Conceptes Essencials de Xarxes Informàtiques: Guia Completa

Què és una xarxa?

• Conjunt d'entitats (persones, objectes, etc.) connectades entre si, on pot haver-hi circulació d'elements.
• Una xarxa d'ordinadors (també anomenada xarxa informàtica) és un conjunt de dispositius (finals i de xarxa) connectats per algun medi, amb l'objectiu de compartir informació, recursos i serveis.

Dispositius de Xarxa

Es poden classificar en dos tipus:

• Dispositiu final (d'usuari): Són "ordinadors" amb capacitat d'interactuar en una xarxa o capaços d'oferir algun servei a la xarxa.
• Dispositiu (de connexió) de xarxa: Són els que gestionen l'accés i les comunicacions en una xarxa, com ara: mòdem, encaminador (*router*), commutador (*switch*), punt d'accés (*access point*), pont (*bridge*), etc.

Arquitectura P2P (Peer-to-Peer)

Quan tots els dispositius d'una xarxa poden ser clients i servidors al mateix temps i es fa impossible distingir els rols, estem en presència d'una arquitectura punt a punt o *peer-to-peer* (P2P).

El Medi de Transmissió

El medi és la connexió que fa possible que els dispositius es relacionin entre si. Es poden classificar segons el tipus de connexió:

• Guiats o dirigits: Inclouen el cable coaxial, el cable de parell trenat (UTP/STP) i la fibra òptica.
• No guiats: Inclouen les ones de ràdio (*Wi-Fi* i *Bluetooth*), les infraroges i les microones.

Segons el medi emprat, podem classificar les xarxes en:

• Xarxa cablejada
• Xarxa sense fils

Informació en Xarxes

Comprèn tot element intercanviat entre dispositius, tant de gestió d'accés i comunicació, com d'usuari final.

Recursos de Xarxa

Un recurs és tot allò que un dispositiu demana a la xarxa i que pot ser identificat i accedit directament.

Tipus de Xarxes: Classificació per Grandària

• PAN (*Personal Area Network*)
• WPAN (*Wireless Personal Area Network*)
• LAN (*Local Area Network*) o xarxa d'àrea local
• WLAN (*Wireless Local Area Network*) o xarxa d'àrea local sense fils
• MAN (*Metropolitan Area Network*)
• WAN (*Wide Area Network*) o xarxa d'àrea àmplia
• WWAN (*Wireless Wide Area Network*): S'estén sobre una àrea geogràfica extensa mitjançant l'ús d'antenes o sistemes satèl·lit.

Targetes de Xarxa (NIC)

• Definició: També conegudes com adaptadors de xarxa o NIC (*Network Interface Card*), són components essencials que permeten la comunicació entre ordinadors en una xarxa.
• Tipus: Existeixen dos tipus principals: cablejades (*Ethernet* amb connector RJ-45) i sense fils (*Wi-Fi*).
• Ubicació: Poden ser perifèrics externs o estar integrades a la placa mare de l'ordinador.
• Indicadors LED: Els LED de les targetes indiquen connectivitat física i activitat de xarxa, amb colors que representen diferents velocitats de connexió.

Identificació Única: Adreça MAC

• Cada targeta de xarxa té un número d'identificació únic de 48 bits en hexadecimal anomenat adreça MAC (*Media Access Control*).
• Es poden expressar en diferents formats, com ara: 00-60-2F-3A-07-8C, 00:60:2F:3A:07:8C o 00602F3A078C.

Adreces IP

• Cada targeta de xarxa pot tenir configurada una adreça IP.
• Definició: Una adreça IP és una adreça lògica de xarxa, conformada per 32 bits, que identifica un dispositiu a la xarxa.
• Exemple Comú: Una adreça IP privada de classe C típica és 192.168.1.1, amb màscara de subxarxa 255.255.255.0.

Consulta d'Adreces MAC i IP

• Linux: Utilitzar la comanda ip address des del terminal per veure les adreces MAC i IP.
• Windows: Executar ipconfig /all des del símbol del sistema per obtenir informació detallada de xarxa.
• Interpretació: Analitzar la sortida per identificar les adreces MAC (físiques) i IP (lògiques) de cada interfície de xarxa.

Unicast i Broadcast

• Unicast: Transmissió d'informació d'un node emissor a un destí específic. El missatge només és rebut pel destí escollit.
• Broadcast: Transmissió d'informació d'un node emissor a tots els nodes receptors de la xarxa simultàniament. El missatge és rebut per tots els dispositius de la xarxa.

Protocol ARP (Address Resolution Protocol)

• Resolució d'Adreces: ARP permet obtenir l'adreça MAC associada a una adreça IPv4 coneguda.
• Taula ARP: Manté una taula que relaciona adreces MAC amb adreces IP, pròpia de cada *host* i emmagatzemada a la RAM.
• Consulta: Es pot consultar la taula ARP amb la comanda arp i els seus atributs en diferents sistemes operatius. Per exemple, a Linux: arp -n i a Windows: arp -a.

Manteniment de la Taula ARP

• Actualització Dinàmica: La taula ARP es manté dinàmicament, actualitzant-se amb noves entrades a mesura que es produeix trànsit a la xarxa.
• Temporitzador: Les entrades ARP s'eliminen automàticament si no s'utilitzen durant un període específic, variant segons el sistema operatiu (per exemple, Windows: 2 minuts; Ubuntu: 60 segons).
• Gestió Manual: Es poden eliminar o afegir manualment entrades a la taula ARP utilitzant comandes específiques del sistema operatiu.

Tipus d'Entrades a la Taula ARP

• Estàtiques: Menys freqüents, afegides manualment. No caduquen i s'han d'eliminar manualment.
• Dinàmiques: Més freqüents, s'afegeixen automàticament. S'eliminen si no s'utilitzen després d'un temps.

El Model OSI (Open Systems Interconnection)

El model OSI (*Open Systems Interconnection*) va ser creat per l'Organització Internacional per a l'Estandardització (ISO) el 1984. Consta de set capes: aplicació, presentació, sessió, transport, xarxa, enllaç de dades i física. Cada capa té funcions específiques i es comunica amb les capes adjacents. Aquest model proporciona un marc de referència per a la definició de normes en la interconnexió dels sistemes de comunicacions.

• Capa 7 Aplicació: Proporciona serveis de xarxa a les aplicacions d'usuari.
• Capa 6 Presentació: S'ocupa de la traducció entre diversos formats de dades.
• Capa 5 Sessió: Estableix, administra i finalitza les connexions entre dos *hosts*.
• Capa 4 Transport: Proporciona connectivitat d'extrem a extrem i control de flux.
• Capa 3 Xarxa: S'encarrega de l'adreçament lògic i la determinació de rutes.
• Capa 2 Enllaç de dades: Treballa amb l'adreçament físic i l'accés al medi.
• Capa 1 Física: Defineix les característiques físiques de la xarxa.

Exemples d'Aplicacions del Model OSI

• Capa Física: *Ethernet*, *Wi-Fi*, *Bluetooth*
• Capa d'Enllaç: MAC, ARP, VLAN
• Capa de Xarxa: IP, ICMP, DHCP
• Capa de Transport: TCP, UDP
• Capa de Sessió: RPC, NetBIOS, SSH
• Capa de Presentació: JPEG, MPEG, MIME
• Capa d'Aplicació: HTTP, SMTP, FTP

El Model TCP/IP

El model TCP/IP, també conegut com a model d'Internet, consta de quatre capes: aplicació, transport, Internet i accés a xarxa. Aquest model és més pràctic i s'utilitza àmpliament en les xarxes actuals.

El Model d'Internet

El model d'Internet és una combinació dels models OSI i TCP/IP. Consta de cinc capes: aplicació, transport, xarxa, enllaç de dades i física. Aquest model ofereix una visió més pràctica i adaptada a les xarxes modernes, mantenint alguns dels avantatges conceptuals del model OSI.

Protocols de la Capa d'Aplicació

La capa d'aplicació inclou diversos protocols essencials per a les aplicacions d'usuari. Alguns dels més importants són *HTTP* i *HTTPS* per a la navegació web, *SMTP*, *IMAP* i *POP* per al correu electrònic, *FTP* per a la transferència de fitxers, i *DNS* per a la resolució de noms de domini.

Protocols de la Capa de Transport

La capa de transport utilitza principalment dos protocols: *TCP* (*Transmission Control Protocol*) i *UDP* (*User Datagram Protocol*). TCP és orientat a connexió, proporciona control de flux i garanteix l'entrega de dades. UDP, en canvi, no és orientat a connexió i no garanteix l'entrega, però és més ràpid i eficient per a certes aplicacions com *streaming* de vídeo o jocs en línia.

Adreçament IP i Ports

L'adreçament IP és fonamental per a la comunicació en xarxes. Les adreces IP poden ser públiques o privades. Els ports s'utilitzen per identificar aplicacions específiques en un dispositiu. Els ports es divideixen en tres rangs: ports ben coneguts (0-1023), ports registrats (1024-49151) i ports dinàmics o privats (49152-65535). La combinació d'una adreça IP i un número de port s'anomena *socket*.

Ample de Banda i Taxa de Transferència

L'ample de banda és la capacitat màxima teòrica d'un medi per transportar dades, mentre que la taxa de transferència és la capacitat real o rendiment en un temps determinat. Ambdues es mesuren en bits per segon (*bps*). La latència es refereix al temps que triguen les dades a transferir-se d'un punt a un altre. La taxa de transferència es pot calcular dividint la grandària del fitxer en bits pel temps de transmissió en segons.

Comparació OSI i TCP/IP

• OSI: Model teòric amb 7 capes ben definides. Enfocament més detallat i orientat a l'abstracció.
• TCP/IP: Model pràctic amb 4 capes més simplificades. Enfocament més basat en la implementació real.
• Similituds: Ambdós models descriuen el mateix procés de comunicació de xarxa. Les capes de transport i aplicació tenen funcions equivalents.

Encapsulació i Trama Ethernet

Encapsulació de Dades

• Dades Originals: La informació inicial que s'ha d'enviar a través de la xarxa.
• Afegir Capçalera i Peu: S'afegeix informació sobre l'origen, destinació i verificació d'errors.
• Transmissió: El paquet encapsulat es transmet a través de la xarxa.
• Desencapsulació: El receptor recupera la informació original desencapsulant el paquet.

Què és Ethernet?

• Definició: Tecnologia per connectar dispositius a una xarxa LAN o WAN.
• Origen del Nom: "Net" significa xarxa, "ether" es refereix a l'èter que uneix totes les coses.
• Funció Principal: Proveir una manera d'enviar senyals a través d'un cable a nivell baix.

Història d'Ethernet

• Origen: Basat en el sistema *Alohanet* de Hawaii per accés ordenat a radiofreqüència compartida.
• Comercialització: *Ethernet* es va comercialitzar l'any 1980.
• Estandardització: El 1983 es va estandarditzar inicialment. El 1985, l'IEEE va publicar la norma.

Topologies Ethernet

• Topologia Física: Estrella, estrella estesa o arbre.
• Topologia Lògica: *Broadcast*.

Nomenclatura Ethernet IEEE 802.3

Valor numèric

Velocitat de transferència en Mbps.

BASE

Modulació del senyal en banda base (*Ethernet*).

T

Cable de parell trenat sense pantalla protectora.

F

Cable de Fibra Òptica.

2, 5

Cable coaxial, indicant la longitud del cable (200 metres i 500 metres, respectivament).

Evolució dels Estàndards Ethernet

• 802.3ac: Introdueix *VLAN* i etiquetatge de prioritat.
• 802.3af: Defineix l'alimentació mitjançant *Ethernet* (*PoE*).
• 802.3u: Introdueix 100BASE-T o *Fast Ethernet* amb velocitats de fins a 100 Mbps.

Trama Ethernet

• Mida: Entre 64 i 1518 bytes.
• Camps Principals: Preàmbul, adreces MAC origen i destí, longitud/tipus, dades, seqüència de verificació.
• MTU (*Unitat Màxima de Transmissió*): 1500 octets.

Camps de la Trama Ethernet

1. Preàmbul: Amb la intenció de presentar tot tipus de compatibilitat, aquest camp conté un patró de set octets de longitud on s'alternen l'1 i el 0 per indicar l'inici de la trama.
2. Delimitador de trama d'inici (*SFD*): Aquest camp marca el punt final de la informació de sincronització de temps.
3. Adreça de destinació: Aquest camp conté els sis octets de l'adreça MAC de destinació. És important destacar que hi ha tres tipus d'adreces: d'unidifusió (per enviar d'un punt a un altre punt), multidifusió (per enviar d'un punt a grups de punts) i, per últim, de difusió (d'un punt a tots els altres).
4. Adreça d'origen: Aquest camp conté els sis octets de l'adreça MAC d'origen.
5. Longitud/Tipus: En cas que el valor inserit sigui més petit que el valor decimal 1536, el valor fa referència a la longitud. En cas contrari, el valor especifica el protocol de la capa superior que rep les dades un cop s'hagi completat el processament *Ethernet*.
6. Dades i farciment: Aquest camp pot esdevenir de qualsevol longitud que no provoqui que la trama excedeixi la seva grandària màxima. La unitat màxima de transmissió (*MTU*, *Maximum Transmission Unit*) per a *Ethernet* és de 1.500 octets, és a dir, la grandària que no poden excedir les dades. En cas de necessitat, s'acostuma a aplicar la tècnica del farcit de bits (*bit stuffing*) quan no hi ha prou dades de l'usuari perquè la trama assoleixi la seva longitud mínima.
7. Seqüència de verificació (*FCS*, *Frame Check Sequence*): Aquesta seqüència conté el codi de redundància cíclica (*CRC*, *Cyclic Redundancy Check*), és a dir, el valor resultant d'un càlcul per a la detecció d'errors en la trama realitzat pel dispositiu emissor. En el moment de la recepció, el dispositiu receptor torna a fer aquest càlcul de verificació per comprovar la integritat de la trama i la inexistència de possibles errors. Si el càlcul realitzat coincideix amb el valor inserit en la trama, aquesta és acceptada. En cas contrari, el dispositiu receptor la rebutja.

Detecció d'Errors

• Paritat: Afegeix un bit per indicar si el nombre de bits '1' és parell o imparell. Un valor de paritat d'1 indica que hi ha un nombre imparell d'uns dins de les dades. Un valor de paritat de 0 indica que hi ha un nombre parell d'uns dins de les dades.
• CRC: Si un sol bit canvia per error durant la transmissió, el *CRC* calculat al receptor no coincidirà amb el *CRC* rebut, i l'error es podrà detectar.
• Verificació: El dispositiu receptor comprova la integritat i accepta o rebutja la trama.