Conocimientos - La divisa del nuevo milenio

Una red de computadoras consiste en un tipo de telecomunicaciones, a su vez, el concepto de telecomunicaciones consiste en la comunicación a distancia. Las redes de telecomunicaciones nacen de dos necesidades básicas de la sociedad humana:

A partir de estas surgen a su vez las redes de computadoras también. Es por los 60's que surge la necesidad de estar varias personas conectadas a los mismos recursos, dado que el equipo de trabajo utilizado antes (mainframes) era de un costo excesivo, por lo que se compraba un equipo caro para una empresa - u organismo - y se usaba el mismo equipo por medio de las llamadas terminales tontas. Con la creación de las computadoras de escritorio (desktop) sucede un fenómeno interesante: se abaratan los costos y surgen mayores aplicaciones para atacar problemas cada vez más complejos, pero esto trae consigo que los programas ya no sean residentes en un solo punto: ocurre una descentralización de la información, lo cual aumenta los costos de los equipos periféricos, surgiendo la necesidad de compartir los datos en redes locales; así surgen las Redes Locales de Datos (RLD) o LAN's.

El nombre de las RLD viene de usar un medio de comunicación común, limitado a una cierta distancia, encaminado a compartir información (datos). Los recursos a compartir pueden ser Memoria, dispositivos de impresión, Fax, bases de datos, programas y otros; y es muy común el implementar RLD's en hospitales, oficinas, universidades, compañías de datos, fábricas y en general cualquier organización cuyo factor de la información compartida sea importante para sus metas.

2. Conceptos básicos

Comunicación. Es la acción o efecto de hacer a otro partícipe del conocimiento o información que uno tiene. A partir de esta definición se puede apreciar o identificar tres elementos básicos:

Para que el esquema emisor - mensaje - receptor se lleve a cabo, se requiere que estén presentes cada uno de los siguientes elementos:

Codificación.- Es la acción o procedimiento de traducción de un mensaje en la forma más adecuada para entrar a un canal de comunicación o de transmisión.
Señal.- Consiste en una abstracción humana que está contenida en el mensaje (básicamente consiste en un símbolo); es decir, las señales son representaciones matemáticas de unas variables físicas que, comúnmente, se generan a partir de funciones matemáticas que pueden ser de tipo analógicas, digitales, continuas o discretas.
Canal de comunicación.- Es el medio físico de transmisión de datos. Se define como el canal al conjunto del medio de transmisión, que incluye a los canales, las señales y los protocolos de comunicación.
Protocolo.- Consiste en un conjunto de reglas que definen la forma en que deben de efectuarse las comunicaciones de las redes, incluyendo el formato, la temporización, la secuencia y la revisión y la corrección de errores.
Protocólo de comunicación.- Es el conjunto de reglas y convenciones establecidas a priori para el efecto de la comunicación entre el emisor y el receptor.
Estándar.- Es la especificación de red (o la serie de especificaciones) adoptada, e incluye guías y reglas que se refieren al tipo de componentes que deben usarse, a la manera de conectar los componentes, así como a los protocolos de comunicación que hay que utilizar.
Dispositivo.- Es una unidad física que emite o recibe señales. Estas señales deben de ser tales que el dispositivo receptor reconozca la señal, y aquí entra de manera indirecta el concepto de protocolo y de codificación. Los parámetros que entran entre el emisor y el receptor son la potencia y la frecuencia de una señal (la potencia consiste en la capacidad que tiene un dispositivo para regresar un trabajo en un tiempo determinado, o bien, el hecho de cuanta energía lleva una señal; por otro lado, la frecuencia de una señal se interpreta como la cantidad de señales emitidas por unidad de tiempo).

3. Capas de la comunicación

Para reducir la complejidad de su diseño o análisis, los aspectos de la comunicación se dividen en capas; conceptualmente esto puede visualizarse de la siguiente forma:

El número de capas, nombre, contenido y función de cada capa varía, dependiendo de la clasificación o modo en que se concepctualiza la comunicación.

El propósito de cada capa es el de ofrecer ciertos servicios a capas superiores (capa n+1 ) o inferiores (capa n-1 ); de tal forma de que no se tengan que ocupar de detalles inherentes a la capa n.

En el campo de las redes, por un estándar de facto, se espera o se pretende que la capa n interactue con la capa n + 1 o n - 1 ; pero no con capas mas alejadas ( n+2 , n-2 , etc.). En los protocolos de redes, este estándar es seguido al pie de la letra. En nuestra área de estudio, el conjunto de capas y protocolos reciben el nombre de arquitectura de red.

4. Estructura general de las redes de telecomunicaciones

Por lo general, las metas que se desean alcanzar al diseñar e instalar una red de telecomunicaciones son las siguientes:

NOTA : Aquí, los elementos que intercambian información entre sí son los procesos que trabajan dentro de los dispositivos. De hecho, es a través de los procesos que las personas se comunican entre sí.

Ante la descentralización - es decir, el hecho de que la información ya no estuviese necesariamente localizada en un servidor principal con terminales tontas , sino que la información se guardara en discos duros - que se produce por los setentas y ochentas, también suceden varios fenómenos importantes:

Antes	Después (1980 - 1990)
Existían máquinas grandes (Mainframes) de alto costo.	Computadoras personales o de escritorio con cierta capacidad de información.
Información y programas en tarjetas perforadas o cintas magnéticas, procesadas en un servidor central que muchas veces era propiedad de una Universidad (un servidor que se rentaba a otros).	La información y los programas ahora se almacenaban en discos o cassettes, en servidores propios de una empresa, como resultado del abaratamiento de los costos del equipo de cómputo.
Todos usaban y trabajaban sobre la misma información y los mismos recursos.	Los recursos manejados se descentralizaron, hay mas dispositivos que se desean compartir (memoria, impresoras, fax) y más servicios deseados (e-mail, bases de datos y programas); surge la necesidad de compartir recursos y surgen las redes locales de datos ( RLD o LAN's ).
La transmisión de datos se realizaba a muy baja velocidad.	Surgen medios de telecomunicaciones baratos (cable coaxial, par, trenzado, etc); y aparecen enlaces de alta velocidad o de mayor ancho de banda.

La estructura de una red de telecomunicaciones esta formada por tres elementos principales: A continuación definiremos cada uno de ellos.

5. Principales problemas del diseño de una red de telecomunicaciones

Primer problema.- Este problema que se presenta consiste en el proceso de adecuar las señales de información para su transmisión. Como las telecomunicaciones están basadas en señales digitales, estas señales deben de ser convertidas las señales analógicas que llegan en señales digitales. Una ventaja que tienen las señales digitales es que pueden ser comprimidas, y por lo tanto, pueden tener un factor que ayude a que estas señales sean corregidas, en caso de un error de transmisión de datos (si una señal contuviese un error interno), es factible el ver que dicha señal pueda recobrarse en su forma original.
Segundo problema.- Es la incompatibilidad que existe entre el equipo físico (este es un problema de diseño), como el caso de dos equipos que deben de trabajar en forma compatible, esto genera un problema si ambos equipos tienen una arquitectura completamente opuesta (como la incompatibilidad de señalización, de conexiones entre líneas, de velocidad de transmisión de código, datos, y otros detalles derivados).
Tercer problema.- Es la coordinación que debe de existir entre el emisor y el receptor. Los procesos deben de coordinarse en el momento en que un proceso va a mandar información, donde el otro proceso debe de recibir información, y no transmitir. Aquí es importante saber cuando empieza un mensaje y cuando termina.
Problema derivado del anterior.- Control de acceso al medio: es cuando dos o más nodos están compartiendo el mismo medio.
Cuarto problema.- El maximizar la confiabilidad de transmisión y minimizar los errores.
Quinto problema.-El optimizar el desempeño. Este es un problema que esta muy relacionado con el uso eficiente de los recursos. Estos recursos que vamos a estar optimizando son algunos como la tasa efectiva de transmisión de datos (caudal), el retardo de transferencia (este está muy relacionado con el tiempo promedio de un mensaje que va del receptor al emisor), y por último, tenemos un parámetro relativo, que es la potencia (que es la tasa normalizada de transmisión entre el retardo de transferencia). Esta nos ayuda a encontrar el punto óptimo de una transmisión efectiva.
Sexto problema.- El minimizar los costos de diseño. Para esto es necesario seguir una buena estrategia de diseño.
Séptimo problema.- La administración del sistema, el cual tiene que ver con el qué tan fácil o difícil es el mantener, administrar, configurar o monitorear un sistema.

6. Tipos de enlaces y su operación

Los enlaces son una unión entre dos nodos, a través de los cuales fluye la información, y dependiendo de como fluye la información los enlaces pueden ser de tres tipos:

Existen muy pocos enlaces de tipo Simplex en las telecomunicaciones, no son muy óptimos que digamos, ya que la aplicación determina cual de los enlaces es el más recomendable. En cuestiones de desempeño, por otra parte, los enlaces de tipo Half-duplex tienen un desgaste de tiempo por el tiempo utilizando en cambiar de sentido, mientras que un enlace Full-duplex no tiene problemas al respecto.

Otra forma que existe para clasificar los enlaces esta muy relacionada con lo que es la sincronización entre un nodo y otro. A partir de este criterio existen estos tipos de enlaces:

7. Tipos de Conmutación

La conmutación es una técnica que nos sirve para hacer un uso eficiente de los enlaces. Si no existiese una técnica de conmutación en la comunicación entre dos nodos, se tendría que enlazar en forma de malla, o sea, de la siguiente forma:

El número de enlaces máximos que pueden darse en este esquema es de n(n-1)/2 enlaces; mientras que con una técnica de conmutación (la primera que surgió fue la conmutación de circuitos) o un conmutador, este esquema se simplificaría de la siguiente forma:

En las redes de telecomunicaciones surgió un problema: existían programas que deseaban conectarse y ejecutar acciones de una computadora al mismo tiempo. Con la técnica de conmutación de circuitos, esto no era posible o no era óptimo. Además, el flujo de la información no es de tipo continuo, es discreto; por ejemplo, una persona puede llegar a escribir hasta 2 caracteres por segundo, y esto para una red de telecomunicaciones es muy lento, considerando que normalmente se transmiten hasta 1,600 caracteres por segundo. Esto comenzó a causar problemas, por lo que pensaron en hacer más eficiente este esquema, así que se pensó en otra técnica de conmutación: la conmutación de mensajes.

Conmutación de mensajes.- Consiste en lo siguiente: en lugar de tener las líneas dedicadas a un origen y un destino, lo que se va a hacer es que cada mensaje sea conmutado a un circuito. El mensaje va a llegar al conmutador, y el conmutador va a asignar el mensaje a su nodo correspondiente; así podemos tener varios mensajes, pero ¿Cómo reconoce el conmutador qué mensaje corresponde a cada nodo? Pues con una clave o con un identificador de encabezado del nodo destino (un encabezado del mensaje).

Conmutación de paquetes.- Una ventaja adicional de la conmutación de paquetes (además de la seguridad de transmisión de datos) es de que, como se parte en paquetes el mensaje, éste se está ensamblando de una manera más rápida en el nodo destino, ya que se están usando varios caminos para transmitir el mensaje, produciéndose un fenómeno conocido como "transmisión en paralelo". Además, si un mensaje tuviese un error en un bit de información, y estuviésemos usando la conmutación de mensajes, tendríamos que retransmitir todo el mensaje; mientras que con la conmutación de paquetes solo hay que retransmitir el paquete con el bit afectado, lo cual es mucho menos problemático. Lo único negativo, quizás, en el esquema de la conmutación de paquetes es de que su encabezado es más grande. Así, para la conmutación de paquetes tenemos el tercer caso del datagrama mostrado en la figura anterior.

En síntesis, una red de conmutación de paquetes consiste en una "malla" de interconexiones facilitadas por los servicios de telecomunicaciones, a través de la que los paquetes viajan desde la fuente hasta el destino.

Existen servicios de datagramas, en los cuales cada paquete se encamina a través de la red como si fuera una entidad independiente, el camino físico entre los extremos de la conexión puede variar a menudo debido a que los paquetes aprovechan aquellas rutas de menor costo, y evitan las zonas congestionadas. Algunos protocolos de conmutación de paquetes existentes son:

X.25 .-	Protocolo normalizado, revisado y probado, ideal para cargas ligeras de tráfico. Las redes de conmutación de paquetes X.25 no son adecuadas para la mayoría del tráfico entre LAN´s por ser lentas y requerir una gran porción de ancho de banda para el tratamiento de errores.
Frame Relay .-	Servicio más rápido y eficiente que asume el hecho de que la red este libre de errores, lo que ahorra costosos reconocimientos de errores durante su funcionamiento, como en el caso de X.25.
SMDS .-	Servicio Conmutado de Datos Multimegabit ( Switched Multimegabit Data Service ), consiste en un servicio basado en celdas, proporcionado por las compañías regionales de operaciones Bell en algunas zonas escogidas. ( RBOC's - Regional Bell Operational Corp.) SMDS utiliza la conmutación ATM y ofrece servicios tales como facturación basada en la utilización y gestión de red.
Conmutación de Celdas .-	Conocidas como Modo de Transferencia Asíncrona ( ATM - Asyncronous Transfer Mode ), ofrece servicios de conmutación de paquetes rápidos que pueden transmitir a mega o a gigabits por segundo.

Ahora, lo que actualmente se utiliza es la conmutación de celdas, que son paquetes aun más pequeños, pero la conmutación se realiza a nivel hardware, y no de software.

En una red se tienen los siguientes elementos necesarios para establecer la conexión y comunicación entre dos computadoras: Nombre, Dirección y Ruta. Para lo cual, se requieren los siguientes elementos básicos:

8. Parámetros que definen a una Red

La topología de tipo estrella consiste en un dispositivo central (por lo general es el servidor) al cual se conectan los nodos restantes. Este es uno de los esquemas más simples para interconectarse, ya que consisten en un servidor centralizado que se encarga de la decisión de a quien mandarle la información, ya sea secuencialmente o por prioridades.

La topología de conducto lineal consiste en una línea de comunicación que comparten todos los dispositivos, tanto el (o los) servidor(es) como los clientes, un medio muy popular y muy fácil de extender.

Características
- Una sola línea de comunicación, por la cual se comunican tanto el servidor como las estaciones.
- No tiene mecanismo de verificación de que el nodo destino recibió el paquete del nodo origen (acuse de recibo), así que se asume que el paquete de datos sí llego, después de esperar un cierto tiempo a que exista conexión.
- La trasmisión de la información es por medio de ráfagas.
Ventajas
- Requiere de una pequeña cantidad de medio físico.
- Fácil de extender.
- Fácil de instalar.
Desventajas
- Solo un cliente puede estar hablando a la vez (solo una señal esta activada al mismo tiempo en la línea).
- Cada cliente siempre esta a la escucha para saber si cada paquete es para el o no.
- Topología difícil para la detección de fallas.
- Dificultad para aislar el nodo que esta fallando.

La topología de anillo es muy similar a la topología de ducto en cuanto a que todos los nodos comparten el mismo medio de transmisión, pero difiere en el hecho de que dicho medio esta conectado en forma de anillo: la información que viaja en el recorre una sola dirección a lo largo de la red. No requiere de enrutamiento, ya que cada paquete es pasado a su vecino y así consecutivamente.

Características
- Toda la información viaja en una sola dirección a lo largo del circulo formado por el anillo.
- Cada estación se conecta a otras.
- Cada nodo siempre pasa el mensaje, si este mensaje es para él, entonces lo copia y lo vuelve a enviar.
- El arreglo tiene un bit de verificación, a simple vista, este mecanismo podría parecer menos fuerte que el mecanismo usado para la topología en caso de fallas.
- En la implementación es posible diseñar anillos que permitan saltar a un nodo que este fallando.
Ventajas
- No requiere de enrutamiento.
- Requiere poca cantidad de cable.
- Fácil de extender su longitud, ya que el nodo esta diseñado como repetidor, por lo que permite amplificar la señal y mandarla mas lejos.
Desventajas
- Altamente susceptible a fallas.
- Una falla en un nodo deshabilita toda la red (esto hablando estrictamente en el concepto puro de lo que es una topología de anillo).
- El software de cada nodo es mucho más complejo.

9. Clasificaciones de las Redes por su cobertura.

La principal característica que define cada una de estas clasificaciones es su cobertura: las redes de tipo WAN, por ejemplo, son diseñadas para cubrir toda una región internacional; las redes de tipo LAN, por su parte, son diseñadas para cubrir una región o área limitada a un grupo de edificios muy cercanos; y las WAN pueden llegar a cubrir un área más extensa (unos cuantos kilómetros, lo cual las hace ideales para algún campus universitario, por ejemplo).

El factor de que cada una de estas redes sean diseñadas para algunos casos es el decisivo para establecer entre estos tipos varias diferencias significativas: Las redes de tipo WAN están apoyadas en la arquitectura de la red telefónica conmutada (red telefónica mundial); esta red telefónica ofrece un ancho de banda muy limitado (aproximadamente de unos 4000 bits por segundo en ambas direcciones). Esto implica que las especificaciones de las WAN deben ser tales que no desperdicien el ancho de banda disponible; por otro lado las redes de tipo LAN están diseñadas para cables que tienen un gran ancho de banda de alta calidad (como el cable coaxial); esto en el orden de los MegaHertz.

Las geometrias de enlaces de malla están diseñadas sobre la base de las tecnologías de enlaces de punto a punto, así que se necesitan técnicas de conmutación, de recorrimiento, de un nodo a otro. Por su parte, las tecnologías de estrella y de anillo no necesitan técnicas de conmutación para poder seleccionar su ruta. Esto es lo que sucede con las redes de tipo LAN; por otra parte, las redes de tipo MAN utilizan técnicas semejantes a las de las redes LAN.

Por último, como las redes de tipo LAN generalmente están compartiendo un mismo medio, se hace necesario el utilizar técnicas para controlar el hecho de quien tiene derecho de usar el cable (lo mismo sucede con la arquitectura de anillo y de estrella). Esto no sucede dentro del esquema de las WAN, ya que cada enlace esta nada mas para una sola transmisión, así que no se necesita controlar el hecho de quien deba de usar el enlace. Esto se verá más a detalle posteriormente.

Redes de cómputo

1. Introducción

2. Conceptos básicos

3. Capas de la comunicación

4. Estructura general de las redes de telecomunicaciones

5. Principales problemas del diseño de una red de telecomunicaciones

6. Tipos de enlaces y su operación

7. Tipos de Conmutación

8. Parámetros que definen a una Red

9. Clasificaciones de las Redes por su cobertura.