Fundamentos de Redes de Comunicación y Arquitectura de Protocolos

– Introducción a las Comunicaciones de Datos y Redes

Modelo de Sistema de Comunicación de Datos

El objetivo principal es el intercambio de información.

• Origen → Canal → Destino

En los sistemas de comunicación digital, los mensajes están formados por un conjunto finito y discreto de valores denominados símbolos.

Fundamentos de la Teoría de la Información

Teoría creada por Shannon, sobre la cual se desarrolla la teoría actual de la comunicación y la codificación. Trata aspectos como la cantidad de información, la capacidad del canal y su proceso de codificación. Establece los límites de máxima velocidad (bits/s) y el grado de compresión de la información.

• Cantidad de información (I): Mide la disminución de incertidumbre. Cuanto menos esperado es un suceso, mayor es la cantidad de información.
• Entropía de una fuente (H): Determina el contenido promedio de información de los símbolos. Representa el número de bits necesarios en promedio.
• Propiedades: Si la probabilidad p(Si) = 1, la entropía es nula. Si los símbolos son equiprobables, la incertidumbre y la entropía son máximas.

Codificación de la Fuente

Proceso de asociar a cada símbolo de la fuente símbolos de un alfabeto (ej. Sb = {0,1}). El número de bits debe ser suficiente para permitir la descodificación.

• Codificación Fija: Ejemplo: ASCII de 7 bits.
• Codificación Variable: Ejemplo: Código Morse.
• Eficiencia: Un código es mejor cuanto más se aproxima su longitud media (L) a la entropía (H).
• Códigos Prefijos: Ninguna palabra de código es prefijo de otra, permitiendo longitud variable.

Tipos de Compresión

• Compresión Sin Pérdida: Los datos descomprimidos son idénticos a los originales (ej. Run-Length, Huffman).
• Compresión Con Pérdida: El resultado tiene menos información que el original (ej. JPEG, MP3, MP4).

Introducción a las Redes de Comunicación

• Red: Conjunto de dispositivos conectados mediante enlaces.
• Nodos: Elementos interconectados.
  • Nodos Finales: Procesan la información (ej. PCs).
  • Nodos Intermedios: Redirigen la información (ej. Routers).
• Enlaces: Vías de comunicación. Pueden ser Punto a Punto (2 nodos) o Multipunto (más de 2 nodos).

Clasificación de las Redes por Área

• PAN: Área personal, menos de 10 metros (Bluetooth, Infrarrojos).
• LAN: Área local, edificios, tecnología de difusión (Ethernet, Wi-Fi).
• MAN: Área metropolitana, una ciudad (TV por cable).
• WAN: Área amplia, países o continentes (RedIris).

Clasificación por Función

• Acceso: Conexión del usuario al servicio (Wi-Fi, GSM).
• Transporte: Concentran el tráfico de las redes de acceso (ATM, SDH).

Conceptos Generales de Protocolos y Servicios

• Entidad: Elemento activo capaz de enviar/recibir información.
• Sistema: Objeto físico con una o más entidades.
• Protocolo: Reglas que regulan el intercambio de datos entre entidades de una misma capa.
• Interfaz: Operaciones que definen la comunicación entre capas adyacentes.

Arquitecturas de Ejemplo

• TCP/IP: 5 capas (Aplicación, Transporte, Internet, Enlace y Física).
• OSI: 7 capas (Aplicación, Presentación, Sesión, Transporte, Red, Enlace y Física).

Introducción a los Sistemas de Conmutación

La conmutación es la técnica para establecer un camino entre nodos. El encaminamiento es la función de los dispositivos para dirigir la información al destino.

Tipos de Conmutación

• Conmutación de Circuitos: Canal dedicado. Fases: Establecimiento → Transferencia → Desconexión. Recursos no compartidos (ej. RTC). Es ineficiente para datos pero transparente para voz.
• Conmutación de Paquetes: Datos divididos en paquetes (≤ 1 kbyte) con información de control.
  • Circuito Virtual: Camino establecido para todos los paquetes; entrega ordenada.
  • Datagramas: Paquetes independientes; pueden llegar desordenados.

Introducción al Encaminamiento y Control de Congestión

• Direccionamiento: Identificar nodos.
• Encaminamiento: Escoger la trayectoria óptima (basada en retardo, fiabilidad, caudal).
• Control de Congestión: Evitar el desbordamiento de nodos intermedios. Se diferencia del Control de Flujo en que involucra a toda la red, no solo al extremo.

Introducción a la Normalización

Organismos principales:

• ISO: Creador del modelo OSI.
• ETSI: Normalización de TICs en Europa.
• ITU: Estándares de telecomunicaciones (ITU-R, ITU-T, ITU-D).
• IEEE: Destacado en redes LAN.
• IETF: Gestión de estándares de Internet (RFCs).

– Arquitectura de Protocolos

La lógica de comunicación se divide en módulos. Las entidades pares (misma capa) intercambian PDUs (Unidades de Datos de Protocolo).

Funciones de las Arquitecturas

• Encapsulado: Las PDUs de una capa se incluyen en la PDU de la capa inferior.
• Segmentación: SDU (Unidad de Datos de Servicio) y PCI (Información de Control).

Direccionamiento

• Nivel: Dirección de red (sistema) y Puerto/SAP (aplicación).
• Ámbito: Global o Local.
• Modo: Unicast (individual), Multicast (multidestino) y Broadcast (difusión).

Control de Conexión

• No orientado a conexión: Cada PDU es independiente (Datagramas).
• Orientado a conexión: Asociación lógica; garantiza entrega ordenada (Circuito Virtual).

Modelos de Referencia

• Modelo OSI: 7 niveles. Define primitivas para la comunicación entre capas.
• Modelo TCP/IP: 5 niveles. Es el más usado por su robustez y carácter público.

– Nivel Físico

Objetivo: Transmisión de bits por un canal. Regula características eléctricas, mecánicas y temporización.

Conceptos Clave

• Régimen Binario (R): Velocidad de transmisión (bits/s).
• Tasa de Error de Bit (BER): Probabilidad de error por ruido o interferencias.
• Capacidad del Canal (C): Límite máximo según la Fórmula de Shannon: C = W · log2(1 + S/N).

Modos de Transmisión

• Paralelo vs. Serie: En serie los bits van uno tras otro (ej. USB, RS-232).
• Asíncrona: Usa bits de START y STOP para sincronizar caracteres.
• Síncrona: Transmite tramas; más eficiente.

Explotación del Canal

• Simplex: Unidireccional.
• Semidúplex (Half-Duplex): Bidireccional alternado.
• Full-Dúplex: Bidireccional simultáneo.

Interfaz EIA-232

Regula la conexión entre DTE (terminal) y DCE (módem). Usa conectores DB25/DB9 y señales no balanceadas.

– Nivel de Enlace

Proporciona transferencia fiable a la capa de red mediante tramas.

Funciones y Control de Flujo

• Parada y Espera: El emisor espera un ACK antes de enviar la siguiente trama. Ineficiente.
• Ventana Deslizante: Permite enviar múltiples tramas sin confirmación inmediata. Usa números de secuencia.
• Piggybacking: Incluir el reconocimiento dentro de una trama de datos en sentido opuesto.

Control de Errores (ARQ)

• Rechazo Simple (Go-Back-N): Si hay error, se retransmiten todas las tramas desde la errónea (Wr=1).
• Rechazo Selectivo: Solo se retransmite la trama errónea (Wr>1). Requiere buffers y reordenamiento.
• FEC (Forward Error Correction): El receptor intenta corregir el error sin solicitar retransmisión.

Detección de Errores: CRC

Los Códigos de Redundancia Cíclica usan aritmética de polinomios en módulo 2. El emisor divide el mensaje por un polinomio generador G(x) y añade el resto (FCS) a la trama. El receptor detecta errores si el resto de la división no es cero.

– Redes de Área Local Cableadas (LAN)