Temario II

Protocolos y Modelos de Red

TCP/IP

TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) es el conjunto de protocolos fundamentales que forman la base de Internet y la mayoría de las redes modernas. Fue desarrollado en los años 70 por el Departamento de Defensa de EE.UU. (DARPA) como parte del proyecto ARPANET. A diferencia de modelos teóricos como OSI, TCP/IP es un modelo práctico y pragmático compuesto por 4 capas jerárquicas (a veces representadas como 5, incluyendo la capa física). Cada capa maneja aspectos específicos de la comunicación, permitiendo la interoperabilidad entre dispositivos heterogéneos. Es un estándar abierto, escalable y orientado a la conexión o sin conexión, lo que lo hace ideal para redes globales como Internet.

• Capa de Acceso a la Red (Enlace o Física + Enlace de Datos): Define los medios físicos y los protocolos de acceso para transmitir bits a través de hardware. Incluye tecnologías como Ethernet (IEEE 802.3), Wi-Fi (IEEE 802.11), PPP o Frame Relay. Maneja el framing, el control de acceso al medio (MAC) y la detección de errores (CRC).
• Capa de Internet: Responsable del direccionamiento lógico, enrutamiento y forwarding de paquetes. El protocolo principal es IP (Internet Protocol, versiones IPv4 e IPv6), que proporciona direcciones únicas (ej. 192.168.1.1) y rutas óptimas. Otros protocolos incluyen ICMP (para diagnóstico, como ping) y IGMP (para multicast).
• Capa de Transporte: Gestiona el control de flujo, la segmentación/reensamblado de datos, la corrección de errores y la multiplexación. Incluye TCP (Transmission Control Protocol), orientado a conexión, confiable y con control de congestión (usa handshakes de 3 vías y ACKs); y UDP (User Datagram Protocol), sin conexión, rápido pero no confiable, ideal para streaming.
• Capa de Aplicación: Proporciona interfaces para servicios de usuario. Incluye protocolos como HTTP/HTTPS (web), FTP (transferencia de archivos), SMTP/POP3/IMAP (correo electrónico), DNS (resolución de nombres), SNMP (gestión de red) y SSH (acceso remoto seguro).

Ejemplo Detallado: Al acceder a una página web como www.example.com desde un navegador, el proceso TCP/IP se desarrolla así:

• La capa de aplicación usa HTTP para solicitar el recurso (GET request). DNS resuelve el dominio a una IP.
• La capa de transporte (TCP) segmenta los datos en paquetes, establece una conexión (SYN-ACK), asegura entrega ordenada y reenvía paquetes perdidos.
• La capa de Internet (IP) encapsula los segmentos en datagramas, agrega direcciones IP de origen/destino y enruta a través de routers (usando tablas de enrutamiento como BGP para Internet).
• La capa de acceso a la red (Ethernet/Wi-Fi) convierte los datagramas en frames, transmite bits físicamente (voltajes en cables o ondas radio) y maneja colisiones (CSMA/CD en Ethernet). Si hay errores, TCP retransmite. Esto asegura que la página se cargue correctamente incluso en redes congestionadas, como en un usuario móvil conectándose a un servidor remoto.

SNA (Systems Network Architecture)

SNA (Systems Network Architecture) es una arquitectura de red propietaria desarrollada por IBM en 1974 para interconectar mainframes, terminales y periféricos en entornos empresariales. Fue diseñada para redes jerárquicas y centralizadas, con énfasis en la confiabilidad y el control de sesiones. SNA utiliza un modelo de 7 capas similar a OSI, pero con protocolos propietarios como LU (Logical Units) para sesiones, PU (Physical Units) para dispositivos y VTAM (Virtual Telecommunications Access Method) para gestión. Fue dominante en los años 70-90 en industrias con mainframes IBM (como System/360), pero fue desplazada por TCP/IP debido a su falta de apertura y altos costos.

Ejemplo Detallado: En los años 80, un banco grande como Citibank usaba SNA para conectar sucursales remotas a un mainframe central en Nueva York. Terminales 3270 en las sucursales (LU tipo 2) enviaban transacciones (ej. depósitos) a través de líneas dedicadas (SDLC o Token Ring). El mainframe (PU tipo 5) procesaba datos en tiempo real, asegurando sesiones seguras y recuperación de fallos. Esto permitía operaciones 24/7 sin interrupciones, pero requería hardware IBM exclusivo, limitando la integración con otros sistemas.

DECNET y DECX/ET

DECNET (Digital Equipment Corporation Network) es una arquitectura de red desarrollada por DEC en 1975 para conectar sus mini-computadoras (como PDP-11 y VAX) en entornos distribuidos. Es un protocolo de red de igual a igual (peer-to-peer), basado en capas similares a OSI, con soporte para enrutamiento dinámico (usando NSP - Network Services Protocol) y servicios como archivo compartido (DAP) y correo. DECNET evolucionó en fases (Phase I a V), integrando Ethernet y Token Ring, y fue popular en entornos académicos e industriales hasta los 90, cuando TCP/IP lo reemplazó.

DECX/ET (DEC Terminal Emulator/Protocol) es un protocolo dentro de DECNET para emulación de terminales remotos, similar a Telnet en TCP/IP. Permite acceso interactivo a hosts VAX, emulando terminales como VT100 con comandos para transferencia de datos y control de sesiones.

Ejemplo Detallado: En los años 80, una universidad como MIT usaba DECNET para conectar clústeres de computadoras VAX en diferentes departamentos. Un investigador en física accedía a datos compartidos desde un terminal remoto vía DECX/ET, emulando una sesión VT220 para ejecutar simulaciones. DECNET enrutaba paquetes a través de Ethernet, permitiendo colaboración en red sin mainframes centrales, como compartir archivos de investigación entre laboratorios distantes 500 metros.

Modelo OSI (Capa 1: Física)

El Modelo OSI (Open Systems Interconnection) es un marco conceptual desarrollado por ISO en 1984 para estandarizar la comunicación en redes, dividiéndola en 7 capas abstractas. Promueve la interoperabilidad al definir funciones independientes por capa, permitiendo que protocolos de diferentes厂商 se integren. Aunque es teórico (TCP/IP es práctico), sirve como referencia para diseño y troubleshooting.

• Capa 1: Física: La capa más baja, se encarga de la transmisión física de bits crudos (0s y 1s) a través del medio. Define especificaciones hardware como cables, conectores, señales (eléctricas, ópticas, radio), voltajes, tasas de bits y sincronización. NO incluye protocolos (que implican reglas lógicas), sino estándares como EIA/TIA para pinouts, IEEE para modulación y ITU para frecuencias. Maneja aspectos como codificación (Manchester, NRZ), multiplexación (TDM) y topologías (bus, estrella).

Ejemplo Detallado: En una red Ethernet Gigabit, la Capa 1 define el uso de cable UTP Cat6 con conector RJ-45 (pinout T568B: pines 1-2 para TX+, etc.), señales eléctricas a 1 Gbps (voltajes de ±1V) y modulación PAM-5. Si un cable está dañado, causa errores físicos (bit errors), detectados por CRC en capas superiores. Importante: Aquí no hay direccionamiento; solo transmisión binaria, como en un enlace Wi-Fi donde la capa física convierte datos en ondas de 2.4 GHz.

Interferencias en Redes

EMI y RFI

EMI (Electromagnetic Interference) y RFI (Radio Frequency Interference) son tipos de ruido externo que degradan la calidad de las señales en redes, causando errores en la transmisión de datos.

• EMI (Electromagnetic Interference): Perturbaciones causadas por campos electromagnéticos generados por fuentes como motores eléctricos, transformadores, líneas de alta tensión, fluorescentes o soldadoras. Induce corrientes no deseadas en cables, alterando voltajes y causando distorsión en señales digitales.
• RFI (Radio Frequency Interference): Subtipo de EMI específico a frecuencias de radio (300 kHz a 300 GHz), originado en transmisores como radios AM/FM, celulares, microondas, antenas Wi-Fi o radares. Puede interferir con señales inalámbricas o cableadas sensibles.

Cómo Afectan:

• Provocan ruido que superpone la señal original, llevando a errores de bits (flip de 0 a 1).
• Generan pérdida de paquetes, requiriendo retransmisiones (aumenta latencia).
• En casos severos, causan desconexiones o corrupción de datos, haciendo la red inestable (ej. BER - Bit Error Rate alto).
• Afectan más a cables no blindados o señales débiles a largas distancias.

Prevención y Mitigación:

• Usar cables blindados (STP/FTP) o fibra óptica (inmune a EMI/RFI).
• Buena puesta a tierra (grounding) y aislamiento de fuentes de ruido.
• Filtros EMI en equipos, separación física (al menos 30 cm de cables eléctricos) y uso de ferritas en cables.
• En inalámbrico, canales no interferidos y antenas direccionales.

Ejemplo Detallado: En una fábrica, EMI de motores induce ruido en cables UTP, causando paquetes perdidos en una red Ethernet (velocidad cae de 100 Mbps a 10 Mbps). Solución: Cambiar a STP con grounding, reduciendo BER de 10^-5 a 10^-9, estabilizando la comunicación para control de maquinaria.

Arquitecturas de Procesadores

Arquitecturas de Procesador: x86 y ARM

Las arquitecturas de procesadores definen el conjunto de instrucciones (ISA - Instruction Set Architecture) que un CPU entiende, influyendo en rendimiento, consumo y aplicaciones.

• x86: Arquitectura CISC desarrollada por Intel en 1978 (basada en 8086), extendida por AMD. Usada en PCs, laptops y servidores (ej. Intel Core, AMD Ryzen). Soporta modos legacy (16/32/64 bits), virtualización y alta compatibilidad con software (Windows, Linux). Mayor consumo debido a decodificación compleja.
• ARM (Advanced RISC Machine): Arquitectura RISC licenciada por ARM Ltd. desde 1985, enfocada en eficiencia energética. Usada en móviles (Qualcomm Snapdragon), tablets, IoT (Raspberry Pi) y servidores cloud (Apple M-series, AWS Graviton). Bajo consumo gracias a instrucciones simples, escalable para embedded systems.

Ejemplo Detallado: Un laptop con x86 (Intel i7) corre software legacy como juegos antiguos a alto rendimiento, pero consume 45W. En contraste, un smartphone con ARM (A15) maneja apps móviles con solo 5W, extendiendo batería, como en un dispositivo IoT monitoreando redes inalámbricas 24/7.

CISC vs RISC

CISC y RISC son paradigmas de diseño de ISA que afectan cómo los procesadores ejecutan código.

• CISC (Complex Instruction Set Computing): Usa instrucciones complejas y variables (multiciclo), permitiendo operaciones en una sola instrucción (ej. multiplicar y almacenar). Pros: Menos código assembly, alta compatibilidad, flexibilidad para software legado. Contras: Decodificación lenta, mayor consumo, chips más grandes. Ejemplos: x86 (Intel/AMD), IBM z/Architecture.
• RISC (Reduced Instruction Set Computing): Emplea instrucciones simples y fijas (un ciclo), requiriendo más para tareas complejas pero ejecutándolas rápido. Pros: Eficiencia energética, pipelining fácil, menor costo. Contras: Código más largo, optimización por compilador. Ejemplos: ARM, MIPS, RISC-V (abierto).

Ejemplo Detallado: En un servidor, un procesador CISC x86 maneja cargas mixtas (bases de datos + virtualización) con flexibilidad, pero consume más energía (100W+). Un procesador RISC ARM en un data center cloud ejecuta tareas web eficientemente con 20W, como en AWS, donde miles de núcleos reducen costos eléctricos, aunque requiere recompilación de software.

Cables de Red

Cables UTP y Coaxial

Los cables son medios físicos en la Capa 1 OSI, transportando señales eléctricas u ópticas.

• Cable UTP (Unshielded Twisted Pair): Cable de cobre con 4 pares trenzados (para reducir crosstalk y EMI) sin blindaje externo. Estructura: Conductores de cobre (22-26 AWG), aislamiento, jacket PVC/Plenum. Categorías definen rendimiento: Cat5e (100 MHz, 1 Gbps), Cat6 (250 MHz, 10 Gbps a 55m), Cat6a (500 MHz, 10 Gbps a 100m). Económico, flexible, para Ethernet hasta 100m.

  Ejemplo Detallado: El típico cable azul RJ-45 en una oficina conecta una PC a un switch Gigabit. En un hogar, Cat6 UTP cablea habitaciones para streaming 4K, reduciendo latencia por trenzado que cancela ruido de electrodomésticos cercanos.

• Cable Coaxial: Cable con conductor central de cobre, dieléctrico aislante, malla blindada (foil/braid) y jacket externo. Tipos: RG-6 (TV), RG-58 (Ethernet legacy). Blindaje reduce EMI, soporta altas frecuencias (hasta GHz), usado en cable modem, CCTV y antiguas redes (10BASE2/5).

  Ejemplo Detallado: En TV por cable, coaxial RG-6 transmite señales de 50-1000 MHz desde la antena al decodificador, resistiendo interferencias urbanas. En redes antiguas, 10BASE2 usaba coaxial delgado para bus de 185m, conectando PCs en cadena con BNC, ideal para oficinas pequeñas sin switches.