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# Bloque 4 · Tema 10
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# Redes locales. Tipología. Técnicas de transmisión. Métodos de acceso. Dispositivos de interconexión.
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# 1. Esquema introductorio (visión rápida)
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**LAN (Local Area Network):** red de comunicaciones de corto alcance (edificio o campus).
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**Topologías físicas:** bus, estrella, anillo, malla, árbol.
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**Topologías lógicas:** bus (CSMA/CD), anillo de token.
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**Técnicas de transmisión:**
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- Banda base (baseband): señal digital sobre todo el ancho de banda del medio.
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- Banda ancha (broadband): múltiples canales sobre el ancho de banda.
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**Métodos de acceso al medio:**
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- **CSMA/CD (Ethernet):** detecta colisiones.
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- **CSMA/CA (Wi-Fi):** evita colisiones.
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- **Token Ring:** turno garantizado.
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**Dispositivos:** repetidor, hub, bridge, switch, router, gateway.
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# 2. Redes de área local (LAN) – Concepto y clasificación
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## 2.1 Definición
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Una **LAN (Local Area Network)** es una red de comunicaciones que cubre un área geográfica limitada (habitación, edificio, campus). Se caracteriza por:
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- Alta velocidad de transmisión (100 Mbps − 100 Gbps).
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- Baja tasa de errores.
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- Propiedad privada (la organización es dueña de la infraestructura).
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- Tecnologías predominantes: **Ethernet** (IEEE 802.3) y **Wi-Fi** (IEEE 802.11).
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## 2.2 Clasificación por extensión
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| Tipo | Cobertura | Velocidad típica | Ejemplo |
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|------|-----------|-----------------|---------|
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| **PAN** | ~10 m | 1-100 Mbps | Bluetooth, USB |
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| **LAN** | Edificio/campus | 100 Mbps – 100 Gbps | Ethernet, Wi-Fi |
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| **MAN** | Ciudad | 10 Mbps – 10 Gbps | Metro Ethernet, WiMAX |
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| **WAN** | País/internacional | Variable | Internet, MPLS |
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# 3. Topologías de red
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La **topología** describe la estructura física o lógica de cómo están interconectados los nodos.
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## 3.1 Topología en bus
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[PC1]---[PC2]---[PC3]---[PC4]
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←── Cable coaxial ──→
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(terminadores en extremos)
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```
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- Todos los nodos comparten el mismo medio de transmisión.
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- Las señales se propagan en ambos sentidos.
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- **Terminadores:** impiden las reflexiones en los extremos del cable.
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- **Ventaja:** sencilla y económica.
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- **Desventaja:** un corte en el cable inutiliza toda la red; colisiones frecuentes; difícil diagnóstico.
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- Ejemplo: Ethernet 10BASE2 (coaxial delgado), 10BASE5 (grueso).
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## 3.2 Topología en estrella
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```
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[PC1]
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[PC2]--[SWITCH]--[PC3]
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[PC4]
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```
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- Todos los nodos se conectan a un **nodo central** (switch, hub).
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- **Ventaja:** fallo de un nodo no afecta al resto; fácil diagnóstico; sencillo de ampliar.
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- **Desventaja:** el nodo central es **punto único de fallo**; coste del cableado a cada nodo.
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- **La topología más utilizada en LAN modernas** (con switches).
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## 3.3 Topología en anillo
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```
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[PC1] → [PC2] → [PC3] → [PC4] → [PC1]
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```
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- Los nodos forman un círculo; los datos circulan en un sentido (o en ambos en anillos duales).
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- Acceso al medio: **Token Ring (IEEE 802.5)** o **FDDI**.
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- **Ventaja:** predecible; no hay colisiones (acceso ordenado por token).
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- **Desventaja:** un fallo en el anillo interrumpe la red; en desuso frente a Ethernet.
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## 3.4 Topología en malla
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- Cada nodo está conectado directamente a todos los demás nodos (malla completa) o a varios (malla parcial).
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- **Ventaja:** muy alta redundancia y tolerancia a fallos.
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- **Desventaja:** coste muy elevado en cables y puertos.
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- Uso: redes de backbone críticas, Internet (malla parcial).
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## 3.5 Topología en árbol (jerárquica)
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```
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[Core Switch]
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/ \
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[Distrib SW] [Distrib SW]
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/ \ / \
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[Access] [Access] [Access] [Access]
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```
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- Jerarquía de nodos en tres niveles: **core, distribución, acceso**.
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- La más usada en redes corporativas (arquitectura de tres capas).
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- **Ventaja:** escalable y fácil de gestionar.
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- **Desventaja:** dependencia de los nodos superiores.
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## 3.6 Topología lógica vs física
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| Tipo | Descripción |
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|------|-------------|
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| **Topología física** | Cómo están conectados físicamente los cables y dispositivos |
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| **Topología lógica** | Cómo fluye la información lógicamente en la red |
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Ejemplo: Ethernet moderno tiene **topología física en estrella** (con switch) pero **topología lógica de bus** (todos comparten el dominio de broadcast).
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# 4. Técnicas de transmisión
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## 4.1 Banda base (Baseband)
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- La señal digital ocupa **todo el ancho de banda** del medio.
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- Solo se puede transmitir una señal a la vez.
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- Codificación típica: **Manchester** (combinación de señal de reloj y datos).
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- Ejemplo: **Ethernet (10BASE-T, 100BASE-TX)**.
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- Es la técnica estándar en LAN.
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## 4.2 Banda ancha (Broadband)
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- El ancho de banda del medio se divide en **múltiples canales** de frecuencia (multiplexación por frecuencia, FDM).
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- Cada canal puede llevar una señal diferente.
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- Ejemplo: **ADSL, cable coaxial (TV por cable), DOCSIS**.
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- En LAN se usa excepcionalmente (ej. 10BROAD36, obsoleto).
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## 4.3 Comparativa
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| Característica | Banda base | Banda ancha |
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|---------------|-----------|------------|
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| Señal | Digital | Analógica (modulada) |
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| Canales | Uno | Varios |
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| Distancia | Corta (LAN) | Larga (WAN/MAN) |
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| Uso en LAN | Sí (estándar) | Excepcional |
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## 4.4 Codificación de la señal
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| Codificación | Descripción | Uso |
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|-------------|-------------|-----|
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| **NRZ (Non-Return to Zero)** | 1 = voltaje alto, 0 = voltaje bajo; no tiene señal de reloj integrada | Básica |
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| **Manchester** | Transición a mitad del bit (↑ = 1, ↓ = 0); reloj auto-sincronizado | 10BASE-T Ethernet |
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| **Manchester diferencial** | La transición indica el bit; más robusto al ruido | Token Ring |
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| **4B5B / 8B10B** | Bloques de código; balance DC y sincronización | Fast Ethernet, Gigabit Ethernet |
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| **PAM-4** | 4 niveles de amplitud por símbolo; dobla la tasa | 25G/400G Ethernet |
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# 5. Métodos de acceso al medio
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El **método de acceso al medio (MAC – Medium Access Control)** controla cómo los nodos comparten el medio de transmisión para evitar o resolver colisiones.
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## 5.1 CSMA/CD – Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection
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**Usado en: Ethernet (IEEE 802.3) en topología de bus o con hub.**
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Algoritmo:
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1. **Carrier Sense (CS):** el nodo escucha el medio antes de transmitir.
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2. **Multiple Access (MA):** varios nodos pueden transmitir si el medio está libre.
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3. Si dos nodos transmiten a la vez → **colisión**.
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4. **Collision Detection (CD):** los nodos detectan la colisión.
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5. Se envía una señal **jam** para notificar la colisión a todos.
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6. Cada nodo espera un tiempo aleatorio (**backoff exponencial binario**) y reintenta.
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**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.
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## 5.2 CSMA/CA – Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance
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**Usado en: Wi-Fi (IEEE 802.11).**
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- En inalámbrico, una estación no puede detectar colisiones mientras transmite (no oye su propia señal reflejada).
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- En lugar de detectar, intenta **evitar** las colisiones.
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- Mecanismo: **DIFS + espera aleatoria (ventana de contención)** antes de transmitir.
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- **ACK obligatorio:** el receptor confirma la recepción de cada trama.
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- Variante: **RTS/CTS (Request to Send / Clear to Send)** para evitar el problema del nodo oculto.
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### Problema del nodo oculto
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Dos estaciones (A y C) no se "escuchan" entre sí pero ambas pueden comunicarse con B.
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Si A y C transmiten simultáneamente a B → colisión en B sin que A ni C la detecten.
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Solución: **RTS/CTS**.
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## 5.3 Token Ring (IEEE 802.5)
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- Un **token** (ficha) circula por el anillo.
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- Solo el nodo que tiene el token puede transmitir.
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- Acceso **determinista**: sin colisiones; latencia predecible.
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- Velocidades: 4 Mbps y 16 Mbps.
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- **Obsoleto**; reemplazado por Ethernet switched.
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## 5.4 FDDI (Fiber Distributed Data Interface)
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- Anillo dual de fibra óptica a **100 Mbps**.
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- Acceso por token; tolerante a fallos (anillo secundario de backup).
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- Usado en MAN y backbone en los 90.
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- **Obsoleto**; reemplazado por Fast/Gigabit Ethernet y fibra.
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## 5.5 Comparativa de métodos de acceso
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| Método | Tecnología | Tipo | Colisiones | Determinista |
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|--------|-----------|------|-----------|-------------|
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| **CSMA/CD** | Ethernet legacy | Contención | Detecta y recupera | No |
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| **CSMA/CA** | Wi-Fi | Contención | Evita | No |
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| **Token Ring** | IEEE 802.5 | Turno | Sin colisiones | Sí |
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| **FDDI** | Fibra FDDI | Turno (token) | Sin colisiones | Sí |
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| **Full-duplex Ethernet** | Ethernet moderno | Conmutación | Sin colisiones | No (pero muy baja latencia) |
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# 6. Ethernet – El estándar de LAN
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## 6.1 Historia y evolución
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| Versión | Velocidad | Medio | Estándar |
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|---------|-----------|-------|---------|
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| **10BASE5** | 10 Mbps | Coaxial grueso | IEEE 802.3 (1983) |
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| **10BASE2** | 10 Mbps | Coaxial delgado | IEEE 802.3a |
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| **10BASE-T** | 10 Mbps | Par trenzado UTP Cat3 | IEEE 802.3i (1990) |
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| **100BASE-TX** | 100 Mbps | UTP Cat5 | IEEE 802.3u (1995) – Fast Ethernet |
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| **1000BASE-T** | 1 Gbps | UTP Cat5e | IEEE 802.3ab (1999) – Gigabit Ethernet |
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| **10GBASE-T** | 10 Gbps | UTP Cat6A | IEEE 802.3an (2006) |
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| **10GBASE-SR/LR** | 10 Gbps | Fibra | IEEE 802.3ae |
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| **40/100GBASE** | 40/100 Gbps | Fibra | IEEE 802.3ba (2010) |
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| **400GBASE** | 400 Gbps | Fibra | IEEE 802.3bs (2017) |
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La nomenclatura `VelocidadBASE-Tipo` sigue el patrón:
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- **Velocidad** en Mbps o Gbps.
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- **BASE** = banda base.
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- **Tipo:** T = par trenzado, S = fibra multimodo (short), L = fibra monomodo (long), X = codificación especial.
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## 6.2 Trama Ethernet (IEEE 802.3)
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```
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| Preámbulo | SFD | MAC Dst | MAC Src | EtherType/Longitud | Datos (payload) | FCS |
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| 7 bytes | 1 B | 6 bytes | 6 bytes | 2 bytes | 46-1500 bytes | 4 B |
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```
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- **Preámbulo:** sincronización del receptor (patrón 10101010...).
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- **SFD (Start Frame Delimiter):** indica el inicio de la trama (10101011).
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- **MAC Dst / Src:** direcciones físicas (48 bits / 6 bytes) en notación hexadecimal.
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- **EtherType:** indica el protocolo de capa superior (0x0800 = IPv4, 0x0806 = ARP, 0x86DD = IPv6).
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- **FCS (Frame Check Sequence):** CRC para detección de errores.
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**MTU:** 1500 bytes (payload máximo).
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**Tamaño mínimo de trama:** 64 bytes (para que CSMA/CD funcione correctamente).
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## 6.3 Dirección MAC
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- **48 bits** (6 bytes) = 12 dígitos hexadecimales (ej. `00:1A:2B:3C:4D:5E`).
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- Los primeros 24 bits: **OUI (Organizationally Unique Identifier)** → identifica al fabricante.
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- Los últimos 24 bits: asignados por el fabricante (número de serie).
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- **Dirección broadcast:** `FF:FF:FF:FF:FF:FF` (enviada a todos los nodos).
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- **Dirección multicast:** bit LSB del primer byte = 1.
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## 6.4 VLANs (IEEE 802.1Q)
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Una **VLAN (Virtual LAN)** segmenta una LAN física en múltiples LANs virtuales independientes.
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```
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[SWITCH]
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/ | \
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VLAN10 VLAN20 VLAN30
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(Ventas) (IT) (RRHH)
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```
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- Los dispositivos de distintas VLANs no pueden comunicarse directamente sin un **router o switch L3**.
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- **Puerto de acceso (access):** asignado a una VLAN; el switch agrega la etiqueta 802.1Q internamente.
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- **Puerto troncal (trunk):** transporta tráfico de múltiples VLANs; la etiqueta 802.1Q viaja en los frames.
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- **VLAN tag (802.1Q):** 4 bytes adicionales en la trama Ethernet con el ID de VLAN (VID, 12 bits → hasta 4094 VLANs).
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**Ventajas:**
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- Segmentación de tráfico → mayor seguridad.
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- Reducción del dominio de broadcast.
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- Flexibilidad: agrupación lógica sin cambios físicos.
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# 7. Dispositivos de interconexión
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## 7.1 Repetidor (capa 1)
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- Regenera la señal digital para extender el alcance del cable.
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- No filtra ni procesa: transmite todos los bits.
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- Extiende el dominio de colisión.
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- Prácticamente en desuso (sustituido por switches).
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## 7.2 Hub (concentrador – capa 1)
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- Conecta múltiples dispositivos en topología estrella.
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- Funciona como repetidor multipuerto: retransmite a todos los puertos.
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- Un único dominio de colisión y broadcast para todos los nodos.
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- **Obsoleto**; sustituido por switches.
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## 7.3 Bridge (puente – capa 2)
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- Conecta dos segmentos de red.
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- Aprende direcciones MAC de cada segmento.
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- Filtra el tráfico: solo retransmite tramas al segmento donde está el destino.
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- Separa dominios de colisión (pero no de broadcast).
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- **STP (Spanning Tree Protocol – IEEE 802.1D):** evita bucles lógicos en redes con múltiples bridges.
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## 7.4 Switch (conmutador – capa 2)
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El switch es el dispositivo central de las LAN modernas.
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**Funcionamiento:**
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1. Cuando llega una trama, el switch aprende la MAC origen y el puerto de entrada.
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2. Busca la MAC destino en su **tabla CAM (Content Addressable Memory)**.
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3. Si encuentra la entrada → envía la trama solo por ese puerto (**unicast**).
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4. Si no la encuentra → **flooding** (envía por todos los puertos excepto el de entrada).
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5. Broadcasts y multicasts → envía por todos los puertos.
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**Modos de conmutación:**
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| Modo | Descripción | Latencia | Errores |
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|------|-------------|----------|---------|
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| **Store-and-Forward** | Almacena la trama completa, verifica FCS antes de reenviar | Mayor | Filtra errores |
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| **Cut-Through** | Empieza a reenviar en cuanto lee la MAC destino | Menor | No filtra errores |
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| **Fragment-Free** | Lee los primeros 64 bytes (detecta fragmentos de colisión) | Media | Parcial |
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**Switch capa 3:**
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- Añade capacidad de enrutamiento IP al switch.
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- Enrutamiento inter-VLAN sin necesidad de router externo.
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- Más rápido que un router para el tráfico interno (enrutamiento hardware).
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### STP – Spanning Tree Protocol (IEEE 802.1D)
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Evita **bucles físicos** en redes con enlaces redundantes entre switches.
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- Se elige un **Root Bridge** (switch raíz).
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- Se calculan los caminos más cortos al Root Bridge.
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- Los puertos redundantes quedan en estado **blocking** (bloqueados).
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- Si el camino activo falla → STP reconverge y activa el camino bloqueado.
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- **RSTP (IEEE 802.1w):** Rapid STP; converge en milisegundos (vs 30-50 s del STP original).
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- **MSTP (IEEE 802.1s):** Multiple STP; instancias STP por VLAN.
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## 7.5 Router (encaminador – capa 3)
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- Conecta redes diferentes (distintas subredes IP).
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- Toma decisiones de enrutamiento basadas en la dirección **IP destino**.
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- **Tabla de enrutamiento:** lista de redes conocidas con el siguiente salto.
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- Separa dominios de broadcast.
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## 7.6 Gateway (pasarela)
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- Traduce entre protocolos de redes heterogéneas.
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- Opera en todas las capas (hasta capa 7).
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- Ejemplo: gateway entre red IP y red ATM.
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## 7.7 Resumen comparativo
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| Dispositivo | Capa OSI | Dirección usada | Dom. colisión | Dom. broadcast | Inteligencia |
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|-------------|---------|----------------|--------------|----------------|-------------|
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| Repetidor | 1 | — | Extende | — | Ninguna |
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| Hub | 1 | — | Único | Único | Ninguna |
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| Bridge | 2 | MAC | Separa | Único | Tabla MAC |
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| Switch | 2 (o 3) | MAC (o IP) | Separa | Único (o VLAN) | Tabla CAM |
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| Router | 3 | IP | Separa | Separa | Tabla enrutamiento |
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| Gateway | 1-7 | Todas | — | — | Protocolo app |
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# 8. Resumen: conceptos clave para el examen
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| Concepto | Dato clave |
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|----------|-----------|
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| LAN | Red local; alta velocidad; propiedad privada |
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| Topología estrella | La más común en LAN; nodo central = switch |
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| Topología bus | Cable coaxial compartido; terminadores; colisiones |
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| Topología anillo | Token circulante; IEEE 802.5; obsoleto |
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| Banda base | Señal digital; todo el ancho de banda; Ethernet |
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| Banda ancha | Múltiples canales FDM; ADSL, cable coaxial |
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| Codificación Manchester | Transición a mitad del bit; 10BASE-T Ethernet |
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| CSMA/CD | Ethernet legacy; detecta colisiones; backoff exponencial |
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| CSMA/CA | Wi-Fi; evita colisiones; DIFS + ventana aleatoria |
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| Token Ring | Acceso determinista; sin colisiones; IEEE 802.5 |
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| Trama Ethernet | Preámbulo+SFD+MAC dst+MAC src+EtherType+Datos+FCS |
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| MAC | 48 bits (6 bytes); OUI (24 bits fabricante) |
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| Broadcast MAC | FF:FF:FF:FF:FF:FF |
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| MTU Ethernet | 1500 bytes |
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| VLAN (IEEE 802.1Q) | Hasta 4094 VLANs; tag de 4 bytes; trunk/access |
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| Switch – tabla CAM | Aprende MACs; unicast, flooding, broadcast |
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||
| Store-and-Forward | Almacena y verifica FCS; filtra errores |
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| Cut-Through | Reenvía leyendo solo MAC destino; menor latencia |
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| STP (IEEE 802.1D) | Evita bucles; Root Bridge; puertos blocking |
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||
| RSTP (IEEE 802.1w) | STP rápido; converge en milisegundos |
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||
| Switch L3 | Enrutamiento inter-VLAN sin router externo |
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| Router | Capa 3; separa dominios broadcast; tabla enrutamiento |
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| 100BASE-TX | Fast Ethernet; 100 Mbps; UTP Cat5; IEEE 802.3u |
|
||
| 1000BASE-T | Gigabit Ethernet; 1 Gbps; UTP Cat5e; IEEE 802.3ab |
|