Conceptos Básicos de Redes

R1. ¿Cuál es la diferencia entre un host y un sistema terminal? Enumere los tipos de sistemas terminales. ¿Es un servidor web un sistema terminal?

No hay diferencia; los términos ‘host’ y ‘sistema terminal’ se utilizan de forma indistinta en el contexto de redes. Un servidor web es, de hecho, un sistema terminal.

Los sistemas terminales incluyen una amplia variedad de dispositivos, tales como:

• PCs (ordenadores personales)
• Estaciones de trabajo
• Servidores web
• Servidores de correo
• PDAs (Asistentes Digitales Personales) con acceso a internet
• WebTVs
• Teléfonos móviles

R2. El término protocolo a menudo se emplea para describir las relaciones diplomáticas. Proporcione un ejemplo de un protocolo diplomático.

Supongamos que Alicia, embajadora del país A, desea invitar a Bob, embajador del país B, a cenar. Alicia no se limita simplemente a llamar a Bob por teléfono y decir: “Venga a nuestra mesa ahora”. En su lugar, ella llama a Bob y sugiere una fecha y hora. Bob puede responder diciendo que no está disponible en esa fecha en particular, pero sí en otra. Alicia y Bob continúan enviando “mensajes” de ida y vuelta hasta que acuerdan una fecha y hora. Bob se presenta entonces en la embajada en la fecha acordada, con una tolerancia de más o menos 15 minutos. Los protocolos diplomáticos también permiten a Alicia o a Bob cancelar el compromiso educadamente si tienen excusas razonables.

R3. ¿Qué es un programa cliente? ¿Qué es un programa servidor? ¿Un programa servidor solicita y recibe servicios de un programa cliente?

En una red, existen dos tipos de programas (clientes y servidores), cada uno ejecutándose en un host diferente y comunicándose entre sí. El programa que inicia la comunicación es el cliente. Por lo general, el programa solicitante es el cliente y recibe servicios del programa servidor.

En un sistema cliente-servidor típico:

• Un programa cliente es un programa que se ejecuta en un sistema terminal y que solicita y recibe un servicio de un programa servidor que se ejecuta en otro sistema terminal.
• Un programa servidor es un sistema que atiende las solicitudes de los programas clientes, proporcionándoles los datos solicitados o informándoles el estado del servidor en caso contrario.

Un programa servidor generalmente no solicita ni recibe servicios de un programa cliente.

Tecnologías de Acceso a Redes

R4. Enumere seis tecnologías de acceso. Clasifíquelas como de acceso residencial, acceso empresarial o acceso móvil.

1. Módem de acceso telefónico (Dial-up) a través de la línea telefónica: Residencial
2. DSL a través de la línea telefónica: Residencial o pequeña oficina
3. Cable HFC: Residencial
4. Ethernet conectado (100 Mbps): Empresarial
5. Red de área local inalámbrica (Wireless LAN): Móvil
6. Acceso celular móvil (por ejemplo, WAP): Móvil

R5. ¿La velocidad de transmisión en un sistema HFC es dedicada o compartida entre los usuarios? ¿Pueden producirse colisiones en un canal de descarga HFC? ¿Por qué?

El ancho de banda HFC es compartido entre los usuarios. En el canal de bajada (descarga), todos los paquetes son servidos por una única fuente, denominada cabecera. Por lo tanto, no se producen colisiones en el canal descendente.

R7. ¿Cuál es la velocidad de transmisión en las redes LAN Ethernet? Para una determinada velocidad de transmisión, ¿pueden los usuarios de la LAN transmitir continuamente a dicha velocidad?

Las redes LAN Ethernet tienen velocidades de transmisión de 10 Mbps, 100 Mbps, 1 Gbps y 10 Gbps. Para una Ethernet de X Mbps (donde X = 10, 100, 1.000 o 10.000), un usuario puede transmitir continuamente a la velocidad de X Mbps si es el único que envía datos. Si hay más de un usuario activo, entonces cada usuario no puede transmitir continuamente a X Mbps.

R8. Cite algunos de los medios físicos sobre los que se puede emplear la tecnología Ethernet.

Ethernet se implementa más comúnmente sobre:

• Cable de cobre de par trenzado
• Cable coaxial (delgado)

También puede funcionar a través de:

• Fibra óptica
• Enlaces de cable coaxial grueso

R9. Para el acceso residencial se emplean los módems de acceso telefónico, los sistemas HFC, DSL y FTTH. Para cada una de estas tecnologías de acceso, detalle el rango de velocidades de transmisión e indique si la velocidad de transmisión es dedicada o compartida.

Aquí se detallan las tecnologías de acceso residencial, sus rangos de velocidad y si el ancho de banda es dedicado o compartido:

• Módems Dial-up: Hasta 56 Kbps, ancho de banda dedicado.
• ISDN: Hasta 128 Kbps, ancho de banda dedicado.
• ADSL: Canal de bajada de 0.5-8 Mbps, canal de subida de hasta 1 Mbps, ancho de banda dedicado.
• HFC (Cable): Canal de bajada de 10-30 Mbps, canal de subida de unos pocos Mbps, ancho de banda compartido.
• FTTH (Fibra hasta el hogar): Carga (subida) de 2-10 Mbps, descarga de 10-20 Mbps; ancho de banda no compartido (dedicado por usuario).

R10. Describa las tecnologías de acceso inalámbrico a Internet más populares hoy día.

Las tecnologías de acceso inalámbrico a Internet más populares son:

• Redes de Área Local Inalámbricas (Wireless LAN)

  En una WLAN, los usuarios inalámbricos transmiten y reciben paquetes desde/hacia una estación base (punto de acceso inalámbrico) en un radio de pocas decenas de metros. La estación base suele estar conectada a Internet por cable y, por lo tanto, sirve para conectar a los usuarios inalámbricos a la red cableada.

• Redes de Área Amplia Inalámbricas (Wireless WAN)

  En estos sistemas, los paquetes se transmiten a través de la misma infraestructura inalámbrica utilizada para la telefonía celular. La estación base es gestionada por un proveedor de telecomunicaciones, lo que proporciona acceso inalámbrico a los usuarios dentro de un radio de decenas de kilómetros de la estación base.

Conmutación de Circuitos y Paquetes

R11. ¿Qué ventajas presenta una red de conmutación de circuitos frente a una red de conmutación de paquetes? ¿Qué desventajas tiene la multiplexación TDM frente a la multiplexación FDM en una red de conmutación de circuitos?

Una red de conmutación de circuitos puede garantizar una cantidad específica de ancho de banda de extremo a extremo durante la duración de una llamada. La mayoría de las redes de conmutación de paquetes actuales (incluyendo Internet) no pueden ofrecer ninguna garantía de ancho de banda de extremo a extremo.

Tipos de Multiplexación:

• FDM (Frequency Division Multiplexing): Multiplexación por División de Frecuencia.
• TDM (Time Division Multiplexing): Multiplexación por División de Tiempo.

Las desventajas de TDM frente a FDM son:

• Complejidad y Costo: FDM es más simple y menos costoso (especialmente para hasta 12 terminales). TDM es tecnológicamente más complejo y más caro (en particular para hasta 12 terminales).
• Impacto de Fallos: En FDM, los fallos no necesariamente afectan a todo el servicio. En TDM, los fallos pueden afectar a todo el servicio. Por lo tanto, en TDM, el problema del ruido tiene un mayor efecto en la comunicación analógica.
• Compatibilidad entre Marcas: En TDM no existe compatibilidad estándar debido a la sincronización. En FDM existe una compatibilidad completa.
• Ubicación Geográfica de las Terminales: TDM es eficiente cuando los equipos están conectados en una misma ciudad. FDM es ideal para interconectar terminales en varias ciudades.

En una multiplexación TDM, la velocidad de transmisión de un circuito es igual a la velocidad del marco multiplicada por el número de bits existentes en una partición. Por ejemplo, si un enlace transmite 8000 marcos por segundo y cada partición consta de 8 bits, entonces la velocidad de transmisión es de 64 Kbps.

R12. ¿Por qué se dice que la conmutación de paquetes emplea multiplexación estadística? Compare la multiplexación estadística con la multiplexación por división en el tiempo (TDM).

En una red de conmutación de paquetes, los paquetes procedentes de distintas fuentes que fluyen por un enlace no siguen ningún patrón fijo o predefinido. En la conmutación de circuitos TDM, cada host tiene una ranura de tiempo asignada en un marco TDM, y los paquetes llegan en un orden preestablecido por enlace, repitiéndose ese orden por cada marco.

La multiplexación estadística es la compartición de recursos bajo petición (en lugar de una pre-asignación fija). En la conmutación de paquetes, el uso del enlace se asigna bajo demanda, por lo que se dice que emplea multiplexación estadística.

R13. Retardo en Conmutación de Paquetes: Cálculo del Retardo Total Terminal a Terminal

Suponga que hay un único dispositivo de conmutación de paquetes entre un host emisor y un host receptor. Las velocidades de transmisión entre el host emisor y el dispositivo de conmutación (switch) y entre el switch y el host receptor son R1 y R2, respectivamente. Suponiendo que el switch utiliza el mecanismo de conmutación de paquetes de almacenamiento y reenvío, ¿cuál es el retardo total terminal a terminal si se envía un paquete de longitud L? (Ignore los retardos de cola, de propagación y de procesamiento.)

Considerando el mecanismo de conmutación de paquetes de almacenamiento y reenvío:

• En el momento t0, el host emisor comienza a transmitir.
• En el tiempo t1 = L/R1, el host emisor completa la transmisión y la totalidad del paquete se recibe en el conmutador (ignorando el retardo de propagación).
• Dado que el conmutador tiene el paquete completo en el tiempo t1, puede comenzar a transmitirlo al host receptor en ese mismo momento t1.
• En el momento t2 = t1 + L/R2, el conmutador completa la transmisión y todo el paquete es recibido en el host receptor (ignorando nuevamente el retardo de propagación).

Por lo tanto, el retardo total de extremo a extremo es L/R1 + L/R2.

R15. Conmutación de Circuitos vs. Conmutación de Paquetes: Análisis de Usuarios y Retardos

Suponga que los usuarios comparten un enlace de 2 Mbps y que cada usuario transmite a una velocidad de 1 Mbps continuamente, pero solo durante el 20 por ciento del tiempo.

a) Si se utiliza la conmutación de circuitos, ¿a cuántos usuarios puede darse soporte?

Se pueden soportar 2 usuarios, ya que cada usuario requiere 1 Mbps, lo que consume la mitad del ancho de banda total del enlace (2 Mbps).

b) Para el resto del problema, suponga que se utiliza la conmutación de paquetes. ¿Por qué prácticamente no habrá retardo de cola antes del enlace si dos o menos usuarios transmiten a un mismo tiempo? ¿Por qué existirá retardo de cola si tres usuarios transmiten simultáneamente?

• Si dos o menos usuarios transmiten simultáneamente, el ancho de banda máximo requerido es de 2 Mbps (2 usuarios * 1 Mbps/usuario). Dado que el ancho de banda disponible del enlace compartido es de 2 Mbps, prácticamente no habrá retardo de cola antes del enlace.
• Si tres usuarios transmiten simultáneamente, el ancho de banda requerido será de 3 Mbps (3 usuarios * 1 Mbps/usuario), lo cual es superior al ancho de banda disponible del enlace compartido (2 Mbps). En este caso, sí existirá retardo de cola antes del enlace.

c) Calcule la probabilidad de que un usuario dado esté transmitiendo.

La probabilidad de que un usuario dado esté transmitiendo es del 20%, lo que equivale a 0.2.

d) Suponga ahora que hay tres usuarios. Calcule la probabilidad de que en un instante determinado los tres usuarios estén transmitiendo simultáneamente. Halle la fracción de tiempo durante la que la cola crece.

• La probabilidad de que los tres usuarios estén transmitiendo simultáneamente es el producto de las probabilidades individuales, es decir, (0.2)^3 = 0.008.
• Dado que la cola crece cuando todos los usuarios están transmitiendo, la fracción de tiempo durante la cual la cola crece es igual a la probabilidad de que los tres usuarios estén transmitiendo simultáneamente, que es 0.008.

Retardos y Rendimiento en Redes

R16. Considere el envío de un paquete desde un host emisor a un host receptor a través de una ruta fija. Enumere los componentes del retardo terminal a terminal. ¿Cuáles de estos retardos son constantes y cuáles son variables?

Los componentes del retardo de extremo a extremo son:

• Retardos de procesamiento: Tiempo que tarda un router en procesar el encabezado del paquete y determinar el enlace de salida.
• Retardos de transmisión: Tiempo que tarda en empujar todos los bits del paquete al enlace. Depende de la longitud del paquete y la velocidad del enlace.
• Retardos de propagación: Tiempo que tarda un bit en viajar desde el inicio del enlace hasta el final. Depende de la distancia y la velocidad de propagación.
• Retardos de cola (o encolamiento): Tiempo que un paquete espera en una cola antes de ser transmitido.

De estos, los retardos de procesamiento, transmisión y propagación son generalmente constantes (o predecibles) para una ruta y tamaño de paquete dados. Los retardos de cola son variables, ya que dependen de la congestión del tráfico en la red.

R18. ¿Cuánto tiempo tarda un paquete cuya longitud es de 1.000 bytes en propagarse a través de un enlace a una distancia de 2.500 km, siendo la velocidad de propagación igual a 2,5 · 10^8 m/s y la velocidad de transmisión a 2 Mbps? De forma más general, ¿cuánto tiempo tarda un paquete de longitud L en propagarse a través de un enlace a una distancia d, con una velocidad de propagación s y una velocidad de transmisión de R bps? ¿Depende este retardo de la longitud del paquete? ¿Depende este retardo de la velocidad de transmisión?

El retardo de propagación se calcula como la distancia dividida por la velocidad de propagación.

• Cálculo específico:
  • Distancia (d) = 2.500 km = 2.500.000 m
  • Velocidad de propagación (s) = 2.5 * 10^8 m/s
  • Retardo de propagación = d / s = 2.500.000 m / (2.5 * 10^8 m/s) = 0.01 segundos = 10 ms.
• Fórmula general: Para un paquete de longitud L, distancia d, velocidad de propagación s y velocidad de transmisión R bps, el retardo de propagación es d / s.
• Dependencia: El retardo de propagación no depende de la longitud del paquete ni de la velocidad de transmisión. Solo depende de la distancia física del enlace y de la velocidad a la que las señales viajan a través de ese medio.

R19. Transferencia de Archivos: Cálculo de Tasa y Tiempo en Diferentes Escenarios

Suponga que el host A desea enviar un archivo de gran tamaño al host B. La ruta desde el host A al host B está formada por tres enlaces, cuyas velocidades son R1 = 500 kbps, R2 = 2 Mbps y R3 = 1 Mbps.

Escenario 1: R1 = 500 kbps, R2 = 2 Mbps, R3 = 1 Mbps

• Tasa de transferencia (throughput): La tasa de transferencia es limitada por el enlace más lento (cuello de botella). En este caso, es R1 = 500 kbps.
• Tiempo de transferencia para 4 millones de bytes:
  • Tamaño del archivo = 4.000.000 bytes = 4.000.000 * 8 bits = 32.000.000 bits.
  • Tasa de transferencia = 500 kbps = 500.000 bits/s.
  • Tiempo = (32.000.000 bits) / (500.000 bits/s) = 64 segundos.

Escenario 2: R1 = 500 kbps, R2 = 100 kbps, R3 = 1 Mbps

• Tasa de transferencia (throughput): El enlace más lento ahora es R2 = 100 kbps.
• Tiempo de transferencia para 4 millones de bytes:
  • Tamaño del archivo = 32.000.000 bits.
  • Tasa de transferencia = 100 kbps = 100.000 bits/s.
  • Tiempo = (32.000.000 bits) / (100.000 bits/s) = 320 segundos.

Arquitectura de Protocolos de Internet

R20. Creación y Reenvío de Paquetes: Analogía con un Viaje

Suponga que el sistema terminal A desea enviar un archivo de gran tamaño al sistema terminal B. Sin entrar en detalles, describa cómo crea el sistema terminal A los paquetes a partir del archivo. Cuando uno de estos paquetes llega a un conmutador de paquetes, ¿qué información del mismo utiliza el conmutador para determinar el enlace por el que debe ser reenviado el paquete? ¿Por qué la conmutación de paquetes en Internet es análoga a viajar de una ciudad a otra preguntando por la dirección a la que nos dirigimos?

Cuando el sistema terminal A desea enviar un archivo grande al sistema terminal B:

• Creación de paquetes: El sistema terminal A divide el archivo grande en segmentos más pequeños, llamados trozos o bloques. A cada uno de estos bloques le añade una cabecera (encabezado) que contiene información de control, incluyendo la dirección IP del destino (B). Esto genera múltiples paquetes a partir del archivo original.
• Reenvío en el conmutador de paquetes: Cuando uno de estos paquetes llega a un conmutador de paquetes (router), este utiliza la dirección de destino (dirección IP) contenida en la cabecera del paquete para consultar sus tablas de enrutamiento y determinar el enlace de salida adecuado por el que debe ser reenviado el paquete hacia su destino.
• Analogía con un viaje: La conmutación de paquetes en Internet es análoga a viajar de una ciudad a otra preguntando por la dirección a la que nos dirigimos porque, en cada “intersección” (router), el paquete “pregunta” (el router consulta su tabla de enrutamiento) cuál es el siguiente “camino” (enlace de salida) a seguir para llegar a su destino final, basándose en la dirección de destino que lleva consigo.

R22. Tareas de las Capas de Protocolo: Duplicidad de Funciones

Enumere cinco tareas que puede realizar una capa. ¿Es posible que una (o más) de estas tareas pudieran ser realizadas por dos (o más) capas?

Cinco tareas genéricas que puede realizar una capa en una pila de protocolos son:

• Control de errores: Detección y corrección de errores en la transmisión de datos.
• Control de flujo: Asegurar que el emisor no sature al receptor con datos.
• Segmentación y reensamblaje: Dividir los datos en unidades más pequeñas para la transmisión y volver a unirlos en el destino.
• Multiplexación: Permitir que múltiples aplicaciones o flujos de datos compartan un mismo enlace físico.
• Configuración de la conexión: Establecer, mantener y terminar una conexión lógica entre entidades.

Sí, es posible que una o más de estas tareas sean realizadas por dos o más capas. Por ejemplo, el control de errores se proporciona a menudo en la capa de enlace y también en la capa de transporte (como en TCP).

R23. Las Cinco Capas de la Pila de Protocolos de Internet: Responsabilidades Principales

¿Cuáles son las cinco capas de la pila de protocolos Internet? ¿Cuáles son las responsabilidades principales de cada una de estas capas?

Las cinco capas de la pila de protocolos de Internet, de arriba a abajo, son:

• Capa de Aplicación

  • Responsabilidad principal: Es donde residen las aplicaciones de red y sus protocolos (ej. HTTP, SMTP, FTP). Permite a las aplicaciones de diferentes sistemas terminales intercambiar paquetes de información.

• Capa de Transporte

  • Responsabilidad principal: Transporta los mensajes de la capa de aplicación entre los puntos terminales de la aplicación.
  • Protocolos: Incluye TCP (Transmission Control Protocol), que ofrece control de flujo, control de congestión y entrega fiable; y UDP (User Datagram Protocol), que no garantiza la entrega ni tiene control de flujo o congestión.
  • Unidad de datos: Los paquetes a este nivel se denominan segmentos.

• Capa de Red

  • Responsabilidad principal: Responsable de trasladar los paquetes de la capa de red (datagramas) de un host (sistema terminal) a otro.
  • Protocolos: Incluye el protocolo IP (Internet Protocol), que define los campos del datagrama y cómo actúan los sistemas terminales y los routers sobre ellos. También incluye protocolos de enrutamiento que determinan las rutas que siguen los datagramas.
  • Unidad de datos: Los paquetes a este nivel se denominan datagramas.

• Capa de Enlace

  • Responsabilidad principal: Encaminar un datagrama a través de una serie de routers entre el origen y el destino, entregándolo al siguiente nodo de la ruta.
  • Protocolos: Depende del protocolo utilizado (ej. Ethernet, Wi-Fi, PPP), algunos de los cuales ofrecen entrega fiable entre nodos adyacentes.
  • Unidad de datos: Los paquetes a este nivel se denominan tramas.

• Capa Física

  • Responsabilidad principal: Encargada de mover los bits individuales de una trama de un nodo a otro.
  • Dependencia: Sus protocolos dependen del medio de transmisión del enlace (ej. Ethernet tiene protocolos específicos para cable de par trenzado, coaxial, fibra óptica, etc.).

R24. Unidades de Datos en la Pila de Protocolos: Mensajes, Segmentos, Datagramas y Tramas

¿Qué es un mensaje de la capa de aplicación? ¿Y un segmento de la capa de transporte? ¿Y un datagrama de la capa de red? ¿Y una trama de la capa de enlace?

Las unidades de datos en cada capa de la pila de protocolos de Internet son:

• Mensaje de la capa de aplicación: Son los datos que una aplicación desea enviar, los cuales son pasados a la capa de transporte.
• Segmento de la capa de transporte: Es la unidad de datos que genera la capa de transporte, encapsulando el mensaje de la capa de aplicación con su propio encabezado de capa de transporte.
• Datagrama de la capa de red: Es la unidad de datos que genera la capa de red, encapsulando el segmento de la capa de transporte con su propia cabecera de capa de red.
• Trama (Frame) de la capa de enlace: Es la unidad de datos que genera la capa de enlace, encapsulando el datagrama de la capa de red con su propia cabecera de capa de enlace.

R25. Procesamiento de Capas por Dispositivos de Red: Routers, Switches y Hosts

¿Qué capas de la pila de protocolos de Internet procesa un router? ¿Qué capas procesa un switch de la capa de enlace? ¿Qué capas procesa un host?

Los diferentes dispositivos de red procesan distintas capas de la pila de protocolos de Internet:

• Routers: Procesan las capas 1 (Física), 2 (Enlace) y 3 (Red). (Nota: Los routers modernos a veces pueden interactuar con la capa 4 para funciones como cortafuegos o almacenamiento en caché).
• Switches de la capa de enlace (Layer 2 Switches): Procesan las capas 1 (Física) y 2 (Enlace).
• Hosts (sistemas terminales): Procesan las cinco capas (Aplicación, Transporte, Red, Enlace y Física).