Redes de Telecomunicaciones: Tecnologías y Protocolos

Redes de Telecomunicaciones

Líneas No Dedicadas

Conmutación de Circuitos

Es más barata, pero se tiene menos disponibilidad porque si se cae un nodo, se corta la comunicación. Además, la capacidad del canal se desaprovecha cuando no se envían datos, y origen y destino deben transmitir a la misma velocidad. Es susceptible a la congestión de red. Se divide en tres fases: establecimiento de circuito, transmisión de datos y liberación del circuito.

Conmutación de Paquetes

No es necesario reservar recursos. Los mensajes están divididos en paquetes con encabezado (header). Si se cae un nodo, el paquete se redirige (re-routea). Es más eficiente en la utilización de recursos (conmutación estadística) y permite el intercambio entre estaciones de diferentes velocidades.

Orientadas a Conexión

Emula la red de circuitos con las ventajas de los paquetes. Se establece una conexión lógica entre las estaciones, generando una transmisión confiable (los paquetes viajan juntos).

Circuitos Virtuales

• CVP (Circuito Virtual Permanente): El camino entre los dos equipos está establecido permanentemente. Siempre se tiene recurso asignado.
• CVC (Circuito Virtual Conmutado): Antes de empezar a transmitir, se debe establecer la ruta.

No Orientadas a Conexión

Establece una llamada (sesión), luego establece la comunicación, pero siempre por el mismo camino. La transmisión no es confiable (datagrama).

Datagramas

Cada paquete se trata de forma independiente. Los paquetes pueden llegar desordenados o perderse.

Servicios de Red

Servicios Orientados a la Conexión

Minimizan la tasa de errores al no perder ni desordenar paquetes, los cuales siguen el mismo camino ordenados. Además, es más seguro, ya que la dirección de destino solo viaja en el paquete que realiza la conexión. Si se cae un componente, se corta la comunicación, y su control de congestión es simple: detener la fuente. Ejemplo: X.25.

Servicios No Orientados a la Conexión

Optimizan los recursos de comunicación, ya que minimizan el retardo. La dirección de destino viaja en todos los paquetes, los cuales pueden llegar desordenados. El fallo de un componente afecta a los paquetes en tránsito. Ejemplo: IP.

ATM (Asynchronous Transfer Mode)

Clases de Servicio

Tiempo Real (Real Time)

• CBR (Constant Bit Rate): Emulación de circuitos, ideal para voz y video.
• RT-VBR (Real Time-Variable Bit Rate): Tráfico de datos donde el retardo es crítico.

No Tiempo Real (Non Real Time)

• NRT-VBR (Non Real Time-Variable Bit Rate): Tráfico de datos donde el retardo no es crítico.
• ABR/UBR (Available/Undefined Bit Rate): No garantiza la entrega de celdas.

Protocolos de Red

Formato de Segmento UDP

Puerto UDP origen, puerto UDP destino, longitud del mensaje, suma de verificación, datos. Existen 65536 puertos UDP: sistema (1-1024), definidos por el usuario (1025-32000) y usados por los clientes (32000-65535).

Formato de Segmento TCP

Puerto de origen, puerto de destino, número de secuencia, número de acuse de recibo, HLEN, reservado, Code Bit, ventana, suma de verificación, puntero de urgencia, opciones, relleno, datos.

Estructura IP

Número de cabecera, tipo de servicio, longitud total, tiempo de vida (TTL), protocolo, dirección IP de origen, dirección IP de destino, opciones.

TCP/IP

Es un conjunto de protocolos que sirven para comunicar dos computadoras, encargándose de manejar el enrutamiento y la entrega de datos, así como los errores en la transmisión.

IP (Internet Protocol)

Se ocupa del direccionamiento de las computadoras y de la fragmentación de paquetes. No orientado a la conexión. Capa 3. Fragmentación de paquetes (MTU = 1500 bytes). Controla solo la identidad del encabezado. TTL: Es el contador descendente que cuenta los saltos que un paquete realiza; esto sirve para detectar paquetes perdidos en la red (tiempo de vida finito). Mejor esfuerzo de la red para entregar el paquete. Tamaño máximo del paquete: 65535 bytes.

Direccionamiento IP

32 bits. No depende de las capas inferiores. No es una dirección física como la de Ethernet. Cada host tiene un número único. Las direcciones IP se dan en formato Dirección/Máscara.

Clases de Direcciones IP

• Clase A: Red.Host.Host.Host (2^24 - 2) > 16 millones de hosts.
• Clase B: Red.Red.Host.Host (2^16 - 2) = 65534 hosts.
• Clase C: Red.Red.Red.Host (2^8 - 2) = 254 hosts.

Direcciones Reservadas

Indica que la primera y la última dirección no pueden ser usadas por ningún host, ya que la primera es la "dirección de red" y la última es la de "difusión" (broadcast).

Interfaz de Bucle Inverso (Loopback)

Permite a un cliente comunicarse con el servidor sin usar una placa de red. Se usa la clase A (127.0.0.0), de la que utilizamos la dirección 127.0.0.1 como loopback.

Direcciones Privadas

Direcciones no enrutables, no vistas desde afuera de la red. Ejemplo: 10.x.x.x.

TCP (Transmission Control Protocol)

Transporte confiable, ya que arma segmentos y les pone números de secuencia para poder ordenarlos o pedir retransmisiones. Circuito virtual full-duplex bidireccional. Funciona en modo stream. Ventana deslizante. Posee checksums, acuses de recibo (ACK) y timeouts. Posee retransmisión en caso de que ocurra un timeout. Direccionamiento vía número de puerto (16 bits). Puertos altos para salida y bajos para entrada.

UDP (User Datagram Protocol)

No orientado a la conexión (hereda los problemas de este tipo). Mismo rango de puertos que TCP (duplicados). Mejor esfuerzo. Checksum solamente de los datos. Usado para mensajería de errores, comandos, etc. Número de campos menor al TCP o IP, por lo cual es más ligero.

ICMP (Internet Control Message Protocol)

Es un protocolo cuya principal función es transportar datos de error y diagnóstico para el protocolo IP. No es un protocolo independiente, sino una implementación dentro del mismo IP.

Protocolos de Capas Superiores (Niveles 5 a 7)

• Telnet: Proporciona acceso en forma de terminal de sesión a una computadora conectada a la red.
• FTP (File Transfer Protocol): Protocolo de transferencia de archivos entre dos computadoras. Puertos TCP 20 (canal de datos) y 21 (canal de comandos).
• SMTP (Simple Mail Transfer Protocol): Protocolo para la implementación de correos electrónicos e incorpora muchas características del FTP. Puerto 25 TCP.
• TFTP (Trivial File Transfer Protocol): Es un protocolo de transferencia de archivos de mínimos requerimientos. Su diferencia con el FTP es que usa protocolos en modo no conexión. Posee timeouts para confiabilidad. Puerto 69 UDP.

Tecnologías xDSL

Se denomina Digital Subscriber Line a todas las tecnologías que permiten la transmisión de información digital sobre pares de cobre. Todas las tecnologías DSL implican el uso de pares de módems. Dentro de esta familia de tecnologías se incluyen: RDSI (Integrated Services Digital Network) y xDSL (Digital Subscriber Line). Es una tecnología no conmutada. No requiere la actualización de la central telefónica. Los módems de central son independientes del switch.

Fundamentos Técnicos de ADSL

La limitación de los enlaces telefónicos (33,6 o 56 kb/s) no se debe al cable de pares, sino al canal de 3,1 kHz. RDSI solo consigue 64 kb/s (también usa red telefónica). El cobre es capaz de velocidades mayores, prescindiendo del sistema telefónico. ADSL utiliza solo el bucle de abonado de la red telefónica; a partir de la central, emplea una red paralela para transportar los datos. ADSL utiliza frecuencias a partir de 25-30 kHz para ser compatible con el teléfono analógico (0-4 kHz). No es compatible con RDSI (80 kHz). La comunicación es full-duplex. Para evitar ecos y NEXT (Near-End Crosstalk), generalmente se asigna un rango de frecuencias distinto en ascendente y descendente. Se reserva una anchura mayor al descendente (1000 kHz) que al ascendente (100 kHz). La comunicación es asimétrica. Para reducir el crosstalk, se pone el canal ascendente en las frecuencias más bajas.

Frecuencias en ADSL

ADSL utiliza frecuencias por encima de los 30 o 100 kHz para ser compatible con el teléfono analógico (4 kHz) o ISDN/RDSI (80 kHz). La comunicación es full-duplex. Se asigna un rango de frecuencias distinto en ascendente y descendente. La comunicación es asimétrica. Se reserva una anchura mayor al descendente (1000 kHz) que al ascendente (100 kHz). El canal ascendente se sitúa en las frecuencias más bajas.

Técnicas de Modulación ADSL

Se han desarrollado dos técnicas de modulación:

• CAP (Carrierless Amplitude Phase): Sistema más antiguo, sencillo y de costo inferior. Menor rendimiento. Estandarización más retrasada.
• DMT (Discrete Multi Tone): Sistema más reciente, sofisticado y más caro. Mayor rendimiento. Estandarizado por el ANSI y la ITU-T.

Modulación DMT

256 subcanales (bins) de 4,3125 kHz de ancho (frecuencias 0-1104 kHz). Los bins más bajos se reservan para la voz, los siguientes se asignan al tráfico ascendente y el resto al descendente. Los datos se envían repartidos entre todos los bins. Cada bin tiene una atenuación relativamente constante. En cada bin se usa la técnica de modulación óptima según su relación señal/ruido. La necesidad de distribuir el tráfico en los bins requiere que el módem tenga un procesador muy potente.

El Módem ADSL

• Externo: Conectado al ordenador por Ethernet 10/100 BASE-T. Normalmente actúa como router ADSL/Ethernet. Puerto USB.
• Interno: Conectado al bus PCI del ordenador.

Problemas de ADSL

Algunos usuarios (~10 %) se encuentran a más de 5,5 km de una central telefónica. A veces (~5 %), a distancias menores, no es posible la conexión por problemas del bucle (empalmes, etc.). No es posible asegurar a priori la disponibilidad del servicio ni el caudal máximo disponible. Hay que hacer pruebas para cada caso. ADSL sufre interferencias por emisiones de radio de AM (onda media y onda larga).

HDSL (High-speed DSL)

Ofrece un canal simétrico de 2 Mb/s. Alcance máximo: unos 4 km. Se emplea actualmente para líneas punto a punto de 2 Mb/s, en vez de los sistemas tradicionales. Ventajas sobre una línea de 2 Mb/s convencional: mayor alcance sin repetidores, frecuencias menores (menor interferencia), posibilidad de poner varias líneas de 2 Mb/s en un multipar.

G.SHDSL

Puede utilizar uno o dos pares de hilos. Tiene un alcance de hasta 3 km. El caudal varía desde 192 kb/s a 2304 kb/s de carga útil (payload) en incrementos de 64 kb/s para un par de hilos. El caudal varía desde 384 kb/s a 4608 kb/s de carga útil en incrementos de 128 kb/s para dos pares de hilos.

SDSL (Symmetric o Single-line DSL)

Parecido a HDSL (simétrico), pero usa solo un par de hilos. Alcance menor que HDSL (unos 3 km), ya que transmite toda la información por un par. El caudal varía entre 2 Mb/s y 160 kb/s, según las condiciones de la línea. Incompatible con la voz (no reserva la parte baja de frecuencias). Aún no está estandarizado.

VDSL (Very High-speed DSL)

Es el "super-ADSL". Permite capacidades muy grandes en distancias muy cortas. En ascendente, se barajan tres alternativas: 1,6-2,3 Mb/s, 19,2 Mb/s e igual que en descendente (simétrico). Utiliza un par de hilos. Compatible con voz. Aunque su capacidad es superior a ADSL, técnicamente es más simple (al reducir la distancia, es más fácil conseguir elevada capacidad). Alcanza velocidades máximas de 52 Mbps en bajada (downstream) y 13 Mbps en subida (upstream) (a 300 m). Requiere una arquitectura de red híbrida fibra-cobre (FTTC - Fiber to the Curb). La fibra se extiende desde la central hasta la unidad de red óptica (ONU). A partir de las ONUs salen los pares de cobre hasta el domicilio del abonado.

Cable Módem

El cable módem se conecta al ordenador normalmente mediante Ethernet (10BASE-T). Así se consigue una interfaz de alta velocidad a bajo costo y una clara separación usuario-red. Puede actuar como puente transparente o como router IP. Se pueden conectar varios PCs a través de un mismo cable módem (algunos llevan hub incorporado). Hay algunos módems internos (bus PCI) y conectables a USB.

Funciones del Cable Módem

• Captar/generar señal de radiofrecuencia.
• Modular/demodular los datos.
• Generar/verificar la información de control de errores (FEC).
• Encriptar/desencriptar la información.
• Respetar el protocolo MAC en upstream.
• Gestión y control del tráfico (limitación de caudal, número de ordenadores conectados, etc.).

Redes PON (Passive Optical Networks)

Se crea una zona con cada 8-32 viviendas. Las viviendas se conectan mediante fibra óptica. La zona disfruta de 155-622 Mb/s en bajada y 155 Mb/s en subida, compartidos. Compartiendo la capacidad, se reparte el costo del emisor láser. Al ser medio compartido, se requiere un protocolo MAC. FTTH es parecido a HFC, pero sin coaxial y con zonas de 8-32 viviendas.

APON (ATM Passive Optical Network)

En 1995, la FSAN Coalition (Full Service Access Network) comenzó a desarrollar un estándar para diseñar la forma más rápida y económica de dar servicios IP, video y 10/100 Ethernet sobre una plataforma de fibra hasta el cliente. Más tarde, la ITU sacó el estándar G.983, que especifica los elementos activos de la red: OLT (Optical Line Terminal), que entrega datos usando TDM (Time Division Multiplexing) a 1550 nm en bajada a 155 o 622 Mbps.

EPON (Ethernet Passive Optical Network)

Surge pensando en la evolución de las redes LAN de Ethernet a Fast Ethernet o Gigabit Ethernet. Eliminan la conversión ATM/IP en la conexión WAN/LAN. Disminuye la complejidad de los equipos. EPON es más eficiente en el transporte de tráfico basado en IP. Disminuye el costo de equipos, costos operativos y simplifica la arquitectura.

GPON (Gigabit Passive Optical Network)

Permite llegar con 1 Gigabit Ethernet real a la casa del usuario. GPON identifica las ONT (Optical Network Terminal) por medio del campo "Port ID", el cual también identifica el tipo de servicio. Identificadores de paquetes dentro de la trama, lo que asegura QoS (Quality of Service). Permite la fragmentación de paquetes. Diseñado para garantizar QoS en la digitalización de la voz.

LMDS (Local Multipoint Distribution Service)

Es un sistema de comunicación inalámbrico de banda ancha de tipo punto-multipunto. Opera por encima de los 20 GHz en banda licenciada. Se consiguen tasas de datos de hasta 1,5 Gbps en bajada y 200 Mbps en subida. El área de cobertura típica varía entre 1 y 5 km para tener un 99,99 % de disponibilidad.

Arquitectura LMDS

Despliegue en estructura celular. Cada emisor cubre una zona que suele abarcar de 2000 a 6000 viviendas. Se suelen crear varias zonas mediante sectorización desde una misma estación base. La polarización permite reutilizar las mismas frecuencias en zonas adyacentes. Arquitectura y funcionamiento parecidos a una red CATV HFC (la red de cable "sin cable").

Multiplexación LMDS

• Enlaces punto a punto: TDM.
• Enlaces multipunto:
  • Descendente: TDM.
  • Ascendente (retorno vía radio): FDMA/TDMA. Requiere protocolo MAC.

Topologías LMDS

• Conexiones punto a punto.
• Conexiones punto a multipunto:
  • Bidireccional: retorno vía radio. Antena parabólica muy direccional.
  • Unidireccional: retorno telefónico. Antena plana direccional. Bajo costo.

LMDS - Configuración Punto a Punto

Equivalente a enlace dedicado. Puede ser simétrico. Antenas parabólicas altamente direccionales. Alta frecuencia, alcance limitado. Buen reaprovechamiento de canales sin interferencia. La capacidad se reparte por TDM.

Ventajas y Desventajas de LMDS

Opción interesante en zonas con densidad de población media (urbanizaciones). Despliegue rápido. Bajo costo de las infraestructuras (comparado con HFC). La inversión se desplaza al CPE (Customer Premises Equipment); menor riesgo inicial para operadoras (en el despliegue de la red). Retorno vía radio: equipo caro (CPE). Retorno telefónico: lento, conexión permanente inviable.

Wi-Fi

Wi-Fi (Wireless Fidelity). Wi-Fi es una marca de la Wi-Fi Alliance (anteriormente la Wireless Ethernet Compatibility Alliance), la organización comercial que prueba y certifica que los equipos cumplen los estándares IEEE 802.11x. La norma IEEE 802.11 fue diseñada para sustituir a las capas físicas y MAC de la norma 802.3 (Ethernet). Los estándares IEEE 802.11b e IEEE 802.11g trabajan en la banda de 2,4 GHz, la cual está disponible casi universalmente, con una velocidad de hasta 11 Mbps y 54 Mbps, respectivamente. Existe también un primer borrador del estándar IEEE 802.11n que trabaja a 2,4 GHz a una velocidad de 108 Mbps.

WiMAX

WiMAX (del inglés Worldwide Interoperability for Microwave Access). Hay dos estándares: el 802.16d, que contempla que el terminal esté ubicado en un lugar fijo, y el 802.16e, el cual permite que el terminal sea móvil (moviéndose hasta velocidades de 60 km/h). Proporciona accesos concurrentes en áreas de hasta 48 kilómetros de radio por medio de modulación OFDMA (Orthogonal Frequency-Division Multiple Access). Alcanza velocidades de transmisión de datos de hasta 70 Mbps.

PLC (Power Line Communications)

Principio de Funcionamiento

Sistema maestro-esclavo. Conexión punto-multipunto. La topología de la red es en árbol. Head-End (inyector de red) actúa como maestro. Repeaters (repetidores) actúan como esclavos del Head-End y maestros de otros repeaters o CPEs. CPE (equipo cliente) actúan como esclavos. El ancho de banda real entre cada maestro y esclavo es definido por las características del enlace entre esos dos puntos. Utiliza el chipset DS2. Está basado en la modulación OFDM con 1536 portadoras para transporte de señal. La banda utilizada es de 2 MHz a 34 MHz. El rango de frecuencia se selecciona en diferentes modos de transporte para optimizar el ancho de banda. 204 Mbps máximo de ancho de banda físico a repartir.

GSM (Global System for Mobile communications)

Es un sistema estándar para comunicación utilizando teléfonos móviles que incorporan tecnología digital. Por ser digital, cualquier cliente de GSM puede conectarse a través de su teléfono con su ordenador y puede hacer, enviar y recibir mensajes por correo electrónico, faxes, navegar por Internet, acceso seguro a la red informática de una compañía (LAN/Intranet), así como utilizar otras funciones digitales de transmisión de datos, incluyendo el Servicio de Mensajes Cortos (SMS). Emplea la técnica FDD (Frequency Division Duplex) con una combinación de la técnica de acceso TDMA (Time Division Multiple Access) y FHMA (Frequency Hopping Multiple Access). Los 25 MHz se dividen en canales de 200 kHz, y cada uno es usado hasta por 8 usuarios con un slot por trama.