Prof' Javier Caas

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Introducción Arquitecturas y Conectividad

• Prof. Javier Cañas

2
Temario

• Introducción
• Conectividad
• Servicios
• Arquitectura de Redes
• Software de Red

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1 Introducción

• Las redes de computadores, al igual que Internet,
  han tenido un explosivo crecimiento que ha
  permitido entregar innumerables servicios a miles
  de millones de usuarios.
• Este crecimiento ha sido posible por la
  naturaleza de propósito general de las redes y a
  la posibilidad de agregar nuevas funcionalidades
  a la red escribiendo software que corre en
  computadores accesibles y de buen desempeño.

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Qué es una red?

• Una Red de Computadores es un conjunto de dos o
  más nodos autónomos, conectados por un link
  físico o dos o más Redes conectadas por uno o más
  nodos.
• Hay distintas miradas para las redes
• Programador de aplicaciones
• Diseñador de redes
• Administrador

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Dos ideas

• Conectividad una red debe proporcionar
  conectividad. Esta conectividad puede ser
  limitada, por razones de seguridad, o sin límites
  (Internet).
• Escalabilidad un sistema es escalable si puede
  crecer en forma arbitraria sin degradar
  sustancialmente su desempeño. Internet es un buen
  ejemplo de escalabilidad.

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2 Conectividad links y nodos

• Una red se puede representar por un grafo cuyos
  nodos son computadores y sus arcos se denominan
  links.

Links punto a punto
Link de acceso múltiple
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Redes de enlace directo Lan

• Si los nodos están interconectados a través de un
  único medio físico, su escalabilidad se ve muy
  limitada, por esta razón los links de acceso
  múltiple sólo se utilizan en redes de área local
  (LAN).
• Otra alternativa es una llamada full mesh de
  interconexión pero la escalabilidad en este caso
  es más limitada.

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Ejemplo de full-mesh
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Redes de conmutación

• La conectividad entre dos nodos, no
  necesariamente implica una conexión directa entre
  ellos.
• Un nodo que está conectado al menos a dos links y
  tiene el software apropiado, puede proveer
  conectividad a otros nodos en forma indirecta.

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Paquetes de datos

• Los nodos de una red envían y reciben bloques de
  datos discretos llamados paquetes o mensajes.
• Los paquetes de datos pasan entre los nodos a
  través de una estrategia llamada store
  forward.
• Una red con conectividad indirecta que despacha
  paquetes se denomina red de conmutación de
  paquetes

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Redes de Conmutación de paquetes
switch
host
Sub red de comunicación
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Switches y host

• De la figura anterior podemos ver que existen dos
  tipos de nodos
• Switches nodos internos a la subred de
  comunicación (computadores especializados en el
  despacho de paquetes)
• Host nodos que soportan las aplicaciones
  (computadores)

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Interconexión de redes
Router o gateway
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Direccionamiento

• Para proveer conectividad no bastan los links y
  nodos intermedios, es necesario asignar una
  dirección a cada nodo.
• Una dirección es un string que identifica un
  nodo.
• Los routers utilizan esta dirección para decidir
  por dónde despachar el paquete para acercarlo a
  su destino final.

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Unicast, multicast, broadcast, anycast

• El escenario más común es el envío de un paquete
  de datos de un nodo a otro nodo (Unicast).
• Multicast desde la fuente a un grupo de nodos.
• Broadcast desde la fuente a todos los nodos.
• Anycast desde la fuente a un grupo que tienen la
  misma dirección.

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Economías de escala

• Los criterios fundamentales que guían el diseño
  de las redes son dos eficiencia y desempeño.
• La eficiencia nos lleva a aprovechar los recursos
  de la mejor forma posible. Por ejemplo la
  estructura de la red de packet switching se
  desprende de esa idea no hay una forma mejor de
  proveer conectividad a menor costo.

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Economías de escala

• Otro aspecto sobre el cual se puede intervenir
  pensando en la eficiencia es el uso de los links.
• Una idea fundamental de conectividad eficiente es
  la multiplexión.
• La multiplexión es compartir recursos. (un
  ejemplo es compartir CPU en un sistema operativo
  multitarea)

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Multiplexión

• Los paquetes de datos enviados por diferentes
  usuarios se puede multiplexar

Switch 1
Switch 2
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Flujos de datos

• En la figura anterior podemos ver que 3 flujos de
  datos son multiplexados sobre un link simple y
  después demultiplexados en flujos separados.
• Existen distintos métodos de multiplexing, Uno de
  ellos es el llamado STDM (multiplexing sincrónico
  por división de tiempo)

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STDM
Cada flujo tiene asociado un quantum de tiempo.
Si un flujo está ocioso igual ocupa ancho de
banda. Por esta razón, no se usa STDM en redes de
datos.
Round robin
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Multiplexión estadística
En este caso, los datos correspondientes a cada
flujo son transmitidos bajo demanda. Se define
una cota máxima de datos a transmitir por cada
flujo. Esta cota es un paquete.
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Calidad de Servicio (Q o S)

• La decisión de despacho de un paquete puede
  hacerse de múltiples maneras
• FIFO
• STDM
• Es posible también asegurar que determinados
  flujos
• Reciban una fracción del ancho de banda
• Sus paquetes no sean retardados más de un
  determinado tiempo.

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Calidad de Servicio (Q o S)

• El multiplexing estadístico define una forma
  costo efectiva para que diversos flujos entre
  host puedan compartir recursos de la red (nodos y
  links) en una granularidad definida por paquetes.
• También permite manejar la congestión al asignar
  la capacidad de los links en forma justa.

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3 Servicios de una red

• El sentido de una red es implementar servicios
  distribuidos.
• Los programas de aplicación que corren en los
  host conectados a la red deben ser capaces de
  comunicarse.
• En vez de partir de cero en desarrollo de
  aplicaciones distribuidas en una red, es mejor
  identificar los servicios que son comunes a todas
  las aplicaciones

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Canales abstractos

• Resulta útil ver una red como proveedora de
  canales sobre los cuales las aplicaciones se
  comunican.
• En forma abstracta un canal es un tubo sobre el
  cual las aplicaciones envían y reciben datos.
• Los canales pueden tener funcionalidades
  distintas, por ejemplo, seguridad, garantía de
  despacho etc

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Canales Abstractos
host
host
canal
host
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Servicios Comunes

• Cuando un par de programas de aplicación se
  comunican a través de la red, no basta sólo el
  intercambio de mensajes sino que necesitan una
  coordinación compleja.
• Estas funcionalidades se pueden incorporar a las
  aplicaciones pero como la mayoría de las
  aplicaciones necesitan servicios comunes, resulta
  más conveniente implementar estas funcionalidades
  como servicios proporcionados por la red.

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ServiciosComunes

• El éxito de las redes está en ocultar su
  complejidad, presentando a las aplicaciones un
  conjunto de servicios.
• Cuál debe ser el conjunto básico de servicios?.
  Esta es un área muy dinámica para los diseñadores
  de redes.

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Canales lógicos

• La red se puede ver como proveedora de canales
  lógicos sobre los cuales los procesos de
  aplicaciones se pueden comunicar.
• Qué funcionalidades deben los canales proveer a
  las aplicaciones?
• es necesario que los mensajes lleguen en orden?
• pueden perderse mensajes?

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Interacción cliente - servidor

• Una interacción común es la llamada cliente
  servidor

petición
respuesta
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Clases de aplicaciones

• Veremos conjuntos representativos de
  aplicaciones
• ftp, nfs leer un archivo remoto implica enviar
  un pequeño mensaje al servidor. El servidor
  responde con un mensaje más largo correspondiente
  a los datos del archivo.
• www la interacción es parecida a la anterior.
• Video conferencia ejemplo vic. Aquí importa
  mucho la latencia

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Dos canales tipos

• Considerando las aplicaciones anteriores como
  muestras representativas, podemos establecer dos
  tipos de canales
• Request/reply transferencia de archivos y
  bibliotecas digitales
• Message streams aplicaciones de audio y video

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Canal Request/reply

• El requerimiento es garantizar que un mensaje
  despachado llegue a destino y que no se generen
  copias de este mensaje.
• También debe garantizar que el orden de envío sea
  el mismo que el orden de entrega de los paquetes.
• Podría también requerir servicios de seguridad
  como privacidad e integridad

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Canal Message Stream

• No requiere garantía de entrega de mensajes pero
  debe soportar diferentes propiedades de retardo.
• También debe garantizar que el orden de envío sea
  el mismo que el orden de entrega de los paquetes.
• Debe soportar multicast

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4 Arquitecturas de Redes

• Tal como se vio una red debe proporcionar
  conectividad a un gran número de computadores en
  forma general, costo efectiva, justa, robusta y
  con alto desempeño.
• Además las redes evolucionan en el tiempo para
  incorporar los cambios tecnológicos y las nuevas
  demandas de las aplicaciones.

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Arquitecturas de Redes

• Para relacionarse con esta complejidad, se
  generan documentos llamados arquitectura de red
  que guían el diseño e implementación de las
  redes.
• Existen innumerables arquitecturas de redes, pero
  las más representativas son
• OSI
• Internet

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Capas y protocolos

• Complejidad abstracción cuando un sistema se
  vuelve complejo se introducen nuevos niveles de
  abstracción.
• Por ejemplo en concepto de canal lógico abstrae
  muchas complejidades de la red.
• La abstracción lleva naturalmente a la
  arquitectura en capas

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Capas en una arquitectura
Programas de Aplicación
Conectividad proceso a proceso
Conectividad Host a Host
Hardware
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Arquitectura de capas

• La Arquitectura de capas tiene dos grandes
  ventajas
• Se descompone un problema complejo en componentes
  más manejables.
• Se logra un diseño modular.
• Lo contrario a un diseño de capas es la
  estructura monolítica

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Arquitectura de capas

• La Arquitectura de capas puede tener
  abstracciones diferentes en un nivel.
• Por ejemplo una capa puede soportar los dos
  canales lógicos discutidos anteriormente.

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Arquitectura de capas
Programas de Aplicación
Canal Request/ reply
Canal Mesagge stream
Conectividad Host a Host
Hardware
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Protocolos

• Los protocolos son los objetos con los cuales se
  construyen las capas.
• Los protocolos proporcionan servicios de
  comunicación que utilizan otros objetos tales
  como protocolos de mayor nivel o aplicaciones

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Estructura de protocolos

• Cada protocolo define 2 interfaces
• De servicio para otros objetos dentro del mismo
  computador que deseen utilizar los servicios de
  comunicación.
• Par es la interfaz que define a la máquina par
  con la cual se establece la comunicación. Esta
  interfaz define la forma y el significado de los
  mensajes entre protocolos pares para implementar
  el servicio.

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Interfaz de servicio

• Son funciones que proveen los protocolos que
  permiten utilizar sus servicios por parte de
  objetos de alto nivel (otros protocolos o
  aplicaciones)

Objeto de Alto nivel
Interfaz de servicio
Protocolo
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Interfaz par

• Sólo en la capa de hardware esta comunicación es
  directa, en las demás capas es indirecta.
• Las capas pares de protocolos se comunican a
  través de mensajes utilizando algún protocolo de
  mayor nivel.

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Interfaces de protocolos
Interfaz par
Host 1
Host 2
Objeto de Alto nivel
Objeto de Alto nivel
Protocolo
Protocolo
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Qué es un protocolo?

• El concepto de protocolo suele llevar a
  confusión. Hay dos aspectos a considerar
• Operaciones definidas por la interfaz de
  servicio. Este aspecto se denomina
  especificación de protocolos (ej. RFC)
• Módulos de software que implementan estas
  interfaces de servicio.

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Grafo de Protocolos

• En cada capa de la arquitectura pueden existir
  muchos protocolos.
• Es el conjunto de todos los protocolos de una
  arquitectura los que ofrecen los distintos
  servicios de una red.
• Estos protocolos no son independientes. Se
  relacionan unos con otros a través de un grafo
  de protocolos.

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Ejemplo de Grafo de Protocolo
Biblioteca electrónica
Aplicación archivos
Aplicación Video
RRP
MSP
HHP
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RRP y MSP

• Los protocolos RRP y MSP implementan dos canales
  entre aplicaciones (procesos) diferentes
• RRP Protocolo request/reply
• MSP Protocolo message/stream.
• Tanto RRP como MSP dependen del protocolo HHP
  (host a host) que provee un servicio de
  conectividad entre computadores.

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Ejemplo de Grafo de Protocolo
host2
host1
Red
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El Stack de protocolos

• Se puede ver de las figuras anteriores la
  relación entre los distintos protocolos, por
  ejemplo una transferencia de archivos entre el
  host1 y el host2 requiere RRP y HHP. En este
  caso se dice que la aplicación utiliza el
  servicio de protocolos ofrecidos por el stack
  RRP/HHP.
• Un ejemplo conocido es TCP/IP.

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Encapsulamiento

• Todo mensaje lleva un encabezamiento llamado
  header.
• Cada protocolo agrega un nuevo header al
  mensaje proporcionado por el nivel superior.
• Para un protocolo, la carga útil o datos de un
  mensaje es solo un conjunto de bits sin
  estructura.

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Encapsulamiento

• Normalmente el header se ubica al comienzo del
  mensaje. Por ejemplo

RRP
Datos
Header que agrega RRP
Carga útil
55
Encapsulamiento
aplicación
aplicación
dato
dato
RRP
RRP
HHP
HHP
PP
PP
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Encapsulamiento

• La figura anterior muestra el proceso de
  encapsulamiento. En cada nivel un protocolo
  encapsula el mensaje proveniente del nivel
  superior.
• En el nivel inferior, el protocolo PP (Physical
  Protocol) es el encargado de enviar el mensaje
  por la red a su protocolo par.

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Multiplexión y Demultiplexión

• La misma idea que se aplica en la capa física, se
  aplica en un grafo de protocolo.
• Cada protocolo puede recibir mensajes de
  múltiples protocolos o aplicaciones.
• El encabezamiento contiene un campo normalmente
  llamado protocol que contiene un número que
  identifica al protocolo que pertenece el mansaje.

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MUX y DEMUX en protocolos
RRP
MSP
HHP
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Estándares en Arquitecturas

• Existes muchas arquitecturas de redes, entre las
  cuales se encuentran arquitecturas propietarias y
  arquitecturas abiertas.
• La ISO fue la primera organización en definir
  formalmente una forma estándar de conectar
  computadores. Esta arquitectura se denomina
  Open System Inteconnection o arquitectura OSI

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Arquitectura OSI

• OSI define 7 niveles
• Físico se ocupa transmitir bits sin estructura
  sobre un enlace de comunicaciones.
• Enlace de datos se ocupa transmitir tramas con
  de información a través de un enlace. Se ocupa
  también de la detección de corrupción de datos y
  la coordinación de uso de medios físicos
  compartidos.

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Arquitectura OSI

• Red Permite que cualquier par de Host en la red
  se puedan comunicar entre si, es decir, provee un
  servicio Host a Host resolviendo el cálculo de
  ruta y la fragmentación y reensamblado de
  paquetes.
• Transporte Establece un canal abstracto proceso
  a proceso se ocupa de la pérdida de paquetes,
  duplicados y reordenamiento de paquetes. Los
  protocolos de esta capa y de las capas superiores
  corren en los host y no en los nodos intermedios

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Arquitectura OSI

• Sesión Permite el manejo de diferentes flujos
  de transporte que son parte de una misma
  aplicación. Por ejemplo stream de audio y video
  que se combinan para una video conferencia,
  control de diálogo.
• Presentación Presentación de datos (big endian,
  little endian)
• Aplicación ftp, www,

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Arquitectura OSI
Aplicación
Aplicación
Presentación
Presentación
Sesión
Sesión
Transporte
Transporte
Red
Red
Red
Red
Enlace datos
Enlace datos
Enlace datos
Enlace datos
Física
Física
Física
Física
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Arquitectura Internet o TCP/IP

• La arquitectura llamada Internet es una evolución
  de la red de packet switching llamada ARPANET.
• En vez de 7 capas sólo tiene 4. En el menor nivel
  se acepta una gran variedad de protocolos de
  redes de distintas tecnologías.
• El corazón de la arquitectura es el protocolo de
  red llamado IP.

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Arquitectura Internet o TCP/IP

• La tercera capa contiene dos protocolos
  principales UDP y TCP. Ambos proveen canales
  lógicos a las aplicaciones.
• Tanto TCP como UDP se les denomina protocolos end
  to end para enfatizar su funcionalidad.
  Corresponden a la capa de transporte de OSI.

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Arquitectura Internet o TCP/IP

• Sobre la capa de transporte existen muchos
  protocolos de aplicación tales como ftp, tftp,
  smtp.
• La siguiente transparencias se muestra en forma
  gráfica la arquitectura y el grafo de protocolos.

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Arquitectura y grafo de protocolos
ftp
ftp
ftp
ftp
Aplicación
TCP
UDP
TCP
UDP
IP
IP
Red
Red1
Red1
Red1
Red1
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5 Software de Red

• Cómo construir una aplicación de red?
• Para esto es necesario saber que
• Los protocolos se implementan en software.
• Actualmente todos los sistemas computacionales
  implementan los protocolos de red como parte
  integral del sistema operativo.
• Es el sistema operativo quien proporciona la
  interfaz (API) a su subsistema de red.

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La Interfaz Socket

• Si bien cada sistema operativo es libre para
  proporcionar su propia API de red, con el tiempo
  la interfaz desarrollada en Berkeley y
  distribuida en UNIX llamada Socket.
• Un socket se puede ver como un punto de acceso
  lógico en el cual una aplicación se conecta a la
  red.

70
La Interfaz Socket

• La interfaz define operaciones para
• Crear un socket
• Ligar el socket a la red
• Enviar y recibir mensajes a través del socket
• Cerrar el Socket
• La utilización del socket se mostrará a través de
  una pequeña aplicación escrita en Python.

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Socket un ejemplo

• Se muestra a continuación una aplicación que
  consiste en un servidor que está a la espera de
  conexiones por parte de clientes.
• Como es un ejemplo para mostrarlo en un sistema
  tipo UNIX, se toma la local loop como dirección
  IP (127.0.0.1)

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Código cliente

• !/usr/bin/python
• connecting side.Client side
• from socket import
• rsocket(AF_INET, SOCK_STREAM)
• r.connect(('127.0.0.1',44444))
• tr.recv(1024) Recibe hasta 1024B
• print t

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Código servidor

• listening side.Server
• from socket import
• ssocket(AF_INET, SOCK_STREAM) AF_INET
  internet, SOCK_STREAM TCP
• s.bind(('127.0.0.1',44444)) 127.0.0.1 es el
  local loopback
• s.listen(10) Fija el largo de cola de
  conecciones pendientes
• count1
• hola'Hola, soy el servidor. Esta es la conexion
  numero '

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Código servidor

• while 1
• q,vs.accept() Retorna el socket q y
  
  direccion v
• print 'mensaje desde ', v
• mensajeholastr(count)
• q.send(mensaje)
• count1

75
FIN

• Introducción