Conceptos Fundamentales de Redes: Conmutación, Retardos, Capas y Protocolos

Conmutación de Circuitos

Es la usada por las redes telefónicas. Reserva el canal o la ruta que se va a emplear en cada comunicación de extremo a extremo. No hay congestión y tiene una calidad constante. Requiere una fase de establecimiento antes de empezar a trabajar.

En un enlace, un circuito se puede repartir mediante multiplexión por división de frecuencia (FDM) o por multiplexión por división del tiempo (TDM). En los periodos de inactividad, los circuitos no asignados quedan ociosos.

Conmutación de Paquetes

Las aplicaciones distribuidas intercambian mensajes hasta finalizar la tarea. En las redes de computadoras, los mensajes se fragmentan en paquetes. Estos paquetes viajan a través de los enlaces y de los conmutadores de paquetes (routers o switches de la capa de enlace), entre origen y destino, a la velocidad de transmisión máxima del enlace.

Los recursos de la red se comparten (no hay reservas como en la conmutación de circuitos). Para acceder a un enlace de comunicación es posible que haya que esperar, dado que el canal se ocupa si se necesita.

El envío de paquetes es independiente, pudiéndose intercalar mensajes.

El conmutador de paquetes usa el método de transmisión de almacenamiento y reenvío, es decir, el conmutador no envía el primer bit a la salida hasta que se han recibido todos los paquetes del mensaje.

Los conmutadores tienen varios enlaces, con búfer de salida (donde los paquetes esperan si el enlace está ocupado, produciendo "atascos"). Si el búfer se llena, se pierden paquetes.

La conmutación de paquetes utiliza multiplexión estadística, que solo genera un espacio para transmitir bajo demanda (en la conmutación de circuitos se reservan espacios aunque no se usen).

Tipos de Retardo en Redes de Paquetes

El retardo total en la transmisión de un paquete a través de una red se compone de varias fuentes:

• Retardo de Procesamiento (d_proc)

  Tiempo tardado por el router en examinar la cabecera del paquete y determinar su destino. También se incluye el tiempo de comprobación de errores de nivel de bit.

• Retardo de Cola (d_cola)

  Estando en la cola del enlace correcto, es el tiempo de espera para ser transmitido. Varía según los paquetes que haya delante en la cola y si el enlace está ocupado (si no lo está y no hay cola, el retardo es cero).

• Retardo de Transmisión (d_trans)

  También conocido como retardo de almacenamiento y reenvío. Estando el enlace ya vacío y sin paquetes delante, es el tiempo que se tarda en transmitir todos los bits del paquete al enlace (sacar el paquete del router). Se calcula como: d_trans = L / R, donde L es la longitud del paquete (bits) y R es la velocidad de transmisión del enlace (bits por segundo).

• Retardo de Propagación (d_prop)

  Es el tiempo que tarda un bit en atravesar el enlace físico de punta a punta. Se calcula como: d_prop = distancia / velocidad de propagación.

El retardo total de un nodo es la suma de todos estos componentes: d_total = d_proc + d_cola + d_trans + d_prop.

Capas de Red

Los sistemas de comunicación en red se organizan en capas para gestionar la complejidad:

• Capa de Aplicación (Capa 5 en TCP/IP, Capa 7 en OSI)

  Residen las aplicaciones de red y sus protocolos (HTTP, SMTP, FTP, etc.). Un protocolo en esta capa está distribuido por varios hosts, estando la aplicación en uno de ellos que utiliza el protocolo para intercambiar paquetes de información (mensajes) con la aplicación de otro host.

• Capa de Transporte (Capa 4)

  Transporta mensajes de la capa de aplicación entre los puntos terminales de la aplicación. Los protocolos principales son:

  • TCP (Transmission Control Protocol): Orientado a la conexión, con control de flujo y entrega fiable. Divide los mensajes largos en segmentos.
  • UDP (User Datagram Protocol): Sin conexión, sin garantías de entrega ni control de flujo (más rápido pero menos fiable).

  Los paquetes de la capa de transporte se denominan segmentos (TCP) o datagramas (UDP).

• Capa de Red (Capa 3)

  Traslada los paquetes (denominados datagramas) de un host a otro a través de la red. Contiene el Protocolo IP (Internet Protocol), que define los campos del datagrama y la dirección lógica, y los protocolos de enrutamiento que determinan las rutas.

• Capa de Enlace (Capa 2)

  Se encarga de llevar los paquetes (denominados tramas) de un nodo (host o router) al siguiente nodo a lo largo de la ruta física. Gestiona el acceso al medio y la detección/corrección de errores en el enlace físico.

• Capa Física (Capa 1)

  Mueve los bits de forma individual dentro de una trama de un nodo al siguiente a través del medio de transmisión (cable, fibra, aire). El protocolo de esta capa dependerá del tipo de enlace físico.

Diferencia entre Servicio y Protocolo

• Servicio: Conjunto de operaciones que ofrece una capa a la capa inmediatamente superior. Define qué hace la capa.
• Protocolo: Conjunto de reglas que gobiernan el intercambio de datos (formato de mensajes, orden, acciones a tomar) entre entidades pares (en la misma capa) de máquinas diferentes. Define cómo la capa implementa su servicio.

Ambos, servicios y protocolos, se normalizan y son conceptualmente independientes unos de otros.

Modelos de Referencia

Modelo OSI (Open Systems Interconnection)

Un modelo conceptual de 7 capas:

• Capas Superiores (Orientadas al usuario/aplicación):
  • 7. Aplicación
  • 6. Presentación
  • 5. Sesión
  Se encargan de la transferencia de información entendible y manejable por los usuarios. Ofrecen servicios orientados a usuarios y utilizan protocolos extremo a extremo.
• Capas Inferiores (Orientadas a la red/transporte):
  • 4. Transporte
  • 3. Red
  • 2. Enlace de Datos
  • 1. Física
  Se encargan del transporte físico de la información entre hosts. Utilizan protocolos tramo a tramo (excepto Transporte) y forman parte de la subred de comunicaciones.

Definiciones clave en OSI:

• Protocolo de extremo a extremo: Opera entre los hosts de origen y destino final, sin fijarse en los nodos intermedios (ej. TCP).
• Protocolo tramo a tramo: Opera entre un elemento de red y el siguiente elemento adyacente en la ruta (ej. IP, Ethernet).

Arquitectura TCP/IP

Es un conjunto de protocolos más práctico y ampliamente utilizado, que no siempre mapea directamente a OSI y no obliga al uso de todas las capas conceptuales. Se suele describir con 4 o 5 capas.

• Protocolos Clave de Transporte:
  • TCP: Servicio orientado a conexión que proporciona un transporte fiable extremo a extremo de segmentos de datos sobre una red IP (considerada no fiable).
  • UDP: Servicio no orientado a conexión que proporciona un transporte no fiable extremo a extremo de datagramas sobre una red IP.
• Capa de Internet (Equivalente a la Capa de Red OSI):
  • Implementa el Protocolo IP, que es un protocolo tramo a tramo, sin conexión (SNOC) y no fiable (NF).
  • Esta capa posibilita la interconexión de diferentes tecnologías de red (Ethernet, WiFi, etc.) de forma que el usuario vea todo como una única y gran red (Internet).
  • El router IP es el dispositivo clave que permite esta interconexión, transmitiendo datagramas IP entre redes diferentes.

FTP y TFTP

FTP (File Transfer Protocol)

Es una aplicación de red estándar para la transferencia de archivos entre hosts, basada en el modelo cliente-servidor, donde el cliente inicia la conexión.

• Utiliza dos conexiones TCP separadas: una para la información de control (comandos, respuestas) y otra para la transferencia de datos en sí.
• Requiere mantener información de estado del usuario (autenticación, directorio actual) a lo largo de la sesión de control TCP.
• Tiene dos modos principales para establecer la conexión de datos:
  • Activo: El servidor inicia la conexión de datos hacia el cliente.
  • Pasivo: El cliente inicia la conexión de datos hacia el servidor (más común a través de firewalls).

TFTP (Trivial File Transfer Protocol)

Es una aplicación y protocolo muy simple para la transferencia de ficheros.

• Es una versión simplificada de FTP, diseñada para ser fácil de implementar y rápida para transferencias sencillas (ej. arranque de dispositivos de red).
• Utiliza UDP como protocolo de transporte, lo que lo hace sin conexión y sin estado.
• Transfiere ficheros en bloques fijos de 512 bytes.
• Es muy básico: cualquier error generalmente provoca la terminación de la transferencia.
• Tiene dos modos de transferencia:
  • NetASCII: Similar al modo ASCII de FTP (para archivos de texto).
  • Octet: Similar al modo binario de FTP (para cualquier tipo de archivo).
• Los mensajes TFTP son simples y pueden contener información como: nombre de fichero, modo de transferencia, número de bloque de datos, o código y mensaje de error.