Redes e Internet

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Redes de ordenadores

La telemática es la conjunción entre telecomunicaciones e informática. La principal aplicación de la telemática son las redes de ordenadores. Dichas redes constan de un grupo de ordenadores interconectados. Las redes se diseñaron para compartir recursos, como impresoras o discos. También para compartir datos mediante servidores de web o ftp entre otros. Actualmente, uno de los usos principales es como redes de comunicación y ocio. Para conectar varios ordenadores es necesario un enlace físico y un lenguaje común o protocolo.

Ventajas de usar redes

Los orígenes de las redes de ordenadores se remontan al desarrollo de los primeros sistemas operativos de tiempo compartido, a principios de los años sesenta. En ellos, un gran ordenador central se encargaba de realizar todo el procesamiento que varios usuarios demandaban simultáneamente a través de sus terminales . El siguiente paso natural, tras demostrar las ventajas de compartir un ordenador central entre varios usuarios, fue preguntarse si muchos usuarios podrían compartir los recursos e información disponibles en sus respectivos ordenadores. Como respuesta, a principios de los años setenta comenzaron a instalarse las primeras redes de ordenadores. La utilización de redes proporciona una serie de ventajas frente a otro tipo de organizaciones de ordenadores.

  • Compartir recursos: Las redes de ordenadores permiten compartir recursos que son poco utilizados o que tienen un coste demasiado elevado para que cada usuario disponga de uno (p.ej. impresoras de alta calidad, grabadora de DVD, etc.). Al aumentar su grado de ocupación se amortiza rápidamente el coste de adquisición del recurso.
  • Compartir e intercambiar información: Los usuarios de recursos informáticos no trabajan de forma aislada y necesitan una infraestructura para intercambiar información. La utilización de redes proporciona mecanismos más sencillos para intercambiar grandes volúmenes de datos entre los usuarios de una organización, sin la necesidad de emplear dispositivos de almacenamiento externos como disquetes, cintas, discos extraíbles o unidades de CD-ROM.
  • Homogeneidad de las aplicaciones: Cuando hay varios usuarios, cada uno tiende a utilizar las aplicaciones que mejor se ajustan a sus necesidades y gustos. Esto puede provocar una situación de caos en la organización, por la gran variedad de formatos en los que se puede presentar la información y, lo que es peor, la falta de compatibilidad entre los mismos, que impediría que un usuario leyera un archivo de un compañero. Estos problemas desaparecen si todos los usuarios usan los mismos programas. Si además son aplicaciones que se comparten a través de la red, su instalación, gestión y mantenimiento son más efectivos.
  • Mantenimiento más sencillo de la información: Cuando varios usuarios manejan datos comunes, pero cada uno mantiene su propia copia de la información en su equipo, puede producirse inconsistencia de datos. Supongamos que se produce un cambio en parte de la información (p.ej. el número de teléfono de un cliente). La organización debe asegurarse de ese dato se modifique en todos y cada uno de los ordenadores que lo almacenan. En otro caso, se podría realizar una consulta sobre el dato antiguo. Al usar la red existe una única copia de los datos, y todos los datos se modifican en la copia centralizada. El hecho de que los datos estén centralizados hace también más sencilla la tarea de crear copias de seguridad.
  • Mayor efectividad: La capacidad de organizar recursos tiene un impacto directo en la organización y en el presupuesto de la empresa. Si los recursos se pueden compartir, hacen falta menos recursos. Otros beneficios menos obvios son, además del ahorro de hardware, también ahorro de tiempo y de papel.
  • Ahorrar dinero (downsizing): hace referencia al uso de ordenadores más pequeños conectados en red en lugar de grandes ordenadores. Con ello se consigue una potencia equivalente a la de grandes computadores con un coste muy inferior.

Clasificación

Dentro de las redes se pueden distinguir varios tipos:

  • Redes dedicadas: Son las llamadas punto a punto, lo que significa que los ordenadores están todos conectados entre sí. Cada ordenador tendrá tantas interfaces como ordenadores tenga conectados. Es un tipo de red sencillo pero se hace muy complejo si se añaden equipos.
  • Redes de difusión: Poseen un solo medio de transmisión para conectar todos los equipos. Es necesaria la multiplexación de los datos. También se requiere de un mecanismo de acceso al medio compartido, para que dos estaciones no transmitan a la vez. Si un equipo envía, sólo lo aceptará el equipo al que le interese. Las redes de area local suelen asumir este modelo.
  • Redes de conmutación: Los equipos están conectados a través de nodos de conmutación. Estos nodos reciben y transmiten la información de las entradas a las salidas comunicando a los equipos. Los nodos pueden ser de tránsito o periféricos en caso de que sólo se comuniquen con otros nodos o tengan equipos conectados.

Un nodo no se suele comportar como un repetidor pasivo, sino que lleva un control de errores y encamina, es decir, decide por qué salida debe ir un mensaje.

Las redes de conmutación también se pueden subdividir en tipos en función de la tecnología utilizada. Estos son:

  • Redes de conmutación de circuitos: Son las primeras inventadas. Establecen una comunicación directa y dedicada entre el origen y el destino. Un ejemplo es la central telefónica. Presenta el inconveniente de la saturación de la red y de que los dos equipos deben transmitir a la misma velocidad, pues no existe control de flujo.
  • Redes de conmutación de mensajes: Este tipo de red está diseñado para transmitir bits. El nodo es el encargado de hace llegar el mensaje. Lo guarda y lo envía cuando el receptor está listo. Un mensaje puede tardar mucho en ser reenviado. Esta red supone la ventaja de que en caso de saturación, el retardo se reparte entre los usuarios.
  • Redes de conmutación por paquetes: El mensaje se fragmenta en paquetes. Es posible que los paquetes se enruten por caminos distintos o incluso que lleguen desordenados. El tamaño de los paquetes depende de la red.

Esta es la clasificación de las redes en función de su diseño. Además se pueden clasificar las redes en función de su extensión: LANs o redes de area local: cubren distancias pequeñas, del orden de un edificio o varios en la misma ciudad. Aceptan varias topologías, como bus o anillo. La asignación del canal puede ser estática mediante round-robin o dinámica mediante demanda. MANs, son areas metropolitanas, su extensión es de decenas de kilómetros. Un ejemplo es la televisión por cable en una ciudad. WAN o redes de area ámplia: comprenden paises enteros. Los hosts de los usuarios está unidos por routers a la red. Su topología puede ser muy diversa.

Las redes inalámbricas pueden pertenecer a las tres categorías. Otras redes como las domésticas son un tipo más reducido aun de LANs. Todas estas redes pueden conectarse mediante routers o puertas de enlace, que proporcionan la traducción necesaria en términos hardware y de protocolos. Las redes distintas unidas se llaman interredes. La própia Internet es una interred de ámbito global.

Dentro de una red, se distingue físicamente entre los equipos conectados, también llamados hosts, el cableado o medio físico, y los nodos, que pueden ser hubs, si simplemente actuan de repetidores, switch, si permiten encaminar dentro de la propia red o routers, que permiten interconectar varias redes distintas.

Topologias de red

Se define como la forma lógica que adquieren las conexiones de una red. Estas son algunas de las topologías más comunes:

  • Topología en estrella: Todos los equipos están conectados a un nodo común. Y todas las comunicaciones se hacen a través de este. Se usa sobretodo para redes locales. Su nodo central puede ser un switch, un hub o un router.

Estrella.png

  • Red en anillo: Cada estación tiene dos interfaces que hacen de repetidor si el paquete no es para ella. En estas redes se puede usar un token o testigo, que los ordenadores que lo adquieren tienen permiso para transmitir. Si falla una estación falla toda la red.

Anillo.png

  • Red en bus: Hay un solo canal troncal al que se conectan todos los ordenadores. La ventaja es que es muy sencillo de mantener y de construir. Pero si hay muchos ordenadores, el rendimiento baja. Una topología en estrella que use un hub también puede considerarse un bus.

Bus.png

  • Red en árbol: realmente, son varias redes en estrella interconectadas. Es necesario crear mecanismos de enrutamiento que dirijan los paquetes a la estrella que contenga el host de destino.
  • Red en malla: Esta red conecta varios hosts o subredes por varios caminos. Proporciona una mayor tolerancia a fallos y puede dar un mejor rendimiento. Sin embargo, puede ser más cara de construir por el cableado.


Protocolos de comunicación

Las primeras redes estaban diseñadas pensando en el hardware. Hoy en día, la tendencia ha cambiado. El software está muy estructurado y permite una independencia de los dispositivos.

Se denomina jerarquía de protocolos a la organización del software de las redes. Está estructurado en capas o niveles. Cada una construida sobre la anterior. Estas, son capas de abstracción que añaden funciones a las anteriores y, básicamente, independizan el medio del mensaje. El concepto de capas es muy conocido a nivel computacional. Al igual que el sistema operativo o la programación orientada a objetos, la idea es ofrecer servicios mediante una interfaz sin mostrar sus detalles internos o algoritmos.

En las redes, la capa n mantiene contacto con la capa n de la otra máquina. Esa comunicación se crea mediante el protocolo de la capa n. Este protocolo se pasa a la siguiente capa que lo transforma a su protocolo y así sucesivamente hasta que llega a la primera capa del destino y las sucesivas capas van transformando el mensaje hasta llegar otra vez a protocolo n.

Entre cada capa hay una interfaz, que son las operaciones y servicios que esta da a su capa superior. Un conjunto de capas y protocolos se denomina arquitectura de red. Cada una de las capas puede tener las siguientes herramientas:

  • Un modo de direccionamiento. Que indique la dirección de su capa homóloga en el ordenador destino.
  • Un control de errores que detecte y repare los errores que pueda sufrir en su protocolo.
  • Un control de flujo, que permita sincronizar el emisor y el receptor para funcionar a una misma velocidad.
  • En las capas físicas se puede necesitar usar la multiplexión o demultiplexión.
  • Cuando una comunicación puede ir por varios medios, la decisión de por cual enviarla se denomina enrutamiento.

Casi todos los protocolos de comunicación actuales usan la jerarquía de capas.

Las capas pueden ofrecer dos tipos de servicios a las que estén sobre ellas: Orientados a conexión o no orientados a conexión.

  • Los servicios orientados a conexión tienen su mejor analogía en el teléfono. Para hablar por él se descuelga, se habla y se cuelga. El canal ha sido ocupado todo el tiempo y se ha enviado información sin parar. En algunos casos, el emisor y el receptor negocian sobre los parámetros a utilizar antes de establecer la conexión.
  • En contraste, el servicio no orientado a conexión tiene su analogía el sistema postal. Cada mensaje lleva la dirección del destino. Se enruta por el sistema independientemente de los demás. Es posible que no se mantenga el orden en que fueron enviados.

La calidad del servicio depende de si el mensaje llega correctamente, no se pierde ni se duplica. En los orientados a conexión, por ejemplo, el retardo es inaceptable, la voz por teléfono no debe cortarse. En los no orientados a conexión, se puede demandar una confirmación de envío correcto. Si no se pide no es confiable, es lo que se llama un servicio de datagramas. Además, se puede establecer un servicio de solicitud-respuesta. El receptor pide unos datos y el emisor los envía. Un ejemplo son las consultas a bases de datos o las páginas web.

Modelos de referencia.

Redes y William Randolph Hearst

Hay dos arquitecturas de referencia: el modelo OSI y el modelo TCP/IP. Aunque el modelo OSI es teórico, es conveniente conocer los dos para ofrecer una visión contrastada.

Modelo OSI

Osi.jpg

Este modelo se basa en una propuesta de la ISO Organización internacional de estándares. El modelo OSI tiene 7 capas. No es en sí misma un arquitectura de red, ya que sólo define las capas y sus funciones, no el protocolo de cada una. Estas son las capas del modelo OSI:

  • Capa física: Es la que realiza la transmisión de bits a través del canal de comunicación. La correción de errores consisten en asegurarse de que los bits llegan tal cual fueron enviados. Se ocupa de voltajes, pines de conexión, frecuencias de transmisión y otros elementos característicos del hardware.
  • Capa de enlace de datos: La tarea de esta capa es transformar el medio de transmisión en una linea de comunicación. Se ocupa de las tramas de datos, de las tramas de confirmación y de la regulación de flujo que controle un buffer.
  • La capa de red. Esta capa controla los aspectos relativos a la subred. Un aspecto clave está en cómo enrutar los paquetes a su destino. Las rutas suelen estar en tablas estáticas. Otra de las funciones de la red es evitar los cuellos de botella. Además, debe servir de interfaz entre redes distintas.
  • La capa de transporte: La función de esta capa es aceptar los datos de las capas superiores, dividirlos en unidades más pequeñas si es necesario, pasar esas piezas a la capa de red y asegurarse de que llegan correctamente. Debe aislar las capas anteriores de los posibles cambios en el hardware. La capa de transporte opera de extremo a extremo. Mientras que las anteriores operan en los distintos enrutadores y canales que intervienen en la comunicación, la capa de transporte sólo tiene en cuenta el ordenador de destino y el de origen.
  • La capa de sesión: Esta permite que los usuarios de las máquinas diferentes establezcan sesiones. Esto implica el control de dialogo, a quien le toca transmitir; la administración de token (que impide que los dos realicen la misma operación crítica al mismo tiempo) o la sincronización, que permite reaundar una sesión en caso de caida.
  • La capa de presentación. A esta capa le corresponde la sintaxis y la semántica de la información recibida.
  • La capa de aplicación. Esta última capa contiene los protocolos de los usuarios. Por ejemplo, el protocolo http para la transferencia de una página web.

El modelo TCP/IP

Este es el modelo de referencia usado en ARPANET, la primera red de área amplia y posteriormente en Internet. No existe un modelo oficial de TCP/IP, los protocolos se definieron sin un orden concreto y no necesariamente utilizan todas las capas. Estas son las capas que componen TCP/IP:

  • Capa física y de enlace de datos: Es la misma que en el modelo OSI. Se encarga de la comunicación entre hardware.
  • Capa de interred. El modelo TCP/IP no está orientado a conexión. De esta manera, los hosts inyectan paquetes en la red y estos llegan al destino de manera independiente. La capa de interred define un paquete de formato y protocolo oficial llamado IP o protocolo de Internet. La función de la capa de interred es entregar paquetes IP al destinatario. El enrutamiento de paquetes es fundamental en esta capa.
  • Capa de transporte: Está diseñada para proporcionar la transferencia de datos de extremo a extremo. Esta capa puede contener mecanismos de seguridad. En ésta se definen dos protocolos: El primero es TCP, es un protocolo fiable que permite un flujo de información sin errores, completo y ordenado. Divide el flujo de bytes en mensajes discretos y los envía por la capa de interred. El segundo protocolo es UDP, no es confiable, ya que no garantiza el control de errores, ni que lleguen todos ni que lleguen en orden. Su utilidad se encuentra en las aplicaciones que requieren una transmisión puntual más que correcta.
  • Capa de aplicación: El modelo TCP/IP no tiene capa de sesión ni de presentación. La capa de aplicación contiene los protocolos del nivel más alto. Por ejemplo el FTP para transferencia de archivos, el TELNET para una Terminal virtual o SMTP para el correo electrónico ente muchos otros que se han ido agregando con el tiempo.

Comparativamente, el modelo OSI y el TCP/IP tienen mucho en común. La aportación de OSI es diferenciar entre los servicios, las interfaces y los protocolos. Como medio para relacionar una capa con las contiguas. TPC/IP no es tan estricto en ese aspecto, aunque ha ido evolucionando para parecerse. Con respecto a la conexión, OSI permite servicios orientados a conexión o no conexión en la capa de red, pero no en la de transporte. TCP/IP, por su parte, sólo permite el modo no orientado a conexión en su capa de red, pero permite los dos tipos en la de transporte, dando a los usuarios la posibilidad de elegir.

Medios de transmisión

Se entiende como el soporte físico utilizado para el envío de datos por la red. Las redes actuales usan el cable de dos hilos, par trenzado, coaxial o fibra óptica. Además de los medios inalámbricos como las ondas de radio, microondas o infrarrojos.

Los aspectos que se deben tener en cuenta a la hora de fabricar un medio de transmisión son la fiabilidad y la velocidad de transferencia. Estas dos variables son las que influyen en el ancho de banda. Se define como la capacidad del medio o ancho de banda al rango de frecuencias que no provocan distorsión. Puesto que a mayor frecuencia más atenuación. Este corte no es abrupto, por lo que se considera ancho de banda al rango desde 0 hasta que la amplitud es la mitad de su valor original. El ancho de banda depende de la construcción del medio de transmisión. En ocasiones se aplican filtros para limitarlo.

A partir del ancho de banda del medio, se puede transmitir en banda base o banda ancha.

El medio de transmisión está limitado por su ancho de banda y por las perturbaciones, que pueden ser ruido térmico, ruido impulsivo, distorsión por retardo o atenuación. Se puede minimizar este problema con repetidores y ecualizadores.


Medios guiados

Son los cables. En función de las necesidades se puede usar un tipo de cable u otro, estos son los más usados:

  • Cable coaxial: Ha sido hasta hace poco el medio de transmisión más común en las redes locales. Consiste en dos conductores concéntricos separados por un dieléctrico. En función de su grosor, su rendimiento es mayor. La ventaja es que sufre pocas interferencias eléctricas y puede cubrir distancias relativamente grandes.
  • Cable bifilar: es el usado en la linea telefónica. Consta de de dos cables aislados y protegidos por una cubierta. Este cable es barato y fácil de instalar. Sufre atenuación y es muy susceptible a interferencias eléctricas.
  • Par trenzado. En vez de usar el cable paralelo, se trenza y evita las interferencias. Generalmente van en grupos de 4 pares o más y se pueden apantallar por un conductor que hace de malla. Es el más usado actualmente en las redes locales y en particular Ethernet.
  • Fibra óptica. Se usa cada vez más para las redes dorsales. Las señales se transmiten mediante impulsos luminosos. Es inmune a las interferencias electromagnéticas y sufre menos atenuación que los cables eléctricos. Además, tiene un gran ancho de banda. Es el cable más caro y requiere de una manipulación experta.

Medios no guiados

La popularización de las redes creó la necesidad de conectar los equipos sin cables. Para ello, cada fabricante creó su sistema de red inalámbrica. Pero no eran compatibles entre sí. Para solucionar esto, se crearon los estándares 802.11 o wifi y otros como el bluetooth. La forma de transmitir sin cables puede ser mediante la luz, con los infrarrojos o el láser o mediante las ondas de radio o microondas. Se pueden clasificar las redes inalámbricas en dos categorías: personales o de consumo. Las personales se usan para la comunicación de pocos equipos que estén próximos. Por ejemplo el ordenador con un teléfono móvil o con una impresora. Las más conocidas son los infrarrojos y el bluetooth. Las redes de consumo permiten la comunicación de más equipos o la conexión de estos a Internet. Ejemplo de estas son: el GSM, estándar de telefonía móvil europeo o las redes WLAN o inalámbricas. Que se definen con el estándar 802.11, también llamado wifi. Dentro de estas, hay varios estándares, que básicamente han añadido velocidad: 802.11a 802.11b y 802.11g. El estándar 802.11 permite la conexión ad-hoc entre dos equipos o la conexión a un punto de acceso que comunica la red inalámbrica con la red cableada.

Dispositivos de comunicación

Para hacer efectivo el intercambio de información entre ordenadores, es necesario el uso de una serie de dispositivos que adaptan las señales o gestionan el tráfico de información. Explicaré los más usados: módems, codecs, multiplexores, concentradores, repetidores, puentes, routers, y conmutadores.

El primero de ellos es el MODEM. Como he dicho anteriormente, su función es la de realizar el proceso de modulación/demodulación de una señal digital en analógica. Esta señal se transmite por la línea telefónica. El módem, además incorpora protocolos para el control de errores y compresión de datos. La ITU-T (unión internacional de telecomunicaciones) recoge las normas de funcionamiento de los modems en la serie V. El módem se conecta a la línea mediante un conector RJ-11

El siguiente dispositivo es el codec en banda base, es un elemento muy simple que sólo codifica la información digital sin realizar ninguna modulación. Se usa para transmisiones a gran velocidad, pero se limita su uso a distancias cortas.

Los multiplexores consiguen enviar varias transmisiones combinadas y viajando al mismo tiempo. Se puede multiplexar según diferentes estrategias: Por división de frecuencias o FDM, en ella, cada canal se transmite en una banda diferente de frecuencia. Se dejan unos espacios de salvaguarda gaps entre ellas para que no se solapen. El ancho de banda es la suma de los anchos de banda de los canales más los gaps. Se utiliza para las señales analógicas. El principal problema de FDM es el ruido por intermodulación. Otra forma de multiplexar es mediante división de tiempo o TDM, a cada canal se le asigna un tiempo. La multiplexión estadística reconoce cuando un canal está incativo y reparte el tiempo para los demás. WDM o multiplexación por longitud de onda se usa en las transmisiones por fibra óptica. Es la ampliación de FDM a las transmisiones óptica.

Los dispositivos concentradores son el centro de una red tipo estrella. Su función es propagar el tráfico que llega a uno de los puertos a los demás. Se denominan también Hubs.

Los repetidores simplemente regeneran la señal para que llegue más lejos. Se colocan en medio del cable y la amplifican y ecualizan.

Los puentes son dispositivos que trabajan en la capa de enlace de datos. Son usados para conectar segmentos de cable de redes de área local. Trabaja por paquetes y puede direccionarlos. Un paquete le entra por un puerto y en base a la dirección que indique lo envía por el puerto al que está conectado el destino.

Más avanzados que los puentes están los routers o enrutadores. Estos pueden conectar dos redes de distinto tipo. Son más selectivos que los puentes y seleccionan de forma más inteligente la ruta. Para ello utiliza las tablas de enrutamiento. Funcionan en la capa de red.

Por último, los conmutadores o switch también trabajan en la capa de enlace de datos y direccional los paquetes. La diferencia entre un conmutador y un puente es que el conmutador se usa con mayor frecuencia para conectar ordenadores individuales y el puente para segmentos de red con varios ordenadores.

Internet

Se puede definir a Internet como una "red de redes". Internet permite conectar cualquier red local al mismo y comunicarse con cualquier ordenador de cualquier red que esté conectada a Internet. Internet tiene las siguientes características:

  • Se evita la existencia de un "centro" para evitar que la destrucción de un nodo deje sin servicio al resto de la red. Esto se consigue con la conmutación de paquetes en los que cada paquete se envía por la ruta más eficiente.
  • La red se mantiene lo más simple posible. De esta manera, son los ordenadores los encargados del tratamiento de la información, corrección de errores...
  • Es independiente del medio y la topología. Cada red es responsable del envío y recepción a sus nodos.

Internet funciona sobre el modelo TCP/IP. De esta manera, cada host tiene una dirección IP única. La falta de direcciones suficientes del IPv4 ha hecho que se adoptara el protocolo NAT en la mayoría de redes locales. Con la llegada de IPv6 esto no es preciso.

Para facilitar la memorización de direcciones, los humanos podemos usar direcciones URL indicando el nombre del dominio. Los servidores DNS se encargan de traducir esa URL a una dirección IP.

Para conectarse a Internet es necesario contratar un servicio de proveedor de internet a un ISP (Internet Service Provider). Estos tienen conexión directa a las redes troncales. Puede que no proporcionen una IP fija.

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