Introducció

  • Ramon Musach Pi

    Ramon Musach Pi

    Llicenciat en Ciències Matemàtiques i Enginyer Superior en Informàtica per la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB). Desenvolupa la seva activitat entre aquestes dues disciplines, des del vessant docent i d'investigació. Autor de diversos materials didàctics multimèdia, de formació i de suport a la tasca docent.

PID_00218430
Cap part d'aquesta publicació, incloent-hi el disseny general i la coberta, no pot ser copiada, reproduïda, emmagatzemada o transmesa de cap manera ni per cap mitjà, tant si és elèctric com mecànic, òptic, de gravació, de fotocòpia o per altres mètodes, sense l'autorització prèvia per escrit del titular dels drets.

1.Per què és important aquesta assignatura?

Actualment no es pot arribar a entendre el nostre món, les relacions i les nostres professions sense les xarxes. Podem afirmar que hem arribat a una generació que sempre està connectada amb el seu entorn. De fet, milions d’usuaris accedeixen diàriament a la Xarxa Internet per a desenvolupar les seves tasques professionals o per fer activitats relacionades amb l’oci: música, compres via web, correu electrònic, xarxes socials...
Encara que Internet és la xarxa que més sona al públic no especialitzat, no cal oblidar que, més enllà d’Internet, disposem d’altres xarxes de comunicacions com les de telefonia mòbil o, fins i tot, sistemes de posicionament global (GPS, Global Positioning System), ben a l’abast de tots els usuaris.
El fet que la tecnologia s’ha anat fent més transparent als usuaris, ha permès que usuaris de tot tipus, sense necessitat de disposar de grans coneixements tècnics, s’hagin introduït en l’ús d’aquestes xarxes. Tot i així, és fonamental que els professionals de diferents àrees, entre elles, la Multimèdia, arribin a disposar d’uns bons coneixements tècnics que els permetin tenir la capacitat per a poder dissenyar i desplegar solucions als reptes que puguin sortir en les seves professions en relació a les xarxes de comunicacions. Aquesta assignatura, Xarxes Multimèdia, serà la que us permetrà arribar a assolir aquestes competències lligades amb el món de les xarxes.
A través de diferents mòduls, anirem aprofundint en aquells aspectes que ens permetran entendre millor el funcionament de les xarxes de comunicacions i, més en concret, el funcionament de les xarxes de computadors. En aquest sentit, mencionem alguns dels diferents perfils o tasques que estan relacionats amb les xarxes de comunicació i que tractarem en aquesta assignatura:
a) Administració i gestió de xarxes. Correspon a les tasques de disseny, implantació i gestió de les xarxes. Aquest camp pot incloure des de desplegar xarxes d’àrea local en grans, mitjanes o petites empreses, fins a treballar directament amb una operadora de telefonia. Tinguem en compte que totes les empreses disposen de xarxes que han de ser gestionades, bé de forma externa o bé internament amb personal format per a portar-ho a terme. Els administradors de xarxes han de vetllar per la informació que es troba a la xarxa que gestionen i han de disposar de coneixements actualitzats de programari i maquinari, disposant d’un bon ventall d’eines per a portar un control eficient de les xarxes que gestionen.
Les principals tasques i responsabilitats d’un administrador de xarxes es poden resumir en:

  • Manteniment preventiu i correctiu, amb una pla de manteniment per a garantir un òptim rendiment de tota la xarxa.

  • Realitzar un bon control de dispositius, vetllant pel seu bon funcionament, amb stock de recanvis (discs durs, memòries, switchs...).

  • Control sobre els serveis de xarxa i telecomunicacions.

  • Administració de comptes d’usuaris, grups i llicències.

  • Administrar backups o còpies de seguretat.

  • Prevenir i solucionar aspectes de seguretat.

  • Instal·lar i configurar clients i servidors, d’acord amb la plataforma o sistema operatiu, analitzant els seus rendiments.

  • Configuració de xarxes Ethernet i serveis de xarxa. És necessari tenir coneixements per a instal·lar i configurar una xarxa Ethernet per a PCs amb diferents sistemes operatius, amb coneixement bàsics de xarxes TCP/IP i de l’esquema client-servidor.

  • Assistència i suport a usuaris.

  • Elaboració i seguiment de plans d’administració de la xarxa.

b) Seguretat i auditoria de xarxes. Disposar de bons coneixements en aspectes de seguretat és fonamental. S’ha de poder avaluar el grau de seguretat d’una xarxa, coneixent-ne les seves vulnerabilitats, per tal de poder establir mesures correctores que incrementin el nivell de seguretat. A més a més, en molts casos, com per exemple l’administració pública, disposar de mesures de seguretat és del tot obligatori. Aquest tema el tractarem en un dels mòduls de l’assignatura.
c) Desenvolupament d’aplicacions en xarxa. L’èxit de les xarxes ha originat la necessitat de disposar d’aplicacions i serveis específics. Sense aquestes aplicacions les xarxes no haguessin arribat al nivell d’ús actual. Un desenvolupador d’aplicacions en xarxa ha de conèixer amb detall, a més d’aspectes de programació, el funcionament dels diferents protocols relacionats amb les xarxes com els que tractarem en els diferents mòduls de l’assignatura.
Els tipus de perfils anomenats fins ara són perfils que estan 100% relacionats amb les xarxes, però n’existeixen d’altres que ho estan parcialment, com per exemple: expert en comerç electrònic (part de transaccions), desenvolupador d’aplicacions per a dispositius mòbils, gestor de servidors, creador de wearables, dissenyador i desenvolupador de serveis de “smart cities”, etc. Per tant, fins i tot aquells lectors o estudiants que no vulguin especialitzar-se plenament en xarxes, trobaran de gran utilitat els continguts presentats en aquests mòduls, ja que hi ha un bon ventall de professions al voltant de la tecnologia i les xarxes.
Finalment cal dir que, en un món on la tecnologia avança a un ritme vertiginós, cal estar sempre preparat, el que obliga a formar-se de manera continuada en aquest àmbit de les xarxes. De fet, hem de tenir ben en compte que una bona formació complementària en aspectes tecnològics ens pot “conduir”, amb petites especialitzacions, a noves professions relacionades amb la xarxa Internet, que ara mateix són impensables.

2.Xarxa de comunicacions vs. Xarxa de computadors

Tot i que l’aparició dels ordinadors dóna lloc al punt de partida de les xarxes de comunicacions, tal i com les coneixem actualment, el concepte de xarxa de comunicació es remunta un segle abans, al segle XIX, amb invents com el telègraf o el telèfon. Així doncs, podríem definir el concepte de xarxa de comunicacions com:
Una xarxa de comunicacions és un conjunt d’enllaços de comunicacions disposats de tal manera que fa possible l’enviament de missatges entre un emissor i un receptor mitjançant el seu pas a través dels enllaços.
Quan van sorgir els primers ordinadors, en les primeres dècades del segle XX, estaven fortament centralitzats, sovint ubicats en un únic espai físic. Però a mesura que les capacitats dels computadors anaven creixent, aquest model centralitzat es va anar substituint per un model en què múltiples computadors amb menys capacitat s’interconnectaven per a compartir recursos. Aquesta nova organització va donar lloc a les xarxes de computadors.
Una xarxa de computadors és una composició de sistemes de maquinari, programari i protocols (normes) que permeten la comunicació entre dispositius remots.
Estarem d’acord que actualment no es pot arribar a concebre un sistema informàtic sense la presència d’elements de comunicació, amb Internet al capdavant, composta d’un gran volum de petites xarxes interconnectades.

3.Models de referència

En els inicis dels primers ordinadors i de les primeres xarxes de computadors, cada fabricant desenvolupava el seu propi sistema de comunicacions. Així, en aquests inicis, els fabricants configuraven els seus equips pensant que tot el procés de xarxa es portaria a terme mitjançant maquinari i protocols propietaris. Aviat van adonar-se que fer-ho així comportava elevats costos a cada fabricant, ja que les ampliacions o modificacions només les podien portar a terme els proveïdors d’aquests serveis. Això provocava poques o nul·les opcions per a interconnectar tecnologies d’altres fabricants, al no existir compatibilitat entre dispositius i sistemes. Per tant, una vegada detectat el problema, calia plantejar algun tipus d’estandardització que indiqués les diferents fases per les que havien de passar les dades per viatjar d’un dispositiu a un altre (del mateix o diferent fabricant) sobre una xarxa de comunicacions.
És en aquest punt quan apareixen les anomenades arquitectures de xarxa organitzades en capes, amb les quals es passa bona part de la càrrega de la xarxa al programari. Els exemples més rellevants d’arquitectures (o models) de xarxa organitzades per capes són OSI i TCP/IP.
Abans d’aprofundir en els models OSI i TCP/IP, explicarem com funciona una arquitectura de xarxa organitzada en capes.

3.1.Arquitectura de xarxa organitzada en capes

Com s’ha comentat anteriorment, l'objectiu de definir un model i, per tant, d’organitzar la xarxa d'una forma concreta és facilitar la tasca dels fabricants de maquinari i desenvolupadors de programari per tal que puguin crear productes amb garanties de funcionament entre equips, assegurant-se que seguiran les mateixes normes.
En aquest sentit, la gran majoria de models arquitectònics de xarxa actuals estan organitzats en capes. S’utilitzen capes (també anomenades nivells) com una manera habitual d'estructurar les funcions i serveis que les xarxes proveeixen. Les capes estan jerarquitzades de manera que cadascuna d’elles ofereix els seus serveis a la capa superior. El nombre de capes, el nom de cada capa, el contingut i les seves funcions difereixen d’un model a un altre.
Arribats a aquest punt, podem definir un model arquitectònic de xarxa organitzat en capes com:
Una arquitectura de xarxa organitzada en capes es refereix a un conjunt de capes i els seus protocols o normes associades per a donar resposta a la complexitat de les operacions a realitzar en una xarxa.
3.1.1.Dins d’una capa
Cada capa està formada per un conjunt de mòduls o entitats (entities). Cada mòdul (entitat) es troba implementat en una capa i només té dependència amb els mòduls de les capes adjacents (superior i inferior). Cada mòdul d’un dispositiu emissor es comunica amb el mateix mòdul de la mateixa capa en el dispositiu receptor, seguint un protocol concret. Per tant, la capa de nivell n en un ordinador manté comunicació amb la capa de nivell n d’un altre ordinador.
Aquests mòduls o entitats (entities) són els elements actius dins de cada capa. Una entitat pot ser una entitat de programari, com un procés o una entitat de maquinari, com un dispositiu intel·ligent d’entrada-sortida. Els mòduls dins la mateixa capa segueixen un protocol concret.
Un protocol de comunicacions és el conjunt de normes que defineixen el format i l’ordre dels missatges intercanviats entre dues o més entitats que es comuniquen entre si, així com el conjunt d’accions que es prenen durant la transmissió i recepció d’aquests missatges.
En definitiva, un protocol és tot un conjunt de regles i convencions que permeten que la comunicació sigui possible. Algunes de les situacions que han d’afrontar aquests protocols són: proveir als usuaris d’una interfície d’usuari; possibilitar múltiples connexions; facilitar la ruta de la informació des de l’origen fins al destí; dividir els fitxers en paquets, podent reconstruir-los en destí; realitzar la transmissió de dades en el medi que correspongui; realitzar el control d’errors i gestionar la recuperació de la informació...
3.1.2.Entre capes
Cada capa proveeix serveis a la seva capa superior, mentre que cada capa utilitza serveis que provenen de la seva capa inferior. Al conjunt de serveis que proveeix la capa n a la capa n+1 s’anomena interfície n/n+1.
Una interfície és el conjunt de normes de comunicació (operacions primitives i serveis) que una capa inferior ofereix a una capa superior.
Figura 1
Figura 1
Més amb detall, els serveis estan disponibles en els anomenats service access point (SAP), identificats amb una adreça única. Per tant, cada SAP de la capa n és el lloc on la capa n+1 pot accedir als serveis oferts per la capa n.
Les capes poden oferir dos tipus de serveis a les capes superiors: connexions orientades i no orientades a connexió. En un servei orientat a connexió inicialment es produeix un establiment de connexió, s’utilitza aquesta connexió per a transmetre informació i, al final, es tanca la connexió. Un bon exemple seria el d’un sistema de telefonia. En canvi, en un servei no orientat a connexió, els missatges amb informació poden ser enviats per un sistema sense establir una connexió explícita. Un model així seria el model postal, on s’envien cartes i tot i tenir una mateixa destinació, l’ordre en el que es rebin pot variar.
Un servei, accessible des del SAP, està format per un conjunt de primitives (operacions) disponibles per a l’usuari o per una altra entitat. Les primitives es poden classificar en:

  • Request (sol·licitud): una entitat vol que el servei faci alguna cosa.

  • Indication (indicació): una entitat és informada d’algun esdeveniment.

  • Response (resposta): una entitat vol respondre a algun esdeveniment.

  • Confirm (confirmació): la resposta a la darrera petició es confirma.

Figura 2
Figura 2
Com s’ha dit anteriorment, els serveis poden ser confirmats o no confirmats. En un servei confirmat hi ha les primitives (operacions): request, indication, response, confirm, mentre que en un servei no confirmat només hi ha request i indication.
Figura 3
Figura 3
El servei CONNECT sempre és confirmat, per tant, portarà les primitives request, indication, response i confirm. El servei DATA pot ser confirmat o no. Si és no confirmat, només portarà request i indication. El servei DISCONNECT pot ser no confirmat, tot i que és important assegurar-se que els dos extrems finalitzen la comunicació i alliberen els seus recursos.

servei

protocol (o regla)

World Wide Web (WWW)

HTTP (hypertext transport protocol, protocol per a la trasnferència d’hipertext)

E-mail

SMTP (simple mail transport protocol, protocol per transportar correu electrònic simple)

POP (post office protocol, protocol de recollida de correu electrònic)

Missatge instantani: Jabber, AIM (AOL instant messenger, missatgeria instantània de l’empresa AOL)

XMPP (extensible messaging and presence protocol, protocol lliure de missatgeria instantània)

OSCAR (open system for communication in realtime, sistema obert per a la comunicació en temps real)

Telefonia IP (Internet protocol, protocol d’Internet)

SIP (session initiation protocol, protocol d’inici de sessió)

Exemples d’alguns serveis i els seus protocols associats.

Un concepte associat als serveis és el de qualitat del servei. Un servei és fiable quan no perd informació. Una situació en què s’utilitza un servei fiable orientat a connexió és la transmissió de fitxers, mentre que trànsit de veu o de vídeo és factible que la connexió no sigui fiable, per tal de no perdre temps amb aturades per a corregir errors que poden arribar a ser imperceptibles.
3.1.3.Comunicació
Figura 4
Figura 4
L’esquema de la Figura 4 ens mostra la comunicació que s’arriba a establir entre dos dispositius. Existeixen bàsicament dues direccions de comunicació:

  • Horitzontal. La comunicació horitzontal només es dóna entre els mateixos nivells de les màquines que s’estan comunicant.

  • Vertical. Aquesta comunicació només es dóna, de forma local, entre els nivells adjacents d’un mateix dispositiu.

Així la informació no és transferida directament d’una capa n d’una màquina a la capa n de l’altra màquina, sinó que cada capa només té comunicació amb la seva adjacent inferior dins la mateixa màquina. Per tant, la informació baixa de la capa n per tota la jerarquia de capes del dispositiu fins la més baixa, anomenada capa física, i d’aquí va a la capa física de la màquina receptora per on puja fins a la capa n del receptor (Veure figura 4).
La informació que s’envia per una xarxa, partint d’un emissor cap a un receptor s’anomena “dades o paquets de dades”. Per tant, amb les normes que proporciona el protocol, la informació que es vol enviar s’empaqueta (i.e. es divideix en paquets) mitjançant un procés que es coneix amb el nom d’encapsulació de dades. Cada paquet inclou part de la informació que es vol enviar més una certa informació extra que és necessària per quan es rebi el paquet en el mateix nivell del receptor, o dels dispositius intermedis pels que circulin aquests paquets. Per tant, a mesura que les dades van passant d’una capa a un altra del model OSI, es va afegint informació complementària. Cada conjunt de dades o informació afegida per una capa s’anomena encapçalament. Quan es passa d’una capa a un altra fins arribar a la capa física, es van afegint encapçalaments (embolcallant les dades inicials). Finalment, a l’arribar a la capa física es procedirà a la transmissió de bits cap el receptor.
Al conjunt d’informació format per un encapçalament més les dades a enviar, se li dóna diferents noms depenent del nivell o capa. Així parlem de segment en la capa de transport, paquet en la capa de xarxa, trama en la capa d’enllaç i bit en la capa física.
Figura 5
Esquema del procés d’encapsulació de dades.
Esquema del procés d’encapsulació de dades.

3.2.Model OSI

En la dècada dels anys 80, des de l’Organització Internacional d’Estàndards (ISO, acrònim de International Organization for Standarizations) proposa una arquitectura de xarxes d’ordinadors basada en diferents nivells o capes. És l’anomenat model OSI (Interconnexió de Sistemes Oberts).
L’objectiu era el de definir una arquitectura de xarxes amb un conjunt de protocols que fos independent tant del fabricant de dispositius com del desenvolupador de programari, de manera que s’establien unes normes i estàndards comuns, que qualsevol fabricant o desenvolupador pogués utilitzar. Per tant, facilitaria la interconnexió de sistemes diferents.
El model OSI està compost per 7 nivells o capes, i en cadascun dels nivells s’agrupen les funcionalitats i protocols necessaris per a comunicar sistemes.
Figura 6
Figura 6

3.3.Model TCP/IP

El model que s’utilitza a Internet és el que gira al voltant dels protocols TCP/IP (sigles de Transmission Control Protocol/Internet Protocol). IP és un protocol que proporciona mecanismes d’interconnexió entre xarxes d’àrea local i TCP proporciona mecanismes de control de flux i errors entre els extrems de la comunicació.
A diferència del model OSI, el model TCP/IP no és realment un model d’arquitectura formal en si mateix.
En el model TCP/IP, es poden distingir quatre capes:

  • La capa d’interfície de xarxa

  • La capa de xarxa o Internet

  • La capa de transport

  • La capa d’aplicació

Buscant alguna similitud en quant a capes entre el model OSI i el model TCP/IP tenim l’esquema de la Figura 7. De fet, seran aquestes capes les que tractarem més a fons en propers mòduls.
Figura 7
Figura 7

3.4.Model OSI vs. model TCP/IP

El model OSI ha quedat més com d’orientació més acadèmica i formal, com a desenvolupament més teòric que pràctic. Les raons fonamentals d’aquest fet són:

  • OSI apareix tard. Quan es va definir aquest model, altres arquitectures ja s’estaven fent servir amb funcionalitats i serveis ben definits, com per exemple el model TCP/IP, el qual estava inclòs en el nucli del sistema operatiu UNIX.

  • Al model OSI se’l veia com un intent de l’Administració per a controlar les telecomunicacions, mentre que per exemple TCP/IP ja estava en el mercat com a part de UNIX i funcionant correctament.

  • OSI es va inspirar en l’arquitectura SNA (System Networks Architecture) del fabricant IBM, una arquitectura força complexa. Fins i tot es comenta que es va desenvolupar per a impedir que aquesta arquitectura no tingués una posició hegemònica i arribés a monopolitzar el mercat. En canvi TCP/IP neix especificant primer els protocols i posteriorment el model, per tant és més simple que el model OSI.

  • Al principi, els productes que es van comercialitzar basant-se en aquest model OSI eren cars i poc testejats. L’alt cost venia de la poca demanda el que obligava a posar uns preus alts, atenent que altres sistemes com UNIX, incloent el model TCP/IP, eren gratuïts.

Actualment el model TCP/IP és el predominant en la interconnexió de xarxes. Tot i així, també té les seves crítiques, com:

  • No distingir conceptes importants com servei, interfície i protocol (que el model OSI distingeix de forma molt clara).

  • Que realment TCP/IP, com hem comentat, no és un model per si mateix ja que no dóna un esquema de referència per a poder construir altres arquitectures.

  • La capa ordinador central-xarxa, realment, és més una interfície que una capa.

  • Per tant, tot i no haver-se imposat el model OSI en els desenvolupaments, si que és un model molt útil per a conèixer què hi ha al darrera d’una arquitectura de xarxa, permetent una bona pedagogia per a conceptes bàsics de xarxes.

4.Estructuració de l’assignatura i d’aquests materials

L’assignatura Xarxes multimèdia i, en definitiva, els seus continguts, s’estructuren en diferents mòduls que ens permetran entendre els principals conceptes i donar una visió general del funcionament intern de les xarxes de computadors.
L’enfocament és de baix a dalt, començant per aspectes de xarxes més propers al maquinari, per a seguir avançant cap a nivells superiors del model OSI. Tinguem en compte que els nivells superiors van abstraient les complexitats dels nivells inferiors.
Així, després d’aquest primer mòdul introductori, tenim el segon mòdul: “Les capes inferiors del model OSI”, en el que després d’haver-nos endinsat en els principals conceptes relacionats amb l’estructura d’una xarxa de computadors, aprofundeix en les dues primeres capes: 1) el nivell físic, i 2) el nivell d’enllaç i el control d’accés al medi. En aquest mòdul, es començarà a donar una visió general del funcionament intern d’una xarxa de computadors, tant d’àrea local com a gran escala (p.ex. Internet).
El nivell físic, que es tractarà en aquest tema, és l’encarregat de tractar els senyals físics, que són del tot dependents directament de la tecnologia i el medi de transmissió.
En un nivell superior, en concret a la capa d’enllaç, s’abstrauen els nodes de la xarxa del medi físic sobre el que es transmet la informació, adreçant la informació entre els diferents nodes i garantint-ne una transmissió fiable. La subcapa de control d’accés al medi permet transmetre informació entre dos nodes independentment de la tecnologia de xarxa utilitzada, ja sigui sense fils o cablejada.
En el tercer mòdul “La capa de xarxa”, veurem les característiques d’aquesta capa, la tercera en el model OSI. El nivell de xarxa és fonamental per a entendre el funcionament d’Internet. Es situa entre les capes inferiors i la capa superior, la de transport.
En el quart mòdul “La capa de transport” analitzarem la capa de transport, que facilita a les aplicacions, en un nivell superior, la comunicació extrem a extrem, abstraient-les de la complexitat de les capes inferiors.
En el cinquè mòdul, anomenat “Les capes superiors del model OSI: sessió, presentació i aplicació” tractarem els tres nivells més superiors del model OSI, els que estan més propers a l’usuari. Es veurà amb detall el funcionament d’aquests nivells, els seus serveis i protocols, fent especial èmfasi als protocols orientats a la transmissió de continguts multimèdia.
En aquest mòdul, es descriuran una sèrie d’aplicacions (correu, web...) que utilitzen Internet com a mitjà de comunicació i els protocols de comunicacions que tenen associats.
El sisè mòdul “Seguretat en xarxes” és complementari a la resta i en ell es presenten els principals conceptes relacionats amb la seguretat de les xarxes de computadors.
Com a annex als materials, al final, coneixent ja els conceptes fonamentals de xarxes, es presentarà una “Breu història de les comunicacions i les xarxes”.
Finalment, cal tenir en compte que, per limitacions òbvies d’extensió dels materials, no es pot aprofundir en tots els conceptes. Per tant, haurà de ser el lector qui hagi de seguir ampliant els seus coneixements sobre alguns d’aquests conceptes sobre xarxes, els quals podrà ampliar, ni que sigui de forma parcial, consultant la bibliografia recomanada en el curs.