1 Introduccion Comunicaciones Datos Redes-1

8/16/2019 1 Introduccion Comunicaciones Datos Redes-1

1/57

Redes I

Tema 1:

Introducción a la Comunicacionesde Datos y las Redes


2/57

Tema 1 - Introducción a la Comunicaciones de Datos y las Redes 2

Índice

Modelo de Sistema de Comunicación de Datos

Fundamentos de la Teoría de la InformaciónIntroducción a las Redes de Comunicación

Conceptos Generales de Protocolos y ServiciosIntroducción a los Sistemas de ConmutaciónIntroducción al EncaminamientoIntroducción al Control de CongestiónIntroducción a la Normalización


3/57


Modelo de Sistema deComunicación de Datos

Objetivo : intercambio de información

Ejemplo de modelo simplificadoOrigen de la Informacion

Fuente Canal Destino

Destino de la Información

Mensajes M Mensajes M’

En los sistemas de comunicación digital los mensajes están formados porun conjunto finito y discreto de valores (símbolos). El receptor debe tomarla decisión de cual fue el mensaje originalmente emitido


4/57


Índice





5/57


Teoría de la InformaciónTeoría matemática creada por Claude Shannon sobre la que seha desarrollado la teoría actual de la comunicación y lacodificación

Establece los límites de la máxima velocidad a la que se puedetransmitir información sin errores y de cuánto se puedecomprimir la información

El estudio que plantea Shannon, tiene que ver con la cantidadde información , la capacidad del canal de comunicación, elproceso de codificación que puede utilizarse para cambiar elmensaje en una señal y los efectos del ruido

Fundamentos de la Teoría de laInformación


6/57


Fundamentos de la Teoría de la

InformaciónLa cantidad de información ( I ) nos mide la disminución de laincertidumbre sobre un evento o sucesoEjemplo:

“Mañana es Jueves ” → No aporta mucha información si yasabemos que hoy es miércoles“Mañana no saldrá el sol ” → Nos puede aportar más información,ya que algo que no está predeterminado

Cuanto menos esperado sea el suceso mayor será cantidad deinformación proporcionada

Cuanto más probable sea el suceso menor será la sorpresa quecause su conocimiento.

La cantidad de informaciónes directamente proporcional alnúmero de los estados posibles del suceso

Ej. aporta más información conocer los números ganadores de la loteríaque saber si una moneda va a caer con la cara o la cruz hacia arriba


7/57


8/57



InformaciónCantidad de Información I (s i ) contenida en un símbolo s i

Es un valor que depende de la probabilidad p(s i ) de que dichosímbolo sea emitido. En el caso de las fuentes sin memoria:

Un símbolo poco frecuente tiene mucha informaciónUn símbolo muy frecuente tiene poca información

Ej. arrojamos una moneda al aire y calculamos la cantidad deinformación contenida en los símbolos cara (0) o cruz (1) :

])(

1[log)( 2

i

i

s p s I =

Como base del logaritmo sesuele tomar 2, y la

información mide en bits

bit I I 1])2/1(

1[log)1()0(

2 ===


9/57



InformaciónEj. lanzamos una moneda tres veces seguidas

Los ocho resultados serán :000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111

La probabilidad de cada resultado es 1/8 , y su cantidad deinformación es:

La medida de I (s i ) debe cumplir Siempre es igual o mayor que ceroFunción continua y proporcional a la sorpresa del símboloLinealidad: la Cantidad de Información de un mensaje formado por variossímbolos independientes es la suma de sus Cantidades de Información

bits s I i 3])8/1(1[log)( 2 ==


10/57



InformaciónEntropía de una Fuente ( H ): determina el contenidopromedio de información de los símbolos de la fuente

Es una medida de la incertidumbre existente sobre cuál de lossímbolos puede entregar la fuenteH representa el número mínimo de bits necesarios enpromedio para representar cada uno de los símbolos

Ejemplo: Lanzamiento de un dado –

AlfabetoS :

(1, 2, 3, 4, 5, 6 ), –

Distribución de probabilidades: {1/6, 1/6, 1/6, 1/6, 1/6, 1/6 }

)/(])(

1[log)()()( 2 símbolobits s p

s p s I s p H i i

iii

i ∑∑ •=•=

bits H 6,2])6/1(1

[log)61

(6 2 =••=


11/57

11


Ejemplos de fuentes de información y Entropía

Calificación de un examen –

Alfabeto S : (0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 ) –

Distribución de probabilidades:{0.01, 0.02, 0.1, 0.25, 0.2, 0.2, 0.1, 0.06, 0.04, 0.01, 0.01 }

–

Entropía :

Fuente de cuatro caracteres (A, B, C, D) –

Alfabeto S : (A, B, C, D ), probabilidades: {1/4, 1/8, 1/2, 1/8 } –

Cantidad de Información del mensaje ABC :

bits I ABC 6])2/1(1

[log])8/1(1

[log])4/1(1

[log 222 =++=

)/(8,2])(

1[log)( 2 símbolobits s p

s p H i i

i∑ =•=


12/57

Propiedades de la Entropía de fuentes sin memoria:No puede ser negativa y está acotada superiormente:

Si algún símbolo s i de la fuente tiene probabilidad p(s i ) = 1 lasprobabilidades de los demás símbolos son nulas. No hayincertidumbre y la Entropía es nulaSi todos los símbolos son equiprobables, la incertidumbre es

máxima , y la Entropía también es máximaEj: fuente binaria que entrega los símbolos 0 y 1 conprobabilidades p(0) y p(1)


)(log0 2 n H ≤≤ Siendo n el número de símbolos

diferentes de la fuente (tamaño del Alfabeto)

])]0(1[1

[log)]0(1[])0(1

[log)0( 22 p p p p H −•−+•=


13/57



Codificación de Fuente

En comunicación digital los símbolos de la fuenteS = {s 0 , s 1 , ... s K-1 }se representan mediante un alfabeto binario Sb = {0, 1}El proceso de asociar a cada símbolo de la fuente símbolos delalfabeto binario se llama codificación

El número de bits que codifican los símbolos (mensajes) de la fuente debeser suficiente para poder realizar la descodificación

Debe haber correspondencia 1 a 1 entre mensajes y palabras de código

Fuente Codificador

S = { s 0 , s 1 , ... s K-1 } Sb = { 0, 1 }

Sím bo los (tamb ien llamado s

Mensajes)

Palabrasde

Código


14/57



CodificaciónCódigos de longitud fija : ej. ASCII de 7 bitsCódigos de longitud variable : ej. Morse usa ". " para la E (muyprobable, menos cantidad de información) "--.- " para la Q (poco probable, mas cantidad de información)

Se define la longitud media por símbolo del código como:∑ •=

iii l s p L )(

p(s i ) : probabilidad del símbolos i l i : longitud en bits del símbolos i

Símbolos

i Prob.p(s

i )

Long.Fija Long. VariableA 0.5 00 0

B 0.25 01 10

C 0.125 10 110

D 0.125 11 111Long. Media L = 2 1.75


15/57

15


CodificaciónUn código será tanto mejor cuanto más se aproxime su longitudmedia L a la Entropía H de la fuenteLa Eficiencia de un Código se define como

Ej: una fuente de información sin memoria entrega símbolos del alfabetoS = {A, B, C, D } con probabilidades :

– P(A) = 0.5

P(B) = 0.25 P(C) = 0.125

P(D) = 0.125

Si asociamos a cada símbolo el número de bits de la Cantidad deInformación que contiene:

– I(A) = 1 I(B) = 2 I(C) = 3

I(D) = 3

El código es optimo:

10 ≤≤= η L

H η

75,1)()()( ==•=•= ∑∑ H s I s pl s p L ii

ii

ii

Si η = 1 se dice que elcódigo es optimo


16/57


Códigos PrefijoSon códigos que permiten asignar palabras de código conlongitud variable de bits a los símbolos de una fuentePara que la secuencia de bits se pueda decodificar unívocamentees condición suficiente que ninguna palabra de código seaprefijo de otraEjemplo:

S i p(s i ) P.Cód.

S 0 0.5 0

S 1 0.25 10

S 2 0.125 110

S 3 0.125 111


17/57


Codificación – Compresión de Datos

Compresión sin pérdida de información (Lossless ) –

Los símbolos descomprimidos son idénticos a los originales –

Cuando no es tolerable diferencias entre lo descomprimido yel original: textos, programas de ordenador, etc.

–

Ej: Run-length, Compresores estadísticos (Huffman),Compresores con diccionario (Familias LZ)

Compresión con pérdida de información (Lossy ) –

Lo descomprimido contiene menos información que el original –

Se puede ajustar el grado de pérdida de información –

Ej: JPEG, MPEG-audio (mp3), MPEG-video (mp4)



18/57



Compresión Run-length –

Utilizado cuando los símbolos presentan repeticiones deforma consecutiva

–

Se codifica: –

El símbolo –

El número de repeticiones consecutivas

Ejemplo:A A A A A A A A A A A X X X X P P K K K K K K K K → 11A 4X 2P 8K

(25 símbolos) → (8 símbolos)



19/57



Algoritmo de Huffman –

Genera códigos de longitud variable eficientes. Proceso: –

1. Ordenamos los símbolos de la fuente según sus pesos ofrecuencias crecientes como nodos finales de un árbol

–

2. Tomamos los dos símbolos con la frecuencia más baja, y losagrupamos en un nuevo nodo cuyo peso es la suma de lospesos de los dos nodos agrupados

•

Al agrupar dos nodos le asignamos a cada uno un valor debit: la asignación “1” ó “0” ha de ser consistente con sumayor o menor peso

–

3. Repetimos los pasos 1 y 2 hasta que solo queden un nodo –

4. Asignamos palabras de código empezando por con el bitmas significativo la derecha



20/57



Información

0

1

1

0

A (10)

B (8)

C (6)

D (5)

E (2)

(7)(13)

(18)

(31)

1

00

1

Codificación – Compresión de DatosAlgoritmo de Huffman

–

Ejemplo:

A 11

B 10C 00

D 011

E 010

A 10

B 8

C 6

D 5E 2


21/57


Índice





22/57


Introducción a las Redes de

ComunicaciónConceptos

Red : conjunto de dispositivos conectados entre sí medianteenlaces, con el fin de compartir recursos e información

Nodos: representan los elementos que se interconectan en lared. Pueden ser :

–

Nodos finales : procesan la información que es transmitidapor la red (ej: PC, smartphone) –

Nodos intermedios: se encargan de redirigir lainformación por la red (ej: switch, router, punto de acceso)

Enlaces : vías de comunicación que soportan las conexionesentre los nodos. S oportados por medios físicos. Pueden ser:

–

Punto a punto : interconectan dos nodos

– Multipunto : interconectan a mas de dos nodos


23/57


Introducción a las Redes de

ComunicaciónClasificación de las redes

Atendiendo al área que cubren –

Redes PAN

–

Redes LAN –

Redes MAN

–

Redes WAN

Atendiendo a la función que desempeñan –

Redes de Acceso –

Redes de Transporte


24/57


Redes PAN ( Personal Area Netw orks )

Distancias normalmente menores a 10 m

Dispositivos situados en el entorno de una personaPensadas sobre todo para intercomunicar entre sídispositivos personales (móviles, tablets, GPS, etc.)

Tecnologías inalámbricas (Bluetooth, infrarrojos, etc.)


25/57


Redes LAN (Local A rea Netw orks )

Cobertura geográfica restringidaUno o varios edificios

Técnicas de transmisión basadas en la difusiónUn nodo Transmite (Tx) y varios Reciben (Rx)Enlaces multipunto y medios de transmisión compartidos

Tecnologías cableadas e inalámbricasUso cada vez mayor de dispositivos de interconexión

Switches, puntos de acceso, etc.LAN en BusLAN Inalámbrica


26/57


Redes MAN (Metropo litan A reaNetworks)

Cobertura geográfica intermedia entre WAN y LAN

Una población (ciudad)Ejemplo: red basada en TV por cable (CableTelevision , CATV)


27/57


Redes WAN (Wide A rea Netw orks )

Área geográfica extensa: países o continentesLos nodos intermedios tienen un papel fundamentalBasadas en tecnologías de conmutación , a diferencia de lasredes basadas en difusión (como las LAN)

Nodos intermediosde conmutaciónunidos porenlaces punto apunto

Nodos finalesconectados a losnodos intermedios

Puede habersubredes

NodoConmutación

Nodo Final

Subred (LAN)

Enlace Punto aPunto


28/57


Redes WAN (Wide A rea Netw orks )

Ejemplo: enlaces de la RedIRIS ( proveedor para las Universidadesen España)


29/57


Redes de Acceso y de Transporte

Redes de Acceso

Permiten la conexión de losusuarios para acceder a losservicios demandadosEjemplo: redes de cobre de

conexión a centrales telefónicas,GSM, Wi-Fi

Redes de TransporteTambién denominadas como“red troncal ” o “backbone ”Concentran el tráfico de datosde las redes de accesoEjemplo: ATM, SDH


30/57


Índice


Introducción a las Redes de ComunicaciónConceptos Generales de Protocolos yServiciosIntroducción a los Sistemas de ConmutaciónIntroducción al EncaminamientoIntroducción al Control de CongestiónIntroducción a la Normalización


31/57


Conceptos Generales de

Protocolos y ServiciosUna analogía

Ubicación A

Mensaje Filósofo

Traductor

Secretaria

Informaciónpara el

traductor remoto

Ubicación B

Información

para lasecretariaremota

L: AlemánFax: nº...

L: Alemán L: Alemán

L: AlemánFax: nº...


32/57



Protocolos y ServiciosEntidad

Elemento activo capaz de enviar y recibir información poriniciativa propia

–

Ejemplo: programas de aplicación, utilidades de transferenciade ficheros, etc.

Sistema Objeto físico que contiene una o más entidades

–

Ejemplo: computadores, terminales, etc.Protocolo

Conjunto de reglas que regulan el intercambio de datos entredos entidades de una misma capa o nivelInterfaz

Conjunto de operaciones que definen la forma de comunicaciónentre capas adyacentes de un mismo sistema


33/57



Protocolos y Servicios

Filósofo(a)

Traductor(a)

Administrativo(a)

Filósofo(a)

Traductor(a)

Administrativo(a)

Comunicaciónreal (directa)

Comunicación virtual (indirecta)

ProtocoloCapa 3

Interfaz

Capa

3

2

1

ProtocoloCapa 2

ProtocoloCapa 1

Interfaz

Interfaz Interfaz


34/57


Conceptos Generales de Protocolos

y ServiciosEjemplos de arquitecturas

TCP/IP (Transmiss ion Cont ro lProtocol / In ternet Protocol )

–

Arquitectura usada en

InternetOSI (Open Sys tems Interconnection )

–

Modelo de Referencia de laISO

OSI

Aplicación

Presentación

Sesión

Transporte

Red

Enlace

Física

TCP/IP

Aplicación

Internet

Transporte

Enlace

Física


35/57


Índice





36/57


Introducción a los Sistemas de

ConmutaciónConmutación

Técnica para establecer un camino de comunicación entre losnodos en una red, aunque no haya enlaces directos entre ellosTécnica usada tradicionalmente para las redes WAN

Encaminamiento Los dispositivos de conmutación encaminan la información deorigen a un destino

Uso de los Sistemas de Conmutación

Premisa : su no uso s im ultáneo por todos los nodos de la redTipos de Conmutación

Circuitos

Mensajes / Paquetes


37/57


Conmutación de Circuitos

Se establece un circuito o canal dedicado a

la transmisión entre dos nodos de la redTres fases de la comunicación1. Establecimiento de circuito (canal)

2. Transferencia de información3. Desconexión/liberación del circuito

Necesaria capacidad de conmutación y uncanal disponible para establecer la conexiónEjemplo:

Red Telefónica Conmutada (RTC)


38/57


Conmutación de Circuitos

Se asignan los recursos (rutas/canales) en el establecimiento de lacomunicación

La asignación dura el tiempo que dura la comunicación

Los recursos no son compartidos entre distintas comunicaciones


39/57


Características de la Conmutación de

CircuitosPuede ser ineficiente

La capacidad del canal se asigna en su totalidad durante eltiempo que dura la conexiónSi no se transmite se desperdicia la capacidadEl establecimiento de la conexión requiere tiempo

Una vez conectado la transferencia estransparente

Los nodos extremos deben usar la misma velocidad de

transmisiónDesarrollada inicialmente para tráfico de voz(teléfono)


40/57


Conmutación de Mensajes

Enlaces punto a punto desde el origen al destino , através de nodos de conmutaciónCada nodo de conmutación

Almacena y verifica cada mensaje recibidoDecide cual es el mejor enlace para reenviarloRetransmite el mensaje

Sin límite en tamaño de los mensajesLos conmutadores deben contar con suficiente memoriaUn mensaje muy largo ocupa los enlaces un tiempo considerable.Grandes retardos . No apto para tráfico interactivo

Tipo de conmutación desaparecida prácticamenteEjemplo: antiguos sistemas telegráficos


41/57


Conmutación de PaquetesVariante evolucionada de la Conmutación de Mensajes

Los datos se transmiten en pequeños paquetesCon tamaños de hasta unos pocos miles de bytesLos mensajes mas largos se dividen en varios paquetes

Cada paquete contiene información de control ademásde los datos que transportaEjemplo de información de control: bits para el direccionamiento yencaminamiento

Almacenamiento y Retransmisión (Store and forward )Los paquetes se reciben, se almacenan brevemente (en

buffers) y se pasan al siguiente nodo


42/57


Tipos de Conmutación de Paquetes

Circuito Virtual (CV)Previamente se establece un camino para todos los paquetes deuna comunicación de un origen a un destinoLa decisión de establecer el camino (encaminamiento) se toma enel momento de establecer el Circuito Virtual Se envían todos

los paquetesordenadamente

Cada nodointermedio puedemantener variosCV a la vezNo se tomadecisión deencaminamientopara cada paquete

CV1-1CV1-2CV1-3

A

B

C

2

4 5

3

61

CV 1

CV 2


43/57


Tipos de Conmutación de Paquetes

DatagramasSi los paquetes de una misma comunicación entre un origen y undestino viajan por la red independientemente unos de otros seles conoce como datagramas

Los paquetespueden llegardesordenadosal nodo destino,que debeordenarlos

El nodo destinodebe detectarpérdidas depaquetes eintentar surecuperación

B.2

B.3

B.1

B.1

B.3

B.2 A

B

C

2

4 5

3

61

B.3

B.3


44/57


45/57


Índice





46/57


Introducción al Encaminamiento

Para llevar los paquetes desde el origen al destino hayque realizar diversas funciones en las redes de datos

Principales funciones –

Direccionamiento : identificar los nodos conectados a lared

–

Encaminamiento : escoger la trayectoria adecuada paraque los paquetes lleguen a su destino

–

Control de congestión evitar que los nodos intermedios de

la red se vean desbordados

RED

Terminal Terminal

12 1


47/57


Introducción al Encaminamiento

El encaminamiento de paquetes del origen al destino esuna tarea fundamental

Incluye tareas deEstablecimiento de vecindadesDistribución y recogida de informaciónCálculo de rutas mediante algún algoritmo de camino más corto

Criterios para determinar la ruta óptimaNodos intermedios (routers) o ‘saltos’ a atravesar Caudal (ancho de banda) de los enlacesNivel de ocupación de los enlacesRetardo de los enlaces

Fiabilidad de los enlaces (errores de comunicación)


48/57


Índice





49/57


Introducción al Control de

CongestiónControl de Flujo: técnica para regular el intercambiode datos entre un nodo que produce información y otroque la recibe y procesa

Ejemplo:

El nodo de gran capacidad puede enviar muchosmensajes/paquetes por unidad de tiempo, pudiendo desbordaral PCEl PC deberá enviar mensajes de control de flujo para que elnodo reduzca su tasa de envío de mensajes


50/57



CongestiónTécnicas para detectar y corregir problemas cuando notodo el tráfico ofrecido a una red puede ser cursado porlos nodos intermediosEs un concepto más amplio que el control de flujo

Involucra a toda la red, y no sólo a un remitente y undestinatario de información (como el control de flujo)

El control de flujo es una más de las técnicas para combatir lacongestión. Pero hay otros mecanismos


51/57



CongestiónPrincipales causas de la Congestión

Memoria insuficiente de los nodos intermedios(routers) –

Si los paquetes llegan demasiado deprisa para serprocesados se llenan los buffers (colas) de entrada

–

Si hay demasiados paquetes esperando ser transmitidos sepueden llenar los buffers de salidaCapacidad de proceso insuficiente en los nodosintermedios

–

Si el nodo es incapaz de procesar toda la información que lellega se saturarán sus colas

Velocidad de transmisión de los enlaces de salida

insuficiente


52/57


• Implícitos:

• Explícitos:

Pérdida de paquetes, retardo

Credit Rate (el Rx

informa al Tx

la tasa con la que puede transmitir)

Vigilancia

Paquetes de alerta

Backpressure (contrapresión)

Mecanismos de Control de Congestión


53/57


Índice





54/57


Introducción a la Normalización

Necesarias normativas que regulen la

conexión entre dispositivos y redes, y lainterconexión entre diferentes redes

Principales organismos1. ISO (International Standards Organization )

•

Normativa para la Interconexión de Sistemas Abiertos(OSI) y estándares para sus capas

2. ETSI (European Telecommunications Standards Institute )•

Organismo independiente para la normalización en lastelecomunicaciones. Responsable de la normalización delas TICs

en Europa


55/57


Introducción a la Normalización3. ITU(International

Telecomunications

Union )

•

Estandarización de Telecomunicaciones•

ITU-R: Radiocomunicación

•

ITU-T: Normalización de Telecomunicaciones•

ITU-D: Desarrollo

4. IEEE (Institute of Electrical and ElectronicsEngineers)

• Aportación destacada en las Redes LAN


56/57


Introducción a la Normalización

5. EIA (Electronic Industries Association )

• Normas como la serie RS (RS-232-C…)6. Organismos relacionados con Internet•

IAB(Internet Architecture Board ) coordinador

del diseño, ingeniería y gestión de la Internet•

Del IAB dependen dos comités:

IETF(Internet Engineering Task Force ) nuevos

estándares y gestión a corto plazo (RFCs)IRTF (Internet Research Task Force ): planificación,investigación y desarrollo a largo plazo


57/57

Índice


Fundamentos de la Teoría de la InformaciónIntroducción a las Redes de ComunicaciónConceptos Generales de Protocolos y ServiciosIntroducción a los Sistemas de ConmutaciónIntroducción al Encaminamiento

Introducción al Control de CongestiónIntroducción a la Normalización

1 Introduccion Comunicaciones Datos Redes-1

Documents

Transcript of 1 Introduccion Comunicaciones Datos Redes-1