Tema 52. Sistemas en red. Tipos. Componentes y topologías
1. Índice
2. Vinculación curricular
- SMR / Redes locales → Identificación de la estructura de redes locales y la funcionalidad de sus componentes para el despliegue físico.
- ASIR / Planificación y administración de redes → Diseño de la topología física y lógica de la red para su posterior implementación y configuración.
- DAM / Sistemas informáticos → Identificación de tipos de redes y componentes para comprender su impacto en el desarrollo de aplicaciones.
- Curso de Especialización en Ciberseguridad en Entornos de las Tecnologías de la Información / Bastionado de redes y sistemas → Incremento de la seguridad de una red segmentándola físicamente y utilizando dispositivos de enrutamiento.
3. Introducción
El modelo de interconexión de computadoras sustituyó a los sistemas aislados para permitir la compartición de información y recursos. En décadas pasadas, las máquinas procesaban la información de manera centralizada y sin conexión exterior.
Hoy, una red de computadoras, definida como un conjunto de equipos autónomos conectados mediante una tecnología de transmisión, permite acceder a archivos y periféricos comunes. La utilidad de una red crece con su tamaño; un sistema con nodos genera un número de conexiones potenciales cercano a .
Conviene diferenciar entre una red y un sistema distribuido, que es un modelo informático donde el software unifica múltiples computadoras para mostrarlas al usuario como un único entorno. La distinción reside en la capa de software, que oculta o expone el hardware subyacente.
En el sistema distribuido, el usuario ignora qué máquina concreta procesa sus datos. En una red, el usuario ve las máquinas reales y debe indicar de forma explícita a qué equipo remoto desea acceder para realizar una acción.
Para gestionar la complejidad técnica, los sistemas actuales dividen las funciones de comunicación conformando una arquitectura de capas, que es una estructura jerárquica de protocolos. El diseño en capas permite separar los problemas físicos de transmisión de los problemas lógicos de las aplicaciones.
De este modo, un programa informático funciona igual si los datos viajan como señales eléctricas por un cable o como pulsos de luz en una fibra óptica. Cada capa asume tareas concretas y transfiere los datos a la capa adyacente.
Las organizaciones despliegan diferentes tipos de redes según su cobertura geográfica. Las redes de área local (LAN) conectan equipos en distancias cortas dentro de un mismo edificio, proporcionando un canal de comunicación de alta velocidad.
Por otro lado, las redes de área amplia (WAN) abarcan grandes distancias y emplean enlaces de operadores de telecomunicaciones externos. Esta variedad exige combinar tecnologías distintas y utilizar métodos estandarizados para identificar el origen y el destino de cada transmisión.
El conocimiento de las topologías, que establecen la disposición geométrica y lógica de los enlaces, y de los componentes resulta necesario para planificar y mantener infraestructuras de comunicaciones en las empresas.
Los profesionales seleccionan el cableado y el hardware para asegurar un flujo de datos continuo. Elementos como los conmutadores, que interconectan ordenadores en una misma red, y los enrutadores, que enlazan redes diferentes entre sí, dirigen el tráfico para prevenir problemas de congestión.
4. Desarrollo
4.1. Sistemas en red
4.1.1. Concepto de red de computadoras
Una red de computadoras es un conjunto de equipos interconectados que utilizan protocolos comunes para intercambiar datos. Los equipos finales ejecutan aplicaciones de usuario y actúan como origen o destino de la información. La red conecta estos equipos terminales a través de enlaces de comunicaciones y nodos de conmutación.
Un enlace de comunicaciones transporta la información en forma de señales electromagnéticas u ópticas. La velocidad de transmisión del enlace establece la cantidad de bits que el sistema transfiere por segundo. Los nodos de conmutación dirigen los datos desde el enlace de entrada hacia el enlace de salida adecuado.
La red intercambia los datos mediante impulsos eléctricos, señales luminosas u ondas de radio electromagnéticas. El diseño de redes contempla requisitos estrictos de escalabilidad, tolerancia a fallos y calidad de servicio para mantener la operatividad de las comunicaciones.
El retardo de transmisión para mover los datos al enlace se calcula dividiendo la longitud del paquete entre la velocidad del enlace :
4.1.2. Elementos del modelo de comunicación
Conviene recordar que el intercambio de información requiere un modelo de comunicación basado en cinco elementos básicos. El emisor genera los datos y los prepara para su transmisión. El receptor acepta la señal del medio y la procesa para recuperar la información original.
El proceso de comunicación transforma los datos en señales compatibles con el medio. El emisor codifica la información digital en un formato transmisible. El receptor decodifica la señal entrante para restaurar los datos al formato inicial.
El mensaje representa los datos útiles que viajan desde el emisor hasta el receptor. El medio de transmisión constituye el soporte físico que enlaza los dispositivos de la red. Un protocolo define el formato, el orden de los mensajes y las acciones que los sistemas ejecutan al enviar o recibir la información.
El protocolo rige la comunicación a través de tres elementos estructurales. La sintaxis determina el formato de los datos y los niveles de señal de la transmisión. La semántica incluye la información de control para coordinar rutas y gestionar errores. La temporización adapta las velocidades y ordena las secuencias de llegada.
4.1.3. Arquitectura de protocolos y capas
La arquitectura de red divide las funciones de comunicación en un conjunto jerárquico de capas. Cada capa resuelve una categoría de problemas específicos y ofrece servicios a la capa inmediatamente superior. El modelo en capas oculta los detalles de implementación técnica a los niveles superiores.
Las entidades pares son los elementos de hardware o software que operan en la misma capa de sistemas diferentes. Estas entidades se comunican entre sí mediante protocolos específicos de su nivel. Las capas pasan datos e información de control a la capa inferior a través de una interfaz bien definida.
La interfaz define los servicios y operaciones primitivas que la capa inferior pone a disposición de la superior. El diseño estandarizado de interfaces simplifica el reemplazo de tecnologías en una capa sin alterar el funcionamiento del resto del sistema.
El sistema añade información de control a los datos del usuario en cada capa mediante un proceso de encapsulamiento. La información de control conforma una cabecera que precede a los datos de la capa superior. El bloque completo de datos y control recibe el nombre de unidad de datos de protocolo o PDU.
La PDU desciende por la pila de protocolos del emisor, viaja por el medio físico y asciende por la pila del receptor. El receptor lee, procesa y retira la cabecera de cada capa antes de pasar los datos resultantes a la capa superior.
4.1.4. El modelo de referencia OSI
El modelo OSI (Open Systems Interconnection) estructura el proceso de comunicación en siete capas. La capa física define las especificaciones eléctricas y mecánicas de la interfaz y transmite señales binarias a través del medio físico. La capa de enlace de datos agrupa los bits en tramas, detecta errores físicos y controla el acceso al medio compartido.
La capa de red enruta los paquetes a través de la infraestructura y selecciona el camino óptimo entre el origen y el destino. La capa de transporte transfiere los datos de un extremo a otro, detecta errores de transmisión y regula el flujo de información.
La capa de sesión establece, gestiona y finaliza las conexiones lógicas entre las distintas aplicaciones. La capa de presentación formata los datos, los comprime y los cifra para asegurar la correcta interpretación del receptor. La capa de aplicación proporciona los servicios de red directamente a los programas del usuario.
| Capa OSI | Función técnica | PDU |
|---|---|---|
| Aplicación | Servicios de red para aplicaciones de usuario | Mensaje |
| Presentación | Formato, cifrado y compresión de datos | Mensaje |
| Sesión | Gestión y sincronización del diálogo lógico | Mensaje |
| Transporte | Entrega de extremo a extremo y control de flujo | Segmento |
| Red | Enrutamiento de datos a través de la interred | Paquete |
| Enlace de datos | Control de acceso al medio y detección de errores | Trama |
| Física | Transmisión de señales binarias por el medio | Bit |
4.1.5. La familia de protocolos TCP/IP
El modelo TCP/IP organiza las tareas de comunicación en cinco capas funcionales y representa el estándar de diseño de Internet. La capa física interconecta el dispositivo con el medio de transmisión. La capa de acceso a la red controla el flujo físico en el enlace de comunicaciones.
La capa de internet enruta los datos a través de redes interconectadas mediante el Protocolo de Internet (IP). El protocolo IP entrega los datos sin garantía de recepción. Esta capa asigna una dirección lógica única a cada equipo para facilitar el enrutamiento global.
La capa de transporte regula el intercambio de datos entre procesos de aplicación independientes. El Protocolo de Control de Transmisión (TCP) asegura una entrega fiable, secuencial y orientada a la conexión. El Protocolo de Datagramas de Usuario (UDP) transfiere datos sin conexión y sin garantía de entrega.
La capa de aplicación agrupa los protocolos de alto nivel que las aplicaciones utilizan para comunicarse por la red. Los protocolos de esta capa incluyen HTTP para navegación web, SMTP para correo electrónico y DNS para la resolución de nombres de dominio.
/* Definición en lenguaje C de la cabecera IPv4 básica */ struct ipv4_header { unsigned char ihl:4, version:4; unsigned char tos; unsigned short tot_len; unsigned short id; unsigned short frag_off; unsigned char ttl; unsigned char protocol; unsigned short check; unsigned int saddr; unsigned int daddr; };
4.1.6. Transporte en el núcleo: conmutación de circuitos
Podemos observar que el núcleo de la red utiliza la conmutación de circuitos para transportar los datos a través de trayectorias físicas reservadas. El sistema de conmutación establece un camino dedicado entre el emisor y el receptor antes de iniciar la transmisión de información. La red mantiene este circuito de forma exclusiva durante toda la duración de la sesión.
La comunicación transcurre en tres fases: establecimiento de la conexión, transferencia de datos y liberación del circuito. La red reserva una tasa de transmisión constante y garantiza el ancho de banda del canal. Los datos fluyen de forma continua y sin retardo de procesamiento en los nodos intermedios.
El sistema telefónico tradicional ejemplifica el uso de la conmutación de circuitos para transmitir señales de voz. Si el tráfico es esporádico, la red desperdicia el ancho de banda reservado durante los periodos de inactividad del emisor o del receptor.
Los nodos dividen la capacidad del enlace físico mediante la multiplexación. La multiplexación por división en frecuencia (FDM) asigna una banda de frecuencias específica a cada conexión. La multiplexación por división en el tiempo (TDM) asigna ranuras de tiempo periódicas a cada conexión dentro de una trama temporal repetitiva.
El retardo total en este esquema suma el tiempo de establecimiento de la conexión , el tiempo de transmisión y el tiempo de propagación :
4.1.7. Transporte en el núcleo: conmutación de paquetes
La conmutación de paquetes transfiere la información sin reservar recursos de red de forma previa al envío. El emisor fragmenta el mensaje original en bloques de datos de menor tamaño, denominados paquetes. Cada paquete contiene los datos del usuario y la cabecera con información de enrutamiento.
Los enrutadores de la red emplean la técnica de almacenamiento y reenvío para transmitir cada paquete individual. El enrutador recibe el paquete completo, lo almacena en su memoria temporal, lee la dirección de destino de la cabecera y lo transfiere al siguiente enlace.
Las redes de paquetes operan bajo el enfoque de datagramas o el de circuitos virtuales. En el enfoque de datagramas, el sistema enruta cada paquete de manera independiente mediante el análisis aislado de la dirección. Los paquetes pueden seguir rutas diferentes y llegar desordenados al equipo receptor.
En el enfoque de circuitos virtuales, el sistema define una trayectoria lógica antes de enviar los datos. Todos los paquetes de la sesión siguen esta misma ruta y llevan una etiqueta numérica que identifica el flujo. La red libera el circuito lógico al finalizar la transferencia total de datos.
El enrutador consulta una tabla de reenvío local para determinar el puerto de salida adecuado para cada paquete. La conmutación de paquetes aprovecha la capacidad de los enlaces de forma dinámica mediante el multiplexaje estadístico, lo que optimiza el uso del núcleo de la red frente al tráfico intermitente.
4.2. Tipos de redes
4.2.1. Clasificación según la tecnología de transmisión
Las redes informáticas emplean dos tecnologías de transmisión principales para enviar información. La primera categoría agrupa a las redes de difusión, donde un canal de comunicación se comparte entre todas las máquinas conectadas. Los mensajes, divididos en paquetes, circulan por el canal y alcanzan a todos los dispositivos de la red.
Cada paquete incluye un campo de dirección que especifica el destinatario. Cuando una máquina recibe un paquete, verifica este campo. Si el paquete va dirigido a ella, lo procesa; de lo contrario, lo ignora. Las redes inalámbricas funcionan naturalmente bajo este modelo debido a la propagación electromagnética.
Las redes de difusión soportan la operación de difusión (broadcast), que envía un paquete a todas las estaciones mediante un código de dirección especial. También permiten la multidifusión (multicast), que dirige los datos a un subconjunto específico de máquinas inscritas en un grupo de recepción.
La segunda categoría corresponde a las redes punto a punto, que conectan pares individuales de máquinas. En este modelo, un paquete viaja desde el origen hasta el destino atravesando múltiples nodos intermedios. Este envío de un único emisor a un único receptor se denomina unidifusión (unicast).
En las redes punto a punto grandes existen múltiples rutas de diferentes longitudes. Los dispositivos intermedios deben ejecutar algoritmos de enrutamiento para calcular y seleccionar el camino más corto o con menor congestión. La cantidad de enlaces en una red punto a punto con topología de malla completa crece cuadráticamente según el número de nodos.
4.2.2. Redes de área personal y local según su escala
La red de área personal (PAN) conecta dispositivos en el rango de alcance de una persona, habitualmente unos pocos metros. Permite enlazar una computadora con sus periféricos, como teclados y ratones, o un teléfono inteligente con unos auriculares. El estándar Bluetooth (IEEE 802.15.1) domina este espacio.
Bluetooth utiliza un paradigma de maestro-esclavo, donde un dispositivo maestro controla la comunicación de varios dispositivos esclavos. El maestro determina las frecuencias, los tiempos de transmisión y las direcciones que utilizarán los esclavos para evitar colisiones en el medio inalámbrico.
La red de área local (LAN) opera dentro de un edificio, una oficina o una fábrica. Conecta computadoras y dispositivos para facilitar el intercambio de información y recursos. Las LAN alámbricas emplean hilos de cobre o fibra óptica y alcanzan velocidades de transmisión que oscilan entre 100 Mbps y 10 Gbps, con un retardo bajo y escasos errores de transmisión.
El estándar alámbrico dominante es Ethernet (IEEE 802.3), que en la actualidad utiliza conmutadores (switches) para aislar dominios de colisión y ofrecer canales dúplex a cada nodo. Las LAN inalámbricas utilizan el estándar Wi-Fi (IEEE 802.11) y se basan en un punto de acceso (AP) que hace de puente entre los dispositivos móviles y la red alámbrica troncal.
4.2.3. Redes de área metropolitana y amplia según su escala
La red de área metropolitana (MAN) cubre la extensión de una ciudad. Los sistemas de televisión por cable proporcionan el ejemplo más representativo, al adaptar su infraestructura de cable coaxial y fibra óptica (HFC) para ofrecer servicio de internet bidireccional a los hogares. La tecnología WiMAX (IEEE 802.16) ofrece una variante inalámbrica de banda ancha para la escala metropolitana.
La red de área amplia (WAN) abarca zonas geográficas extensas, como países o continentes. En una WAN, los sistemas terminales o hosts ejecutan aplicaciones de usuario, mientras que una subred de comunicación transporta los mensajes entre ellos. Esta separación funcional simplifica el diseño global de la infraestructura.
La subred de comunicación contiene líneas de transmisión y elementos de conmutación. Las líneas mueven los bits a grandes distancias mediante fibra óptica, cobre o enlaces de radio. Los elementos de conmutación, conocidos como enrutadores (routers), conectan las líneas de transmisión y deciden la línea de salida óptima para cada paquete entrante.
Las WAN experimentan retardos de propagación superiores a las LAN. El tiempo de propagación entre continentes añade decenas de milisegundos al retardo total. Los enrutadores WAN enlazan distintas tecnologías de red, actuando como fronteras que adaptan los paquetes a los protocolos de cada segmento de la ruta.
| Tipo de Red | Escala Geográfica | Tecnología Habitual | Velocidad Típica |
|---|---|---|---|
| PAN | Rango personal (~10 m) | Bluetooth, Zigbee | 1 - 24 Mbps |
| LAN | Edificio / Campus | Ethernet, Wi-Fi | 100 Mbps - 10 Gbps |
| MAN | Ciudad | DOCSIS, WiMAX | 10 - 1000 Mbps |
| WAN | País / Continente | Enrutadores IP, MPLS | Variable |
4.2.4. Modelo cliente-servidor según la relación funcional
El modelo cliente-servidor estructura las aplicaciones de red dividiendo las responsabilidades entre dos procesos en ejecución. Un cliente inicia la comunicación enviando una petición a través de la red. Un servidor espera pasivamente las peticiones, las procesa y devuelve una respuesta con los datos requeridos.
Los programas servidores tienen una vida útil infinita y se ejecutan continuamente. Las máquinas servidoras se alojan en grandes centros de datos para proporcionar la capacidad de cómputo, almacenamiento y ancho de banda que exigen las solicitudes masivas. Los programas clientes tienen una vida útil finita y se inician a petición del usuario.
El modelo cliente-servidor asume una jerarquía y asimetría funcional. El servidor gestiona las bases de datos corporativas, implementa la lógica de negocio y centraliza la administración. El cliente presenta la interfaz de usuario y realiza el procesamiento local ligero. Protocolos como HTTP, DNS y SMTP operan bajo este modelo.
4.2.5. Arquitectura entre iguales según la relación funcional
La arquitectura entre iguales (P2P) descentraliza la distribución de información. No existe una distinción fija entre clientes y servidores. Cualquier dispositivo participante, denominado nodo par o peer, actúa simultáneamente como cliente que solicita recursos y como servidor que los proporciona a otros nodos.
Los nodos pares son computadoras de usuario final con conexiones intermitentes. Se comunican directamente entre sí sin pasar por una infraestructura de servidores dedicados. Las redes P2P gestionan eficientemente el intercambio de archivos masivos, el almacenamiento distribuido y la telefonía IP directa.
La característica técnica más destacada de la arquitectura P2P es su autoescalabilidad. Cada nuevo nodo que se une a la red añade carga de trabajo al solicitar datos, pero al mismo tiempo añade capacidad de servicio al ofrecer su propio ancho de banda de subida para distribuir fragmentos de archivos a otros pares.
El tiempo de distribución de datos en un sistema P2P decrece a medida que aumenta el número de nodos. El protocolo BitTorrent ejemplifica esta arquitectura al dividir los archivos en fragmentos pequeños que los nodos intercambian en paralelo, aliviando el cuello de botella que sufriría un servidor centralizado.
4.2.6. Redes públicas y privadas según la titularidad
La titularidad y el modelo de acceso dictan la administración de la infraestructura de telecomunicaciones. Una red pública pertenece a un proveedor de servicios de telecomunicaciones (ISP). Este operador construye, mantiene y gestiona la red para ofrecer servicios de tránsito de datos y acceso al público en general o a empresas.
El proveedor de servicios comparte los recursos físicos de la red pública, como los conmutadores y las líneas de transmisión, entre miles de suscriptores para reducir costes. Internet constituye la red pública global más extensa, interconectando miles de redes de proveedores independientes bajo la pila de protocolos TCP/IP.
Una red privada pertenece exclusivamente a una única organización o empresa. La organización adquiere y administra los equipos, garantizando que el tráfico de datos interno quede completamente aislado de otros usuarios externos. Las redes privadas proporcionan un control exacto sobre el ancho de banda, la calidad de servicio y las políticas de seguridad.
Una intranet es una red privada que utiliza las tecnologías y protocolos de Internet, como los navegadores web y servidores HTTP, para uso interno de una corporación. Si la organización tiene varias sedes, puede interconectarlas mediante líneas alquiladas punto a punto proporcionadas por los operadores de telecomunicaciones, manteniendo el control privado del flujo de datos.
4.2.7. Redes privadas virtuales para acceso seguro
El alquiler de líneas físicas dedicadas para construir una red privada de área amplia genera costes de infraestructura elevados. La red privada virtual (VPN) soluciona este problema estableciendo una red superpuesta sobre la infraestructura de una red pública como Internet. La VPN crea la ilusión de una red privada exclusiva para la organización.
Una VPN encapsula los paquetes de datos originales dentro de nuevos paquetes de red, un proceso técnico conocido como tunelización (tunneling). Los enrutadores de la red pública transportan estos túneles sin interpretar los datos encapsulados en su interior, dirigiéndolos desde la pasarela de origen hasta la pasarela de destino.
El sistema aplica cifrado y autenticación a los paquetes tunelizados. El protocolo IPsec opera en la capa de red para encriptar los datagramas, asegurando la confidencialidad y la integridad de la carga útil frente a interceptaciones en la red pública. Solo los extremos autorizados poseen las claves para descifrar la información.
Las organizaciones utilizan conexiones VPN de sitio a sitio para enlazar sucursales distantes a la sede central. También configuran conexiones VPN de acceso remoto para permitir que los trabajadores móviles accedan a la red corporativa de forma segura desde sus conexiones domésticas o redes inalámbricas externas, aplicando el principio de mínima superficie de exposición.
4.3. Componentes hardware de la red
4.3.1. Equipos terminales y tarjetas de interfaz de red
Los equipos terminales, comúnmente denominados hosts, representan los dispositivos que inician o reciben el flujo de información. Computadoras de escritorio, servidores empresariales y dispositivos móviles operan en los extremos de la red.
Estos sistemas se conectan al medio de transmisión a través de una tarjeta de interfaz de red (NIC). Este hardware adapta las señales digitales del equipo a las características físicas del medio.
La tarjeta de red implementa las funciones de la capa física y de la subcapa de control de acceso al medio. Transforma los flujos de bits en voltajes, pulsos ópticos o señales electromagnéticas para su emisión.
El controlador de la tarjeta de red, implementado en software, gestiona la comunicación entre el sistema operativo y el hardware. El adaptador incluye memoria interna para almacenar las tramas temporalmente durante la transmisión y recepción.
Cada tarjeta posee una dirección física grabada desde su fabricación, denominada dirección MAC. Este identificador hexadecimal permite localizar al dispositivo de forma unívoca dentro de una red de difusión local.
4.3.2. Medios de transmisión físicos guiados
El medio de transmisión establece el camino físico entre el transmisor y el receptor de los datos. Los medios guiados confinan las ondas electromagnéticas a lo largo de un canal sólido.
El cable de pares trenzados consiste en dos hilos de cobre aislados y entrelazados en forma de espiral. El trenzado reduce la interferencia electromagnética externa y minimiza la diafonía entre pares adyacentes del mismo cable.
Las redes modernas emplean cables de categoría 5e, 6 o superior para alcanzar velocidades de gigabits por segundo. Se clasifican en variantes sin apantallar (UTP) y con apantallamiento metálico (STP) para entornos con mucho ruido eléctrico.
El cable coaxial contiene un conductor cilíndrico de cobre rodeado por un material aislante y una malla metálica exterior. Su conductor externo proporciona blindaje electromagnético e impide la disipación de la energía hacia el exterior.
La fibra óptica propaga pulsos de luz utilizando un núcleo de vidrio o plástico transparente. Funciona bajo el principio de reflexión total interna, lo que confina el haz luminoso dentro del núcleo sin dispersión lateral.
| Medio de transmisión | Señal utilizada | Inmunidad al ruido | Coste relativo |
|---|---|---|---|
| Par trenzado (UTP/STP) | Eléctrica | Baja / Media | Bajo |
| Cable coaxial | Eléctrica | Media | Medio |
| Fibra óptica | Óptica (Luz) | Alta | Alto |
4.3.3. Medios de transmisión inalámbricos
Los medios de transmisión no guiados transportan ondas electromagnéticas sin utilizar un conductor físico. Las antenas irradian las señales a través del aire, el agua o el espacio exterior.
Las transmisiones inalámbricas emplean distintas bandas del espectro electromagnético. Las ondas de radio, las microondas y los haces infrarrojos conforman las bandas habituales para el intercambio de información.
Los sistemas de radio emplean antenas omnidireccionales o direccionales para emitir y recibir las ondas. La antena transforma las corrientes eléctricas del transmisor en ondas electromagnéticas que se propagan por el entorno.
Las señales inalámbricas sufren atenuación por la distancia y por absorción atmosférica. Los obstáculos físicos provocan reflexión, difracción y dispersión, generando el fenómeno de propagación multitrayecto.
La propagación multitrayecto causa que múltiples copias de una misma señal lleguen al receptor con distintos retardos. Este desfase temporal produce interferencia intersimbólica y dificulta la recuperación de los datos.
La capacidad teórica máxima de un canal con ruido se calcula con la ley de Shannon-Hartley. La fórmula establece la relación entre el ancho de banda y la potencia de la señal frente al ruido de fondo:
Donde representa la capacidad en bits por segundo, el ancho de banda en hercios, y la relación señal a ruido.
4.3.4. Dispositivos de la capa física: repetidores y concentradores
La señal transmitida experimenta atenuación a medida que avanza por el medio físico. Un repetidor recibe una señal degradada, regenera los bits a su nivel de voltaje original y la retransmite.
Los repetidores operan exclusivamente en la capa física del modelo OSI. No analizan direcciones MAC ni interpretan los encabezados de las tramas de datos que transitan por la red.
El uso de repetidores introduce un pequeño retardo temporal en la propagación de la señal física. Las normativas limitan el número máximo de repetidores en cascada para preservar la sincronización de las transmisiones.
Un concentrador, también llamado hub, funciona como un repetidor con múltiples puertos. Cuando el concentrador recibe un bit por una de sus interfaces, lo amplifica y lo emite por todos los demás puertos activos.
El concentrador define una topología física en estrella, pero mantiene una topología lógica en bus. Todos los nodos conectados comparten el mismo medio de transmisión y constituyen un único dominio de colisión.
4.3.5. Dispositivos de la capa de enlace: puentes
Un puente interconecta dos o más segmentos de red física. Opera en la capa de enlace de datos, por lo que examina los encabezados de las tramas y procesa las direcciones MAC.
La función del puente consiste en filtrar y reenviar el tráfico de manera selectiva. Aísla el tráfico local de un segmento para evitar que consuma el ancho de banda de los demás segmentos conectados.
El puente utiliza una tabla de enrutamiento interna para decidir el destino de cada trama. Aprende la topología de la red mediante un algoritmo de aprendizaje transparente basado en la inspección continua del tráfico.
El algoritmo extrae la dirección MAC de origen de cada trama entrante y registra el puerto de llegada. El puente actualiza su tabla de direcciones con esta información temporal, vinculando la máquina a un puerto específico.
Si la dirección de destino de una trama entrante figura en la tabla, el puente transmite la trama únicamente por el puerto correspondiente. Si la dirección es desconocida o de difusión, inunda la trama por todos los puertos.
La interconexión redundante de múltiples puentes genera bucles lógicos en la topología. Estos bucles provocan tormentas de difusión que degradan el rendimiento y bloquean las transmisiones de los usuarios.
Para evitar los bucles lógicos, los puentes ejecutan el algoritmo de árbol de expansión. Este mecanismo detecta los caminos redundantes, desactiva puertos temporalmente y asegura una topología activa libre de ciclos cerrados.
4.3.6. Dispositivos de la capa de enlace: conmutadores
El conmutador actúa como un puente multipuerto de alto rendimiento. Dispone de un bus interno o matriz de conmutación que conecta directamente los puertos, permitiendo múltiples transmisiones simultáneas entre pares de nodos.
Cada puerto del conmutador conforma un dominio de colisión independiente. Esta técnica, conocida como microsegmentación, elimina las colisiones en los enlaces punto a punto y posibilita la transmisión simultánea en ambas direcciones (full-duplex).
Los conmutadores integran circuitos especializados (ASIC) para acelerar el procesamiento de las tramas en hardware. Construyen sus tablas de direcciones MAC dinámicamente mediante el mismo mecanismo de aprendizaje pasivo que los puentes.
El modo de conmutación de almacenamiento y reenvío recibe la trama completa en un búfer. Verifica la integridad de los datos calculando la secuencia de comprobación antes de transmitir la trama al puerto de salida.
El modo de conmutación al vuelo comienza a retransmitir la trama en cuanto descifra la dirección MAC de destino. Reduce la latencia de procesamiento, pero propaga tramas que podrían contener errores hacia el receptor.
4.3.7. Dispositivos de la capa de red: enrutadores
El enrutador opera en la capa de red del modelo OSI y enlaza redes lógicas distintas. Adapta los paquetes de datos a las diferentes tecnologías de capa de enlace que conforman cada una de las subredes conectadas.
El enrutador extrae el paquete de datos del interior de la trama entrante. Lee la dirección IP de destino contenida en el encabezado del paquete para seleccionar la interfaz de salida correspondiente.
El proceso del enrutador se divide en los planos de control y de datos. El plano de control construye las tablas de enrutamiento mediante el intercambio de mensajes de topología con otros enrutadores adyacentes.
El plano de datos ejecuta el reenvío local de los paquetes entrantes. Utiliza la dirección IP de destino para buscar la coincidencia de prefijo más larga en la tabla y asigna el paquete a una cola de salida.
Si el paquete supera la unidad máxima de transferencia (MTU) del enlace de salida, el enrutador ejecuta la fragmentación. Divide el paquete IP original en múltiples fragmentos más pequeños y los encapsula en nuevas tramas independientes.
Los enrutadores gestionan la sobrecarga de la red mediante colas de espera en sus puertos. Si la memoria temporal se satura, el enrutador descarta los paquetes excedentes para notificar a los transmisores que disminuyan su tasa de envío.
Las funciones adicionales de los enrutadores contemplan el filtrado de paquetes mediante listas de control de acceso. También efectúan la traducción de direcciones de red (NAT), reescribiendo los identificadores IP de origen para enmascarar las direcciones privadas locales.
4.4. Componentes software de la red
4.4.1. El sistema operativo de red
El sistema operativo de red administra los recursos compartidos de un conjunto de equipos interconectados. Este software proporciona la infraestructura base para que los servicios de red operen con normalidad. Gestiona la memoria local, el tiempo de procesador y las operaciones de entrada y salida de cada servidor.
Este sistema implementa un servicio de directorio para clasificar los elementos de la organización. Agrupa los recursos lógicos en dominios, estableciendo fronteras de administración y políticas de seguridad unificadas. El administrador emplea estas herramientas para centralizar el registro de equipos y servicios disponibles.
El software controla el acceso mediante la gestión estricta de usuarios y grupos de seguridad. Asigna identificadores únicos a cada cuenta de usuario para rastrear sus actividades. Los permisos determinan el nivel de acceso sobre carpetas, bases de datos o impresoras del sistema.
Las listas de control de acceso configuran los privilegios específicos de lectura, escritura o ejecución. Los usuarios heredan los permisos del grupo departamental al que pertenecen. El sistema operativo evalúa estas listas cada vez que un proceso intenta consumir un recurso de la red.
4.4.2. Los controladores de dispositivo de red
El controlador de dispositivo actúa como traductor entre el sistema operativo y el hardware de comunicaciones. Este módulo de software asume los detalles electrónicos específicos de las tarjetas de red físicas. Expone una interfaz de programación uniforme que el núcleo del sistema operativo consume para el envío y recepción de datos.
El sistema operativo transfiere solicitudes genéricas de transmisión al controlador. El controlador convierte estas llamadas en comandos eléctricos que la tarjeta de red entiende y ejecuta. Este mecanismo de abstracción exime a los desarrolladores de aplicaciones de programar directamente sobre el hardware.
Durante la recepción de datos, la tarjeta de red emite una interrupción de hardware hacia el procesador. El controlador atiende la interrupción de forma inmediata, deteniendo temporalmente otras tareas. Transfiere los datos desde los registros de la tarjeta hasta la memoria principal del equipo.
El controlador emplea buffers de memoria para compensar las diferencias de velocidad entre el medio de transmisión y la CPU. En tarjetas de alto rendimiento, el software configura transferencias directas a memoria para reducir la carga del procesador.
4.4.3. Arquitectura y pila de protocolos
La pila de protocolos de red estructura el software de comunicaciones en diversas capas superpuestas. Cada nivel resuelve un problema de comunicación específico y ofrece sus servicios a la capa inmediatamente superior. Este diseño modular encapsula la tecnología, aislando los cambios técnicos dentro de una única capa.
El sistema encapsula los datos generados por la aplicación, añadiendo un encabezado de control propio en cada nivel. El proceso forma sucesivas unidades de datos, desde el mensaje original hasta el segmento, el paquete y la trama final. El equipo receptor ejecuta el proceso inverso, retirando los encabezados a medida que la información asciende.
El modelo TCP/IP guía el diseño del software de red en los sistemas operativos modernos. TCP/IP divide la arquitectura en cuatro capas funcionales: acceso a la red, internet, transporte y aplicación.
| Capa TCP/IP | Unidad de Datos | Función principal del software |
|---|---|---|
| Aplicación | Mensaje | Servicios de red y protocolos de usuario (HTTP, FTP) |
| Transporte | Segmento | Comunicación entre procesos (TCP, UDP) |
| Internet | Paquete / Datagrama | Enrutamiento y direccionamiento lógico (IP) |
| Acceso a red | Trama | Control de acceso al medio físico y direccionamiento MAC |
4.4.4. Funciones de la pila de protocolos
Las capas inferiores realizan la codificación de los datos para su transmisión física. Transforman el flujo de bits del sistema operativo en señales adaptadas a los medios de cobre, fibra óptica o radiofrecuencia. El software coordina los tiempos de sincronización entre el emisor y el receptor.
El direccionamiento permite localizar el origen y el destino de cada transmisión en la red. El software de la capa de red utiliza direcciones lógicas, como el formato IPv4 o IPv6, para identificar equipos en distintas redes. La capa de enlace emplea direcciones físicas para la entrega de datos en el mismo segmento local.
La corrección de errores garantiza la integridad de los mensajes intercambiados. El software calcula valores de redundancia cíclica y los incrusta en los paquetes de red. El receptor recalcula la suma y descarta el paquete si detecta alteraciones. La probabilidad de detectar un error en una trama depende de la tasa de error del canal.
Donde es la probabilidad de que una trama contenga errores, representa la probabilidad de error de un solo bit en el medio, y indica la longitud de la trama en bits.
El enrutamiento determina el camino que siguen los paquetes a través de subredes interconectadas. Los algoritmos de software construyen tablas de reenvío en la memoria de los enrutadores. El sistema consulta la dirección IP de destino y selecciona la interfaz de salida que minimiza el coste del trayecto.
4.4.5. Interfaz de programación de aplicaciones y sockets
La interfaz de programación de aplicaciones (API) brinda el conjunto de funciones que conecta el software de usuario con la pila de protocolos del sistema operativo. La interfaz de sockets es el estándar para programar aplicaciones con conectividad. Un socket representa el punto final de una comunicación de red bidireccional.
El sistema operativo define un socket mediante la combinación de una dirección IP y un número de puerto. El puerto es un identificador numérico de 16 bits que el software asigna a un proceso en ejecución. El protocolo de transporte lee el puerto de destino para entregar el tráfico entrante a la aplicación correcta.
Para enviar datos, el programa cliente solicita crear un socket y declara la dirección del servidor remoto. El programa servidor mantiene un socket en estado de escucha permanente. Cuando el cliente y el servidor enlazan sus respectivos sockets, inician la transferencia de información.
Los sockets de flujo utilizan protocolos orientados a la conexión. El software establece un acuerdo de tres vías para sincronizar los números de secuencia antes de transferir datos. Los sockets de datagrama omiten este paso, enviando los mensajes de forma independiente sin garantizar su entrega.
4.4.6. Servicios de configuración y resolución de nombres
Los servicios de red operan en segundo plano para configurar los parámetros de las estaciones de trabajo. El protocolo de configuración dinámica de host (DHCP) asigna direcciones IP a los equipos de forma automatizada. El servidor DHCP custodia un bloque de direcciones y las arrienda temporalmente a los clientes.
El cliente inicia el proceso emitiendo un mensaje de difusión general para localizar servidores DHCP. El servidor responde con una oferta que incluye la dirección IP, la máscara de subred y la puerta de enlace. El cliente selecciona la oferta y el servidor registra la concesión en su base de datos.
El sistema de nombres de dominio (DNS) traduce los nombres de equipo legibles por personas a direcciones IP procesables por el software de red. El DNS conforma una base de datos distribuida y jerárquica a nivel global. Libera al usuario de memorizar las secuencias numéricas de los servidores.
El proceso cliente envía la consulta DNS al servidor local de su red. Si el servidor local carece de la respuesta en su memoria caché, contacta con los servidores raíz de la jerarquía. El sistema resuelve el nombre paso a paso y devuelve la dirección IP al cliente original para que inicie la conexión.
nslookup o dig, seguidas del nombre del dominio a consultar.4.4.7. Servicios de aplicación y compartición de recursos
Las aplicaciones de red construyen servicios de alto nivel sobre la infraestructura de conectividad. Los administradores despliegan servidores de archivos para centralizar el almacenamiento de la información de los usuarios. El sistema operativo concurrente gestiona el acceso simultáneo a los discos mediante bloqueos de lectura y escritura.
El servidor de impresión permite que múltiples estaciones de trabajo dirijan sus trabajos a un mismo periférico. El software del servidor mantiene una cola de impresión en el disco duro. Envía los documentos a la impresora en estricto orden de llegada y reporta el estado a los usuarios.
Los servicios de acceso remoto facilitan la administración de equipos sin necesidad de presencia física. El software establece un túnel cifrado a través de la red pública. Transmite la entrada del teclado del cliente y devuelve la salida visual generada por el sistema operativo remoto.
Los cortafuegos de software operan analizando el tráfico que entra o sale de la máquina. El sistema inspecciona los encabezados de los paquetes y los compara con una lista de reglas predefinidas. Bloquea las conexiones no autorizadas antes de que alcancen los servicios de aplicación.
4.5. Topologías físicas
La topología de red define la disposición geométrica de los equipos y enlaces que componen un sistema de comunicaciones. Se clasifica en dos categorías metodológicas diferenciadas. La topología física representa el trazado real del cableado y la ubicación de los dispositivos en el espacio. La topología lógica describe la forma en que las señales de datos viajan a través de los medios de transmisión. Este apartado describe la organización física de los equipos.
Una red se modela como un grafo matemático abstracto. Los nodos representan los equipos terminales o de comunicaciones. Las aristas o enlaces corresponden a los medios de transmisión físicos que los unen. La elección de la topología afecta al rendimiento de la red, al coste de los materiales y a la capacidad de expansión del sistema.
La cantidad de enlaces físicos necesarios para conectar un número de nodos varía según el diseño topológico. En el caso de enlazamiento total, el número de conexiones sigue una regla cuadrática definida por la siguiente expresión analítica:
Esta ecuación determina el coste de cableado en configuraciones de interconexión densa. El diseño físico se clasifica en varias configuraciones geométricas estandarizadas que organizan la disposición de los cables. Los estándares de cableado establecen las distancias máximas y los tipos de conectores para cada topología.
4.5.1. Topología en bus
La topología en bus conecta todos los nodos a un único cable común, denominado segmento o bus principal. Los equipos informáticos se conectan a este cable mediante dispositivos de derivación o tomas de conexión que perforan el cable o se intercalan en él. La señal eléctrica transmitida por un nodo se propaga en ambas direcciones a través del cable conductor común.
Esta propagación bidireccional exige la instalación de terminadores en los extremos del cable. Un terminador es una resistencia eléctrica emparejada con la impedancia del cable que absorbe la señal cuando llega al final del conductor. El dispositivo evita que la señal rebote y regrese por el cable, lo que causaría interferencias destructivas con las nuevas transmisiones que ingresan al medio.
El bus representa un medio de transmisión compartido. La información eléctrica transmitida por un nodo alcanza físicamente a todos los demás dispositivos conectados al segmento. Las estaciones receptoras examinan los datos y los procesan o los descartan. El uso de un único cable longitudinal reduce la cantidad de material necesario y abarata la instalación inicial.
Cualquier rotura en el cable central interrumpe la comunicación de la red entera. La fisura divide el bus en dos segmentos sin terminación adecuada. Esta separación genera reflejos de señal que corrompen el medio de transmisión completo. La alta sensibilidad a los problemas mecánicos del cable limita el uso de esta topología en redes de datos actuales.
4.5.2. Topología en anillo
La topología en anillo enlaza cada dispositivo con dos vecinos adyacentes formando un bucle cerrado. El cableado transcurre desde el primer nodo hasta el segundo, del segundo al tercero, hasta que el último equipo cierra el circuito conectándose con el primero. El trazado carece de extremos libres, de modo que el diseño omite el uso de terminadores eléctricos pasivos.
La señal circula en un solo sentido a lo largo del bucle de cableado físico. Cada dispositivo de la red interviene en el proceso actuando como un repetidor activo. Cuando un nodo recibe una señal atenuada por su puerto de entrada, amplifica la corriente y la retransmite por su puerto de salida. La regeneración activa facilita que el anillo físico cubra distancias globales mayores que un bus.
El fallo físico de un solo enlace de cable o la desconexión de una estación interrumpe el circuito cerrado. La rotura impide que la señal complete el trayecto y paraliza la comunicación de todos los participantes. Para mitigar esta vulnerabilidad física, los diseños industriales despliegan anillos dobles. Un segundo anillo concéntrico transmite los datos en dirección opuesta como ruta de respaldo.
El diagnóstico de un problema físico en un anillo exige verificar la continuidad del cable salto a salto. El equipo de gestión detecta la falta de recepción de la señal de control, pero no siempre identifica de forma automática el segmento dañado. Los paneles de parcheo modernos integran relés que puentean los nodos desconectados para mantener la integridad del bucle.
4.5.3. Topología en estrella
La topología en estrella conecta todos los dispositivos a un equipo central que distribuye el tráfico. Los nodos carecen de conexión física directa entre sí en el nivel de cableado. Cada ordenador utiliza un cable de par trenzado o fibra óptica individual que termina en un puerto del dispositivo central. El dispositivo central ejerce de concentrador (hub) o conmutador (switch).
El equipo central recibe la señal eléctrica de un nodo emisor y la transfiere hacia el nodo de destino. Si el dispositivo central opera de forma activa, regenera los niveles de tensión antes de enviar los datos por el puerto de salida. La centralización de todo el cableado en un armario de telecomunicaciones agiliza las operaciones de mantenimiento y la gestión física de las conexiones.
El diseño físico aísla los cortes de cable individuales del resto del sistema. Si el cable que une un nodo con el centro se fractura, solo ese equipo pierde la comunicación. El resto de las conexiones de la red transfiere información con normalidad. La localización centralizada facilita la desconexión física de los equipos problemáticos sin detener el servicio general.
La desventaja recae sobre el equipo de distribución central. El concentrador o conmutador actúa como un punto único de fallo. Si el dispositivo central pierde la alimentación eléctrica o sufre un defecto de hardware, la red deja de comunicar datos. El despliegue de esta topología consume más metros de cable que un bus lineal.
| Característica de diseño | Topología en Bus | Topología en Estrella |
|---|---|---|
| Consumo de cableado | Bajo, un solo segmento continuo | Alto, un tendido por cada nodo |
| Impacto de rotura de cable | Desconexión de todos los equipos | Desconexión del nodo afectado |
| Punto de concentración | Ninguno, estructura lineal | El equipo de red central |
| Aislamiento de averías | Requiere medir el medio compartido | Se aísla retirando el conector del puerto |
4.5.4. Topología en malla
La topología en malla conecta nodos entre sí ofreciendo rutas redundantes para la transmisión. En una arquitectura de malla completa, el diseño exige que todos los equipos dispongan de un cable directo que los una con todos los demás dispositivos. El entramado de interconexión total habilita múltiples caminos físicos para el viaje de las señales desde un punto de origen.
La multiplicidad de cables aumenta la tolerancia a fallos física del sistema de telecomunicaciones. Si un enlace guiado sufre un corte por maquinaria pesada, los datos toman un conducto alternativo. Los enrutadores desvían las señales a través de los enlaces adyacentes que permanecen operativos. Los centros de procesamiento de datos emplean la malla para asegurar la operatividad del núcleo de conmutación.
El cableado de una malla completa impone costes de instalación muy elevados. La cantidad de tarjetas de red e interfaces aumenta de manera proporcional con la incorporación de cada nuevo equipo. La complejidad de las canalizaciones y el volumen de cables dificultan la viabilidad de la malla completa en instalaciones que superan las decenas de nodos.
Los diseños prácticos optan por la malla parcial para equilibrar el coste económico. Algunos nodos principales se unen a todos los demás, mientras que los equipos secundarios se conectan mediante un solo cable a uno o dos vecinos. La estructura parcial conserva los caminos de respaldo para el flujo principal de datos y minimiza el despliegue de cable en los puntos finales del edificio.
graph polygon
A[Enrutador A] --- B[Enrutador B]
A --- C[Enrutador C]
A --- D[Enrutador D]
B --- C
B --- D
C --- D
4.5.5. Topología en árbol o estrella jerárquica
La topología en árbol o estrella jerárquica agrupa múltiples redes en estrella a un concentrador o conmutador raíz. El diseño de cableado adopta una forma de niveles superpuestos. El equipo de mayor jerarquía se ubica en el centro de datos principal y despliega conexiones físicas hacia los conmutadores de distribución de niveles inferiores.
Las señales descienden por los cables desde el dispositivo raíz hacia las terminaciones periféricas, y ascienden desde los nodos hoja hacia los agregadores. Los dispositivos intermedios operan como puntos de concentración local para los ordenadores conectados a su panel. El tráfico que pertenece a una misma área local no transita por los cables del nivel superior.
El modelo físico se amolda a la arquitectura de las instalaciones de varios pisos. El conmutador principal se enclava en el repartidor principal del edificio. Los cables de fibra óptica suben por las canalizaciones verticales hasta conectar con los dispositivos secundarios en los armarios de cada planta. Estos armarios diseminan el cable de cobre de forma horizontal hasta las rosetas de pared.
La topología jerárquica facilita la escalabilidad ordenada del cableado físico. La inserción de un nuevo grupo de puestos de trabajo demanda únicamente conectar un conmutador de acceso a una boca disponible del equipo de distribución. El radio de cobertura física de la red se amplía sin exceder las limitaciones de atenuación eléctrica de cada tramo de cable.
4.5.6. Topologías híbridas
Las topologías híbridas combinan dos o más diseños básicos para formar un sistema de cableado integrado. En redes que abarcan áreas geográficas extensas, los proyectistas eluden la implantación de una única topología pura. Los arquitectos de infraestructuras entrelazan geometrías físicas para aprovechar los atributos positivos de cada configuración y neutralizar sus debilidades mecánicas.
El diseño de anillo de estrellas representa una hibridación frecuente. Los armarios de telecomunicaciones de distintos edificios se interconectan utilizando un anillo de fibra óptica soterrado para prevenir cortes de comunicación en el bloque central. Desde el interior de cada armario, los instaladores despliegan estrellas de cables de par trenzado hacia los ordenadores de los empleados.
Otra configuración mixta es el bus de estrellas. Un cable troncal de alta capacidad recorre longitudinalmente una instalación industrial desempeñando la función de bus pasivo o activo. A este trazado central se conectan concentradores secundarios, que generan geometrías de estrella en las naves de producción. El fallo de cableado de una nave no afecta a la transmisión de las demás naves.
El diseño topológico sigue el principio de optimización de los recursos físicos disponibles en la canalización. La mezcla de formas permite que los segmentos con alto requerimiento de disponibilidad utilicen mallas, mientras que los terminales de usuario final utilizan estrellas. El plano topológico muta con la adición de nuevas extensiones a lo largo de la vida útil de la instalación.
4.6. Topologías lógicas
4.6.1. Concepto de topología lógica y flujo de datos
La topología lógica determina el modo en que los equipos comparten el medio de transmisión y transfieren la información. Esta estructura operativa actúa con total independencia de la disposición física de los cables. El diseño lógico establece las reglas que los nodos emplean para acceder al canal de comunicaciones.
Definimos el flujo de datos como el camino secuencial o de difusión que siguen las señales electromagnéticas entre el nodo emisor y el receptor. Un cableado centralizado admite diferentes flujos de datos según la electrónica de red que interconecte los equipos.
El nivel de control de acceso al medio opera directamente sobre la topología lógica. El protocolo de esta capa gestiona los turnos de transmisión y previene las interferencias. La separación entre topología física y lógica permite actualizar el cableado sin modificar los protocolos de red.
A continuación, mostramos las diferencias principales entre la estructuración física y la lógica.
| Característica | Topología física | Topología lógica |
|---|---|---|
| Definición | Disposición geométrica del cableado y los nodos. | Patrón de transferencia de datos entre estaciones. |
| Visibilidad | Tangible, afecta a la instalación y conductos. | Intangible, configurada en software y conmutadores. |
| Capa OSI | Capa 1 (Nivel físico). | Capa 2 (Nivel de enlace de datos). |
| Ejemplos | Estrella, malla, árbol. | Bus lógico, anillo lógico, enlaces agregados. |
4.6.2. Topología lógica en bus sobre estrella física
Una red configurada físicamente en estrella centraliza todas las conexiones de cable en un único equipo. Cuando este nodo central es un concentrador, la red opera internamente como una topología lógica en bus. El concentrador replica bit a bit la señal eléctrica que recibe por un puerto hacia todos sus puertos de salida.
El sistema transmite la información a todos los nodos conectados, creando un medio compartido. Las estaciones escuchan todas las tramas que circulan por el bus lógico. El adaptador de red receptor procesa el mensaje únicamente si la dirección de destino coincide con la suya.
Solo una computadora tiene permiso para transmitir información en un instante dado. Si dos estaciones envían datos simultáneamente, el concentrador replica ambas señales y genera una perturbación en el voltaje del cable. El protocolo de acceso múltiple detecta este evento e inicia un mecanismo de retransmisión.
4.6.3. Topología lógica en anillo mediante paso de testigo
Las tecnologías de red locales como Token Ring implementan una topología lógica en anillo. Los instaladores conectan los cables desde las computadoras hasta una unidad central formando una estrella física. El equipo central enlaza el puerto de recepción de una máquina con el puerto de transmisión de la siguiente.
El sistema regula las transmisiones mediante el paso de un testigo, que consiste en una trama de control corta. El testigo circula ininterrumpidamente de un nodo a otro a través del circuito lógico. Una estación necesita capturar el testigo libre para inyectar datos en el anillo.
El nodo emisor altera un bit de la trama de control para convertirla en el inicio de un mensaje de datos. La trama viaja por las estaciones intermedias, que la regeneran y la retransmiten. El nodo de destino copia la información en su memoria y marca la trama como recibida.
La estación emisora original recibe de vuelta la trama marcada y la retira de la circulación. Posteriormente, el emisor genera un nuevo testigo libre y lo pasa a la estación contigua. El siguiente diagrama ilustra este flujo secuencial.
4.6.4. Redes de área local virtuales
Las redes de área local virtuales (VLAN) dividen una red física conmutada en varios dominios lógicos separados. Esta técnica aísla el tráfico de un grupo de puertos para que no interfiera con el resto de los equipos del conmutador. El administrador configura los segmentos mediante software, agrupando a los usuarios según sus funciones organizativas.
El estándar IEEE 802.1Q establece el formato de las tramas para operar con redes virtuales. El conmutador inserta una etiqueta de cuatro bytes en el encabezado Ethernet original. Esta etiqueta contiene un identificador numérico que asocia el mensaje con una red virtual concreta.
Las tramas de difusión generadas por un equipo solo alcanzan a los nodos configurados con su mismo identificador de red. El conmutador inspecciona la etiqueta entrante y filtra la transmisión hacia los puertos excluidos del grupo. El tráfico viaja seguro y confinado dentro de su topología lógica.
Para comunicar equipos ubicados en redes virtuales diferentes, el sistema requiere la intervención de un enrutador. La capa de red procesa el paquete y lo transfiere a la red de destino.
4.6.5. Agregación de enlaces
La agregación de enlaces une lógicamente varios puertos físicos paralelos para aumentar el ancho de banda y la tolerancia a fallos. Los equipos de conmutación interpretan el grupo de cables como un único canal de comunicación. El protocolo LACP negocia de forma automática los parámetros para establecer y mantener esta unión lógica.
El sistema distribuye los flujos de datos entre los distintos cables físicos que forman la agrupación. El conmutador aplica funciones matemáticas sobre las direcciones de las tramas para asignar cada sesión a un cable específico. Este método previene la desordenación de los paquetes de un mismo flujo de información.
La capacidad total del enlace lógico se calcula sumando el ancho de banda de todos los puertos físicos activos. La fórmula que rige esta capacidad se expresa matemáticamente así:
En esta ecuación, define la capacidad del canal agregado y representa la capacidad individual de cada enlace físico configurado.
Si uno de los cables sufre un corte, la topología lógica se reconfigura en milisegundos. El conmutador redistribuye inmediatamente el tráfico asignado al puerto fallido entre los enlaces operativos restantes.
4.6.6. Dominios de difusión y de colisión
El diseño de la topología lógica delimita las áreas de propagación del tráfico dentro de la infraestructura. Definimos un dominio de colisión como el segmento lógico donde dos estaciones pueden interferir mutuamente si transmiten datos a la vez. Los concentradores operan con un único dominio de colisión para todos sus puertos.
Los conmutadores dividen la red creando un dominio de colisión independiente por cada puerto activo. El equipo asigna un canal lógico dedicado a cada estación conectada directamente. El adaptador de red opera en modo bidireccional simultáneo sin necesidad de detectar perturbaciones en el cable.
Un dominio de difusión agrupa a todos los dispositivos lógicos que reciben un mensaje enviado a la dirección general de la red. Una red de área local plana conforma un único dominio de difusión expansivo. El exceso de tramas generales disminuye el rendimiento de las comunicaciones y satura el procesamiento de los nodos.
4.6.7. Implementación de topologías lógicas en redes LAN y WAN
Las topologías lógicas en redes locales manejan direcciones físicas y operan mediante conmutación de tramas. El equipo lee el encabezado del mensaje y lo remite al puerto correspondiente. En redes de área amplia, la estructura lógica utiliza la técnica de conmutación orientada a conexión para enviar la información a grandes distancias.
El proveedor de telecomunicaciones establece un circuito virtual a través de su red interna antes de transferir datos. Este circuito forma una trayectoria lógica constante que enlaza el enrutador de origen con el enrutador de destino. El sistema asigna un identificador numérico local a cada tramo de la ruta.
Las tecnologías WAN como Frame Relay y ATM conmutan los paquetes basándose exclusivamente en este identificador lógico. El operador configura circuitos virtuales permanentes que se mantienen operativos indefinidamente. Estos circuitos sustituyen a las líneas alquiladas físicas por conductos lógicos multiplexados.
4.7. Tendencias en redes
4.7.1. Fibra óptica hasta el hogar y redes de acceso
Definimos FTTH (Fiber-To-The-Home) o fibra óptica hasta el hogar como la tecnología que proporciona un enlace óptico directo desde la central de conmutación hasta el domicilio del usuario. La fibra óptica hasta el hogar (FTTH) sustituye gradualmente al bucle local de cobre en el acceso residencial de banda ancha. El cobre tradicional utiliza señales eléctricas que sufren atenuación por la distancia y son susceptibles a la diafonía y al ruido electromagnético. La fibra óptica transmite pulsos de luz mediante reflexión interna total, lo que aísla la señal de interferencias externas y asegura una transmisión estable. Las infraestructuras modernas de acceso utilizan estándares como GPON o EPON para alcanzar velocidades superiores al gigabit por segundo. Las implementaciones FTTH se construyen sobre una arquitectura PON (Red Óptica Pasiva). En una red PON, el equipo central transmite un único haz luminoso que un divisor óptico divide pasivamente para servir a múltiples viviendas. Esta arquitectura reduce el coste de despliegue al no requerir equipos electrónicos con alimentación eléctrica en el cableado intermedio. Podemos calcular la capacidad máxima teórica de un canal de transmisión mediante el teorema de Shannon:
En esta fórmula, representa la capacidad en bits por segundo, el ancho de banda en hercios y la relación señal a ruido. La fibra óptica ofrece un valor de ancho de banda órdenes de magnitud superior al que permiten el cable coaxial o el cable de pares trenzados.4.7.2. Redes definidas por software
Las redes definidas por software (SDN) separan el plano de control del plano de datos para centralizar la gestión del tráfico. En la arquitectura clásica, cada enrutador ejecuta protocolos de enrutamiento autónomos y decide localmente por dónde enviar los paquetes de datos. La tecnología SDN extrae esta lógica de decisión de los dispositivos físicos y la transfiere a un servidor remoto denominado controlador SDN. El plano de datos queda conformado únicamente por conmutadores simples y rápidos que mueven los paquetes entre sus puertos físicos. Estos conmutadores consultan tablas de flujo que el controlador instala y actualiza dinámicamente en su memoria de alta velocidad. El protocolo OpenFlow comunica el controlador SDN con los conmutadores del plano de datos a través de la interfaz de comunicación Sur. Una regla OpenFlow consta de un patrón de coincidencia de campos de cabecera, unos contadores de estadísticas y un conjunto de acciones. Si un paquete coincide con el patrón, el conmutador aplica la acción correspondiente, que incluye enviar el paquete por un puerto, descartarlo o reescribir su cabecera. El controlador expone una interfaz Norte para que las aplicaciones de red programen el comportamiento general del sistema de forma global.
4.7.3. Virtualización de funciones de red
La NFV (Virtualización de Funciones de Red) complementa a la tecnología SDN al reemplazar los equipos de hardware especializado por software. Históricamente, los administradores instalaban dispositivos físicos propietarios para añadir funciones como cortafuegos, balanceadores de carga o sistemas de detección de intrusos. El paradigma NFV ejecuta estos servicios de red como máquinas virtuales o contenedores ligeros sobre servidores estándar. La orquestación de red permite instanciar nuevas funciones virtuales bajo demanda mediante comandos de software. Si el volumen de tráfico entrante satura un servicio, el sistema inicia automáticamente nuevos servidores virtuales para distribuir las peticiones. Podemos concatenar varias funciones virtuales creando cadenas de servicios para que el tráfico atraviese secuencialmente un cortafuegos y un servidor proxy. El software hipervisor aísla los recursos físicos subyacentes de procesamiento, memoria y red, asignándolos dinámicamente a las distintas funciones virtualizadas.
| Característica | Arquitectura tradicional | Arquitectura con NFV y SDN |
|---|---|---|
| Toma de decisiones | Distribuida en cada equipo intermedio | Centralizada en el controlador remoto |
| Equipamiento físico | Hardware propietario con circuitos dedicados | Servidores genéricos de alta disponibilidad |
| Despliegue de red | Requiere instalación física y cableado manual | Configuración automatizada mediante software |
| Escalabilidad | Limitada por la capacidad máxima del hardware | Dinámica mediante instanciación de software |
4.7.4. Topologías para centros de datos y nube
La computación en la nube y los centros de datos exigen redes con topologías altamente interconectadas y switches de baja latencia. Un centro de datos moderno aloja cientos de miles de servidores físicos que soportan servicios de almacenamiento e infraestructura a escala global. Los diseños de red jerárquicos convencionales generan cuellos de botella cuando los servidores intercambian grandes volúmenes de datos entre sí. Para resolver este problema de contención, los ingenieros emplean topologías de red en malla densa, destacando la arquitectura Clos o Leaf-Spine. En el diseño Leaf-Spine, cada conmutador de acceso (Leaf) se conecta directamente con todos los conmutadores centrales (Spine). Esta red de interconexión proporciona múltiples rutas paralelas idénticas entre cualquier par de servidores de la instalación. Los protocolos de enrutamiento distribuyen los flujos de datos a través de todas las rutas disponibles, sumando el ancho de banda total. El sistema descarta protocolos antiguos como Spanning Tree y utiliza técnicas de enrutamiento de múltiples rutas de igual coste para optimizar el rendimiento.
🧩 Analogía: Clasificamos el tráfico en un centro de datos utilizando puntos cardinales. El tráfico Norte-Sur representa los datos que entran y salen hacia internet, como las páginas web enviadas a los clientes externos.
El tráfico Este-Oeste representa la comunicación interna entre servidores, como las consultas enviadas desde un servidor de aplicaciones hacia una base de datos. Las topologías modernas se dimensionan específicamente para absorber los enormes volúmenes de tráfico Este-Oeste.
