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Prof. Ricardo Gonzalez Redes de Computadores Tema1 1
Curso de
Redes Computadores 1
Tema 1
Introducción a las Redes de
Computadores
Prof. Ricardo Gonzalez Redes de Computadores Tema1 2
Objetivo
Al finalizar el curso los estudiantes tendrán un conocimiento básico sobre la noción de protocolo de comunicación, la estructura de software/hardware de redes locales, las funciones principales de las capas de software en el modelo TCP/IP y algunos modelos de programación en redes, en especial el modelo cliente-servidor.
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Perspectivas
Usuario de la Red
Diseñadores e Instaladores de Red
Administradores de Redes
Proveedores de Servicios (de Red)
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Contenido del Curso
TEMA 1: Conceptos básicos. Internet. Redes locales, de área ancha, etc. Protocolos de uso e implementación de servicios. Estructuración de software de red por capas. Modelos TCP/IP y OSI. Protocolos basados en pregunta-respuesta. Servicios de red.
TEMA 2: Introducción a Internet (redesIP). Identificadores de máquimas: dirección “física” y dirección IP. Espacio de direcciones IP: dominios y máquinas. Nombres nemónicos: servicio DNS. Asociación número IP <-> nombre DNS.
TEMA 3: Introducción a la capa de transporte. Interfaz de programación en redes. Sockets: par (dirección IP, puerto).
TEMA 4: Estudios de casos de protocolo estándares sobre capas de transpote, tales como RFC822, POP, HTTP.
TEMA 5: Otros modelos de programación en redes: RPC.
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Contenido del Curso
TEMA 6: Componentes de una red IP. Redes locales. Redes de difusión, redes punto a punto. Elementos para armar una red local. Medios de transmisión y propiedades. Dispositivos: modems, conmutadores, hubs.
TEMA 7: Control y manejo del intercambio de datos sobre un enlace (link). Trama o Frame y sincronización de frame. Control de flujo a nivel de enlace. Transmisión confiable. Control de errores. Detección de errores.
TEMA 8: IP en detalle. Formato de los paquetes. Conmutación, fragmentación y re-ensamblaje. Introducción a enrutamiento. Algoritmos de vector de distancias y de estado de enlace.
TEMA 9: UDP y TCP. Formato de los segmentos. Protocolos. Inducción a control de flujo y control de congestión.
TEMA 10: Introducción a aspectos de seguridad. Encriptamiento. Autentificación.
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Curso de
Redes Computadores 1
Tema 1
Introducción a las Redes de
Computadores
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Redes de Computadores
Una red de computadores es un conjunto de equipos conectados por medio de cables, señales, ondas o cualquier otro método de transporte de datos, que comparten información (archivos), recursos (CD-ROM, impresoras, etc.) y servicios (acceso a internet, e-mail, chat, juegos), con un objetivo específico.
Redes de Computadores
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Redes de Computadores
150 millones de sitios web. 500 millones de usuarios (2008)
Su tamaño se dobla cada 5 años.
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Redes de Computadores
Internet
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Redes de Computadores
Un servicio puede ser definido como un conjunto de actividades que buscan responder a necesidades de un cliente.
El objetivo de una red de Telecomunicaciones es el de intercambiar información entre entidades que pueden estar fisicamente distantes
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Modelo Simplificado para las
Telecomunicaciones
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Un Modelo de
Telecomunicaciones
Fuente
genera los datos que se transmiten (p.e. teléfonos, computadores)
Transmisor (Tx)
Convierte los datos en señales transmitibles (señales eléctricas a ondas electromagnéticas; cadena de bits a señales analógicas)
Sistema de Transmisión
Portador de los datos (líneas de transmisión; enlaces de radio; red de telecomunicaciones)
Receptor (Rx)
Convierte la señal recibida en datos para que pueda ser manejada por el dispositivo destino
Destino
Toma los datos que entrantes
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Tareas Claves en un Sistema
de Telecomunicaciones
Utilización del Sistema de Transmisión:
Interfaz entre el dispositivo y el medio de transmisión
Generación de la Señal
Sincronización
Gestión de Intercambio
Detección y Corrección de Errores
Control de Flujo
Direccionamiento y Encaminamiento (Enrutamiento)
Recuperación
Formato de Mensajes
Seguridad
Administración de la Red
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Modelo Simplificado para la Comunicación de
Datos en Redes de Computadores
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Networking (Redes)
Conexión punto a punto entre todas las entidades no es práctica
Dispositivos están muy lejanos entre sí
Una gran cantidad de dispositivos necesitaría un número no práctico de conexiones
Número de conexiones necesarias = N x (N-1)/2
Solución es una red de comunicaciones
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Modelo Simplificado de Red
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Clasificación de las Redes de
Computadores
WAN (Wide Area Network) Son Públicas o depende en parte de circuitos comunes de operadores particulares
Cubren largas distancias (X.25, Frame Relay, ATM, SDH, Sonet)
MAN (Metropolitan Area NetworkPueden cubrir el area de una Ciudad (MetroEthernet)
LAN (Local Area Network)Redes de computadores en un Campus, Organización o una
edificación.
La red, por lo general, pertenece al mismo dueño de los equipos que ésta comunica (Ethernet, WiFi)
PAN (Personal Area Network)Redes de uso personal de muy corto alcance. (Bluetooth, UWB)
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Conmutación de Circuitos
(Circuit Switching)
Mientras dure la comunicación se establece un camino de comunicación dedicado establecido a través de los nodos de la red
El camino es una secuencia conectada de enlaces físicos entre nodos
En resumen, se establece un canal físico entre ambos extremos que nadie más puede usar mientras dure la comunicación
p.e. Red telefónica
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Conmutación de Paquetes
(Packet Switching)
Se envian pequeñas unidades (paquetes) de datos, unoa la vez.
Los datos se pueden enviar fuera de secuencia.
Los paquetes pasan de nodo en nodo entre fuente ydestino.
En cada nodo el paquete se recibe completamente, sealmacena durante un intervalo breve de tiempo yposteriormente se transmite al siguiente nodo
Usado para comunicaciones de terminal a computador yde computador a computador
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Configuración
de una Red
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Protocolos
Conjunto de reglas que gobiernan el intercambio de datos entre dos o más entidades
Usado para comunicaciones entre entidades en un sistema
Entidades cualquier cosa capaz de enviar y recibir datos
Aplicaciones de usuarios
gestores de e-mail
terminales
Un Protocolo es en Redes equivalente a un Algoritmo en la Programación tradicional.
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Características de los
protocolos
La comunicación entre dos entidades puede ser:
Directa o indirecta
Los protocolos pueden ser:
Monolítico o estructurado
Simétrico o asimétrico
Estándar o no-estándar
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Directa o Indirecta
Directa
Los sistemas comparten un enlace punto a punto o
Los sistemas comparten un enlace multi-punto
Los datos pueden pasar sin intervención de agentes activos
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Directo o Indirecto
Indirecto
Redes conmutadas o
Conjunto de redes (Internetworks) o internets
La transferencia de datos depende de otras entidades
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Monolítico o Estructurado
La tarea de la comunicación es complejacomo para ser abordada como una unidad
El diseño estructurado analiza el problemaen unidades más pequeñas
En lugar de un único protocolo, habrá un conjunto deprotocolos organizados, por ejemplo en unaestructura jerárquica en capas
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Simétrico o Asimétrico
Simétrico
Comunicación entre entidades pares
Asimétrico
Cliente/servidor
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Uso de Protocolos Estándares o No
Estándares
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Funciones de los protocolos
Encapsulación de mensajes
Segmentación y re-ensamblaje de mensajes
Control de conexión
Entrega ordenada de mensajes
Control de flujo
Control de Error
Direccionamiento
Multiplexaje
Servicios de transmisión
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Encapsulación
Se agrega información de control a los datos
Información de dirección: indicar dirección del emisor y/o del receptor
Código detector de errores: se debe incluir alguna secuencia de comprobación
Control del protocolo: se debe incluir alguna información adicional para realizar las funciones del protocolo que se mencionan más adelante
MensajeEste es el mensaje a enviarEncabezado Cola
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Encapsulación
Se agrega información de control a los datosInformación de dirección, Código detector de errores, Control del protocolo
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Segmentación (Fragmentación)
Los bloques de datos son de tamaño limitado
Los mensajes de la capa de aplicación pueden ser muy grandes
Los protocolos de niveles inferiores pueden ser más pequeños
La segmentación ( o fragmentación en TCP/IP) consiste en dividir los bloques más grandes en otros más pequeños
Los bloques de ATM (cells) son de 53 bytes de largo
Los bloques Ethernet (frames) son de hasta 1526 bytes de largo
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Control de Conexión
Establecimiento de la conexión (orientada a la conexión)
Transferencia de datos
Término de la conexión (orientada a la conexión)
Puede haber interrupción y recuperación de la conexión
Numeración secuencial de los mensajes enviado, esto se usa para
Entrega en orden
Control de flujo
Control de error
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Transferencia de Datos
Orientada a la Conexión
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Cuál es la necesidad de un
arquitectura de protocolos
Por ejemplo para la transmisión de archivosLa fuente debe activar el camino de comunicación o informar a
la red cual es su destino
La fuente debe verificar si el destino está preparado para recibir la información
La aplicación de transferencia de archivos en la fuente debe verificar si el sistema de manejo de archivo del destino aceptará y almacenará el archivo para el usuario especificado
Puede requerirse una transformación de formato del archivo
Una tarea es dividida en subtareas
Implementadas de forma separada y en capas dentro de una pila
Las funciones se necesitan en ambos sentidos
Las capas pares (del mismo nivel) se comunican
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La utilidad de un arquitectura
jerarquica de protocolos
DHL
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Elementos Claves de un
Protocolo
Para que dos entidades se comuniquen con éxito, se requiere hablen el mismo idioma.
Las entidades deben seguir una serie de convenciones mutuamente aceptadas a fin de saber:
qué se comunica (semántica)
cómo se comunica (sintaxis)
cuándo se comunica (temporización)
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Arquitectura de un Protocolo
Tareas de comunicación separadas en módulos
Por ejemplo la transferencia de archivo podría usar tres módulos
Aplicación para la transferencia de archivos
Módulo de servicio de comunicaciones
Módulo de acceso a la red
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Arquitectura simplificada en
Transferencia de Archivos
Capa de
aplicación
Capa de
transporte
Capa de
Acceso
a la red
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Requerimientos de
Direccionamiento
Se requieren dos niveles de direccionamiento
Cada computador necesita una única dirección de red
Cada aplicación en un computador multitarea necesita una única dirección dentro del computador
Puntos de Acceso al Servico (Service Access Point SAP)
El puerto en una red TCP/IP
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Redes y Arquitecturas de
Protocolos
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Unidades de Datos de los Protocolos UDP
(Protocol Data Units PDU)
En cada capa, se usan los protocolos para comunicarse
En cada capa se agrega información de control a los datos del usuario
La capa de transporte puede fragmentar los datos del usuario
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Operación de una Arquitectura
de Protocolo
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Architectura Estándar de
Protocolos
Se requieren para la comunicación de dispositivos
Los vendedores cuentan con productos con mejor mercado
Los consumidores pueden insistir en equipos basados en estándares
Existen dos estándares principales que son:
El modelo de referenciaOSI
Nunca fue más alla de las promesas iniciales
Suite de protocolos TCP/IP
Más ampliamente utilizado
También existe: IBM Systems Network Architecture (SNA)
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Elementos de Estandarización
Especificación del protocolo
Dos entidades en la misma capa en sistemas diferentes cooperan e interactúan por medio del protocolo
Las especificaciones del protocolo deben ser precisas
Formato de la unidad de datos
Semántica de todos los campos
Secuencia permitida de PDUs
Definición del servicio
Se necesita normalizaciones para los servicios que cada capa ofrece a la capa superior contigua
Descripción funcional de qué servicios está proporcionando
No especifica cómo se proporcionan los servicios
Direccionamiento: cada capa suministra a las entidades en la capa superior contigua.
Las entidades se identifican mediante SAP
Un NSAP(NetworkSAP) indica una entidad de transporte que es usuaria del servicio de red
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Modelo OSI
OSI = Open Systems Interconnection
Desarrollado por International Organization forStandardization (ISO) como arquitectura paracomunicaciones entre computadores
Objetivo: ser el marco de referencia en eldesarrollo de protocolos estándares
Siete capas
Un sistema teórico desarrollado muy tarde!
TCP/IP es el estándar de facto
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El modelo OSI
Es un modelo basado en capas
Cada capa desarrolla un subconjunto de las funcionalidades requeridas para lograr la comunicación
Cada capa se apoya en la capa siguiente de menor nivel para llevar a cabo funciones primitivas
Cada capa provee servicios a la siguiente capa de nivel superior
Los cambios en una capa no requerirán de modificaciones en otras capas de la pila
Capa k +1
Capa k
Capa k - 1
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Las capas de la OSI
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Estándares específicos por capa
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Capas OSI
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Capas OSI
Física:Se encarga de la transmisión de cadenas de bits no
estructurados sobre el medio físico; esta capa está relacionadacon las características mecánicas, eléctricas, funcionales y deprocedimiento para acceder al medio físico
Aquí se definen características de la interfaz física entredispositivos, tales como:
Físicas: distancias máximas de transmisión
Mecánicas: especifica las características físicas del conector y sus circuitos
Eléctricas: especifica los niveles de voltaje, velocidades de transmisión de los datos y sincronización de cambio de voltaje
Funcionales: especifica las funciones de cada uno de los circuitos
De procedimiento: especifica la secuencia de eventos que se realizan en el intercambio de flujo de bits a través del medio físico
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Capas OSI
Enlace de Datos: Se encarga de activar, mantener y desactivar un enlace, ofreciendo un
tránsito confiable de datos a través de un enlace físico
Envía bloques de datos (tramas) llevando a cabo la sincronización, elcontrol de errores , la entrega ordenada de tramas y el flujo necesario
Las capas superiores pueden asumir una transmisión libre de errores
Red: Proporciona conectividad y selección de rutas entre dos sistemas
finales que pueden estar ubicados en redes geográficamente distintas
Proporciona independencia a los niveles superiores respecto de lastécnicas de conmutación y de transmisión usadas para conectar lossistemas; es responsable del establecimiento, mantenimiento y cierrede las conexiones
No hace falta enlaces directos origen-destino.
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Capas OSI
Transporte: Segmenta y reensambla los datos en un flujo de datos Brinda un servicio de transporte de datos que proteja a las capas
superiores de los detalles de implementación de transporte Se ocupa de temas tales como la confiabilidad del transporte a través
de una interconexión de redes, evitando pérdidas de paquetes,duplicaciones, errores y pérdida de secuencia en los paquetes.
Proporciona seguridad, transferencia transparente de datos entre lospuntos finales: proporciona además procedimientos de recuperación deerrores, control de flujo origen destino y calidad de servicio.
Sesión: Proporciona el control de la comunicación entre las aplicaciones.
Establece, administra y cierra las conexiones (sesiones) entre lasaplicaciones que cooperan
Contempla mecanismos de recuperación: procedimiento para reanudar la transmisión después de ocurrido un fallo
Brinda sus servicios a la capa de presentación
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Capas OSI
Presentación:Asegura que la capa de aplicación pueda leer la información
enviada por la capa de aplicación de otro sistema
De ser necesario, la capa de presentación realiza una traducciónentre varios formatos de representación de datos, usando unformato de representación común
Proporciona a los procesos de aplicación independencia respectoa las diferencia en la representación de los datos (sintaxis)
Algunos ejemplos de servicios específicos de esta capa son:
Compresión de datos
Encriptación o cifrado de datos
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Capas OSI
Aplicación:Proporciona un medio para que las aplicaciones accedan al
entorno OSI
Es la capa más cercana al usuario y brinda servicios de red a lasaplicaciones del usuario
Incluye las funciones de administración y en general, a los mecanismos necesarios en la implementación de las aplicaciones distribuidas
Pertenecen a esta capa aplicaciones tales como:
Transferencia de archivos
Correo electrónico
Acceso desde terminales a computadores remotos
Etc.
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Modelo de Referencia OSI
7 Aplicación
6 Presentación
5 Sesión
4 Transporte
3 Red
2 Enlace de Datos
1 Física
Procesos de red para aplicaciones
Representación de datos
Comunicación entre aplicaciones
Conexiones extremo a extremo
Direcciones y mejor ruta
Acceso a los medios
Transmisión binaria
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Uso de las capas en diferentes
dispositivos (Un Retransmisor)
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Arquitectura Protocolo TCP/IP
Desarrollado por Defense Advanced Research Project Agency (DARPA) de USA para su red de conmutación de paquetes (ARPANET)
Arquitectura comercial dominante
Especificada y extensivamente usada antes de OSI
Usado por la Internet global
Es un modelo no oficial que trabaja con:Capa de Aplicación
Capa de transporte o Host to host
Capa Internet
Capa de acceso a la red
Capa física
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Capa Física
Define interfaz física entre dispositivo de transmisión de datos (p.e. computador) y medio de transmisión o red
Características del medio de transmisión
Niveles de señal
Velocidad de datos, etc.
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Capa de Acceso a la Red
Intercambio de datos entre el sistema final y la red
Proporciona dirección de destino para que la red pueda encaminar los datos hasta el destino apropiado
Invocar servicios de red como prioridad
El software que se use en esta capa dependerá del tipo de red
se han desarrollado estándares para
conmutación de circuitos
conmutación de paquetes (X.25)
LAN (ethernet)
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Capa Internet (IP)
Los sistemas pueden ser conectados a diferentes redes
Funciones de encaminamiento a través de múltiples redes
El protocolo IP (Internet Protocol) se usa en esta capa para ofrecer servicio de encaminamiento a través de varias redes
Implementado en sistemas finales y routers un router es un dispositivo con capacidad de
procesamiento que conecta dos redes y que deberetransmitir datos desde una red a otra siguiendo la rutaadecuada para alcanzar el destino
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Capa de Transporte (TCP)
Independientemente de la naturaleza de las aplicaciones se requiere que:
La entrega de datos sea confiable
Se asegure que todos los datos llegan a la aplicación destino y además en el mismo orden en que fueron enviados
El Protocolo TCP (Transmission Control Protocol) es el más utilizado para proporcionar esta funcionalidad
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Capa de Aplicación
Contiene la lógica necesaria para soportar la comunicación en varias aplicaciones de usuariop.e. para cada tipo distinto de aplicación se necesita un módulo
independiente y con características bien definidas
e.g. Http (hiper text transfer protocol), SMTP (simple mail tranfer protocol), SNMP, etc.
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Modelo de Arquitectura de
Protocolo TCP/IP
Prof. Ricardo Gonzalez Redes de Computadores Tema1 65
OSI vs TCP/IP
Prof. Ricardo Gonzalez Redes de Computadores Tema1 66
TCP
La capa usual de transporte en TCP/IP es Transmission Control Protocol (TCP)
Brinda una conexión confiable
Conexión
Asociación lógica y temporal entre entidades en diferentes sistemas
TCP PDU
Llamado segmento TCP
Incluye puertos de origen y destino (equivalente a SAP)
Que identifican respectivamente a las aplicaciones de los usuarios
Una conexión hace referencia a un par de puertos
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UDP
Una alternativa a TCP es UDP (User Datagram Protocol)
Envíos no garantizados
No se preserva el orden de secuencia de paquetes
No hay protección contra la duplicación de paquetes
Presenta un overhead Mínimo
Añade el concepto de puertos a IP
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Conceptos de TCP/IP
Prof. Ricardo Gonzalez Redes de Computadores Tema1 69
Direccionamiento
Es el nivel dentro de la arquitectura en el cual las entidades reciben su nombre
Existe una dirección única para cada sistema final (computador) y enrutador (router)
Dirección a nivel de Red
IP o dirección de internet (TCP/IP)
Network service access point or NSAP (OSI)
Los procesos dentro de un sistema se asocian a
Número de puerto (Port number) (TCP/IP)
Service access point or SAP (OSI)
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Seguimiento de una operación
simple
El Proceso asociado con el puerto 1 en el host A envía un mensaje al puerto 2 en el host B
El Proceso en A envía hacia abajo el mensaje a TCP para que éste lo envíe al puerto 2 del destino
TCP envía información a IP para que el mensaje sea enviado a B
IP envia a la capa de red (p.e. Ethernet) para que lo envíe al router J
Se generan una serie de PDU encapsulados
TCP
IP
A1
Red
B2
TCP
IP
Red
EnrutadoRouter J
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PDUs en TCP/IP
Prof. Ricardo Gonzalez Redes de Computadores Tema1 72
Algunos Protocolos de la Suite
TCP/IP
Prof. Ricardo Gonzalez Redes de Computadores Tema1 73
Estándares
Requerido para permitir la interoperabilidad entre equipos
Ventajas
Asegura un gran mercado para equipos y software
estimula la producción masiva reduciendo los costos
Permite que productos de diferentes proveedores se comuniquen
Desventajas
Tienden a congelar la tecnología
mientras que un estándar se desarrolla, se revisa y se adopta, ya se habrán desarrollado otras técnicas más eficaces
Prof. Ricardo Gonzalez Redes de Computadores Tema1 74
Organizaciones de
Normalización
Internet Society ISOC
International Organization for Standardization (ISO) creadora de Open Systems Interconnection (OSI).
American National Standards Institute (ANSI). USA miembro de ISO.
Electronic Industries Association (EIA) Desarrolló el EIA/TIA-232 (antes RS-232) y otros.
Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE) -- IEEE. Desarrolló IEEE 802.3 e IEEE 802.5.
International Telecommunication Union Telecommunication Standardization Sector (ITU-T) -- ITU-T organización internacional(antes CCITT). Desarrollo X.25 y otros protocolos
Internet Activities Board (IAB) The IAB ha presentado variosRequest For Comments (RFC) incluído (TCP/IP) y (SNMP).
ATM forum
Prof. Ricardo Gonzalez Redes de Computadores Tema1 75
Lecturas Adicionales
Tanenbaum. Redes de Computadores. Capítulo 1 (1.1-1.4 y 1.6)
Stallings, W. Comunicaciones y Redes de Computadores (7th edicion), Prentice Hall. 2004. capítulos 1 y 2
Comer,D. Internetworking with TCP/IP volume I
Comer,D. and Stevens,D. Internetworking with TCP/IP volume II and volume III, Prentice Hall
Halsall, F. Data Communications, Computer Networks and Open Systems, Addison Wesley
Web sites for IETF, IEEE, ITU-T, ISO