Fundamentos de Redes de Computadoras: Arquitectura, Protocolos y Topologías

Niveles de la Arquitectura de Red

Nivel Físico

El nivel físico se encarga de las especificaciones de los medios de transmisión, incluyendo:

• Codificación y Modulación.
• Tipo de conexión: punto a punto, difusión o multiplexación.
• Topología física.
• Modo de explotación: simplex, dúplex o semidúplex.
• Tipos de transmisión: serie/paralelo, síncrona o asíncrona.

Nivel de Enlace

Su objetivo principal es realizar una transmisión libre de errores. Para ello, lleva a cabo las siguientes funciones:

• Realizar el tramado.
• Control de acceso al medio.
• Control de flujo.
• Control de errores.
• Direccionamiento físico.

Nivel de Red

Se encarga de transmitir información entre hosts situados en redes distintas. Cabe destacar que no asegura que el paquete llegue a su destino. Sus funciones principales son:

• Direccionamiento IP.
• Enrutamiento de paquetes.
• Encapsulación de segmentos y desencapsulación de tramas.
• Control de congestión.

Métodos de Control de Acceso al Medio

En estos métodos, el medio se reparte entre varios usuarios:

• FDM (Frequency Division Multiplexing): Cada usuario utiliza una banda de frecuencia específica para transmitir.
• TDM (Time Division Multiplexing): Acceso al medio por turnos preestablecidos durante una "rodaja" o intervalo de tiempo.
• WDM (Wavelength Division Multiplexing).

Paso de Testigo (Token Passing)

1. Se pone en circulación el testigo.
2. Cuando un equipo quiere transmitir, coge el testigo y envía los datos.
3. Cada nodo comprueba si la información va dirigida a él. Si no es así, la reenvía al siguiente.
4. Si la información es para él, copia y comprueba la trama de datos, modificando 4 bits para indicar que ha llegado correctamente, y la reenvía al emisor.
5. El emisor recibe la trama: si todo es correcto, descarta la trama y libera el testigo; de lo contrario, reenvía la trama de datos original.

CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)

1. Escuchar: Comprobar que no hay tráfico en la línea (ausencia de voltaje).
2. Copia la trama a enviar y vuelve a escuchar.
3. Si se producen voltajes muy altos (colisión), el equipo deja de transmitir, espera un tiempo aleatorio a que la línea quede libre y vuelve a intentar la transmisión.
4. Si no hay colisión, elimina la copia de la trama y finaliza el proceso.

Especificaciones y Cálculos en IPv4

• Longitud de cabecera IPv4: Se mide en palabras de 32 bits (4 bytes). Dado que el campo tiene 4 bits, el tamaño máximo de la cabecera puede ser de 15 palabras de 32 bits. Esto equivale a: 15 x 32 bits/palabra = 480 bits o 15 x 4 bytes/palabra = 60 bytes.
• Tamaño máximo IPv4: El campo tiene 16 bits, por lo que el tamaño máximo del paquete puede ser de 2¹⁶ bytes. Esto resulta en 65.535 bytes.
• Máximo de routers a atravesar: Indicado por el campo Tiempo de Vida (TTL). Al ser un campo de 8 bits, el número máximo de routers es 2⁸ - 1 = 255 routers.
• Máximo de direcciones IP: 2³² direcciones posibles.

Definición y Componentes de una Red

Una red es un conjunto de ordenadores conectados entre sí mediante dispositivos de interconexión, con el fin de compartir recursos y ofrecer servicios. La complejidad y el tamaño de una red dependen de las necesidades que esta cubra.

Componentes básicos:

• Software de red: Forma parte del sistema operativo, tanto en clientes como en servidores.
• Tarjeta o interfaz de red: Ya sea cableada o inalámbrica.
• Dispositivos de interconexión: Tales como switches, routers, etc.
• El medio: Cable o aire (en el caso de redes Wi-Fi).
• Equipos terminales: Dispositivos que transmiten y reciben información (ordenadores, móviles, etc.).

Topologías Físicas de Red

La topología física está definida por la disposición geométrica de las estaciones de trabajo, los cables y los dispositivos de conexión. Su objetivo es determinar la forma más eficiente de dar servicio según el número de estaciones, distancia entre nodos y ancho de banda.

3.1. Topología en Estrella

Todas las estaciones están unidas a un dispositivo central (conmutador o switch). Es la elegida en el estándar oficial de cableado estructurado para redes de área local (LAN).

• Ventajas: Robusta ante averías, fácil diagnóstico de problemas, flexibilidad de crecimiento y bajo coste de instalación.
• Inconvenientes: Requiere mucho cable (aunque es barato) y, si se avería el nodo central, todas las estaciones pierden la conexión.

3.2. Topología en Bus

Todas las estaciones se conectan a un mismo cable llamado bus troncal. Aunque todas reciben la información, solo accede a ella la estación destinataria.

• Ventajas: Instalación fácil y económica; añadir nuevas estaciones es sencillo.
• Inconvenientes: Si falla el bus troncal, el diagnóstico es complejo y toda la red cae; la longitud y el número de estaciones están limitados por la degradación de la señal.

3.3. Topología en Anillo

Cada estación está conectada con las dos estaciones adyacentes. El anillo suele estar formado por dos cables (principal y secundario para redundancia). La señal viaja en una sola dirección y cada estación la regenera.

• Ventajas: Al ser unidireccional, facilita la implementación de fibra óptica.
• Inconvenientes: Si el cableado es de cobre, las tasas de transmisión suelen ser bajas.

3.4. Topología en Árbol

Es una generalización de la topología en estrella donde se conectan switches secundarios al principal, estableciendo una jerarquía.

• Ventajas e inconvenientes: Similares a los de la topología en estrella.

El Modelo de Referencia OSI

Este modelo surge para resolver las carencias de interoperabilidad. No establece protocolos concretos, sino que es un marco de referencia para separar las funciones y servicios en capas.

4.1. Funcionamiento de los Niveles

1. Nivel Físico: Transmisión del flujo de bits a través del medio físico.
2. Nivel de Enlace de Datos: Entrega fiable de datos entre dos equipos (ubicado en la tarjeta de red).
3. Nivel de Red: Entrega de paquetes a través de distintas redes interconectadas.
4. Nivel de Transporte: Reúne los paquetes para reconstruir el mensaje original; supervisa la relación entre ellos.
5. Nivel de Sesión: Controla el diálogo de la red, estableciendo y finalizando sesiones.
6. Nivel de Presentación: Encargado de la sintaxis y formato de la información intercambiada.
7. Nivel de Aplicación: Permite al usuario y al sistema operativo el acceso a los servicios de red.