Dominando la Capa de Enlace: Protocolos de Red, Cableado Estructurado y Formato de Tramas

Capa de Enlace: Protocolos y Fundamentos de Red

Protocolos de Acceso al Medio

Los protocolos de acceso al medio en la capa de enlace determinan cómo los dispositivos comparten un medio de transmisión común para evitar colisiones y asegurar una comunicación eficiente.

Protocolos de Contienda (Acceso Aleatorio)

En estos protocolos, varias estaciones compiten por el acceso al medio de transmisión. No se asegura la transmisión en un tiempo determinado (no acotado).

• ALOHA Puro:

  Óptimo para tráficos bajos, con un rendimiento máximo teórico del 18,4%. La estación transmite la trama inmediatamente sin verificar el estado del medio. Si se detecta una colisión (por falta de acuse de recibo), la trama se retransmite después de un tiempo aleatorio.

  Fórmula de rendimiento (S, throughput) en función de la carga ofrecida (G): S = G * e^-2G.

• ALOHA Ranurado:

  Mejora el rendimiento de ALOHA Puro, alcanzando un 36,8%. El tiempo se divide en ranuras discretas, y las transmisiones solo pueden comenzar al inicio de una ranura. Esto reduce la ventana de vulnerabilidad a la mitad.

  Fórmula de rendimiento: S = G * e^-G.

Protocolo CSMA (Acceso Múltiple con Detección de Portadora)

Permite un tamaño de trama variable. Antes de transmitir, la estación "escucha" el medio para detectar si está ocupado. Si hay transmisión simultánea de varias estaciones, se produce una colisión, gestionada con tiempos de espera aleatorios.

• CSMA 1-Persistente:

  Si el medio está ocupado, la estación espera hasta que esté libre y luego transmite con probabilidad 1. Es óptimo para tráfico bajo y continuado.

• CSMA No Persistente (0-Persistente):

  Si el medio está ocupado, la estación espera un tiempo aleatorio antes de volver a intentar. Genera menos colisiones que el 1-persistente y ofrece un buen rendimiento en tráfico elevado, aunque el tiempo de espera puede aumentar.

• CSMA p-Persistente:

  Combina características de los anteriores, siendo adecuado para tráficos medios. Si el medio está libre, la estación transmite con probabilidad p. Con probabilidad 1-p, espera un tiempo discreto y vuelve a intentar.

• CSMA/CD (Detección de Colisiones):

  Similar a los protocolos CSMA, pero si se detecta una colisión durante la transmisión, esta se interrumpe inmediatamente y se envía una señal de "jamming" para asegurar que todas las estaciones detecten la colisión. La retransmisión se realiza después de un tiempo aleatorio. Ampliamente utilizado en redes de área local (LAN) como Ethernet.

Protocolos Sin Contienda (Acceso Controlado)

En estos protocolos, se asignan turnos a cada dispositivo, garantizando que cada uno tenga una oportunidad de transmitir en un tiempo determinado. El inconveniente es que los dispositivos deben esperar su turno.

• Mapa de Bits:

  Se utiliza una secuencia de bits (un bit por estación) para indicar qué estación tiene permiso para transmitir (0: no transmite, 1: transmite). La información se envía a todas las estaciones. El tiempo de transmisión es variable y es óptimo para mucho tráfico.

  Rendimiento: bits de datos transmitidos / bits totales (bits de datos + mapa de bits).

  Tiempo máximo de espera: tiempo_mapa_bits + número_estaciones * tiempo_máximo_estación. Este problema de tiempo de espera creciente se soluciona con el protocolo BRAP.

• BRAP (Broadcast Recognition Access Protocol):

  Cuando una estación se marca con un '1' en el mapa de bits, se le asigna un tiempo para transmitir. Una vez que termina su transmisión, se continúa con el proceso del mapa de bits.

• MLMA (Multi-Level Multiple Access):

  Óptimo para tráficos elevados. Reduce el número de bits necesarios para efectuar la reserva de acceso mediante el uso de rangos o niveles de prioridad.

Protocolos de Contienda Limitada

Estos protocolos combinan características de los protocolos de contienda y sin contienda. Se forman grupos de estaciones, y dentro de cada grupo se aplica un protocolo de contienda. Son óptimos para tráficos medios.

• Recorrido de Árbol:

  Este método utiliza una estructura de árbol para resolver colisiones. En situaciones de tráfico elevado, se asignan menos estaciones por grupo para reducir la probabilidad de colisión. En tráfico bajo, se pueden asignar más estaciones por grupo.

  El nodo de inicio para la resolución de colisiones se puede determinar mediante log₂(i), donde i es el número de estaciones.

Cableado Estructurado: Componentes y Parámetros Clave

El cableado estructurado es la infraestructura de cableado de un edificio o campus que consiste en una serie de subsistemas estandarizados. Ofrece una gran flexibilidad y utiliza principalmente cable de par trenzado (UTP/FTP) y fibra óptica.

Categorías de Cableado de Par Trenzado

• Categoría 3 (Cat3): Hasta 16 MHz. Utilizado principalmente para telefonía.
• Categoría 4 (Cat4): Hasta 20 MHz. Menos común, para redes Token Ring.
• Categoría 5 (Cat5): Hasta 100 MHz. Estándar para Ethernet 100BASE-TX.
• Categoría 5e (Cat5e): Hasta 100 MHz, compatible con Gigabit Ethernet (1000BASE-T). Mejora las especificaciones de diafonía.
• Categoría 6 (Cat6): Hasta 250 MHz (a veces 200 MHz en algunas implementaciones). Recomendado para cableado horizontal y soporta 10 Gigabit Ethernet a distancias limitadas.
• Categoría 7 (Cat7): Hasta 600 MHz, utiliza cable STP (Shielded Twisted Pair) para un mejor apantallamiento.

Parámetros de Rendimiento del Cableado

• Atenuación (dB): Pérdida de señal en el medio de transmisión a lo largo de la distancia. Varía con la frecuencia (a menor valor de atenuación, mejor es el medio de transmisión).
• Impedancia (Ohm): Resistencia que presenta el medio a una frecuencia determinada (típicamente entre 90-150 Ohm para cables de red).
• Resistencia (Ohm): Resistencia eléctrica que presenta el conductor medida en corriente continua.
• NEXT (Near-End Crosstalk) (dB): Nivel de diafonía (interferencia) de un par de hilos sobre otro par adyacente, medido en el mismo extremo donde se inyecta la señal (cuanto mayor sea el valor en dB, mejor es el aislamiento).
• FEXT (Far-End Crosstalk) (dB): Similar al NEXT, pero la interferencia se mide en el extremo opuesto del cable (cuanto mayor sea el valor en dB, mejor es el aislamiento).
• ELFEXT (Equal-Level Far-End Crosstalk): Una medida de la diafonía de extremo lejano que compensa la atenuación.
• Power-Sum NEXT (PSNEXT) y Power-Sum ELFEXT (PSELFEXT): Miden el nivel de aislamiento en pares vecinos cuando hay señal en todos los pares simultáneamente, simulando un entorno de red real.
• ACR (Attenuation-to-Crosstalk Ratio) y Power-Sum ACR (PSACR) (dB): Relación entre la atenuación y la diafonía (NEXT o PSNEXT). Cuanto mayor sea este valor, mejor es la relación señal/ruido y, por tanto, el rendimiento del cable.
• Pérdida de Retorno (Return Loss) (dB): Mide el efecto de reflexión de la señal en los extremos del medio de transmisión debido a desajustes de impedancia. Un valor más bajo indica una mayor señal reflejada, lo cual es indeseable.
• Tiempo de Propagación (ns): Tiempo que tarda una señal en viajar de un extremo a otro del cable (los valores típicos varían según la longitud y el tipo de cable, por ejemplo, 500 ns para 100m de Cat5e).
• Diferencia de Tiempos de Propagación (Delay Skew): Valor máximo de diferencia en el tiempo de propagación entre los diferentes pares de un mismo cable (idealmente +/- 50 ns). Una gran diferencia puede causar errores en transmisiones de alta velocidad.

Tipos de Cableado Estructurado

• Cableado Horizontal:

  Conecta los dispositivos de usuario final (estaciones de trabajo, teléfonos IP, puntos de acceso Wi-Fi) a los armarios de telecomunicaciones (cuartos de equipos). Utiliza conectores RJ45 (8 contactos, 8 hilos, con o sin apantallamiento FTP/STP).

  La distancia máxima permitida es de 90 metros de cable permanente, más 10 metros de latiguillos (patch cords) en total (5m en el armario y 5m en el puesto de trabajo). Se recomienda una toma doble por usuario, y una toma doble adicional por cada dos usuarios para flexibilidad.

• Cableado Vertical (Backbone):

  Proporciona la interconexión entre los diferentes armarios de telecomunicaciones, cuartos de equipos y la entrada de servicios del edificio. Se utiliza cable que soporte distancias largas y altas velocidades, como la fibra óptica (F.O.).

  Comúnmente se emplea fibra multimodo 50/125 µm, con una configuración de 8 fibras por armario para optimizar costes y capacidad. A mayor longitud de onda de la luz utilizada, mejor es la señal y mayor la distancia que puede cubrir. Los conectores típicos para fibra óptica son ST y SC, aunque también se usan LC y MPO/MTP.

Formato de Tramas Ethernet

Una trama Ethernet es la unidad de datos que se transmite en la capa de enlace. Contiene una cabecera con información de control y las direcciones, el campo de datos y una secuencia de chequeo de trama. La transmisión es serializada (bit a bit), siguiendo un formato LSB (Least Significant Bit) a MSB (Most Significant Bit).

Campos de la Trama Ethernet

• Preámbulo (7 octetos):

  Secuencia de 7 octetos de '10101010'. Se utiliza para la sincronización de reloj entre el emisor y el receptor, preparando al receptor para la llegada de la trama. A menudo se utiliza la codificación Manchester.

• Indicador de Comienzo de Trama (Start Frame Delimiter - SFD) (1 octeto):

  Secuencia '10101011'. Marca el final del preámbulo y el comienzo real de la trama, indicando que los siguientes bits son parte de la dirección de destino.

• Dirección MAC de Destino (6 octetos) y Dirección MAC de Origen (6 octetos):

  Identifican al remitente y al destino de la trama. Son direcciones físicas de 6 octetos (48 bits) únicas para cada interfaz de red.

  • El LSB (bit menos significativo) del primer octeto de la dirección de destino indica el tipo de dirección:
    • 0: Dirección individual (Unicast), destinada a una única unidad de red.
    • 1: Dirección de grupo (Multicast/Broadcast), destinada a un grupo de unidades o a todas las unidades de la red (en el caso de broadcast, todos los bits son 1).
  • El segundo bit del primer octeto (el bit universal/local) indica el tipo de administración:
    • 0: Administración global (dirección universalmente administrada, UAA), asignada por el fabricante.
    • 1: Administración local (dirección localmente administrada, LAA), asignada por el administrador de la red.
  • En tramas Ethernet II, los primeros 3 octetos de la dirección de origen (y destino) identifican al fabricante (identificador de organización, OUI) del adaptador de red, y los últimos 3 octetos identifican de forma única al adaptador dentro de ese fabricante. Estas direcciones pueden ser físicas (grabadas en hardware) o virtuales (asignadas por software).
• Longitud/Tipo de Protocolo (2 octetos):

  Este campo de 2 octetos tiene un doble propósito:

  • En tramas IEEE 802.3, indica la longitud del campo de datos de la trama.
  • En tramas Ethernet II, indica el tipo de protocolo de capa superior encapsulado en el campo de datos (por ejemplo, IP, ARP).
• Campo de Datos (variable):

  Contiene los datos de la capa superior (por ejemplo, un paquete IP). Su tamaño varía, pero debe estar entre 46 y 1500 octetos para cumplir con la longitud mínima y máxima de la trama Ethernet.

• PAD (Relleno) (variable):

  Campo de relleno utilizado para asegurar que la trama alcance la longitud mínima requerida de 64 octetos (incluyendo la cabecera y la secuencia de chequeo de trama). Si el campo de datos es demasiado corto (menos de 46 octetos), se añaden octetos de relleno hasta alcanzar el mínimo.

• Secuencia de Chequeo de Trama (Frame Check Sequence - FCS) (4 octetos):

  Se utiliza para la detección de errores en la trama. Consiste en un código CRC (Cyclic Redundancy Check) de 32 bits. Para calcularlo, el emisor aplica un algoritmo CRC a los campos de la trama (desde la dirección de destino hasta el campo de datos, incluyendo el PAD) y añade el resultado al final.

  En el destino, la trama recibida (incluyendo el FCS) se somete al mismo algoritmo CRC. Si el resultado es diferente de cero, se detecta un error y la trama se descarta. Si el resultado es cero, la trama se considera válida (aunque el CRC no puede detectar todos los tipos de errores, es muy efectivo para la mayoría de los errores de transmisión).