Introduccion a las Redes, Apuntes de Tecnologías de Red y TCP / IP

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990801 Universidad de Navarra

Introducción a las

redes de ordenadores.

Introducción a Internet

cti

Centro de Tecnología Informática

TABLA DE CONTENIDOS

CTI • ••• Universidad de Navarra Introducción a las redes de ordenadores • • • • 1

1. INTRODUCCIÓN

A mediados de los 70 diversos fabricantes desarrollaron sus propios sistemas de redes locales. Es en 1980 cuando Xerox, en cooperación con Digital Equipment Corporation e Intel, desarrolla y publica las especificaciones del primer sistema comercial de red denominado EtherNet. En 1986 IBM introdujo la red TokenRing. La mayor parte del mercado utiliza hoy día la tecnología del tipo EtherNet.

En 1982 aparecen los ordenadores personales, siendo hoy una herramienta común de trabajo. Esta difusión del ordenador ha impuesto la necesidad de compartir información, programas, recursos, acceder a otros sistemas informáticos dentro de la empresa y conectarse con bases de datos situadas físicamente en otros ordenadores, etc. En la actualidad, una adecuada interconexión entre los usuarios y procesos de una empresa u organización, puede constituir una clara ventaja competitiva. La reducción de costes de periféricos, o la facilidad para compartir y transmitir información son los puntos claves en que se apoya la creciente utilización de redes.

2. DEFINICIONES

Una red es un conjunto de ordenadores conectados entre sí, que pueden comunicarse compartiendo datos y recursos sin importar la localización física de los distintos dispositivos. A través de una red se pueden ejecutar procesos en otro ordenador o acceder a sus ficheros, enviar mensajes, compartir programas...

Los ordenadores suelen estar conectados entre sí por cables. Pero si la red abarca una región extensa, las conexiones pueden realizarse a través de líneas telefónicas, microondas, líneas de fibra óptica e incluso satélites.

Cada dispositivo activo conectado a la red se denomina nodo. Un dispositivo activo es aquel que interviene en la comunicación de forma autónoma, sin estar controlado por otro dispositivo. Por ejemplo, determinadas impresoras son autónomas y pueden dar servicio en una red sin conectarse a un ordenador que las maneje; estas impresoras son nodos de la red.

Dependiendo del territorio que abarca una red se clasifican en:

• LAN: Local Area Network. Está constituida por un conjunto de ordenadores independientes interconectados entre sí, pueden comunicarse y compartir recursos. Abarcan una zona no demasiado grande, un edificio o un campus.
• WAN: Wide Area Network, comprenden regiones más extensas que las LAN e incluso pueden abarcar varios países.

También un conjunto de redes puede conectarse entre sí dando lugar a una red mayor.

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3. CARACTERÍSTICAS DE UNA RED LOCAL

Los ordenadores conectados a una red local pueden ser grandes ordenadores u ordenadores personales, con sus distintos tipos de periféricos. Aunque hay muchos tipos de redes locales entre ellas hay unas características comunes:

1. Un medio de comunicación común a través del cual todos los dispositivos pueden compartir información, programas y equipo, independientemente del lugar físico donde se encuentre el usuario o el dispositivo. Las redes locales están contenidas en una reducida área física: un edificio, un campus, etc.
2. Una velocidad de transmisión muy elevada para que pueda adaptarse a las necesidades de los usuarios y del equipo. El equipo de la red local puede transmitir datos a la velocidad máxima a la que puedan comunicarse las estaciones de la red, suele ser de un Mb por segundo.
3. Una distancia entre estaciones relativamente corta, entre unos metros y varios kilómetros.
4. La posibilidad de utilización de cables de conexión normales.
5. Todos los dispositivos pueden comunicarse con el resto y algunos de ellos pueden funcionar independientemente.
6. Un sistema fiable, con un índice de errores muy bajo. Las redes locales disponen normalmente de su propio sistema de detección y corrección de errores de transmisión.
7. Flexibilidad, el usuario administra y controla su propio sistema.

Los dos tipos básicos de dispositivos que pueden conectarse a una red local son las estaciones de trabajo y los servidores:

-Una estación de trabajo es un ordenador desde donde el usuario puede acceder a los recursos de la red.

-Un servidor es un ordenador que permite a otros ordenadores que accedan a los recursos de que dispone. Estos servidores pueden ser:

• dedicados: son usados únicamente para ofrecer sus recursos a otros nodos
• no dedicados: pueden trabajar simultáneamente como servidor y estación de trabajo.

Existe un tipo de servidor un poco especial que se tratará por separado, es el servidor de comunicaciones. Este servidor permite que cualquiera de los equipos de una red se comunique con dispositivos o sistemas externos. A su vez, se dividirá en dos grandes grupos: bridges y gateways.

De forma general, en una red, al nodo que pide un servicio o inicia una comunicación, se le denomina cliente. Al nodo que responde a la petición se le denomina servidor.

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4.2. Cable bifilar o par trenzado

El par trenzado consta como mínimo de dos conductores aislados trenzados entre ellos y protegidos con una cubierta aislante. Un cable de este tipo habitualmente contiene 1, 2 ó 4 pares, es decir: 2, 4 u 8 hilos.

Par trenzado

Cable de par trenzado

Los cables trenzados o bifilares constituyen el sistema de cableado usado en todo el mundo para telefonía. Es una tecnología bien conocida. El cable es bastante barato y fácil de instalar y las conexiones son fiables. Sus ventajas mayores son por tanto su disponibilidad y bajo coste.

En cuanto a las desventajas están la gran atenuación de la señal a medida que aumenta la distancia y que son muy susceptibles a interferencias eléctricas. Por este motivo en lugar de usar cable bifilar paralelo se utiliza trenzado y para evitar las interferencias, el conjunto de pares se apantalla con un conductor que hace de malla. Esto eleva el coste del cable en sí, pero su instalación y conexionado continua siendo más barato que en el caso de cables coaxiales. Tanto la red EtherNet como la TokenRing pueden usar este tipo de cable.

4.3. Fibra óptica

Es el medio de transmisión más moderno y avanzado. Utilizado cada vez más para formar la "espina dorsal" de grandes redes. Las señales de datos se transmiten a través de impulsos luminosos y pueden recorrer grandes distancias (del orden de kilómetros) sin que se tenga que amplificar la señal.

Núcleo Revestimiento Funda protectora

Por su naturaleza, este tipo de señal y cableado es inmune a las interferencias electromagnéticas y por su gran ancho de banda (velocidad de transferencia), permite transmitir grandes volúmenes de información a alta velocidad.

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Estas ventajas hacen de la fibra óptica la elección idónea para redes de alta velocidad a grandes distancias, con flujos de datos considerables, así como en instalaciones en que la seguridad de la información sea un factor relevante.

Como inconveniente está, que es el soporte físico más caro. De nuevo, no debido al coste del cable en sí, sino por el precio de los conectores, el equipo requerido para enviar y detectar las ondas luminosas y la necesidad de disponer de técnicos cualificados para realizar la instalación y mantenimiento del sistema de cableado.

5. CAPACIDAD DEL MEDIO: ANCHO DE BANDA

El método de transmisión hace relación a la capacidad del medio para transmitir información. El ancho de banda nos indica la capacidad máxima del medio.

Ancho de banda: es la diferencia entre la frecuencia más alta y más baja de una determinada onda. El término ancho de banda hace referencia a la capacidad del medio de transmisión, cuanto mayor es el ancho de banda, más rápida es la transferencia de datos.

Por encima del ancho de banda las señales crean una perturbación en el medio que interfiere con las señales sucesivas. En función de la capacidad del medio, se habla de transmisión en banda base o transmisión en banda ancha.

Ciclo

Datos Amplitud

Banda base

Las redes en banda base generalmente trabajan con mayor velocidad de transmisión que las redes de banda ancha, aunque la capacidad de estas últimas de transmitir por varios canales simultáneamente pueden hacer que el flujo total de datos sea prácticamente el mismo en ambos sistemas.

La transmisión de banda base utiliza señales digitales sobre una frecuencia. Utiliza toda la capacidad del canal de comunicaciones para transmitir una única señal de datos.

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6.3. Árbol

La topología en árbol se denomina también topología en estrella distribuida. Al igual que sucedía en la topología en estrella, los dispositivos de la red se conectan a un punto que es una caja de conexiones, llamado HUB.

HUB HUB

Red en árbol Estos suelen soportar entre cuatro y doce estaciones de trabajo. Los hubs se conectan a una red en bus, formando así un árbol o pirámide de hubs y dispositivos. Esta topología reúne muchas de las ventajas de los sistemas en bus y en estrella.

6.4. Anillo

En una red en anillo los nodos se conectan formando un circulo cerrado. El anillo es unidireccional, de tal manera que los paquetes que transportan datos circulan por el anillo en un solo sentido.

Red en anillo

En una red local en anillo simple, un corte del cable afecta a todas las estaciones, por lo que se han desarrollado sistemas en anillo doble o combinando topologías de anillo y estrella. La red EtherNet cuando utiliza cable coaxial sigue una topología en bus lineal tanto físico como lógico. En cambio al instalar cable bifilar, la topología lógica sigue siendo en bus pero la topología física es en estrella o en estrella distribuida.

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7. MÉTODO DE ACCESO

El método de acceso a red es la manera de controlar el tráfico de mensajes por la red. Hay dos métodos de acceso de uso generalizado en redes locales: el acceso por contención, llamado también acceso aleatorio y el acceso determinístico.

Básicamente, el método de acceso por contención permite que cualquier usuario empiece a transmitir en cualquier momento siempre que el camino o medio físico no esté ocupado. En el método determinístico, cada estación tiene asegurada su oportunidad de transmitir siguiendo un criterio rotatorio.

7.1. Acceso por contención, aleatorio o no determinístico

Los métodos aleatorios o por contención utilizan redes con topología en bus; su señal se propaga por toda la red y llega a todos los ordenadores. Este sistema de enviar la señal se conoce como broadcast.

El método de contención más común es el CSMA (Carrier Sense Multiple Access) o en castellano Acceso Multiple Sensible a la Portadora. Opera bajo el principio de escuchar antes de hablar, de manera similar a la radio de los taxis. El método CSMA está diseñado para redes que comparten el medio de transmisión. Cuando una estación quiere enviar datos, primero escucha el canal para ver si alguien está transmitiendo. Si la línea esta desocupada, la estación transmite. Si está ocupada, espera hasta que esté libre.

Cuando dos estaciones transmiten al mismo tiempo habrá, lógicamente, una colisión. Para solucionar este problema existen dos técnicas diferentes, que son dos tipos de protocolos CSMA: uno es llamado CA - Collision Avoidance , en castellano Prevención de Colisión y el otro CD - Collision Detection, Detección de Colisión. La diferencia entre estos dos enfoques se reduce al envío –o no– de una señal de agradecimiento por parte del nodo receptor:

• Collision Avoidance (CA): es un proceso en tres fases en las que el emisor:

-1º escucha para ver si la red está libre -2º transmite el dato -3º espera un reconocimiento por parte del receptor

Este método asegura así que el mensaje se recibe correctamente. Sin embargo, debido a las dos transmisiones, la del mensaje original y la del reconocimiento del receptor, pierde un poco de eficiencia. La red EherNet utiliza este método.

• Collision Detection(CD): Es más sencillo, recuerda al modo de hablar humano. Después de transmitir, el emisor escucha si se produce una colisión. Si no oye nada asume que el mensaje fue recibido. Aunque al no haber reconocimiento, no hay garantía de que el mensaje se haya recibido correctamente. Cuando varias personas mantienen una conversación, puede haber momentos en los que hablen a la vez dos o más personas. La que intenta comunicar, al detectar que su conversación ha colisionado con otra, debe iniciar de nuevo la conversación. La red AppleTalk (Local Talk ) de Apple utiliza este método.

Si dos estaciones inician la transmisión simultáneamente se produce una colisión de las señales. La estación emisora, cuando detecta la colisión, bloquea la red para asegurar que todas las

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9. PROTOCOLOS

Se entiende por protocolo el conjunto de normas o reglas necesarios para poder establecer la comunicación entre los ordenadores o nodos de una red. Un protocolo puede descomponerse en niveles lógicos o capas denominados layers.

El comité 802 del IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers) desarrolla protocolos estándares divididos en capas que se corresponden con el modelo de 7 niveles de la ISO (International Standards Organization).

Para ilustrar la necesidad de un protocolo puede pensarse en el siguiente ejemplo, tomado de un campo totalmente distinto al de las redes de ordenadores, pero con problemas afines de transporte:

Suponga que se quiere trasladar los restos de un arco románico desde un monte hasta otro país. Con este fin se numeran las piezas, se desmonta en orden, según unas normas; las piezas se agrupan en contenedores numerados. Se realiza un primer transporte hasta un puerto de mar en contenedores (containers). En el puerto, los containers se agrupan y otra empresa de transportes los envía por vía marítima al país de destino. Puede suceder que los containers se envíen en distintos barcos, con escalas distintas… En el puerto de destino la compañía naviera reagrupará los containers y los traspasará a la empresa de transporte terrestre, que los entregará al arquitecto en el lugar de emplazamiento. Allí en un orden inverso al empleado en origen se desagruparán las piezas y se montará el arco.

Al estudiar este ejemplo, se encuentra un paralelismo con otro ejemplo como puede ser el envío de una información entre usuarios de ordenadores en un hospital:

Suponga –por ejemplo– que quiere enviar una imagen de rayos-X, o el texto correspondiente a un historial clínico, de un departamento de un hospital a otro departamento.

Los datos que componen la imagen o el historial deben dividirse puesto que por su tamaño no puede emplearse un único datagrama. Además, esta información debe circular por una red con distintos soportes físicos y velocidades (coaxial, fibra óptica, etc.) y luego, por fin, recomponerla en el otro ordenador. Estos procesos plantean las siguientes cuestiones:

1. ¿Qué criterio se sigue para numerar las piezas originales?
2. ¿Con qué criterio se agrupan en las unidades de transporte (containers)?
3. ¿Cómo se ha decidido el tamaño de esas unidades de transporte en cada uno de los medios físicos?
4. ¿Qué criterio se emplea para reagrupar la información al llegar a un nuevo puerto (tipo de red)?; hay que tener en cuenta que los envíos pueden ir por distintos caminos, y llegar primero, los que salieron más tarde…
5. ¿Qué criterio se sigue para desagrupar la información?

Los protocolos establecen todas las reglas correspondientes al transporte en sus distintos niveles. Cada nivel de abstracción corresponde a un layer.

En un nivel se trabaja con la aplicación que maneja la información que se desea transportar; en otro se carga la información en los datagramas; otro nivel controla el acceso al medio… En el ordenador que recibe la información, los layers trabajan de forma análoga al que envía, pero en sentido

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inverso: controla el acceso al medio, lee los datagramas, reagrupa la información, y pasa los datos a la aplicación.

10. ROUTER, BRIDGE Y REPEATER

¿Qué hay que hacer para conectar dos redes distintas? El hecho de que sean redes distintas quiere decir que tienen distinto medio de transmisión, distinta estructura de la información que transmiten, distintas velocidades. Además, como puede intuirse con los ejemplos de transporte mencionados al hablar de protocolos, puede haber problemas de encaminamiento cuando la información pasa de una red a otra: dependiendo del tráfico, los paquetes de información pueden enviarse por caminos alternativos.

Un Router o Gateway es un dispositivo conectado en la red que une redes distintas. Por tanto, sus funciones son:

• Adaptar la estructura de información de una red a la otra (datagramas con tamaños y estructuras distintas)
• Pasar información de un soporte físico a otro (distintas velocidades y soportes físicos)
• Encaminar información por la ruta óptima
• Reagrupar la información que viene por rutas distintas

Un bridge une dos segmentos lógicos distintos de una misma red física. Dicho de otro modo: divide una red en dos subredes lógicas. El empleo de un bridge aísla el tráfico de información innecesaria entre segmentos, de forma que reduce las colisiones.

Un repeater amplifica la señal. Permite usar longitudes mayores de cable.

11. INTERNET: UNA RED DE REDES

Internet es una red mundial de redes de ordenadores, que permite a éstos comunicarse de forma directa y transparente, compartiendo información y servicios a lo largo de la mayor parte del mundo.

Para que dos ordenadores conectados a Internet puedan comunicarse entre sí es necesario que exista un lenguaje en común entre los dos ordenadores. Este lenguaje en común o protocolo es un conjunto de convenciones que determinan cómo se realiza el intercambio de datos entre dos ordenadores o programas.

Los protocolos usados por todas las redes que forman parte de Internet se llaman abreviadamente TCP/IP y son:

• Un protocolo de transmisión: TCP ( Transmission Control Protocol )
• El protocolo Internet: IP ( Internet Protocol )

Internet no es una red de ordenadores en el sentido usual, sino una red de redes, donde cada una de ellas es independiente y autónoma. Abarca a la mayor parte de los países, incluyendo miles de redes académicas, gubernamentales, comerciales, privadas, etc.

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11.3.1. Funciones del programa cliente

1. Gestionar la comunicación con el servidor:
   • solicita un servicio
   • recibe los datos enviados por el servidor
   • gestiona los datos a nivel local
2. Manejar el inferfaz con el usuario:
   • presenta los datos en el formato adecuado
   • dota al usuario de las herramientas y los comandos necesarios para poder utilizar las prestaciones del servidor de forma sencilla

11.3.2. Funciones del programa servidor

Transmite la información de forma eficiente, sin tener que preocuparse de atender a cada uno de los usuarios conectados. Así, un mismo servidor puede atender a varios clientes al mismo tiempo.

12. CÓMO SE TRANSMITE LA INFORMACIÓN EN INTERNET

Para que se pueda transmitir información a través de Internet son necesarios tres elementos:

12.1. Direcciones IP

Para que dos ordenadores, situados en cualquier parte del mundo, puedan comunicarse entre sí, es necesario que estén identificados de forma conveniente a través de una dirección.

Cada ordenador conectado a Internet tiene una dirección exclusiva y que lo distingue de cualquier otro ordenador del mundo, llamada dirección IP o número IP.

Dos ordenadores no pueden tener el mismo número IP, pero un ordenador sí puede tener varios números IP( dot quad notation).

Las direcciones IP están formadas por cuatro números separados por puntos, cada uno de los cuales puede tomar valores entre 0 y 255. Por ejemplo:

125.64.250.

Cada vez que se ejecuta una aplicación para utilizar un servicio en Internet, el software de comunicaciones del ordenador local necesita conocer la dirección IP del ordenador remoto con el que se quiere entrar en contacto.

Como memorizar números resulta complicado existe un sistema de identificación por nombres.

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12.2. Encaminadores o Routers en Internet

Al ser Internet una red de redes, cada una de ellas es independiente, cuando se quiere enviar datos desde un ordenador (A) perteneciente a una red determinada, hasta un ordenador (B) situado en otra red; deben ser conducidos hasta él de alguna forma.

Los encaminadores o routers permiten interconectar las distintas redes y encaminar la información por el camino adecuado.

El esqueleto de Internet está formado por un gran número de routers y la información va pasando de uno a otro hasta llegar a su destino.

Ordenador A

Internet

Ordenador B

Existen muchos caminos posibles para llegar desde A hasta B. Cuando un router recibe un paquete decide cuál es el camino adecuado a seguir y lo envía al siguiente router. Éste vuelve a decidir y lo envía. El proceso se repite hasta que el paquete llega al destino final.

12.3. Protocolos TCP/IP y paquetes de información

Cuando se transfiere información de un ordenador a otro ésta no se transmite de una sola vez, sino que se divide en pequeños paquetes. Así las líneas de transmisión, los routers y los servidores no se monopolizan por un solo usuario durante demasiado tiempo.

Generalmente por los cables de la red viajan paquetes de información provenientes de diferentes ordenadores y con destinos diferentes. Esta forma de transmitir información se denomina “conmutación de paquetes”. Cada paquete de datos contiene:

-una porción de la información real que se quiere transmitir

-otros datos necesarios para el control de la transmisión

-las direcciones IP de los ordenadores de destino y de partida

Todas las operaciones relacionadas con el encaminamiento de los paquetes de información y la inclusión de etiquetas con las direcciones IP de origen y destino están determinadas por el protocolo IP.

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Existen diversos dominios de primer nivel convencionales:

-Nacionales : constan de dos letras que denotan a qué país pertenece el ordenador. España: es, Francia: fr, Gran Bretaña: uk...

-Internacionales y genéricos :

Internacionales: están reservados para las organizaciones de carácter internacional. Por el momento sólo existe uno: int.

Genéricos: pueden ser utilizados por entidades cuya actividad se extiende a uno o varios países. Comercial: com, organizaciones no comerciales: org, recursos de red: net.

Estados Unidos es una excepción ya que no se usa la terminación us como dominio principal. El motivo es que Internet tuvo su origen en las redes nacionales de Estados Unidos, por eso se utilizan dominios de primer nivel especiales: edu: educación mil: militar gov: gobierno (no militar)

13.3. Determinación del número IP a partir de su nombre: el servidor DNS

El sistema de nombres por dominio constituye una forma idónea de nombrar a los ordenadores. Sin embargo, las máquinas necesitan el número IP para establecer contacto entre sí.

Para traducir los nombres por dominio a sus correspondientes números IP existen los servidores de nombres por dominio (DNS servers).

Debido a la gran cantidad de ordenadores que hay en la red y a los cambios constantes de estos es imposible mantener una base de datos centralizada que contenga todos los nombres por dominio existente. Sí existe una base de datos distribuida. Cada dominio principal, muchos subdominios y redes locales disponen de un servidor DNS con los datos de ordenadores que le pertenecen: sus nombres y sus números IP para poder traducir.

Cuando un ordenador local necesita conocer el número IP de un ordenador remoto se inicia un proceso:

1. El ordenador local envía un mensaje al servidor DNS más cercano. En el mensaje incluye el nombre por dominio que se desea traducir y se solicita el número IP correspondiente.
2. El servidor DNS si tiene la dirección solicitada la envía inmediatamente. Si no la tiene establece una conexión y realiza la consulta a otro servidor de nombres, los servidores DNS se preguntan entre ellos hasta que se localiza el nombre por dominio. Cuando se localiza se envía al primer servidor DNS que lo solicitó.
3. Cuando el servidor de nombres local dispone del número IP solicitado transmite esta información al ordenador que ha efectuado el pedido.

Si el nombre por dominio del ordenador remoto es incorrecto el servidor de nombres (DNS) no podrá determinar el número IP correspondiente, y el usuario recibirá un mensaje de error: “ERROR: the requested URL could not be retrieved”, “DNS name lookup failure”, etc.

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14. FORMAS DE ACCEDER A INTERNET

Existen dos formas de disponer de una conexión completa a Internet:

1. Desde un ordenador que forma parte de una red local de una empresa, universidad u otra institución y que está conectada a Internet a través de un router.

RED LOCAL

Ordenador local

ROUTER

ACCESO A INTERNET

Se necesita un ordenador con una tarjeta o adaptador de red.

2. Desde un ordenador doméstico estableciendo una conexión telefónica a una empresa denominada genéricamente proveedor de acceso a Internet.

Red Telefónica Modem Basica

Modem Ordenador personal

Proveedor de acceso a Internet

INTERNET

Se necesita un ordenador conectado a la línea telefónica a través de un modem. Se debe abonar el coste de la llamada telefónica durante el tiempo de conexión a red, además de la tarifa del proveedor del acceso.