Fundamentos de Redes: Tramas 802.11, CSMA, MAC y Protocolos Clave

Tipos de Tramas en el Estándar 802.11

El estándar IEEE 802.11 define varios tipos de tramas para la comunicación inalámbrica, clasificadas principalmente en tres categorías:

• De Gestión: Utilizadas para establecer y mantener la comunicación. Incluyen:
  • Tramas baliza (Beacon)
  • Tramas de sonda petición/respuesta (Probe Request/Response)
  • Tramas de autenticación/desautenticación
  • Tramas de asociación/desasociación
• De Control: Ayudan a la entrega de tramas de datos y gestión. Ejemplos:
  • Tramas RTS (Request to Send)
  • Tramas CTS (Clear to Send)
  • Tramas ACK (Acknowledgement)
• De Datos: Transportan la carga útil, como paquetes IP.

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

CSMA/CD es un protocolo de acceso al medio utilizado principalmente en redes Ethernet tradicionales (half-duplex). Su funcionamiento se basa en que las estaciones escuchan el medio antes y durante la transmisión:

1. Escuchar antes de transmitir (Carrier Sense): Si el medio está ocupado, la estación espera.
2. Transmitir: Si el medio está libre, la estación transmite de inmediato.
3. Detección de colisiones (Collision Detection): Mientras transmite, la estación sigue escuchando. Si detecta una colisión (interferencia con otra transmisión):
   1. Aborta la transmisión inmediatamente.
   2. Envía una señal de 'jam' (normalmente de 32 o 48 bits) para asegurar que todas las demás estaciones detecten la colisión.
   3. Espera un tiempo aleatorio (backoff exponencial) antes de intentar transmitir de nuevo.
4. Reintento: Vuelve al paso 1.

Todos los equipos en el dominio de colisión detectan la colisión prácticamente en tiempo real.

Dirección MAC (Media Access Control)

La dirección MAC es un identificador único asignado por el fabricante a la tarjeta de interfaz de red (NIC) de un dispositivo. Es fundamental para la comunicación en la capa de enlace de datos (Capa 2 del modelo OSI).

Características Principales:

• Tamaño: Está formada por 48 bits.
• Representación: Generalmente se representa mediante 12 dígitos hexadecimales, agrupados en seis parejas. La separación entre parejas puede ser mediante dos puntos (:), guiones (-) o, a veces, sin separación. Ejemplo: 00:1e:c2:9e:28:6b.
• Partes Importantes:
  • OUI (Organizationally Unique Identifier): Los primeros 24 bits (3 bytes o 6 dígitos hexadecimales) identifican al fabricante del dispositivo. Asignado por la IEEE.
  • Identificador Específico de NIC: Los últimos 24 bits (3 bytes o 6 dígitos hexadecimales) son asignados por el fabricante y deben ser únicos para ese OUI.

Cálculo Relacionado con la Detección de Colisiones (Ejemplo)

Este cálculo parece relacionarse con la determinación de la longitud máxima de un segmento de red Ethernet para garantizar la detección de colisiones, basado en la velocidad de propagación de la señal y el tiempo de slot (tiempo mínimo de transmisión de trama):

Asumiendo una velocidad de propagación de 180.000 km/s y un tiempo de slot de 51.2 µs (0.0000512 s, correspondiente a transmitir 64 bytes a 10 Mbps):

• Distancia total (ida y vuelta) que la señal puede recorrer en el tiempo de slot: 180.000 km/s * 0.0000512 s = 9,216 km = 9216 m.
• Distancia máxima unidireccional (longitud máxima del segmento): Para que una colisión sea detectada, la señal debe ir hasta el punto más lejano y volver antes de que termine la transmisión mínima. Por tanto, la distancia máxima es la mitad de la distancia total: 9216 m / 2 = 4608 m.

Nota: Las velocidades de propagación y los tiempos de slot pueden variar según el estándar Ethernet específico y el medio físico.

Estados Operativos en una Red Ethernet (con CSMA/CD)

Durante la operación con CSMA/CD, un segmento de red Ethernet puede considerarse en uno de los siguientes estados:

• Red Inactiva (o Libre): No hay transmisión activa en el medio.
• Red en Contención: Una o varias estaciones intentan transmitir simultáneamente, lo que puede provocar (o ha provocado) una colisión.
• Estación Transmitiendo (con Éxito): Una estación ha adquirido el medio y está transmitiendo una trama sin haber detectado una colisión (al menos durante el tiempo de slot inicial).

Paridad Simple (Detección de Errores)

La paridad simple es una técnica básica de detección de errores en la transmisión de datos. Consiste en añadir un bit adicional (bit de paridad) a un conjunto de bits de datos (por ejemplo, un byte) para hacer que el número total de bits con valor '1' sea par o impar, según el tipo de paridad utilizada.

Si durante la transmisión se altera un número impar de bits, el receptor detectará un error al verificar la paridad. Sin embargo, no puede detectar errores si se altera un número par de bits.

Tipos:

• Paridad Par: Se añade un bit '0' si el número de unos en los datos ya es par. Se añade un bit '1' si el número de unos en los datos es impar. El objetivo es que el número total de unos (datos + bit de paridad) sea siempre par.
• Paridad Impar: Se añade un bit '0' si el número de unos en los datos ya es impar. Se añade un bit '1' si el número de unos en los datos es par. El objetivo es que el número total de unos (datos + bit de paridad) sea siempre impar.

Protocolo de Ventana Deslizante (Control de Flujo y Errores)

El protocolo de ventana deslizante es un mecanismo utilizado en la capa de enlace de datos y la capa de transporte para mejorar la eficiencia de la transmisión permitiendo el envío de múltiples tramas (o segmentos) antes de esperar una confirmación (ACK).

Funcionamiento Básico:

• Ventana Emisora:
  • Mantiene un registro de los números de secuencia de las tramas enviadas que aún no han sido confirmadas.
  • Cada trama enviada se almacena temporalmente en un búfer en el emisor.
  • Si llega una confirmación positiva (ACK) para una trama, esta se considera entregada y se elimina del búfer. La ventana "se desliza" para permitir el envío de nuevas tramas.
  • Si llega una confirmación negativa (NACK) o expira un temporizador (timeout) antes de recibir el ACK, la trama (o tramas, según la variante del protocolo) se retransmite.
  • El tamaño de la ventana emisora puede ser variable (crecer y decrecer según la congestión de la red, por ejemplo) hasta un tamaño máximo negociado.
• Ventana Receptora:
  • Define el rango de números de secuencia de las tramas que está dispuesto a aceptar.
  • Generalmente, tiene un tamaño fijo.

Estos protocolos a menudo se combinan con la Solicitud de Repetición Automática (ARQ - Automatic Repeat reQuest). Existen variantes como Go-Back-N y Retransmisión Selectiva (Selective Repeat), que difieren en cómo manejan los errores y las retransmisiones.

Conceptos y Protocolos Específicos (Preguntas Rápidas)

Protocolo Token Ring

(Contexto faltante - la afirmación "ninguna de las anteriores" requiere una pregunta previa)

Protocolo para RDSI

Pregunta: ¿Cuál de los siguientes protocolos se usa para la capa de enlace en RDSI (Red Digital de Servicios Integrados)?
Respuesta: LAP-D (Link Access Procedure on the D-channel).

Tamaño Mínimo Trama Ethernet

Pregunta: ¿Cuál es el tamaño mínimo de una trama Ethernet?
Respuesta: 64 bytes (512 bits). Esto incluye encabezados y CRC, pero no el preámbulo ni el SFD.

Valor EtherType 0x0800

Pregunta: ¿Qué indica un valor EtherType de 0x0800 en una trama Ethernet?
Respuesta: Indica que la carga útil de la trama es un paquete IPv4.

Protocolo de Acceso al Medio con Más Rendimiento

Afirmación: El protocolo de acceso al medio no persistente (CSMA no persistente) ofrece el mayor rendimiento.
Nota: La eficiencia de los diferentes tipos de CSMA (persistente, no persistente, p-persistente) depende de la carga de la red. Ninguno es universalmente el de "más rendimiento" en todas las condiciones.

Detección de Colisiones en CSMA/CA

Pregunta: ¿Cómo se detectan las colisiones en CSMA/CA (Collision Avoidance)?
Respuesta: CSMA/CA evita colisiones en lugar de detectarlas directamente (como hace CSMA/CD). La falta de recepción de una trama de confirmación (ACK) por parte del emisor indica que la transmisión falló, lo cual pudo ser debido a una colisión u otros problemas de transmisión.

NAV (Network Allocation Vector)

Definición: El NAV es un contador utilizado en 802.11 (CSMA/CA) que indica el tiempo durante el cual una estación espera que el canal esté ocupado por la transmisión actual de otra estación. Las estaciones no intentan transmitir mientras su NAV sea distinto de cero.

BSSID de un Punto de Acceso

Definición: El BSSID (Basic Service Set Identifier) de un punto de acceso (AP) en una red Wi-Fi es típicamente la dirección MAC de su interfaz de radio inalámbrica.

Control de Flujo vs. Detección/Corrección de Errores

Pregunta: ¿Cuál de estas técnicas no es principalmente de control de flujo? (Asumiendo opciones como Ventana Deslizante, Parada y Espera, Hamming)
Respuesta: El código de Hamming. Es una técnica de corrección de errores (FEC), no de control de flujo.