PDF de programación - Tema 1. Introducción a la arquitectura y organización de las redes de ordenadores

1908 – Arquitectura de Redes

Tema 1. Introducción a la arquitectura

y organización de las redes de

ordenadores

Pedro M. Ruiz

<[email protected]>

Francisco J. Ros
<[email protected]>

3º Grado en Ingeniería Informática – 2011/2012

Organización del tema

 Clasificación, tipos de redes y estrategias de

conmutación

 Arquitectura por niveles (OSI vs TCP/IP)

 Aspectos de diseño en Internet

 Organización y estructura de Internet

Arquitectura de Redes - Universidad de Murcia

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Organización del tema

 Clasificación, tipos de redes y estrategias de

conmutación

 Arquitectura por niveles (OSI vs TCP/IP)

 Aspectos de diseño en Internet

 Organización y estructura de Internet

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3

Clasificación y tipos de redes

 Una red, es una colección interconectada de

dispositivos autónomos
– Pueden intercambiar información

– Cada dispositivo funciona independientemente

 Existen clasificaciones en base a múltiples criterios

– Uso de la red (empresarial, doméstica,..)

– Extensión espacial (de área local, extensa…)

– Tipo de tecnología empleada, etc

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Elementos básicos de una red

 Sistemas finales (hosts)

– PCs, PDAs,…
– Equipos que ejecutan aplicaciones de red

 Enlaces de comunicación

– Medios físicos que conectan los sistemas finales

Tipos:

Cableados: coaxial, par trenzado, fibra óptica
Inalámbricos: microondas, satélites

– La velocidad de transmisión se denomina ancho de

banda (bits/seg, bps)

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Elementos básicos de una red

 Dispositivos de conmutación (routers)

– Equipos situados en los cruces de los enlaces de
comunicación que conducen la información por el
camino adecuado entre sistemas finales

 Protocolos

– Reglas que controlan el formato de la información y los

procedimientos de envío y recepción

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Clasificación atendiendo a la localidad

espacial

 Redes de área local (LANs)

– Propiedad privada

– Principalmente para compartición de recursos

 Redes de área metropolitana (MANs)

– Pueden interconectar varias LANs cercanas

– Actualmente gran interés basado en tecnologías inalámbricas

 Redes de area extensa (WANs)

– Interconectan múltiples LANs o MANs remotas

– Formadas por un núcleo de enlaces de alta capacidad

– Multitud de tecnologías de red (ATM, FrameRelay, WDM,…)

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Estrategias de Conmutación

 Conmutación de circuitos

 Conmutación de circuitos virtuales

 Conmutación de mensajes

 Conmutación de paquetes

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Algunas definiciones previas

 Longitud del paquete, P, se mide en bits.
 Longitud del enlace, L, se mide en metros.
 Tasa de datos, R, es la tasa a la que se pueden enviar bits,

bits/segundo, b/s, o bps.1

 Retardo de propagación, PROP, es el tiempo que tarda un bit en

recorrer la longitud del enlace, L.

PROP = L/c. 2

 Tiempo de transmisión, TRANSP, es el tiempo que lleva

transmitir un mensaje de longitud P.
TRANSP = P/R.

 Retardo es el tiempo desde que se envió el primer bit, hasta

que se recibe el último. En un enlace:

Latency = PROP + TRANSP.

1. Nótese que un kilobit/segundo, kb/s, son 1000 bits/segundo, no 1024 bits/segundo.
2. La velocidad de transmisión se asume la de la luz en este caso, en general depende
del medio de transmisión.
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Source: CS244, Steve McKeown, Stanford University

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Conmutación de Circuitos

A

Fuente

B

Destino

Es el método usado por la red telefónica

Una comunicación tiene tres fases:

1. Establecer el circuito extremo a extremo (“marcación”),

2. Comunicar los datos,

3. Cerrar el circuito (“colgar”).

Un circuito es como un cable físico extremo a extremo.

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Conmutación de Circuitos

Red Telefónica

A cada llamada se le asignan

64kb/s. Por tanto una troncal de

2.5Gb/s pude soportar hasta
39,000 llamadas simultáneas.

Fuente
“llamante”

Destino
“llamado”

Central
de
Conmutación

Central de
Conmutación

Intercambiador

de troncales

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Conmutación de Circuitos Virtuales

A

Source

VC 25, IIF 3, OIF 5
VC 19, IIF 3, OIF 6

B

Destination

Se trata de conmutación de paquetes, no de circuitos
Durante la fase de marcación, cada conmutador asocia la

interfaz de entrada y de salida para cada CV

Los datos enviados incluyen el identificador del CV para que los

conmutadores intermedios lo envíen por el camino elegido

Se ofrece caudal fijo como en la conmutación de circuitos, pero

ofrece una mayor flexibilidad y tolerancia a fallos al operador

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Circuito Virtual

A

B

3

2

1

C

E

D

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Conmutación de Mensajes

A

Fuente

R1

R2

R4

R3

B

Destino

Cada mensaje se enruta independientemente usando la tabla de

rutas local al encaminador

Los routers no mantienen estado por flujo

Diferentes paquetes podrían seguir caminos distintos

Un encaminador podría recibir varios paquetes para un mismo

enlace de salida, por tanto requiere de buffers

Se puede mejorar el rendimiento, dividiendo los mensajes en

paquetes: conmutación de paquetes (datagramas)

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Conmutación de Paquetes

Modelo simple de Router

Link 2

Link 1

R1

“4”

Link 3

Link 4

Link 1, ingress

“4”

Link 2, ingress

Link 3, ingress

Link 4, ingress

Choose
Egress

Choose
Egress

Choose
Egress

Choose
Egress

Link 1, egress

Link 2, egress

Link 3, egress

Link 4, egress

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Datagrama

A

1

E

2

3

B

2

C

1

D

1

2

1

3

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16

Circuito Virtual vs Datagrama

1.3

1.2

2.3

2.2

1.1

2.1

Red de CVs

Cada paquete lleva el

número del circuito virtual

al que pertenece

Todos los paquete que
van por un mismo VC

usan la misma ruta

El orden se

respeta siempre

B.3

B.2

B.1

C.3

C.2

C.1

Red de datagramas

A

A

B

C

B

C

Cada datagrama lleva la

dirección de destino

La ruta se elige de
forma independiente
para cada datagrama

El orden no siempre

se respeta

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Multiplexación Estadística

Idea Básica

Un flujo

tasa

Dos flujos

tasa

Tasa
media

tiempo

El tráfico normal tiene ráfagas,

e.d. la tasa cambia frecuentemente.

Los picos de flujos independientes
normalmente suceden en instantes
diferentes.

Conclusión: Cuantos más flujos, más

estable el tráfico.

tiempo

Múltiples flujos

tasa

Tasa media de:
1, 2, 10, 100, 1000
flujos.

tiempo

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Conmutación de Paquetes

Multiplexación Estadística

Paquetes para la
misma interfaz de

salida

1

2

Data

Hdr

Data

Hdr

X(t)

R
R

R

Tamaño de

la cola

X(t)

B

Tasa enlace, R

Paquetes descartados

N

Data

Hdr

Buffer de
paquetes

Tiempo

Como el buffer absobe ráfagas temporales, el enlace de salida no

necesita funcionar a una tasa NxR

Pero el buffer tiene tamaño limitado, B, puede haber pérdidas.
El delay puede ser variable, por lo que no hay garantía de QoS

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Multiplexación Estadística

Rate

A

Rate

B

A

B

C

time

C

time

C

C

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Ganancia por Multiplexación Estadística

A+B

Tasa

2C

R < 2C

tiempo

A

B

R

Statistical multiplexing gain (SMG) = 2C/R

Otras definiciones de SMG: El ratio de tasas que dan lugar a un

determinado nivel de ocupación o de tasa de pérdidas.

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¿Por qué usa Internet conmutación de

paquetes?

1. Hace un uso eficiente de enlaces caros

–

–

–

Asume que los enlaces son caros y escasos.

Permite que muchos flujos compartan el enlace
satisfactoriamente.

“Circuit switching is rarely used for data networks, ... because
of very inefficient use of the links” - Gallager

2. Tolerancia a fallos en los enlaces y los routers

–

”For high reliability, ... [the Internet] was to be a datagram
subnet, so if some lines and [routers] were destroyed,
messages could be ... rerouted” - Tanenbaum

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Conmutación de Paquetes

A

Fuente

R1

R2

R4

R3

B

Destino

Host A

TRANSP1

R1

R2

R3

Host B

TRANSP2

“Store-and-Forward” en cada router

PROP1

TRANSP3

PROP2

TRANSP4

PROP3

PROP4

Mínimo retardo extremo a extremo

Minimum end to end latency

=

∑

i

TRANSP PROP
(
i

+

i

)

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Conmutación de Paquetes

¿Por qué paquetes mejor que mensajes?

M/R

M/R

Host A

R1

R2

R3

Host B

Retardo

Latency

=

∑

(

i

PROP M R
i

+

/

i

Host A
R1

R2

R3

Host B

Latency
Retardo

=

)

M R

/

min

+ ∑

PROP
i

i

Trocear los mensajes en paquetes permite el envío en paralelo por los
Trocear los mensajes en paquetes permite el envío en paralelo por los
diferentes enlaces de la red, reduciendo la latencia extremo a extremo.
diferentes enlaces de la red, reduciendo la latencia extremo a extremo.

También evit