Dispositivos de Interconexión de Redes: Funciones y Características Esenciales

Dirección MAC

Las direcciones MAC (Media Access Control) suelen ir grabadas de fábrica en el hardware y, en principio, no pueden ser modificadas por el usuario final. Para evitar que existan dos estaciones con la misma dirección MAC en una red, los fabricantes gestionan los rangos de números que asignan a sus dispositivos.

En las direcciones Ethernet y Token Ring, la primera mitad (24 bits) identifica al fabricante (OUI - Organizationally Unique Identifier), y la otra mitad (24 bits) identifica de forma única cada adaptador de red específico de ese fabricante.

Puentes (Bridges)

Los puentes son dispositivos utilizados para interconectar redes, incluso si estas tienen diferentes protocolos a nivel de enlace o diferentes topologías (por ejemplo, Ethernet y Token Ring). Realizan las adaptaciones necesarias para que la comunicación sea posible entre las LAN (Local Area Networks), intercambiando información y gestionando posibles incompatibilidades.

Están formados típicamente por dos conectores (uno para cada red que interconectan) y se comportan como una estación más dentro de cada red. Se diferencian de un HUB (Concentrador) porque el puente actúa como un filtro: solo deja pasar de una red a otra las tramas cuya dirección MAC de destino pertenece a una estación ubicada en la otra red.

Tipos de Construcción

• Hardware dedicado: Un dispositivo específico diseñado para esta función.
• Software: Un ordenador con al menos dos tarjetas de red y software específico que realiza las funciones de puente.

Tipos de Puentes

• Puentes 802.x: Permiten conectar redes que siguen los estándares IEEE 802 (como 802.3 Ethernet, 802.5 Token Ring, 802.11 Wi-Fi).
• Puentes Transparentes (Transparent Bridges): Son los más comunes en redes Ethernet. Operan sin que las estaciones de la red necesiten saber de su existencia (son 'transparentes'). Aprenden las direcciones MAC de las estaciones conectadas a cada uno de sus puertos y trabajan en modo promiscuo (escuchan todo el tráfico).
• Puentes Remotos (Remote Bridges): Se utilizan para interconectar LAN o segmentos de LAN que están separados por una gran distancia geográfica. Cada LAN o segmento tiene un puente local, y estos puentes se conectan entre sí mediante líneas de comunicación WAN (Wide Area Network), como líneas telefónicas o enlaces dedicados.

Router (Encaminador)

Un router es un dispositivo que conecta redes distintas, operando a nivel de red (Capa 3 del modelo OSI). Puede interconectar redes que utilicen el mismo protocolo de red (por ejemplo, IP) o diferentes, siempre que el router pueda manejar ambos. Los niveles superiores (transporte, aplicación) deben ser compatibles entre las redes que se comunican, pero los niveles inferiores (enlace, físico) pueden diferir.

En una WAN (Wide Area Network), cualquier estación intermedia que reenvía paquetes basándose en la dirección de red se considera funcionalmente un router. Un router tiene sus propias direcciones a nivel de red (por ejemplo, direcciones IP) en cada una de las interfaces que conecta a diferentes redes.

Su función principal es el encaminamiento: recibe un paquete, extrae la dirección de red de destino y decide cuál es el mejor camino para enviarlo hacia su destino final. Para tomar esta decisión, utiliza:

• Algoritmos de encaminamiento (Routing Algorithms).
• Tablas de encaminamiento (Routing Tables), que almacenan información sobre las rutas conocidas.
• Opcionalmente, un mapa de la topología de la red.

Pasarelas (Gateways)

Las pasarelas o gateways son dispositivos (o software) que se encargan de la interconexión de redes fundamentalmente diferentes, que utilizan arquitecturas y pilas de protocolos completamente distintas (por ejemplo, interconectar una red TCP/IP con una red OSI, ATM o X.25).

Su propósito es permitir el intercambio de información entre estas redes dispares, realizando las conversiones de protocolo necesarias en múltiples capas del modelo de referencia, a menudo hasta el nivel de aplicación.

Diseño y Tipos

Un gateway suele implementarse en un ordenador con varias tarjetas de red y software especializado para la conversión y comunicación entre los diferentes protocolos.

• Pasarela a nivel de transporte: Realiza la conversión entre protocolos de la capa de transporte.
• Pasarela a nivel de aplicación: Realiza la conversión a nivel de aplicación, siendo la más compleja pero también la más completa (por ejemplo, un gateway de correo electrónico que traduce entre diferentes sistemas de correo).

Problemas Comunes en Gateways

• Tipo de conexión: Manejar diferencias entre redes orientadas a conexión y no orientadas a conexión.
• Direccionamiento: Traducir entre diferentes esquemas de direccionamiento.
• Tamaño del mensaje: Gestionar diferentes tamaños máximos de paquete (MTU), realizando segmentación y reensamblaje si es necesario.
• Control de errores y flujo: Adaptar los mecanismos de control entre las distintas redes.

Conmutadores (Switches)

Un conmutador o switch es un elemento utilizado para interconectar dispositivos dentro de la misma red (generalmente una LAN), operando principalmente a nivel de enlace de datos (Capa 2 del modelo OSI), aunque existen switches de Capa 3 (multilayer switches).

Es considerablemente más eficiente que un puente (especialmente que los antiguos puentes software) y mucho más eficiente que un HUB.

Funciones Principales

• Segmentar una red LAN: Divide una red grande en segmentos más pequeños, lo que ayuda a disminuir el tráfico de red innecesario y reduce las colisiones.
• Optimizar la gestión y aumentar el rendimiento: Al enviar tráfico solo por el puerto necesario, mejora la velocidad y eficiencia de la red.

Funcionamiento

Un switch aprende las direcciones MAC de los dispositivos conectados a cada uno de sus puertos. Cuando recibe una trama:

1. Examina la dirección MAC de destino.
2. Consulta su tabla de direcciones MAC (tabla CAM).
3. Reenvía la trama únicamente por el puerto al que está conectado el dispositivo de destino.
4. Si el destino está en el mismo puerto que el origen, o si la dirección es desconocida o de broadcast, actúa de forma específica (descarta, inunda).

Físicamente, puede parecerse a un HUB, pero su funcionamiento interno es muy diferente. Cada puerto de un switch crea un dominio de colisión separado, lo que significa que los dispositivos conectados a diferentes puertos pueden transmitir simultáneamente sin causar colisiones entre ellos (a diferencia de un HUB, que tiene un único dominio de colisión para todos sus puertos).

Repetidores y Amplificadores

Las señales eléctricas o lumínicas que viajan por un medio de transmisión sufren de atenuación: pierden potencia y se degradan a medida que recorren largas distancias. La cantidad de atenuación depende de la distancia y del tipo de medio de transmisión.

Para contrarrestar este efecto, se utilizan:

• Repetidores (Repeaters): Para transmisión digital. Reciben la señal digital debilitada, la regeneran (eliminan el ruido y la reconstruyen a su forma original) y la retransmiten con su potencia original. Operan a nivel físico (Capa 1 del modelo OSI).
• Amplificadores (Amplifiers): Para transmisión analógica. Simplemente aumentan la potencia de la señal recibida, incluyendo cualquier ruido que la señal haya acumulado.

Ambos dispositivos tienen una conexión de entrada para recibir la señal y una conexión de salida por donde envían la señal regenerada o amplificada.

Limitaciones

• Longitud máxima del cable: Los estándares de red especifican distancias máximas entre dispositivos o repetidores.
• Número máximo de repetidores: No se pueden encadenar infinitos repetidores (por ejemplo, la regla 5-4-3 en Ethernet 10BASE5).
• Amplificación de ruido: Los amplificadores aumentan tanto la señal útil como el ruido, lo que limita su uso en cascada.

Concentradores de Cableado (Hubs)

Los concentradores o hubs son dispositivos básicos de interconexión que operan a nivel físico (Capa 1 del modelo OSI).

Tipos

• Pasivos: Simplemente conectan eléctricamente los cables de los dispositivos conectados, sin regenerar ni amplificar la señal. Son raros en redes modernas.
• Activos: Además de conectar los dispositivos, actúan como repetidores multipuerto. Regeneran y amplifican las señales que reciben antes de retransmitirlas por todos los demás puertos (excepto por el que la recibieron). Son los más comunes.

Funciones y Conexiones

• Conectar estaciones: Se utilizan como punto central en una topología en estrella física.
• Conectar más concentradores: Permiten conectar varios hubs entre sí (generalmente mediante puertos específicos uplink/downlink) para aumentar el tamaño de la red, aunque esto está sujeto a las limitaciones de la tecnología de red (como la regla 5-4-3).

Importante: Todos los puertos de un hub comparten el mismo ancho de banda y pertenecen al mismo dominio de colisión. Esto significa que si dos dispositivos intentan transmitir al mismo tiempo, ocurrirá una colisión que afectará a toda la red conectada al hub. Por esta razón, los hubs han sido mayoritariamente reemplazados por switches en las redes modernas.