Introducción

  • Ramon Musach Pi

    Ramon Musach Pi

    Licenciado en Ciencias Matemáticas e Ingeniero Superior en Informática por la Universidad Autónoma de Barcelona (UAB). Desarrolla su actividad entre estas dos disciplinas, desde la vertiente docente y de investigación. Autor de diversos materiales didàcticos multimedia, de formación y de soporte a la tarea docente.

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1.¿Por qué es importante esta asignatura?

Actualmente no se puede llegar a entender nuestro mundo, las relaciones y nuestras profesiones sin las redes. Podemos afirmar que hemos llegado a una generación que siempre está conectada con su entorno. De hecho, millones de usuarios acceden diariamente a la red internet para desarrollar sus tareas profesionales o para hacer actividades relacionadas con el ocio: música, compras vía web, correo electrónico, redes sociales...
Aunque internet es la red que más suena al público no especializado, no hay que olvidar que más allá de internet disponemos de otras redes de comunicaciones, como las de telefonía móvil, o incluso sistemas de posicionamiento global (GPS, global positioning system), al alcance de todos los usuarios.
El hecho de que la tecnología se haya ido haciendo más transparente a los usuarios ha permitido que usuarios de todo tipo, sin necesidad de disponer de grandes conocimientos técnicos, se hayan introducido en el uso de estas redes. Aun así, es fundamental que los profesionales de diferentes áreas, entre ellas, la multimedia, lleguen a disponer de unos buenos conocimientos técnicos que les permitan tener la capacidad para poder diseñar y desplegar soluciones a los retos que puedan surgir en sus profesiones en relación con las redes de comunicaciones. Esta asignatura, Redes multimedia, será la que os permitirá llegar a lograr estas competencias ligadas con el mundo de las redes.
A lo largo de estos materiales iremos profundizando en aquellos aspectos que nos permitirán entender mejor el funcionamiento de las redes de comunicaciones y, más en concreto, el funcionamiento de las redes de computadores. En este sentido, cabe mencionar que algunos de los diferentes perfiles o tareas que están relacionados con las redes de comunicación y que trataremos en esta asignatura son los siguientes:
a) Administración y gestión de redes. Corresponde a las tareas de diseño, implantación y gestión de las redes. Este campo puede incluir desde desplegar redes de área local en grandes, medias o pequeñas empresas, hasta trabajar directamente con una operadora de telefonía. Tengamos en cuenta que todas las empresas disponen de redes que tienen que ser gestionadas, bien de forma externa o bien de manera interna con personal formado para llevarlo a cabo. Los administradores de redes tienen que velar por la información que se encuentra en la red que gestionan y han de poseer conocimientos actualizados de software y hardware, disponiendo de un buen abanico de herramientas para llevar un control eficiente de las redes que gestionan.
Las principales tareas y responsabilidades de un administrador de redes se pueden resumir en estas:

  • Mantenimiento preventivo y correctivo, con un plan de mantenimiento para garantizar un óptimo rendimiento de toda la red.

  • Realizar un buen control de dispositivos, velando por su buen funcionamiento, con stock de recambios (discos duros, memorias, switchs...).

  • Control sobre los servicios de red y telecomunicaciones.

  • Administración de cuentas de usuarios, grupos y licencias.

  • Administrar backups o copias de seguridad.

  • Prevenir y solucionar aspectos de seguridad.

  • Instalar y configurar clientes y servidores, de acuerdo con la plataforma o sistema operativo, analizando sus rendimientos.

  • Configuración de redes Ethernet y servicios de red. Debería tener conocimiento para instalar y configurar una red Ethernet para PC con diferentes sistemas operativos. Con conocimientos básicos de redes TCP/IP y del esquema cliente-servidor.

  • Asistencia y soporte a usuarios.

  • Elaboración y seguimiento de planes de administración de la red.

b) Seguridad y auditoría de redes. Disponer de buenos conocimientos en aspectos de seguridad es fundamental. Se tiene que poder evaluar el grado de seguridad de una red, conociendo sus vulnerabilidades, para poder establecer medidas correctoras que incrementen el nivel de seguridad. Además, en muchos casos, como por ejemplo en la Administración pública, disponer de medidas de seguridad es del todo obligatorio. Este tema lo trataremos en uno de los módulos de la asignatura.
c) Desarrollo de aplicaciones en red. El éxito de las redes ha originado la necesidad de disponer de aplicaciones y servicios específicos. Sin estas aplicaciones las redes no hubieran llegado al nivel de uso actual. Un desarrollador de aplicaciones en red tiene que conocer con detalle, además de aspectos de programación, el funcionamiento de los diferentes protocolos relacionados con las redes, como los que trataremos en los diferentes módulos de la asignatura.
Los anteriores son perfiles que están 100% relacionados con las redes, pero existen otros que lo están parcialmente, como por ejemplo: experto en comercio electrónico (parte de transacciones), desarrollador de aplicaciones para dispositivos móviles, gestor de servidores, creador de wearables, diseñador y desarrollador de servicios de “smart cities”, etc. Por lo tanto, incluso aquellos lectores o estudiantes que no quieran especializarse plenamente en redes encontrarán de gran utilidad los contenidos presentados en estos materiales, puesto que hay un buen abanico de profesiones en torno a la tecnología y las redes.
Finalmente, cabe señalar que, en un mundo donde la tecnología avanza a un ritmo vertiginoso, hay que estar siempre preparado, lo que obliga a formarse de manera continuada en este ámbito de las redes. De hecho, hemos de tener bien en cuenta que una buena formación complementaria en aspectos tecnológicos nos puede “conducir”, con pequeñas especializaciones, a nuevas profesiones relacionadas con la red internet, que ahora mismo son impensables.

2.Red de comunicaciones frente a red de computadores

A pesar de que la aparición de los ordenadores da lugar al punto de partida de las redes de comunicaciones tal y como las conocemos actualmente, el concepto de red de comunicación se remonta a un siglo antes, al siglo XIX, con inventos como el telégrafo o el teléfono. Así pues, podríamos definir el concepto de red de comunicaciones de esta manera:
Una red de comunicaciones es un conjunto de enlaces de comunicaciones dispuestos de tal manera que hace posible el envío de mensajes entre un emisor y un receptor mediante su paso a través de los enlaces.
Cuando surgieron los primeros ordenadores, en las primeras décadas del siglo XX, estaban fuertemente centralizados, a menudo ubicados en un único espacio físico. Pero a medida que las capacidades de los computadores iban creciendo, este modelo centralizado se fue sustituyendo por un modelo en el que múltiples computadores con menos capacidad se interconectaban para compartir recursos. Esta nueva organización dio lugar a las redes de computadores.
Una red de computadores es una composición de sistemas de hardware, software y protocolos (normas) que permiten la comunicación entre dispositivos remotos.
Estaremos de acuerdo en que actualmente no se puede llegar a concebir un sistema informático sin la presencia de elementos de comunicación, con internet al frente, compuesto por un gran volumen de pequeñas redes interconectadas.

3.Modelos de referencia

En los inicios de los primeros ordenadores y de las primeras redes de computadores, cada fabricante desarrollaba su propio sistema de comunicaciones. Así, en estos inicios, los fabricantes configuraban sus equipos pensando en que todo el proceso de red se llevaría a cabo mediante hardware y protocolos propietarios. Pronto se dieron cuenta de que hacerlo así suponía elevados costes a cada fabricante, puesto que las ampliaciones o modificaciones solo las podían llevar a cabo los proveedores de estos servicios. Esto provocaba pocas o nulas opciones para interconectar tecnologías de otros fabricantes, al no existir compatibilidad entre dispositivos y sistemas. Por lo tanto, detectado el problema, había que plantear algún tipo de estandarización que indicara las diferentes fases por las que tenían que pasar los datos para viajar de un dispositivo a otro (de igual o diferente fabricante) sobre una red de comunicaciones.
Es en este punto cuando aparecen las llamadas arquitecturas de red organizadas en capas, con las cuales se pasa buena parte de la carga de la red al software. Los ejemplos más relevantes de arquitecturas (o modelos) de red organizadas por capas son OSI y TCP/IP.
Antes de profundizar en los modelos OSI y TCP/IP, explicaremos cómo funciona una arquitectura de red organizada en capas.

3.1.Arquitectura de red organizada en capas

Como se ha comentado anteriormente, el objetivo de definir un modelo y, por lo tanto, de organizar la red de una manera concreta es facilitar la tarea de los fabricantes de hardware y desarrolladores de software para que puedan crear productos con garantías de funcionamiento entre equipos, asegurándose de que seguirán las mismas normas.
En este sentido, la gran mayoría de los modelos arquitectónicos de red actuales están organizados en capas. Se utilizan capas (también denominadas niveles) como una manera habitual de estructurar las funciones y los servicios que las redes proveen. Las capas están jerarquizadas de manera que cada una de ellas ofrece sus servicios a la capa superior. El número de capas, el nombre de cada capa, el contenido y sus funciones difieren de un modelo a otro.
Llegados a este punto, podemos definir un modelo arquitectónico de red organizado en capas como:
Una arquitectura de red organizada en capas se refiere a un conjunto de capas y sus protocolos o normas asociadas para dar respuesta a la complejidad de las operaciones que se han de realizar en una red.
3.1.1.Dentro de una capa
Cada capa está formada por un conjunto de módulos o entidades (entities). Cada módulo (entidad) se encuentra implementado en una capa, y solo tiene dependencia con los módulos de las capas adyacentes (superior e inferior). Cada módulo de un dispositivo emisor se comunica con el mismo módulo de la misma capa en el dispositivo receptor, siguiendo un protocolo concreto. Por lo tanto, la capa de nivel n en un ordenador mantiene comunicación con la capa de nivel n de otro ordenador.
Estos módulos o entidades (entities) son los elementos activos dentro de cada capa. Una entidad puede ser una entidad de software, como un proceso, o una entidad de hardware, como un dispositivo inteligente de entrada-salida. Los módulos dentro de la misma capa siguen un protocolo concreto.
Un protocolo de comunicaciones es el conjunto de normas que definen el formato y el orden de los mensajes intercambiados entre dos o más entidades que se comunican entre sí, así como el conjunto de acciones que se toman durante la transmisión y recepción de estos mensajes.
En definitiva, un protocolo es todo un conjunto de reglas y convenciones que permiten que la comunicación sea posible. Algunas de las situaciones que tienen que afrontar estos protocolos son proveer a los usuarios de una interfaz de usuario; posibilitar múltiples conexiones; facilitar la ruta de la información desde el origen hasta el destino; dividir los ficheros en paquetes, pudiendo reconstruirlos en el destino; realizar la transmisión de datos en el medio que corresponda; realizar el control de errores y gestionar la recuperación de la información, etc.
3.1.2.Entre capas
Cada capa provee servicios a su capa superior, mientras que cada capa utiliza servicios que provienen de su capa inferior. El conjunto de servicios que provee la capa n a la capa n+1 se denomina interfaz n/n+1.
Una interfaz es el conjunto de normas de comunicación (operaciones primitivas y servicios) que una capa inferior ofrece a una capa superior.
Figura 1
Figura 1
Entrando con más detalle, los servicios están disponibles en los llamados service access point (SAP), identificados con una dirección única. Por lo tanto, cada SAP de la capa n es el lugar donde la capa n+1 puede acceder a los servicios ofrecidos por la capa n.
Las capas pueden ofrecer dos tipos de servicios a las capas superiores: conexiones orientadas y no orientadas a conexión. En un servicio orientado a conexión inicialmente se produce un establecimiento de conexión, se utiliza esta conexión para transmitir información y al final se cierra la conexión. Un buen ejemplo de ello sería el de un sistema de telefonía. En cambio, en un servicio no orientado a conexión, los mensajes con información pueden ser enviados por un sistema sin establecer una conexión explícita. Un modelo así sería el modelo postal, donde se envían cartas y, a pesar de tener un mismo destino, el orden en el que se reciban puede variar.
Un servicio, accesible desde el SAP, está formado por un conjunto de primitivas (operaciones) disponibles para el usuario o para otra entidad. Las primitivas se pueden clasificar en:

  • Request (solicitud): una entidad quiere que el servicio haga algo.

  • Indication (indicación): una entidad es informada de algún evento.

  • Response (respuesta): una entidad quiere responder a algún evento.

  • Confirm (confirmación): la respuesta a la última petición se confirma.

Figura 2
Figura 2
Como se ha dicho anteriormente, los servicios pueden ser confirmados o no confirmados. En un servicio confirmado están las primitivas (operaciones): request, indication, response y confirm, mientras que en un servicio no confirmado solo están las primitivas request e indication.
Figura 3
Figura 3
El servicio CONNECT siempre es confirmado, por lo tanto, llevará las primitivas request, indication, response y confirm. El servicio DATA puede ser confirmado o no. Si no es confirmado, solo llevará las primitivas request e indication. El servicio DISCONNECT puede ser no confirmado, a pesar de que es importante asegurarse de que los dos extremos finalizan la comunicación y liberan sus recursos.

Servicio

Protocolo (o regla)

World Wide Web (WWW)

HTTP (hypertext transport protocol, protocolo para la transferencia de hipertexto)

Correo electrónico

SMTP (simple mail transport protocol, protocolo para transportar correo electrónico simple)

POP (post office protocol, protocolo de recogida de correo electrónico)

Mensaje instantáneo: Jabber, AIM (AOL instant messenger, mensajería instantánea de la empresa AOL)

XMPP (extensible messaging and presence protocol, protocolo libre de mensajería instantánea)

OSCAR (open system for communication in realtime, sistema abierto para la comunicación en tiempo real)

Telefonía IP (internet protocol, protocolo de internet)

SIP (session initiation protocol, protocolo de inicio de sesión)

Ejemplos de algunos servicios y sus protocolos asociados.

Un concepto asociado a los servicios es el de calidad del servicio. Un servicio es fiable cuando no pierde información. Una situación en la que se utiliza un servicio fiable orientado a conexión es la transmisión de ficheros, mientras que en el tráfico de voz o de vídeo es factible que la conexión no sea fiable, con tal de no perder tiempo con paradas para corregir errores que pueden llegar a ser imperceptibles.
3.1.3.Comunicación
Figura 4
Figura 4
El esquema de la figura 4 nos muestra la comunicación que se llega a establecer entre dos dispositivos. Existen básicamente dos direcciones de comunicación:

  • Horizontal. La comunicación horizontal solo se da entre los mismos niveles de las máquinas que se están comunicando.

  • Vertical. Esta comunicación solo se da, de forma local, entre los niveles adyacentes de un mismo dispositivo.

Así, la información no es transferida directamente de una capa n de una máquina a la capa n de la otra máquina, sino que cada capa solo tiene comunicación con su adyacente inferior dentro de la misma máquina. Por lo tanto, la información baja de la capa n por toda la jerarquía de capas del dispositivo hasta la más baja, llamada capa física, y de aquí va a la capa física de la máquina receptora, por donde sube hasta la capa n del receptor (podéis ver la figura 4).
La información que se envía por una red, partiendo de un emisor hacia un receptor, se denomina datos o paquetes de datos. Por lo tanto, con las normas que proporciona el protocolo, la información que se quiere enviar se empaqueta (esto es, se divide en paquetes) mediante un proceso que se conoce con el nombre de encapsulación de datos. Cada paquete incluye parte de la información que se quiere enviar más una cierta información extra que es necesaria cuando se reciba el paquete en el mismo nivel del receptor, o de los dispositivos intermedios por los que circulen estos paquetes. Por lo tanto, a medida que los datos van pasando de una capa a otra del modelo OSI, va añadiéndose información complementaria. Cada conjunto de datos o información añadida por una capa se denomina encabezamiento. Cuando se pasa de una capa a otra hasta llegar a la capa física, se van añadiendo encabezamientos (envolviendo los datos iniciales). Finalmente, al llegar a la capa física se procederá a la transmisión de bits hacia el receptor.
Al conjunto de información formado por un encabezamiento más los datos que se han de enviar se le dan diferentes nombres dependiendo del nivel o capa. Así, hablamos de segmento en la capa de transporte, paquete en la capa de red, trama en la capa de enlace y bit en la capa física.
Figura 5
Esquema del proceso de encapsulación de datos.
Esquema del proceso de encapsulación de datos.

3.2.Modelo OSI

En la década de los años ochenta, desde la Organización Internacional de Estándares (ISO, acrónimo de International Organization for Standarizations) se propone una arquitectura de redes de ordenadores basada en diferentes niveles o capas. Es el denominado modelo OSI (interconexión de sistemas abiertos).
El objetivo era el de definir una arquitectura de redes con un conjunto de protocolos que fuera independiente tanto del fabricante de dispositivos como del desarrollador de software, de modo que se establecieran unas normas y estándares comunes, que cualquier fabricante o desarrollador pudiera utilizar. Por lo tanto, facilitaría la interconexión de sistemas diferentes.
El modelo OSI está compuesto por siete niveles o capas, y en cada uno de los niveles se agrupan las funcionalidades y protocolos necesarios para comunicar sistemas.
Figura 6
Figura 6

3.3.Modelo TCP/IP

El modelo que se utiliza en internet es el que gira alrededor de los protocolos TCP/IP (siglas de transmission control protocol/internet protocol). IP es un protocolo que proporciona mecanismos de interconexión entre redes de área local y TCP proporciona mecanismos de control de flujo y errores entre los extremos de la comunicación.
A diferencia del modelo OSI, el modelo TCP/IP no es realmente un modelo de arquitectura formal en sí mismo.
En el modelo TCP/IP se pueden distinguir cuatro capas:

  • La capa de interfaz de red.

  • La capa de red o internet.

  • La capa de transporte.

  • La capa de aplicación.

Buscando alguna similitud en cuanto a capas entre el modelo OSI y el modelo TCP/IP, tenemos el esquema de la figura 7. De hecho, serán estas capas las que trataremos con más detalle en próximos módulos.
Figura 7
Figura 7

3.4.Modelo OSI frente a modelo TCP/IP

El modelo OSI ha quedado más como de orientación más académica y formal, como desarrollo más teórico que práctico. Las razones fundamentales de este hecho son las siguientes:

  • OSI aparece tarde. Cuando se definió este modelo, otras arquitecturas ya se estaban usando con funcionalidades y servicios muy definidos, como por ejemplo el modelo TCP/IP, el cual estaba incluido en el núcleo del sistema operativo UNIX.

  • Al modelo OSI se lo veía como un intento de la Administración para controlar las telecomunicaciones, mientras que por ejemplo TCP/IP ya estaba en el mercado como parte de UNIX, y funcionando correctamente.

  • OSI se inspiró en la arquitectura SNA (system networks architecture) del fabricante IBM, una arquitectura bastante compleja. Incluso se comenta que se desarrolló para impedir que esta arquitectura no tuviera una posición hegemónica y llegara a monopolizar el mercado. En cambio, TCP/IP nace especificando primero los protocolos y posteriormente el modelo, por lo tanto es más simple que el modelo OSI.

  • Al principio, los productos que se comercializaron basándose en este modelo OSI eran caros, y poco testados. El alto coste venía de la poca demanda, lo que obligaba a poner unos precios altos, dado que otros sistemas como UNIX, que incluía el modelo TCP/IP, eran gratuitos.

Actualmente el modelo TCP/IP es el predominante en la interconexión de redes. Aun así, también tiene sus críticas, por ejemplo:

  • No distinguir conceptos importantes, como servicio, interfaz y protocolo (que el modelo OSI distingue de manera muy clara).

  • Que realmente TCP/IP, como hemos comentado, no es un modelo por sí mismo, puesto que no da un esquema de referencia para poder construir otras arquitecturas.

  • La capa ordenador central-red realmente es más una interfaz que una capa.

  • Por lo tanto, a pesar de no haberse impuesto el modelo OSI en los desarrollos, sí que es un modelo muy útil para conocer qué hay detrás de una arquitectura de red, permitiendo una buena pedagogía para conceptos básicos de redes.

4.Estructuración de la asignatura y de estos materiales

La asignatura Redes multimedia y, en definitiva, los contenidos de estos materiales se estructuran en diferentes módulos, que nos permitirán entender los principales conceptos y dar una visión general del funcionamiento interno de las redes de computadores.
El enfoque es de abajo arriba, empezando por aspectos de redes más cercanos al hardware, para seguir avanzando con niveles superiores del modelo OSI. Tengamos en cuenta que los niveles superiores van abstrayendo las complejidades de los niveles inferiores.
Así, después de este primer módulo introductorio, tenemos el segundo módulo: “Las capas inferiores del modelo OSI”, en el que después de habernos adentrado en los principales conceptos relacionados con la estructura de una red de computadores, se profundiza en las dos primeras capas: 1) el nivel físico y 2) el nivel de enlace y el control de acceso al medio. En este módulo se empezará a dar una visión general del funcionamiento interno de una red de computadores, tanto de área local como de gran escala (por ejemplo, internet).
El nivel físico, que se tratará en este tema, es el encargado de tratar las señales físicas, que son del todo dependientes directamente de la tecnología y del medio de transmisión.
En un nivel superior, en concreto en la capa de enlace, se abstraen los nodos de la red del medio físico sobre el que se transmite la información, dirigiendo la información entre los diferentes nodos, lo que garantiza una transmisión fiable. La subcapa de control de acceso al medio permite transmitir información entre dos nodos independientemente de la tecnología de red utilizada, ya sea inalámbrica o cableada.
En el tercer módulo “La capa de red”, veremos las características de esta capa, la tercera en el modelo OSI. El nivel de red es fundamental para entender el funcionamiento de internet. Se sitúa entre las capas inferiores y la capa superior, la de transporte.
En el cuarto módulo “La capa de transporte”, analizaremos la capa de transporte, que facilita a las aplicaciones, en un nivel superior, la comunicación de extremo a extremo, abstrayéndolas de la complejidad de las capas inferiores.
En el quinto módulo, denominado “Las capas superiores del modelo OSI: sesión, presentación y aplicación”, trataremos los tres niveles más superiores del modelo OSI, los que están más cercanos al usuario. Se verá con detalle el funcionamiento de estos niveles, sus servicios y protocolos, haciendo especial énfasis en los protocolos orientados a la transmisión de contenidos multimedia.
En este módulo se describirán una serie de aplicaciones (correo, web, etc.) que utilizan internet como medio de comunicación, y los protocolos de comunicaciones que tienen asociados.
El sexto módulo, “Seguridad en las redes”, es complementario al resto y en él se presentan los principales conceptos relacionados con la seguridad de las redes de computadores.
Como anexo a los materiales, al final, conociendo ya los conceptos fundamentales de redes, se presentará una “Breve historia de las comunicaciones y las redes”.
Finalmente, también tengamos en cuenta que por limitaciones obvias de extensión de los materiales no se puede profundizar en todos los conceptos. Así, tendrá que ser el lector quien haya de seguir ampliando sus conocimientos sobre algunos de estos conceptos sobre redes, lo que podrá hacer, aunque sea de manera parcial, consultando la bibliografía recomendada en el curso.