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Redes de computadoras Un breve repaso

Seminario Ecosistema Digital

ICT. Principales detonadores •  Primera ola –  Digitalización –  Computarización –  Conmutación de paquetes

•  Segunda ola –  –  –  – 

Internet Comunicaciones móviles Redes de siguiente generación Convergencia

•  Tercera ola –  Tecnologías de la sociedad de la información Fuente: ICT Regulation Toolkit

Red de telecomunicaciones Conjunto de sistemas interconectados a través de distintos medios para proporcionar un servicio de telecomunicaciones (por ejemplo, intercambio de información) Los servicios son accedidos a través de puntos de acceso Una red debe: –  Proveer un camino entre usuarios y usuarios, y entre usuarios y servicios –  Dar facilidades para que cada usuario pueda seleccionar sus destinatarios –  Tener capacidad suficiente para proveer servicios con calidad aún en periodos de gran actividad –  Proporcionar mecanismos de control y gestión

Servicios de red •  La posibilidad de una red de procesar y transmitir información, del tipo deseado por los usuarios, se denomina “servicio” proporcionado por dicha red. •  Los usuarios pueden ser finales (suscriptores) o intermedios (otras redes) –  –  –  –  –  – 

Servicio telefónico local video transmisión . tránsito acceso a internet acceso a red de transporte acceso a red de abonado, etc

Convergencia (de redes) •  Enfoque histórico –  Una red para cada servicio

•  Enfoque nuevo –  Redes para muchos servicios

•  ¿Una red para todos los servicios? –  La red transmite bits, sin darles sentido lógico –  Servicios, aplicaciones, hacia la periferia (enfoque end-to-end, descentralización)

Fuentes de información •  Imágenes fijas •  Video •  Voz •  Datos Fuentes Analógicas

analógicas

Conversión A/D

Señales Digitales (Datos)

¿Cómo pasar de analógica a digital? (A/ D)

Fuente Analógica

Muestreador

Cuantizador

Codificador (binario)

0110...

Conversión A/D: muestreo y cuantización Señal analógica

T

Cuantizador

Código 111 110 101 100 011 010 001 000

Conversión A/D: cuantización y codificación 111 110 101 100 011 010 001 000 tiempo 101 111 000 000 010 000 100 110

110 110

Señal muestreada, cuantizada y codificada

Observaciones •  El muestreo es reversible (la señal analógica puede reconstruirse a partir de las muestras) si se cumplen las condiciones de Nyquist •  La cuantización no es reversible: el ruido de cuantización no puede ser eliminado •  La tasa de transmisión es función de la frecuencia de muestreo y del número de niveles del cuantizador

Conmutación y multiplexaje

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Conmutación •  Circuitos: se dedica una ruta y se reservan recursos durante la comunicación •  Mensajes: se forma un mensaje que incluye dirección del destinatario y se envía sin establecer una conexión. El mensaje se almacena y retransmite de nodo en nodo •  Paquetes: similar a la conmutación de mensajes, pero éste se divide en segmentos llamados paquetes, cada uno de los cuales es transmitido individualmente –  Circuitos Virtuales –  Datagramas

Conmutación de circuitos Establecimiento

tiempo

Intercambio de información Desconexión

•  Mecanismos de señalización establecen una trayectoria a través de la cual se transfiere información –  Reservación de recursos –  QoS bien definida

•  Una vez terminada la conversación, una fase de desconexión permite liberar los recursos reservados

Un mensaje

Conmutación de mensajes y paquetes

X a b Y

X a b Y

X a b Y

Dos paquetes

Cinco paquetes

Conmutación de circuitos

Based on ACM Communications, 1994

Conmutación de paquetes (circuitos virtuales)

Conmutación de paquetes (datagramas)

Conmutación de paquetes

•  Nodos de almacenamiento y re-envío –  Retraso variable en caso de congestión

•  Con datagramas, la trayectoria puede cambiar dinámicamente •  Puerto de salida determinado por tablas de conmutación o enrutamiento –  Estático o dinámico –  Encabezado en el paquete para consultar tablas

Circuitos virtuales y datagramas •  Circuito virtual –  Se establece una trayectoria durante la configuración del circuito. Es virtual porque los recursos físicos son compartidos, no dedicados –  Cada paquete tiene un identificador de circuito virtual (VCI) –  Los paquetes llegan en orden –  Es común tener mecanismos de control de flujo

•  Datagrama –  Encabezado tiene la dirección destino final. Decisiones de ruteo basadas en este campo –  Cada paquete se encamina de forma independiente –  Los paquetes pueden llegar en desorden. El destino final es responsable de reordenarlos

Conmutación de paquetes. Algunas ventajas •  Eficiencia –  Enlaces compartidos por varios flujos –  Paquetes encolados y retransmitidos tan pronto como sea posible –  Los flujos son admitidos y transportados aún bajo condiciones de ligera congestión

•  Conversión de tasas de transmisión automática –  Puertos de entrada y salida no necesariamente operan a la misma velocidad

Mulitplexaje Permite compartir un canal de alta capacidad entre varios usuarios menos demandantes

DEMUX

MUX

Sin multiplexaje

Un canal cuatro conexiones

Dominios de multiplexaje •  En frecuencia: FDM – … y longitud de onda: WDM

•  En el tiempo: TDM – Síncrono – Asíncrono, estadístico

•  Por código: CDM •  En el espacio: SDM

Multiplexaje en frecuencia Una fracción del ancho de banda todo el tiempo frecuencia

tiempo

Multiplexaje en tiempo Todo el ancho de banda una fracción del tiempo frecuencia

tiempo

Multiplexaje por división de código Región frecuencia-tiempo compartida con códigos ortogonales frecuencia

tiempo

Multiplexaje en longitud de onda •  Combina varios flujos en una sola fibra •  Cada flujo emitido con lasers de distinta longitud de onda (lambdas) •  Cada flujo puede ser emitido a una tasa distinta

W D M

Arquitecturas de redes

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Modelo de referencia OSI Aplicación Modelo de Interconexión de Sistemas Abiertos propuesto por la Organización Internacional de Estándares (ISO) para establecer una referencia de estándares para redes.

Presentación Sesión Transporte Red Enlace de datos

Física

Separación en capas •  Modularidad - Cada módulo desempeña una función particular en el desempeño global del sistema •  Cada capa ofrece un servicio a la capa superior enriqueciendo los servicios que ella recibe de la capa inferior •  La comunicación entre capas del mismo nivel entre dos sistemas (entidades pares), está definida por un protocolo

Capas, protocolos, interfaces y servicios N+1 PDU

Entidad N+1 Usuario servicio SDU

Entidad N Proveedor servicio

Protocolo capa N+1 Capa N Service Access Point (SAP) Protocolo capa N

Entidad N+1 Usuario servicio

Entidad N Proveedor servicio

N PDU PDU - Protocol Data Unit SDU - Service Data Unit

Independencia de capas Aplicación

Aplicación

Presentación

Presentación

Sesión

Sesión

Transporte

Transporte

Red Enlace de datos Física

Coaxial

Red

Red

Red

Enlace de datos

Enlace de datos

Física

Física

Enlace de datos Física

Fibra optica

Capa física •  Se encarga de la transmisión de cadenas de bits en el medio físico. Se ocupa de las características –  –  –  – 

Mecánicas Eléctricas Estructuras Procedimiento

que establecen la transmisión

Capa de enlace de datos Se encarga de: •  entramado de datos •  sincronización y control de acceso al medio •  transferencia de información fiable punto a punto (a través del medio físico) H

DATOS

CRC

T

Capa de red •  Establece rutas para encaminar los paquetes desde su origen hasta su destino final •  Acepta paquetes entrantes de la capa de transporte y paquetes en tránsito de la capa de enlace de datos y los dirige hacia la salida adecuada

Capa de transporte •  Segmentación y re-ensamblado de mensajes en paquetes •  Comunicación confiable extremo a extremo •  En algunas arquitecturas, p.e. Internet, control de flujo y control de congestión

Capas de sesión y presentación •  Estructura de control para comunicaciones entre aplicaciones, administra y establece sesiones. Asigna derechos de acceso, funciones de cobro •  Realiza transformaciones útiles en los datos. Las funciones más importantes son –  Cifrado (encriptación) –  Compresión –  Representación normalizada de datos

Capa de aplicación •  Servicios a los usuarios del ambiente de red. Se encarga de transacciones entre los usuarios •  Ejemplos –  –  –  – 

FTP Navegación WWW Correo electrónico Administración de redes

Modelo de capas TCP/IP NFS FTP, Telnet, SMTP, SNMP, DNS, HTTP, etc.

XDR

Aplicación

RCP TCP, UDP Protocolos de ruteo (RIP, OSPF, etc.)

IP

Transporte ICMP

Red

ARP, RARP

No especificado

Acceso

Arquitectura en capas Navegador

Servidor Web

Aplicación

Aplicación Mensaje HTTP

Transporte

Transporte Segmento TCP

Red

Red Datagrama IP

Red local

Red local Trama Ethernet

Medio físico

Encapsulamiento Mensaje HTTP

GET //index.html Host: www.itam.mx

Src: 1081 Dst: 80 SeqNum: 0xa858

GET //index.html Host: www.itam.mx

Src: 203.121.45.33 Src: 1081 Dst: 80 Dst: 148.205.88.11 TTL: 128 SeqNum: 0xa858

GET //index.html Host: www.itam.mx

Src: 1081 Dst: 80 Src: 00:E0:81:10:19:FC Src: 203.121.45.33 Dst: 00:E0:81:15:42:2A Dst: 148.205.88.11 TTL: 128 SeqNum: 0xa858

GET //index.html Host: www.itam.mx

Segmento TCP

Datagrama IP

Trama Ethernet

Formato de paquete (IPv4) 1 2 3 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1

Versión

IHL

Tipo de servicio

Identificación Tiempo de vida

Longitud total 0 DM

Protocolo

Offest del fragmento

Checksum del encabezado

Dirección fuente Dirección destino Opciones

Padding

Clases de direcciones IP

R = Red H = Host

Direcciones privadas •  RFC 1918 asigna las siguientes direcciones para uso privado (i.e. no pueden ser anunciadas) –  10.0.0.0 a 10.255.255.255 (10/8) –  172.16.0.0 a 172.31.255.255 (172.16/12) –  192.168.0.0 a 192.168.255.255 (192.168/16)

•  Traducir las direcciones internas en direcciones válidas vía proxies o Network Address Translation (NAT) •  El bloque 169.254.0.0/16 también ha sido reservado para hacer autoconfiguración DHCP

Network Address Translation Pool de direcciones Internet : 200.1.1.1 a 200.1.1.5 Datagrama Intranet

Datagrama Internet

IP fuente: 10.1.2.3 IP dest. 198.9.8.7

NAT

IP fuente: 200.1.1.3 IP dest: 198.9.8.7

NAT

IP fuente: 198.9.8.7 IP dest: 200.1.1.3

NAT

IP fuente: 200.1.1.1 IP dest: 15.66.12.1

IP fuente: 198.9.8.7 IP dest: 10.1.2.3 IP fuente: 10.1.2.5 IP dest: 15.66.12.1

Network Address Port Translation Pool de direcciones Internet : 200.1.1.1 (solamente 1) Datagrama Intranet

Datagrama Internet

IP/TCP fuente: 10.1.2.3/2345 IP /TCP dest: 198.9.8.7/80

PAT

IP /TCP fuente: 200.1.1.1/1024 IP /TCP dest: 198.9.8.7/80

PAT

IP /TCP fuente: 198.9.8.7/80 IP /TCP dest: 200.1.1.1/1024

IP /TCP fuente: 198.9.8.7/80 IP /TCP dest: 10.1.2.3/2345 IP /TCP fuente: 10.1.2.5/1234 IP /TCP dest: 15.66.12.1/80

PAT

IP /TCP fuente: 200.1.1.1/1025 IP /TCP dest: 15.66.12.1/80

Direcciones privadas •  Ventajas:

–  Seguridad –  Flexibilidad para cambiar de ISP –  Disminución de tablas de enrutamiento

•  Desventajas:

–  Administración tercerizada no tiene acceso directo –  Complejidad adicional ante fusiones, acceso a otras redes privadas, etc. –  ¡Puede no funcionar! –  Supone un modelo cliente/servidor. Complicaciones para aplicaciones entre pares –  Modifica el principio de diseño E2E. Inhibe la creación de nuevas aplicaciones –  Afecta el desempeño y la solidez de la red

Evolución tecnologías inalámbricas

Tasas VS cobertura Bit rate

100M

?

”4G” Radios

10M 1M 100K

Equicost/Equipower line

HSDPA UMTS

WLAN

10K

Satellite

GSM Indoor

Local

Wide area

Global

Coverage/mobility

•  Nuevas tecnologías no son necesariamente remplazo de 2/3G •  Tasa limitada por la densidad de los despliegues

La cobertura depende de la tasa Estación base con 3 segmentos hacia tarjeta de exterior en PC

Data Rate 100Mb/s

10Mb/s

1Mb/s

100kb/s

0.21km

0.41km

0.78km

1.49km

Rango

La cobertura depende de la frecuencia

Potencia recibida

Frecuencia vs cobertura

700 MHz 850 MHz 1.9 GHz 2.1 GHz 2.5 GHz 0

1

2

3

Millas Fuente: Propia con datos de Morgan Stanley

4

5

Cobertura. Características del receptor

Radio de la celda: 20 km Área de cobertura: 1,256 km2 Tipo de CPE

Rango de alcance

% de cobertura

Exterior

20-25 km

100%

Interior

10.6 km

53%

USB

2.8 km

14%

Fuente: Del Villar, 2009

Cobertura vs capacidad •  Capacidad de un sector – Ancho de banda disponible – Banda de frecuencia – Eficiencia espectral de la modulación – Condiciones del entorno (interior, exterior, …) – Protocolos de capas superiores

Frecuencia vs capacidad

Para una terminal transmitiendo a 250 mW Fuente: Johansson, 2007

Cobertura vs capacidad

Fuente: Smura, 2008

Ejemplo

Interferencia geográfica

Incremento de suscriptores

Cobertura vs capacidad •  Rango y cobertura de un sector –  Link budget (Potencia disponible) –  Path loss model •  Toma en cuenta condiciones geográficas –  Mínimo número de estaciones base dispuestas en lugares estratégicos –  Modulaciones poco eficientes pero muy robustas –  Velocidades promedio 10 Mb/s en canales de 7 MHz en banda 3.5 GHz

Cobertura vs capacidad •  Rango y cobertura de un sector –  Link budget (Potencia disponible) –  Path loss model •  Toma en cuenta condiciones geográficas –  Mínimo número de estaciones base dispuestas en lugares estratégicos –  Modulaciones poco eficientes pero muy robustas –  Velocidades promedio 10 Mb/s en canales de 7 MHz en banda 3.5 GHz

Ejemplo

Basado en: Markendahl, J., Mäkitalo, Ö., A comparative study of deployment options, capacity and cost structure for macrocellular and femtocell networks, IEEE International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications Workshops, 2010

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Proyecto •  Comparar la viabilidad financiera de distintas opciones tecnológicas para proveer servicios de datos inalámbricos en una región urbana densa Opciones tecnológicas •  BSG: Macro celdas con 20 MHz BW en la banda de 2.5GHz. “Greenfield” •  BSB: Macro celdas con 20 MHz BW en la banda de 2.5GHz. “Brownfield” •  FC: Femtoceldas con 5 MHz BW y capacidad de 10 Mbps •  800: Macro celdas con 20 MHz BW en la banda de 800 MHz

Región urbana • Centro de negocios en un kilómetro cuadrado formado por 10 edificios de cinco pisos • 10,000 usuarios

Estimación de la demanda •  Demanda promedio: –  14.4 GB/usuario/mes

•  Dos escenarios: –  “Low” = 10% consumo es inalámbrico –  “High” = 50% consumo es inalámbrico Demanda “high”:

DH = 0.5 × 14.4GB / M ×

Como referencia, el uso en Suecia en 2009 era de 2 a 5 GB/usuario/mes “Wired when docked”. Empleados usan la red cableada intensamente (escenario “low”) o equitativamente (“high”)

Aproximación a intervalo de uso intensivo

8b 1M 1day 1Hr × × × = 100kbps 1B 20días 8Hr 3600s

! Demanda estimada total high = 1 Gbps; Demanda estimada low = 200 Mbps

€

Estimación de la oferta (1) Capacidad de una radio base (BS) 3 sectores Eficiencia espectral

Ancho de banda asignado 5 MHz

10 MHz

Eficiencia espectral típica de 3.5G y 4G

20 MHz

0.67 b/s/Hz 10 Mbps 20 Mbps 40 Mbps 1.67 b/s/Hz 25 Mbps 50 Mbps 100 Mbps Eficiencia espectral

Carga

200 Mbps 0.67 b/s/Hz 1 Gbps 200 Mbps 1.67 b/s/Hz 1 Gbps

Number of BS required

Cobertura no es problema Ancho de banda asignado para la radiobase: el área 5 MHz 10 MHz 20 MHz es 1 km2. 20 10 5 Capacity limited 100 50 25 8 4 2 40 20 10

Estimación de la oferta (2) •  Capacidad de la femtocelda es 10 Mbps, pero como opera con muy baja potencia, la cobertura es un problema. Hay dos tipos de desplegado: –  UO- User oriented •  Cuatro u ocho usuarios por femtocelda

–  CO- Coverage oriented •  Una celda cubre 2500 m2 o 5000 m2 En realidad, los despliegues tipicamente requieren de un site survey o un despliegue de “sábana”

Estructura de costos CAPEX

OPEX

BS Greenfield

110 k€ + 10 k€

30 k€/sitio/año

BS Brownfield

10 k€ + 10 k€

10 k€/sitio/año

Femtocelda

1000 €

500 €

Equipo de radio 3-sectores OPEX se comparte entre nuevos usuarios y los que ya se tenían en servicios de voz

La mayor parte es por backhaul relativamente costoso

Resultados iniciales (1) BS 20 MHz, 1.67 bps/Hz eficiencia espectral

No de CAPEX Capacidad celdas 2 0.24 M€ 200 Mbps Greenfield 10 2

1.2 M€ 0.04 M€

1 Gbps 200 Mbps

10

0.2 M€

1 Gbps

Brownfield

Resultados iniciales (2) Femtocelda

Coverage oriented User oriented

5000 m2

No. de FC 200

2500 m2

CAPEX Capacidad 0.2 M€

2 Gbps

400

0.4 M€

4 Gbps

8

1250

1.25 M€

12.5 Gbps

4

2500

2.5 M€

25 Gbps

Pérdidas de penetración A 2.5 GHz, la atenuación por los muros exige 5X BS At 800 MHz, wall attenuation demands 2X BS but Bw available is 10MHz Caso base

2.5G w/loss

800/10MHz

Low

High

Low

High

Low

High

No. de celdas

2

10

10

50

4

20

Capacidad

200Mbps

1Gbps

1Gbps

5Gbps

200 Mbps

1Gbps

BSG

0.24 M€

1.2 M€

1.2 M€

6.0 M€

0.48 M€

2.4 M€

BSB

0.04 M€

0.2 M€

0.2 M€

1.0 M€

0.08 M€

0.4 M€

CAPEX

Como sólo se tienen 10 MHz disponibles, la capacidad es la mitad de 2.5 GHz BS