Componentes y Funcionamiento de Redes Informáticas: OSI, TCP/IP, RAID y Más

Dispositivos de Conexión en Redes

Switch

Capa de enlace de datos (OSI)
Conecta segmentos de red pasando datos mediante tramas, utilizando la dirección MAC.
Se utiliza para conectar múltiples redes fusionándolas en una sola, mejorando el rendimiento y la seguridad en LAN.
Se deben conectar varios switches y puentes entre ellos por un único camino, si no, se forma un bucle en la red produciendo infinitas tramas.
Almacena direcciones MAC (capa 2).
Métodos de direccionamiento de tramas:
- Store-and-forward: Guarda cada trama en un búfer antes de enviarla. El switch calcula el CRC y el tamaño de la misma. Si el CRC falla o el tamaño es incorrecto, la trama se descarta. Permite operaciones sin error y confianza en la red, pero toma más tiempo.
- Cut-Through: Minimiza el retardo leyendo los primeros 6 bytes, que contienen la dirección MAC, y la envía de inmediato. Sin embargo, no verifica posibles errores en las tramas.
- Adaptable Cut-Through: Switches que pueden utilizar ambos métodos. El administrador de la red o el propio switch pueden elegir el método.

Router

Nivel tres, nivel de red
Interconecta subredes, encaminando paquetes de datos.
Almacena paquetes y los reenvía a otro router o host. El siguiente salto se define a partir de la tabla de enrutamiento.
Forwarding: Cuando un paquete llega al enlace del router, este tiene que pasarlo al enlace de salida apropiado.
Routing: Usando algoritmos de enrutamiento, el router determina la ruta que siguen los paquetes.
El router emplea la dirección IP, mientras que el switch usa la dirección MAC.

Bridge / Puente de red

Conecta redes o divide una red en segmentos, pasando datos usando la dirección MAC, formando una subred.
Usa una tabla de direcciones MAC detectadas en cada segmento al que está conectado.
Cuando un nodo de uno de los segmentos quiere transmitir datos a otro, el bridge copia la trama para la otra subred.
Puede filtrar (desechar tramas).
Autoaprendizaje de enrutamiento.
- Homogéneos: Conecta LAN con dirección MAC.
- Heterogéneos: El puente tiene una entidad superior que se encarga de transformar las cabeceras entre distintas interfaces. Recibe de una para enviarla a otro tipo.
- Locales: Enlaza redes físicamente cercanas.
- Remotos: Se conectan en parejas enlazando dos o más redes locales y forman una red de área extensa.

Hub

Centraliza el cableado de una red y puede ampliarla. El dispositivo recibe una señal y la repite emitiéndola por sus diferentes puertos.
Colisión de paquetes: Cuando ocurre, los dispositivos transmisores hacen una pausa antes de volver a enviar los paquetes.

WAP (Wireless Access Point)

Interconecta dispositivos de comunicación inalámbrica para formar una red inalámbrica.
Se pueden conectar muchos entre sí para realizar roaming.
Tienen una IP para ser configurados. Según la norma 802.11, son compatibles con muchos equipos inalámbricos.

Modelo OSI

Capa Física (1)

Es la que se encarga de las conexiones globales de la computadora hacia la red, tanto en lo que se refiere al medio físico como a la forma en la que se transmite la información.

Sus principales funciones se pueden resumir como:

Definir el medio o medios físicos por los que va a viajar la comunicación: cable de pares trenzados (o no, como en RS232/EIA232), coaxial, guías de onda, aire, fibra óptica.
Definir las características materiales (componentes y conectores mecánicos) y eléctricas (niveles de tensión) que se van a usar en la transmisión de los datos por los medios físicos.
Definir las características funcionales de la interfaz (establecimiento, mantenimiento y liberación del enlace físico).
Transmitir el flujo de bits a través del medio.
Manejar las señales eléctricas del medio de transmisión, polos en un enchufe, etc.
Garantizar la conexión (aunque no la fiabilidad de dicha conexión).

Capa de Enlace de Datos (2)

Le da a las tramas la dirección MAC.
Sus principales funciones son:
- Iniciación, terminación e identificación.
- Segmentación y bloqueo.
- Sincronización de octeto y carácter.
- Delimitación de trama y transparencia.
- Control de errores.
- Control de flujo.
- Recuperación de fallos.
- Gestión y coordinación de la comunicación.

Capa de Red (3)

Se encarga de identificar el enrutamiento existente entre una o más redes. Las unidades de información se denominan paquetes, y se pueden clasificar en protocolos enrutables y protocolos de enrutamiento.

Enrutables: Viajan con los paquetes (IP, IPX, APPLETALK).
Enrutamiento: Permiten seleccionar las rutas (RIP, IGRP, EIGRP, OSPF, BGP).

El objetivo de la capa de red es hacer que los datos lleguen desde el origen al destino, aun cuando ambos no estén conectados directamente. Los dispositivos que facilitan tal tarea se denominan encaminadores, aunque es más frecuente encontrarlos con el nombre en inglés routers. Los routers trabajan en esta capa, aunque pueden actuar como switches de nivel 2 en determinados casos, dependiendo de la función que se les asigne. Los firewalls actúan sobre esta capa principalmente, para descartar direcciones de máquinas.

En este nivel se realiza el direccionamiento lógico y la determinación de la ruta de los datos hasta su receptor final.

Capa de Transporte (4)

Capa encargada de efectuar el transporte de los datos (que se encuentran dentro del paquete) de la máquina origen a la de destino, independizándolo del tipo de red física que se esté utilizando. La PDU de la capa 4 se llama segmento o datagrama, dependiendo de si corresponde a TCP o UDP. Sus protocolos son TCP y UDP; el primero orientado a conexión y el otro sin conexión. Trabajan, por lo tanto, con puertos lógicos y junto con la capa de red dan forma a los conocidos como Sockets IP:Puerto (191.16.200.54:80).

Capa de Sesión (5)

Esta capa es la que se encarga de mantener y controlar el enlace establecido entre dos computadores que están transmitiendo datos de cualquier índole. Por lo tanto, el servicio provisto por esta capa es la capacidad de asegurar que, dada una sesión establecida entre dos máquinas, la misma se pueda efectuar para las operaciones definidas de principio a fin, reanudándolas en caso de interrupción. En muchos casos, los servicios de la capa de sesión son parcial o totalmente prescindibles.

Capa de Presentación (6)

El objetivo es encargarse de la representación de la información, de manera que aunque distintos equipos puedan tener diferentes representaciones internas de caracteres, los datos lleguen de manera reconocible.

Esta capa es la primera en trabajar más el contenido de la comunicación que el cómo se establece la misma. En ella se tratan aspectos tales como la semántica y la sintaxis de los datos transmitidos, ya que distintas computadoras pueden tener diferentes formas de manejarlas.

Esta capa también permite cifrar los datos y comprimirlos. Por lo tanto, podría decirse que esta capa actúa como un traductor.

Capa de Aplicación (7)

Ofrece a las aplicaciones la posibilidad de acceder a los servicios de las demás capas y define los protocolos que utilizan las aplicaciones para intercambiar datos, como correo electrónico (POP y SMTP), gestores de bases de datos y servidores de ficheros (FTP). Por UDP pueden viajar DNS y RIP. Hay tantos protocolos como aplicaciones distintas y, puesto que continuamente se desarrollan nuevas aplicaciones, el número de protocolos crece sin parar.

Cabe aclarar que el usuario normalmente no interactúa directamente con el nivel de aplicación. Suele interactuar con programas que a su vez interactúan con el nivel de aplicación, pero ocultando la complejidad subyacente.

Protocolos por Capa en el Modelo OSI

Capa 1 (Física): Coaxial, UTP, Fibra Óptica, Trenzado, Microondas.
Capa 2 (Enlace de Datos): ARP, Ethernet, Token Ring.
Capa 3 (Red): IP.
Capa 4 (Transporte): TCP, UDP.
Capa 5 (Sesión): NetBIOS.
Capa 6 (Presentación): ASN.1.
Capa 7 (Aplicación): HTTP, FTP, SSH.

Modelo TCP/IP

TCP (Transmission Control Protocol)

Está en la capa 3 de transporte. Como la capa IP no es muy fiable, el TCP añade funciones para hacer que la comunicación sea más segura, sin pérdidas y libre de errores.

Segmento TCP

Este es un flujo de datos convertido por el TCP.

Octetos 0-3: Puerto de Origen – Puerto de Destino.
Octetos 4-7: Número de secuencia.
Octetos 8-11: Número de acuse de recibo.
Octetos 12-15: Longitud de Cabecera – Reservado – Códigos – Tamaño de Ventana.
Octetos 16-19: Suma de verificación – Puerto Urgente.
Octeto 20: Relleno.

Flags (9 bits)

NS (1 bit): ECN-nonce concealment protection. Para proteger frente a paquetes accidentales o maliciosos que se aprovechan del control de congestión para ganar ancho de banda de la red.
CWR (1 bit): Congestion Window Reduced. El flag se activa por el host emisor para indicar que ha recibido un segmento TCP con el flag ECE activado y ha respondido con el mecanismo de control de congestión.
ECE (1 bit): Para dar indicaciones sobre congestión.
URG (1 bit): Indica que el campo del puntero urgente es válido.
ACK (1 bit): Indica que el campo de asentimiento es válido. Todos los paquetes enviados después del paquete SYN inicial deben tener activo este flag.
PSH (1 bit): Push. El receptor debe pasar los datos a la aplicación tan pronto como sea posible.
RST (1 bit): Reset. Reinicia la conexión.
SYN (1 bit): Synchronize. Sincroniza los números de secuencia para iniciar la conexión.
FIN (1 bit): El emisor finaliza el envío de datos.

SAI (Sistema de Alimentación Ininterrumpida)

Un sistema de alimentación ininterrumpida, SAI, es un dispositivo que, gracias a sus baterías u otros elementos almacenadores de energía, puede proporcionar energía eléctrica por un tiempo limitado y durante un apagón a todos los dispositivos que tenga conectados. Otras de las funciones que se pueden adicionar a estos equipos es la de mejorar la calidad de la energía eléctrica que llega a las cargas, filtrando subidas y bajadas de tensión y eliminando armónicos de la red en el caso de usar corriente alterna.

La unidad de potencia para configurar un SAI es el voltiamperio (VA), que es la potencia aparente, o el vatio (W), que es la potencia activa, también denominada potencia efectiva o eficaz, consumida por el sistema. Para calcular cuánta energía requiere un equipo de SAI, se debe conocer el consumo del dispositivo. Si la que se conoce es la potencia efectiva o eficaz, en vatios, se multiplica la cantidad de vatios por 1,4 para tener en cuenta el pico máximo de potencia que puede alcanzar el equipo. Por ejemplo: 200 vatios x 1,4 = 280 VA. Si lo que encuentra es la tensión y la corriente nominales, para calcular la potencia aparente (VA) hay que multiplicar la corriente (amperios) por la tensión (voltios), por ejemplo: 3 amperios. x 220 voltios = 660 VA.

Tipos de SAI

SAI de continua (activo): Las cargas conectadas a los SAI requieren una alimentación de corriente continua, por lo tanto, estos transformarán la corriente alterna de la red comercial a corriente continua y la usarán para alimentar la carga y almacenarla en sus baterías. Por lo tanto, no requieren convertidores entre las baterías y las cargas.
SAI de corriente alterna (pasivo): Estos SAI obtienen a su salida una señal alterna, por lo que necesitan un inversor para transformar la señal continua que proviene de las baterías en una señal alterna.
SAI en estado de espera (Stand-by Power Systems): Este sistema presenta dos circuitos principales: la alimentación de línea, a la que solo se le agrega un estabilizado y un filtrado adicional al normal de cada equipo a alimentar, y el circuito propiamente SAI, cuyo núcleo es el circuito llamado «inversor». Es llamado sistema en «stand-by», o en espera, debido a que el circuito de alimentación alternativo, el inversor, está «fuera de línea», o inactivo, en espera de entrar en funcionamiento cuando se produzca un fallo en la alimentación de red. Posee un elemento conmutador que conecta y desconecta uno u otro circuito alternativamente.
SAI en línea (on-line): En cambio, en el SAI «en línea» (on-line), la batería y el inversor están permanentemente siendo utilizados, lo que garantiza una máxima respuesta en tiempo y forma ante el evento de falla de red. Además, también pueden corregir los desplazamientos de frecuencia, ya que regeneran la onda alterna permanentemente (entrada alterna, rectificado a continua, inversor vuelve a generar tensión alterna). Tiene la desventaja de requerir una batería específica para el sistema en cuestión. De allí la dificultad de reemplazarla o agregar una batería externa económica y/o más potente.
SAI con volante comercial: En este caso, la energía para mantener el suministro de alimentación eléctrica se conserva a través del denominado almacenamiento cinético. De esta manera, no se requiere el uso de baterías y con ello se evita la necesidad de mantenerlas o reemplazarlas.

Funciones del SAI

El papel del SAI es suministrar potencia eléctrica en ocasiones de fallo de suministro, en un intervalo de tiempo «corto» (si es un fallo en el suministro de la red, hasta que comiencen a funcionar los sistemas aislados de emergencia). Sin embargo, muchos sistemas de alimentación ininterrumpida son capaces de corregir otros fallos de suministro:

Corte de energía: Pérdida total de tensión de entrada.
Sobretensión: Tiene lugar cuando la tensión supera el 110% del valor nominal.
Caída de tensión: Cuando la tensión es inferior al 85-80% de la nominal.
Picos de tensión.
Ruido eléctrico o electromagnético.
Inestabilidad en la frecuencia.
Distorsión armónica: Cuando la onda sinusoidal suministrada no tiene esa forma.

Habitualmente, los fabricantes de SAI clasifican los equipos en función de los fallos eléctricos que corrigen.

Es posible obtener un regulador de voltaje que, además de evitar sobrecargas eléctricas, mantenga funcionando al equipo en caso de un fallo de energía por varios minutos.

RAID (Redundant Array of Independent Disks)

En informática, el acrónimo RAID (Redundant Array of Independent Disks, «conjunto redundante de discos independientes») hace referencia a un sistema de almacenamiento que usa múltiples discos duros o SSD entre los que se distribuyen o replican los datos. Dependiendo de su configuración (a la que suele llamarse «nivel»), los beneficios de un RAID respecto a un único disco son uno o varios de los siguientes: mayor integridad, mayor tolerancia a fallos, mayor throughput (rendimiento) y mayor capacidad. En sus implementaciones originales, su ventaja clave era la habilidad de combinar varios dispositivos de bajo coste y tecnología más antigua en un conjunto que ofrecía mayor capacidad, fiabilidad, velocidad o una combinación de estas que un solo dispositivo de última generación y coste más alto.

En el nivel más simple, un RAID combina varios discos duros en una sola unidad lógica. Así, en lugar de ver varios discos duros diferentes, el sistema operativo ve uno solo. Los RAIDs suelen usarse en servidores y normalmente (aunque no es necesario) se implementan con unidades de disco de la misma capacidad. Debido al decremento en el precio de los discos duros y la mayor disponibilidad de las opciones RAID incluidas en los chipsets de las placas base, los RAIDs se encuentran también como opción en las computadoras personales más avanzadas. Esto es especialmente frecuente en las computadoras dedicadas a tareas intensivas y que requieran asegurar la integridad de los datos en caso de fallo del sistema. Esta característica no está obviamente disponible en los sistemas RAID por software, que suelen presentar, por tanto, el problema de reconstruir el conjunto de discos cuando el sistema es reiniciado tras un fallo para asegurar la integridad de los datos. Por el contrario, los sistemas basados en software son mucho más flexibles (permitiendo, por ejemplo, construir RAID de particiones en lugar de discos completos y agrupar en un mismo RAID discos conectados en varias controladoras) y los basados en hardware añaden un punto de fallo más al sistema (la controladora RAID).

Todas las implementaciones pueden soportar el uso de uno o más discos de reserva (hot spare), unidades preinstaladas que pueden usarse inmediatamente (y casi siempre automáticamente) tras el fallo de un disco del RAID. Esto reduce el tiempo del período de reparación al acortar el tiempo de reconstrucción del RAID.

Niveles RAID más comunes

RAID 0: Conjunto dividido.
RAID 1: Conjunto en espejo.
RAID 5: Conjunto dividido con paridad distribuida.

RAID 1

Un RAID 1 crea una copia exacta (o espejo) de un conjunto de datos en dos o más discos. Esto resulta útil cuando el rendimiento en lectura es más importante que la capacidad. Un conjunto RAID 1 sólo puede ser tan grande como el más pequeño de sus discos. Un RAID 1 clásico consiste en dos discos en espejo, lo que incrementa exponencialmente la fiabilidad respecto a un solo disco; es decir, la probabilidad de fallo del conjunto es igual al producto de las probabilidades de fallo de cada uno de los discos (pues para que el conjunto falle es necesario que lo hagan todos sus discos).

RAIDs Anidados

Muchas controladoras permiten anidar niveles RAID, es decir, que un RAID pueda usarse como elemento básico de otro en lugar de discos físicos. Resulta instructivo pensar en estos conjuntos como capas dispuestas unas sobre otras, con los discos físicos en la inferior.

Los RAIDs anidados se indican normalmente uniendo en un solo número los correspondientes a los niveles RAID usados, añadiendo a veces un «+» entre ellos. Por ejemplo, el RAID 10 (o RAID 1+0) consiste conceptualmente en múltiples conjuntos de nivel 1 almacenados en discos físicos con un nivel 0 encima, agrupando los anteriores niveles 1. En el caso del RAID 0+1, se usa más esta forma que RAID 01 para evitar la confusión con el RAID 1. Sin embargo, cuando el conjunto de más alto nivel es un RAID 0 (como en el RAID 10 y en el RAID 50), la mayoría de los vendedores eligen omitir el «+», a pesar de que RAID 5+0 sea más informativo.

Clasificación de las Redes

Por Alcance

Red de área local, o LAN (Local Area Network): Es una red que se limita a un área especial relativamente pequeña tal como un cuarto, un solo edificio, una nave, o un avión. Las redes de área local a veces se llaman una sola red de localización. No utilizan medios o redes de interconexión públicos.
Red de área local inalámbrica, o WLAN (Wireless Local Area Network): Es un sistema de comunicación de datos inalámbrico flexible, muy utilizado como alternativa a las redes de área local cableadas o como extensión de estas.
Redes de área amplia, o WAN (Wide Area Network): Son redes informáticas que se extienden sobre un área geográfica extensa utilizando medios como: satélites, cables interoceánicos, Internet, fibras ópticas públicas, etc.

Medios Guiados

Cable coaxial: Se utiliza para transportar señales electromagnéticas de alta frecuencia que posee dos conductores concéntricos, uno central, llamado vivo, y uno exterior denominado malla o blindaje, que sirve como referencia de tierra y retorno de las corrientes; los cuales están separados por un material dieléctrico que, en realidad, transporta la señal de información.
Cable de par trenzado: Es una forma de conexión en la que dos conductores eléctricos aislados son entrelazados para tener menores interferencias y aumentar la potencia y disminuir la diafonía de los cables adyacentes. Dependiendo de la red, se pueden utilizar uno, dos, cuatro o más pares.
Fibra óptica: Es un medio de transmisión empleado habitualmente en redes de datos; un hilo muy fino de material transparente, vidrio o materiales plásticos, por el que se envían pulsos de luz que representan los datos a transmitir.

Medios No Guiados

Red por radio: Es aquella que emplea la radiofrecuencia como medio de unión de las diversas estaciones de la red.
Red por infrarrojos: Permite la comunicación entre dos nodos, usando una serie de LEDs infrarrojos para ello. Se trata de emisores/receptores de ondas infrarrojas entre ambos dispositivos. Cada dispositivo necesita al otro para realizar la comunicación, por ello es escasa su utilización a gran escala. No disponen de gran alcance y necesitan de visibilidad entre los dispositivos.
Red por microondas: Es un tipo de red inalámbrica que utiliza microondas como medio de transmisión. Los protocolos más frecuentes son: el IEEE 802.11b y transmite a 2,4 GHz, alcanzando velocidades de 11 Mbps (Megabits por segundo); el rango de 5,4 a 5,7 GHz para el protocolo IEEE 802.11a; el IEEE 802.11n que permite velocidades de hasta 600 Mbps; etc.

Por Relación Funcional

Cliente-servidor: Es la arquitectura que consiste básicamente en un cliente que realiza peticiones a otro programa (el servidor) que le da respuesta.
Peer-to-peer, o red entre iguales: Es aquella red de computadoras en la que todos o algunos aspectos funcionan sin clientes ni servidores fijos, sino una serie de nodos que se comportan como iguales entre sí.

Por Tecnología

Red Point-To-Point: Es aquella en la que existe multitud de conexiones entre parejas individuales de máquinas. Este tipo de red requiere, en algunos casos, máquinas intermedias que establezcan rutas para que puedan transmitirse paquetes de datos. El medio electrónico habitual para la interconexión es el conmutador, o switch.
Red broadcast: Se caracteriza por transmitir datos por un solo canal de comunicación que comparten todas las máquinas de la red. En este caso, el paquete enviado es recibido por todas las máquinas de la red, pero únicamente la destinataria puede procesarlo. Los equipos unidos por un concentrador, o hub, forman redes de este tipo.

Topologías de Red

Red en bus: Se caracteriza por tener un único canal de comunicaciones (denominado bus, troncal o backbone) al cual se conectan los diferentes dispositivos.
Red en anillo: Cada estación está conectada a la siguiente y la última está conectada a la primera.
Red en estrella: Las estaciones están conectadas directamente a un punto central y todas las comunicaciones se han de hacer necesariamente a través de este.
Red en malla: Cada nodo está conectado a todos los otros.
Red en árbol: Los nodos están colocados en forma de árbol. Desde una visión topológica, la conexión en árbol es parecida a una serie de redes en estrella interconectadas, salvo en que no tiene un nodo central.
Red mixta: Se da cualquier combinación de las anteriores.

Por la Direccionalidad de los Datos

Simplex o unidireccional: Un equipo terminal de datos transmite y otro recibe.
Half-duplex, en castellano semidúplex: El método o protocolo de envío de información es bidireccional pero no simultáneo, solo un equipo transmite a la vez.
Full-duplex, o dúplex: Los dos equipos involucrados en la comunicación lo pueden hacer de forma simultánea, transmitir y recibir.

Por Grado de Autentificación

Red privada: Una red privada se definiría como una red que puede usarla solo algunas personas y que están configuradas con clave de acceso personal.
Red de acceso público: Una red pública se define como una red que puede usar cualquier persona y no como las redes que están configuradas con clave de acceso personal. Es una red de computadoras interconectados, capaz de compartir información y que permite comunicar a usuarios sin importar su ubicación geográfica.

Por Grado de Difusión

Intranet: Es una red de ordenadores privados que utiliza tecnología Internet para compartir dentro de una organización parte de sus sistemas de información y sistemas operacionales.
Internet: Es un conjunto descentralizado de redes de comunicación interconectadas que utilizan la familia de protocolos TCP/IP, garantizando que las redes físicas heterogéneas que la componen funcionen como una red lógica única, de alcance mundial.

Por Servicio o Función

Red comercial: Proporciona soporte e información para una empresa u organización con ánimo de lucro.
Red educativa: Proporciona soporte e información para una organización educativa dentro del ámbito del aprendizaje.
Red para el proceso de datos: Proporciona una interfaz para intercomunicar equipos que vayan a realizar una función de cómputo conjunta.