Arquitectura de Redes, Sistemas y Servicios

Arquitectura de Redes, Sistemas y Servicios

Miguel A. G´

omez Hern´

andez

17 de octubre de 2007

1.

Objetivos

Este tema pretende introducir los conceptos b´asicos de transmisi´on de datos, y describir las caracter´ısticas de medios de transmisi´on com´unmente utilizados en redes de comunicaciones. Todos los conceptos explicados en este tema ser´an tratados en mucha profundidad por varias asignaturas de este curso y de cursos posteriores. Sin embargo, es necesario entender las limitaciones que impone el uso de determinados medios de transmisi´on, para justificar los distintos protocolos de comunica-ciones. Tambi´en es necesario comprender que, al igual que en otros muchos trabajos de ingenier´ıa, debe alcanzarse un compromiso entre coste y prestaciones al proponer una soluci´on. Los objetivos de este tema, por lo tanto, son los siguientes:

Conocer los conceptos de dominio de la frecuencia, ancho de banda y filtrado. Estos conocimien-tos deber´an comprenderse en la asignatura “Teor´ıa de la Comunicaci´on”.

Conocer que el ancho de banda es un recurso limitado, que est´a relacionado con la capacidad del canal. En la asignatura “Teor´ıa de la Comunicaci´on” se detallar´a c´omo se relacionan ambos aspectos, as´ı como las t´ecnicas para alcanzar mayor capacidad sobre un mismo ancho de banda. En esta asignatura se considera suficiente saber que existe una relaci´on de proporcionalidad entre ambos.

Conocer los medios de transmisi´on habituales en redes de comunicaciones, sus propiedades y coste relativo.

Conocer t´ecnicas de multiplexaci´on para el reparto de un medio.

Comprender que al dise˜nar una red de comunicaciones es necesario alcanzar un compro-miso entre coste y prestaciones. En particular se espera que se puedan realizar propuestas argumentadas sobre topolog´ıas y medios de transmisi´on que permitan resolver problemas de comunicaciones m´as o menos generales.

2.

Lecturas recomendadas

Como se ha mencionado en la secci´on anterior, todos los aspectos de este tema ser´an tratados en profundidad en otras asignaturas de la carrera. En esta asignatura el tema sirve para justificar por qu´e hay que hacer un uso eficiente del ancho de banda, y por qu´e existen errores en la transmisi´on que hacen la comunicaci´on m´as dif´ıcil. Es por lo tanto importante entender someramente estos aspectos. Para ello, el cap´ıtulo 3 de [Sta00] es una buena lectura, puesto que no asume conocimientos previos pero se centra en los conceptos relevantes para el estudio de las redes de comunicaciones. Para saber m´as, pero de forma secundaria en esta asignatura, se puede leer [Sta00, cap. 5], que trata la

codificaci´on de datos, que permite alterar la capacidad de canal dado un ancho de banda, o [Sta00, cap. 6], que describe varios interfaces est´andares con el medio f´ısico.

En lo que se refiere a los medios de transmisi´on, [Sta00, cap. 4] o [Tan03, pp. 90-108] son igualmente concisos y claros, por lo que la lectura de una de estas dos fuentes es recomendable.

3.

Problemas recomendados

En esta secci´on se recomiendan una serie de problemas, y de preguntas abiertas que pueden ayudarte a repasar los conceptos aprendidos en este tema, y a explorar problemas para localizar las dudas o aspectos m´as interesantes.

3.1.

Problemas

3.1.1. Problema 1

La siguiente pregunta es el problema 2.55 de [Tan03], y permite comprobar si se tienen claros los conceptos de multiplexaci´on por divisi´on en tiempo y en frecuencia.

Un sistema de TV por cable tiene cien canales comerciales y todos ellos alternan pro-gramas con anuncios. ¿Se parece m´as esto a TDM o a FDM?

3.1.2. Problema 2

La siguiente pregunta, 3.1 en [Sta00], introduce un problema crucial en los dos siguientes temas de la asignatura: el medio compartido.

(a) En una red de difusi´on (varias estaciones transmiten y escuchan en el mismo medio), s´olo un dispositivo puede transmitir cada vez. ¿Por qu´e?

(b) Hay dos posibles aproximaciones para que en un momento dado s´olo un disposi-tivo transmita. En un sistema no balanceado o no equilibrado, una estaci´on es la responsable del control y podr´a, o bien transmitir, o decidir que lo haga cualquier otra. En el m´etodo balanceado o equilibrado, las estaciones cooperan entre s´ı, es-tableci´endose una serie de turnos. ¿Qu´e ventajas y desventajas presentan ambas aproximaciones?

3.1.3. Problema 3

Las siguientes preguntas, muy simples, se realizan en el problema 3.1 de [LG00]. Pese a su sencillez, sirven para familiarizarse con los rangos de valores que pueden tomar diversas magnitudes en problemas de comunicaciones.

Sup´on que el tama˜no de un fichero de texto sin comprimir es un MB.

(a) ¿Cu´anto tarda en transmitirse el fichero por un modem a 32Kbps? Observa queB significa byte y bsignifica bit.

(b) ¿Cu´anto tarda en transmitirse por un enlace a 1Mbps?

(c) Si el fichero se comprime, ¿en cu´al de los casos anteriores es m´as notable la reducci´on en el tiempo de transmisi´on?

3.1.4. Problema 4

El siguiente problema es el 2.8 en [Tan03]. En ´el se trata el concepto de tasa de transmisi´on. Se desea enviar una secuencia de im´agenes de pantalla de ordenador por una fibra ´optica. La pantalla es de 480x640 p´ıxeles y cada p´ıxel ocupa 24 bits. Hay 60 im´agenes de pantalla por segundo. ¿Cu´al es la tasa binaria necesaria para realizar esta transmisi´on?

3.1.5. Problema 5

El siguiente problema est´a inspirado en el 2.42 de [Tan03]. Los conceptos de una red de con-mutaci´on de circuitos y de una red de conmutaci´on de paquetes aparecen en este problema.

Compare el tiempo necesario para transmitir un mensaje deXbits por una trayectoria de K saltos en una red de conmutaci´on de circuitos y en una red de conmutaci´on de paquetes. El tiempo de establecimiento y liberaci´on de circuito es de S segundos, el retardo de propagaci´on es de D segundos por salto, el tama˜no del campo de datos del paquete es deP bits, el tama˜no de la cabecera del paquete es de H bits y la tasa de transmisi´on es de B bps. ¿En qu´e condiciones el tiempo necesario para transmitir el mensaje es menor en la red de conmutaci´on de paquetes?

3.1.6. Problema 6

El siguiente problema es abierto: muchas soluciones son v´alidas, pero deben argumentarse cor-rectamente. En ning´un caso debe olvidarse el compromiso entre coste y prestaciones. Una buena forma de resolverlo es preguntarse por lo siguiente:

¿Cu´al es el presupuesto disponible? Por supuesto, la respuesta en este momento no es un n´umero exacto, pero es suficiente con una respuesta del tipo muy reducido,reducido, medio,

alto, muy alto, ilimitado. . .

¿Cu´ales son las previsiones de tr´afico? Esto supone hacer estimaciones de cu´al va a ser el tr´afico intercambiado en el futuro. Intentando saber si el tr´afico va a ser bajo, medio o alto

entre cada par de m´aquinas internas y entre cada una de estas y el exterior se puede dise˜nar muy bien la red. Normalmente esto es mucho detalle, pero se puden hacer aproximaciones de m´as alto nivel, como decidir queel tr´afico de cualquier m´aquina a otra que est´e en sus misma habitaci´on ser´a muy alto, pero ser´a bajo a otras que est´en fuera de su habitaci´on.

¿Cu´ales son las restricciones geogr´aficas para el uso de medios? Puede ocurrir que las m´aquinas est´an muy distantes o cercanas, separadas por montes o mares, o en un espacio geogr´afico en el que es sencillo instalar infraestructuras, o que est´an en un mismo edificio pero es dif´ıcil cablear dentro de los actuales muros, o quiz´a que exista un cableado que se puede reutilizar. ¿La red a desarrollar tiene perspectivas de perdurar, o va a ser provisional? ¿Puede mejorarse en el futuro con mayores presupuestos?

¿Cu´ales son las infraestructuras de comunicaciones y las tecnolog´ıas adecuadas bajo las restric-ciones anteriores? De entre ellas, ¿son todas igual de aceptadas o estandarizadas, e igualmente f´aciles de mantener?

Con todas estas pautas, piensa ´este y los siguientes problemas, que se resolver´an hacia el final de la asignatura para poder tener una visi´on m´as global.

Haz una propuesta de cableado para el Edificio de Tecnolog´ıas de la Informaci´on y las Telecomunicaciones, en el que se desea tener una red de telefon´ıa en el que todos los despachos tengan un tel´efono, conectados a una centralita que da salida al exterior, as´ı como una red de datos, en la que se espera un trafico interno medio, y un tr´afico con el exterior bajo.

(a) Sup´on que esta red se puede hacer al mismo tiempo que el proyecto arquitect´onico del edificio.

(b) Sup´on que el edificio ya exist´ıa, con una red de telefon´ıa aceptable, pero es necesario montar la red de datos.

(c) Sup´on que dos de las salas del edificio presentan un tr´afico muy alto entre ellas, pero un tr´afico bajo con otras estaciones en el edificio o en el exterior. ¿Qu´e modificar´ıas? (d) Sup´on que el tr´afico con el exterior es mucho m´as alto desde una sala. ¿Qu´e

mod-ificar´ıas? 3.1.7. Problema 7

Este es otro problema abierto. Observa las diferencias con el anterior.

En una feria de muestras se quiere montar un pabell´on con unos cuantos terminales de datos. La red de datos los conectar´a entre s´ı, y con el exterior.

(a) ¿Qu´e soluci´on, en lo que respecta a medios de transmisi´on, propones si el tr´afico esperado es bajo?

(b) ¿Y si es alto? 3.1.8. Problema 8

Este problema es abierto tambi´en. Algunos de los aspectos que aparecen en este problema son estudiados en temas posteriores, por lo que se resolver´a el problema en el futuro, pero se lista aqu´ı porque el mayor ´enfasis est´a en el aspecto de nivel f´ısico.

Justifica el tipo de medio, la topolog´ıa, y en su caso la t´ecnica de acceso al medio, que utilizar´ıas para la comunicaci´on de datos requeridas en las siguientes situaciones:

(a) Un n´umero elevado de cajeros autom´aticos en una regi´on de tama˜no medio (por ejemplo, una provincia), que acceden al servidor de bases de datos de un banco. (b) Un n´umero medio (10∼= 100) de terminales de servicio en la oficina principal de un

banco, que adem´as est´an conectados al servidor de bases de datos de dicho banco. (c) Sup´onga que las bases de datos est´an replicadas (mirrored) en otra m´aquina en la misma sala. Esto significa que las operaciones que se hacen en una de las bases de datos deben hacerse en la otra. ¿En qu´e cambia esto las propuestas anteriores, si las cambia? Si no las cambia, ¿c´omo es posible?

3.1.9. Problema 9

Este problema se trata nuevamente de otro problema abierto.

Una empresa de seguridad instala c´amaras digitales en los edificios que vigila. Estos edificios pueden ser peque˜nos (como una oficina de banco), requiriendo unas pocas c´amaras, o grandes (como el ETIT), requiriendo varias decenas de c´amaras. Cada una de las c´amaras tiene asociadohardwarede comnicaciones, con cierta capacidad de proce-samiento para implementar protocolos estandarizados, y con cierta memoria que puede utilizarse como buffers. En cada edificio, un cuarto contiene una m´aquina que debe recibir las im´agenes proporcionadas por las distintas c´amaras, y almacenarlas en disco. Desde la central de la compa˜nia de seguridad se pueden solicitar en cualquier instante a cualquier edificio, im´agenes en tiempo real de alguna de las c´amaras, pero s´olo una de cada vez.

Adem´as, los datos recogidos se graban en cinta, quedando como prueba legal depositados en los almacenes de la compa˜nia de seguridad. Sin embargo, el grabado podr´ıa hacerse en los propios edificios, en cuyo caso una persona debe encargarse de recoger y cambiar las cintas con cierta frecuencia (sup´on una vez al d´ıa), o en la central de la empresa de seguridad.

Por otra parte, la infraestructura instalada en el edificio del cliente la va a pagar el cliente, pero la oferta debe ser competitiva o el cliente cambiar´a de compa˜n´ıa de seguridad. La infraestructura exterior a los edificios del cliente la pagar´a la empresa de seguridad.

(a) Discute el tipo de medio, la topolog´ıa, y en su caso la t´ecnica de acceso al medio, que utilizar´ıa dentro de los edificios de los clientes. Si lo consideras oportuno, diferencia edificios grandes y edificios peque˜nos.

(b) Discute si considera conveniente que las copias en cinta se realicen en el edificio del cliente, o en la central de la empresa de seguridad.

(c) Discute el tipo de medio, la topolog´ıa, y en su caso la t´ecnica de acceso al medio, que utilizar´ıas para comunicar los distintos edificios con la central de la empresa de seguridad.

(d) Brevemente, ¿en qu´e cambian tus respuestas a (b) y (c) si en la central de la empresa desean tener im´agenes en tiempo real de un n´umero arbitrario de c´amaras, en lugar de una cada vez?

3.2.

Cuestiones

A continuaci´on se plantean una serie de cuestiones sobre las que deber´ıas reflexionar:

El problema 4 hablaba del cableado de un edificio como el ETIT. Intenta enterarte de detalles de dicho cableado.

Los ´ultimos problemas tratan de determinar el cableado (observa que la palabra cableado es injusta, porque podr´ıan utilizarse medios no guiados) para distintas redes de comunicaciones. Piensa t´u otras posibles redes de comunicaciones y prop´on cableado para ellas. Observa algunos de los aspectos fundamentales involucrados: tr´afico esperado, disponibilidades econ´omicas, ´

area geogr´afica cubierta y necesidades de conexi´on entre dispositivos.

En clase se ha mencionado qu´e medios de transmisi´on pueden ser m´as baratos o caros. Intenta encontrar datos concretos sobre estos, sin olvidar que una de las soluciones m´as interesantes en ocasiones es alquilar un determinado ancho de banda en un enlace por sat´elite, fibra u otro tipo de medio.

Referencias

[LG00] A. Le´on-Garc´ıa and I. Widjaja. Communication networks: fundamental concepts and key architectures. McGraw-Hill Higher Education, 2000.

[Sta00] W. Stallings. Comunicaciones y redes de computadoras. Prentice Hall, Madrid, 6a edici´on, 2000. Versi´on original en ingl´es de 2000.

[Tan03] A.S. Tanenbaum. Redes de computadoras. Prentice Hall Hispanoamericana, M´exico, 4a edici´on, 2003. Versi´on original en ingl´es de 2003.