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Fundamentos de Redes de Área Local (LAN): Arquitectura, Topologías y Protocolos
Introducción a las Redes de Área Local (LAN)
Una LAN (Local Area Network) es un sistema que permite la comunicación entre ordenadores que están próximos geográficamente.
Características Principales de las LAN
- Distancia: El alcance va desde unos pocos metros hasta unos pocos kilómetros.
- Velocidad: Al ser las dimensiones de la red reducidas, las velocidades de transmisión de datos suelen ser altas.
- Privacidad: Una red de área local ofrece privacidad, ya que la organización es la propietaria de la red.
- Fiabilidad: Generalmente presentan una tasa de errores muy baja.
Topologías de Red LAN
Existen varias formas de estructurar físicamente una LAN. Se identifican comúnmente 8 topologías de red LAN, entre las más comunes se encuentran:
Topología de Bus
Conecta todas las estaciones de red a través de un único canal de comunicación compartido.
Topología de Anillo (Ring)
Consiste en conectar cada ordenador a dos más, formando así una estructura circular o anillo.
Topología de Estrella (Star)
Consiste en conectar cada ordenador a un nodo central. Este nodo central puede ser un hub, un switch u otro dispositivo de red.
Relación entre LAN y el Modelo OSI
Los niveles necesarios para implementar una LAN son principalmente la Capa Física y la Capa de Enlace de Datos, aunque la Capa de Aplicación también es relevante en el contexto de uso.
Capa Física (Nivel 1)
Corresponde a:
- La tarjeta de red.
- Las señales electromagnéticas que viajan por el medio de transmisión. Los dispositivos generan estas señales a partir de bits.
Capa de Enlace de Datos (Nivel 2)
Proporciona fiabilidad en el intercambio de tramas entre las estaciones, controlando fundamentalmente el flujo y los errores.
Subniveles de la Capa de Enlace
El nivel de enlace se divide en dos subniveles:
- LLC (Logical Link Control): Se encarga de los servicios típicos del enlace, como el control de errores y el control de flujo.
- MAC (Medium Access Control): Se encarga de la política de acceso al medio de transmisión.
Control de Acceso al Medio (MAC)
Es el mecanismo que decide qué estación tiene permiso para acceder al medio de transmisión y enviar una trama de información.
Dominios de Colisión
- Un hub crea un único dominio de colisión para todos sus puertos.
- Un switch y un router: cada puerto constituye un dominio de colisión independiente.
Dominio de Difusión (Broadcast)
El dominio de difusión (broadcast) es el área lógica en una red de computadoras donde cualquier estación conectada puede transmitir directamente a cualquier otra sin necesidad de un dispositivo de encaminamiento, dado que comparten la misma subred, dirección de puerta de enlace y están en la misma Red de Área Local (LAN).
Funcionamiento del Control de Acceso al Medio (CSMA/CD)
El CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) funciona de la siguiente manera:
- Los ordenadores escuchan constantemente el medio.
- Si tienen una trama por transmitir y detectan que no hay actividad, la envían.
- Si detectan actividad, esperan hasta que el medio quede libre para transmitir su trama.
- Si no tienen nada que transmitir, cuando detectan una trama en el medio, la capturan y la procesan.
Es un algoritmo diseñado para detectar si puede ocurrir una colisión durante la transmisión.
Diferencias entre Switch y Router
| Característica | Switch | Router |
|---|---|---|
| Capa de Operación (OSI) | Capa 2 (Enlace de Datos) | Capa 3 (Red) |
| Dirección Utilizada | Dirección MAC | Dirección IP |
| Segmentación | Segmenta dominios de colisión. | Segmenta dominios de colisión y dominios de broadcast. |
Encapsulamiento TCP/IP
El proceso de encapsulamiento en la pila TCP/IP implica:
- Inicialmente, se realiza alguna acción en el nivel superior, la Capa de Aplicación (espacio del usuario).
- La capa correspondiente del modelo TCP/IP añade información de control (header o encabezado) a los datos de la aplicación.
- Finalmente, se llega a la trama de Ethernet (Ethernet Frame), que contiene toda la información que viajará por la red.
Estándar IEEE 802.3
IEEE 802.3 fue el primer intento para estandarizar redes basadas en Ethernet, incluyendo las especificaciones del medio físico subyacente. Aunque hubo una diferencia inicial en un campo de la cabecera, posteriormente hubo ampliaciones sucesivas al estándar que cubrieron las expansiones de velocidad (Fast Ethernet, Gigabit Ethernet y 10 Gigabit Ethernet), redes virtuales, hubs, conmutadores (switches) y distintos tipos de medios, tanto de fibra óptica como de cables de cobre (par trenzado y coaxial).
Conceptos de Direccionamiento IP
La dirección IP está compuesta por 32 bits. Se representa con 4 números decimales separados por puntos, donde cada número decimal varía de 0 a 255. Cada número decimal corresponde a 8 dígitos binarios.
Glosario de Direcciones IP
- IP pública: Dirección visible desde Internet.
- IP privada: Dirección no visible desde Internet, utilizada dentro de nuestra LAN.
- IP fija (o estática): Dirección asignada permanentemente que no cambia.
- IP dinámica: Dirección que se obtiene a través del servicio DHCP y, por lo tanto, puede variar.
Fragmentación de Paquetes IP
La fragmentación de paquetes IP es un mecanismo que permite separar o fragmentar un datagrama IP en varios bloques de datos llamados fragmentos si su tamaño excede la Unidad Máxima de Transferencia (MTU). El protocolo IP solo fragmenta un datagrama cuando la MTU del medio por donde debe ser encaminado es menor que el tamaño del datagrama.
Unidad Máxima de Transferencia (MTU)
La Unidad Máxima de Transferencia (Maximum Transmission Unit – MTU) es un término de redes de computadoras que expresa el tamaño máximo, en bytes, de la unidad de datos más grande que puede enviarse utilizando un protocolo de comunicaciones específico.