Introducción a la Comunicación de Datos

Comunicaciones I.P.

Fundamentos

Para: Carrera Gestión y Soporte en Redes

Prof: Héctor Villarroel Farias

Valor Agregado

Todos los servicios modernos de valor agregado que pueden prestarse a través de una plataforma HFC son digitales. Básicamente están compuestos por un tren de unos y ceros que se transmite por el medio en banda base o modulados. Este medio puede ser:

• Cable coaxial
• Fibra óptica
• Inalámbrico
• Cable UTP
• Cable telefónico
• Red de acometida de potencia

Redes de Computadores

La transmisión de datos se consolidó y estableció de manera conceptual en el desarrollo de las redes de computadores. Todas las aplicaciones se reducen, conceptualmente, a establecer comunicación de doble vía entre dos o más dispositivos tipo PC. El medio puede ser compartido o conmutado.

Definiciones y Tipos de Redes

• LAN: Red de Área Local. Este tipo de red, por lo general, está confinada a un lugar reducido. Por ejemplo: Salas de Clases, Condominios, Edificios públicos, etc.
• WAN: Red de Área Amplia. Está compuesta por la unión de varias redes LAN separadas geográficamente. La unión, entre ellas, se puede hacer por medio de:
  • Red PSTN
  • Red de Fibra Óptica
  • Red Inalámbrica
  • Enlace Satelital

Protocolos

Así, el esquema de una red, aunque sea simple, el movimiento de datos confiable entre las estaciones es muy complejo. Fue necesario desarrollar una serie de reglas, llamadas protocolos, que definan aspectos como:

• Manejo de errores en la transmisión
• Iniciación y finalización de una sesión de comunicaciones
• Conexión y desconexión a una red
• Seguridad de la transmisión

Modelo OSI

El modelo de referencia OSI fue el primer intento exitoso para reglamentar la comunicación de datos a través de cualquier medio. Fue desarrollado por la International Organization for Standardization (ISO) en 1984. Es fundamental para entender todas las nuevas aplicaciones de transmisión de datos a alta velocidad. Se ha utilizado como referencia para la creación de nuevos protocolos especializados.

El modelo OSI divide las tareas necesarias para mover información entre dos o más computadores conectados a una red en siete tareas más simples llamadas capas. Además, el tren de unos y ceros que lleva la información se divide en paquetes regulares.

Las 7 Capas del Modelo OSI

Una aplicación de Software del sistema A quiere enviar información a otra aplicación en el sistema B. El sistema A pasa la información a la capa de Aplicación, Capa 7. La capa de Aplicación entrega los datos a la capa de Presentación, Capa 6.

• Aplicación
• Presentación
• Sesión
• Transporte
• Red
• Enlace de Datos
• Física

La capa de Presentación pasa sus datos a la capa de Sesión, Capa 5, y así sucesivamente, hacia abajo, hasta llegar a la capa Física, Capa 1. Para llegar a B, el proceso es contrario.

Estrategias del Modelo OSI

Cada capa se puede comunicar solamente con tres de las otras capas:

• La capa inferior (N – 1)
• La capa igual en otro sitio de la red de computadores (N)
• La capa superior (N + 1)

Cada capa del modelo tiene varias formas de controlar la información con el fin de comunicarse adecuadamente con su capa igual en otras redes. Esta serie de reglas se añaden al comienzo de cada paquete de información que se quiere transferir.

PCI: Protocol Control Information. Esta unidad completa de información o PDU es la que llega a la capa correspondiente en el sistema al otro lado de la red.

PDU: Protocol Data Unit.

Funciones de las Siete Capas

• Servicios
• Manejo de archivos
• Manejo de impresión
• Aplicaciones de bases de datos
• Protocolos de Software
• Enrutadores
• Comunicaciones Ethernet

Capa Física

Describe las reglas para poner y extraer los bits de los cables que conforman la red. Define:

• Medios de Transmisión
• Dispositivos
• Estructuras de la red
• Tipo de señales de los datos
• Voltajes, tiempos, conectores, etc.

Capa de Enlace

Describe las reglas para convertir el tren de bits en grupos o frames de datos. En esta capa se organiza el tránsito confiable de los datos a través de la red:

• Direccionamiento físico del dispositivo
• Topología de la red
• Notifica a las capas superiores de que hay un error
• Reordenamiento de los grupos o frames de datos
• Regulación del tráfico de tal manera que el dispositivo receptor no sea saturado

Capa de Red

En esta capa se define la dirección de la red, que es diferente a la dirección MAC establecida en la capa anterior. En el protocolo de Internet IP se utiliza esta dirección para enlazar las direcciones del sistema que envía con el que recibe. Los enrutadores utilizan esta dirección de red para organizar el tránsito de los paquetes. Hay mucha actividad de hardware y equipos sobre esta capa.

Capa de Transporte

Organiza los datos en segmentos para su transporte por la red. En esta capa:

• Se controla el flujo de información
• Se multiplexan los datos de varias fuentes de información
• Se utilizan varios mecanismos para establecer una transmisión libre de error

Capa de Sesión

Esta capa establece, administra y termina las sesiones de comunicación entre dispositivos. Una sesión de comunicación consta de solicitud de servicio y respuesta al servicio entre dos aplicaciones. Protocolos de esta capa conocidos: AppleTalk, ZIP (Protocolo de Información de Zona).

Capa de Presentación

Esta capa convierte la información de la aplicación que se pretende enviar a un formato que lo pueda entender la fuente que recibe. Entre los formatos más usados están:

• Texto en ASCII o en EBCDIC
• Compresión de datos
• Compresión de video MPEG-2 y MPEG-4
• Formato JPEG, etc.

Capa de Aplicación

Es la capa más cercana al usuario del sistema. Esta capa interactúa con las aplicaciones de software que requieran comunicaciones con otros sistemas. Las tareas básicas son:

• Identificación de los otros sistemas que recibirán la información
• Identificación de la existencia de recursos para la comunicación
• Sincronización general de la transmisión

Algunos protocolos de esta capa son:

• FTP: Protocolo de Transferencia de archivos
• SMTP: Protocolo Simple de Transferencia de correo
• Telnet, etc.

Ejemplos de Protocolos

Formatos de la Información

Los datos y la información de control que se mueven a través del modelo OSI tienen varias representaciones:

• Frame: Es una unidad de información cuyas fuentes de envío y recepción pertenecen a la capa de Enlace o Link. Está compuesto por un encabezamiento (header) y una cola (trailer) con información para la capa de Enlace del destinatario. Además, lleva los datos de la capa inmediatamente superior.
• Packet: Es una unidad de información cuyas fuentes de envío y recepción pertenecen a la capa de Red. Está compuesto por un encabezamiento (header) y una cola (trailer) con información para la capa de Red del destinatario. Además, lleva los datos de la capa inmediatamente superior.
• Datagrama: Se refiere a una unidad de información cuya fuente y destino pertenecen a la capa de Red y se transmiten por un tipo de red sin conexión permanente (connectionless).
• Segmento: Se refiere a una unidad de información cuya fuente y destino pertenecen a la capa de Transporte.
• Mensaje: Es una unidad de información cuya fuente y destino existen más arriba de la capa de Red, por lo general pertenece a la de Aplicación.
• Celda: Es una unidad de información de ancho fijo, cuya fuente y destino pertenecen a la capa de Enlace o Link. Está compuesta por un encabezamiento (header) de 5 bytes con información de control para la capa de Enlace del sistema de destino y una carga de datos (payload) de 48 bytes con información de la capa inmediatamente superior.

El modelo de la celda se usa en ambientes conmutados de comunicaciones como:

• ATM (Asynchronous Transfer Mode): Modo de Transferencia de datos Asincrónica
• SMDS (Switched Multimegabits Data Service): Servicio de datos conmutados a velocidad de multimegabits.

Direccionamiento MAC

Son direcciones a nivel de la capa de Enlace que permiten identificar y direccionar dispositivos de hardware del sistema. Las direcciones MAC son únicas para cada interfaz de la red. Tiene 48 bits: los primeros 24 bits identifican al fabricante y son asignados por el IEEE. Los 24 últimos bits pueden ser la serie u otro dato del fabricante.

Protocolos de una Red LAN

Una red LAN opera sobre las dos capas inferiores del modelo OSI.

Método de Acceso al Medio

Como varios sistemas intentan usar el mismo medio, se requiere un método de contención.

Ethernet

CSMA/CD: Carrier Sense Multiple Access Collision Detect. CS: Detección de Portadora. «Escuchar antes de Hablar». MA: «Todos pueden hablar… mientras la red esté libre». CD: «Todos los dispositivos son informados de que hay una colisión». Los dispositivos en colisión abortan la transmisión y esperan un tiempo prudencial para reiniciar.

Desventaja:

• El sistema de contención descrito hace que la red se degrade mucho en velocidad. Cuanto más ocupada esté la red, más colisiones hay.
• Este método CSMA/CD es half-duplex. En otras palabras, cuando un dispositivo envía información, no puede recibir al mismo tiempo.

Solución:

Por medio de Switches segmentar la red en pequeñas redes o dominios de colisión. Si la red está conectada a la salida del switch, es full-duplex.

Protocolo

El protocolo básico para la transmisión de datos en una red Ethernet entre dos o más dispositivos conectados a ella es el TCP/IP.

• IP: Protocolo de Internet. Proporciona el envío de datagramas en una red sin necesidad de conexión existente y sin garantía de entrega.
• Opera a nivel de la capa de Red.
• Direccionalógicamente la red.
• Conmutación de paquetes.
• Selección dinámica de las rutas.
• Ordenamiento secuencial de los datagramas.

TCP: Protocolo de Control de Transmisión. Trabaja conjuntamente con IP para mover paquetes de datos a través de la red.

• Opera a nivel de la capa de Transporte.
• Proporciona la conexión de computador a computador.
• Chequea los errores.
• Organiza la conexión y desconexión.
• Genera señales de «Aceptación».
• Realiza control del flujo.

Direccionamiento IP

En una red IP, a cada dispositivo de interfaz se le asigna una dirección IP de 4 bytes o 32 bits. Es diferente a la dirección MAC de los dispositivos de hardware. Esta dirección está compuesta por:

• Dirección de Red (netid)
• Dirección de Host (hostid)

Clases de Direcciones IP

• Clase A: Compuesta por 7 bits para el netid y 24 bits para el hostid. Rango: Netid= 1 a 127, 126 redes. Hostid= 0.0.0 a 255.255.255 o 16777214 hosts. Aplicación: Para redes con gran número de Hosts. Por ejemplo, una gran red Nacional.
• Clase B: Compuesta por 14 bits para el netid y 16 bits para el hostid. Rango: Netid= 128.0 a 191.255 o 16382 redes. Hostid= 0.0 a 255.255 o 65534 hosts. Aplicación: Para ambientes con equilibrio entre el número de redes y de hosts.
• Clase C: Compuesta por 21 bits para el netid y 8 bits para el hostid. Rango: Netid= 192.0.0 a 233.255.255 o 2097152 redes. Hostid= 0 a 255 o 254 hosts. Aplicación: Para un sistema con gran número de redes y cada una de ellas con número reducido de hosts. Por ejemplo, una LAN.
• Clase D o Multicast: Compuesta por 28 bits. Se utiliza para enviar el mismo frame a un grupo de direcciones de usuarios que son miembros de un grupo de multicast con la misma dirección IP.
• Clase E: Este tipo de dirección IP está reservada aún.

IPv6

En la versión IPv6 se aumenta el rango de direcciones a 128 bits. Pero los 32 bits menos significativos corresponden a las direcciones IPv4 expuestas.

Esquema General de los Componentes de Internet

El concepto de Internet es simple: Un gran número de sistemas de acceso a redes de computadores interconectados con otros para formar una red global. El esquema general y conceptual es el siguiente. Se aplica también a cierto tipo de Intranets.

Componentes de las Redes

Hub de Ethernet

• Es básicamente un repetidor eléctrico.
• Todos los dispositivos conectados a él comparten el mismo ancho de banda.
• Todo lo que se transmite llega a todos los elementos conectados al hub.
• Permite su ampliación en cascada.
• Todos los dispositivos conectados comparten el mismo dominio de colisión.
• Introduce lentitud en las redes.
• Opera al nivel de la capa física.

Bridges

• Es similar a un HUB. Se utiliza para interconectar segmentos de una Red.
• Pero los frames en un bridge son almacenados y chequeados con respecto a errores. Solamente retransmite los libres de errores, y los que pertenecen al segmento correspondiente.
• Opera a nivel de la capa 2.
• Pero todos los usuarios comparten el mismo dominio de colisiones.

Switch de Capa 2

• Filtra los paquetes con base en la dirección de destino MAC.
• No requiere conversión de protocolo.
• Conecta dos o más segmentos de una red.
• El dominio de colisión termina en cada puerto del Switch.
• Capacitado para realizar autoaprendizaje del puerto en que está ubicado cada dispositivo.
• Cada terminal conectado al puerto realiza transmisión full-duplex y no hay CSMA/CD.

Router

• Filtra el tráfico entre redes según un protocolo específico, no usa solamente las direcciones de los paquetes.
• Mueve datos de manera efectiva entre los sistemas de las redes.
• Usa la información del protocolo de la capa 3.
• Divide las redes en subredes separadas.
• Reconoce diferentes protocolos.

Funciones Básicas de un Router

• Determina la ruta óptima para la transmisión:
• Entiende las direcciones IP y la topología de las redes.
• Las rutas se escogen según las direcciones IP y tablas internas de enrutamiento.
• Transporte de paquetes.

Switch de Capa 3

Problemas con el Router:

• Retardo entre 100 y 200 microsegundos.
• Retardo no predecible.
• Transporte de paquetes a 200 kpps o kilo paquetes por segundo.

El Switch de capa 3 es un método de enrutamiento de alta velocidad:

• Velocidad entre 200 kpps hasta más allá de 5 Mpps.
• Manejo de los paquetes en Hardware.
• Protocolos normales de enrutamiento (RIP, OSPF, etc).

Redes WAN

Es una red de comunicación de datos que cubre una área geográfica amplia, y que a menudo utiliza los servicios de las compañías portadoras de larga distancia. Estas redes, por lo general, operan al nivel de las tres capas inferiores del modelo OSI.

Arquitecturas WAN

• Enlace punto a punto: Usa líneas punto a punto exclusivas. Costoso.
• Circuitos conmutados: Similar a la conexión que establece una llamada de larga distancia.
• Paquetes conmutados: Es una tecnología muy eficiente. Varios usuarios comparten la misma conexión a una red portadora. ATM, Frame Relay y X.25.

Configuración LAN/WAN

Multicasting

Este concepto es importante para aplicaciones de CATV.

Unicast

• Muchos paquetes de datos idénticos se envían a múltiples usuarios.
• Este tipo de transmisión incrementa el tráfico por la red principal.

Multicast

• Envía una sola copia de los paquetes a múltiples receptores.
• Reduce el tráfico por la red y aumenta notablemente la eficiencia.
• IP multicasting es un protocolo de enrutamiento.
• Transmite datagramas IP desde una fuente de envío a múltiples receptores.

Aplicaciones del Multicast

• Transmisión de eventos en vivo como deportes y conciertos.
• Videoconferencia y Video-entrenamiento.
• Videos musicales.
• Mensajes corporativos.

Evolución de la Tecnología Ethernet

Fue desarrollada en 1970 por Xerox y consolidada en 1980. Está cubierta por el estándar IEEE 802.3. Hasta hoy hay cuatro tipos, según la velocidad de transmisión, para cable trenzado y fibra:

• 10 Mbps: 10Base-T Ethernet
• 100 Mbps: Fast Ethernet
• 1000 Mbps: Gigabit Ethernet
• 10 Gigabit: 10 GigaEthernet

Esta tecnología es completamente aceptada para la implementación de las redes de computadores y de alta velocidad.

Elementos

Las redes Ethernet están compuestas por:

• Nodos y medios de interconexión. Los nodos se pueden clasificar en:
  • DTE: equipo terminal de datos. Como PC, estaciones de trabajo, servidores, impresoras, en fin, los equipos que son fuente o destino de los datagramas.
  • DCE: equipo para comunicaciones de datos. Son los equipos que hacen el trámite de la conexión como hubs, routers, switches y tarjetas de interfaz (NIC).

La Capa Física Ethernet

Se implementa básicamente en las tarjetas NIC o de Interfaz para Ethernet. Está relacionada al modelo OSI de la siguiente manera:

• Reconciliación y MII o interfaz dependiente del medio: Estas dos subcapas proporcionan la conexión lógica entre MAC y las capas dependientes del medio.
• PCS o subcapa de codificación física: proporciona la lógica para codificar, multiplexar y sincronizar el tren de datos.
• PMA o subcapa de conexión al medio: compuesta por los transmisores y receptores de señal así como el sistema de recuperación de reloj.
• MDI o interfaz de conexión al medio: está compuesta por los cables y conectores de la interfaz al medio.
• Autonegociación: le permite a cada NIC intercambiar información sobre sus características y escoger el mejor modo de operación mutua.

10 Mbps Ethernet (10Base-T)

• Transmite datos en código Manchester y en banda base a 10 Mbps a través de cable UTP (cat3 a 5).
• Los terminales del NIV son RJ-45 de 8 pines.
• Permite operación Full-duplex.
• Máxima distancia 100 metros sobre UTP.

100 Mbps Ethernet (Fast Ethernet)

La evolución ha sido difícil por el intento de hacerlo sobre el cable e infraestructura existente. La más usada es 100Base-TX.

Capa Física 100Base-X

1000 Mbps Gigabit Ethernet

Tiene dos especificaciones:

• 1000Base-T para cable UTP.
• 1000Base-X STP para cobre y fibra óptica multimodo.

Permite en sus dos versiones operación full-duplex.

10 Gigabit Ethernet

Es una verdadera revolución en las comunicaciones modernas. Sin duda será la herramienta final de la convergencia de servicios. Solamente opera sobre fibra óptica. Opera siempre en full-duplex. El estándar es el IEEE 802.3ae. Es un protocolo de capa 2.

La capa física se divide en:

• LAN PHY: 10Gbase ER y 10Gbase SX.
• WAN PHY: 10Gbase LW.

Permite expansión de aplicaciones 10Base T a 10Gb sin afectar las capas superiores, de la 3 a la 7.

Modulación Digital

El desarrollo impulsado por la tecnología IP se complementa con los nuevos esquemas de modulación de las señales banda-base. Estos métodos de modulación son muy eficientes y permiten aprovechar el ancho de banda disponible en el enlace. Se han constituido en la última milla del futuro. El esquema es: fibra más última milla inalámbrico.

Modulación de las Señales Digitales

Las señales de VIDEO y AUDIO comprimidas y multiplexadas son BANDA BASE. Para transmitirlas por la red de banda ancha hay que modular las portadoras. La figura de mérito para comparar los métodos de modulación es la eficiencia medida en BIT/SEG/HZ. La figura de mérito de cualquier sistema de comunicaciones digitales es el BER. Es la proporción de los bits transmitidos contra los que llegan con error. Depende también del sistema de modulación y de la relación señal/ruido.

Métodos Básicos de Modulación

• FSK: Variación de la frecuencia de la portadora entre dos frecuencias que representan el 1 y el 0 lógicos.
• ASK: Variación de la amplitud de la portadora entre dos niveles que representan el 1 y el 0 lógicos.
• PSK: Variación de la fase de la portadora entre dos ángulos que representan el 0 y el 1 lógicos.

Sistema F.S.K.

Se utiliza para transmitir datos de baja velocidad. Las aplicaciones más importantes son: Monitoreo de la red y P.P.V. Se puede utilizar para implementar medidas de control y vigilancia (gas, electricidad, etc.) a través de la red.

Sistema B.P.S.K.

La fase cambia 180 grados según el dato sea un 0 o un 1 lógico. M1 es un modulador balanceado. Este modulador tiene muy buena inmunidad al ruido. No es eficiente en el uso del espectro. Cada día es menos frecuente su empleo en redes de banda ancha.

Sistema Q.P.S.K.

Principio usado en la señal de TV en Color. Los datos se dividen en los canales Q e I. Cada canal modula la misma portadora pero con un desfasaje de 90 grados. M1 y M2 son moduladores balanceados.

Sistema Q.A.M.

En este ejemplo, además de los 4 estados de la variación de fase hay cuatro niveles de modulación de amplitud. Hay mayor eficiencia en el uso del espectro. No es apto para ambientes ruidosos.

Eficiencia de la Modulación

Bibliografía