11 KiB
Bloque 4 Tema 10. Redes locales. Tipología. Técnicas de transmisión. Métodos de acceso. Dispositivos de interconexión.
Este tema estudia en profundidad las redes de área local, sus topologías, las técnicas de transmisión, los métodos de acceso al medio y los dispositivos que las forman.
1. Concepto y clasificación de redes de área local
Una LAN o Local Area Network es una red de comunicaciones que cubre un área geográfica limitada como una habitación, un edificio o un campus. Se caracteriza por su alta velocidad de transmisión, que va desde 100 Mbps hasta 100 Gbps; su baja tasa de errores; por ser de propiedad privada; y por usar principalmente Ethernet según el estándar IEEE 802.3 y WiFi según el estándar IEEE 802.11.
Las redes se clasifican por su extensión geográfica en cuatro tipos. La PAN o Personal Area Network tiene un alcance de unos 10 metros y usa Bluetooth. La LAN cubre un edificio o campus. La MAN o Metropolitan Area Network cubre una ciudad. La WAN o Wide Area Network cubre un país o todo el mundo, siendo Internet el ejemplo principal.
2. Topologías de red
La topología describe la estructura física o lógica de cómo están interconectados los nodos.
La topología en bus conecta todos los nodos a un único cable compartido. Las señales se propagan en ambos sentidos y es necesario colocar terminadores en los extremos del cable para evitar reflexiones. Es sencilla y económica pero un corte en el cable inutiliza toda la red y es susceptible a colisiones frecuentes. Se usó en las redes Ethernet de coaxial antiguas.
La topología en estrella conecta todos los nodos a un nodo central, que suele ser un switch o un hub. Es la topología más utilizada en las LAN modernas. Sus ventajas son que el fallo de un nodo no afecta al resto y que es fácil de gestionar y ampliar. Su desventaja es que el nodo central es un punto único de fallo.
La topología en anillo conecta los nodos formando un círculo, de modo que los datos circulan en un sentido o en ambos en los anillos duales. El acceso al medio se controla mediante el mecanismo del token, que es el que usa Token Ring de IEEE 802.5. Su ventaja es que el acceso es predecible y sin colisiones, pero un fallo en el anillo interrumpe la red. Está en desuso frente a Ethernet.
La topología en malla conecta cada nodo directamente con todos los demás en la malla completa, o con varios en la malla parcial. Ofrece muy alta redundancia y tolerancia a fallos, pero su coste es muy elevado en cables y puertos. Se usa en redes de backbone críticas e Internet.
La topología en árbol o jerarquía organiza los nodos en tres niveles: núcleo o core, distribución y acceso. Es la arquitectura más usada en redes corporativas. Es escalable y fácil de gestionar, aunque depende de los nodos superiores.
Es importante distinguir la topología física, que describe cómo están conectados físicamente los cables y dispositivos, de la topología lógica, que describe cómo fluye la información. Por ejemplo, Ethernet moderno tiene topología física en estrella con switch pero topología lógica de bus, ya que todos comparten el mismo dominio de broadcast.
3. Técnicas de transmisión
La transmisión en banda base, o baseband, usa la señal digital ocupando todo el ancho de banda del medio. Solo se puede transmitir una señal a la vez. La codificación típica es Manchester, que combina la señal de reloj con los datos. Es la técnica estándar en las LAN, usada en Ethernet.
La transmisión en banda ancha, o broadband, divide el ancho de banda del medio en múltiples canales de frecuencia mediante multiplexación por frecuencia, lo que permite que cada canal lleve una señal diferente. Se usa en ADSL y en el cable de televisión. En las LAN se usa de forma excepcional.
Los principales esquemas de codificación de la señal son los siguientes. NRZ o Non-Return to Zero usa voltaje alto para el uno y voltaje bajo para el cero, sin señal de reloj integrada. Manchester usa una transición a mitad del bit para sincronizar el reloj y se usaba en Ethernet de 10 Mbps. Las codificaciones 4B5B y 8B10B se usan en Fast Ethernet y Gigabit Ethernet respectivamente. PAM-4, que usa cuatro niveles de amplitud por símbolo, se usa en Ethernet de 25 y 400 Gbps para doblar la tasa de transmisión.
4. Métodos de acceso al medio
El método de acceso al medio controla cómo los nodos comparten el medio de transmisión para evitar o resolver colisiones.
CSMA/CD, o Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection, es el método usado en Ethernet con topología de bus o con hub. El algoritmo funciona así: el nodo escucha el medio antes de transmitir; si está libre, transmite; si dos nodos transmiten a la vez se produce una colisión; los nodos detectan la colisión y envían una señal jam para notificarlo a todos; cada nodo espera un tiempo aleatorio mediante el algoritmo de backoff exponencial binario y reintenta. Con los switches modernos en modo full-duplex no existen colisiones, por lo que CSMA/CD ya no es relevante en redes actuales, aunque sigue siendo un concepto de examen.
CSMA/CA, o Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance, es el método usado en WiFi. En las redes inalámbricas una estación no puede detectar colisiones mientras transmite porque no oye su propia señal reflejada. Por eso, en lugar de detectar, intenta evitar las colisiones. El mecanismo usa un tiempo de espera DIFS más una ventana de contención aleatoria antes de transmitir. El receptor debe confirmar la recepción de cada trama mediante un mensaje de reconocimiento ACK. Para resolver el problema del nodo oculto, en el que dos estaciones no se escuchan entre sí pero sí al punto de acceso, se puede usar el mecanismo RTS/CTS de solicitud y autorización para enviar.
El método Token Ring de IEEE 802.5 usa un token o ficha que circula por el anillo. Solo el nodo que tiene el token puede transmitir. El acceso es determinista, sin colisiones y con latencia predecible. Operaba a 4 y 16 Mbps. Está obsoleto y fue reemplazado por Ethernet.
FDDI o Fiber Distributed Data Interface usa un anillo dual de fibra óptica a 100 Mbps con acceso por token y tolerancia a fallos mediante el anillo secundario de backup. Se usó en redes metropolitanas en los años noventa. Está obsoleto.
5. Ethernet: el estándar de LAN
Ethernet es el estándar de red de área local más extendido del mundo, definido por la norma IEEE 802.3.
La evolución de Ethernet comenzó con 10BASE5 en 1983 a 10 Mbps sobre coaxial grueso. Siguió con 10BASE2 sobre coaxial delgado y con 10BASE-T sobre par trenzado UTP categoría 3. Fast Ethernet o 100BASE-TX llegó en 1995 a 100 Mbps sobre UTP Cat5. Gigabit Ethernet o 1000BASE-T alcanzó 1 Gbps sobre UTP Cat5e. La norma 10GBASE-T alcanzó 10 Gbps sobre UTP Cat6A. Y las normas de fibra óptica llegan hasta 400 Gbps.
La nomenclatura de Ethernet sigue el patrón velocidad, BASE para banda base, y tipo de medio: T para par trenzado, S para fibra multimodo de corto alcance, L para fibra monomodo de largo alcance.
La trama Ethernet según el estándar IEEE 802.3 tiene los siguientes campos: el preámbulo de 7 bytes para sincronización, el delimitador de inicio de trama SFD de 1 byte, la dirección MAC de destino de 6 bytes, la dirección MAC de origen de 6 bytes, el campo EtherType o longitud de 2 bytes que indica el protocolo de capa superior, el payload o datos de entre 46 y 1500 bytes, y la secuencia de verificación de trama FCS de 4 bytes para la detección de errores.
La MTU o Maximum Transmission Unit de Ethernet es de 1500 bytes. El tamaño mínimo de trama es de 64 bytes para que CSMA/CD funcione correctamente.
Las direcciones MAC tienen 48 bits, equivalentes a 6 bytes, y se representan en notación hexadecimal. Los primeros 24 bits identifican al fabricante mediante el código OUI. La dirección de broadcast es FF:FF:FF:FF:FF:FF y se envía a todos los nodos de la red.
Las VLANs o Virtual LANs según el estándar IEEE 802.1Q permiten segmentar lógicamente una LAN física en múltiples LANs virtuales independientes. Los dispositivos de distintas VLANs no pueden comunicarse directamente sin un router o switch de capa 3. Los puertos de acceso asignan un dispositivo a una VLAN concreta. Los puertos troncales o trunk transportan tráfico de múltiples VLANs con una etiqueta 802.1Q de 4 bytes que incluye el identificador de VLAN, que puede tomar hasta 4094 valores distintos. Las ventajas de las VLANs son la segmentación del tráfico para mayor seguridad, la reducción del dominio de broadcast y la flexibilidad para agrupar dispositivos sin cambios físicos.
6. Dispositivos de interconexión
El repetidor opera en la capa física y regenera la señal digital para extender el alcance del cable. No filtra ni procesa: retransmite todos los bits. Está prácticamente en desuso.
El hub o concentrador opera en la capa física y conecta varios equipos en estrella retransmitiendo los datos a todos los puertos. Crea un dominio de colisión único compartido entre todos los equipos. Está en desuso, sustituido por el switch.
El bridge o puente opera en la capa de enlace de datos y conecta dos segmentos de red. Aprende las direcciones MAC y filtra las tramas por segmento.
El switch o conmutador opera en la capa de enlace de datos y conecta dispositivos en la LAN. Mantiene una tabla de direcciones MAC que asocia cada dirección con el puerto correspondiente. Envía cada trama solo al puerto de destino, separando los dominios de colisión. Puede crear VLANs. Los switches de capa 3 también tienen capacidades de enrutamiento.
El router o encaminador opera en la capa de red. Conecta redes distintas usando direcciones IP. Selecciona la mejor ruta mediante protocolos de enrutamiento como RIP, OSPF y BGP. Separa los dominios de broadcast.
La pasarela o gateway opera en todas las capas y traduce entre protocolos distintos.
La diferencia fundamental en cuanto a dominios es la siguiente: el hub crea un único dominio de colisión y un único dominio de broadcast. El switch separa los dominios de colisión pero mantiene un único dominio de broadcast, excepto con VLANs. El router separa tanto los dominios de colisión como los de broadcast.
Miniresumen final del tema
Las topologías de red principales son bus, estrella, anillo, malla y árbol, siendo la estrella la más usada en LAN modernas. Ethernet usa transmisión en banda base y el método de acceso CSMA/CD, mientras que WiFi usa CSMA/CA. Los dispositivos clave son el hub en capa 1, el switch en capa 2 y el router en capa 3. Las VLANs segmentan la red lógicamente. La trama Ethernet tiene una MTU de 1500 bytes y las direcciones MAC son de 48 bits.