo C: redes con una tasa de errores residuales(y quizs tambin sealizados) inaceptable

Los errores sealizadosson aquellos que, aunque no corregidos, son detectados por la capa de red ynotificados (sealizados) a su capa usuaria. Son tpicamente los reinicios y liberaciones espontneosen los circuitos virtuales de las redes orientadas a conexin.

Los errores residuales, como su nombre indica, son aquellos no detectados (que pasandesapercibidos) por la capa de red. Son, tpicamente, la corrupcin de algunos bits en los datagramas,la prdida, desordenacin, e incluso duplicacin, de datagramas en las redes no orientadas a conexin.





En funcin del tipo de redes con las que tratar, la capa de transporte OSI define cinco niveles derealizacin de complejidad creciente; son las llamadas clases de transporte:

a) Clase 0 (Simple Class): la ms sencilla; no recupera errores; para redes tipo A

b) Clase 1 (Error Detection Class): recupera errores sealizados; para redes tipo B

c) Clase 2 (Multiplexing Class): como la clase 0 pero incorporando mecanismos de multiplexado

d) Clase 3 (Error Detection and Multiplexing Class): como la clase 1 pero incorporandomecanismos de multiplexado

e) Clase 4 (Error Detection and Recovery Class): recupera todo tipo de errores; de usoobligatorio para redes de tipo C

En la arquitectura TCP/IP, el protocolo TCP posee funciones equivalentes a la clase 4 de transporteOSI, aunque con algunas diferencias. Asimismo, en dicha arquitectura, los nmeros de puertohacen

las funciones equivalentes de los T-SAP de OSI.

Para ofrecer el refinado servicio de transporte definido, dicha capa incorpora un elevado nmero demecanismos (en los que no se abundar aqu). Algunos de ellos son muy parecidos a los de la capa deenlace de datos: adicin de bits de redundancia (checksum) para detectar errores de bit; uso denmeros de secuencia, mecanismos de asentimiento y retransmisin para detectar prdidas,desordenamientos y duplicaciones en las T-PDU; uso de crditos o ventanas de transmisin paramejorar la eficiencia y controlar el flujo de datos, etc.

Otros mecanismos son exclusivos de la capa de transporte. Por ejemplo: segmentacin/reensamblado(para poder enviar T-PDU de longitudes superiores al tamao mximo de las N-PDU -paquetes,datagramas- en las redes subyacentes); concatenacin/separacin (para enviar ms de una T-PDUdentro de una nica N-PDU aumentando la eficiencia en el uso de las redes); etc. Se comentarn, a

modo de ejemplo, los mecanismos de multiplexado definidos en la capa de transporte:

a) Varias conexiones de transporte en una conexin de red (optimiza el uso de las redescuando varias conexiones de transporte tienen el mismo origen y destino).

Proveedor

de servicio de red

x1 x1

a ba b

capa de

transporte

Fig. 2.15





b) Una conexin de transporte en varias conexiones de red(permite alcanzar los niveles deQoS acordados; en efecto, el uso de varias conexiones de red en paralelo permiteconseguir un caudal mayor o tener mayor redundancia para disminuir el retardo o la

probabilidad de desconexin de la conexin de transporte).

Proveedor

de servicio de red

x1

capa de

transporte

a

x2x1

a

x2

Fig. 2.16

2.4.7 La capa de sesin

La capa de sesin fue una aportacin relativamente nueva del modelo OSI de la ISO a las arquitecturasde comunicaciones. En efecto, podra pensarse que, dado el servicio perfectamente fiable que ofrece lacapa de transporte, los procesos de aplicacin no necesitaran nada ms y podran usar dicho serviciodirectamente.

De hecho, y siguiendo este razonamiento, la arquitectura TCP/IP carece de las capas de sesin ypresentacin explcitamente. Superados los errores de comunicacin en la capa de transporte, la capade sesin puede verse como un conjunto de herramientas, a disposicin de los programadores, que

permiten estructurar y enriquecer el dilogo entre los procesos de aplicacin.

Algunos de los servicios que dicha capa ofrece son:

a) Establecimiento, mantenimiento y finalizacin de las sesiones

b) Gestin del dilogo y las actividades

c) Sincronizacin y recuperacin

d) Gestin de los permisos (tokens) para realizar ciertas acciones

e) Cierre ordenado de las conexiones

Una conexin de sesin (sesin) se soporta sobre una conexin de transporte, pero va ms all. As,por ejemplo, una sesin puede prolongarse ms all de una conexin de transporte o viceversa, comose ilustra en la figura 2.17.





Sesin

Transporte

a) b) c)

tiempo

Fig. 2.17 Una sesin es algo ms refinado que una conexin de transporte: a) una sesin en una conexin detransporte; b) varias sesiones en una misma conexin de transporte; c) una sesin en varias conexiones de

transporte

Aunque las conexiones de transporte se definen como full-duplex, una sesin puede estructurarsecomo half-duplex, es decir, que existan turnos en las transmisiones o que, en un momento dado, slouno de los extremos de la sesin est facultado para enviar datos. Para ello, la capa de sesin ofrece la

posibilidad de usar el testigo (token) de transmisin que se posee, se pide y se cede por parte de losextremos como se ilustra en la figura 2.18.

(turno en este lado)

S-DATA.req

S-TOKEN_PLEASE.request

(pido turno)

S-DATA.indic

S-TOKEN_PLEASE.indic

S-DATA.req

S-TOKEN_GIVE.request(cedo turno) S-DATA.indic

S-TOKEN_GIVE.indication

S-DATA.indication

S-DATA.request

(turno en este lado)

Fig 2.18 Ejemplo de gestin del modo half-duplex mediante el uso del testigo de transmisin

La capa de sesin tambin ofrece mecanismos para sincronizar o marcar el dilogo entre sususuarios a travs de la insercin de puntos de sincronizacin de los que existen dos tipos: mayores(major sync points) y menores (minor sync points).





Mediante la insercin de esos puntos la sesin se estructura en dilogos(aquella porcin comprendidaentre punto de sincronizacin mayor consecutivos) y actividades (que comprenden varios puntos desincronizacin mayor). Las actividades pueden ser iniciadas, acabadas e incluso suspendidas (paracontinuarlas posteriormente). La utilizacin o no de estas facilidades, as como su significado, no soncompetencia de la capa de sesin, sino de los procesos de aplicacin en dicha capa. La figura 2.19ilustra todo esto.

dilogo dilogo dilogo dilogo dilogo

Actividad A Actividad B ... Actividad BActividad C

Activity

Begin

Activity

Begin

Activity

End

Activity

Begin

Activity

End

Activity

End

Activity

Suspend

Activity

Resume

Fig. 2.19 Insercin de puntos de sincronizacin en una sesin

Por resincronizacinde la sesin se entiende la conduccin de sta (su status completo) a un punto oestado anterior identificado por algn punto de sincronizacin. Como mucho se puede retroceder noms all del punto de sincronizacin mayor anterior. El uso y utilidad de la resincronizacin, comosiempre, depende del proceso de aplicacin. Podra servir para recuperar una situacin de errororiginada por la aplicacin (no un error de comunicacin ya que ste sera solventado por la capa detransporte).

A modo de ejemplo, imagnese la impresin de un libro en un perifrico remoto (impresora de altacalidad, no disponible localmente); para ello la sesin impresin del libro se estructura con puntosde sincronizacin menor para cada pgina y puntos de sincronizacin mayor para cada seccin ocaptulo; imaginemos que la impresora se queda sin tinta y que el operador del sistema donde seencuentra la impresora se da cuenta de ello, procediendo a sustituir el cartucho de tinta agotado poruno nuevo cuando ya han salido varias pginas defectuosas o en blanco.

En esta situacin, la capa de transporte no puede solventar ese problema originado por el proceso deaplicacin impresora remota; dicha capa ha cumplido perfectamente su misin de enviar datosfiablemente de un extremo a otro y no debe ni puede determinar que dichos datos no se han procesadoadecuadamente en la aplicacin destino impresora remota; las funciones de resincronizacin queofrece la capa de sesin, en cambio, permitiran reanudar el proceso de impresin a partir del puntodonde se inici el fallo elegantemente.

La capa de transporte OSI define un cierre de la conexin abrupto, es decir, cualquiera de los usuariosde la conexin puede iniciar una desconexin sin tener en cuenta el otro extremo ni los datos que

pueda haber en trnsito.





La capa de sesin ofrece mecanismos para el cierre ordenado de las conexiones (graceful close), esdecir, sin ambigedades o prdida de datos. En la arquitectura TCP/IP, en cambio, dicho cierreordenado ya est disponible en la capa de transporte (en el protocolo TCP). La figura 2.20 ilustra elconcepto de cierre ordenado en donde implcitamente se definen sesiones abiertas, sesiones mediocerradas (es decir, que el extremo cerrado no enva ms datos pero s puede recibirlos) y sesionescerradas.

T-DATA.reqT-DISCONNECT.req

(finalizacin

conexin y adis)T-DISCONNECT.indication

?

a)

S-DATA.req

S-DATA.req

S-DATA.indic

S-DATA.indic

S-RELEASE.confirm

(sesin cerrada)

S-RELEASE.request

(sesin cerrada en

este lado)

S-RELEASE.responset

(sesin cerrada)

S-RELEASE.indicationt

b)

Fig. 2.20 a) Cierre abrupto de una conexin de transporte; b) cierre ordenado de una conexin de sesin

El nivel de sesin OSI ofrece hasta 4 tipos deflujos de datosdistintos:

a) Normal data: los datos normales intercambiados principalmente en una sesin

b) Typed data: pequeas cantidades de datos que pueden transferirse sin la posesin deltestigo de transmisin

c) Capability data: pequeas cantidades de datos que se pueden transferir fuera de lasactividades para funciones de control

d) Expedited data: datos con prioridad respecto a los normales; basado en los servicios dedatos urgentes de las capas inferiores de transporte y red (si estn disponibles)





2.4.8 La capa de presentacin

La capa de presentacin est relacionada con el significado (semntica) y formato (sintaxis) de losdatos intercambiados en una sesin entre procesos de aplicacin. Si la capa de transporte ofrece unintercambio de datos fiable independiente de las redes y la capa de sesin estructura/enriquece eseintercambio de datos, la capa de presentacin ofrece un servicio de intercambio de informacin, es

decir, a nivel de dicha capa no se intercambian meramente grupos de bytes, sino algo con significado(por ejemplo: textos escritos, vectores o matrices de nmeros enteros o reales, imgenes, sonidos,etc.).

Se suele decir que el nombre ms adecuado para la capa de Presentacin hubiera sido el de capa derepresentacin. Si el modelo OSI persegua la interconexin de sistemas que fueran realmente abiertos,deba resolverse el problema de los diferentes formatos con que cada sistema representaba localmentesu informacin (dependiente del fabricante del sistema, de su hardwarey de su sistema operativo). Esah donde interviene la capa de presentacin.

El modelo OSI asigna a la capa de presentacin tres funciones:

a) Representacin comn de la informacin (formatos, conversiones)

b) Seguridad en el intercambio de informacin (privacidad, proteccin, autentificacin)

c) Compresin de la informacin

Para ilustrar mejor la necesidad de la capa de presentacin vanse algunos ejemplos: los sistemas de lamarca IBM han venido usando el cdigo EBCDIC para representar la informacin textual, mientrasque la mayor parte de los dems sistemas usan el cdigo ASCII. En esta situacin es evidente que, siun sistema IBM intercambia un texto con otro sistema, se pierde completamente su significado.Algunos sistemas almacenan los nmeros enteros en su memoria o disco con el bit ms significativo en

primer lugar, mientras que otros lo hacen con el bit menos significativo en primer lugar; no digamosya, la manera en que cada sistema representa a los nmeros reales (cuntos bits para la mantisa?,cuntos para el exponente?, en qu formato?) o cmo lo hace para estructuras de datos mscomplejas (vectores o matrices de nmeros, registros de una base de datos, etc).

Al abordar el problema de conseguir la deseada transparenciaen el intercambio de informacin entresistemas por parte de la capa de presentacin cabe plantearse tres alternativas:

a) Conversin del formato de origen al formato de destino en el sistema destino (una vez recibidala informacin)

b) Conversin del formato de origen al de destino en el sistema origen (antes de mandar la

informacin)

c) Conversin a un formato comn (antes de mandar la informacin) y conversin al formato dedestino (una vez recibida la informacin).





Las dos primeras alternativas suponen que cada sistema debe tener algoritmos de traduccin a/decada uno de todos los posibles formatos que pueda usar cualquier sistema de cualquier fabricante.SiNes el nmero de formatos distintos existentes, el nmero de algoritmos necesarios crece con

N2 y, adems, la introduccin de sistemas que usen un nuevo formato de representacin de su

informacin obliga a una actualizacin en todos los sistemas en comunicacin.

La tercera alternativa es la adoptada en la capa de presentacin OSI, pues requiere slo 2Nalgoritmos de conversin y la adicin de sistemas con nuevos formatos slo requiereactualizaciones locales en dichos nuevos sistemas. Las figuras 2.21 y 2.22 ilustranesquemticamente esas ideas.

sistema A sistema B

12

3

Fig. 2.21 Alternativas para lograr la transparencia en la capa de presentacin: 1) conversin a/de un formatocomn; 2) conversin en origen al formato de destino; 3) conversin en destino del formato origen

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1

2

3

N

1

2

3

N

N(N-1) 2N

Fig. 2.22 Conversiones de formato necesarias, dados N formatos distintos, para las distintas alternativas

Asociada a la capa de presentacin, existen los conceptos de sintaxis abstracta y sintaxis detransferencia.





La sintaxis abstracta se utiliza para definir de forma simblica cualquier estructura de datossusceptible de ser intercambiada entre procesos de aplicacin de sistemas distintos. Para ello seusa el lenguaje ASN.1 (Abstract Syntax Notation 1). Dicho lenguaje permite definir cualquierestructura de datos a partir de la definicin de unos tipos de datos primitivos o bsicos(INTEGER, BOLEAN, BIT STRING, OCTET STRING, ANY, NULL; OBJECT IDENTIFIER)y unos constructores (SEQUENCE, SEQUENCE OF, SET, SET OF, CHOICE), siendo similar alo que ofrecen leguajes de programacin como PASCAL o C.

La sintaxis de transferencia, por otra parte, describe cmo se codifica y transfiere cualquierestructura descrita mediante ASN.1 (estructura de campos, orden y significado de cada bit enellos, etc). Pueden existir diversas sintaxis de transferencia, dependiendo, por ejemplo, de si seutiliza reduccin de redundancia (compresin), cifrado, etc. La figura 2.23 ilustra las anterioresideas.

conversin conversin

S-PDUs

Datos + def. de laestructura en ASN.1

Sintaxis detransferencia (comn)

Fig. 2.23 Operacin de la capa de presentacin para conseguir la transparencia deseada

Otro concepto clave en la capa de presentacin OSI es el de contexto. Por contexto se entiende ladescripcin de todas las estructuras de datos, mediante ASN.1, que se utilizarn en una conexinentre procesos de aplicacin, as como la sintaxis de transferencia que se aplicar para ellas. Loscontextos se negocian durante el establecimiento de una conexin de presentacin y puedentambin alterarse durante ella. As, por ejemplo, una aplicacin de clculo numrico distribuidautilizar un contexto claramente distinto al de una aplicacin de acceso a una base de datos.

Los servicios que ofrece la capa de presentacin, aparte de las funciones de conversin de sintaxispara mantener la semntica de la informacin y de las funciones de compresin o cifrado, son losmismos que ya ofreca la capa de sesin. Los servicios que una capa transfiere sin modificacin

alguna, desde su capa inferior a su superior, suelen denominarse servicios reflejados (mirroringservices) o servicios de paso directo (pass through services), como se representasimblicamente en la figura 2.24.





Proveedor del servicio de sesin

Servicios de

representacin

Entidadde

presentaci

n

Servicios de paso directo

Fig. 2.24 La capa de presentacin refleja los servicios de la capa de sesin, excepto aquellos que impliquenaspectos de representacin de la informacin

Si bien el modelo OSI establece que las funciones de compresin y cifrado deben realizarse en la capade presentacin, ello no debe necesariamente ser siempre as en una arquitectura de comunicaciones.As, por ejemplo, podra concebirse una arquitectura en donde la capa de enlace de datos cifrara y/ocomprimiera las L-PDU (tramas). Las implicaciones de una u otra alternativa pueden ser importantes:con cifrado/compresin en la capa de enlace de datos, las PCI (cabeceras) de la capa de red ysuperiores (transporte y sesin) resultan afectadas, mientras que con dichas funciones realizadas en lacapa de Presentacin, no. Asimismo, la primera alternativa implica dotar a los sistemas intermedios defunciones de compresin/cifrado, mientras que la alternativa de la capa de presentacin slo implica alos sistemas finales.

Un ejemplo tpico de funcionalidad aplicada a la capa de presentacin es el de la criptografa. Veamosa continuacin algunas pinceladas sobre esta ciencia.

Nociones bsicas de criptografa

Los objetivos bsicos de las tcnicas de criptografa son:

a) Ocultar la informacin (evitar que pueda ser leda por entidades ajenas o no autorizadas)

b) Proteger la informacin (evitar que agentes externos puedan modificar, borrar o insertar partes)

c) Verificar el emisor de un mensaje (autentificacin, no repudio).

En la figura 2.25 se representa el escenario general donde se aplican las tcnicas criptogrficas.





cifrado descifradoCanal

inseguro

Clave de cifrado Clave de descifrado

Texto

cifrado

Texto

cifrado

Texto

en claro

Texto

en claro

Fig. 2.25 Escenario general donde se aplican las tcnicas de cifrado

En sus inicios la fortaleza de un sistema criptogrfico se basaba en el secreto del algoritmo.

Actualmente, los algoritmos criptogrficos son estndares pblicos, es decir, conocidos por todos,estando confiada su potencia al secreto y tamao de la clave y al hecho de que los algoritmos seanrobustos, en el sentido de que no existan atajos para descifrar el texto y slo quepa probar todas lasclaves posibles (mtodo de lafuerza bruta).

Las tcnicas clsicas se basan en el uso desubstitucioneso de transposiciones.

Porsubstitucinse entiende el reemplazo de cada carcter por otro o por un grupo de ellos. Entre esastcnicas pueden citarse, por ejemplo:

a) Aplicacin de una mscara XORa cada carcter. El algoritmo lo constituye la funcin XOR(O-exclusivo), la clave la constituye la mscara. As, por ejemplo, si la clave (mscara) es11001110 (CEhex) y el texto a cifrar es CASA (43 41 53 41hex), el texto cifrado sera8D 8F 9D 8Fhex. El algoritmo de descifrado para recuperar el texto original es el mismo, esdecir, aplicar de nuevo la funcin XOR con la clave a cada octeto. En este ejemplo, conocido elalgoritmo, el nmero de claves posibles es de slo 28, lo que da una idea de su poca seguridad.Sin embargo, dicho algoritmo se utiliz hace aos para codificar los documentos de texto por

parte de un conocido fabricante desoftwareque confiaba en el secreto del algoritmo.

b) Uso de una tabla de traduccin(variante del mtodo utilizado por el emperador romano CsarAugusto para intercambiar partes de guerra). As, por ejemplo, dada la tabla de traduccinsiguiente (Q, M, U, G, X, J, P, R, A, H, W, ) que indica que la primera letra del abecedariodebe sustituirse por la Q, la segunda por la M y as sucesivamente, el texto BECA resultaraMXVQ; puede verse fcilmente que el nmero posible de tablas distintas, es decir, de claves,es el factorial del nmero de letras del abecedario (27!). Dicho algoritmo es algo ms robusto,aunque con los ordenadores actuales puede vulnerarse fcilmente.

Por transposicinse entiende el cambio en el orden de los octetos del mensaje a cifrar segn indique

una clave. As, por ejemplo, dada la clave (3, 1, 4, 2) que indica las transposiciones a realizar en eltexto a cifrar, tomado en bloques de cuatro octetos, de manera que el tercer octeto de cada bloque secoloca en primer lugar, el primer octeto en segundo lugar, etc., el texto MI_ORDENADORresultara _MOIERNDOARD.





El mtodo de cifrado simtrico DES (Data Encryption Standard)

El mtodo de cifrado DES propuesto en USA divide el texto a cifrar en bloques de 64 bits sobre losque se aplican elaboradas tcnicas de substitucin y transposicin repetidamente a partir de lainformacin que contiene una clave de 56 bits. El mtodo ha demostrado ser robusto y existen mejoras

basadas en el uso de claves de mayor longitud, el cifrado encadenado de bloques, etc. Existen circuitos

integrados para llevar a cabo los algoritmos DES de forma rpida y eficiente. Este mtodo de cifradose llama simtrico porque utiliza la misma clave para cifrar y descifrar. Su inconveniente es elproblema de la distribucin de claves; en efecto, el emisor debe mandar al destinatario la clave usadaen el cifrado, pero ello no puede hacerse por la misma red que se considera insegura y para la cual seutiliza el cifrado!; las claves deben enviarse, por tanto, por otro medio que pueda considerarse seguro(envo personal, en mano, por ejemplo). En muchos casos, tampoco se desea que el receptor de unainformacin que se manda cifrada conozca la clave que el emisor utiliza para todos sus envos, pues

podra ser suplantado por aquel. En estos casos es ms conveniente usar mtodos de cifradoasimtricos o de clave pblica, como se describe a continuacin.

Criptografa de clave pblica o cifrado asimtrico

Uno de los problemas ms importantes de las tcnicas de criptografa es el de la distribucin de lasclaves. Si un emisor sospecha que algn intruso conoce su clave y desea cambiarla, ste no puedeutilizar la propia red insegura para mandar su nueva clave al destinatario. Tampoco es deseable, enmuchas ocasiones, que el destinatario conozca la clave que el emisor utiliza para todos sus envos.

Los algoritmos de clave pblica se basan en que cada usuario que desea intervenir en un entorno deintercambio seguro de informacin posee una clave de dos partes: su clave pblica Kp y su clave

privada o secretaKs. Un usuario pue

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Ingenieria - Analisis de Redes y Sistemas de Comunicaciones (UPC)