Redes LAN: Protocolo CSMA/CD, Switches, Hubs y Modelos OSI y TCP/IP

Protocolo CSMA/CD en Redes LAN

En una red LAN, donde el medio es compartido por todas las estaciones, es necesario establecer un mecanismo para organizar el acceso y evitar conflictos. El protocolo CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) es el más popular en este entorno.

Funcionamiento de CSMA/CD

1. Cada estación monitoriza la actividad en el bus (detección de portadora) y evita transmitir si detecta que está ocupado.
2. Si una estación desea transmitir, primero verifica que el bus esté libre.
3. Si el bus está libre, la estación emite su trama. Esta se propaga por toda la red, permitiendo que las demás estaciones la lean.
4. Cada estación examina la dirección MAC de destino de la trama. Si coincide con la suya, la copia y la entrega al nivel superior del modelo de capas. Si no coincide, la descarta.

Resolución de Colisiones

Las colisiones ocurren cuando dos o más estaciones deciden transmitir simultáneamente. El mecanismo de resolución de colisiones en CSMA/CD sigue estos pasos:

1. Las estaciones involucradas en la colisión envían una señal de interferencia (jamming signal) al bus para alertar a todas las demás estaciones.
2. Las estaciones que perdieron sus tramas las regeneran y esperan un tiempo aleatorio (diferente para cada una) antes de reintentar la transmisión.

Limitaciones de CSMA/CD

• Cuando una trama se envía a un destinatario específico en la zona compartida, esta llega a todos los equipos de la red. Esto genera ineficiencia, especialmente cuando el número de estaciones es alto, ya que el medio suele estar ocupado.
• Con muchas estaciones compitiendo por el medio compartido, la probabilidad de colisiones aumenta. La resolución de estas consume tiempo, durante el cual el bus permanece inactivo.

Para superar estas limitaciones, se aplican técnicas como la segmentación de redes, la evolución hacia sistemas conmutados o una combinación de ambas.

Diferencias entre Switch y Hub

Un Hub actúa como un repetidor, extendiendo la señal de la red a una mayor distancia. Sin embargo, retransmite la información (broadcasts) a todos los puertos, lo que puede ser innecesario y excesivo.

Un Switch, en cambio, es un "Hub inteligente". Al inicializarse, aprende las direcciones MAC asociadas a cada puerto. Cuando recibe información, la dirige solo al puerto de salida apropiado, optimizando el ancho de banda y reduciendo la carga en los demás puertos. Por esto, los switches son preferibles en redes que manejan tráfico de vídeo o CAD, donde se requiere un uso eficiente del ancho de banda.

Tipos de Switches

Los switches se clasifican según la forma en que envían la información:

• Cut Through: Diseñados para mejorar la velocidad de los switches "Store and Forward". Solo procesan los primeros bytes de la información, donde se encuentra la dirección de destino. Esto reduce la latencia, pero puede propagar tramas erróneas. Una variante, "Fragment Free", analiza más bytes (más de 60) para evitar este problema. Son adecuados para redes pequeñas.

• Store and Forward: Almacenan la trama completa en un buffer antes de enviarla. Verifican el tamaño y el CRC (Cyclic Redundancy Check) para asegurar la integridad de los datos. Son más seguros, pero introducen mayor latencia, que depende del tamaño de la trama. Se utilizan en grandes corporaciones donde la integridad de los datos es crucial.

• Cut Through Adaptativo: Pueden operar en modo "Cut Through" o "Store and Forward". Cambian al modo "Store and Forward" cuando detectan una alta tasa de errores, volviendo a "Cut Through" cuando la red se estabiliza. Son versátiles y se utilizan en una amplia variedad de redes LAN.

Modelo OSI y Modelo TCP/IP

Modelo OSI

1. Física (Capa 1): Define las características físicas de la red, como cables, conectores, voltajes, etc. Se ocupa del canal de comunicación y la transmisión de bits.
2. Enlace de Datos (Capa 2): Unidad mínima de datos: tramas. Se encarga de la detección y corrección de errores. Controla el flujo de datos para evitar la saturación de receptores lentos. Gestiona el acceso al medio compartido.
3. Red (Capa 3): Unidad de información: paquetes. Determina la mejor ruta para el envío de información. Adapta mensajes para redes heterogéneas.
4. Transporte (Capa 4): Toma los datos del nivel de sesión y los pasa al nivel de red, asegurando que lleguen al nivel de sesión del otro extremo.
5. Sesión (Capa 5): Establece y gestiona las conexiones entre dos extremos para el intercambio de datos. Ofrece servicios de reanudación de conexiones interrumpidas.
6. Presentación (Capa 6): Controla el significado de la información transmitida, asegurando que sea interpretada correctamente por ambos extremos. También gestiona la codificación y el cifrado de datos.
7. Aplicación (Capa 7): Interfaz directa con los programas de usuario. Incluye protocolos para el intercambio de información, como correo electrónico y transferencia de archivos.

Modelo TCP/IP

• Aplicación: Representa los datos al usuario, gestiona la codificación y el control del diálogo.
• Transporte: Facilita la comunicación entre dispositivos en diferentes redes.
• Internet: Determina la mejor ruta a través de la red.
• Acceso a la Red: Controla los dispositivos de hardware y los medios físicos que componen la red.