Redes e Internet

Redes de ordenadores

La telemática es la conjunción entre telecomunicaciones e informática. La principal aplicación de la telemática son las redes de ordenadores. Dichas redes constan de un grupo de ordenadores interconectados. Las redes se diseñaron para compartir recursos, como impresoras o discos. También para compartir datos mediante servidores de web o ftp entre otros. Actualmente, uno de los usos principales es como redes de comunicación y ocio. Para conectar varios ordenadores es necesario un enlace físico y un lenguaje común o protocolo.

Ventajas de usar redes

Los orígenes de las redes de ordenadores se remontan al desarrollo de los primeros sistemas operativos de tiempo compartido, a principios de los años sesenta. En ellos, un gran ordenador central se encargaba de realizar todo el procesamiento que varios usuarios demandaban simultáneamente a través de sus terminales . El siguiente paso natural, tras demostrar las ventajas de compartir un ordenador central entre varios usuarios, fue preguntarse si muchos usuarios podrían compartir los recursos e información disponibles en sus respectivos ordenadores. Como respuesta, a principios de los años setenta comenzaron a instalarse las primeras redes de ordenadores. La utilización de redes proporciona una serie de ventajas frente a otro tipo de organizaciones de ordenadores.

• Compartir recursos: Las redes de ordenadores permiten compartir recursos que son poco utilizados o que tienen un coste demasiado elevado para que cada usuario disponga de uno (p.ej. impresoras de alta calidad, grabadora de DVD, etc.). Al aumentar su grado de ocupación se amortiza rápidamente el coste de adquisición del recurso.
• Compartir e intercambiar información: Los usuarios de recursos informáticos no trabajan de forma aislada y necesitan una infraestructura para intercambiar información. La utilización de redes proporciona mecanismos más sencillos para intercambiar grandes volúmenes de datos entre los usuarios de una organización, sin la necesidad de emplear dispositivos de almacenamiento externos como disquetes, cintas, discos extraíbles o unidades de CD-ROM.
• Homogeneidad de las aplicaciones: Cuando hay varios usuarios, cada uno tiende a utilizar las aplicaciones que mejor se ajustan a sus necesidades y gustos. Esto puede provocar una situación de caos en la organización, por la gran variedad de formatos en los que se puede presentar la información y, lo que es peor, la falta de compatibilidad entre los mismos, que impediría que un usuario leyera un archivo de un compañero. Estos problemas desaparecen si todos los usuarios usan los mismos programas. Si además son aplicaciones que se comparten a través de la red, su instalación, gestión y mantenimiento son más efectivos.
• Mantenimiento más sencillo de la información: Cuando varios usuarios manejan datos comunes, pero cada uno mantiene su propia copia de la información en su equipo, puede producirse inconsistencia de datos. Supongamos que se produce un cambio en parte de la información (p.ej. el número de teléfono de un cliente). La organización debe asegurarse de ese dato se modifique en todos y cada uno de los ordenadores que lo almacenan. En otro caso, se podría realizar una consulta sobre el dato antiguo. Al usar la red existe una única copia de los datos, y todos los datos se modifican en la copia centralizada. El hecho de que los datos estén centralizados hace también más sencilla la tarea de crear copias de seguridad.
• Mayor efectividad: La capacidad de organizar recursos tiene un impacto directo en la organización y en el presupuesto de la empresa. Si los recursos se pueden compartir, hacen falta menos recursos. Otros beneficios menos obvios son, además del ahorro de hardware, también ahorro de tiempo y de papel.
• Ahorrar dinero (downsizing): hace referencia al uso de ordenadores más pequeños conectados en red en lugar de grandes ordenadores. Con ello se consigue una potencia equivalente a la de grandes computadores con un coste muy inferior.

Clasificación

Dentro de las redes se pueden distinguir varios tipos:

• Redes dedicadas: Son las llamadas punto a punto, lo que significa que los ordenadores están todos conectados entre sí. Cada ordenador tendrá tantas interfaces como ordenadores tenga conectados. Es un tipo de red sencillo pero se hace muy complejo si se añaden equipos.
• Redes de difusión: Poseen un solo medio de transmisión para conectar todos los equipos. Es necesaria la multiplexación de los datos. También se requiere de un mecanismo de acceso al medio compartido, para que dos estaciones no transmitan a la vez. Si un equipo envía, sólo lo aceptará el equipo al que le interese. Las redes de area local suelen asumir este modelo.
• Redes de conmutación: Los equipos están conectados a través de nodos de conmutación. Estos nodos reciben y transmiten la información de las entradas a las salidas comunicando a los equipos. Los nodos pueden ser de tránsito o periféricos en caso de que sólo se comuniquen con otros nodos o tengan equipos conectados.

Un nodo no se suele comportar como un repetidor pasivo, sino que lleva un control de errores y encamina, es decir, decide por qué salida debe ir un mensaje.

Las redes de conmutación también se pueden subdividir en tipos en función de la tecnología utilizada. Estos son:

• Redes de conmutación de circuitos: Son las primeras inventadas. Establecen una comunicación directa y dedicada entre el origen y el destino. Un ejemplo es la central telefónica. Presenta el inconveniente de la saturación de la red y de que los dos equipos deben transmitir a la misma velocidad, pues no existe control de flujo.
• Redes de conmutación de mensajes: Este tipo de red está diseñado para transmitir bits. El nodo es el encargado de hace llegar el mensaje. Lo guarda y lo envía cuando el receptor está listo. Un mensaje puede tardar mucho en ser reenviado. Esta red supone la ventaja de que en caso de saturación, el retardo se reparte entre los usuarios.
• Redes de conmutación por paquetes: El mensaje se fragmenta en paquetes. Es posible que los paquetes se enruten por caminos distintos o incluso que lleguen desordenados. El tamaño de los paquetes depende de la red.

Esta es la clasificación de las redes en función de su diseño. Además se pueden clasificar las redes en función de su extensión: LANs o redes de area local: cubren distancias pequeñas, del orden de un edificio o varios en la misma ciudad. Aceptan varias topologías, como bus o anillo. La asignación del canal puede ser estática mediante round-robin o dinámica mediante demanda. MANs, son areas metropolitanas, su extensión es de decenas de kilómetros. Un ejemplo es la televisión por cable en una ciudad. WAN o redes de area ámplia: comprenden paises enteros. Los hosts de los usuarios está unidos por routers a la red. Su topología puede ser muy diversa.

Las redes inalámbricas pueden pertenecer a las tres categorías. Otras redes como las domésticas son un tipo más reducido aun de LANs. Todas estas redes pueden conectarse mediante routers o puertas de enlace, que proporcionan la traducción necesaria en términos hardware y de protocolos. Las redes distintas unidas se llaman interredes. La própia Internet es una interred de ámbito global.

Dentro de una red, se distingue físicamente entre los equipos conectados, también llamados hosts, el cableado o medio físico, y los nodos, que pueden ser hubs, si simplemente actuan de repetidores, switch, si permiten encaminar dentro de la propia red o routers, que permiten interconectar varias redes distintas.

Topologias de red

Se define como la forma lógica que adquieren las conexiones de una red. Estas son algunas de las topologías más comunes:

• Topología en estrella: Todos los equipos están conectados a un nodo común. Y todas las comunicaciones se hacen a través de este. Se usa sobretodo para redes locales. Su nodo central puede ser un switch, un hub o un router.

• Red en anillo: Cada estación tiene dos interfaces que hacen de repetidor si el paquete no es para ella. En estas redes se puede usar un token o testigo, que los ordenadores que lo adquieren tienen permiso para transmitir. Si falla una estación falla toda la red.

• Red en bus: Hay un solo canal troncal al que se conectan todos los ordenadores. La ventaja es que es muy sencillo de mantener y de construir. Pero si hay muchos ordenadores, el rendimiento baja. Una topología en estrella que use un hub también puede considerarse un bus.

• Red en árbol: realmente, son varias redes en estrella interconectadas. Es necesario crear mecanismos de enrutamiento que dirijan los paquetes a la estrella que contenga el host de destino.
• Red en malla: Esta red conecta varios hosts o subredes por varios caminos. Proporciona una mayor tolerancia a fallos y puede dar un mejor rendimiento. Sin embargo, puede ser más cara de construir por el cableado.

Protocolos de comunicación

Las primeras redes estaban diseñadas pensando en el hardware. Hoy en día, la tendencia ha cambiado. El software está muy estructurado y permite una independencia de los dispositivos.

Se denomina jerarquía de protocolos a la organización del software de las redes. Está estructurado en capas o niveles. Cada una construida sobre la anterior. Estas, son capas de abstracción que añaden funciones a las anteriores y, básicamente, independizan el medio del mensaje. El concepto de capas es muy conocido a nivel computacional. Al igual que el sistema operativo o la programación orientada a objetos, la idea es ofrecer servicios mediante una interfaz sin mostrar sus detalles internos o algoritmos.

En las redes, la capa n mantiene contacto con la capa n de la otra máquina. Esa comunicación se crea mediante el protocolo de la capa n. Este protocolo se pasa a la siguiente capa que lo transforma a su protocolo y así sucesivamente hasta que llega a la primera capa del destino y las sucesivas capas van transformando el mensaje hasta llegar otra vez a protocolo n.

Entre cada capa hay una interfaz, que son las operaciones y servicios que esta da a su capa superior. Un conjunto de capas y protocolos se denomina arquitectura de red. Cada una de las capas puede tener las siguientes herramientas:

• Un modo de direccionamiento. Que indique la dirección de su capa homóloga en el ordenador destino.
• Un control de errores que detecte y repare los errores que pueda sufrir en su protocolo.
• Un control de flujo, que permita sincronizar el emisor y el receptor para funcionar a una misma velocidad.
• En las capas físicas se puede necesitar usar la multiplexión o demultiplexión.
• Cuando una comunicación puede ir por varios medios, la decisión de por cual enviarla se denomina enrutamiento.

Casi todos los protocolos de comunicación actuales usan la jerarquía de capas.

Las capas pueden ofrecer dos tipos de servicios a las que estén sobre ellas: Orientados a conexión o no orientados a conexión.

• Los servicios orientados a conexión tienen su mejor analogía en el teléfono. Para hablar por él se descuelga, se habla y se cuelga. El canal ha sido ocupado todo el tiempo y se ha enviado información sin parar. En algunos casos, el emisor y el receptor negocian sobre los parámetros a utilizar antes de establecer la conexión.
• En contraste, el servicio no orientado a conexión tiene su analogía el sistema postal. Cada mensaje lleva la dirección del destino. Se enruta por el sistema independientemente de los demás. Es posible que no se mantenga el orden en que fueron enviados.

La calidad del servicio depende de si el mensaje llega correctamente, no se pierde ni se duplica. En los orientados a conexión, por ejemplo, el retardo es inaceptable, la voz por teléfono no debe cortarse. En los no orientados a conexión, se puede demandar una confirmación de envío correcto. Si no se pide no es confiable, es lo que se llama un servicio de datagramas. Además, se puede establecer un servicio de solicitud-respuesta. El receptor pide unos datos y el emisor los envía. Un ejemplo son las consultas a bases de datos o las páginas web.

Modelos de referencia.

Hay dos arquitecturas de referencia: el modelo OSI y el modelo TCP/IP. Aunque los protocolos asociados al modelo OSI ya casi no se usan, es conveniente conocer los dos para ofrecer una visión contrastada.

Modelo OSI

Este modelo se basa en una propuesta de la ISO Organización internacional de estándares. El modelo OSI tiene 7 capas. No es en sí misma un arquitectura de red, ya que sólo define las capas y sus funciones, no el protocolo de cada una. Estas son las capas del modelo OSI:

• Capa física: Es la que realiza la transmisión de bits a través del canal de comunicación. La correción de errores consisten en asegurarse de que los bits llegan tal cual fueron enviados. Se ocupa de voltajes, pines de conexión, frecuencias de transmisión y otros elementos característicos del hardware.
• Capa de enlace de datos: La tarea de esta capa es transformar el medio de transmisión en una linea de comunicación. Se ocupa de las tramas de datos, de las tramas de confirmación y de la regulación de flujo que controle un buffer.
• La capa de red. Esta capa controla los aspectos relativos a la subred. Un aspecto clave está en cómo enrutar los paquetes a su destino. Las rutas suelen estar en tablas estáticas. Otra de las funciones de la red es evitar los cuellos de botella. Además, debe servir de interfaz entre redes distintas.
• La capa de transporte: La función de esta capa es aceptar los datos de las capas superiores, dividirlos en unidades más pequeñas si es necesario, pasar esas piezas a la capa de red y asegurarse de que llegan correctamente. Debe aislar las capas anteriores de los posibles cambios en el hardware. La capa de transporte opera de extremo a extremo. Mientras que las anteriores operan en los distintos enrutadores y canales que intervienen en la comunicación, la capa de transporte sólo tiene en cuenta el ordenador de destino y el de origen.
• La capa de sesión: Esta permite que los usuarios de las máquinas diferentes establezcan sesiones. Esto implica el control de dialogo, a quien le toca transmitir; la administración de token (que impide que los dos realicen la misma operación crítica al mismo tiempo) o la sincronización, que permite reaundar una sesión en caso de caida.
• La capa de presentación. A esta capa le corresponde la sintaxis y la semántica de la información recibida.
• La capa de aplicación. Esta última capa contiene los protocolos de los usuarios. Por ejemplo, el protocolo http para la transferencia de una página web.

El modelo TCP/IP

Este es el modelo de referencia usado en ARPANET, la primera red de área amplia y posteriormente en Internet. No existe un modelo oficial de TCP/IP, los protocolos se definieron sin un orden concreto y no necesariamente utilizan todas las capas. Estas son las capas que componen TCP/IP:

• Capa física y de enlace de datos: Es la misma que en el modelo OSI. Se encarga de la comunicación entre hardware.
• Capa de interred. El modelo TCP/IP no está orientado a conexión. De esta manera, los hosts inyectan paquetes en la red y estos llegan al destino de manera independiente. La capa de interred define un paquete de formato y protocolo oficial llamado IP o protocolo de Internet. La función de la capa de interred es entregar paquetes IP al destinatario. El enrutamiento de paquetes es fundamental en esta capa.
• Capa de transporte: Está diseñada para proporcionar la transferencia de datos de extremo a extremo. Esta capa puede contener mecanismos de seguridad. En ésta se definen dos protocolos: El primero es TCP, es un protocolo fiable que permite un flujo de información sin errores, completo y ordenado. Divide el flujo de bytes en mensajes discretos y los envía por la capa de interred. El segundo protocolo es UDP, no es confiable, ya que no garantiza el control de errores, ni que lleguen todos ni que lleguen en orden. Su utilidad se encuentra en las aplicaciones que requieren una transmisión puntual más que correcta.
• Capa de aplicación: El modelo TCP/IP no tiene capa de sesión ni de presentación. La capa de aplicación contiene los protocolos del nivel más alto. Por ejemplo el FTP para transferencia de archivos, el TELNET para una Terminal virtual o SMTP para el correo electrónico ente muchos otros que se han ido agregando con el tiempo.

Comparativamente, el modelo OSI y el TCP/IP tienen mucho en común. La aportación de OSI es diferenciar entre los servicios, las interfaces y los protocolos. Como medio para relacionar una capa con las contiguas. TPC/IP no es tan estricto en ese aspecto, aunque ha ido evolucionando para parecerse. Con respecto a la conexión, OSI permite servicios orientados a conexión o no conexión en la capa de red, pero no en la de transporte. TCP/IP, por su parte, sólo permite el modo no orientado a conexión en su capa de red, pero permite los dos tipos en la de transporte, dando a los usuarios la posibilidad de elegir.