Tema 27: Redes de ordenadores

Técnicas de transmisión y Ethernet

En una red local los datos viajan sobre un medio de transmisión físico (cobre, fibra o aire) empleando distintas técnicas de transmisión. Este apartado cubre los modos de transmisión, los medios guiados (par trenzado, coaxial y fibra óptica), las técnicas de multiplexación y la familia de estándares Ethernet / IEEE 802.3.

Modos y sentidos de la transmisión

Según el sentido en que circula la información se distinguen tres modos de transmisión:

• Símplex: la transmisión se produce en un solo sentido (emisor → receptor).

• Semidúplex (half-duplex): permite la transmisión en ambos sentidos pero de manera alterna, nunca a la vez.

• Dúplex total (full-duplex): permite la transmisión en ambos sentidos de manera simultánea.

Según el número de hilos físicos se habla de transmisión a dos hilos (sistema de transmisión en baja frecuencia) y transmisión a cuatro hilos (dos pares, uno por sentido). La diferencia entre dos y cuatro hilos está en el número de hilos físicos empleados. En la transmisión a 4 hilos equivalentes no existen cuatro hilos físicos: los dos sentidos se simulan ocupando frecuencias diferentes sobre el mismo par de hilos.

Los sistemas analógicos utilizan señales analógicas, sus equipos están adaptados a ese tipo de señal y usan, en general, cuatro hilos; requieren repetidores, transformadores y bobinas. La transmisión telefónica en baja frecuencia (BF) prácticamente no se usa por las dificultades de canalización de esas frecuencias. Los sistemas digitales utilizan señales digitales y pueden canalizarse tanto por medios eléctricos como ópticos.

Multiplexación: MDF/FDM y TDM

La multiplexación por división de frecuencia (MDF/FDM) es una técnica de transmisión que convierte cada fuente, de varias que ocupaban el mismo espectro, a una banda distinta de frecuencias, transmitiéndose de forma simultánea por un solo medio. Se emplea tradicionalmente en transmisiones telefónicas con señales analógicas (técnica asociada a la MDF – Main Distribution Frame, cuyo elemento clave son los equipos multiplexor y demultiplexor), usada en sistemas analógicos.

La multiplexación por división de tiempo (TDM) asigna el ancho de banda total del medio a cada canal durante una fracción del tiempo total. Se usa en transmisiones telefónicas con señales digitales; las muestras periódicas se codifican a flujo binario mediante PCM y requiere un proceso de sincronismo o alineación entre emisor y receptor para asignar a cada muestra su canal.

En la estructura jerárquica de la red digital, la red de acceso la constituyen los bucles de abonado de cada usuario, y los nodos locales son las centrales digitales a las que se conectan dichos bucles.

Par trenzado

El cable de par trenzado se clasifica según dos criterios: categorías y clase. El trenzado reduce interferencias, por lo que hay que guardar la numeración de los pares para que el trenzado sea eficaz y no disminuya la capacidad de transmisión. Tipos: UTP (no apantallado), STP (apantallado) y SFTP (totalmente blindado). El PVC es un material de cubierta, no un tipo de par trenzado.

El UTP carece de recubrimiento metálico (que sí caracteriza al apantallado); se usa principalmente en la transmisión de datos en redes LAN. Las especificaciones aplicables son TIA/EIA-568-A y TIA/EIA-569-A, y la organización que desarrolla las normas de cableado voluntario para telecomunicaciones es la TIA.

Cable coaxial

Empleado en redes de banda ancha, el coaxial tiene un conductor central, una capa aislante dieléctrica que separa el conductor central y la malla, y una malla que sirve como referencia de tierra y retorno de las corrientes. En variante plenum el aislamiento y la clavija usan materiales resistentes al fuego. Su calidad depende de todos los factores del conjunto de sus componentes.

Fibra óptica

La fibra óptica es un enlace hecho con un hilo muy fino de material transparente de pequeño diámetro por cuyo núcleo se envían pulsos de luz, no eléctricos. Sus componentes son núcleo, revestimiento y cubierta externa. Un modo de propagación es el camino que sigue un haz de luz en su interior; según ese mecanismo la fibra es monomodo o multimodo. Se logra monomodo reduciendo el diámetro del núcleo. El diámetro de núcleo de la multimodo es MAYOR que el de la monomodo (afirmar lo contrario es incorrecto); gracias a ese mayor diámetro y a una apertura numérica mayor, la multimodo tiene mayor capacidad de recolección de luz, pero también mayor pérdida por dispersión de la onda luminosa, por lo que se usa en transmisiones de corta distancia. La monomodo alcanza 100–200 km con láser de alta intensidad, soporta hasta 100 Gbit/s o más y, en tipo OS2, ofrece la mayor longitud de enlace a 10 Gbps.

Ventajas: poco espacio, gran ancho de banda (transmite datos con luz), resistencia a interferencias, insensibilidad a señales parásitas (coexiste con cables de energía), fácil localización de cortes por reflectometría y detección de intrusión sencilla. Desventajas: es frágil y difícil de reparar y no transmite energía eléctrica (no puede alimentar repetidores intermedios: la energía debe proveerse por conductores separados). Las fibras de vidrio (usadas en interurbanos) frente a las de plástico se diferencian por la atenuación (pérdida de potencia a través del medio). Otras pérdidas: por radiación (dobleces), de Rayleigh (irregularidades de fabricación), por acoplamiento (mal alineamiento en uniones) y dispersión cromática. El pulido UPC tiene menos pérdidas de retorno; F no es un conector de fibra.

Cables: el de estructura holgada consta de varios tubos de fibra rodeando un miembro central de refuerzo con cubierta protectora (exteriores/interiores), usa varilla flexible metálica o dieléctrica para tracción y gel hidrófugo antihumedad; el de estructura ajustada se usa en interiores. La fibra sirve también como sensor (intrínseco = la fibra es el elemento sensorio; giróscopo mide velocidad angular).

Ethernet e IEEE 802.3

Ethernet define las características de cableado y señalización y sirvió de base para la estandarización de IEEE 802.3. No solo admite UTP (afirmarlo es falso). Fast Ethernet (100 Mbps) incluye: 100BASE-TX (2 pares STP/UTP Cat 5; NO es de 10 Mbps), 100BASE-FX y 100BASE-SX (fibra óptica). El estándar IEEE 802.3af (PoE) suministra energía a un dispositivo a través del cable Ethernet de datos. Un cable cruzado en 10BASE-T intercambia los pares TX y RX. La unidad máxima de transferencia (MTU) NO pertenece al nivel físico. Para transporte, TCP es el protocolo orientado a conexión, adecuado para archivos grandes.

Fuentes

• IEEE 802.3u-1995, Fast Ethernet (100BASE-T): https://standards.ieee.org/ieee/802.3u/1079/

• IEEE 802.3 Ethernet Working Group: https://www.ieee802.org/3/

• TIA TR-42 Telecommunications Cabling (TIA/EIA-568): https://tiaonline.org/

• ISO/IEC 11801 (categorías/clases de cableado): https://www.iso.org/standard/66182.html

• Fast Ethernet (resumen técnico): https://en.wikipedia.org/wiki/Fast_Ethernet

Métodos de acceso al medio

En una red local (LAN) el medio de transmisión suele ser compartido por varias estaciones. El control de acceso al medio (MAC) es el conjunto de reglas que determina cuándo y cómo cada dispositivo puede transmitir, con el fin de gestionar y regular el acceso de los dispositivos a la red para evitar colisiones y el consiguiente deterioro del rendimiento. Este es precisamente el propósito del control de acceso en topologías compartidas, como las de anillo.

La capa de enlace y sus subcapas

En la arquitectura de redes LAN definida por el comité IEEE 802, la capa de enlace de datos (nivel 2 del modelo OSI) se divide en dos subcapas:

• Subcapa LLC (Logical Link Control) — subcapa superior, definida en IEEE 802.2. Ofrece una interfaz independiente del medio hacia la capa de red y se encarga del control de flujo, direccionamiento lógico y control de errores.

• Subcapa MAC (Medium Access Control) — subcapa inferior. Implementa el método concreto de acceso al medio (CSMA/CD, CSMA/CA, paso de testigo…) y trabaja con las direcciones físicas (MAC).

Así pues, la capa de enlace se divide en subcapa MAC y subcapa LLC.

Clasificación de los métodos de acceso

Los métodos de control de acceso al medio se agrupan en dos grandes familias:

1. Acceso por contienda (aleatorio)

Las estaciones compiten por el medio. Los protocolos CSMA (Carrier Sense Multiple Access, acceso múltiple por detección de portadora) son sus representantes:

• CSMA/CD (Carrier-Sense Multiple Access with Collision Detection, acceso múltiple con detección de portadora y detección de colisiones). La estación escucha el medio; si está libre transmite, y si mientras transmite detecta una colisión, la interrumpe y aplica un algoritmo de retroceso (backoff). Es el método clásico de Ethernet (IEEE 802.3) y, por tanto, el más probable en redes de área local (LAN) con cableado de cobre, donde una estación puede detectar la colisión al comparar la señal emitida con la presente en el cable.

• CSMA/CA (Carrier-Sense Multiple Access with Collision Avoidance, con evitación de colisiones). Se emplea en redes inalámbricas (IEEE 802.11 / Wi-Fi), donde detectar la colisión durante la transmisión no es viable (problema del nodo oculto). Por ello el protocolo trata de evitarlas: escucha el medio y, ante la presencia de una colisión de datos, interrumpe inmediatamente la transmisión, envía un mensaje de retroceso y espera un tiempo aleatorio antes de intentar transmitir nuevamente.

2. Acceso controlado y centralizado

El acceso al medio no se deja al azar, sino que está regulado. Dentro de esta categoría destacan:

• Mecanismos de encuesta (polling): constituyen un método de control de acceso al medio que se utiliza en redes donde el acceso al medio de transmisión es controlado y centralizado. Una estación primaria o controlador encuesta (pregunta) por turno a las estaciones para autorizarles a transmitir. Es, por tanto, el ejemplo típico de método controlado y centralizado.

• Paso de testigo (token passing): circula por la red un testigo (token) electrónico; solo la estación que lo posee puede transmitir. Es un método determinista que controla el acceso a la red mediante la transmisión de un token electrónico a cada host de forma secuencial. Lo emplean tecnologías como Token Ring (IEEE 802.5) y FDDI.

Broadcast frente a paso de testigo

Conviene distinguir dos formas de organizar el tráfico:

• Topología broadcast: envía los datos a todos los hosts del segmento; cada estación decide si la trama va dirigida a ella.

• Transmisión de tokens: controla el acceso a la red mediante la transmisión de un token electrónico a cada host de forma secuencial, evitando que dos estaciones transmitan a la vez.

Modos de transmisión: símplex, semidúplex y dúplex

Según el sentido de la comunicación se distingue:

• Símplex: transmisión en un único sentido (p. ej., radio o televisión).

• Semidúplex (half-duplex): ambos sentidos, pero no simultáneamente; se alterna el turno. El ejemplo clásico es el walkie-talkie.

• Dúplex completo (full-duplex): transmisión en ambos sentidos de forma simultánea (p. ej., la telefonía).

Por ello es erróneo afirmar que «los walkie-talkies son un ejemplo de comunicación full-duplex»: en realidad son semidúplex, ya que no permiten hablar y escuchar al mismo tiempo.

Protocolo de transporte fiable: TCP

Aunque el acceso al medio pertenece a la capa de enlace, la fiabilidad extremo a extremo la aporta la capa de transporte. TCP (Transmission Control Protocol) es el protocolo de transporte que proporciona una entrega confiable de paquetes y que utiliza un esquema de numeración de secuencias y reconocimiento de recepción (ACK): numera los segmentos, exige confirmación de su recepción y retransmite los que se pierden, garantizando orden e integridad (a diferencia de UDP, no fiable).

Redes inalámbricas: estándar y propagación

Las LAN inalámbricas siguen las especificaciones de la norma IEEE 802.11 del Instituto de Ingeniería Eléctrica y Electrónica (IEEE), que define la topología y el nivel físico y MAC del Wi-Fi. Dentro de esta serie, el estándar IEEE 802.11r, conocido como Fast Basic Service Set Transition (Fast BSS Transition), está enfocado a permitir la conexión continua e ininterrumpida de clientes en movimiento (roaming rápido entre puntos de acceso), reduciendo la latencia del traspaso y reutilizando el material criptográfico ya negociado.

Efectos físicos sobre la señal inalámbrica

La propagación de las ondas de radio se ve alterada por cuatro fenómenos físicos: reflexión, refracción, difracción y dispersión.

• Reflexión: la señal rebota al chocar con una superficie.

• Refracción: es el cambio de dirección de una señal cuando se transmite de un medio a otro, teniendo la condición de que esos medios tengan distinta densidad.

• Difracción: la onda se curva al bordear un obstáculo.

• Dispersión: la señal se dispersa en múltiples direcciones al incidir sobre superficies rugosas o pequeños objetos.

Estos efectos explican las pérdidas, la atenuación y el desvanecimiento (multipath) característicos de las comunicaciones inalámbricas en las redes de área local.

Fuentes

• IEEE 802.2 – Logical Link Control (subcapas LLC/MAC de la capa de enlace): https://en.wikipedia.org/wiki/Logical_link_control

• Data link layer (subcapas MAC y LLC, métodos de acceso IEEE 802.3/802.5): https://en.wikipedia.org/wiki/Data_link_layer

• IEEE 802.11r-2008 – Fast Basic Service Set Transition: https://en.wikipedia.org/wiki/IEEE_802.11r-2008

• Cisco – 802.11r BSS Fast Transition Deployment Guide: https://www.cisco.com/c/dam/en/us/td/docs/wireless/controller/technotes/80211r-ft/b-80211r-dg.html

• IETF RFC 9293 – Transmission Control Protocol (TCP): https://www.rfc-editor.org/rfc/rfc9293

Dispositivos de interconexión en redes locales

Los dispositivos de interconexión permiten conectar estaciones y segmentos de red entre sí. Se clasifican según la capa del modelo OSI en la que operan: cuanto más alta es la capa, más "inteligente" es el dispositivo y mayor es su capacidad para procesar y encaminar el tráfico.

Tarjeta de red (NIC)

La tarjeta de red o Network Interface Card es el hardware que permite a una computadora conectarse y comunicarse con una red local. Contiene la dirección MAC grabada de fábrica y opera principalmente en las capas física y de enlace.

Concentradores de cableado (hubs)

Un concentrador de cableado (hub) tiene como función centralizar las conexiones de las estaciones de una red LAN en topología física de estrella. Opera en la capa física: reenvía la señal recibida por un puerto hacia todos los demás puertos, sin analizar direcciones, por lo que forma un único dominio de colisión.

Se distinguen dos tipos:

• Concentradores pasivos: actúan como un simple punto de conexión; se limitan a interconectar los cables sin amplificar ni regenerar la señal.

• Concentradores activos: además de centralizar, amplifican y regeneran las señales recibidas antes de reenviarlas, lo que permite alcanzar mayores distancias. Esta es precisamente la diferencia entre ambos: el pasivo solo concentra, mientras que el activo también amplifica y regenera.

Puentes (bridges) y conmutadores (switches)

El puente (bridge) trabaja al nivel de enlace (capa 2) del modelo OSI. Su función en una LAN es conectar dos redes locales entre sí, filtrando y reenviando tramas en función de la dirección MAC de destino y segmentando así los dominios de colisión.

El switch de capa 2 es la evolución del puente con muchos puertos. La diferencia clave entre un hub y un switch es que el switch dispone de una pequeña memoria asociativa (tabla CAM) en la que guarda las direcciones físicas (MAC) aprendidas en cada puerto, de modo que reenvía la trama solo al puerto de destino; el hub carece de esa memoria y difunde a todos los puertos.

Seguridad en switches: MAC "sticky"

En la administración de seguridad de puertos (port security), una dirección MAC de tipo "sticky" es una dirección aprendida dinámicamente que se convierte en parte de la configuración en ejecución (running-config) y puede guardarse de forma permanente. A diferencia de las direcciones dinámicas normales (que no se escriben en la configuración), las sticky se añaden a la running-config; si se guardan en el fichero de configuración de arranque, el puerto no necesita reaprenderlas tras un reinicio.

Spanning Tree Protocol (STP) y BPDUs

Cuando existen enlaces redundantes entre switches pueden formarse bucles de nivel 2. El Spanning Tree Protocol (STP), definido en IEEE 802.1D, los evita construyendo un árbol lógico sin bucles. Para ello los switches intercambian BPDUs (Bridge Protocol Data Units), que son el nombre de los paquetes que utiliza el protocolo STP para determinar la topología de la red y evitar la aparición de bucles en redes de datos. Mediante las BPDUs se elige el root bridge, se calculan los costes de camino y se bloquean los puertos redundantes.

VLANs e IEEE 802.1Q

El estándar IEEE 802.1Q define el etiquetado (tagging) de VLANs en redes Ethernet, insertando una etiqueta de 4 bytes en la trama. Dentro de esa cabecera, el campo PCP (Priority Code Point), de 3 bits, permite definir 8 niveles de prioridad de tráfico (Class of Service), del 0 (best effort) al 7 (máxima prioridad), integrando así la funcionalidad de QoS del antiguo IEEE 802.1p.

Routers (encaminadores)

El router opera en la capa de red (capa 3). Su rasgo distintivo es que utiliza tablas de encaminamiento (routing tables) para decidir, en función de la dirección IP de destino, la mejor ruta hacia otra red. Trabaja con direcciones lógicas (IP), no físicas; por ello NO es característico de un router disponer de una memoria asociativa donde guarde las direcciones físicas (MAC) de los equipos conectados a sus puertos, ya que esa memoria CAM basada en MAC es propia del switch de capa 2.

Protocolos de encaminamiento de estado de enlace

Los protocolos de routing se dividen en vector distancia (p. ej. RIP) y estado de enlace (link-state). El principal protocolo de estado de enlace es OSPF (Open Shortest Path First), definido en la RFC 2328 del IETF: cada router mantiene una base de datos idéntica que describe la topología del sistema autónomo y, sobre ella, calcula la tabla de rutas construyendo un árbol de caminos más cortos (algoritmo de Dijkstra).

Pasarelas (gateways)

Un gateway es un ordenador u otro dispositivo que interconecta redes radicalmente distintas y opera en la capa de aplicación (capa 7) del modelo OSI. Realiza conversiones de protocolo completas (por ejemplo, entre arquitecturas o formatos incompatibles), siendo el dispositivo de interconexión de nivel más alto.

Protocolo de transporte para tiempo real

Aunque no es un dispositivo, conviene recordar que, en la capa de transporte, UDP es el protocolo más adecuado para aplicaciones en tiempo real como VoIP o videoconferencias: al no establecer conexión ni retransmitir, ofrece baja latencia, prefiriéndose a TCP donde la puntualidad importa más que la fiabilidad absoluta.

Red perimetral (DMZ)

Una red perimetral (o DMZ, Demilitarized Zone) es una red local que se sitúa entre la red interna de una organización y una red externa (típicamente Internet). En ella se ubican los servicios accesibles desde el exterior (web, correo, DNS), aislándolos de la red interna para reforzar la seguridad.

Fuentes

• IETF — RFC 2328, OSPF Version 2 (protocolo de estado de enlace): https://datatracker.ietf.org/doc/html/rfc2328

• IEEE 802.1D — MAC Bridges / Spanning Tree Protocol (BPDUs, prevención de bucles): https://www.ieee802.org/1/pages/802.1D.html

• IEEE 802.1Q — Bridges and Bridged Networks (etiquetado de VLAN, campo PCP): https://www.ieee802.org/1/pages/802.1Q.html

• Microsoft Learn — IEEE 802.1p Priority Levels (8 niveles de prioridad / CoS): https://learn.microsoft.com/en-us/windows-hardware/drivers/network/ieee-802-1p-priority-levels

• Cisco — Port Security Configuration Guide (direcciones MAC sticky en la running-config): https://www.cisco.com/c/en/us/td/docs/switches/lan/catalyst9400/software/release/16-10/configuration_guide/sec/b_1610_sec_9400_cg/b_1610_sec_9400_cg_chapter_011100.pdf