Redes de ComputadorasCISCO

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DE COMPUTADORAS

00 Preliminares_Olifer.indd I

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MÉXICO • BOGOTÁ • BUENOS AIRES • CARACAS • GUATEMALA LISBOA • MADRID • NUEVA YORK • SAN JUAN • SANTIAGO AUCKLAND • LONDRES • MILÁN • MONTREAL • NUEVA DELHI SAN FRANCISCO • SINGAPUR • SAN LUIS • SIDNEY • TORONTO

Natalia Olifer

Formerly of Moscow State Technical University (MSTU)

Victor Olifer

UK Education and Research Networking Association (UKERNA)

Adaptación y revisión técnica

Jorge Valeriano Assem

División de Ingeniería Eléctrica,

Facultad de Ingeniería,

Universidad Nacional Autónoma de México

DE COMPUTADORAS

Principios, tecnología y protocolos

para el diseño de redes

00 Preliminares_Olifer.indd III

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Editor sponsor: Pablo E. Roig Vázquez

Coordinadora editorial: Marcela I. Rocha Martínez Editor de desarrollo: Edmundo Carlos Zúñiga Gutiérrez Supervisor de producción: Zeferino García García

Traductores: Carlos Roberto Cordero Pedraza y Efrén Alatorre Miguel Diseño de portada: Nuria Díaz

REDES DE COMPUTADORAS

Principios, tecnología y protocolos para el diseño de redes Prohibida la reproducción total o parcial de esta obra, por cualquier medio, sin la autorización escrita del editor.

A Subsidiary of The McGraw-Hill Companies, Inc.

Edifi cio Punta Santa Fe

Prolongación Paseo de la Reforma 1015, Torre A Piso 17, Colonia Desarrollo Santa Fe

Delegación Álvaro Obregón C.P. 01376, México, D. F.

Miembro de la Cámara Nacional de la Industria Editorial Mexicana, Reg. Núm. 736 ISBN: 978-970-10-7249-3

Traducido de la primera edición de: COMPUTER NETWORKS. Principles, Technologies and

1234567890 08765432109

Impreso en México Printed in Mexico

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PREFACIO ... XXI PARTE I: FUNDAMENTOS DE LA INTERCONECTIVIDAD

DE REDES ... 1

CAPÍTULO 1: EVOLUCIÓN DE LAS REDES DE COMPUTADORAS ... 3

1.1 INTRODUCCIÓN ... 4

1.2 ANTECEDENTES DE LAS REDES DE COMPUTADORAS ... 4

1.2.1 Las redes de computadoras como resultado de la evolución de las tecnologías de cómputo y de las comunicaciones... 4

1.2.2 Sistemas de procesamiento por lotes ... 5

1.2.3 Sistemas multiterminales: prototipo de una red de computadoras ... 6

1.3 PRIMERAS REDES DE COMPUTADORAS ... 8

1.3.1 Primeras redes de área amplia (WAN) ... 8

1.3.2 Primeras redes de área local (LAN) ... 10

1.4 CONVERGENCIA DE LAS REDES ... 13

1.4.1 Convergencia de LAN y WAN ... 14

1.4.2 Convergencia de las redes de computadoras y de telecomunicaciones ... 15

RESUMEN ... 17

PREGUNTAS DE REPASO ... 18

PROBLEMAS ... 19

CAPÍTULO 2: PRINCIPIOS GENERALES DEL DISEÑO DE REDES ... 21

2.2 PROBLEMAS DE COMPARTIR RECURSOS DE CÓMPUTO ... 22

2.2.1 Interacción entre computadoras y dispositivos periféricos ... 23

2.2.2 Interacción más simple entre dos computadoras ... 25

2.2.3 Aplicaciones de red ... 28

00 Preliminares_Olifer.indd V

(8)

2.3 PROBLEMAS DE LA TRANSMISIÓN FÍSICA DE DATOS

UTILIZANDO ENLACES DE COMUNICACIONES ... 30

2.3.1 Codifi cación ... 31

2.3.2 Características de los enlaces físicos ... 32

2.4 PROBLEMAS DE INTERACCIÓN ENTRE ALGUNAS COMPUTADORAS ... 34

2.4.1 Topología de los enlaces físicos ... 34

2.4.2 Direccionamiento de los nodos de red ... 38

2.4.3 Conmutación ... 42

2.5 PROBLEMA GENERALIZADO DE CONMUTACIÓN ... 43

2.5.1 Defi nición de fl ujo ... 43

2.5.2 Enrutamiento ... 44 2.5.3 Direccionamiento de datos ... 47 2.5.4 Multiplexaje y demultiplexaje ... 49 2.5.5 Medio compartido ... 51 2.5.6 Tipos de conmutación ... 53 RESUMEN ... 54 PREGUNTAS DE REPASO ... 55 PROBLEMAS ... 56

CAPÍTULO 3: CONMUTACIÓN DE CIRCUITOS Y DE PAQUETES ... 57

3.2 CONMUTACIÓN DE CIRCUITOS ... 58

3.2.1 Establecimiento de la conexión ... 59

3.2.2 Bloqueo de la solicitud de establecimiento ... 60

3.2.3 Ancho de banda garantizado ... 60

3.2.4 Multiplexaje ... 61

3.2.5 Inefi ciencias de la transmisión de tráfi co en ráfagas ... 62

3.3 CONMUTACIÓN DE PAQUETES ... 63

3.3.1 Búff ers y colas ... 65

3.3.2 Métodos de envío de paquetes ... 67

3.3.3 Transmisión de datagramas ... 68

3.3.4 Conexión lógica ... 70

3.3.5 Circuitos virtuales ... 71

3.3.6 Redes de conmutación de circuitos en oposición a redes de conmutación de paquetes ... 73

3.4 CONMUTACIÓN DE PAQUETES EN LAS REDES DE MEDIO COMPARTIDO ... 80

3.4.1 Fundamentos de la compartición del medio de transmisión ... 81

3.4.2 Razones de la estructuración de las LAN ... 82

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(9)

3.4.3 Estructura física de las LAN ... 83

3.4.4 Estructura lógica de una red de medio compartido ... 85

3.4.5 Ethernet como ejemplo de una tecnología estándar ... 89

RESUMEN ... 90

PROBLEMAS ... 92

CAPÍTULO 4: ARQUITECTURA Y ESTANDARIZACIÓN DE REDES ... 95

4.2 DESCOMPOSICIÓN DE LA INTERACCIÓN DE LOS NODOS DE RED ... 96

4.2.1 Método multicapas ... 97

4.2.2 Protocolo y pila de protocolos ... 100

4.3 MODELO OSI ... 101

4.3.1 Características generales del modelo OSI ... 101

4.3.2 Capa física ... 104

4.3.3 Capa de enlace de datos ... 105

4.3.4 Capa de red ... 106

4.3.5 Capa de transporte ... 110

4.3.6 Capa de sesión ... 111

4.3.7 Capa de presentación ... 111

4.3.8 Capa de aplicación ... 111

4.3.9 Modelo OSI y redes de conmutación de circuitos ... 112

4.4 ESTANDARIZACIÓN DE REDES ... 113

4.4.1 Concepto de sistema abierto ... 113

4.4.2 Tipos de estándares ... 114

4.4.3 Estandarización en Internet ... 115

4.4.4 Pilas estándares de protocolos de comunicaciones ... 116

4.4.5 Correspondencia entre pilas de protocolos populares y el modelo OSI ... 124

4.5 SERVICIOS DE INFORMACIÓN Y TRANSPORTE ... 125

4.5.1 Distribución de protocolos por elementos de la red ... 126

4.5.2 Protocolos subsidiarios del sistema de transporte ... 128

RESUMEN ... 130

PROBLEMAS ... 132

CAPÍTULO 5: EJEMPLOS DE REDES ... 133

5.2 ESTRUCTURA GENERAL DE UNA RED DE TELECOMUNICACIONES ... 134

5.2.1 Redes de acceso ... 135

00 Preliminares_Olifer.indd VII

(10)

5.2.2 Troncales ... 136

5.2.3 Centros de datos ... 136

5.3 REDES DE TELECOMUNICACIONES DE LARGA DISTANCIA ... 137

5.3.1 Servicios ... 137

5.3.2 Clientes ... 139

5.3.3 Infraestructura ... 140

5.3.4 Cobertura ... 141

5.3.5 Relación entre los diferentes tipos de prestadores de servicios ... 142

5.4 REDES CORPORATIVAS ... 144

5.4.1 Redes departamentales ... 144

5.4.2 Redes en edifi cios o en campus ... 145

5.4.3 Redes corporativas ... 147 5.5 INTERNET ... 149 5.5.1 Unicidad de Internet ... 149 5.5.2 Estructura de Internet ... 151 5.5.3 Fronteras de Internet ... 154 RESUMEN ... 156 PREGUNTAS DE REPASO ... 157 PROBLEMAS ... 158

CAPÍTULO 6: CARACTERÍSTICAS DE LAS REDES ... 159

6.2 TIPOS DE CARACTERÍSTICAS ... 160

6.2.1 Características subjetivas de calidad ... 160

6.2.2 Características y requerimientos de las redes ... 161

6.2.3 Escala de tiempo ... 162

6.2.4 Acuerdo sobre el nivel de servicio ... 163

6.3 DESEMPEÑO ... 163

6.3.1 Redes ideales... 164

6.3.2 Características de los retardos de los paquetes ... 166

6.3.3 Características de la velocidad de información ... 169

6.4 CONFIABILIDAD ... 170

6.4.1 Características de la pérdida de paquetes ... 171

6.4.2 Disponibilidad y tolerancia a fallas ... 171

6.4.3 Rutas alternas ... 172

6.4.4 Retransmisión de datos y la ventana deslizante ... 173

6.5 SEGURIDAD ... 177

6.5.1 Seguridad en computadoras y redes ... 177

6.5.2 Confi dencialidad, integridad y disponibilidad de los datos ... 179

6.5.3 Servicios de seguridad en las redes ... 180

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(11)

6.6 CARACTERÍSTICAS ÚNICAS DEL PROVEEDOR ... 181 6.6.1 Extensibilidad y escalabilidad ... 181 6.6.2 Administración ... 182 6.6.3 Compatibilidad ... 183 RESUMEN ... 183 PREGUNTAS DE REPASO ... 184 PROBLEMAS ... 185

CAPÍTULO 7: MÉTODOS PARA ASEGURAR LA CALIDAD DEL SER V I C I ... 187 O 7.1 INTRODUCCIÓN ... 188

7.2 APLICACIONES Y QoS ... 188

7.2.1 Requerimientos de diversos tipos de aplicaciones ... 189

7.2.2 Predictibilidad de la velocidad de información ... 189

7.2.3 Sensibilidad de la aplicación a los retardos de los paquetes ... 190

7.2.4 Sensibilidad de la aplicación a las pérdidas de los paquetes ... 191

7.2.5 Clases de aplicaciones ... 192

7.3 ANÁLISIS DE COLAS ... 192

7.3.1 Modelo M/M/1 ... 194

7.3.2 M/M/1 como un modelo para el procesamiento de paquetes ... 196

7.4 MECANISMOS DE QoS ... 199

7.4.1 Operación en modo de baja carga ... 199

7.4.2 Diferentes clases de servicio ... 199

7.5 MECANISMOS PARA LA ADMINISTRACIÓN DE COLAS ... 201

7.5.1 Algoritmo FIFO ... 201

7.5.2 Colas con prioridad ... 201

7.5.3 Colas ponderadas... 204

7.5.4 Algoritmos híbridos de las colas ... 206

7.6 RETROALIMENTACIÓN ... 206

7.6.1 Propósito ... 207

7.6.2 Participantes de la retroalimentación ... 207

7.6.3 Información de la retroalimentación ... 209

7.7 RESERVACIÓN DE RECURSOS ... 211

7.7.1 Reservación de recursos y conmutación de paquetes ... 211

7.7.2 Sistema QoS basado en reservaciones... 214

7.8 INGENIERÍA DE TRÁFICO ... 218

7.8.1 Desventajas de los métodos de enrutamiento convencionales ... 218

7.8.2 Panorama de la ingeniería de tráfi co (TE) ... 219

7.8.3 Ingeniería de tráfi co para las distintas clases de tráfi co ... 223

RESUMEN ... 224

PROBLEMAS ... 225

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(12)

PARTE II: TECNOLOGÍAS DE LA CAPA FÍSICA ... 227

CAPÍTULO 8: ENLACES DE TRANSMISIÓN ... 229

8.2 TAXONOMÍA ... 230

8.2.1 Redes de transmisión, circuitos y enlaces ... 230

8.2.2 Medio de transmisión ... 232

8.2.3 Equipo de transmisión ... 233

8.3 CARACTERÍSTICAS DE LOS ENLACES DE TRANSMISIÓN ... 235

8.3.1 Análisis espectral de señales en los enlaces de comunicaciones ... 235

8.3.2 Atenuación e impedancia ... 237

8.3.3 Inmunidad al ruido y confi abilidad de la transmisión ... 240

8.3.4 Ancho de banda y capacidad ... 242

8.3.5 Bits y bauds ... 244

8.3.6 Dependencia entre el ancho de banda y la capacidad... 246

8.4 TIPOS DE CABLES ... 247

8.4.1 Par trenzado con protección y sin protección ... 248

8.4.2 Cable coaxial ... 250

8.4.3 Cable de fi bra óptica ... 250

8.4.4 Sistema de cableado estructurado en edifi cios... 252

RESUMEN ... 254

PROBLEMAS ... 255

CAPÍTULO 9: CODIFICACIÓN Y MULTIPLEXAJE DE DATOS ... 257

9.2 MODULACIÓN ... 258

9.2.1 Modulación cuando se transmiten señales analógicas ... 258

9.2.2 Modulación cuando se transmiten señales discretas ... 259

9.2.3 Métodos combinados de modulación ... 261

9.3 DIGITALIZACIÓN DE SEÑALES ANALÓGICAS ... 263

9.3.1 Modulación por pulsos codifi cados ... 263

9.3.2 Digitalización de la voz ... 265

9.4 MÉTODOS DE CODIFICACIÓN ... 266

9.4.1 Selección de los métodos de codifi cación ... 266

9.4.2 Código potencial de no retorno a cero ... 267

9.4.3 Codifi cación bipolar por inversión alternada de marcas ... 269

9.4.4 Código de no retorno a cero con inversión de unos ... 269

9.4.5 Código de pulsos bipolares ... 270

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(13)

9.4.6 Código Manchester ... 270

9.4.7 Código potencial 2B1Q ... 270

9.4.8 Códigos redundantes ... 271

9.4.9 Aleatorización ... 272

9.4.10 Compresión de datos ... 275

9.5 DETECCIÓN Y CORRECCIÓN DE ERRORES ... 276

9.5.1 Técnica de detección de errores ... 277

9.5.2 Corrección de errores ... 278

9.6 MULTIPLEXAJE Y CONMUTACIÓN ... 279

9.6.1 Conmutación de circuitos basada en FDM y WDM ... 279

9.6.2 Conmutación de circuitos basada en TDM ... 281

9.6.3 Modo dúplex de operación de canales ... 283

RESUMEN ... 284

PROBLEMAS ... 285

CAPÍTULO 10: TRANSMISIÓN INALÁMBRICA ... 287

10.2 MEDIOS DE TRANSMISIÓN INALÁMBRICOS ... 288

10.2.1 Ventajas de las comunicaciones inalámbricas ... 288

10.2.2 Enlace inalámbrico ... 290

10.2.3 Espectro electromagnético ... 291

10.2.4 Propagación de ondas electromagnéticas ... 292

10.2.5 Legislación ... 294

10.3 SISTEMAS INALÁMBRICOS ... 295

10.3.1 Sistema punto a punto... 295

10.3.2 Sistemas punto a multipunto ... 297

10.3.3 Sistemas multipunto a multipunto ... 299

10.3.4 Sistemas satelitales ... 300

10.3.5 Satélite geoestacionario ... 302

10.3.6 Satélites de órbita terrestre baja y media ... 303

10.4 TECNOLOGÍA DE ESPECTRO DISPERSO ... 305

10.4.1 Espectro disperso con salto de frecuencia ... 306

10.4.2 Espectro disperso de secuencia directa ... 308

10.4.3 Acceso múltiple por división de código ... 309

RESUMEN ... 311

PROBLEMAS ... 312

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(14)

CAPÍTULO 11: REDES DE TRANSMISIÓN ... 313 11.1 INTRODUCCIÓN ... 314 11.2 REDES PDH ... 314 11.2.1 Jerarquía de velocidades ... 315 11.2.2 Métodos de multiplexaje ... 315 11.2.3 Limitaciones de la tecnología PDH ... 317 11.3 REDES SONET/SDH ... 318

11.3.1 Jerarquía de velocidades y métodos de multiplexaje... 319

11.3.2 Tipos de equipos ... 321

11.3.3 Pila de protocolos ... 323

11.3.4 Tramas STM-N ... 323

11.3.5 Topologías típicas ... 326

11.3.6 Métodos para garantizar la supervivencia de la red ... 327

11.4 REDES DWDM ... 333

11.4.1 Principios de operación ... 334

11.4.2 Amplifi cadores de fi bra óptica ... 335

11.4.3 Topologías típicas ... 336

11.4.4 Multiplexores ópticos de entrada/salida ... 339

11.4.5 Conexiones cruzadas ópticas ... 340

11.5 ESTUDIO DE UN CASO ... 341

RESUMEN ... 344

PROBLEMAS ... 346

PARTE III: REDES DE ÁREA LOCAL ... 347

CAPÍTULO 12: ETHERNET ... 351

12.2 CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LOS PROTOCOLOS LAN ... 352

12.2.1 Topologías y medios de transmisión compartidos estándares ... 353

12.2.2 Pilas de protocolos de las LAN ... 354

12.2.3 Estructura de los estándares IEEE 802.x... 361

12.3 CSMA/CD ... 363

12.3.1 Direcciones MAC ... 363

12.3.2 Acceso al medio de transmisión y transmisión de datos ... 364

12.3.3 Colisiones ... 365

12.3.4 Valor del retardo de la trayectoria y detección de colisiones ... 367

12.4 FORMATOS DE LAS TRAMAS DE ETHERNET ... 370

12.4.1 802.3/LLC ... 370

12.4.2 Trama 802.3/Novell 802.3 ... 372

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(15)

12.4.3 Trama Ethernet DIX/Ethernet II ... 372

12.4.4 Trama Ethernet SNAP ... 372

12.4.5 Uso de los diferentes tipos de tramas Ethernet ... 373

12.5 MÁXIMO DESEMPEÑO DE LA RED ETHERNET ... 374

12.6 ESPECIFICACIONES DEL MEDIO FÍSICO DE ETHERNET ... 376

12.6.1 10Base-5 ... 376

12.6.2 10Base-2 ... 379

12.6.3 10Base-T ... 380

12.6.4 Ethernet por fi bra óptica ... 383

12.6.5 Dominio de colisión ... 384

12.6.6 Características comunes de los estándares Ethernet a 10 Mbps ... 385

12.7 ESTUDIO DE UN CASO ... 386

RESUMEN ... 390

PROBLEMAS ... 392

CAPÍTULO 13: ETHERNET DE ALTA VELOCIDAD ... 395

13.2 FAST ETHERNET ... 396

13.2.1 Perspectiva histórica ... 396

13.2.2 Capa física del Fast Ethernet ... 397

13.2.3 Especifi caciones 100Base-FX/TX/T4 ... 400

13.2.4 Reglas para construir segmentos de Fast Ethernet utilizando repetidores ... 402

13.2.5 Características específi cas de 100VG-AnyLAN ... 405

13.3 GIGABIT ETHERNET ... 406

13.3.1 Perspectiva histórica ... 407

13.3.2 Problemas ... 407

13.3.3 Aseguramiento del diámetro de la red de 200 metros ... 408

13.3.4 Especifi caciones del medio físico 802.3z ... 409

13.3.5 Gigabit Ethernet basado en un par trenzado de categoría 5 ... 410

RESUMEN ... 411

PROBLEMAS ... 412

CAPÍTULO 14: LAS LAN DE MEDIOS COMPARTIDOS ... 415

14.2 TOKEN RING ... 416

14.2.1 Acceso a la señal circulante (Token-Passing) ... 417

14.2.2 Capa física de Token Ring ... 419

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(16)

14.3 FDDI ... 420

14.3.1 Características principales de FDDI ... 421

14.3.2 Tolerancia a las fallas FDDI ... 423

14.4 LAS LAN INALÁMBRICAS ... 425

14.4.1 Características específi cas de las lan inalámbricas ... 426

14.4.2 Pila de protocolos IEEE 802.11 ... 429

14.4.3 Topologías de las LAN 802.11... 431

14.4.4 Acceso al medio compartido ... 432

14.4.5 Seguridad ... 436

14.5 PAN Y BLUETOOTH ... 437

14.5.1 Características específi cas de las PAN ... 437

14.5.2 Arquitectura Bluetooth ... 438

14.5.3 Pila de protocolos Bluetooth ... 440

14.5.4 Tramas Bluetooth ... 442

14.5.5 Cómo funciona Bluetooth ... 443

14.6 EQUIPO PARA LAN DE MEDIOS COMPARTIDOS ... 444

14.6.1 Funciones principales de los adaptadores de red ... 445

14.6.2 Funciones principales de los concentradores ... 447

14.6.3 Autoparticionamiento ... 449

14.6.4 Soporte de enlaces de reserva ... 449

14.6.5 Protección contra acceso no autorizado ... 450

14.6.6 Concentradores de segmentos múltiples ... 451

14.6.7 Diseño del concentrador ... 453

RESUMEN ... 455

PROBLEMAS ... 458

CAPÍTULO 15: FUNDAMENTOS DE LAN CONMUTADA ... 459

15.2 ESTRUCTURACIÓN DE REDES LÓGICAS CON EL USO DE PUENTES Y SWITCHES INTERRUPTORES ... 460

15.2.1 Ventajas y desventajas de las LAN de medios compartidos ... 460

15.2.2 Ventajas de la estructuración de una red lógica ... 462

15.2.3 Algoritmo de puente transparente del estándar IEEE 802.1D ... 465

15.2.4 Limitaciones topológicas de la LAN conmutada ... 470

15.3 SWITCHES INTERRUPTORES ... 471

15.3.1 Características específi cas de los switches ... 471

15.3.2 Switches sin bloqueo ... 476

15.3.3 Superación de la congestión ... 478

15.3.4 Traducción de los protocolos de capa de enlace de datos ... 479

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(17)

15.3.5 Filtrado del tráfi co ... 480

15.3.6 Arquitectura y diseño del switch ... 481

15.3.7 Características del desempeño de switches ... 485

15.4 PROTOCOLOS DE LAN FULLDÚPLEX ... 488

15.4.1 Cambios introducidos en la capa MAC por la operación en modo full-dúplex ... 488

15.4.2 Problemas de control de congestión en el modo full-dúplex ... 489

15.4.3 Ethernet 10G ... 492

RESUMEN ... 494

PROBLEMAS ... 496

CAPÍTULO 16: CARACTERÍSTICAS AVANZADAS DE LAN CONMUTADAS ... 497

16.2 ALGORITMO DE ÁRBOL DE EXPANSIÓN ... 498

16.2.1 Defi niciones requeridas ... 499

16.2.2 Procedimiento de tres etapas para construcción del árbol ... 500

16.2.3 Ventajas y desventajas del STA ... 504

16.3 AGREGACIÓN DE ENLACE EN LAN ... 504

16.3.1 Canales lógicos y troncales ... 504

16.3.2 Eliminación de la generación de tramas ... 506

16.3.3 Selección del puerto ... 508

16.4 LAN VIRTUALES ... 511

16.4.1 Objetivo de la VLAN ... 512

16.4.2 Creación de VLAN basadas en un switch ... 514

16.4.3 Creación de VLAN basadas en varios switches ... 515

16.5 CALIDAD DEL SERVICIO EN LAN ... 519

16.6 LIMITACIONES DE PUENTES Y SWITCHES ... 521

16.7 ESTUDIO DE CASO ... 522

RESUMEN ... 523

PARTE IV: INTERCONEXIÓN DE REDES TCP/IP ... 527

CAPÍTULO 17: DIRECCIONAMIENTO EN REDES TCP/IP ... 529

17.2 TIPOS DE DIRECCIÓN DE LA PILA TCP/IP ... 530

17.2.1 Direcciones locales ... 530

17.2.2 Direcciones de red IP ... 531

17.2.3 Nombres de dominio ... 533

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(18)

17.3 FORMATO DE DIRECCIÓN IP ... 533

17.3.1 Clases de direcciones IP ... 534

17.3.2 Direcciones IP especiales ... 536

17.3.3 Uso de máscaras en el direccionamiento IP ... 537

17.4 ORDEN DE ASIGNACIÓN DE DIRECCIÓN IP ... 539

17.4.1 Asignación de dirección en una red autónoma ... 539

17.4.2 Asignación de dirección centralizada ... 540

17.4.3 Direccionamiento y CIDR ... 540

17.5 MAPEO DE DIRECCIONES IP A DIRECCIONES LOCALES ... 542

17.5.1 ARP ... 543

17.5.2 Proxy-ARP ... 547

17.6 DNS ... 548

17.6.1 Nombres simbólicos simples ... 549

17.6.2 Nombres simbólicos jerárquicos ... 549

17.6.3 Modo de operación DNS ... 551

17.6.4 Zona de consulta inversa ... 553

17.7 DHCP ... 554

17.7.1 Modos DHCP ... 555

17.7.2 Algoritmo de asignación de dirección dinámica ... 556

RESUMEN ... 558

PROBLEMAS ... 561

CAPÍTULO 18: PROTOCOLO DE INTERNET ... 563

18.2 FORMATO DE PAQUETE DE IP ... 564

18.3 MÉTODO DE ENRUTAMIENTO DE IP ... 567

18.3.1 Estructura simplifi cada de la tabla de enrutamiento ... 569

18.3.2 Tablas de enrutamiento en nodos terminales ... 571

18.3.3 Tablas de rutina de búsqueda que no contienen máscaras ... 572

18.3.4 Ejemplos de tablas de enrutamiento de diferentes formatos ... 573

18.3.5 Fuentes y tipos de registros en tabla de enrutamiento ... 577

18.3.6 Ejemplo de enrutamiento IP sin máscaras ... 578

18.4 ENRUTAMIENTO MEDIANTE EL USO DE MÁSCARAS ... 582

18.4.1 Estructura de una red con máscaras de la misma longitud ... 583

18.4.2 Algoritmo para búsqueda en tabla que explica las máscaras ... 585

18.4.3 Uso de máscaras de longitud variable ... 587

18.4.4 Traslape de espacios de dirección ... 590

18.4.5 Enrutamiento y CIDR ... 594

00 Preliminares_Olifer.indd XVI

(19)

18.5 FRAGMENTACIÓN DE PAQUETES IP ... 596

18.5.1 MTU como parámetro tecnológico ... 596

18.5.2 Parámetros de fragmentación ... 597

18.5.3 Procedimientos de fragmentación y paquetes de ensamble ... 598

18.5.4 Ejemplo de fragmentación ... 599

18.6 IPV6 ... 600

18.6.1 Direcciones de modernización de la pila TCP/IP ... 601

18.6.2 Sistema de direccionamiento escalable ... 602

18.6.3 Formato de encabezado fl exible ... 607

18.6.4 Reducción de la carga en los ruteadores ... 609

RESUMEN ... 610

PROBLEMAS ... 612

CAPÍTULO 19: PROTOCOLOS PRINCIPALES DE LA PILA TCP/IP ... 615

19.2 PROTOCOLOS DE CAPA DE TRANSPORTE TCP Y UDP ... 616

19.2.1 Puertos ... 617

19.2.2 UDP ... 618

19.2.3 Formato de segmento TCP ... 621

19.2.4 Conexiones lógicas como base para la confi abilidad de TCP ... 622

19.2.5 Número de secuencia y número de reconocimiento ... 625

19.2.6 Ventana del receptor ... 627

19.2.7 Principio de reconocimiento acumulativo ... 628

19.2.8 Tiempo límite de reconocimiento ... 628

19.2.9 Control de la ventana del receptor ... 629

19.3 PROTOCOLOS DE RUTINA ... 631

19.3.1 Clasifi cación de protocolos de rutina ... 631

19.3.2 Protocolo de información de enrutamiento ... 638

19.3.3 Primera trayectoria más corta abierta ... 646

19.3.4 Protocolo de compuerta de frontera ... 650

19.4 PROTOCOLO DE MENSAJE DE CONTROL DE INTERNET ... 652

19.4.1 Tipos de mensajes ICMP ... 653

19.4.2 Formato del mensaje de solicitud/respuesta de reenvío o “eco”: la utilidad Ping ... 656

19.4.3 Formato de mensaje de error: la utilidad Traceroute (“ruta de rastreo”) ... 657 RESUMEN ... 659 PREGUNTAS DE REPASO ... 661 PROBLEMAS ... 662 00 Preliminares_Olifer.indd XVII 00 Preliminares_Olifer.indd XVII 1/12/09 6:53:36 PM1/12/09 6:53:36 PM

(20)

CAPÍTULO 20: CARACTERÍSTICAS AVANZADAS

DE LOS RUTEADORES IP... 665

20.2 FILTRADO ... 666

20.2.1 Filtrado de tráfi co de usuario ... 667

20.2.2 Filtrado de anuncios de ruteo ... 670

20.3 QoS DE IP ... 670

20.3.1 Modelos de QoS de IntServ y Diff Serv ... 671

20.3.2 Algoritmo de cubeta de estafetas ... 672

20.3.3 Detección aleatoria temprana ... 674

20.3.4 Marco de servicios integrados y RSVP ... 675

20.3.5 Marco de servicios diferenciados ... 678

20.4 TRADUCCIÓN DE DIRECCIÓN DE RED ... 683

20.4.1 Razones para la traducción de dirección ... 683

20.4.2 NAT tradicional ... 684

20.4.3 NAT básica ... 685

20.4.4 Traducción de puerto y dirección ... 686

20.5 RUTEADORES ... 688

20.5.1 Funciones del ruteador ... 688

20.5.2 Clasifi cación de los ruteadores por áreas de aplicación ... 691

RESUMEN ... 696

PROBLEMAS ... 699

PARTE V: REDES DE ÁREA AMPLIA ... 701

CAPÍTULO 21: WAN DE CIRCUITO VIRTUAL ... 703

21.2 TÉCNICA DE CIRCUITOS VIRTUALES ... 705

21.2.1 Circuitos virtuales conmutados ... 705

21.2.2 Circuitos virtuales permanentes ... 708

21.2.3 Comparación con la técnica de datagrama ... 709

21.3 REDES X.25 ... 710

21.3.1 Estructura y objetivos de las redes X.25 ... 710

21.3.2 Direccionamiento en redes X.25 ... 712

21.3.3 Pila de protocolos en redes X.25 ... 712

21.4 REDES FRAME RELAY ... 714

21.4.1 Pila de protocolos de Frame Relay ... 715

21.4.2 Soporte de QoS ... 717

21.5 TECNOLOGÍA ATM ... 721

00 Preliminares_Olifer.indd XVIII

(21)

21.5.1 Principios fundamentales de la operación de ATM ... 722

21.5.2 Pila de protocolo de ATM ... 727

21.5.3 Capa de adaptación de ATM ... 727

21.5.4 Protocolo ATM ... 729

21.5.5 Categorías de servicios de protocolos de ATM y control de tráfi co ... 732

RESUMEN ... 737

PROBLEMAS ... 738

CONCLUSIÓN: MIRANDO HACIA EL FUTURO . ... 741

REFERENCIAS Y LECTURAS RECOMENDADAS ... 743

ÍNDICE ... 751

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(22)

(23)

PREFACIO

ENFOQUE

Este libro representa un curso fundamental acerca de redes de computadoras, el cual combina la cobertura de los temas principales, problemas y tecnologías de esta área del conocimiento en creciente desarrollo, con una consideración a fondo de los detalles de cada tecnología y las características específi cas del equipo utilizado. La obra es el resultado de años de expe-riencia acumulada por los autores a partir de la enseñanza en varias universidades, centros de entrenamiento en empresas comerciales y en grandes fi rmas corporativas.

Los enunciados siguientes son característicos del presente volumen:

n Enfoque en las funciones de transporte de la red. Las funciones de transporte aseguran

la transmisión de datos entre computadoras, organizando así una red de computadoras. Se pondrá especial atención en el estudio de la arquitectura de red, los fundamentos principales de la operación del equipo de telecomunicaciones y los protocolos principales, incluido el Protocolo Internet (IP), Ethernet, Bluetooth, IEEE 802.11 (Wi-Fi), el Modo de Transferencia Asíncrona (ATM), Frame Relay, que utilizan las redes para el transpor-te de datos. Considerando los servicios de red, también se centra el intranspor-terés en aquellos conceptos dirigidos fundamentalmente al soporte de las funciones de transporte en la red (como el sistema de nombre de dominio, el protocolo de la confi guración dinámica del host, VPN e IPSec), más que en proporcionar servicios a los usuarios de computadoras (por ejemplo, servicios Web).

n No solamente IP. El éxito de Internet ha hecho de IPel medio principal para construir

redes; sin embargo, en este libro no sólo se estudian en detalle las tecnologías IP que permiten la conexión de varias redes disímiles en una superred única (como Internet), sino también se analizan las tecnologías para construir redes, como Ethernet o ATM, con base en las cuales está construida la red unifi cada. Ambos tipos de tecnologías son igualmente importantes para construir una red efi caz actual y en esta obra se trata de recuperar el balance, el cual se ha sesgado en épocas recientes a favor de IP⎯un efecto marcado por conocer hacia dónde va la gente—.

n La combinación de las ciencias de la computación y la ingeniería en computación. En

el presente texto usted encontrará descripciones de los principios de operación de las redes y

Daniel Ekaette

00 Preliminares_Olifer.indd XXI

(24)

de telecomunicaciones y los algoritmos de operación de los protocolos de comunicacio-nes. En general, esta información se clasifi ca como ciencia de la computación y es nece-saria para realizar una investigación exitosa. También se proporcionan un gran número de detalles técnicos acerca de los dispositivos de comunicaciones, así como ejemplos prácticos de diseño de redes de varios tipos. Esto será de mucha utilidad a medida que usted se prepare para practicar la ingeniería, la cual desempeña un papel muy importante para cualquier profesional de las telecomunicaciones.

n Convergencia de todos los tipos de redes de telecomunicaciones. La convergencia

des-empeña un papel cada vez más importante y ejerce una infl uencia creciente en las redes de computadoras, de televisión y de radio. A partir de los capítulos introductorios de este libro, se refl eja esta tendencia actual y se demuestran los principales mecanismos de las redes de computadoras, como el multiplexaje, la conmutación y el enrutamiento, desde las posiciones más generales válidas para las redes de comunicaciones de todo tipo.

A QUIÉN VA DIRIGIDA ESTA OBRA

El material incluido en el presente libro se ha probado con éxito en un público con una actitud sin compromisos. Dicha audiencia estuvo formada por estudiantes con niveles de experiencia e intereses personales considerablemente distintos. Entre ellos hubo estudiantes de licenciatura y posgrado de diferentes universidades, jefes de departamento de tecnologías de información y administradores de red e integradores. Los cursos estuvieron diseñados con el fi n de ofre-cer una base sólida para un estudio adicional de los principiantes y, al mismo tiempo, para permitir que los especialistas mejoraran y organizaran mejor sus conocimientos.

Dicho libro está dirigido sobre todo a estudiantes de licenciatura y posgrado que deseen obtener conocimientos organizados tanto teóricos como prácticos acerca de las redes de computadoras.

Asimismo, deseamos que el presente volumen sea de utilidad para especialistas que em-piecen a estudiar las tecnologías de información y que tengan una idea general solamente acerca de la operación de las redes con base en su trabajo práctico con PC conectadas a Internet. Aquellos que deseen obtener un conocimiento básico pueden utilizar este libro con el fi n de continuar su estudio teórico acerca de la operación de las redes.

El libro también será de gran utilidad para profesionales en redes que tengan experiencia, que deseen enterarse de las más nuevas tecnologías y que no hayan encontrado en el curso de sus actividades prácticas y para organizar el conocimiento que ya poseen. Este libro también puede usarse como una referencia práctica en la cual se puedan encontrar la descripción de un protocolo específi co, un formato de trama, etc.; además, ofrece las bases teóricas que se requieren para preparar las certifi caciones de Cisco, como CCNA, CCNP, CCDP y CCIP.

Este libro está conformado por 21 capítulos organizados en cinco partes, a saber:

n La primera parte, Fundamentos de la conectividad de redes, abarca la “primera vuelta” de la

espiral cuando se estudian las redes de computadoras. El proceso de aprendizaje siempre tiene una naturaleza espiral. No es factible comprender de inmediato y por completo un fenómeno complejo; por el contrario, cualquier fenómeno de este tipo debe estudiarse desde diferentes puntos de vista, en general y en particular, regresando en ocasiones al estudio de material que en apariencia ya se comprendió y con cada nueva vuelta, la es-piral del conocimiento acumula información. En la primera parte, que consiste en siete capítulos, se describen los fundamentos principales y más importantes y las soluciones arquitectónicas, los cuales son la base de todas las tecnologías modernas de redes y que se

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estudian en las diferentes partes de este libro. De acuerdo con el proceso de convergencia de redes, se consideraron los principios de conmutación, multiplexaje, enrutamiento y direccionamiento y la arquitectura de las redes de computadoras desde la perspectiva más general, comparadas con los fundamentos similares de otras redes de comunicaciones ⎯redes telefónicas, de transporte, de radio y de televisión—. Esta parte fi naliza con el estudio del capítulo que trata acerca de los problemas de la calidad del servicio (QoS) en las redes de conmutación de paquetes. Por lo tanto, los conceptos de QoS considerados por mucho tiempo una rama trivial de las tecnologías de redes se han convertido en uno de los principios básicos en el diseño de las redes de computadoras.

n La segunda parte, Tecnologías de la capa física, incluye cuatro capítulos: 8: Enlaces de

transmisión; 9: Codifi cación de datos y multiplexaje; 10: Transmisión inalámbrica, y 11: Redes de transmisión. Los primeros dos capítulos describen los diferentes tipos de enlaces de transmisión y ofrecen información detallada acerca del método actual para transmitir información discreta a través de las redes. La presencia de este material en el libro permite al lector aprender la cantidad mínima requerida de información sin necesidad de pasar largas horas revisando múltiples publicaciones especializadas. La lista de estas áreas del conocimiento incluye la teoría de la información, el análisis espectral, la codifi cación de datos física y lógica, y la detección y corrección de errores. En el capítulo 10 se estudia la transmisión de datos de forma inalámbrica, la cual está siendo más popular cada día. El elevado nivel de ruido y las complejas trayectorias de la propagación de ondas requieren métodos especiales de codifi cación y transmisión de señales en enlaces de comunicaciones inalámbricos. En el capítulo 11 se analizan diversas tecnologías, como la jerarquía digital plesiocrona (PDH), SDH/SONET y el multiplexaje por división de onda densa, las cuales forman la infraestructura de los enlaces físicos de las redes globales de telecomunicacio-nes. Las redes telefónicas o de computadoras instaladas trabajan con base en los canales construidos por las redes de transmisión.

n En la tercera parte, Redes de área local, se proporcionan descripciones en detalle de

prác-ticamente todas las tecnologías principales de LAN, incluidas Ethernet, Token Ring y la interfase de datos distribuidos por fi bra óptica (FDDI), así como tecnologías de alta velocidad más modernas. Existen LAN actuales cuando domina una de las tecnologías o, para ser más precisos, la familia de tecnologías ⎯Ethernet⎯. Naturalmente, se exa-mina esta tecnología con más profundidad que las otras. En el capítulo 12 se estudia la tecnología Ethernet a 10 Mbps clásica, y en el capítulo 13 se describen las versiones a alta velocidad de Ethernet con base en el medio compartido, llámese Fast Ethernet o Gigabit Ethernet. En el capítulo 14 se describen otras tecnologías LAN que también utilizan un medio compartido ⎯Token Ring, FDDI y dos tecnologías inalámbricas⎯, la LAN IEEE 802.11 y la red de área personal Bluetooth. Los dos últimos capítulos de esta parte, 15 y 16, están dedicados a las LAN conmutadas. En el primero se estudian los principios fundamentales de la operación de dichas redes: el algoritmo de la operación del switch LAN, las versiones dúplex de los protocolos LAN y las características específi cas de la implementación de los switches LAN. En el capítulo 16 se analizan las potencialidades adicionales de las redes de este tipo, incluidos los enlaces de respaldo en el algoritmo de árbol extendido y la técnica de LAN virtual.

n De acuerdo con la lógica que establece el modelo de interconexión de sistemas abiertos,

las partes dedicadas a las tecnologías de las capas física y de enlace de datos deben ser examinadas en la cuarta parte, que se concentra en las tecnologías de la capa de red que aseguran la posibilidad de combinar un gran número de redes diferentes en una red

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unifi cada. Debido a que IP es el líder indiscutible entre los protocolos de la capa de red, le dedicamos gran parte de nuestra atención en este libro. En el capítulo 17 se explican diferentes aspectos del direccionamiento IP: los métodos de mapeo de direcciones locales, de red y simbólicas; los métodos para usar las máscaras de red; los métodos modernos para agregar direcciones IP; y los métodos de confi guración automática de los nodos IP. En el capítulo 18 se estudia en detalle la operación de IP en relación con el direccionamiento y fragmentación de paquetes, se describe el formato general de la tabla de enrutamiento y se dan ejemplos de su implementación particular en ruteadores de hardware y soft ware de diferentes tipos. En la descripción de las características específi cas de la nueva versión de IP ⎯IPv6⎯ se estudió el método de modernización del direccionamiento en detalle, así como los principales cambios realizados al formato del encabezado IP. El capítulo 19 comienza con el estudio del protocolo de control de la transmisión (TCP) y el protocolo del datagrama de usuario (UDP), los cuales desempeñan un papel de intermediarios entre las aplicaciones y la infraestructura de transporte de la red. Más adelante, se estudia el protocolo de información de enrutamiento (RIP), la primera trayectoria abierta más corta (OSPF) y el protocolo de puerta de enlace (Gateway) fronteriza (BGP). Con el material que se proporciona se pueden analizar las áreas de aplicación de estos protocolos y la posibilidad de su uso en conjunto. Se concluye el capítulo con el estudio del protocolo de mensaje de control de Internet, que es la manera de informar al emisor por qué sus paquetes no fueron entregados al nodo destino. En el capítulo 20 se describen los tipos y características principales de los ruteadores, las variantes de su organización interna y los métodos para combinar las funciones de conmutación en enrutamiento dentro del mismo dispositivo: el switch de la capa 3. La investigación minuciosa del conjunto de protocolos TCP/IP en la parte IV lo hace muy valioso como una introducción indepen-diente a las redes IP.

n Quinta parte: Las redes de área amplia. La tecnología IP considerada en la parte anterior de

este libro permite construir redes de diferentes tipos tanto locales como globales; además, existen otras tecnologías basadas en la técnica del circuito virtual que se diseñaron espe-cialmente para las WAN. Estas tecnologías, implantadas en redes Frame Relay y ATM, se estudian en el capítulo 21. La técnica del circuito virtual representa una alternativa al método del datagrama del direccionamiento de paquetes, el cual es la base de las redes Ethernet e IP. La competencia entre estos dos principios fundamentales de transmisión de datos ha existido por mucho tiempo, prácticamente a partir del comienzo del desarrollo de las redes de conmutación en paquetes.

Si bien es cierto que el estudio de las WAN puede extenderse mucho más aún, se con-sidera que ello va más allá de los alcances propuestos por este libro. No obstante, para los lectores interesados en profundizar en el tema, se ofrecen una serie de lecturas recomen-dadas para todos los temas (inclusive las redes de área amplia) al fi nal del libro.

Hemos puesto todo nuestro esfuerzo con el fi n de que el trabajo del lector con este libro sea lo más efi ciente posible. El índice detallado le permitirá encontrar, de manera rápida, el material de su interés utilizando los múltiples términos que existen en la industria de las redes actual. Cada capítulo cuenta con una sección de resumen que facilita al lector concentrarse en las ideas principales, en los temas y en los resultados de determinado capítulo. Lo anterior le ayudará a evitar la omisión de los principios fundamentales debido a la abundancia de hechos y detalles. Por último, cada capítulo termina con preguntas y problemas de repaso que se diseñaron con el fi n de verifi car el nivel de conocimiento que se obtuvo como resultado de la lectura de ese capítulo. En algunos casos, estos problemas tienen un signifi cado especial debido a que le ayudan a comprender mejor ciertas ideas.

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AGRADECIMIENTOS

Estamos profundamente agradecidos con los empleados de John Wiley & Sons, que elabo-raron la edición en inglés: Gaynor Redvers-Mutton, editor en jefe del programa de libros sobre ciencias de la computación; Jonathan Shipley, editor asociado del programa de li-bros sobre ciencias de la computación; Sarah Corney, editora ejecutiva de proyecto del gru-po de educación superior; y David Barnard, editor de proyecto. Asimismo, apreciamos el trabajo de los empleados de las casas editoras A-List y BHV, en particular de Vadim Sergeev, Natalia Tarkova, Olga Kokoreva y Julie Laing. Con su ayuda nuestro libro, el cual va en su tercera edición en Rusia, se encuentra disponible en el idioma inglés; todos ellos también ayudaron signifi cativamente a mejorar la versión inicial del libro. Hacemos público nuestro especial agradecimiento a Alexey Jdanov, editor de la edición rusa, cuyos comentarios fueron muy valiosos para depurar la calidad de esta obra.

Victor y Natalia Olifer

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(29)

1 Evolución de las redes

de computadoras

3

2 Principios generales

del diseño de redes

21

3 Conmutación de circuitos

y de paquetes

57

4 Arquitectura y estandarización

de redes

95

5 Ejemplos de redes

133

6 Características de las redes

159

7 Métodos para asegurar

la calidad del servicio

187 PARTE

I

FUNDAMENTOS

DE LA

INTERCONECTIVIDAD

DE REDES

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El proceso de adquisición de conocimiento siempre es de naturaleza espiral elíptica. Resulta imposible comprender y apreciar de manera inmediata un fenómeno intrincado. Para per-cibirlo de manera adecuada, debemos considerar dicho fenómeno desde diferentes puntos de vista y observarlo como un todo así como en sus partes, de forma separada y en relación con otro fenómeno, acumulando nuestro conocimiento gradualmente. Además, de vez en cuando es necesario reconsiderar los conceptos que en apariencia ya se habían comprendido, de tal modo que tengamos en cada vuelta de la espiral una mejor idea de la naturaleza de ese fenómeno. Un buen método consiste en estudiar inicialmente los principios generales más importantes de las áreas de conocimiento específi cas, seguido de una investigación minuciosa acerca de cómo se implementan estos principios en métodos, tecnologías o es-tructuras específi cos.

La parte introductoria de este libro representa la primera parte de la espiral en el estu-dio de las redes de computadoras. Describe los fundamentos principales y las soluciones arquitectónicas que constituyen la base de todas las tecnologías contemporáneas de co-nectividad de redes que se estudiarán en secciones posteriores de este libro. De acuerdo con el concepto de convergencia de redes, trataremos de explicar los fundamentos de la conmutación, el multiplexaje, el enrutamiento, el direccionamiento y la arquitectura de redes desde el punto de vista más básico y general. Para hacer esto, debemos comparar los fundamentos de las redes de computadoras con los correspondientes de otras redes de comunicaciones, como las telefónicas, las de transmisión, las de radio y las de televisión.

En el último capítulo de esta parte se estudian los problemas asociados con la calidad de servicio (QoS, por sus siglas en inglés) en redes de conmutación de paquetes. El nuevo papel que desempeñan las redes de computadoras como la base para el desarrollo de las redes pú-blicas de nueva generación capaces de proporcionar toda clase de servicios de información y transmisión de datos, voz y video ha dado como consecuencia la adopción de los métodos de evaluación de la calidad del servicio en prácticamente todas las tecnologías de comunicación. Por tanto, los conceptos relacionados con QoS, que durante mucho tiempo se consideraron un área especializada y avanzada de las tecnologías de redes, se han convertido en uno de los conceptos fundamentales utilizados en el diseño de las redes de computadoras.

Después de estudiar minuciosamente las tecnologías específi cas, será de utilidad (y de interés, esperan los autores) regresar a la primera parte del libro. Esta nueva iteración del proceso de aprendizaje permitirá que el lector comprenda mejor los principios básicos de operación de las redes de computadoras y de la implementación de estos principios en di-ferentes tecnologías.

La parte I abarca los capítulos siguientes:

n Capítulo 1: Evolución de las redes de computadoras. n Capítulo 2: Principios generales del diseño de redes. n Capítulo 3: Conmutación de circuitos y de paquetes. n Capítulo 4: Arquitectura y estandarización de redes. n Capítulo 5: Ejemplos de redes.

n Capítulo 6: Características de las redes.

n Capítulo 7: Métodos para asegurar la calidad del servicio.

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1

DESCRIPCIÓN DEL CAPÍTULO

1.1 INTRODUCCIÓN

1.2 ANTECEDENTES DE LAS REDES DE COMPUTADORAS 1.2.1 Las redes de computadoras

como resultado de la evolución de las tecnologías de cómputo y de las comunicaciones

1.2.2 Sistemas de procesamiento por lotes 1.2.3 Sistemas multiterminales: prototipo

de una red de computadoras

1.3 PRIMERAS REDES DE COMPUTADORAS 1.3.1 Primeras redes de área amplia (WAN) 1.3.2 Primeras redes de área local (LAN) 1.4 CONVERGENCIA DE LAS REDES

1.4.1 Convergencia de LAN y WAN

1.4.2 Convergencia de las redes de computadoras y de telecomunicaciones

RESUMEN DEL CAPÍTULO PREGUNTAS DE REPASO PROBLEMAS

EVOLUCIÓN DE

LAS REDES

DE COMPUTADORAS

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1.1 INTRODUCCIÓN

El estudio de la evolución de cualquier área de la ciencia o de la tecnología no solamente estimulará su curiosidad natural, sino también le permitirá comprender más a fondo los principales logros en dicha área, lo concientizará de las tendencias actuales y le ayudará a evaluar los prospectos de los desarrollos específi cos. Las redes de computadoras aparecieron en fechas recientes, a fi nales de los años de 1960 y han heredado un gran número de pro-piedades útiles de sus predecesores, las viejas y ampliamente difundidas redes telefónicas. Esto no es una sorpresa, ya que tanto los teléfonos como las computadoras son instrumentos universales de comunicación.

Sin embargo, las redes de computadoras han aportado algo novedoso al mundo de las comunicaciones: el prácticamente inagotable almacenamiento de información acumulada por la civilización humana en el transcurso de sus varios miles de años de existencia. Este almacenamiento de información continua crece de manera constante. Lo anterior fue particu-larmente notable a mediados de la década de 1990, cuando el rápido crecimiento de Internet demostró claramente que el acceso libre y anónimo a la información y las comunicaciones instantáneas y por escrito era de gran valor para la mayoría de las personas.

La infl uencia de las redes de computadoras en otros tipos de redes dio como resultado la convergencia de redes, un proceso que comenzó mucho antes que Internet. La transmi-sión de voz digital a través de las redes telefónicas fue uno de los primeros indicios de dicha convergencia. Indicios más recientes de la convergencia son constituidos por el desarrollo activo de nuevos servicios en redes de computadoras que eran privativos de las redes tele-fónicas, de radio y de televisión, como voz sobre IP (VoIP), transmisiones por radio y servi-cios de televisión. El proceso de convergencia es continuo, aunque no ofrece signos claros acer-ca de su futuro; sin embargo, el conocimiento de la evolución de las redes de computadoras, que se describe en este capítulo, permite comprender de manera más sencilla los principales problemas a los que se deben enfrentar los diseñadores de las redes de computadoras.

1.2 ANTECEDENTES DE LAS REDES DE COMPUTADORAS

PALABRAS CLAVE: mainframe, sistemas de procesamiento por lotes, sistemas de proce-samiento por tiempo compartido, sistemas multiterminales, red de computadoras o red de transmisión de datos, Ley de Grosch, redes de area local (LAN), tecnologías LAN estándar: Ethernet, Arcnet, Token Ring, FDDI.

1.2.1 Las redes de computadoras como resultado de la evolución

de las tecnologías de cómputo y de las comunicaciones

Las redes de computadoras que se estudian en este libro no son el único tipo de redes que la civilización humana haya creado. Es posible que el ejemplo más antiguo de una red que haya abarcado grandes territorios y ofrecido servicios a múltiples clientes haya sido el sistema de suministro de agua en la antigua Roma. Pero, sin importar qué tan distantes y diver-sas en su naturaleza puedan ser las redes, todas tienen algo en común. Por ejemplo, se puede dibujar una analogía clara entre los componentes de las redes eléctricas y los de cualquier red de computadoras de gran tamaño. Es decir, los recursos de información que se encuentran en las redes de computadoras corresponden a las plantas de energía eléctrica; los enlaces de comunicación de las redes de computadoras son análogos a las líneas de transmisión de alta

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tensión y las redes de acceso son parecidas a las estaciones de transformación. Por último, tanto en las redes de computadoras como en las eléctricas se puede observar que cuentan con terminales para los clientes: estaciones de trabajo del usuario fi nal en el caso de las redes de computadoras y aparatos eléctricos domésticos en el caso de las redes eléctricas.

Las redes de computadoras, también conocidas como redes de comunicación de datos o de transmisión de datos, representan el resultado lógico de la evolución de dos de las ramas científi cas y tecnológicas más importantes de la civilización moderna: las tecnologías de las computadoras y de las telecomunicaciones.

Por un lado (fi gura 1.1), las redes de computadoras representan un caso particular de sistemas de cómputo distribuido en los que un grupo de computadoras trabajan de manera coordinada para realizar una serie de tareas interrelacionadas mediante el intercambio de datos de manera automática. Las redes de computadoras también pueden considerarse como un medio de transmitir información a larga distancia. Para hacer lo anterior, las redes de computadoras implementan varios métodos para codifi car y multiplexar datos, los cuales han sido adoptados ampliamente por los sistemas de telecomunicaciones.

1.2.2 Sistemas de procesamiento por lotes

En primera instancia, considere los orígenes de las redes de computadoras. Las computado-ras de la década de 1950 —enormes, voluminosas y cacomputado-ras— se diseñaron para un pequeño número de usuarios privilegiados. Con mucha frecuencia, estos monstruosos equipos ocu-paban edifi cios completos. Dichas computadoras no podían prestar servicio a los usuarios de manera interactiva, por lo que primero formaban lotes de tareas y después entregaban los resultados.

Los sistemas de procesamiento por lotes estaban basados primordialmente en ma-inframes y constituían computadoras universales poderosas y confi ables. Los usuarios preparaban tarjetas perforadas que contenían datos y códigos de programa y después transferían estas tarjetas al centro de cómputo. Los operadores insertaban estas tarjetas a la computadora y los usuarios obtenían los resultados un día después en forma impresa (fi gura 1.2). Por tanto, una sola tarjeta perforada que tuviera un error podría signifi car un retraso de al menos 24 horas.

FIGURA 1.1 Evolución de las redes de computadoras en la interfase entre las tecnologías de la computación y de las telecomunicaciones.

Redes de computadoras

Computación Telecomunicaciones

(34)

Como era obvio, desde el punto de vista del usuario fi nal, sería más conveniente contar con un modo de operación interactivo que les permitiera manejar el procesamiento de sus datos de una sola vez desde la terminal. Los intereses de los usuarios fi nales fueron omitidos totalmente en las primeras etapas de la evolución de los sistemas de computadoras. La efi cien-cia del desempeño del componente más costoso de una computadora —el procesador— se consideró de fundamental importancia, aun a costa de la productividad del usuario.

1.2.3 Sistemas multiterminales: prototipo de una red de computadoras

A medida que los procesadores se abarataron a principios de la década de 1960, aparecie-ron nuevos métodos para diseñar el procesamiento en las computadoras. Dichos métodos vislumbraron la posibilidad de tener en cuenta la conveniencia del usuario fi nal. Por tanto, los sistemas multiterminales evolucionaron (fi gura 1.3). En dichos sistemas de tiempo com-partido, la computadora estaba a disposición de varios usuarios, quienes tenían sus propias terminales, desde donde podían comunicarse con la computadora. El tiempo de respuesta del sistema de cómputo era lo sufi cientemente corto para ocultar que la computadora daba servicios a múltiples usuarios en paralelo.

Las terminales podían instalarse fuera de los centros de cómputo y sobre los escritorios de todas las empresas. A pesar de que el poder de procesamiento se conservaba totalmente centralizado, algunas funciones se distribuyeron, como la entrada y salida de datos. Dichos sistemas multiterminales centralizados tenían una apariencia similar a las Redes de Área Local (LAN, por sus siglas en inglés). Los usuarios fi nales percibían el funcionamiento en una terminal prácticamente de la misma manera que en la actualidad la mayoría de la gente percibe el funcionamiento de una PC conectada a una red. El usuario podía acceder a los archivos y dispositivos periféricos compartidos y tener la impresión de usar la computadora de manera exclusiva, pues el usuario podía iniciar cualquier programa que deseara en

cual-FIGURA 1.2 Sistema centralizado basado en un mainframe. Cola de trabajos de usuarios

Arreglo de discos Dispositivo de entrada Lote de trabajos Centro de cómputo basado en un mainframe

Mainframe

(35)

quier momento y recibir los resultados casi de forma inmediata. (Algunos usuarios estaban convencidos de que las operaciones matemáticas se llevaban a cabo en alguna parte dentro de la pantalla de la computadora.)

Los sistemas multiterminales, los cuales trabajaban en modo de tiempo compartido, fueron el primer paso en el desarrollo de las LAN.

Sin embargo, la evolución aún tuvo que recorrer un largo camino antes de que aparecie-ran las LAN, ya que los sistemas multiterminales conservaron las características esenciales del procesamiento centralizado de datos, a pesar de su somero parecido con los sistemas distribuidos.

Los corporativos consideraban que no había una necesidad imperiosa de las LAN. En un solo edifi cio no había nada que conectar como para utilizar una red. La mayoría de las empresas no podía darse el lujo de comprar más de una computadora. Durante ese periodo, la famosa ley de Grosch (nombrada así en honor a Herbert Grosch) fue universalmente válida y representaba, de manera empírica, el nivel tecnológico de ese entonces. De acuerdo con esta ley, el costo de un sistema de cómputo se elevaba en función de la raíz cuadrada del poder computacional del sistema. De aquí que era económicamente más provechoso comprar una máquina poderosa que dos menos poderosas, porque su poder computacional total resultaba signifi cativamente menor que el de la máquina más costosa.

FIGURA 1.3 Sistema multiterminal como prototipo de una red de computadoras. Mainframe

Oficinas del sótano Centro de cómputo basado en un _mainframe

Tercer piso

Terminal

Oficinas del segundo piso

Oficinas del primer piso

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1.3 PRIMERAS REDES DE COMPUTADORAS

PALABRAS CLAVE: conmutación en paquetes, tráfi co en ráfagas, red de área amplia (WAN), tecnología de la red telefónica, troncal, redes de transmisión, paquete, Internet, sistema operativo de red, tecnologías estándares de LAN: Ethernet, Arcnet, Token Ring y FDDI.

1.3.1 Primeras redes de área amplia (WAN)

En contraste, era inminente la necesidad de conectar computadoras ubicadas a grandes distancias entre sí. Todo comenzó con la solución de una tarea muy simple; es decir, pro-porcionar acceso a una computadora desde terminales remotas ubicadas a cientos o, a veces, a miles de kilómetros de distancia. Los módem se utilizaron para conectar terminales a computadoras mediante el uso de líneas telefónicas. Dichas redes permitieron que múltiples usuarios remotos pudieran acceder a los recursos compartidos de varias supercomputadoras poderosas. Cuando aparecieron los sistemas distribuidos se implantaron conexiones no sólo entre terminales y computadoras, sino también entre computadoras.

Las computadoras fueron capaces de intercambiar datos en forma automática, lo cual, en esencia, es el mecanismo fundamental de cualquier red de computadoras. Los diseñadores de las primeras redes implantaron servicios para el intercambio de archivos, la sincronización de bases de datos, el correo electrónico y otros servicios de la red que son utilizados en la actualidad.

Desde el punto de vista cronológico, las redes de área amplia (WAN) fueron las primeras en aparecer y conectaban computadoras distribuidas geográfi camente e incluso aquellas localizadas en diferentes ciudades y países.

Durante el proceso de desarrollo de las WAN aparecieron y se desarrollaron muchas ideas fundamentales de las redes modernas de computadoras, como las siguientes:

n Arquitectura multicapa de los protocolos de comunicación n Tecnología de conmutación de paquetes

n Enrutamiento de paquetes en redes heterogéneas

A pesar de que las WAN heredaron muchas características de las redes antiguas, de largo alcance y de uso muy diseminado como las redes telefónicas, la característica más innovadora fue la de alejarse del principio de la conmutación de circuitos, el cual por décadas había sido utilizado con éxito en las redes telefónicas.

Un circuito con una velocidad constante asignado a una sesión no podría emplearse de forma efi caz con el tráfi co en ráfagas1 de los datos de una computadora (en ráfagas signifi ca que se alternan periodos de intenso intercambio de datos con pausas largas). Tanto experi-mentos como modelos matemáticos han demostrado que las redes basadas en el principio de conmutación en paquetes pueden transmitir tráfi co en ráfagas de manera más efi caz.

1_{Los términos ráfaga y tráfi co en ráfagas son reconocidos y comúnmente adoptados en el campo de la} comunica-ción de datos. De acuerdo con las defi niciones técnicas proporcionadas por Cisco Systems, ráfaga es una secuencia de señales que se cuentan como una unidad de acuerdo con algún criterio o medida específi cos, mientras que el término tráfi co en ráfagas se refi ere a un patrón irregular de transmisión de datos.

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De acuerdo con el principio de conmutación en paquetes, los datos se dividen en pe-queños fragmentos conocidos como paquetes. La dirección de destino del host se encuentra incluida en el encabezado del paquete, permitiendo así que cada paquete viaje a través de la red por sí mismo.

Como la construcción de líneas de comunicaciones de alta calidad que conectan lugares distantes es muy costosa, a menudo las primeras WAN utilizaban enlaces de comunicaciones disponibles que originalmente se diseñaron con diversos propósitos. Por ejemplo, por mucho tiempo las WAN se construyeron con base en las líneas telefónicas. Debido a que la velocidad de transmisión de los datos discretos de las computadoras que usaban dichos enlaces era muy baja, cientos de kilobits por segundo (Kbps), el conjunto de servicios proporcionados por dichas redes estaba limitado a la transferencia de archivos, principalmente en modo de segundo plano y al correo electrónico. Además de la baja velocidad de transmisión, dichos canales tenían otra desventaja: introducían distorsiones signifi cativas a las señales transmi-tidas. Por tanto, los protocolos de red en las WAN que utilizaban líneas de comunicación de baja calidad estaban caracterizados por procedimientos complejos para el control y el restablecimiento de datos. Un ejemplo típico de este tipo de redes es la X.25, diseñada a principios de la década de 1970, cuando prevalecía el uso de canales analógicos arrendados de las compañías telefónicas para conectar las computadoras y switches de las WAN.

En 1969, el Departamento de Defensa de Estados Unidos comenzó a investigar acerca de la conexión de las computadoras de los centros militares y de investigación en una red. Dicha red, la cual se conoció con el nombre de ARPANET, sirvió como punto de partida para la construcción de la primera y más popular WAN, conocida en la actualidad con el nombre de Internet.

ARPANET conectaba computadoras de diferentes tipos, corriendo según distintos sis-temas operativos con varios módulos que se podían adicionar mediante la implementación de protocolos de comunicación comunes a todas las computadoras que formaban parte de la red. Dichos sistemas operativos pueden considerarse en realidad los primeros sistemas operativos de red.

Los sistemas operativos de red, en contraste con los multiterminales, permitieron que el sistema no solamente distribuyera usuarios, sino también organizara el almacenamiento de datos. Dichos sistemas también hicieron factible que el procesamiento se distribuyera entre varias computadoras conectadas mediante enlaces eléctricos. Cualquier sistema operativo de red es capaz de llevar a cabo todas las funciones de un sistema operativo local y de pro-porcionar funciones adicionales, permitiendo así que el sistema se pueda comunicar con otros sistemas operativos por medio de la red. Los módulos de soft ware, que implementan funciones para la conectividad de redes, fueron incorporados en los sistemas operativos de manera gradual, con avances en tecnologías de red y hardware de computadoras, a medida que aparecieron nuevas tareas que requerían procesamiento de red.

El avance tecnológico de las WAN dependió sobre todo del correspondiente de las redes telefónicas.

Desde fi nales de la década de 1960, la transmisión de voz en formato digital se convirtió en algo muy común en las redes telefónicas.

Lo anterior resultó en la aparición de canales digitales de alta velocidad que conectaban centrales telefónicas automáticas y permitían la transmisión simultánea de decenas o incluso cientos de conversaciones. Se desarrolló tecnología especial para construir redes de transmi-sión o troncales (backbones). Dichas redes no prestan servicio a usuarios fi nales, sino que

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representan la base en la que están construidos los canales digitales punto-a-punto de alta velocidad. Estos canales conectan el equipo de otra red (la red superpuesta) que proporciona servicios a los usuarios fi nales.

Al principio, las redes de transmisión representaban exclusivamente tecnología interna que sólo utilizaban las compañías telefónicas; sin embargo, de manera gradual, dichas compañías comenzaron a arrendar parte de sus canales digitales conectados a redes de transmisión a compañías que los usaron para formar sus propias redes telefónicas y WAN. En la actualidad, las redes de transmisión han aumentado su velocidad de transmisión de datos a cientos de gigabits por segundo (Gbps) y, en algunos casos, a varios terabits por segundo; dichas redes abarcan los territorios de los principales estados industriales.

Tanto la variedad como la calidad de servicios han ayudado a que las WAN sean equi-valentes a las LAN, las cuales habían sido las líderes a pesar de su relativamente reciente aparición.

1.3.2 Primeras redes de área local (LAN)

A principios de la década de 1970 se llevó a cabo un evento que ha tenido la mayor infl uen-cia en la evolución de las redes de computadoras. Como resultado de los avances tecnológi-cos en el campo de la fabricación de componentes para computadora, aparecieron circuitos integrados de gran escala (dispositivos LSI). Estos dispositivos estaban caracterizados por un costo relativamente bajo, así como por funciones avanzadas. Lo anterior llevó al des-arrollo de minicomputadoras, las cuales se convirtieron en los verdaderos competidores de los mainframes. La ley de Grosch dejó de ser válida, pues una docena de minicomputadoras que tuvieran el mismo costo que un mainframe podía efectuar algunas tareas (especialmente las que podían realizarse en paralelo) mucho más rápido.

A partir de ese momento, aun pequeñas compañías pudieron darse el lujo de tener sus computadoras. Las minicomputadoras podían llevar a cabo tareas como el control de equipo técnico y la administración de las existencias en dichas compañías. Esto representó el origen del concepto de cómputo distribuido, en el que los recursos de cómputo estaban distribui-dos por toda la compañía, sin embargo, todas las computadoras en la misma organización continuaron trabajando en forma independiente (fi gura 1.4).

A medida que transcurrió el tiempo, las necesidades de los usuarios evolucionaron. Los usuarios fi nales ya no estaban satisfechos del trabajo aislado en una computadora indepen-diente, por ejemplo: necesitaban intercambiar datos de computadora (a menudo, de manera automática) con los usuarios de sus demás sucursales y ofi cinas. Con el fi n de satisfacer estas necesidades, aparecieron las primeras LAN (fi gura 1.5).

Las LAN representan grupos de computadoras concentradas en una región relativamente pequeña, por lo general dentro de un radio que no excede de 2.5 kilómetros, aunque las LAN pueden extenderse para abarcar áreas mayores (docenas de kilómetros). En general, las LAN representan un sistema de comunicación que pertenece a una sola organización.

Al principio se utilizaron tecnologías no estándares para la interconectividad de redes con el fi n de conectar computadoras a la red.

La tecnología de redes es un conjunto coordinado de soft ware y hardware (por ejemplo, con-troladores, adaptadores de red, cables y conectores) y mecanismos para la transmisión de datos a través de enlaces de comunicación, sufi cientes para construir una red de computadoras.

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Varias unidades de interfase propietarias que utilizaban técnicas propietarias para re-presentar datos en los enlaces de comunicaciones, tipos de cable propietarios, etc., podían conectar tipos y modelos de computadoras específi cos, para los cuales estaban diseñados. Algunos ejemplos son las interfases para conectar minicomputadoras PDP-11 con mainframes IBM 360 o minicomputadoras Hewlett-Packard con microcomputadoras LSI-11.

FIGURA 1.4 Operación independiente de varias minicomputadoras ubicadas en la misma empresa.

FIGURA 1.5 Tipos de enlaces en las primeras LAN.

Minicomputadora Minicomputadora Minicomputadora Minicomputadora Empresa Departamento 2 Departamento 1 Departamento 4 Departamento 3 Terminal Minicomputadora Minicomputadora Terminales Terminales Minicomputadora

Unidad de interfase de minicomputadora a minicomputadora Computadoras personales Computadoras personales Unidad de interfase de minicomputadora a PC 01_Cap. 1_Olifer.indd 11 01_Cap. 1_Olifer.indd 11 1/12/09 6:54:28 PM1/12/09 6:54:28 PM