Tema 1 - Introducción a las Redes de Ordenadores

¿Qué es Internet?

📖

Internet

Internet es una red global de dispositivos electrónicos interconectados que se comunican entre sí a través de una variedad de tecnologías y protocolos.

Incluye computadoras, servidores, dispositivos móviles…

Internet es un conjunto de sistemas terminales (host) que se conectan entre sí para intercambiar paquetes de datos.

🛎️

También una "red de servicios", ya que ofrece una amplia gama de servicios y aplicaciones (correo electrónico, navegación web, mensajería instantánea...)

🌐

Red de redes

Compuesto por numerosas redes más pequeñas interconectadas a nivel mundial.

Tipos de redes:

Redes locales (LAN)

Redes de área extensa (WAN)

Redes privadas

Se combinan para formar la infraestructura global de Internet.

🔌

Internet de las cosas (IoT)

Conexión de dispositivos y objetos a Internet, permitiendo recopilar y compartir datos.

Automatización de Procesos

Comunicación entre dispositivos

¿Qué es un protocolo?

📶

Conjunto de instrucciones que definen:

Formato y orden de los mensajes intercambiados entre dos o más entidades.

Acciones tomadas en la transmisión y/o recepción de un servicio.

Protocolo TCP / IP

🛂

Protocolos de Internet

🔀

Transmission Control Protocol (TCP)

Encargado de definir el formato de los paquetes y el control de errores.

📶

Internet Protocol (IP)

Utilizado para gestionar la información sobre origen y destino de los paquetes.

Estándares desarrollados por: IETF (Internet Engineering Task Force)

Documentos asociados: RFC (Request For Comments)

Organismos adicionales: IEEE

Componentes Esenciales

🧱

Internet es un conjunto de sistemas terminales (host) que se conectan entre sí para intercambiar paquetes de datos.

Conexiones:

Compuestas por enlaces (cable, fibra, ondas).

Se unen mediante conmutadores de paquetes (routers y switches).

Acceso:

Los host acceden a Internet a través de ISPs (Internet Service Providers).

Estructura de la Red

Se divide en 3 grandes partes:

Frontera de la Red: Sistemas terminales.

Redes de acceso y medio físico: Enlaces físicos, switches y routers de frontera.

Núcleo de la Red: Enlaces y routers de alta velocidad.

Frontera de la red

🚧

Algunos hosts se comportan como clientes, otros como servidores.

Ejemplos:

Ordenadores

Consolas

Smartphones

💡 Hay otros mixtos (p2p) que toman ambos roles a la vez.

Redes de acceso y medio físico

⚛️

Enlaces físicos que conectan los hosts con el primer router (router de frontera gateway).

Principales tipos de enlaces:

Cable

Fibra

Ethernet

DSL

Núcleo de la red

Enlaces físicos

Conectan routers de alta velocidad.

Imagen

📖

Router

Dispositivo cuya función principal es enviar / dirigir paquetes de datos entre redes.

Interconectar subredes.

Frontera de la red

Redes de Acceso

☎️

Módem (Acceso telefónico)

Utiliza la infraestructura telefónica existente para establecer la conexión con internet

🔴 No se puede llamar por teléfono y usar internet a la vez

🏎️ Hasta 128kb/s (muy lento)
RDSI (Red Digital de Servicios Integrados) → 128kb/s (64kb/s + 64kb/s)
Acceso directo al router → 56kb/s

☎️

DSL (Digital Subscriber Line)

Esta es muy similar a la tecnología usada por el modem. Tambíen utiliza la infraestructura telefónica, pero permitía hablar por teléfono y usar internet a la vez gracias al uso de splitters y microfiltros. Esta tecnología requería un cable directo a la central telefónica

🏎️ Velocidad
⬆️ Subida → 52 Mb/s (VDSL)
⬇️ Bajada → 16 Mb/s (VDSL)
⚠️
Depende de aspectos como la distancia a la central ó la calidad del cable

💡 ADSL (Asymetric Digital Subscriber Line)

📺

Coaxial (Acceso por cable)

Esta tecnología utiliza la infraestructura de la televisión por cable. Utiliza un híbrido entre fibra óptica y cable coaxial (HFC, Hybrid Fiber Coax) este tipo de cable permitía transmitir conexiones simultáneas de TV, Internet y teléfono

🫂 A diferencia de las anteriores tenologías, el HFC utiliza un cable compartido entre los diferentes vecinos. Por lo que esta vez el usuario se conecta a un cable compartido por 500-5000 usuarios el cual va a un nodo de fibra y desde este finalmente llega al ISP

🏎️ Velocidad (Asimétrica)
⬆️ Subida → Hasta 30Mb/s
⬇️ Bajada → Hasta 2MB/s
⚠️
La velocidad depende del número de nodos compartiendo el cable y el tráfico que se esté moviendo por el cable

🏡

FTTH (Fiber To The Home)

Esta tecnología está basada en tirar cables de fibra óptica hasta los hogares y negocios. Existen dos tipos de conexiones para esta tecnología

PON (Pasive Optical Network) (más utilizadas)

Proporcionan una conexión desde el OLT (Optical Line Terminal) en el ISP hasta un splitter óptico desde el cual se tira un cable hasta los ONT (Optical Network Terminators) de cada hogar o negocio

AON (Active Optical Network)

Este tipo de conexión está más pensada para clientes con necesidades más específicas ya que hace uso de un hardware personalizado

3️⃣ Triple-Play
Esta tecnología permitía tener acceso por cable para TV, teléfono e Internet

🏎️ Velocidad → 100Mb/s (simétrica)

🔌

Ethernet

En este tipo de conexión, los host se conectan a la red por un cable ethernet hasta un switch ethernet que distribuye el tráfico

Este es el tipo de acceso más utilizado en grandes redes como univeridades, oficinas, …

🏎️ Velocidad → 1Gb/s

📡

Wireless

Los dispositivos (host) se conectan al router de forma inalámbrica a través de un AP (Access Point), este suele estar integrado dentro del router. El router luego se conecta por cable a una estación de un ISP

LAN (Local Area Network)
Estas son redes orientadas a hogares o negocios con no más de 250 dispositivos. Utiliza el protocolo IEEE 802.11 o también conocido como WIFI.
Versiones del protocolo IEEE 802.11 (WIFI)
IEEE 802.11b
Velocidad → 11 Mb/s
Frecuencia → 2.4 GHz
IEEE 802.11g
Velocidad → 54 Mb/s
Frecuencia → 2.4 GHz
IEEE 802.11n
Velocidad → 300 Mb/s
Frecuencia → 2.4 GHz

WAN (Wide Area Network)
Esta es la red en su máxima expresión, es básicamente el tipo de red más amplio entendido como la red global (Internet)
Redes móviles 2G/3G/4G/5G
Protocolo WiMAX (IEEE 802.16)

Medios Físicos

🔌

UTP (Unshielded Twisted Pair)

En español, cable de par trenzado no apantallado, este cable transmite 8-bits a través de 16 cables. Se dice que el cable es trenzado ya que cada bit se transmite por dos cables a la vez extendidos en forma de espiral para evitar interferencias.

🎨 Esquema de colores

Colores
Naranja-Blanco y Naranja → Datos
Verde-Blanco y Verde → Datos
Azul-Blanco y Azul → Datos
Marrón-Blanco y Marrón → Alimentación

🏎️ Velocidad
UTP Categoría 5: Hasta 1Gb/s (distancia <100m)
UTP Categoría 6: Hasta 10Gb/s (distancia <100m)
💡
Este tipo de cable se utiliza para el LAN de alta velocidad

🟢 Ventajas
Barato
Flexible y ligero (no tiene recubrimientos de cobre)
Fiable en distancias cortas

🔴 Desventajas
Ancho de banda limitado → 2-3.5MHz
Se necesitan repetidores (debido a la atenuación de la señal)
Puede haber problemas de ruido debido a el resto de cables cercanos (Efecto Crosstalk)

🔌

Cable Coaxial

Se utiliza un cable que transporta dos conductores de cobre concéntricos.

Imagen

💡

Este tipo de cable suelen llevas una malla conductora para proteger la señal de interferencias

🏎️ Velocidad → 4 Gb/s

🟢 Ventajas
Gran ancho de banda y alta frecuencia (1GHz)
Alcance de 1 a 10 km

🔴 Desventajas
Grosor (poca flexibilidad)
Precio

🔌

Fibra óptica

Este es un cable de fibra de vidrio que transporta la información en forma de pulsos de luz

🏎️ Velocidad → >100Gb/s

🟢 Ventajas
Ratio de errores bajo
Largo alcance
Inmune al ruido electromagnético
Difícil de pinchar

🔴 Desventajas
Frágil (si se dobla mucho se rompe, o la luz no rebota en el cable sino que lo atraviesa)

📡

Enlaces de radio

Antenas que transmiten información de forma inalámbrica a través de ondas electromagnéticas

WIFI → <54 Mb/s

Microondas terrestres → <45 Mb/s

WAN → Depende de la generación (3G → 1 Mb/s)

Satélite → <45 Mb/s (retardo de 270ms)

Núcleo de la Red

💡

Hay dos métodos para transportar datos en una red:

Conmutación de circuitos (CC)

Conmutación de paquetes (CP)

📖

Conmutación de circuitos

Este es el enfoque más sencillo, ya que este proceso consiste simplemente en unir dos circuitos a través de un cable.

Este sistema era el que se utilizaba hace tiempo en las primeras compañías telefónicas cuando los operadores conectaban manualmente dos cables para establecer una llamada entre dos personas

Tipos de circuitos

〰️

Multiplexación de frecuencia (FDM)

Este sistema consiste en sumar una serie de señales para dar lugar a una señal final multiplexada que será la que se transmita

⏳

Multiplexación en el tiempo (TDM)

La señal que se transmite se divide en marcos, cada uno de estos marcos se subdivide en particiones ó slots. A cada uno de los usuarios de la red se le asigna un slot por lo que en cada marco cada usuario puede mandar información

Ejercicio de ejemplo (PDF Tema 1, Pag. 42)

📖

Conmutación de paquetes

El enlace envía todos los paquetes que le llegan tan pronto como puede. Cada enlace tiene una cola de salida donde va almacenado los paquetes hasta que les llega su turno de salir

💡

Cada enlace puede tener una velocidad de transmisión diferente

💡

Este método también se conoce como multiplexación estadística.

🟢 Ventajas
Permite aprovechar mejor el canal
Mayor simplicidad a la hora de compartir recursos
No necesita preasignación del camino

🔴 Desventajas
Si el canal se congestiona…
Retardos, ya que los paquetes se acumulan en la cola
Pérdidas, si se acumulan demasiados paquetes la cola se llenará

Transmisión, Almacenamiento y Reenvío

💡

El paquete entero debe llegar al router para poder ser transmitido al siguiente enlace.

⌛

La transmisión de un paquete de

L

bits a través de un enlace de

R

bits/s require un tiempo de

\frac{L}{R}

segundos

Ejemplo

🧠

Dado que hay

3

enlaces, y el paquete debe llegar entero a cada enlace antes de ser enviado al siguiente, entoces es como si se hicieran 3 envíos seguidos del mismo paquete por lo que si un paquete tarda

\frac{L}{R}

en llegar al primer enlace, entoces tardará

3·\frac{L}{R}

segundos en recorrer los tres

Estructura de internet

📶

La estructura interna de internet tiene jerarquía de niveles para los diferentes ISPs

Nivel 1️⃣
Dan servicio a ISPs de nivel 2 ó a clientes muy importantes como multinacionales
Cobertura internacional
Velocidades de 2-10Gb/s
Conexión directa con otros IPSs de nivel 1
Ejemplos: Verizon, AT&T, Cogent, …
POP (Point-Of-Presence) → Estos proveedores utilizan un sistema de doble router como protección ante caidas (backbone)

Nivel 2️⃣
Dan servicio a ISPs de nivel 3 ó a clientes medianos como universidades o empresas medianas
Cobertura nacional o regional
Pueden estar conectados a otros ISPs de nivel 2

Nivel 3️⃣
Dan servicio a particulares o pequeños negocios y empresas

🗺️

Enrutamiento

El enrutamiento es el proceso por el cual el enrutador (router) decide la ruta que debe seguir un paquete. Dicha ruta se determina gracias al protocolo IP

Retardos, pérdida y tasa de transferencia en una Red de Conmutación de Paquetes (RCP)

⏰

El retardo de paquetes se de principalmente en alguna de las siguientes cuatro etapas:

Procesado en el nodo $(\mu s)$ $(d_{proc})$

ℹ️

Tiempo que tarda el nodo en procesar todo el paquete

💡

Este retardo se produce debido a que el router debe hacer las siguientes operaciones antes de mandar un paquete:

Checkear los bits de error

Determinar el enlace de salida

Retardo de cola $(ms - \mu s)$ $(d_{queue})$

ℹ️

Tiempo que espera el paquete en la cola hasta que comienza a salir el primer bit del paquete por el enlace

💡

Este retardo se produce debido a que la cola del router contiene otros paquetes que deben salir primero, por lo que el router está congestionado

🧮

Cálculo de la intensidad del tráfico

\text{Intensidad del tráfico} = \cfrac{L\ ·\ a}{R}

$L$ → Longitud típica (media) de los paquetes. $(bit/paq)$

$a$ → Tasa del promedio de llegada de paquetes. $(paq/s)$

$R$ → Velocidad de enlace. $(bit/s)$

Significado de los diferentes valores de la Intensidad del tráfico $(I_t)$
$I_t \sim 0$ → La red sufre un pequeño retardo de cola
$I_t \sim 1$ → La red sufre grandes retardos de cola
$I_t = 1$ → La red recibe más paquetes de los que puede procesar (retardo eventualmente infinito)

Retardo de transmisión/colocación $(ms - \mu s)$ $(d_{trans})$

ℹ️

Tiempo que tarda el router en situar todo el paquete en el enlace (tiempo de colocación), tiempo que pasa desde que sale el primer bit del paquete hasta que sale el último

Fórmula
$t_c = \frac{S}{V_E}$
$S$ → Tamaño del paquete en bits
$V_e$ → Velocidad del enlace (ancho de banda)

💡

En este retardo influyen dos aspectos

Longitud del paquete: Cuanto más largo sea el paquete, más se tarda en colocar todos los bits en el enlace

El ancho de banda: Los bits por segundo que admite el enlace

Retardo de propagación $(ms - \mu s)$ $(d_{prop})$

ℹ️

Tiempo que tarda un bit en recorrer el enlace hasta llegar al siguiente nodo

💡

Aunque puede parecer que este tiempo debería ser el tiempo que tarda el paquete entero, en lugar de un único bit, en realida lo es, lo que pasa es que como mientras los primeros bits recorren el enlace, los siguientes bits siguen en el router o están siendo colocados, por lo que este tiempo se solapa con el tiempo de colocación, por lo que no lo contamos. Solo tenemos en cuenta el tiempo que tarda el últiom bit en llegar ya que al no haber más bits del paquete siendo colocados, este tiempo no se incluye en el tiempo de colocación, por lo que se contabiliza aparte

⚠️

Este tiempo no depende del tamaño del paquete (ver explicación anterior)

🚯

Pérdida de paquetes

La pérdida de paquetes por los enrutadores se produce ya que la cola (buffer) de estos tiene una longitud finita. Por lo tanto, cuando esta se llena no admite más paquetes y se pierden.

El router podrá más adelante solicitar que se le vuelvan a mandar los paquetes perdidos

📏

Tasa de transferencia (throughput)

Velocidad a la que se transfieren los bits desde un emisor hasta un receptor:

T_t = \frac{bits}{seg}

Instantánea → Tasa en un instante determinado

Media → Tasa en un periodo más largo de tiempo

🍼

Cuellos de botella

Cuando uno de los enlaces del recorrido tiene una menor tasa que el resto, esto puede hacer que la comunicación entera se retrase en este punto

Ejercicio Tema 1, Pag. 73

Excalidraw — Collaborative whiteboarding made easy

Excalidraw is a virtual collaborative whiteboard tool that lets you easily sketch diagrams that have a hand-drawn feel to them.

https://excalidraw.com/#json=O232tevffXK3iRgOnn4vK,mcaL997UuffrQAKMjVGlrg

Excalidraw — Collaborative whiteboarding made easy

Capas de protocolos y modelos de servicio

🟢

Ventajas de la organización en capas

Facilitar la organización de grandes sistemas complejos

Estructurar explícitamente las relaciones que existen entre las partes del modelo

🔴

Desventajas de la organización en capas

Puede haber capas con funcionalidad duplicada

Si una capa necesita información que se almacena en otra, se rompe la encapsulación

Modelos de capas

📚

Modelos de protocolos de Internet

Cuando se quiere mandar un paquete, este pasa por las diferentes capas, desde la capa de aplicación hasta la capa necesaria para ser enviado coorrectamente. En cada capa, al paquete de información que maneja se le llama de una forma diferente

Capa de Aplicación (Datos/Mensajes)

📖

Esta capa es la que contiene la informacion en sí que se pretende enviar a través de la red

Protocolos de la capa de Aplicación
FTP (File Transfer Protocol)
SMTP (Simple Mail Transfer Protocol)
HTTP (HyperText Transfer Protocol)
…

🏷️ Los paquetes en esta capa se llaman mensajes

Capa de Transporte (Puertos)

📖

Esta capa envuelve a la anterior y adicionalmente coloca información acerca de como se debe llevar a cabo el envío de los paquete (control de secuencia, manejo de errores, …)

Protocolos de la capa de Aplicación
TCP (Transmission Control Protocol)
UDP (User Datagram Protocol)

🏷️ Los paquetes en esta capa se llaman segmentos

Capa de Red (IPs)

📖

Esta capa envuelve a la anterior y adicionalmente coloca información acerca de el destino de los paquetes y otra serie de datos como: IP de destino, headers, TTL (Time-To-Live)

Protocolos de la capa de Aplicación
IP (Internet Protocol)

🏷️ Los paquetes en esta capa se llaman datagramas

Capa de Enlace (MACs)

📖

Esta capa envuelve a la anterior y adicionalmente coloca información acerca de el protocolo de red que se va a utilizar para transportar el paquete.

La información de esta capa está íntimamente relacionada con el método de transmisión usado en la capa física

Protocolos de la capa de Aplicación
PPP (Point-to-Point Protocol)
Ethernet
WiFi

🏷️ Los paquetes en esta capa se llaman tramas

Capa Física (Cable)

📖

Esta capa envuelve a todas las demás y es la capa final que se envía a través del medio físico elegido

Medios de transmisión
Fibra
Coax
Aire (wireless)
…

🏷️ En esta capa se mueven bits

💡 Utiliza el mnemotécnico OFERTA para recordar las capas en orden

Imagen para visulizar el esquema anterior

Imagen resumen de los protocolos de cada capa

📚

Modelo de referencia ISO/OSI

El modelo OSI (Open System Interconnection) incluye 2 capas adicionales entre la capa de aplicación y la capa de transporte respecto del modelo de internet:

Capa de Presentación (Protocolo de cifrado)

Esta capa fue pensada para gestionar el cifrado, compresión y otros convenios más específicos

Capa de Sesión (Sincronización)

Delimita y sincroniza el intercambio de datos

💡

En el modelo de internet, los asuntos de seguridad (encriptación) son responsabilidad de la capa de aplicación

💡

Entre cada una de las capas anteriormente mencionadas existe un protocolo expecífico para comunicar directamente estas capas con sus equivalente en el host de destino

Seguridad

💡

Inicialmente, la seguridad no fue tenida en cuenta al diseñar los protocolos de internet ya que la red era utilizada solamente por una serie de usuarios fiables

Tipos de malware en internet

🐴

Troyano

Archivos que pretenden ser un software legítimo, pero que en parte de su código lleva oculto un código malicioso

🦠

Virus

Software malicioso que requiere que el usuario interactue con él para funcionar. Suele ser auto-replicante

🪱

Gusano

Software malicioso que no requiere que el usuario interactue con él para funcionar. Suele ser auto-replicante

Ataques a servidores e infraestructura de la red

🌊

Ataques DDOS (Distributed Denial of Sercice)

Los ataques de denegación de servicio no tiene la intención de robar ningún dato ni superar barreras de seguridad, sino causar daño, provocando que una red se colapse y no pueda operar con normalidad.

Este ataque se puede llevar a cabo de diferentes maneras

Ataque de vulnerabilidad → No son necesarios demasiados paquetes, sino paquetes bien construidos para que provoquen algún error en el programa y bloquee la red

Ataque de ancho de banda → Consite en enviar más paquetes de los que la red puede procesar

Ataque de conexiones → Consite en establecer un número de conexiones superior a las que el servidor puede mantener

Conceptos básicos de seguridad

🛡️

Características de una comunicación segura

Autenticación → El usuario es quien dice ser

Confidencialidad → Lo que se habla solo lo saben las partes involucradas

Integridad → Lo que se manda no ha sido alterado

No repudio → No se puede negar lo que se ha dicho o hecho

🤡

Ataques que afectan a la autenticación

IP Spoofing → Enviar paquetes con una IP falsa

🛡️ Autenticación en el punto terminal

🙊

Ataques que afectan a la confidencialidad

Packet sniffing → Escuchar el tráfico de una red para ver que información circula (wireshark)

Acceso broadcast

🛡️ Para evitar esto, se debe cifrar la información

✏️

Ataques que afectan a la integridad

MITM (Man-In-The-Middle) → Situar el host malicioso entre dos host y modificando los paquetes que circulan antes de que lleguen a su destino

🛡️ Para evitar esto se debe utilizar un hash

Historia

📔

1971 - ARPANET (Advanced Research Projects Agency NETwork)

Esta agencia fue creada por el departamento de defensa de EEUU y fue una de las primeras redes de conmutación de paquetes y la primera en implementar el protocolo TCP/IP

Los impulsores de esta red fueron: J.C.R Licklider, Ivan Sutherland y Bob Taylor

En 1969 la red se componía de 4 ordenadores repartidos entre las universidades de Ucla, Standford, Santa Bárbara y Utha. A estos se les llamaba IMP (Interface Message Processors), similar al concepto posterior de router

📔

1989 - MILNET

Para 1984 la red ARPANET había crecido mucho y se decidió que se fragmentara. Fue entonces cuando nace la red MILNET (luego renombrada a NIPRNet) para usos militares

📔

1989 - CERNET

Entre 1984 y 1988, el CERN comenzó a conectar sus principales ordenadores usando el protocolo TCP/IP, pero este continuó operando la red CERNET hasta 1989

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1991 - NSFNET (National Science Foundation NETwork)

Esta se crea en 1985 como una iniciativa para unir los centros de supercomputación de EEUU

🗓️

Timeline

1969 → La red ARPANET envía su primer mensaje

1970 → ARPANET alcanza la costa este de EEUU

1971 → La red la conformaban 23 ordenadores de universidades y el gobierno

1973 → Se conectó por satelite con Noruega y después Londres

1981 → El crecimiento de la red era de un nuevo host cada 20 días, teniendo en 1981 unos 213 hosts activos

1982 → Se crea el protocolo TCP/IP y aparece la palabra Internet

1984 → La red ARPANET se fragmenta y aparece la MILNET

1985 → Se crea la NSFNET

1989

El CERN se comienza a usar TCP/IP.
Tim Berners-Lee inventa la World Wide Web
ARPANET se extiende por Europa

1990 → La red ARPANET desaparece dando lugar a la NSFNET

1991 → se anuncia públicamente la WWW

1995 → La red NSFNET desaparece y los principales ISPs toman el relevo de gestores del tráfico de la red