Redes de computadores e Internet

1. Redes de computadores e Internet Introducción Introducción

2. Objetivo: Panorámica de las redes de computadores y terminología Los detalles serán estudiados durante el curso enfoque: Uso de Internet como ejemplo Contenido ¿Qué es Internet? ¿Qué es un protocolo? El “borde” de la red; hosts, red de acceso y medios físicos El “centro” de la red: conmutación de paquetes y de circuitos, Estructura de Internet Desempeño: perdidas, retardo (delay) Seguridad Crecimiento del tráfico en Internet Cnsumo de energía de Internet Introducción Introducción

3. millones de dispositivos interconectados: hosts = end systems PCs, servidores, celulares. PDAs ejecutando aplicaciones de red Red Móvil ISP Global Red residencial ISP Regional access points wired links Red Institucional router ¿Qué es Internet?: visión práctica PC server wireless laptop cellular handheld • Enlaces de comunicación • fibra, cobre, radio, satelite • Tasa de transmisión = ancho de banda Routers (intermediate systems): reenvían paquetes (trozos de datos) Introducción

4. Aplicaciones “chéveres” en Internet Pronosticador web del clima + Tostadora Marco para imagen IP http://www.ceiva.com/ El servidor web más pequeño del mundo http://www-ccs.cs.umass.edu/~shri/iPic.html Teléfonos Internet Introducción

5. Los protocoloscontrolan el envío y recepción de mensajes TCP, IP, HTTP, Skype, Ethernet Internet: “red de redes” Aproximadamente jerárquica Internet pública versus intranet privada Estándares de Internet RFC: Request for Comments IETF: Internet Engineering Task Force http://www.ietf.org/rfc.html Red Móvil ISP Global Red residencial ISP Regional Red Institucional ¿Qué es Internet?: visión práctica Introducción

6. La infraestructura de comunicaciones permite tener aplicaciones distribuidas: Web (Wiki, Facebook), VoIP, email, juegos, e-commerce, bases de datos, compartir archivos Los servicios de comunicación proveen a las aplicaciones: Entrega confiable de datos desde el origen al destino Entrega de datos no confiable (best effort) ¿Qué es Internet?: los servicios Introducción

7. Protocolos humanos: “¿Qué hora es?” “Tengo una pregunta” Presentar personas … mensajes específicos enviados … acciones específicas realizadas cuando los mensajes son recibidos, o generación de otros eventos Protocolos de red: Máquinas en lugar de seres humanos Toda actividad de comunicación en Internet está gobernada por protocolos ¿Qué es un protocolo? Los protocolos definen el formato de los mensajes, el orden de envío y recepción de mensajes entre entidades en la red, las acciones que deben realizarse al transmitir o recibir mensajes por parte de los nodos Introducción

8. Ejemplo de un protocolo humano y un protocolo de una red: Conexión TCP response Get http://www.arcesio.net/ ¿tienes horas? 2:00 <archivo> time ¿Qué es un protocolo? Hola Conexión TCP request Hola ¿Otros protocolos humanos? Introducción

9. El “borde” de la red: aplicaciones y nodos Mirando más cerca la estructura de la red: • Redes de acceso, medios físicos: • enlaces de comunicaciones cableados e inalámbricos • El centro de la red: • Routers interconectados • Red de redes Introducción

10. Nodos (end systems, hosts): Ejecutan programas de aplicaciones ejemplo. Web, e-mail En el “borde” de la red peer-peer client/server El “borde” de la red: • Modelo cliente/servidor • Los nodos cliente hacen solicitudes, reciben respuestas de los servidores “activos” • ejemplo. Navegador Web/servidor Web; cliente de correo/servidor de correo • Modelo peer to peer: • uso mínimo (o no uso) de servidores dedicados • ejemplo. Skype, BitTorrent Introducción

11. Borde de la red: servicio orientado a conexión Meta: transferencia de datos entre nodos (end systems) • handshaking: establecer (prepararse para) transferir datos con anterioridad • Protocolo Hola-Hola humano • Establece el “estado” de dos nodos que se comunican • TCP - Transmission Control Protocol • Servicio orientado a conexión de Internet Servicio TCP[RFC 793] • confiable, transfiere datos, como un flujo de bytes, en el orden corrrecto. • pérdidas: acuse de recibo (acknowledgements) y retransmisiones • Control de flujo: • El nodo transmisor no sobrecarga al nodo receptor • Control de congestión: • Los nodos transmisores “reducen la tasa de transmisión” cuando la red está congestionada Introducción

12. Borde de la red: servicio NO orientado a conexión Meta: transferencia de datos entre nodos (end systems) • ¡La misma meta de antes! • UDP - User Datagram Protocol [RFC 768]: Servicio no orientado a conexión de Internet • Transferencia no confiable de datos • no hay control de flujo • no hay control de congestión Aplicaciones que utilizan TCP: • HTTP (Web), FTP (file transfer protocol), Telnet (login remoto), SMTP (e-mail) Aplicaciones que utilizan UDP: • Media streaming, teleconferencia, DNS, telefonía IP, SNMP Introducción

13. ¿Cómo se conectan los nodos finales al los routers de borde? Con redes de acceso residencial Con redes de acceso institucional (universidades, empresas) Con redes de acceso móviles Se debe estar atento a: ¿cuál es el ancho de banda (bits por segundo) de la red de acceso? ¿Es compartida o dedicada? Redes de acceso y medios físicos Introducción

14. Conexión conmutada a través de modem hasta 56Kbps de acceso directo al router (a veces es menos). 4 KHz No se puede “navegar” y utilizar el teléfono para voz al mismo tiempo: no está disponible en todo momento Acceso residencial: acceso punto a punto • ADSL: asymmetric digital subscriber line • hasta 1 Mbps enviando -upstream- (por ahora lo típico es < 256 kbps) • hasta 8 Mbps recibiendo -downstream- (normal < 1 Mbps) • Línea física dedicada • FDM: 50 kHz - 1 MHz para recibir • 4 kHz - 50 kHz para enviar Introducción

15. HFC: Híbrido fibra-coaxial asimétrico: hasta 30Mbps upstream, 2 Mbps downstream red de cable y fibra para conectar casas al router de ISP se comparte el acceso al router entre hogares Disponible a través de las compañías de TV por cable Acceso residencial: cable modems Introducción

16. Acceso residencial: cable modems Diagram: http://www.cabledatacomnews.com/cmic/diagram.html Introducción

17. Arquitectura red de TV por Cable: un vistazo Normalmentet 500 a 5,000 hogares Oficina TV por cable residencia Red de distribución de TV por cable (simplificada) Introducción

18. Servidor(es) Arquitectura red de TV por Cable: un vistazo Oficina TV por cable residencia Red de distribución de TV por cable (simplificada Introducción

19. Arquitectura red de TV por Cable: un vistazo Oficina TV por cable residencia Red de distribución de TV por cable (simplificada) Introducción

20. C O N T R O L D A T A D A T A V I D E O V I D E O V I D E O V I D E O V I D E O V I D E O 5 6 7 8 9 1 2 3 4 canales Arquitectura red de TV por Cable: un vistazo FDM: Oficina TV por cable residencia Red de distribución de TV por cable (simplificada Introducción

21. FTTH (Fiber To The Home) • La tecnología FTTH utiliza fibra óptica hasta la residencia • FTTH utiliza fibra óptica y sistemas de distribución ópticos para proveer servicios avanzados (Triple Play: telefonía, Internet de banda ancha y televisión) • FTTH utiliza una red PON (Passive Optical Network) • Con base en divisores ópticos pasivos que no tiene elementos electrónicos activos. • Dependiendo de la dirección del haz de luz, se divide el haz entrante y lo distribuye hacia múltiples fibras o lo combina dentro de una misma fibra. • La idea es compartir los costos del segmento óptico entre los diferentes terminales Introducción

22. FTTH (Fiber To The Home) Splitter • En la red óptica pasiva (PON) se coloca un divisor óptico (splitter) dentro del enlace y permite enviar la misma señal a múltiples residencias a la vez. Introducción

23. Redes de área local (LAN) para empresas/universidades conecta los end system a los routers de borde. Ethernet: 10 Mbs, 100Mbps, 1Gbps, 10Gbps Configuración acostumbrada: end systems se conecta a un switch Ethernet Acceso empresarial: redes de área local Introducción

24. Acceso inalámbrico compartido conecta end systems y el router A través de una estación base conocida como “access point” wireless LANs: 802.11b/g (WiFi): 11 Mbps/54 Mbps Acceso inalámbrico áreas más amplias Proporcionada por operadores de telecomunicaciones ~1Mbps sobre red celular (EVDO, HSDPA) WiMAX – 802.16 (10’s Mbps) en área amplia Redes de acceso inalámbrico router Estación base Nodos móviles Introducción

25. Componentes de red típicos: DSL ó cable módem router/firewall/NAT Ethernet Punto de acceso inalámbrico Redes en el hogar (o en pequeñas oficinas) Laptops inalámbricos hacia/desde central de TV por cable cable módem router/ firewall Punto de acceso inalámbrico Ethernet (switched) Introducción

26. Bit: se propaga entre parejas de transmisires/receptores Enlace físico: el que está entre transmisores receptores Medios guiados: Señales que se propagan en medios sólidos: cobre (UTP, coaxial), fibra óptica Medios no guiados: Señales que se propagan en el espacio, ondas de radio Par trenzado(TP) Dos pares de hilos de cobre Categoría 5: Ethernet 100 Mbps Otras categorías: 5E, 6 y 7 Medios físicos Introducción

27. Cable Coaxial: Dos conductores de cobre concéntricos bidireccional Banda base: Un solo canal en el cable Antiguo Ethernet broadband: Múltiples canales en el cable HFC Medios físicos: coaxial, fibra Cable Fibra óptica: • Fibra de vidrio transportando pulsos de luz, cada pulso un bit • Operación a alta velocidad: • Transmisión a alta velocidad punto a punto (10’s-100’s Gps) • Baja tasa de errores: los repetidores se ubican a grandes distancias; inmune a ruido electromagnético Introducción

28. Señales transportadas en el espectro electromagnético No hay cables bidireccional Efectos del medio ambiente en la propagación: Reflexión Obstrucción por objetos Interferencia Medios físicos: radio Tipos de enlaces de radio: • Micro-ondas terrestres • Canales de hasta 45 Mbps • LAN (Wifi) • 11Mbps, 54 Mbps • Área-amplia (celular) • 3G celular: ~ 1 Mbps • Satélite • Canales de pocos Kbps a 45Mbps (o multiple canales pequeños) • Retardes de 270 ms entre extremos • geoestacionarios, versus satélites de órbita baja Introducción

29. Es una malla de routersinterconectados La pregunta básica: ¿cómo se transportan los datos a través de la red? Existen dos métodos: Conmutación de circuitos: circuito dedicado por llamada Conmutación de paquetes: datos enviados a través de la red como “trozos” discretos El “centro” de la red: Introducción

30. Los recursos de extremo a extremo (end to end) se reservan para una llamada (una sesión) Recursos: Ancho de banda del enlace, capacidad del switch Los recursos están dedicados y no se comparten con otras llamadas Desempeño (garantizado) como el de un circuito físico Se requiere establecer la llamada antes de enviar información El “centro” de la red: Conmutación de circuitos Introducción

31. network resources (e.g., bandwidth) divided into “pieces” pieces allocated to calls resource piece idle if not used by owning call (no sharing) El “centro” de la red: Conmutación de circuitos • Técnicas para dividir el ancho de banda de un enlace en “pedazos” • División de frecuencia • División de tiempo Introducción

32. Ejemplo: 4 usuarios FDM frequencia tiempo TDM frequencia tiempo Conmutación de circuitos: FDM y TDM Introducción

33. Ejemplo numérico • Cuánto tiempo tomará enviar un archivo de 640,000 bits desde el nodo A hasta el nodoB sobre una red de conmutación de circuitos? • Todos los enlaces son de 1.536 Mbps • Cada enlace utiliza DM con 24 slots/s • 500 ms para establecer el circuito Introducción

34. Cada secuencia de datos end to end se divide en paquetes Los paquetes del usuario A y B comparten los recursos de red Cada paquete utiliza todo el ancho de banda del enlace Los recursos se utilizan a medida que se necesitan Ancho de banda dividido en “pedazos” Asignación dedicada Reservación de recursos El “centro” de la red: Conmutación de paquetes • Competencia por los recursos: • Demanda agregada de recursos puede exceder la cantidad disponible • Congestión: cola de los paquetes, espera para uso del enlace • store and forward: Los paquetes se mueven un “salto” a la vez • Los nodos reciben el paquete completo antes de reenviarlo Introducción

35. Secuencia de los paquetes de A & B no tiene un patrón fijo. El ancho de banda es compartido por demanda  multiplexamiento estadístico. En TDM cada nodo consigue el mismo “slot” para cada frame TDM. D E Conmutación de paquetes: Multiplexamiento estadístico 100 Mb/s Ethernet C A Multiplexamiento estadístico 1.5 Mb/s B Cola de paquetes esperando para salir al enlace Introducción

36. Toma L/R segundos para transmitir (“empujar”) un paquete de L bits a un enlace de R bps store and forward:el paquete completo debe llegar al router antes que pueda ser retransmitido al siguiente enlace Retardo = 3L/R (asumiendo un retardo de propagación cero) Ejemplo: L = 7.5 Mbits R = 1.5 Mbps Retardo de transmisión = 15 s Conmutación de paquetes: store-and-forward L R R R Pronto más sobre latencia… Introducción

37. Enlace de 1 Mb/s Cada usuario: 100 kbps cuando está “activo” Activo el 10% del tiempo Conmutación de circuitos: 10 usuarios Conmutación de paquetes: con 35 usuarios, probabilidad > 10 activos inferior a .0004 ¡La conmutación de paquetes permite que más usuarios utilicen la red! Conmutación de paquetes versus conmutación de circuitos N usuarios Enlace de 1 Mbps ¿cómo llegamos al valor 0.0004? Introducción

38. Estupenda para tráfico con ráfagas camparte recursos más simple, no requiere llamada de “setup” Congestión excesiva: retardo y pérdida de paquetes los protocolos deben ser confiables para la transferencias de datos, se requiere control de congestión Pregunta: ¿cómo ofrecer un comportamiento similar al de un circuito? Ancho de banda necesario para aplicaciones de audio y de video problema que aún no está resuelto ¿Es la conmutación de paquetes la ganadora en esta competencia? Conmutación de paquetes versus conmutación de circuitos Introducción

39. La estructura de Internet es difusamente jerárquica En el centro: ISPs de “nivel 1” (Verizon , Sprint, AT&T, Cable and Wireless), cubrimiento nacional/internacional Entre los ISPs de nivel 1 se tratan como iguales Los proveedores de nivel 1 se interconectan con sus iguales de manera privada Estructura de Internet: red de redes Tier 1 ISP Tier 1 ISP Tier 1 ISP Introducción

40. POP: point-of-presence hacia/desde backbone peering … …. … … … hacia/desde clientes ISP de Nivel 1 (Tier-1): Sprint Introducción

41. ISPs “Nivel 2”: ISPs más pequeños (a menudo regionales) Conectan a uno o más ISPs nivel 1, posiblemente a otros ISPs nivel 2 ISP nivel 2 también se asocia de manera privada con sus iguales • Un ISP nivel 2 paga al ISP nivel 1 para conectarse a Internet • El ISP nivel 2 es cliente del ISP nivel 1 Tier-2 ISP Tier-2 ISP Tier-2 ISP Tier-2 ISP Tier-2 ISP Estructura de Internet: red de redes Tier 1 ISP Tier 1 ISP Tier 1 ISP Introducción

42. ISPs de “Nivel 3” e ISPs locales Último salto en la red (“de acceso”) (más cerca a los end systems) Tier 3 ISP local ISP local ISP local ISP local ISP local ISP local ISP local ISP local ISP ISPs Locales y capa 3 son los clientes de los ISPs de las capas más altas que los conectan al resto de Internet Tier-2 ISP Tier-2 ISP Tier-2 ISP Tier-2 ISP Tier-2 ISP Estructura de Internet: red de redes Tier 1 ISP Tier 1 ISP Tier 1 ISP Introducción

43. ¡un paquete atraviesa muchas redes! Tier 3 ISP local ISP local ISP local ISP local ISP local ISP local ISP local ISP local ISP Tier-2 ISP Tier-2 ISP Tier-2 ISP Tier-2 ISP Tier-2 ISP Estructura de Internet: red de redes Tier 1 ISP Tier 1 ISP Tier 1 ISP Introducción

44. Internet eXchange Point (IX ó IXP) • Un Internet exchange point (IX ó IXP) es una infraestructura física que permite a diferentes proveedores de servicio Internet (ISPs) intercambiar tráfico Internet entre sus redes (sistemas autónomos) de forma directa (sin costo o a un costo muy reducido) en lugar de pasar el tráfico a través de una o más redes de otros. • Un IXP reduce el tráfico que un ISP debe pasar a través de terceros de tal manera que reduce el costo ($) promedio por bit de su servicio. • Las principales ventajas de la interconexión directa son costos, latencia, mejoramiento del ancho de banda, eficiencia del enrutamiento y tolerancia a fallas. • Un IXP típico se hace con uno o más switches de datos a los cuales cada ISP participante se conecta. • Un ejemplo de IXP es el NAP Colombia http://www.nap.com.co/ con 15 miembros Introducción

45. Colas de paquetes en los buffers de los routers La tasa de llegada de paquetes para ser transmitidos exceden la capacidad del enlace cola de paquetes, esperan su turno Paquete que está siendo transmitido (delay) Paquetes en cola (delay) Buffers libres (disponibles): paquetes que llegan serán descartados (pérdidas) si no hay buffers libres ¿Cómo ocurren las pérdidas y los retardos? A B Introducción

46. 1. Procesamiento en el nodo: chequea errores a nivel de bit determina el enlace de salida transmisión A propagación B Procesamiento en el nodo colas Cuatro causas del retardo de los paquetes • 2. colas • tiempo de espera para ser transmitido a través del enlace • depende del nivel de congestión del router Introducción

47. 3. Retardo de transmisión: R=ancho de banda (bps) L=longitud del paquete (bits) tiempo que toma colocar los bits en el enlace = L/R 4. Retardo de propagación: d = longitud del enlace físico s = rapidez de propagación en el medio (~2x108 m/s) retardo de propagación = d/s transmisión A propagación B Procesamiento en el nodo colas Retardo en redes de conmutación de paquetes Nota: s y R son cantidades muy diferentes! Introducción

48. Los autos “se propagan” a 100 km/h Al peaje le toma 12 segundos atender un auto (tiempo de transmisión) auto~bit; caravana ~ paquete ¿Cuánto tiempo toma para que la caravana esté alineada antes del segundo peaje? Tiempo para “pasar” la caravana entera a través del peaje hacia la vía = 12*10 = 120 segundos Tiempo para que el último auto se “propague” desde el primer peaje hasta el segundo: 100km/(100km/h)= 1 h Respuesta: 62 minutos 100 km 100 km Caravana de 10 autos peaje peaje Analogía con una caravana Introducción

49. Ahora los autos se “propagan” a 1000 km/h Al peaje le toma 1 minuto atender un auto ¿LLegarán los autos al segundo peaje antes que sea atendida toda la caravana en el primer peaje? Sí! Después de 7 minutos, el primer auto estará en el segundo peaje y el tercer auto aún estará en el primer peaje. El primer bit del paquete puede llegar al segundo router antes que el paquete sea transmitido totalmente desde el primer router! 100 km 100 km Caravana de 10 autos peaje peaje Analogía con una caravana (más) Introducción

50. Retardo en los nodos • dprocesamiento = retardo por procesamiento • Normalmente pocos microsegundos o menos • dcola = Retardo en el buffer o cola • Depende de la congestión de la red • dtransmisión = retardo de transmisión • = L/R, significante para enlaces lentos • dpropagación = retardo de propagación • Desde algunos microsegundos a cientos de milisegundos Introducción