Arquitectura de red y modelos de referencia

Introducción a las redes de datos

Las redes de datos permiten la interconexión de muchos elementos, bien sea para compartir impresoras, bases de datos, archivos o conexión a internet. A continuación, se hará una introducción a las redes de datos sus generalidades.

Qué es una red de datos

Una red datos, realmente es un conjunto de elementos de cómputo que se intercomunican entre sí para ofrecer servicios, el caso más común en pequeñas redes de datos es implementar una red de datos con el fin de compartir archivos o por ejemplo una impresora como se muestra en la imagen.

Una definición más formal de una red de datos o red de computadores es un conjunto de equipos (computadoras y dispositivos), conectados por medio de cables, señales, ondas o cualquier otro método de transporte de datos, para compartir información (archivos), recursos (discos, impresoras, programas, etc.) y servicios (acceso a una base de datos, internet, correo electrónico, chat, juegos, etc.). A cada una de las computadoras conectadas a la red se le denomina un nodo. (Mansilla, 2015)

Clasificación de las redes de los datos

Las redes de datos se pueden clasificar en general, por su cobertura geográfica es decir el área que abarcan, y por la forma en que se interconectan topología física.

Clasificación según su cobertura geográfica

Las redes de datos se clasifican por la cobertura geográfica, es decir según la extensión o espacio que cubren. Las clasificaciones más comunes se muestran en la imagen.

• PAN: son redes pequeñas de nominadas Personal Area Network (PAN) estar son redes que permiten la comunicación a pocos metros tal es el caso de las redes
• WPAN: Al igual que las redes PAN estas se comunican a pocos metros, pero son íntegramente inalámbricas tal es el caso de las Redes bluetooth que usan los Smartphone, tabletas y portátiles sus siglas corresponden a Wireless Personal Area Network
• LAN: por sus siglas en ingles Local Area Netwok, son las redes que típicamente encontramos en los cafés internet e incluso en nuestras casas que puede abarcar alrededor de 100 Metros de radio
• WLAN: estas corresponden a las redes inalámbricas tal como las redes WIFI, al igual que las redes LAN abarcan un radio de 100 metros, aunque este es limitado por la interferencia y los obstáculos físicos como paredes, muebles y cualquier elemento físico entre sus nodos
• SAN: Corresponde a redes de Storage (Almacenamiento) son redes de alta velocidad que permiten a grandes empresas hacer respaldo “backup” de la información en tiempo real pueden ser abarcar grandes áreas geográficas. Solo se denominan SAN (Stoarge Area Network) cuando son empleadas con el propósito de hacer respaldo de la información
• CAMPUS: También denominadas CAN (Campus Area Network) son redes de mayor cobertura que una red LAN de que pueden intercomunicar computadores en grandes áreas privadas tal es el caso de los campus universitarios o las instalaciones de grandes empresas que pueden tener varios cientos de metros entre sus nodos
• MAN: Corresponde al termino Metropolitan Area Network, Red de área metropolitana, son redes que pueden cubrí ciudades enteras, de ahí su nombre, generalmente requieren la intervención de empresas de interconexión municipales (ISP)
• WMAN: Al igual que las MAN estas pueden cubrir una ciudad pero en forma Inalámbrica, esta redes permiten las conexión de varios puntos de red dispersos en una misma ciudad
• WAN: Corresponde a redes que pueden interconectar ciudades o incluso países, estas redes requieren la intervención de varios proveedores de interconexión, son redes de gran tamaño cuyas siglas significan Wide Area Network, o Redes de Área Amplia
• GAN: Al igual que las WAN estas pueden interconectar países pero estas usan los satélites como medio de comunicación, son de nominadas Global Area Network o Redes de Área Global

En general los términos más empleados para definir las redes por su cubrimiento geográfico son: LAN, MAN y WAN, la imagen. muestra las coberturas geográficas de estos tipos de redes.

Clasificación según la forma en que se interconecta

La forma en que las redes se interconectan es llamada Topología Física, La topología física se refiere a las conexiones físicas bien sean alámbricas o inalámbricas, y dispositivos que constituyen una red como los PC. La topología física hace referencia a como los dispositivos «ven» como están conectados físicamente unos con otros, las formas más comunes de interconexión se muestran en la siguiente figura:

• Topología en BUS: Se usó principalmente en redes Locales LAN, las redes en BUS se caracterizan por usar un cable principal a modo de columna vertebral “BUS” al cual se conectan cada uno de los nodos. En esta topología física fue usada por las primeras redes Ethernet. Son fáciles de instalar cunado existen pocos muy nodos, pero presenta grandes problemas si se intenta conectar un número grande de nodos uno de los problemas es que se alguna parte de cable principal se desconecta toda la red se colapsa. En las redes modernas el cable principal se protege dentro de un elemento llamado Concentrador lo que evita el problema de desconexión completa.
• Topología Física en Estrella: Esta topología requiere de un nodo principal al cual se interconectan cada uno de los otros nodos formado físicamente una estrella, uno de los problemas con esta topología es que, si el nodo principal falla deshabilitaría toda la red, esta topología se usa actualmente en redes MAN y WAN para interconectar oficinas a la red principal en una compañía.
• Topología Física en Anillo: La topología en anillo supone una mejora funcional y de rendimiento sobre la topología en bus ya que permite mayor eficiencia en la red. La topología en anillo en un principio de usó en redes LAN Token Ring, pero su costo era muy elevando, ya no se usa en redes LAN.
• Topología Física en Árbol: Esta topología es jerárquica y recuerda la forma de un árbol invertido, en esta topología existen nodos terminales, nodos troncales y nodos padre, los nodos terminales se conectan a los nodos troncales que a su vez se conectan con otros nodos de mayor jerarquía llamados nodos padre, es común en redes empresariales de gran tamaño, no aplica para redes LAN. Puede complementar en este enlace
• Topología Física en Maya: en esta topología los nodos de interconectan punto a punto a otros nodos, esta topología es típica de redes WAN, no aplica a redes LAN.
• Topología Física Doble Anillo: es una variación de la topología en Anillo hoy emplea como un doble anillo de alta velocidad usando fibra óptica en redes FDDI, estas se usan para interconectar redes MAN y WAN, el doble anillo permite la comunicación incluso si partes del anillo quedan intercomunicadas entre sí.
• Topología Física en Mixta: como se indica no es una topología pura es más bien una red hibrida que usa varias topologías diferentes para interconexión de sus nodos.

Generalidades de la modelación por capas

Desde el inicio de las redes de computadores los ingenieros vieron la necesidad de diseñar modelos estandarizados que permitieran el diseño de protocolos a nivel general, en un principio estos protocolos y estándares se crearon con el fin que los ingenieros de una misma empresa de tecnología pudieran comunicar el hardware y el software fabricados por ellos mismos, o por en cargo a terceros.

Actualmente Estos modelos estandarizados son requeridos para poder normalizar la forma en que los programas y computadores de diferentes fabricantes se puedan comunicar e interactuar entre sí. Dicho de otra manera, sin un patrón o modelo estandarizado sería imposible que computadores o programas de diferentes programadores y fabricantes pudieran comunicarse.

¿Qué es un modelo de red?

Un modelo de red son una serie de especificaciones técnicas, protocolos y recomendaciones que deben seguir los desarrolladores de software para poder interconectar computadores siguiendo unas normas generales.

Un caso concreto de un modelo de red es el TCP/IP este modelo permite que computadores de escritorio, como sistemas PC o MAC de diferentes fabricantes e incluso teléfonos inteligentes y Grandes computadores se puedan comunicar entre si incluso si estos tienen sistemas operativos diferentes como Linux, Windows Android, Solaris o MAC OS.

Un modelo de red dice cómo deben ser realizados los programas para poder intercomunicarse, luego de comprender las especificaciones del modelo de red, los desarrolladores de sistemas operativos, programan estas reglas de tal forma que se adecuen a cada sistema operativo en particular.

El caso del TCP/IP cada sistema operativo bien sea Linux, Windows o Android crea su propia pila de protocolo TCP/IP y la incluye en el sistema operativo para permitir la interconexión, es decir que para que 2 o más computadores se comuniquen es requerido el uso de un protocolo o modelo común que puedan aplicar para hacer la interconexión. En el caso de internet los computadores que quieren conectarse deberán tener una pila de protocolo TCP/IP implementada en su sistema operativo.

¿Qué es la modelación por capas?

Para poder realizar los intercambios de información se crearon varios modelos como el modelo OSI, el cual es un modelo de referencia. Técnicamente hablando los modelos de red o de interconexión de redes como OSI funcionan por capas es decir que para pasar a la capa 1 debe pasar antes por la capa 2, esta técnica se usa en muchos otros escenarios como en el desarrollo de software y el diseño de sistemas operativos.

Un ejemplo en el modelado por capas de un sistema operativo se muestra en:

En los sistemas operativos para poder acceder al kerner (capa más profunda del sistema operativo) una aplicación que se encuentra en la capa más externa en azul, tiene que pedir servicios a las capas inferiores (interfaz de aplicación en verde) y esta a su vez a las librerías o middleware (en violeta). En la comunicación de redes ocurre lo mismo, los modelos de redes tienen capas que deben ser recorridas para lograr la comunicación efectiva.

En una comunicación por capas cada capa es una unidad funcional que solo se comunica con las capas superior e inferior, esta capa tiene funciones específicas que no se comparten con otras capas.

Según Andrew Tenenbaum, en general en la creación de un modelo deben atender a los siguientes principios (TANENBAUM, 2003).

• Una capa se debe crear donde se necesite una abstracción diferente
• Cada capa debe realizar una función bien definida.
• La función de cada capa se debe elegir con la intención de definir protocolos estandarizados internacionalmente.
• Los límites de las capas tienen como fin minimizar el flujo de información a través de las interfaces.
• La cantidad de capas debe ser lo suficientemente amplia para no tener que agrupar funciones distintas en la misma capa y suficientemente pequeña para que la arquitectura no se vuelva inmanejable.

Arquitecturas de red DECNET, SNA, TCP/IP

¿Qué es una arquitectura de red?

La arquitectura es el “plan, la conceptualización” con el que se conectan los protocolos y otros programas de software para interconectar equipos de cómputo en una red, en otras palabras, explica detalladamente los pasos y detalles dela comunicación entre en equipos. Esto es benéfico tanto para los usuarios de la red como para los proveedores de hardware y software.

Según muchos autores y diseñadores de redes la arquitectura de red es el medio más efectivo en cuanto a costos para desarrollar e implementar un conjunto coordinado de productos que se puedan interconectar.

A lo largo de la historia de los computadores ha habido muchas arquitecturas de red, en un principio cada sistema operativo intentaba establecer su propia arquitectura ya que estas las arquitecturas se diseñaban para que trabajaran únicamente para equipos de una misma compañía de tecnología o grupo de compañías y no podían ser usados por otros, entre las arquitecturas más destacadas están:

• Systems Network Architecture (SNA de IBM)
• TCP/IP actualmente usada por internet
• IPX/SPX Internetwork Packet Exchange/Sequenced Packet Exchange), Protocolo Novell
• Appletalk desarrollado por Apple Inc.
• NetBEUI NetBIOS Extended User Interface. Usada por Microsoft en un principio
• DECnet desarrollado por la firma Digital Equipment Corporation.
• Sin embargo, las que más han contribuido con la estandarización a nivel mundial son TCP/IP, SNA y DECnet

TPC/IP

La arquitectura TCP/IP fue desarrollada en 1970 por el ministerio de defensa norteamericano ya que necesitaba tener una red que pudiera resistir a todas las condiciones, incluso a una guerra nuclear. En un mundo conectado por diferentes tipos de medios de comunicación como el cobre, las micro ondas, la fibra óptica y transmisión por satélite, el ministerio de defensa deseaba tener una transmisión de paquetes con seguridad de que llegue a su destino en cualquier tipo de condiciones. Esta idea extremadamente ambiciosa condujo a la creación del modelo TCP/IP (ccm.net, 2015).

Contrariamente a otras tecnologías de red propietarias, TCP/IP ha sido desarrollado como una norma abierta. Esto quiere decir que cualquiera puede utilizar TCP/IP. Esto contribuyó a acelerar el desarrollo de TCP/IP como norma y su fácil implantación en internet.

Dado que TCP/IP es el protocolo más usado en la actualidad ya que es usado por internet y por todas las redes que se conectan a internet será estudiado con mayor detenimiento en otros capítulos, esta arquitectura se compone de 4 capas como lo muestra la ilustración:

El TCP/IP es la base de Internet, y sirve para comunicar todo tipo de dispositivos, computadoras que utilizan diferentes sistemas operativos, minicomputadoras y computadoras centrales sobre redes de área local (LAN) y área extensa (WAN). TCP/IP fue desarrollado y demostrado por primera vez en 1972 por el departamento de defensa de los Estados Unidos, ejecutándolo en ARPANET, una red de área extensa del departamento de defensa (Alfinal.com , 2015).

SNA

Fue desarrollado por IBM en 1974 es una arquitectura que permite la comunicación entre equipos IBM AS/400, es una de las arquitecturas más robustas y seguras de la actualidad y es empleada ampliamente en organizaciones financieras por su confiabilidad.

SNA es una arquitectura de red, que permite que los clientes de IBM construyan sus propias redes privadas, tomando en cuenta a los HOST y a la subred. Un banco, por ejemplo, puede tener una o más CPU’s en su Departamento de proceso de datos, y numerosas terminales en cada una de sus sucursales. Con el uso del SNA, todos estos componentes aislados pueden transformarse en un sistema coherente. Antes de la aparición de SNA, IBM tenía varios cientos de productos de comunicación, utilizando tres docenas de métodos de acceso de teleproceso, con más de una docena de protocolos de enlace. La idea al crear la SNA, consistió en eliminar este caos y proporcionar una infraestructura coherente para el proceso distribuido débilmente acoplado. Debido al deseo de varios clientes de IBM de mantener la compatibilidad de todos estos programas y protocolos (mutuamente incompatibles), la arquitectura SNA resulta más complicada de lo que pudo haber sido de no existir estas limitaciones. La SNA efectúa también un gran número de funciones que no se encuentran en otras redes, las cuales aunque resultan muy valiosas para ciertas aplicaciones, tienden a elevar la complejidad total de su arquitectura. (digitum, 2008)

SNA tiene 7 capas o niveles funcionales:

1. Servicios de transacciones
2. Servicios de presentación
3. Control de flujo de datos
4. Control de transmisión
5. Control de ruta
6. Control de enlace de datos
7. Físico

DECNET

DECnet es una arquitectura de red diseñada en 1975 por la compañía Equipment Corporation DEC, Como respuesta a la introducción un año antes de la arquitectura SNA de IBM. DECnet permitía la comunicación entre dos mini computadoras PDP-11 directamente lo que dio inicio a las arquitecturas punto a punto.

DECnet es una arquitectura de cinco capas. También conocida como DNA Las capas fisica, de enlace, de transporte y de servicios de la red son casi exactamente a las cuatro capas inferiores del modelo OSI. La quinta capa, la de aplicación, es una mezcla de las capas de presentacion y aplicación del modelo OSI. La DECnet no cuenta con una capa de sesión separada (Kurose & Ross W, 2010).

El objetivo de la DECnet es permitir que diferentes computadoras principales y redes punto a punto, multipunto o conmutadas de manera que los usuarios puedan compartir programas, archivos de datos y dispositivos de terminal remotos. La DECnet ofrece un emulador mediante el cual los sistemas de la Digital Equipment Corporation se pueden interconectar con las macrocomputadoras de IBM (Rojas , 2015)

Generalidades del Modelo OSI y conceptos de cada una de las 7 capas

El modelo OSI es un modelo de referencia para la creación de arquitecturas de red se creó, para estandarizar el interconexión de computadores sin importar el fabricante o sistema operativo de las máquinas, el modelo OSI, tiene 7 capas, (TANENBAUM, 2003)

OSI es la abreviatura de OPEN SYSTEM INTERCONNECTION, El modelo de interconexión de sistemas abiertos (ISO/IEC 7498-1) Interconexión de sistemas abiertos, se creó en 1980, y tomo las características más importantes de los protocolos más usados en ese momento tal es el caso de DECnet, SNA y TCP/IP.

A principios de 1980 el desarrollo de redes originó desorden en muchos sentidos. Se produjo un enorme crecimiento en la cantidad y tamaño de las redes. A medida que las empresas tomaron conciencia de las ventajas de usar tecnologías de conexión, las redes se agregaban o expandían a casi la misma velocidad a la que se introducían las nuevas tecnologías de red.

Historia

Para mediados de 1980, las empresas comenzaron a sufrir las consecuencias de la rápida expansión de computadores y redes. De la misma forma en que las personas que no hablan un mismo idioma tienen dificultades para comunicarse, las redes que utilizaban diferentes especificaciones e implementaciones tenían dificultades para intercambiar información. El mismo problema surgía con las empresas que desarrollaban tecnologías de conexiones privadas o propietarias. «Propietario» significa que una sola empresa o un pequeño grupo de empresas controlan todo uso de la tecnología. Las tecnologías de conexión que respetaban reglas propietarias en forma estricta no podían comunicarse con tecnologías que usaban reglas propietarias diferentes.

Para enfrentar el problema de incompatibilidad de redes, la ISO investigó modelos de conexión como la red de Digital Equipment Corporation (DECnet), la Arquitectura de Sistemas de Red (Systems Network Architecture, SNA) y TCP/IP, a fin de encontrar un conjunto de reglas aplicables de forma general a todas las redes. Con base en esta investigación, la ISO desarrolló un modelo de red que ayuda a los fabricantes a crear redes que sean compatibles con otras redes. (Wikipedia, 2015). La ISO es una red de los institutos de normas nacionales de 163 países. Este regula la estandarización a nivel mundial de muchas normas.

Modelo OSI Generalidades y conceptos de cada una de las 7 capas

El modelo OSI está dividido en 7 capas, estas capas se diseñaron siguiendo los principios antes mencionados, las definiciones de las capas se exponen como un consenso a través de documentos y ampliamente difundidos en internet.

Gráficamente se puede ver el modelo OSI como una pila de 7 capas, como el mostrado en la imagen.

Nombre de los datos en cada capa del modelo OSI

Para que los paquetes de datos puedan viajar desde el origen hasta su destino, cada capa del modelo OSI en el origen debe comunicarse con su capa igual en el lugar destino. Esta forma de comunicación se conoce como comunicaciones de par-a-par en cada uno de estas capa la información cambia de nombre es decir usa un PDU (Protocol Data Unit) diferente ver tabla:

Tabla 1. Nombre de PDU en cada capa del modelo OSI

Generalidades del modelo TCP/IP 4 capas

TCP/IP significa Protocolo de control de transmisión/Protocolo de Internet representa todas las reglas de comunicación para Internet y se basa en la noción de brindar una dirección IP a cada computador de la red.Internet se desarrolló para brindar una red de comunicación que pudiera continuar funcionando en tiempos de guerra.

Aunque la Internet ha evolucionado en formas muy diferentes a las imaginadas por sus arquitectos, todavía se basa en un conjunto de protocolos TCP/IP. El diseño de TCP/IP es ideal para la poderosa y descentralizada red que es Internet. Como se comentó Todo dispositivo conectado a Internet que desee comunicarse con otros dispositivos en línea debe tener un identificador exclusivo llamado dirección IP (ccm.net, 2015)

• Capa de aplicación. Es el nivel más alto, los usuarios llaman a una aplicación que acceda servicios disponibles a través de la red de redes TCP/IP. Una aplicación interactúa con uno de los protocolos de nivel de transporte para enviar o recibir datos. El programa de aplicación pasa los datos en la forma requerida hacia el nivel de transporte para su entrega.
• Capa de transporte. La principal tarea es proporcionar la comunicación entre un programa de aplicación y otro y se conoce frecuentemente como comunicación punto a punto. La capa de transporte regula el flujo de información. Puede también proporcionar un transporte confiable, asegurando que los datos lleguen sin errores y en secuencia. El software de transporte divide el flujo de datos que se está enviando en pequeños fragmentos (por lo general conocidos como paquetes) y pasa cada paquete, con una dirección de destino, hacia la siguiente capa de transmisión. Aun cuando en el esquema anterior se utiliza un solo bloque para representar la capa de aplicación, una computadora de propósito general puede tener varios programas de aplicación accediendo a la internet al mismo tiempo. La capa de transporte debe aceptar datos desde varios programas de usuario y enviarlos a la capa del siguiente nivel. Para hacer esto, se añade información adicional a cada paquete, incluyendo códigos que identifican qué programa de aplicación envía y qué programa debe recibir, así como una suma de verificación para verificar que el paquete ha llegado intacto y utiliza el código de destino para identificar el programa de aplicación en el que se debe entregar.
• Capa Internet. La capa Internet maneja la comunicación de una máquina a otra. Ésta acepta una solicitud para enviar un paquete desde la capa de transporte, junto con una identificación de la máquina, hacia la que se debe enviar el paquete.
• Capa de interfaz de red o capa de enlace. El software TCP/IP de nivel inferior consta de una capa de interfaz de red responsable de aceptar los datagramas IP y transmitirlos hacia una red específica. También esta capa es la encargada del acceso al medio, es decir, indica cuando un computador puede transmitir para no dañar la información enviada por otros computadores.

Comparación del modelo OSI – PCP/IP

Similitud entre el modelo OSI y el Modelo TCPIP

• Ambos se dividen en capas o niveles.
• Se supone que la tecnología es de conmutación de paquetes (no de conmutación de circuitos).
• Los profesionales de networking deben conocer ambos: OSI como modelo; TCP/IP como arquitectura real.

Diferencia entre el modelo OSI y el modelo TCPIP

• OSI distingue de forma clara los servicios, las interfaces y los protocolos. TCP/IP no lo hace así, no dejando de forma clara esta separación.
• OSI fue definido antes de implementar los protocolos, por lo que algunas funcionalidades necesarias fallan o no existen. En cambio, TCP/IP se creó después que los protocolos, por lo que se amolda a ellos perfectamente.
• TCP/IP parece ser más simple porque tiene menos capas.

En cuanto a la disposición y funcionalidad de las capas ambos modelos de pueden contrastar como se ve en la imagen.

La imagen, muestra que la funcionalidad de las capas física y enlace en el modelo OSI corresponden a las capa de acceso a red en el modelo TCP/IP, de igual forma las capas de red e internet de ambos modelos son equivalentes al igual que las capas de transporte (tienen igual nombre en ambos modelos) por último la capa de aplicación del modelo TCP/IP corresponde a las capas Sesión, Presentación y aplicación el modelo OSI.