Fundamentos Esenciales de Redes de Computadoras y Protocolos

Tecnología de Transmisión y Escala de Redes

Tecnología de Transmisión

Difusión (Broadcast): Un solo canal de transmisión compartido por todas las máquinas.
Punto a Punto (Point-to-point): Muchas conexiones entre pares individuales de máquinas.

Escala de Redes

PAN (Personal Area Network): 1 m a 10 m.
LAN (Local Area Network): 10 m a 1 km o más (difusión broadcast, medio de transmisión compartido).
MAN (Metropolitan Area Network): 10 km (red de alta velocidad, cobertura para área geográfica extensa).
WAN (Wide Area Network): 100 km a 1000 km (Red de área amplia, para un país o un continente).
Internet: 10 000 km.

Modos de Transmisión

Broadcast: Transmisión de datos desde un emisor a todos los equipos que estén conectados.
Multicast: Transmisión de datos desde un emisor a varios equipos.
Unicast: Transmisión de uno a uno.

Clasificación de Redes Inalámbricas

Redes de Infraestructura: Tienen conexión con una estación u otra red fija.
Redes Ad Hoc: Son las que no poseen una conexión con una estación (punto a punto o peer-to-peer).

Características del Diseño de Capas

Direccionamiento.
Reglas para la transmisión de información.
Control de errores.
Secuenciamiento de mensajes.
Control de flujo.
Manejo de mensajes de diferente tamaño.
Capacidad de multiplexación.

Servicios de las Capas

Entidades.
SAP (Punto de Acceso al Servicio).
Interfaces.

Servicios en una Red de Computadoras

Servicio Orientado a Conexión: Establecen conexión, transfieren información y liberan la conexión (flujo de mensajes confiables, flujo de bytes confiables, conexión no confiable).
Servicios No Orientados a Conexión: No existe conexión previa; los mensajes no llegan ordenados al destino (datagramas no confiables, datagramas con confirmación, pregunta y respuesta).

Estandarización de las Redes

De Jure: (IEEE, ANSI, ISO, IEC, ITU, EIA) comités con estatus legal.
De Facto: (IAB, IETF, IRTF).

Modelos de Referencia de Red

Modelo OSI

Capa Física (Bits): Transmisión bruta de bits.
Capa de Enlace (Trama): Se encarga del control de flujo.
Capa de Red (Paquetes): Control de la operación, corrección de errores.
Capa de Transporte (Segmentos).
Capa de Sesión (Datos).
Capa de Presentación (Datos).
Capa de Aplicación (Datos).

Modelo TCP/IP

Acceso a la Red (Trama).
Internet (Paquetes o Datagramas).
Transporte (Segmento).
Aplicación (Datos).

Medios de Transmisión Guiados

Medios Magnéticos.
Par Trenzado.
Cable Coaxial de Banda Base.
Cable Coaxial de Banda Ancha.
Fibra Óptica.

Categorías de Cable de Par Trenzado UTP

Cat 3: 16 MHz – 16 Mbps.
Cat 5: 100 MHz – 100 Mbps.
Cat 5e: 100 MHz – 1 Gbps.
Cat 6: 200 MHz – 1 Gbps.
Cat 6e: 500 MHz – 10 Gbps.
Cat 7: 600 MHz – 10 Gbps.

Multiplexación

Utilizar el mismo medio de transmisión para el envío de varias comunicaciones simultáneas.

Funciones de la Tarjeta de Red (NIC)

Proporciona el vínculo entre el protocolo de capa de red y el medio de transmisión.

Transferencia de datos.
Almacenamiento de datos.
Construcción de la trama.
Control de acceso al medio.
Conversión serie-paralelo.
Codificación-decodificación de datos.
Recepción-transmisión de datos.

Estructura de una Dirección MAC

00 01 02 || 12 34 56

Fabricante || Número de Tarjeta

Clasificación de las Direcciones MAC

Administración Global: La dirección es única y conforme a las asignaciones del IEEE.
Administración Local: Cuando la asignación de la dirección se realiza bajo una administración local.

Características de las NIC

Full Dúplex: Transmisión y recepción simultáneas.
Bus Mastering: El computador opera con mayor eficiencia.
Procesamiento Paralelo: Proceso para que la tarjeta inicie la transmisión de un paquete por la red, mientras aún transmite datos a la NIC.
Wake-on-LAN: Permite que un administrador encienda una máquina desde un sitio remoto de la red.
IEEE 802.1p: Asigna prioridad a las tramas a ser enviadas por la red en tiempo real.

Características del Diseño de la Capa de Enlace

Servicios proporcionados a la capa de red.
Control de errores y Control de flujo.
Gestión del canal de comunicación.
Framing: El transmisor y el receptor deben saber cuándo empieza y cuándo termina una trama.

Servicios Proporcionados de la Capa de Enlace a la Capa de Red

No Confiables y No Orientados a Conexión: No se establece conexión lógica; si las tramas se pierden, no se intenta recuperarlas. Se usa en la mayoría de LAN, apropiado cuando la tasa de error de bit (BER) es pequeña.
Servicios Confiables No Orientados a Conexión: No existe conexión; se verifica cada trama que se envía. Si no es confirmada, se vuelve a enviar.
Servicios Confiables Orientados a Conexión: Se establece conexión, asegura la recepción de las tramas y envía acuses de recibo. Incluye: Establecimiento de Conexión, Intercambio de Tramas y Liberación de Conexión.

Métodos de Delimitación de Tramas

Cuenta de Caracteres: Usa un campo en la cabecera que especifica el número de caracteres en la trama, para que el receptor sepa la longitud de la trama.
Bytes de Bandera con Relleno de Banderas: Dos banderas seguidas indican el fin de una trama y el inicio de otra; los bits de inicio y fin son flags.
Banderas de Principio y Fin con Relleno de Bits.
Violaciones de Codificación de Línea: Aplicable en redes con codificación de línea con redundancia.

Métodos de Corrección y Detección de Errores

Se debe asegurar la recepción correcta de las tramas, detectando su pérdida y evitando que estén duplicadas o con errores. Esto se logra con acuses de recibo; si la trama no ha llegado en un cierto tiempo, se la vuelve a enviar.

Chequeo de Paridad: Usado por los protocolos asíncronos.
ARQ (Automatic Repeat Request): Se usa con códigos de detección de errores, como los códigos de redundancia cíclica (CRC).
FEC (Forward Error Correction): Detecta y corrige errores.

Control de Flujo

Método para limitar la cantidad de información que puede aceptar el receptor, evitando la sobrecarga.

Protocolo de Ventana Deslizante

Cada trama contiene un número de secuencia; el máximo es 2^n-1.

En cualquier instante, el emisor mantiene un conjunto de números de secuencia correspondiente a las tramas que le es permitido enviar, pendientes de confirmación.

Clasificación de los Protocolos de Ventana Deslizante

Parada y Espera: Valor de ventana = 1; las tramas llegan necesariamente en orden.
Retransmisión Continua: Valor de ventana > 1; si una trama intermedia falla, se retransmite esa y las siguientes, técnica que desperdicia ancho de banda si la velocidad de transmisión es alta.
Retransmisión Selectiva: Si la trama llega errada, solo se retransmite esa y no las siguientes.

Formas de Gestión del Canal de Comunicación

Polling/Selecting: Es una invitación a transmitir que el DTE primario hace al secundario, indicando que quiere transmitir datos. Presenta problemas de confiabilidad si falla el DTE primario.
Contención: Usado en los sistemas punto a punto (peer-to-peer); cualquier DTE puede transmitir si el canal está libre.
- MA: Multiple Access (Acceso Múltiple).
- CSMA: Carrier Sense Multiple Access (Acceso Múltiple con Detección de Portadora).
- CSMA/CD: Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection (Acceso Múltiple con Detección de Portadora y Detección de Colisiones).
- CSMA/CA: Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance (Acceso Múltiple con Detección de Portadora y Prevención de Colisiones).
Token Passing (Paso de Testigo): Se basa en la circulación de un testigo para indicar si la red está ocupada o no; no existen colisiones.
Aloha: Los mensajes se transmiten en cuanto se encuentran disponibles para que el retardo sea el mínimo posible. Si hay colisiones de paquetes, se resuelven retransmitiendo. Los errores de transmisión involucran una estación y los errores por colisiones a más de una estación. Rendimiento máximo = 18.4%.
Aloha Ranurado (Slotted Aloha): Se mejora reduciendo la probabilidad de colisiones, obligando a la estación a transmitir de forma sincronizada. Los paquetes son del mismo tamaño. Rendimiento máximo = 36.8%.

Clasificación CSMA

Persistente: Sondean el canal; si está libre, transmiten. Si hay más de una estación esperando, se producen colisiones.
No Persistente: Reduce las colisiones. Sondean el canal; si está libre, transmiten. En caso contrario, aplican el backoff y vuelven a sondear.
p-Persistente: Sondean el canal; si está ocupado, persisten en el sondeo hasta que esté libre.
CSMA/CD: Existen colisiones si dos o más dispositivos intentan transmitir al mismo tiempo. Mientras se transmite, se sondea el canal para ver si existen colisiones.
CSMA/CA: Puede haber colisiones durante el proceso. El equipo escucha el canal; si está libre, transmite. Si no, espera un momento y comienza la escucha otra vez.

Estaciones de HDLC

Estación Primaria: Controla la operación del enlace; las tramas enviadas se llaman comandos.
Estación Secundaria: Opera bajo el control de la primaria; las tramas enviadas se llaman respuestas.
Estación Combinada: Combina funciones de primaria y secundaria; puede enviar comandos y respuestas.

Tipos de Configuraciones de Enlace

Desbalanceada: Usada en configuraciones punto a punto y multipunto; soporta transmisión half-dúplex y full-dúplex.
Balanceada: Usada solamente en configuraciones punto a punto, con dos estaciones combinadas; soporta full-dúplex y half-dúplex.

Modos de Operación de Transferencia de Datos de HDLC

Modo de Respuesta Normal (NRM): Configuración no balanceada. La estación primaria inicia la transmisión de datos, pero la secundaria solo puede transmitir datos en respuesta a la primaria.
Modo Balanceado Asincrónico (ABM): Configuración balanceada. Cualquier estación combinada puede iniciar la transmisión sin recibir permiso de la otra estación.
Modo de Respuesta Asincrónico (ARM): Configuración no balanceada. La estación secundaria inicia la transmisión sin permiso de la primaria.

Características de PPP

Encapsular Datagramas sobre Líneas: Delimita el inicio y fin de las tramas; este formato detecta errores.
Protocolo de Control de Enlace (LCP): Establece, configura, prueba, mantiene y termina la conexión del enlace.
Protocolo de Control de Red (NCP): Establece y configura diferentes protocolos de la capa de red.

Clases de Paquetes de Link Control Protocol (LCP)

Para establecer y configurar un enlace.
Para terminar un enlace.
Para mantener y administrar un enlace.

Protocolos de Autenticación

PAP (Password Authentication Protocol): La autenticación se realiza intercambiando mensajes y transmite los nombres de cuenta y las contraseñas en texto plano sin cifrar.
CHAP (Challenge-Handshake Authentication Protocol): La autenticación de tres fases nunca transmite los nombres de cuenta y contraseñas sin cifrar.

Establecimiento de una Conexión PPP

Establecimiento de una Conexión Física: Entre el módem del PC que inicia la llamada y el módem del ISP que, al contestar, establece la conexión.
Establecimiento del Enlace y Negociación: Intercambian paquetes LCP, los cuales negocian las opciones de configuración del enlace. Si se llega a un acuerdo, se establece un enlace.
Negociación de la Configuración del Protocolo de Capa de Red: Admite el multiplexado de protocolos.
Terminación del Enlace: Cuando el usuario ha terminado su comunicación, usualmente realizando un pedido de desconexión.

Subcapas LLC y MAC

LLC (Logical Link Control): Proporciona una interfaz común entre las capas superiores y la subcapa MAC. Sus funciones son el direccionamiento lógico, control de errores y control de flujo.
MAC (Media Access Control): Es el procedimiento de acceso a un canal de comunicaciones compartido por varias estaciones. Usa direccionamiento físico; la gestión del canal es comunicada a través de LLC.

Medios de Transmisión y Componentes de una LAN

Medios de Transmisión de LAN: STP, UTP, cable coaxial en banda base o banda ancha, fibra óptica monomodo y multimodo, medios no guiados.
Componentes de una LAN: Servidores, HUBs, HOSTs, NICs, cableado estructurado, hardware a ser compartido, elementos de software.

Sistema Operativo de Red (NOS)

Es el Sistema Operativo de Red (NOS) que permite la compartición de recursos. Reside en un servidor; las estaciones que quieren transmitir son denominadas clientes. Proporciona seguridad (usuario, contraseña, control de acceso) y compartición de recursos (cuentas de usuarios).

Mecanismos de Tolerancia a Fallos en FDDI

Dual Ring (Doble Anillo): Si un DTE falla, se cierra la comunicación entre este DTE y sus DTE vecinos haciendo uso del anillo secundario.
Dual Homing (Doble Conexión): Provee redundancia adicional para garantizar su operación.
Optical Bypass Switch (Conmutador Óptico de Derivación): Provee una operación continua en anillo doble si el dispositivo conectado al anillo dual falla.

Formas de Conmutación

Cut-Through: Analiza los 6 primeros bytes de la trama que contiene la dirección de destino. Con la dirección de destino se realiza la conmutación, enviando la trama al destino. No verifica la integridad de las tramas. Es la conmutación más rápida.
Store-and-Forward (Almacenamiento y Reenvío): Se almacena la trama en un buffer hasta recibir el FCS (Frame Check Sequence). Verifica la integridad de la trama. Se realiza la conmutación en base a la dirección de destino. Es la conmutación más lenta.
Fragment-Free (Libre de Fragmentos): Almacena un mínimo de 64 bytes antes de enviar la trama, con eso asegura que no haya colisiones. Mayor latencia que Cut-Through. Los switches monitorean la red; si hay pocos errores, trabajan con Cut-Through; si hay muchos errores, trabajan con Store-and-Forward.

Conmutación entre Redes de Datos

Conmutación de Circuitos: Conexión directa extremo a extremo, sin almacenamiento intermedio (todo se transmite del emisor al receptor).
Conmutación de Mensajes: Store-and-Forward (almacenamiento y reenvío), usa topología en estrella. Prioriza la confiabilidad, optimiza el canal y mejora el rendimiento de la conmutación de circuitos.
Conmutación de Paquetes: Tecnología hold-and-forward. La RAM sirve como buffer. Los conmutadores permiten establecer rutas alternativas, haciendo la red más confiable. Los mensajes se descomponen en unidades más pequeñas que optimizan el uso de medios de transmisión.
Conmutación de Celdas: Usa una pequeña unidad de datos (PDU) menor que la de los paquetes. Controla la asignación de ancho de banda y mejora el rendimiento del canal de transmisión.

Red X.25: Circuitos Virtuales

Conmutados (SVCs – Switched Virtual Circuits): Se acepta la llamada con un paquete de aceptación. Cualquiera de las partes puede liberar la llamada.
Permanentes (PVCs – Permanent Virtual Circuits): Siempre un único camino dedicado durante toda la transmisión. Asociación fija entre las dos estaciones.

Preguntas Frecuentes sobre Redes

¿Qué método de conmutación tiene el nivel de latencia más bajo?
El método de conmutación Fragment-Free.
¿Qué puede hacerse si el área de la LAN es de más de 200 metros de diámetro?
Se puede instalar un repetidor para extender la red.
¿Cuáles de los siguientes son tres intervalos de direcciones IP que se reservan para uso privado interno?
192.168.0.0/16, 10.0.0.0/8, 172.16.0.0/12.
¿Qué afirmación describe con precisión un proceso de encapsulación TCP/IP cuando un PC envía datos a la red?
Las tramas se envían de la capa de acceso a la red a la capa de Internet.
¿Cuál de las siguientes subredes incluiría la dirección 192.168.1.96 como dirección de host utilizable?
192.168.1.64/26.
¿Cuáles de las siguientes son dos características de un cable de fibra óptica?
Es más caro que el cable UTP. No se ve afectado por la EMI (Interferencia Electromagnética) ni la RFI (Interferencia de Radiofrecuencia).
¿En qué método de reenvío de tramas se recibe la trama completa y se realiza una comprobación de CRC para detectar errores antes de reenviarlos?
En el método de Switching de Almacenamiento y Reenvío (Store-and-Forward).
¿Cuál de las siguientes es la representación decimal punteada de la dirección IPv4 11001011.00000000.01110001.11010011?
203.0.113.211.
¿Cuál de las siguientes opciones describe a Token Ring?
Velocidad de transferencia de datos de 4 Mbps o 16 Mbps. Puede usar topología física en estrella.
¿Cuántas direcciones IP utilizables están disponibles en la red 192.168.1.0/27?
Tiene 30 direcciones utilizables disponibles.
¿Qué afirmaciones corresponden a Frame Relay?
Tecnología basada en paquetes. Permite realizar detección de errores de forma que las tramas con bits errados e información inválida de ruteo puedan ser detectadas y descartadas.
¿Qué método se utiliza para administrar el acceso por contienda en una red inalámbrica?
CSMA/CA.
¿Cuál es el protocolo responsable de controlar el tamaño de los segmentos y la frecuencia con la que se intercambian entre un cliente y un servidor web?
TCP (Transmission Control Protocol) – trabaja en la capa de transporte.
¿Cuál es el estándar de LAN que especifica una implementación de la capa física y la subcapa MAC de la capa de enlace de datos en las redes Token Ring?
IEEE 802.5.

Verdadero o Falso

El estándar 802.1Q es utilizado para el manejo de redes LAN virtuales (VLAN). V
El estándar 802.3 tiene especificaciones de Token Ring. F
El procedimiento X.25 de nivel 2, en las interacciones en la interfaz DTE/DCE para los niveles OSI, establece tramas que se transmiten en forma secuencial y en la recepción se envían acuses de recibo positivos o negativos. V
10BaseT se refiere a un cable de par trenzado que trabaja a una velocidad de 10 Mbps en modo half-dúplex. V
La definición de la subcapa LLC es responsabilidad de IEEE 802.2. V
La tecnología 10GBASE-LX4 utiliza la multiplexación por división de longitud de onda (WDM). V
Una dirección IPv6 está compuesta por 128 bits, ofreciendo más direccionamiento para asignar. V
Par trenzado STP, UTP, cable coaxial en banda base o banda ancha son medios de transmisión WAN. F
La capa de presentación, sesión y aplicación se resume solo en la capa de aplicación del modelo TCP/IP. V
El parámetro de codificación que usa FDDI es el ASK. F
El estándar 802.11 establece especificaciones para las redes inalámbricas. V
Al hablar de líneas privadas o arrendadas, quiere decir que el canal está asignado a una sola persona o empresa. V
Frame Relay es una tecnología basada en conmutación de celdas. F
Dentro de las capas de adaptación de ATM (AAL), las más importantes son la AAL1 y AAL5. V
El funcionamiento del plano de datos de MPLS es conmutar los paquetes MPLS entrantes empleando las tablas de enrutamiento ofrecidas por el plano de control. V
En la conmutación de paquetes, los datos del usuario (mensajes) se envían sin descomponerlos. F
En X.25, las interacciones en la interfaz DTE/DCE funcionan en los niveles 1, 2 y 3 del modelo OSI. V
Los PVCs o circuitos virtuales permanentes establecen dinámicamente la ruta de menor retardo. F
En la etiqueta MPLS se maneja un campo TTL que permite aplicar calidad de servicios en la red. F
En una red que trabaja con MPLS, los FECs (Forwarding Equivalence Classes) solo se pueden definir por la dirección IP origen o destino. F
RARP me permite saber la dirección MAC conociendo la dirección IP de la estación que desee identificar. F
Los tipos de ruteo que se pueden establecer son estático y dinámico. V
La capa de transporte permite identificar puertos utilizados y realiza la segmentación de los datos que son recibidos de la capa de aplicación. V