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Raw Blame History

Bloque 4 · Tema 10

Redes locales. Tipología. Técnicas de transmisión. Métodos de acceso. Dispositivos de interconexión.

1. Esquema introductorio (visión rápida)

LAN (Local Area Network): red de comunicaciones de corto alcance (edificio o campus).

Topologías físicas: bus, estrella, anillo, malla, árbol.
Topologías lógicas: bus (CSMA/CD), anillo de token.

Técnicas de transmisión:

Banda base (baseband): señal digital sobre todo el ancho de banda del medio.
Banda ancha (broadband): múltiples canales sobre el ancho de banda.

Métodos de acceso al medio:

CSMA/CD (Ethernet): detecta colisiones.
CSMA/CA (Wi-Fi): evita colisiones.
Token Ring: turno garantizado.

Dispositivos: repetidor, hub, bridge, switch, router, gateway.

2. Redes de área local (LAN) – Concepto y clasificación

2.1 Definición

Una LAN (Local Area Network) es una red de comunicaciones que cubre un área geográfica limitada (habitación, edificio, campus). Se caracteriza por:

Alta velocidad de transmisión (100 Mbps − 100 Gbps).
Baja tasa de errores.
Propiedad privada (la organización es dueña de la infraestructura).
Tecnologías predominantes: Ethernet (IEEE 802.3) y Wi-Fi (IEEE 802.11).

2.2 Clasificación por extensión

Tipo	Cobertura	Velocidad típica	Ejemplo
PAN	~10 m	1-100 Mbps	Bluetooth, USB
LAN	Edificio/campus	100 Mbps – 100 Gbps	Ethernet, Wi-Fi
MAN	Ciudad	10 Mbps – 10 Gbps	Metro Ethernet, WiMAX
WAN	País/internacional	Variable	Internet, MPLS

3. Topologías de red

La topología describe la estructura física o lógica de cómo están interconectados los nodos.

3.1 Topología en bus

[PC1]---[PC2]---[PC3]---[PC4]
        ←── Cable coaxial ──→
        (terminadores en extremos)

Todos los nodos comparten el mismo medio de transmisión.
Las señales se propagan en ambos sentidos.
Terminadores: impiden las reflexiones en los extremos del cable.
Ventaja: sencilla y económica.
Desventaja: un corte en el cable inutiliza toda la red; colisiones frecuentes; difícil diagnóstico.
Ejemplo: Ethernet 10BASE2 (coaxial delgado), 10BASE5 (grueso).

3.2 Topología en estrella

        [PC1]
          |
[PC2]--[SWITCH]--[PC3]
          |
        [PC4]

Todos los nodos se conectan a un nodo central (switch, hub).
Ventaja: fallo de un nodo no afecta al resto; fácil diagnóstico; sencillo de ampliar.
Desventaja: el nodo central es punto único de fallo; coste del cableado a cada nodo.
La topología más utilizada en LAN modernas (con switches).

3.3 Topología en anillo

[PC1] → [PC2] → [PC3] → [PC4] → [PC1]

Los nodos forman un círculo; los datos circulan en un sentido (o en ambos en anillos duales).
Acceso al medio: Token Ring (IEEE 802.5) o FDDI.
Ventaja: predecible; no hay colisiones (acceso ordenado por token).
Desventaja: un fallo en el anillo interrumpe la red; en desuso frente a Ethernet.

3.4 Topología en malla

Cada nodo está conectado directamente a todos los demás nodos (malla completa) o a varios (malla parcial).
Ventaja: muy alta redundancia y tolerancia a fallos.
Desventaja: coste muy elevado en cables y puertos.
Uso: redes de backbone críticas, Internet (malla parcial).

3.5 Topología en árbol (jerárquica)

              [Core Switch]
              /            \
     [Distrib SW]      [Distrib SW]
     /    \                 /    \
[Access] [Access]    [Access] [Access]

Jerarquía de nodos en tres niveles: core, distribución, acceso.
La más usada en redes corporativas (arquitectura de tres capas).
Ventaja: escalable y fácil de gestionar.
Desventaja: dependencia de los nodos superiores.

3.6 Topología lógica vs física

Tipo	Descripción
Topología física	Cómo están conectados físicamente los cables y dispositivos
Topología lógica	Cómo fluye la información lógicamente en la red

Ejemplo: Ethernet moderno tiene topología física en estrella (con switch) pero topología lógica de bus (todos comparten el dominio de broadcast).

4. Técnicas de transmisión

4.1 Banda base (Baseband)

La señal digital ocupa todo el ancho de banda del medio.
Solo se puede transmitir una señal a la vez.
Codificación típica: Manchester (combinación de señal de reloj y datos).
Ejemplo: Ethernet (10BASE-T, 100BASE-TX).
Es la técnica estándar en LAN.

4.2 Banda ancha (Broadband)

El ancho de banda del medio se divide en múltiples canales de frecuencia (multiplexación por frecuencia, FDM).
Cada canal puede llevar una señal diferente.
Ejemplo: ADSL, cable coaxial (TV por cable), DOCSIS.
En LAN se usa excepcionalmente (ej. 10BROAD36, obsoleto).

4.3 Comparativa

Característica	Banda base	Banda ancha
Señal	Digital	Analógica (modulada)
Canales	Uno	Varios
Distancia	Corta (LAN)	Larga (WAN/MAN)
Uso en LAN	Sí (estándar)	Excepcional

4.4 Codificación de la señal

Codificación	Descripción	Uso
NRZ (Non-Return to Zero)	1 = voltaje alto, 0 = voltaje bajo; no tiene señal de reloj integrada	Básica
Manchester	Transición a mitad del bit (↑ = 1, ↓ = 0); reloj auto-sincronizado	10BASE-T Ethernet
Manchester diferencial	La transición indica el bit; más robusto al ruido	Token Ring
4B5B / 8B10B	Bloques de código; balance DC y sincronización	Fast Ethernet, Gigabit Ethernet
PAM-4	4 niveles de amplitud por símbolo; dobla la tasa	25G/400G Ethernet

5. Métodos de acceso al medio

El método de acceso al medio (MAC – Medium Access Control) controla cómo los nodos comparten el medio de transmisión para evitar o resolver colisiones.

5.1 CSMA/CD – Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection

Usado en: Ethernet (IEEE 802.3) en topología de bus o con hub.

Algoritmo:

Carrier Sense (CS): el nodo escucha el medio antes de transmitir.
Multiple Access (MA): varios nodos pueden transmitir si el medio está libre.
Si dos nodos transmiten a la vez → colisión.
Collision Detection (CD): los nodos detectan la colisión.
Se envía una señal jam para notificar la colisión a todos.
Cada nodo espera un tiempo aleatorio (backoff exponencial binario) y reintenta.

Nota importante: con switches modernos (full-duplex), no hay colisiones → CSMA/CD ya no es relevante en redes actuales, pero se sigue estudiando como concepto.

5.2 CSMA/CA – Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance

Usado en: Wi-Fi (IEEE 802.11).

En inalámbrico, una estación no puede detectar colisiones mientras transmite (no oye su propia señal reflejada).
En lugar de detectar, intenta evitar las colisiones.
Mecanismo: DIFS + espera aleatoria (ventana de contención) antes de transmitir.
ACK obligatorio: el receptor confirma la recepción de cada trama.
Variante: RTS/CTS (Request to Send / Clear to Send) para evitar el problema del nodo oculto.

Problema del nodo oculto

Dos estaciones (A y C) no se "escuchan" entre sí pero ambas pueden comunicarse con B.
Si A y C transmiten simultáneamente a B → colisión en B sin que A ni C la detecten.
Solución: RTS/CTS.

5.3 Token Ring (IEEE 802.5)

Un token (ficha) circula por el anillo.
Solo el nodo que tiene el token puede transmitir.
Acceso determinista: sin colisiones; latencia predecible.
Velocidades: 4 Mbps y 16 Mbps.
Obsoleto; reemplazado por Ethernet switched.

5.4 FDDI (Fiber Distributed Data Interface)

Anillo dual de fibra óptica a 100 Mbps.
Acceso por token; tolerante a fallos (anillo secundario de backup).
Usado en MAN y backbone en los 90.
Obsoleto; reemplazado por Fast/Gigabit Ethernet y fibra.

5.5 Comparativa de métodos de acceso

Método	Tecnología	Tipo	Colisiones	Determinista
CSMA/CD	Ethernet legacy	Contención	Detecta y recupera	No
CSMA/CA	Wi-Fi	Contención	Evita	No
Token Ring	IEEE 802.5	Turno	Sin colisiones	Sí
FDDI	Fibra FDDI	Turno (token)	Sin colisiones	Sí
Full-duplex Ethernet	Ethernet moderno	Conmutación	Sin colisiones	No (pero muy baja latencia)

6. Ethernet – El estándar de LAN

6.1 Historia y evolución

Versión	Velocidad	Medio	Estándar
10BASE5	10 Mbps	Coaxial grueso	IEEE 802.3 (1983)
10BASE2	10 Mbps	Coaxial delgado	IEEE 802.3a
10BASE-T	10 Mbps	Par trenzado UTP Cat3	IEEE 802.3i (1990)
100BASE-TX	100 Mbps	UTP Cat5	IEEE 802.3u (1995) – Fast Ethernet
1000BASE-T	1 Gbps	UTP Cat5e	IEEE 802.3ab (1999) – Gigabit Ethernet
10GBASE-T	10 Gbps	UTP Cat6A	IEEE 802.3an (2006)
10GBASE-SR/LR	10 Gbps	Fibra	IEEE 802.3ae
40/100GBASE	40/100 Gbps	Fibra	IEEE 802.3ba (2010)
400GBASE	400 Gbps	Fibra	IEEE 802.3bs (2017)

La nomenclatura VelocidadBASE-Tipo sigue el patrón:

Velocidad en Mbps o Gbps.
BASE = banda base.
Tipo: T = par trenzado, S = fibra multimodo (short), L = fibra monomodo (long), X = codificación especial.

6.2 Trama Ethernet (IEEE 802.3)

| Preámbulo | SFD | MAC Dst | MAC Src | EtherType/Longitud | Datos (payload) | FCS |
|  7 bytes  | 1 B | 6 bytes | 6 bytes |       2 bytes      |   46-1500 bytes | 4 B |

Preámbulo: sincronización del receptor (patrón 10101010...).
SFD (Start Frame Delimiter): indica el inicio de la trama (10101011).
MAC Dst / Src: direcciones físicas (48 bits / 6 bytes) en notación hexadecimal.
EtherType: indica el protocolo de capa superior (0x0800 = IPv4, 0x0806 = ARP, 0x86DD = IPv6).
FCS (Frame Check Sequence): CRC para detección de errores.

MTU: 1500 bytes (payload máximo).
Tamaño mínimo de trama: 64 bytes (para que CSMA/CD funcione correctamente).

6.3 Dirección MAC

48 bits (6 bytes) = 12 dígitos hexadecimales (ej. 00:1A:2B:3C:4D:5E).
Los primeros 24 bits: OUI (Organizationally Unique Identifier) → identifica al fabricante.
Los últimos 24 bits: asignados por el fabricante (número de serie).
Dirección broadcast: FF:FF:FF:FF:FF:FF (enviada a todos los nodos).
Dirección multicast: bit LSB del primer byte = 1.

6.4 VLANs (IEEE 802.1Q)

Una VLAN (Virtual LAN) segmenta una LAN física en múltiples LANs virtuales independientes.

           [SWITCH]
          /    |    \
      VLAN10 VLAN20 VLAN30
     (Ventas) (IT) (RRHH)

Los dispositivos de distintas VLANs no pueden comunicarse directamente sin un router o switch L3.
Puerto de acceso (access): asignado a una VLAN; el switch agrega la etiqueta 802.1Q internamente.
Puerto troncal (trunk): transporta tráfico de múltiples VLANs; la etiqueta 802.1Q viaja en los frames.
VLAN tag (802.1Q): 4 bytes adicionales en la trama Ethernet con el ID de VLAN (VID, 12 bits → hasta 4094 VLANs).

Ventajas:

Segmentación de tráfico → mayor seguridad.
Reducción del dominio de broadcast.
Flexibilidad: agrupación lógica sin cambios físicos.

7. Dispositivos de interconexión

7.1 Repetidor (capa 1)

Regenera la señal digital para extender el alcance del cable.
No filtra ni procesa: transmite todos los bits.
Extiende el dominio de colisión.
Prácticamente en desuso (sustituido por switches).

7.2 Hub (concentrador – capa 1)

Conecta múltiples dispositivos en topología estrella.
Funciona como repetidor multipuerto: retransmite a todos los puertos.
Un único dominio de colisión y broadcast para todos los nodos.
Obsoleto; sustituido por switches.

7.3 Bridge (puente – capa 2)

Conecta dos segmentos de red.
Aprende direcciones MAC de cada segmento.
Filtra el tráfico: solo retransmite tramas al segmento donde está el destino.
Separa dominios de colisión (pero no de broadcast).
STP (Spanning Tree Protocol – IEEE 802.1D): evita bucles lógicos en redes con múltiples bridges.

7.4 Switch (conmutador – capa 2)

El switch es el dispositivo central de las LAN modernas.

Funcionamiento:

Cuando llega una trama, el switch aprende la MAC origen y el puerto de entrada.
Busca la MAC destino en su tabla CAM (Content Addressable Memory).
Si encuentra la entrada → envía la trama solo por ese puerto (unicast).
Si no la encuentra → flooding (envía por todos los puertos excepto el de entrada).
Broadcasts y multicasts → envía por todos los puertos.

Modos de conmutación:

Modo	Descripción	Latencia	Errores
Store-and-Forward	Almacena la trama completa, verifica FCS antes de reenviar	Mayor	Filtra errores
Cut-Through	Empieza a reenviar en cuanto lee la MAC destino	Menor	No filtra errores
Fragment-Free	Lee los primeros 64 bytes (detecta fragmentos de colisión)	Media	Parcial

Switch capa 3:

Añade capacidad de enrutamiento IP al switch.
Enrutamiento inter-VLAN sin necesidad de router externo.
Más rápido que un router para el tráfico interno (enrutamiento hardware).

STP – Spanning Tree Protocol (IEEE 802.1D)

Evita bucles físicos en redes con enlaces redundantes entre switches.

Se elige un Root Bridge (switch raíz).
Se calculan los caminos más cortos al Root Bridge.
Los puertos redundantes quedan en estado blocking (bloqueados).
Si el camino activo falla → STP reconverge y activa el camino bloqueado.
RSTP (IEEE 802.1w): Rapid STP; converge en milisegundos (vs 30-50 s del STP original).
MSTP (IEEE 802.1s): Multiple STP; instancias STP por VLAN.

7.5 Router (encaminador – capa 3)

Conecta redes diferentes (distintas subredes IP).
Toma decisiones de enrutamiento basadas en la dirección IP destino.
Tabla de enrutamiento: lista de redes conocidas con el siguiente salto.
Separa dominios de broadcast.

7.6 Gateway (pasarela)

Traduce entre protocolos de redes heterogéneas.
Opera en todas las capas (hasta capa 7).
Ejemplo: gateway entre red IP y red ATM.

7.7 Resumen comparativo

Dispositivo	Capa OSI	Dirección usada	Dom. colisión	Dom. broadcast	Inteligencia
Repetidor	1	—	Extende	—	Ninguna
Hub	1	—	Único	Único	Ninguna
Bridge	2	MAC	Separa	Único	Tabla MAC
Switch	2 (o 3)	MAC (o IP)	Separa	Único (o VLAN)	Tabla CAM
Router	3	IP	Separa	Separa	Tabla enrutamiento
Gateway	1-7	Todas	—	—	Protocolo app

8. Resumen: conceptos clave para el examen

Concepto	Dato clave
LAN	Red local; alta velocidad; propiedad privada
Topología estrella	La más común en LAN; nodo central = switch
Topología bus	Cable coaxial compartido; terminadores; colisiones
Topología anillo	Token circulante; IEEE 802.5; obsoleto
Banda base	Señal digital; todo el ancho de banda; Ethernet
Banda ancha	Múltiples canales FDM; ADSL, cable coaxial
Codificación Manchester	Transición a mitad del bit; 10BASE-T Ethernet
CSMA/CD	Ethernet legacy; detecta colisiones; backoff exponencial
CSMA/CA	Wi-Fi; evita colisiones; DIFS + ventana aleatoria
Token Ring	Acceso determinista; sin colisiones; IEEE 802.5
Trama Ethernet	Preámbulo+SFD+MAC dst+MAC src+EtherType+Datos+FCS
MAC	48 bits (6 bytes); OUI (24 bits fabricante)
Broadcast MAC	FF:FF:FF:FF:FF:FF
MTU Ethernet	1500 bytes
VLAN (IEEE 802.1Q)	Hasta 4094 VLANs; tag de 4 bytes; trunk/access
Switch – tabla CAM	Aprende MACs; unicast, flooding, broadcast
Store-and-Forward	Almacena y verifica FCS; filtra errores
Cut-Through	Reenvía leyendo solo MAC destino; menor latencia
STP (IEEE 802.1D)	Evita bucles; Root Bridge; puertos blocking
RSTP (IEEE 802.1w)	STP rápido; converge en milisegundos
Switch L3	Enrutamiento inter-VLAN sin router externo
Router	Capa 3; separa dominios broadcast; tabla enrutamiento
100BASE-TX	Fast Ethernet; 100 Mbps; UTP Cat5; IEEE 802.3u
1000BASE-T	Gigabit Ethernet; 1 Gbps; UTP Cat5e; IEEE 802.3ab

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