Exposiciones sobre Redes de Computadoras

🌐 Modulación y Multiplexación

📡 Modulación Digital

¿Por qué se usa?

• Problema: Las señales digitales (bits: 0s y 1s) no pueden viajar largas distancias por cables o aire.
• Solución: Convertirlas en ondas analógicas (como el sonido o la luz).
  Comparación: Es como traducir un libro a otro idioma para que pueda ser leído en otro país.

Tipos de Modulación:

🔄 Multiplexación

¿Para qué sirve?

• Objetivo: Permitir que múltiples usuarios compartan un mismo medio físico (cable, frecuencia) sin interferencias.
  Comparación: Como dividir una carretera en carriles para diferentes tipos de vehículos.

Técnicas Clave:

1. FDM (División de Frecuencia):
   • Cada usuario tiene una banda de frecuencia asignada. Debes ponerte en la misma frecuencia de un canal para poder recibir su informacion
     Ejemplo: Emisoras de radio (FM 88.1, 92.5, etc.).
     ⚠️ Limitación: Regulado por CONATEL para evitar solapamientos (como un controlador aéreo de frecuencias).
2. Multiplexion por división de acceso múltiple: todos los usuarios pueden usar un canal, cada canal va en su sintonía pero sin interferirse, da la impresión de que van todos juntos pero en realidad cada uno va por su propio camino
3. TDM (División de Tiempo): Cada uno tiene su momento, recibe y manda informacion en un tiempo estimado, para mejorar el aspecto del tiempo perdido se usa la multiplexion estatica por division de tiempo, si alguien necesita usar un instante de tiempo, se usa. Asigna dinamicamente el tiempo de transmision segun la necesidad de cada usuario
   • Estático: Turnos fijos (ej: 0.1 segundos por usuario).
     Problema: Desperdicio si un usuario no envía datos.
     Comparación: Como una reunión donde cada persona habla 1 minuto en orden fijo.
   • Dinámico: Asigna slots según demanda.
     Comparación: Como un moderador que da la palabra solo a quienes levantan la mano.
4. CDMA (División de Código):
   • Cada usuario tiene un código único (ej: GPS: satélites usan códigos diferentes).mezcla de division por frecuencia y tiempo, cada usuario tiene un codigo que lo enlaza con otro, se puede usar en gps, radios, etc.
     Comparación: Como una fiesta donde todos hablan al mismo tiempo, pero en idiomas diferentes.

🕸️ Topologías de Red

T. Física : Conexiones(Routers,etc)

T. Lógica : Como fluyen los datos(Broadcasts,etc)

🔌 Topologías Físicas

1. Bus (Obsoleta pero histórica)

• Funcionamiento: Todos conectados a un cable central.
  Comparación: Como una cadena de correos donde cada persona lee el mensaje y lo pasa al siguiente.

• Problema: Si el cable se corta, la red colapsa.
  Ejemplo histórico: Ethernet coaxial en los 80s.

  Ventaja: simple de integrar

  Desventajas: si falla el bus principal, todo se desconecta, se puede usar en redes pequeñas, hogares, etc.

2. Estrella (La más común hoy)

• Funcionamiento: Todos conectados a un switch/hub central.
  Comparación: Como una rueda de bicicleta: los rayos son dispositivos y el centro es el switch.
• Ventaja: Si un dispositivo falla, los demás siguen funcionando.
• Desventaja: El switch es un punto único de fallo. Si el dispositivo central falla, muere todo y la velocidad depende del dispositivo central

3. Malla (Para redes críticas)

• Funcionamiento: Cada nodo está conectado a múltiples nodos.
  Comparación: Como una telaraña: si un hilo se rompe, hay caminos alternativos.

• Usos: Militar, hospitales, centros de datos.

• Costo: Requiere 𝑛(𝑛−1)/2 conexiones para 𝑛 nodos (ej: 10 nodos → 45 cables).

  Malla completa: todos estan conectados entre si

  Malla parcial: algunos están conectados entre si

  Malla inalámbrica: todos se conectan con algo inalámbrico

  Malla hibrida: combina las mallas anteriores

  Se aplica en redes empresariales, centros de datos, redes inteligentes, redes de emergencia

  Ventajas: El flujo de datos es constante, estable, si algún nodo falla, la información se redirecciona a otro nodo para que llegue a destino

  Desventajas: mas complejo de instalar, muchas conexiones, mas costoso, no es escalable

4. Topología anillo

Se conectan formando un anillo, los datos fluyen de manera unidireccional o bidireccional en un sentido

Anillo simple: tiene un solo canal de comunicación

Anillo doble: dos canales de comunicación

Anillo con paso de testigo(Token ring)

Ventaja: bajo costo, mejor ancho de banda, igualdad de accesos entre nodos

Desventajas: Si un nodo falla, cae toda la red, con información mas pesada se hace lenta

5. Topología punto a punto

Conectar 2 puntos con un RJ45, no necesitas intermediarios, ej: conectar celular con auricular

Ventaja: fácil instalación y conexión, no es costoso

Desventajas: poca seguridad, fugas o perdidas de información, no es escalable

6. Topologia de red en arbol

Consta con un servidor principal que controla el host y a los demás nodos, los nodos secundarios se conectan al principal

T.A.Binario: cada nodo con 2 hijos

T.A.Exetendida: nodos secundarios con mas de dos nodos hijos

T.A.Hibrida: combina binaria y extendida

Aplicaciones en LAN, Redes de campus, redes de proveedores de internet(ISP)

Ventaja: muy flexible, facil manejo de errores, es altamente escalable

Desventajas: Si el servidor principal muere probablemente la red caiga, querer gestionar la red a partir del nodo principal es mas difícil.

🌟 Topologías Lógicas

1. Broadcast (Ethernet)

• Funcionamiento: Todos reciben los datos, pero solo el destinatario los procesa. Cada equipo envía su información a todos los demás equipos, estos responden según el orden de llegada
  Comparación: Como un megáfono en una plaza: todos escuchan, pero solo uno responde.

2. Token Passing (Token Ring)

• Funcionamiento: Un "testigo" electrónico da permiso para transmitir.
  Comparación: Como un micrófono en una reunión: solo quien lo tiene puede hablar.

🛰️ Redes de Área Amplia y Telefonía

Cuando las computadoras estan conectadas desde lugares remotos, se depende de otros nodos por el camino, estas se llaman PSTN.

Oficinas de conmutación: parecida a la topología estrella para evitar muchos cableríos, pero al escalar, volvía a surgir el problema

Canal descendente : de ISP al usuario(descarga)

Canal ascendente: del usuario al ISP(carga)

ADSL (A de asimétrico) usa mas para descarga que para carga

Estándares para fibra óptica: SONET y SDH (Son protocolos de la capa física en OSI)

SONET envía tramas una tras otra, cuando no hay nada que enviar se envían datos ficticios

Conmutación en Redes

La conmutación se refiere a la forma en que se conectan los dispositivos para transmitir información en una red. Existen dos tipos principales:

Conmutación de Circuitos

• Se establece una ruta fija entre el emisor y el receptor antes de la transmisión.
• Es ineficiente en términos de ancho de banda si no se transmite nada.
• Implica la existencia de muchas interconexiones y puentes entre puertos para establecer la comunicación.
• Ejemplo: Llamadas telefónicas en redes tradicionales.

Ventajas

✅ Garantiza un camino dedicado, evitando interferencias.
✅ La latencia es predecible, ya que los datos siguen una ruta fija.

Desventajas

❌ Desperdicio de ancho de banda si no se está transmitiendo datos constantemente.
❌ Poco flexible, ya que si la conexión se interrumpe, es necesario establecer una nueva.

Conmutación de Paquetes

• Los datos se dividen en paquetes y cada paquete puede tomar rutas diferentes hasta llegar al destino.
• Es más eficiente en el uso del ancho de banda, ya que no requiere una conexión permanente.
• Puede haber retardo por encolamiento, propagación o congestión de nodos.
• Si una conexión se corta, los paquetes pueden buscar otra ruta alternativa.
• Ejemplo: Internet y redes de datos modernas.

Ventajas

✅ Optimiza el uso del ancho de banda al enviar solo lo necesario.
✅ Mayor tolerancia a fallos, ya que los paquetes pueden tomar diferentes caminos.
✅ Permite el envío simultáneo de información entre múltiples dispositivos.

Desventajas

❌ Mayor latencia y variabilidad, ya que los paquetes pueden llegar desordenados.
❌ Requiere procesamiento adicional para reorganizar los paquetes en el destino.

El handoff: Sucede cuando cambias de celda, preguntando a las celdas vecinas, quien recibe mejor la señal del dispositivo que se movió para dejarlo a su cargo

AMPS (Advanced Mobile Phone System) fue el primer sistema de telefonía celular analógica ampliamente utilizado en los Estados Unidos.

AMPS usa divison por multiplexion por frecuencia

Para llamar o recibir llamadas los teléfonos usan distintos canales dedicados para cada fin

Cuando hay alta demanda las celdas se subdividen en micro celdas o celdas temporales

Hay celdas que comparten frecuencias, las reutiliza, pero están bien separadas para que no hayan interferencias.

Como funciona una llamada telefónica

Consultas a través de la estación base si el destinatario esta en la celda o esta fuera, si esta dentro, se hace la conmutación entre los dos celulares, de lo contrario, pregunta al centro de conmutación, el que se encarga de hablar con las estaciones base, va a consultar si alguna de las celdas tiene al destinatario por su radio de cobertura, si logra localizar al destinatario, avisa al centro de conmutación para que realice la conmutación(conexión) entre los dos dispositivos.

📞 Evolución de la Telefonía Móvil

Segmentacion de la red: Los operadores crean una red virtual para cada necesidad

Beamforming: Nos basamos en la dirección en la que llega la onda, los celulares sacan ondas omnidireccionales, donde solo una onda llega a la estación base

La computación de borde es un modelo de procesamiento de datos donde la información se analiza cerca de la fuente de generación, en lugar de enviarla a un centro de datos o la nube.

El fin de la computación de borde se basa en llevar la información a la menor distancia posible

📺 Televisión por Cable vs Fibra Óptica

Internet por cable

Usando cable coaxial, si uno de los nodos empieza a descargar algo pesado, el ancho de banda disminuye para los demás, para solucionarlo se usando la multiplexación por división de frecuencias,

Para que esto funcione se usaban módems de cable, los módems transforman señales analógicas a digitales

Un módem (MOdulator-DEModulator) es un dispositivo que convierte señales digitales en analógicas y viceversa, permitiendo la comunicación entre computadoras y redes a través de líneas telefónicas, cable coaxial, fibra óptica o señales inalámbricas.

Aun no hay tecnología capaz de controlar los paquetes que circulan por una señal 5G, por lo que se pueden escapar cosas maliciosas por redes 5G.

🔗Capa de Enlace de Datos

La capa de enlace maneja la velocidad del sistema, encapsula en tramas con encabezados, el manejo de las tramas es el manejo más importante de la capa de enlace, propone servicios a la capa de red.

Servicios a la capa de red

📡 Servicios de la capa de enlace a la capa de red

1. Sin conexión ni confirmación

• Envía tramas sin conexión previa.
• No garantiza entrega ni recuperación de tramas perdidas.
• ⚡ Rápido pero no confiable.

Ejemplo: Ethernet (LAN).

2. Sin conexión con confirmación

• Envía tramas sin conexión, pero el receptor confirma la recepción.
• Las tramas pueden llegar desordenadas.
• 🔄 Permite retransmisión si se detecta pérdida.

Ejemplo: Wi-Fi (802.11).

3. Orientado a conexión con confirmación

• Establece conexión antes de transmitir.
• Garantiza orden y corrección de errores.
• 🔄 Retransmite datos perdidos, pero es más lento.

Ejemplo: HDLC (redes WAN).

🛡️ Entramado (Framing)

Es la forma en que se organiza el flujo de bits en tramas para la transmisión.

• Conteo de bytes: Especifica el número de bytes que contiene la trama en el encabezado.

• Bytes bandera con relleno de bytes:

  • Cada trama comienza y termina con un byte especial llamado byte bandera.
  • Marca los límites de las tramas mediante una secuencia de bits constantes en un byte, conocidos como flags.
  • Si el dato es igual al flag, se inserta un byte de escape para evitar confusión.

• Bits bandera con relleno de bits:

  • Similar al anterior, pero a nivel de bits.
  • Si aparece un flag dentro de los datos, se inserta un 0 como relleno para diferenciarlo del flag.

  📡 Entramado y Confiabilidad en la Transmisión de Datos

  🔹 Entramado (Framing)

  Es la forma en la que se organiza el flujo de bits en tramas.

  • 📏 Conteo de bytes: El encabezado indica el número total de bytes en la trama.
  • 🚩 Bytes bandera con relleno de bytes: Se usan flags al inicio y final de cada trama. Si un dato es igual a un flag, se inserta un byte de escape.
  • ⚙️ Bits bandera con relleno de bits: Similar al anterior, pero a nivel de bits. Si en los datos aparece un flag, se inserta un 0 para evitar confusión.

  🔹 Confiabilidad y Retroalimentación

  • 📥 ACK (Acknowledgment): Confirma que la trama se recibió correctamente.
  • ❌ NAK (Negative Acknowledgment): Indica error, el emisor debe retransmitir.
  • ⏳ Temporizador: Si no hay respuesta en un tiempo determinado, se asume pérdida de datos y se retransmite.

  🔹 Manejo de Retransmisiones

  Para evitar duplicaciones, se usan números de secuencia (hashes) en cada trama.

  🔍 Detección y Corrección de Errores

  🔹 Información Redundante

  Es información adicional que permite detectar o corregir errores en la transmisión.

  • 📌 Código de Hamming:
    • Detecta y corrige errores de un solo bit.
    • Agrega bits de paridad en posiciones específicas.
    • Permite identificar qué bit falló y corregirlo.
  • 🔄 Códigos Convolucionales:
    • Se usan en comunicaciones inalámbricas.
    • Aplica operaciones matemáticas para generar bits redundantes.
    • Puede corregir múltiples errores a costa de mayor latencia.
  • ⚖️ Paridad:
    • Se añade un bit extra que indica si hay un número par o impar de 1s en los datos.
    • Detecta errores de un solo bit, pero no los corrige.
  • 🧮 Suma de Verificación (Checksum):
    • Se calcula una suma de los datos transmitidos.
    • El receptor compara su propia suma con la del emisor.
    • Detecta errores simples pero no los corrige.
  • 🔄 Comprobación de Redundancia Cíclica (CRC):
    • Usa división polinomial para generar un código de verificación.
    • Es altamente confiable y usado en redes y almacenamiento.
    • Puede detectar múltiples errores, pero no corregirlos.

⚙️ Mecanismos de Confiabilidad

• ACK/NAK:
  • ACK = "Recibí el paquete". NAK = "Hubo error, reenvía".
    Comparación: Como una entrega certificada con acuse de recibo.

Temporizadores:

Si no hay ACK en X segundos, se reenvía el paquete.
Problema: Paquetes duplicados si el ACK llega tarde. Solución: Números de secuencia.

Manejo de fallos en la transmisión: se usa un temporizador donde si se excede el tiempo de respuesta, se asume que hubo una falla, cuando no le llega el paquete al receptor.

Manejo de retransmisiones: para evitar procesar la misma trama debido a retransmisiones, esto se da con números de secuencia(se hace un hash), así se diferencian las tramas originales y las retransmisiones.

Subcapa de control de acceso al medio

Asignación de Canal y Métodos de Multiplexión

La manera tradicional de asignar un solo canal es dividir su capacidad mediante un esquema de Multiplexión, como el FDM (Multiplexión por División de Frecuencia). Si hay N usuarios, el ancho de banda se divide en N partes de igual tamaño. Sin embargo, esto presenta problemas cuando el flujo de transmisión no es constante, ya que puede haber:

• Una menor cantidad de usuarios, lo que lleva a un desperdicio del espectro.
• Más cantidad de usuarios que ancho de banda, lo que provoca que se les niegue el permiso de transmisión.

Para ver los métodos de asignación del canal, es necesario conocer los cinco supuestos clave:

1. Tráfico Independiente

El modelo consiste en N estaciones independientes, cada una con un programa o usuario que genera tramas para transmisión. Cuando una trama se genera, la estación se bloquea hasta que la trama haya sido un éxito.

2. Canal Único

Todas las estaciones pueden transmitir y recibir de un canal único.

3. Colisiones Observables

Si dos tramas se transmiten de forma simultánea, se traslapan en el tiempo y la señal resultante se altera. Todas las estaciones pueden detectar una colisión antes de que ocurra.

4. Tiempo Continuo o Ranurado

• Si el tiempo es continuo para la transmisión, las tramas pueden comenzar en cualquier momento.
• Si el tiempo está ranurado en intervalos discretos, las tramas deben empezar al inicio de una ranura.

5. Detección de Portadora o Sin Detección de Portadora

• Con la detección de portadora, la estación puede saber si el canal está en uso antes de intentar usarlo.
• Si no hay detección de portadora, las estaciones transmiten la información y luego determinan si la transmisión tuvo éxito o no.

1. ALOHA PURO (1970)

• Creadores: Norman Abramson y equipo (Universidad de Hawai).
• Mecánica:
  • Transmisión sin escuchar el canal previamente.
  • Retransmisión centralizada (hub) de tramas a todas las estaciones.
  • Tramas de longitud fija: Optimiza el throughput al evitar variabilidad.
  • Colisiones: Ocurren si dos tramas coinciden total/parcialmente en tiempo.
  • Transmisión en tiempos arbitrarios (no en intervalos exactos).

1.1. Modelado Matemático

• Variables:
  • ( t ): Tiempo de trama (duración para enviar trama estándar).
  • ( N ): Media de tramas nuevas (0 < ( N ) < 1).
  • ( G ): Media total de tramas (nuevas + retransmitidas) por ( t ), modelado como Poisson.
• Intervalo vulnerable: ( t_0 ) a ( t_0 + 2t ) (ventana de riesgo de colisión).
• Throughput (( S )): $S = G \cdot P_0 \quad \text{donde } P_0 = e^{-2G} \quad \Rightarrow \quad S = G \cdot e^{-2G}$
  • Máximo rendimiento: S_{\text{max}} = approx -> 18,4\text{%}--cuando : G = 0.5

1.2. Distribución de Poisson

• Fórmula: $Pr[k] = \frac{G^k \cdot e^{-G}}{k!}$
• Condiciones:
  1. Eventos independientes.
  2. Tasa promedio constante en intervalo.
  3. No simultaneidad de eventos.
• Probabilidad de éxito (( P_0 )): $Pr[0] = e^{-2G} \quad (\text{para ALOHA puro, 2G por intervalo vulnerable})$

2. ALOHA RANURADO (Slotted ALOHA, 1972)

• Mejora de Roberts:
  • Tiempo dividido en ranuras discretas sincronizadas.
  • Transmisión solo al inicio de cada ranura.
• Reducción del intervalo vulnerable: ( t ) (vs. ( 2t ) en ALOHA puro).
• Throughput (( S )): $S = G \cdot e^{-G}$
  • Máximo rendimiento: S_{\text{max}} \approx 36.8{\text{%}} . cuando : G = 1
• Aplicación histórica: Resolución de acceso compartido en Internet por cable.

3. PROTOCOLOS CSMA

3.1. CSMA Persistente-1

• Funcionamiento:
  • Escucha canal → transmite inmediatamente si está libre.
• Debilidad: Colisiones por retardos en la propagación.

3.2. CSMA No Persistente

• Comportamiento:
  • Espera tiempo aleatorio, si canal ocupado → reduce colisiones, pero aumenta latencia.

3.3. CSMA Persistente-( p )

• Reglas:
  • Canal libre: Transmite con probabilidad ( p ), espera con ( 1-p ).
  • Canal ocupado: Espera y repite.

3.4. CSMA/CD (Ethernet Clásico)

• Detalles clave:
  • Detección analógica de colisiones durante transmisión.
  • Aborta transmisión en colisión → reintento post tiempo aleatorio.
• Limitaciones:
  • Distancias largas → mayores retardos y colisiones.
  • Periodo de contención: Competición por el canal post-colisión.

4. PROTOCOLOS LIBRES DE COLISIONES

4.1. Mapa de Bits

• Mecanismo:
  • ( N ) ranuras de contención (1 por estación).
  • Bit 1 en ranura ( i ) → estación ( i ) quiere transmitir.
• Desventaja:
  • Espera promedio: ( 1.5N ) ranuras para estaciones de baja numeración.

4.2. Token Ring

• Token: Permiso de transmisión que circula en anillo.
• Rendimiento:
  • Similar a mapa de bits, pero con tramas y token intercalados.
  • Espera promedio: ( N/2 ) ranuras para estaciones altas.

4.3. Conteo Descendente Binario

• Direccionamiento:
  • Estaciones transmiten dirección en binario (bit más significativo primero).
  • OR booleano detecta colisiones implícitas.
• Ventaja: Escalabilidad (sin bits de control por estación).

5. PROTOCOLOS DE CONTENCIÓN LIMITADA

• Objetivo: Contención (baja carga) + métodos sin colisiones (alta carga).
• Ejemplo: Protocolo de árbol adaptable (inspirado en detección de sífilis en WWII).

6. PROTOCOLOS PARA REDES INALÁMBRICAS

6.1. Problemas Clave

• Terminal expuesta: Señal débil → detección de colisiones imposible.
• Terminal oculta: Estaciones fuera de alcance no detectan transmisiones.

6.2. MACA (Acceso Múltiple con Prevención de Colisiones)

• RTS/CTS:
  1. RTS (Request To Send): Emisor solicita canal.
  2. CTS (Clear To Send): Receptor confirma disponibilidad.
• Efecto: Estaciones cercanas difieren transmisiones al detectar CTS.
• Limitación: Colisiones en RTS/CTS → reintentos con retroceso aleatorio.

TABLA COMPARATIVA: ALOHA vs. CSMA/CD vs. TOKEN RING

CSMA persistente-0.1 vs persistente 0.01

CSMA persistente-0.1 tiene una mayor probabilidad de colisiones porque más estaciones intentan transmitir al mismo tiempo, lo que hace que el sistema sea menos eficiente debido a las retransmisiones y al uso del canal más desorganizado.

CSMA persistente-0.01 tiene una menor probabilidad de colisiones, ya que menos estaciones intentan transmitir al mismo tiempo, lo que resulta en menor congestión y mejor aprovechamiento del canal, aumentando así la eficiencia general.