Capítulo 4: Acceso a la red

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Capítulo 4: Acceso a la red

Para dar soporte a nuestras comunicaciones, el modelo OSI divide las funciones de una red de datos en capas. Cada capa trabaja con las capas superior e inferior para transmitir datos. Dos capas dentro del modelo OSI están tan relacionadas que, según el modelo TCP/IP, son básicamente una sola. Esas dos capas son la capa de enlace de datos y la capa física.

En el dispositivo emisor, la función de la capa de enlace de datos es preparar los datos para la transmisión y controlar la forma en que estos acceden a los medios físicos. Sin embargo, la capa física controla cómo se transmiten los datos a los medios físicos mediante la codificación en señales de los dígitos binarios que representan los datos.

En el extremo receptor, la capa física recibe señales a través de los medios de conexión. Después de decodificar la señal y convertirla nuevamente en datos, la capa física transmite la trama a la capa de enlace de datos para su aceptación y procesamiento.

Tipos de conexiones

Ya sea una conexión a una impresora local en el hogar o a un sitio web en otro país, para que se pueda producir cualquier comunicación de red se debe establecer antes una conexión a una red local. Una conexión física puede ser una conexión por cable o una conexión inalámbrica mediante ondas de radio.

El tipo de conexión física utilizada depende por completo de la configuración de la red. Por ejemplo, en muchas oficinas corporativas, los empleados tienen PC de escritorio o portátiles que se conectan físicamente, mediante cables, a un switch compartido. Este tipo de configuración se denomina red cableada. Los datos se transmiten a través de un cable físico.

Además de las conexiones por cable, muchas empresas también ofrecen conexiones inalámbricas para PC portátiles, tablets y smartphones. En el caso de los dispositivos inalámbricos, los datos se transmiten mediante ondas de radio. A medida que las personas y las empresas descubren las ventajas de ofrecer servicios inalámbricos, el uso de la conectividad inalámbrica es cada vez más frecuente. Para ofrecer funcionalidades inalámbricas, los dispositivos que se encuentran en una red inalámbrica deben estar conectados a un punto de acceso inalámbrico (AP).

Tarjetas de interfaz de red

Las tarjetas de interfaz de red (NIC) conectan un dispositivo a la red. Las NIC Ethernet se utilizan para las conexiones por cable, mientras que las NIC de red de área local inalámbrica (WLAN) se utilizan para las conexiones inalámbricas. Los dispositivos para usuarios finales pueden incluir un tipo de NIC o ambos. Una impresora de red, por ejemplo, puede contar solo con una NIC Ethernet y, por lo tanto, se debe conectar a la red mediante un cable Ethernet. Otros dispositivos, como las tabletas y los teléfono inteligentes, pueden contener solo una NIC WLAN y deben utilizar una conexión inalámbrica.

En términos de rendimiento, no todas las conexiones físicas son iguales a la hora de conectarse a una red.

Por ejemplo, un dispositivo inalámbrico experimentará una merma en el rendimiento según la distancia a la que se encuentre del punto de acceso inalámbrico. Cuanto más alejado del punto de acceso esté el dispositivo, más débil será la señal inalámbrica que reciba. Esto puede significar menor ancho de banda o la ausencia absoluta de una conexión inalámbrica.

Todos los dispositivos inalámbricos deben compartir el acceso a las ondas aéreas que se conectan al punto de acceso inalámbrico. Esto significa que el rendimiento de la red puede ser más lento a medida que más dispositivos inalámbricos acceden a la red simultáneamente. Los dispositivos conectados por cable no necesitan compartir el acceso a la red con otros dispositivos. Cada dispositivo conectado por cable tiene un canal de comunicación independiente a través de su propio cable Ethernet. Esto es importante cuando se tienen en cuenta algunas aplicaciones, como juegos en línea, transmisión de vídeo y conferencias de vídeo, que requieren más ancho de banda dedicado que otras aplicaciones.

La capa física

La capa física de OSI proporciona los medios de transporte de los bits que conforman una trama de la capa de enlace de datos a través de los medios de red. Esta capa acepta una trama completa desde la capa de enlace de datos y la codifica como una secuencia de señales que se transmiten en los medios locales. Un dispositivo final o un dispositivo intermediario recibe los bits codificados que componen una trama.

El proceso por el que pasan los datos desde un nodo de origen hasta un nodo de destino es el siguiente:

• La capa de transporte segmenta los datos de usuario, la capa de red los coloca en paquetes y la capa de enlace de datos los encapsula en forma de trama.

• La capa física codifica las tramas y crea las señales eléctricas, ópticas o de ondas de radio que representan los bits en cada trama.

• Luego, estas señales se envían por los medios una a la vez.

• La capa física del nodo de destino recupera estas señales individuales de los medios, las restaura a sus representaciones en bits y pasa los bits a la capa de enlace de datos en forma de trama completa.

Medios de la capa física

Existen tres formatos básicos de medios de red. La capa física produce la representación y las agrupaciones de bits para cada tipo de medio de la siguiente manera:

• Cable de cobre: las señales son patrones de pulsos eléctricos.

• Cable de fibra óptica: las señales son patrones de luz.

• Conexión inalámbrica: las señales son patrones de transmisiones de microondas.

Para habilitar la interoperabilidad de la capa física, los organismos de estandarización rigen todos los aspectos de estas funciones.

Estándares de capa física

Los protocolos y las operaciones de las capas OSI superiores se llevan a cabo en software diseñado por ingenieros en software e informáticos. El grupo de trabajo de ingeniería de Internet (IETF) define los servicios y protocolos del conjunto TCP/IP.

La capa física consta de circuitos electrónicos, medios y conectores desarrollados por ingenieros. Por lo tanto, es necesario que las principales organizaciones especializadas en ingeniería eléctrica y en comunicaciones definan los estándares que rigen este hardware.

Existen muchas organizaciones internacionales y nacionales, organizaciones de regulación gubernamentales y empresas privadas que intervienen en el establecimiento y el mantenimiento de los estándares de la capa física. Por ejemplo, los siguientes organismos definen y rigen los estándares de hardware, medios, codificación y señalización de la capa física:

• Organización Internacional para la Estandarización (ISO)

• Asociación de las Industrias de las Telecomunicaciones (TIA) y Asociación de Industrias Electrónicas (EIA)

• Unión Internacional de Telecomunicaciones (ITU)

• Instituto Nacional Estadounidense de Estándares (ANSI)

• Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE)

• Autoridades nacionales reguladoras de las telecomunicaciones, incluida la Federal Communication Commission (FCC) de los Estados Unidos y el Instituto Europeo de Estándares de Telecomunicaciones (ETSI)

Además de estos, a menudo existen grupos regionales de estandarización de cableado, como la Canadian Standards Association (CSA), el European Committee for Electrotechnical Standardization (CENELEC) y la Japanese Standards Association (JSA/JIS), los cuales desarrollan las especificaciones locales.

Funciones

Los estándares de la capa física abarcan tres áreas funcionales: 

Componentes físicos

Los componentes físicos son los dispositivos electrónicos de hardware, medios y conectores que transmiten y transportan las señales para representar los bits. Todos los componentes de hardware, como NIC, interfaces y conectores, materiales y diseño de los cables, se especifican en los estándares asociados con la capa física.

Codificación

La codificación, o codificación de línea, es un método que se utiliza para convertir una transmisión de bits de datos en un “código” predefinido. Los códigos son grupos de bits utilizados para ofrecer un patrón predecible que pueda reconocer tanto el emisor como el receptor. En el caso de las redes, la codificación es un patrón de voltaje o corriente utilizado para representar los bits; los 0 y los 1.

Por ejemplo, en la codificación Manchester los 0 se representan mediante una transición de voltaje de alto a bajo y los 1 se representan como una transición de voltaje de bajo a alto. 

Señalización

La capa física debe generar las señales inalámbricas, ópticas o eléctricas que representan los “1” y los “0” en los medios. El método de representación de bits se denomina método de señalización. Los estándares de la capa física deben definir qué tipo de señal representa un “1” y qué tipo de señal representa un “0”. Esto puede ser tan simple como un cambio en el nivel de una señal eléctrica o de un pulso óptico. Por ejemplo, un pulso largo puede representar un 1, mientras que un pulso corto representa un 0.

Esto es similar a la forma en que se utiliza el Código Morse para la comunicación. El Código Morse es otro método de señalización que utiliza la presencia o ausencia de una serie de tonos, luces o clics para enviar texto a través de cables telefónicos o entre barcos en el mar.

Existen muchas formas de transmitir señales. Un método habitual para enviar datos consiste en utilizar técnicas de modulación. La modulación es el proceso por el cual la característica de una onda (la señal) modifica a otra onda (la portadora).

La naturaleza de las señales reales que representan los bits en los medios dependerá del método de señalización que se utilice.

Ancho de banda

Los diferentes medios físicos admiten la transferencia de bits a distintas velocidades. Por lo general, la transferencia de datos se analiza en términos de ancho de banda y rendimiento.

El ancho de banda es la capacidad de un medio para transportar datos. El ancho de banda digital mide la cantidad de datos que pueden fluir desde un lugar hacia otro en un período de tiempo determinado. El ancho de banda generalmente se miden en kilobits por segundo (kbps), megabits por segundo (Mbps) o gigabits por segundo (Gbps). En ocasiones, el ancho de banda se piensa como la velocidad a la que viajan los bits, sin embargo, esto no es adecuado. Por ejemplo, en Ethernet de 10 Mbps y de 100 Mbps, los bits se envían a la velocidad de la electricidad. La diferencia es el número de bits que se transmiten por segundo.

Una combinación de factores determina el ancho de banda práctico de una red:

• Las propiedades de los medios físicos

• Las tecnologías seleccionadas para la señalización y la detección de señales de red

Las propiedades de los medios físicos, las tecnologías actuales y las leyes de la física desempeñan una función al momento de determinar el ancho de banda disponible.

Rendimiento

El rendimiento es la medida de transferencia de bits a través de los medios durante un período de tiempo determinado.

Debido a diferentes factores, el rendimiento generalmente no coincide con el ancho de banda especificado en las implementaciones de la capa física. Muchos factores influyen en el rendimiento, incluidos los siguientes:

• La cantidad de tráfico

• El tipo de tráfico

• La latencia creada por la cantidad de dispositivos de red encontrados entre origen y destino

La latencia se refiere a la cantidad de tiempo, incluidas las demoras, que les toma a los datos transferirse desde un punto determinado hasta otro.

En una internetwork o una red con múltiples segmentos, el rendimiento no puede ser más rápido que el enlace más lento de la ruta de origen a destino. Incluso si todos los segmentos o gran parte de ellos tienen un ancho de banda elevado, solo se necesita un segmento en la ruta con un rendimiento inferior para crear un cuello de botella en el rendimiento de toda la red.

Existen muchas pruebas de velocidad en línea que pueden revelar el rendimiento de una conexión a Internet. Se proporcionan resultados de ejemplo de una prueba de velocidad.

Existe una tercera medición para evaluar la transferencia de datos utilizables, que se conoce como “capacidad de transferencia útil”. La capacidad de transferencia útil es la medida de datos utilizables transferidos durante un período determinado. Esta capacidad representa el rendimiento sin la sobrecarga de tráfico para establecer sesiones, acuses de recibo y encapsulamientos.

Tipos de medios físicos

Esta capa física produce la representación y agrupación de bits en voltajes, radiofrecuencia e impulsos de luz. Muchas organizaciones que establecen estándares han contribuido con la definición de las propiedades mecánicas, eléctricas y físicas de los medios disponibles para diferentes comunicaciones de datos. Estas especificaciones garantizan que los cables y los conectores funcionen según lo previsto mediante diferentes implementaciones de la capa de enlace de datos.

Por ejemplo, los estándares para los medios de cobre se definen según lo siguiente:

• Tipo de cableado de cobre utilizado

• Ancho de banda de la comunicación

• Tipo de conectores utilizados

• Diagrama de pines y códigos de colores de las conexiones a los medios

• Distancia máxima de los medios

Características del cableado de cobre

Las redes utilizan medios de cobre porque son económicos, fáciles de instalar y tienen baja resistencia a la corriente eléctrica. Sin embargo, los medios de cobre se ven limitados por la distancia y la interferencia de señales.

Los datos se transmiten en cables de cobre como impulsos eléctricos. Un detector en la interfaz de red de un dispositivo de destino debe recibir una señal que pueda decodificarse exitosamente para que coincida con la señal enviada. No obstante, cuanto más lejos viaja una señal, más se deteriora. Esto se denomina atenuación de señal. Por este motivo, todos los medios de cobre deben seguir limitaciones de distancia estrictas según lo especifican los estándares que los rigen.

Los valores de temporización y voltaje de los pulsos eléctricos también son vulnerables a las interferencias de dos fuentes:

• Interferencia electromagnética (EMI) o interferencia de radiofrecuencia (RFI): las señales de EMI y RFI pueden distorsionar y dañar las señales de datos que transportan los medios de cobre. Las posibles fuentes de EMI y RFI incluyen las ondas de radio y dispositivos electromagnéticos, como las luces fluorescentes o los motores eléctricos.

• Crosstalk: se trata de una perturbación causada por los campos eléctricos o magnéticos de una señal de un hilo a la señal de un hilo adyacente. En los circuitos telefónicos, el crosstalk puede provocar que se escuche parte de otra conversación de voz de un circuito adyacente. En especial, cuando una corriente eléctrica fluye por un hilo, crea un pequeño campo magnético circular alrededor de dicho hilo, que puede captar un hilo adyacente.

Para contrarrestar los efectos negativos de la EMI y la RFI, algunos tipos de cables de cobre se empaquetan con un blindaje metálico y requieren una conexión a tierra adecuada.

Para contrarrestar los efectos negativos del crosstalk, algunos tipos de cables de cobre tienen pares de hilos de circuitos opuestos trenzados que cancelan dicho tipo de interferencia en forma eficaz.

La susceptibilidad de los cables de cobre al ruido electrónico también puede estar limitada por:

• La elección del tipo o la categoría de cable más adecuados a un entorno de red determinado.

• El diseño de una infraestructura de cables para evitar las fuentes de interferencia posibles y conocidas en la estructura del edificio.

• El uso de técnicas de cableado que incluyen el manejo y la terminación apropiados de los cables.

Medios de cobre

Existen tres tipos principales de medios de cobre que se utilizan en las redes:

• Par trenzado no blindado (UTP)

• Par trenzado blindado (STP)

• Coaxial

Estos cables se utilizan para interconectar los nodos en una LAN y los dispositivos de infraestructura, como switches, routers y puntos de acceso inalámbrico. Cada tipo de conexión y sus dispositivos complementarios incluyen requisitos de cableado estipulados por los estándares de la capa física.

Los diferentes estándares de la capa física especifican el uso de distintos conectores. Estos estándares especifican las dimensiones mecánicas de los conectores y las propiedades eléctricas aceptables de cada tipo. Los medios de red utilizan conectores modulares para facilitar la conexión y la desconexión. Además, puede utilizarse un único tipo de conector físico para diferentes tipos de conexiones. Por ejemplo, el conector RJ-45 se utiliza ampliamente en las LAN con un tipo de medio y en algunas WAN con otro tipo de medio.

Cable de par trenzado no blindado

El cableado de par trenzado no blindado (UTP) es el medio de red más común. El cableado UTP, que se termina con conectores RJ-45, se utiliza para interconectar hosts de red con dispositivos intermediarios de red, como switches y routers.

En las redes LAN, el cable UTP consta de cuatro pares de hilos codificados por colores que están trenzados entre sí y recubiertos con un revestimiento de plástico flexible que los protege contra daños físicos menores. El trenzado de los hilos ayuda a proteger contra las interferencias de señales de otros hilos.

Cable de par trenzado blindado

El par trenzado blindado (STP) proporciona una mejor protección contra ruido que el cableado UTP. Sin embargo, en comparación con el cable UTP, el cable STP es mucho más costoso y difícil de instalar. Al igual que el cable UTP, el STP utiliza un conector RJ-45.

El cable STP combina las técnicas de blindaje para contrarrestar la EMI y la RFI, y el trenzado de hilos para contrarrestar el crosstalk. Para obtener los máximos beneficios del blindaje, los cables STP se terminan con conectores de datos STP blindados especiales. Si el cable no se conecta a tierra correctamente, el blindaje puede actuar como antena y captar señales no deseadas.

El cable STP que se muestra utiliza cuatro pares de hilos. Cada uno de estos pares está empaquetado primero con un blindaje de hoja metálica y, luego, el conjunto se empaqueta con una malla tejida o una hoja metálica.

Cable coaxial

El cable coaxial obtiene su nombre del hecho de que hay dos conductores que comparten el mismo, el cable coaxial consta de lo siguiente:

• Un conductor de cobre utilizado para transmitir las señales electrónicas.

• Una capa de aislamiento plástico flexible que rodea al conductor de cobre.

• Sobre este material aislante, hay una malla de cobre tejida o una hoja metálica que actúa como segundo hilo en el circuito y como blindaje para el conductor interno. La segunda capa o blindaje reduce la cantidad de interferencia electromagnética externa.

• La totalidad del cable está cubierta por un revestimiento para evitar daños físicos menores.

Existen diferentes tipos de conectores con cable coaxial.

Si bien el cable UTP esencialmente reemplazó al cable coaxial en las instalaciones de Ethernet modernas, el diseño del cable coaxial se adaptó para los siguientes usos:

• Instalaciones inalámbricas: los cables coaxiales conectan antenas a los dispositivos inalámbricos. También transportan energía de radiofrecuencia (RF) entre las antenas y el equipo de radio.

• Instalaciones de Internet por cable: los proveedores de servicios de cable proporcionan conectividad a Internet a sus clientes mediante el reemplazo de porciones del cable coaxial y la admisión de elementos de amplificación con cables de fibra óptica. Sin embargo, el cableado en las instalaciones del cliente sigue siendo cable coaxial.

Seguridad de los medios de cobre

Los tres tipos de medios de cobre son vulnerables a peligros eléctricos y de incendio.

El peligro de incendio existe porque el revestimiento y aislamiento de los cables pueden ser inflamables o producir emanaciones tóxicas cuando se calientan o se queman. Las organizaciones o autoridades edilicias pueden estipular estándares de seguridad relacionados para las instalaciones de hardware y cableado.

Los peligros eléctricos son un problema potencial, dado que los hilos de cobre podrían conducir electricidad en formas no deseadas. Esto puede exponer al personal y el equipo a una variedad de peligros eléctricos. Por ejemplo, un dispositivo de red defectuoso podría conducir corriente al chasis de otros dispositivos de red. Además, el cableado de red podría representar niveles de voltaje no deseados cuando se utiliza para conectar dispositivos que incluyen fuentes de energía con diferentes potenciales de conexión a tierra. Estos casos son posibles cuando el cableado de cobre se utiliza para conectar redes en diferentes edificios o pisos que utilizan distintas instalaciones de energía. Finalmente, el cableado de cobre puede conducir los voltajes provocados por descargas eléctricas a los dispositivos de red.

Como consecuencia, las corrientes y los voltajes no deseados pueden generar un daño a los dispositivos de red y a las PC conectadas o bien provocar lesiones al personal. Para prevenir situaciones potencialmente peligrosas y perjudiciales, es importante instalar correctamente el cableado de cobre según las especificaciones relevantes y los códigos de edificación.

Propiedades del cableado UTP

Cuando se utiliza como medio de red, el cableado de par trenzado no blindado (UTP) consta de cuatro pares de hilos codificados por colores que están trenzados entre sí y recubiertos con un revestimiento de plástico flexible. Su tamaño pequeño puede ser una ventaja durante la instalación.

Los cables UTP no utilizan blindaje para contrarrestar los efectos de la EMI y la RFI. En cambio, los diseñadores de cables descubrieron que pueden limitar el efecto negativo del crosstalk por medio de los métodos siguientes:

• Anulación: los diseñadores ahora emparejan los hilos en un circuito. Cuando dos hilos en un circuito eléctrico están cerca, los campos magnéticos son exactamente opuestos entre sí. Por lo tanto, los dos campos magnéticos se anulan y también anulan cualquier señal de EMI y RFI externa.

• Cambio del número de vueltas por par de hilos: para mejorar aún más el efecto de anulación de los pares de hilos del circuito, los diseñadores cambian el número de vueltas de cada par de hilos en un cable. Los cables UTP deben seguir especificaciones precisas que rigen cuántas vueltas o trenzas se permiten por metro (3,28 ft) de cable. Observe en la figura que el par naranja y naranja/blanco está menos trenzado que el par azul y azul/blanco. Cada par coloreado se trenza una cantidad de veces distinta.

Los cables UTP dependen exclusivamente del efecto de anulación producido por los pares de hilos trenzados para limitar la degradación de la señal y proporcionar un autoblindaje eficaz de los pares de hilos en los medios de red.

Estándares de cableado UTP

El cableado UTP cumple con los estándares establecidos en conjunto por la TIA/EIA. En particular, la TIA/EIA-568 estipula los estándares comerciales de cableado para las instalaciones LAN y es el estándar de mayor uso en entornos de cableado LAN. Algunos de los elementos definidos son:

• Tipos de cables

• Longitudes del cable

• Conectores

• Terminación de los cables

• Métodos para realizar pruebas de cable

El Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE) define las características eléctricas del cableado de cobre. IEEE califica el cableado UTP según su rendimiento. Los cables se dividen en categorías según su capacidad para transportar datos de ancho de banda a velocidades mayores.

Por ejemplo, el cable de Categoría 5 (Cat5) se utiliza comúnmente en las instalaciones de FastEthernet 100BASE-TX. Otras categorías incluyen el cable de categoría 5 mejorada (Cat5e), la categoría 6 (Cat6) y la categoría 6a.

Los cables de categorías superiores se diseñan y fabrican para admitir velocidades superiores de transmisión de datos. A medida que se desarrollan y adoptan nuevas tecnologías Ethernet de velocidades en gigabits, Cat5e es el tipo de cable mínimamente aceptable en la actualidad. Cat6 es el tipo de cable recomendado para nuevas instalaciones edilicias.

Algunos fabricantes producen cables que exceden las especificaciones de la categoría 6a de la TIA/EIA y se refieren a estos como cables de “categoría 7”.

Conectores UTP

Los cables UTP generalmente se terminan con un conector RJ-45. Este conector se utiliza para una variedad de especificaciones de capa física, una de las cuales es Ethernet. El estándar TIA/EIA-568 describe las asignaciones de los códigos por colores de los hilos a la asignación de pines (diagrama de pines) de los cables Ethernet.

El conector RJ-45 es el componente macho que está engarzado en el extremo del cable. El socket es el componente hembra en un dispositivo de red, una pared, una toma en el tabique divisorio de un cubículo o un panel de conexiones.

Cada vez que se realiza la terminación de un cableado de cobre, existe la posibilidad de que se pierda la señal y de que se genere ruido en el circuito de comunicación. Cuando se realizan las terminaciones de manera incorrecta, cada cable representa una posible fuente de degradación del rendimiento de la capa física. Es fundamental que todas las terminaciones de medios de cobre sean de calidad superior para garantizar un funcionamiento óptimo con tecnologías de red actuales y futuras.

Tipos de cables UTP

Según las diferentes situaciones, es posible que los cables UTP necesiten armarse según las diferentes convenciones para los cableados. Esto significa que los alambres individuales del cable deben conectarse en diferente orden para distintos grupos de pins en los conectores RJ-45.

A continuación se mencionan los principales tipos de cables que se obtienen al utilizar convenciones específicas de cableado:

• Cable directo de Ethernet: el tipo más común de cable de red. Por lo general, se utiliza para interconectar un host con un switch y un switch con un router.

• Cable cruzado Ethernet: cable utilizado para interconectar dispositivos similares. Por ejemplo, para conectar un switch a un switch, un host a un host o un router a un router.

• Cable de consola: cable exclusivo de Cisco utilizado para conectar una estación de trabajo a un puerto de consola de un router o de un switch.

Es posible que el uso de un cable de conexión cruzada o de conexión directa en forma incorrecta entre los dispositivos no dañe los dispositivos pero tampoco se producirá la conectividad y la comunicación entre los dispositivos. Este es un error común de laboratorio. Si no se logra la conectividad, la primera medida para resolver este problema es verificar que las conexiones de los dispositivos sean correctas.

Comprobación de cables UTP

Después de la instalación, se debe utilizar un comprobador de cables UTP, como el que se muestra en la figura, para probar los siguientes parámetros:

• Mapa de cableado

• Longitud del cable

• Pérdida de señal debido a atenuación

• Crosstalk

Se recomienda revisar minuciosamente que se cumplan todos los requisitos de instalación de UTP.

Propiedades del cableado de fibra óptica

Transmite de datos a través de distancias más extensas y a anchos de banda mayores que cualquier otro medio de red. A diferencia de los cables de cobre, el cable de fibra óptica puede transmitir señales con menos atenuación y es totalmente inmune a las EMI y RFI. El cable de fibra óptica se utiliza para interconectar dispositivos de red.

La fibra óptica es un hilo flexible, pero extremadamente delgado y transparente de vidrio muy puro, no mucho más grueso que un cabello humano. Los bits se codifican en la fibra como impulsos de luz. El cable de fibra óptica actúa como una guía de ondas, o una “tubería de luz”, para transmitir la luz entre los dos extremos con una pérdida mínima de la señal.

A modo de analogía, imagine un rollo de toallas de papel vacío que tiene el interior recubierto con material reflectante. Este rollo mide mil metros de largo y tiene un pequeño puntero láser que se utiliza para enviar señales de Código Morse a la velocidad de la luz. Básicamente, así es cómo funciona un cable de fibra óptica, excepto que tiene un diámetro más pequeño y utiliza tecnologías de emisión y recepción de luz sofisticadas.

En la actualidad, el cableado de fibra óptica se utiliza en cuatro tipos de industrias:

• Redes empresariales: la fibra óptica se utiliza para aplicaciones de cableado troncal y para la interconexión de dispositivos de infraestructura.

• Fibre-to-the-Home (FTTH): la fibra hasta el hogar se utiliza para proporcionar servicios de banda ancha siempre activos a hogares y pequeñas empresas.

• Redes de largo alcance: los proveedores de servicios las utilizan para conectar países y ciudades.

• Redes por cable submarinas: se utilizan para proporcionar soluciones confiables de alta velocidad y alta capacidad que puedan subsistir en entornos submarinos adversos por distancias transoceánicas.

Diseño de cables de medios de fibra óptica

La fibra óptica se compone de dos tipos de vidrio (núcleo y revestimiento) y un blindaje exterior de protección (revestimiento). Si bien la fibra óptica es muy delgada y susceptible a dobleces muy marcados, las propiedades del vidrio del núcleo y de revestimiento la hacen muy fuerte. La fibra óptica es duradera y se implementa en redes en condiciones ambientales adversas en todo el mundo.

Tipos de medios de fibra óptica

Los pulsos de luz que representan los datos transmitidos en forma de bits en los medios son generados por uno de los siguientes:

• Láseres

• Diodos emisores de luz (LED)

Los dispositivos electrónicos semiconductores, denominados “fotodiodos”, detectan los pulsos de luz y los convierten en voltajes. La luz del láser transmitida a través del cableado de fibra óptica puede dañar el ojo humano. Se debe tener precaución y evitar mirar dentro del extremo de una fibra óptica activa.

En términos generales, los cables de fibra óptica pueden clasificarse en dos tipos:

• Fibra óptica monomodo (SMF): consta de un núcleo muy pequeño y emplea tecnología láser costosa para enviar un único haz de luz. Se usa mucho en situaciones de larga distancia que abarcan cientos de kilómetros, como aplicaciones de TV por cable y telefonía de larga distancia.

• Fibra óptica multimodo (MMF): consta de un núcleo más grande y utiliza emisores LED para enviar pulsos de luz. En particular, la luz de un LED ingresa a la fibra multimodo en diferentes ángulos. Se usa mucho en las redes LAN, debido a que se puede alimentar mediante LED de bajo costo. Proporciona un ancho de banda de hasta 10 Gbps a través de longitudes de enlace de hasta 550 m.

Una de las diferencias destacadas entre la fibra óptica multimodo y monomodo es la cantidad de dispersión. La dispersión se refiere a la extensión de los pulsos de luz con el tiempo. Cuanta más dispersión existe, mayor es la pérdida de potencia de la señal.

Conectores de fibra óptica

El extremo de una fibra óptica se termina con un conector de fibra óptica. Existe una variedad de conectores de fibra óptica. Las diferencias principales entre los tipos de conectores son las dimensiones y los métodos de acoplamiento. Las empresas deciden qué tipos de conectores utilizarán según sus equipos.

Se requieren dos fibras para realizar una operación full duplex ya que la luz sólo puede viajar en una dirección a través de la fibra óptica. En consecuencia, los cables de conexión de fibra óptica forman un haz de dos cables de fibra óptica, y su terminación incluye un par de conectores de fibra monomodo estándar. Algunos conectores de fibra óptica aceptan las fibras de transmisión y recepción en un único conector, conocido como “conector dúplex”.

Los cables de conexión de fibra óptica son necesarios para interconectar dispositivos de infraestructura.

El uso de colores distingue entre los cables de conexión monomodo y multimodo. El conector amarillo corresponde a los cables de fibra óptica monomodo y el naranja (o aqua) corresponde a los cables de fibra óptica multimodo.

Los cables de fibra óptica se deben proteger con un pequeño capuchón de plástico cuando no se utilizan.

Prueba de cables de fibra óptica

La terminación y el empalme del cableado de fibra óptica requieren equipo y capacitación especiales. La terminación incorrecta de los medios de fibra óptica produce una disminución en las distancias de señalización o una falla total en la transmisión.

Tres tipos comunes de errores de empalme y terminación de fibra óptica son:

• Desalineación: los medios de fibra óptica no se alinean con precisión al unirlos.

• Separación de los extremos: no hay contacto completo de los medios en el empalme o la conexión.

• Acabado final: los extremos de los medios no se encuentran bien pulidos o puede verse suciedad en la terminación.

Se puede realizar una prueba de campo rápida y sencilla que consiste en iluminar un extremo de la fibra con una linterna potente mientras se observa el otro extremo. Si la luz es visible, entonces la fibra es capaz de transmitir luz. Si bien esta prueba no garantiza el rendimiento, es una forma rápida y económica de detectar una fibra deteriorada.

Comparación entre fibra óptica y cobre

La utilización de cables de fibra óptica ofrece muchas ventajas en comparación con los cables de cobre. 

Debido a que las fibras de vidrio que se utilizan en los medios de fibra óptica no son conductores eléctricos, el medio es inmune a la interferencia electromagnética y no conduce corriente eléctrica no deseada cuando existe un problema de conexión a tierra. Las fibras ópticas son finas, tienen una pérdida de señal relativamente baja y pueden utilizarse en longitudes mucho mayores que los medios de cobre. Algunas especificaciones de la capa física de fibra óptica admiten longitudes que pueden alcanzar varios kilómetros.

En la actualidad, en la mayor parte de los entornos empresariales se utiliza principalmente la fibra óptica como cableado troncal para conexiones punto a punto con una gran cantidad de tráfico entre los servicios de distribución de datos y para la interconexión de los edificios en el caso de los campus compuestos por varios edificios. Ya que la fibra óptica no conduce electricidad y presenta una pérdida de señal baja, es ideal para estos usos.

Propiedades de los medios inalámbricos

Los medios inalámbricos transportan señales electromagnéticas que representan los dígitos binarios de las comunicaciones de datos mediante frecuencias de radio y de microondas.

Los medios inalámbricos proporcionan las mejores opciones de movilidad de todos los medios y la cantidad de dispositivos habilitados para tecnología inalámbrica sigue en aumento. A medida que aumentan las opciones de ancho de banda de red, la tecnología inalámbrica adquiere popularidad rápidamente en las redes empresariales.

Existen algunas áreas de importancia para la tecnología inalámbrica, que incluyen las siguientes:

• Área de cobertura: las tecnologías inalámbricas de comunicación de datos funcionan bien en entornos abiertos. Sin embargo, existen determinados materiales de construcción utilizados en edificios y estructuras, además del terreno local, que limitan la cobertura efectiva.

• Interferencia: la tecnología inalámbrica también es vulnerable a la interferencia, y puede verse afectada por dispositivos comunes como teléfonos inalámbricos domésticos, algunos tipos de luces fluorescentes, hornos microondas y otras comunicaciones inalámbricas.

• Seguridad: la cobertura de la comunicación inalámbrica no requiere acceso a un hilo físico de un medio. Por lo tanto, dispositivos y usuarios sin autorización para acceder a la red pueden obtener acceso a la transmisión. La seguridad de la red es un componente principal de la administración de redes inalámbricas.

• Medio compartido: WLAN opera en half-duplex, lo que significa que solo un dispositivo puede enviar o recibir a la vez. El medio inalámbrico se comparte entre todos los usuarios inalámbricos. Cuantos más usuarios necesiten acceso a la WLAN de forma simultánea, cada uno obtendrá menos ancho de banda.

Si bien la tecnología inalámbrica es cada vez más popular para la conectividad de escritorio, el cobre y la fibra óptica son los medios de capa física más populares para las implementaciones de redes.

Tipos de medios inalámbricos

Los estándares de IEEE y del sector de las telecomunicaciones sobre las comunicaciones inalámbricas de datos abarcan la capas física y de enlace de datos.

Las especificaciones de la capa física se aplican a áreas que incluyen:

• Codificación de señales de datos a señales de radio

• Frecuencia e intensidad de la transmisión

• Requisitos de recepción y decodificación de señales

• Diseño y construcción de antenas

Wi-Fi es una marca comercial de Wi-Fi Alliance. La tecnología Wi-Fi se utiliza con productos certificados que pertenecen a los dispositivos WLAN basados en los estándares IEEE 802.11.

LAN inalámbrica

Una implementación común de tecnología inalámbrica de datos permite a los dispositivos conectarse en forma inalámbrica a través de una LAN. En general, una LAN inalámbrica requiere los siguientes dispositivos de red:

• Punto de acceso inalámbrico (AP): concentra las señales inalámbricas de los usuarios y se conecta a la infraestructura de red existente basada en cobre, como Ethernet. Los routers inalámbricos domésticos y de pequeñas empresas integran las funciones de un router, un switch y un punto de acceso en un solo dispositivo.

• Adaptadores NIC inalámbricos: proporcionan capacidad de comunicación inalámbrica a cada host de la red.

A medida que la tecnología fue evolucionando, surgió una gran cantidad de estándares WLAN basados en Ethernet. Se debe tener precaución al comprar dispositivos inalámbricos para garantizar compatibilidad e interoperabilidad.

Los beneficios de las tecnologías inalámbricas de comunicación de datos son evidentes, especialmente en cuanto al ahorro en el cableado costoso de las instalaciones y en la conveniencia de la movilidad del host. Los administradores de red necesitan desarrollar y aplicar procesos y políticas de seguridad rigurosas para proteger las LAN inalámbricas del daño y el acceso no autorizado.

La capa de enlace de datos

La capa de enlace de datos del modelo OSI (Capa 2), , es responsable de lo siguiente:

• Permite a las capas superiores acceder a los medios.

• Acepta paquetes de la capa 3 y los empaqueta en tramas.

• Prepara los datos de red para la red física.

• Controla la forma en que los datos se colocan y reciben en los medios.

• Intercambia tramas entre los nodos en un medio de red físico, como UTP o fibra óptica.

• Recibe y dirige paquetes a un protocolo de capa superior.

• Lleva a cabo la detección de errores.

La notación de la capa 2 para los dispositivos de red conectados a un medio común se denomina “nodo”. Los nodos crean y reenvían tramas, la capa de enlace de datos OSI es responsable del intercambio de tramas Ethernet entre los nodos de origen y de destino a través de un medio de red físico.

La capa de enlace de datos separa de manera eficaz las transiciones de medios que ocurren a medida que el paquete se reenvía desde los procesos de comunicación de las capas superiores. La capa de enlace de datos recibe paquetes de un protocolo de capa superior y los dirige a un protocolo de las mismas características, en este caso, IPv4 o IPv6. Este protocolo de capa superior no necesita saber qué medios utiliza la comunicación.

Subcapas de enlace de datos

La capa de enlace de datos se divide en dos subcapas:

• Control de enlace lógico (LLC): esta subcapa superior se comunica con la capa de red. Coloca en la trama información que identifica qué protocolo de capa de red se utiliza para la trama. Esta información permite que varios protocolos de la Capa 3, tales como IPv4 e IPv6, utilicen la misma interfaz de red y los mismos medios.

• Control de acceso al medio (MAC): se trata de la subcapa inferior, que define los procesos de acceso al medio que realiza el hardware. Proporciona direccionamiento de la capa de enlace de datos y acceso a varias tecnologías de red.

La forma en que la capa de enlace de datos se divide en las subcapas LLC y MAC. La subcapa LLC se comunica con la capa de red, mientras que la subcapa MAC admite diversas tecnologías de acceso de red. Por ejemplo, la subcapa MAC se comunica con la tecnología LAN Ethernet para enviar y recibir las tramas a través de cables de cobre o de fibra óptica. La subcapa MAC también se comunica con tecnologías inalámbricas como Wi-Fi y Bluetooth para enviar y recibir tramas en forma inalámbrica.

Control de acceso al medio

Los protocolos de la Capa 2 especifican la encapsulamiento de un paquete en una trama y las técnicas para colocar y sacar el paquete encapsulado de cada medio. La técnica utilizada para colocar y sacar la trama de los medios se llama método de control de acceso al medio.

A medida que los paquetes se transfieren del host de origen al host de destino, generalmente deben atravesar diferentes redes físicas. Estas redes físicas pueden constar de diferentes tipos de medios físicos, como cables de cobre, fibra óptica y tecnología inalámbrica compuesta por señales electromagnéticas, frecuencias de radio y microondas, y enlaces satelitales.

Sin la capa de enlace de datos, un protocolo de capa de red, tal como IP, tendría que tomar medidas para conectarse con todos los tipos de medios que pudieran existir a lo largo de la ruta de envío. Más aún, IP debería adaptarse cada vez que se desarrolle una nueva tecnología de red o medio. Este proceso dificultaría la innovación y desarrollo de protocolos y medios de red. Este es un motivo clave para usar un método en capas en interconexión de redes.

Provisión de acceso a los medios

Durante una misma comunicación, pueden ser necesarios distintos métodos de control de acceso al medio. Cada entorno de red que los paquetes encuentran cuando viajan desde un host local hasta un host remoto puede tener características diferentes. Por ejemplo, una LAN Ethernet consta de muchos hosts que compiten por acceder al medio de red. Los enlaces seriales constan de una conexión directa entre dos dispositivos únicamente.

Las interfaces del router encapsulan el paquete en la trama correspondiente, y se utiliza un método de control de acceso al medio adecuado para acceder a cada enlace. En cualquier intercambio de paquetes de capas de red, puede haber muchas transiciones de medios y capa de enlace de datos.

En cada salto a lo largo de la ruta, los routers realizan lo siguiente:

• Aceptan una trama proveniente de un medio.

• Desencapsulan la trama.

• Vuelven a encapsular el paquete en una trama nueva.

• Reenvían la nueva trama adecuada al medio de ese segmento de la red física.

El routertiene tiene una interfaz Ethernet para conectarse a la LAN y una interfaz serial para conectarse a la WAN. A medida que el router procesa tramas, utilizará los servicios de la capa de enlace de datos para recibir la trama desde un medio, desencapsularlo en la PDU de la Capa 3, volver a encapsular la PDU en una trama nueva y colocar la trama en el medio del siguiente enlace de la red.

Estándares de la capa de enlace de datos

A diferencia de los protocolos de las capas superiores del conjunto TCP/IP, los protocolos de capa de enlace de datos generalmente no están definidos por la petición de comentarios (RFC). A pesar de que el Grupo de trabajo de ingeniería de Internet (IETF) mantiene los protocolos y servicios funcionales para la suite de protocolos TCP/IP en las capas superiores, el IETF no define las funciones ni la operación de esa capa de acceso a la red del modelo.

Las organizaciones de ingeniería que definen estándares y protocolos abiertos que se aplican a la capa de enlace de datos incluyen:

• Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE)

• Unión Internacional de Telecomunicaciones (ITU)

• Organización Internacional para la Estandarización (ISO)

• Instituto Nacional Estadounidense de Estándares (ANSI)

Control de acceso a los medios

La regulación de la ubicación de las tramas de datos en los medios se encuentra bajo el control de la subcapa de control de acceso al medio.

El control de acceso a los medios es el equivalente a las reglas de tráfico que regulan la entrada de vehículos a una autopista. La ausencia de un control de acceso a los medios sería el equivalente a vehículos que ignoran el resto del tráfico e ingresan al camino sin tener en cuenta a los otros vehículos. Sin embargo, no todos los caminos y entradas son iguales. El tráfico puede ingresar a un camino confluyendo, esperando su turno en una señal de parada o respetando el semáforo. Un conductor sigue un conjunto de reglas diferente para cada tipo de entrada.

De la misma manera, hay diferentes métodos para regular la colocación de tramas en los medios. Los protocolos en la capa de enlace de datos definen las reglas de acceso a los diferentes medios. Estas técnicas de control de acceso a los medios definen si los nodos comparten los medios y de qué manera lo hacen.

El método real de control de acceso al medio utilizado depende de lo siguiente:

• Topología: cómo se muestra la conexión entre los nodos a la capa de enlace de datos.

• Uso compartido de medios: de qué modo los nodos comparten los medios. El uso compartido de los medios puede ser punto a punto, como en las conexiones WAN, o compartido, como en las redes LAN.

Topologías física y lógica

La topología de una red es la configuración o relación de los dispositivos de red y las interconexiones entre ellos. Las topologías LAN y WAN se pueden ver de dos maneras:

• Topología física: se refiere a las conexiones físicas e identifica cómo se interconectan los terminales y dispositivos de infraestructura, como los routers, los switches y los puntos de acceso inalámbrico. Las topologías físicas generalmente son punto a punto o en estrella.

• Topología lógica: se refiere a la forma en que una red transfiere tramas de un nodo al siguiente. Esta disposición consta de conexiones virtuales entre los nodos de una red. Los protocolos de capa de enlace de datos definen estas rutas de señales lógicas. La topología lógica de los enlaces punto a punto es relativamente simple, mientras que los medios compartidos ofrecen métodos de control de acceso al medio diferentes. 

La capa de enlace de datos “ve” la topología lógica de una red al controlar el acceso de datos a los medios. Es la topología lógica la que influye en el tipo de trama de red y control de acceso a los medios que se utilizan.

Topologías físicas de WAN comunes

Por lo general, las WAN se interconectan mediante las siguientes topologías físicas:

• Punto a punto: esta es la topología más simple, que consta de un enlace permanente entre dos terminales. Por este motivo, es una topología de WAN muy popular.

• Hub-and-spoke: es una versión WAN de la topología en estrella, en la que un sitio central interconecta sitios de sucursal mediante enlaces punto a punto.

• Malla: esta topología proporciona alta disponibilidad, pero requiere que cada sistema final esté interconectado con todos los demás sistemas. Por lo tanto, los costos administrativos y físicos pueden ser importantes. Básicamente, cada enlace es un enlace punto a punto al otro nodo.

Una híbrida es una variación o una combinación de cualquiera de las topologías mencionadas. Por ejemplo, una malla parcial es una topología híbrida en que se interconectan algunos terminales, aunque no todos.

Topología física punto a punto

Las topologías físicas punto a punto conectan dos nodos directamente. En esta disposición, los dos nodos no tienen que compartir los medios con otros hosts. Además, un nodo no tiene que determinar si una trama entrante está destinada a él o a otro nodo. Por lo tanto, los protocolos de enlace de datos lógicos pueden ser muy simples, dado que todas las tramas en los medios solo pueden transferirse entre los dos nodos. El nodo en un extremo coloca las tramas en los medios y el nodo en el otro extremo las saca de los medios del circuito punto a punto.

Topología lógica punto a punto

Los nodos de los extremos que se comunican en una red punto a punto pueden estar conectados físicamente a través de una cantidad de dispositivos intermediarios. Sin embargo, el uso de dispositivos físicos en la red no afecta la topología lógica.

Los nodos de origen y destino pueden estar conectados indirectamente entre sí a través de una distancia geográfica. En algunos casos, la conexión lógica entre nodos forma lo que se llama un circuito virtual. Un circuito virtual es una conexión lógica creada dentro de una red entre dos dispositivos de red. Los dos nodos en cada extremo del circuito virtual intercambian las tramas entre sí. Esto ocurre incluso si las tramas están dirigidas a través de dispositivos intermediarios. Los circuitos virtuales son construcciones de comunicación lógicas utilizadas por algunas tecnologías de la Capa 2.

El método de acceso al medio utilizado por el protocolo de enlace de datos se determina por la topología lógica punto a punto, no la topología física. Esto significa que la conexión lógica de punto a punto entre dos nodos puede no ser necesariamente entre dos nodos físicos en cada extremo de un enlace físico único.

Topologías físicas de LAN

La topología física define cómo se interconectan físicamente los sistemas finales. En las redes LAN de medios compartidos, los terminales se pueden interconectar mediante las siguientes topologías físicas:

• Estrella: los dispositivos finales se conectan a un dispositivo intermediario central. Las primeras topologías en estrella interconectaban terminales mediante concentradores. Sin embargo, en la actualidad estas topologías utilizan switches. La topología en estrella es fácil de instalar, muy escalable (es fácil agregar y quitar dispositivos finales) y de fácil resolución de problemas.

• Estrella extendida o híbrida: en una topología en estrella extendida, dispositivos intermediarios centrales interconectan otras topologías en estrella. Una estrella extendida es un ejemplo de una topología híbrida.

• Bus: todos los sistemas finales se encadenan entre sí y terminan de algún modo en cada extremo. No se requieren dispositivos de infraestructura, como switches, para interconectar los terminales. Las topologías de bus con cables coaxiales se utilizaban en las antiguas redes Ethernet, porque eran económicas y fáciles de configurar.

• Anillo: los sistemas finales se conectan a su respectivo vecino y forman un anillo. A diferencia de la topología de bus, la de anillo no necesita tener una terminación. Las topologías de anillo se utilizaban en las antiguas redes de interfaz de datos distribuida por fibra (FDDI) y redes de Token Ring.

 Es común que una línea recta en un gráfico de redes represente una red LAN Ethernet que incluye una estrella simple y una estrella extendida.

Half duplex y Full duplex

Las comunicaciones dúplex refieren a la dirección en la que se transmiten los datos entre dos dispositivos. Las comunicaciones half-duplex limitan el intercambio de datos a una dirección a la vez, mientras que el dúplex completo permite el envío y recepción de datos simultáneo.

• Comunicación half-duplex: los dos dispositivos pueden transmitir y recibir en los medios pero no pueden hacerlo simultáneamente. El modo half-duplex se utiliza en topologías de bus antiguas y en directorios externos. Las redes WLAN también operan en half-duplex. Half-duplex también permite que solo un dispositivo envíe o reciba a la ve en el medio compartido, y se utiliza con métodos de acceso por contención. 

• Comunicación de dúplex completo: los dos dispositivos pueden transmitir y recibir en los medios al mismo tiempo. La capa de enlace de datos supone que los medios están disponibles para transmitir para ambos nodos en cualquier momento. Los switches Ethernet operan en el modo de dúplex completo de forma predeterminada, pero pueden funcionar en half-duplex si se conectan a un dispositivo como un dispositivo externo. 

Es importante que dos interfaces interconectadas, como la NIC de un host y una interfaz en un switch Ethernet, operen con el mismo modo dúplex. De lo contrario, habrá incompatibilidad de dúplex y se generará ineficiencia y latencia en el enlace.

Métodos de control de acceso al medio

Algunas topologías de red comparten un medio común con varios nodos. Estas se denominan redes de acceso múltiple. Las LAN Ethernet y WLAN son un ejemplo de una red de accesos múltiples. En cualquier momento puede haber una cantidad de dispositivos que intentan enviar y recibir datos utilizando los mismos medios de red.

Algunas redes de acceso múltiple requieren reglas que rijan la forma de compartir los medios físicos. Hay dos métodos básicos de control de acceso al medio para medios compartidos:

• Acceso por contención: todos los nodos en half-duplex compiten por el uso del medio, pero solo un dispositivo puede enviar a la vez. Sin embargo, existe un proceso en caso de que más de un dispositivo transmita al mismo tiempo. Las LAN Ethernet que utilizan concentradores y las WLAN son un ejemplo de este tipo de control de acceso.

• Acceso controlado: cada nodo tiene su propio tiempo para utilizar el medio. Estos tipos deterministas de redes no son eficientes porque un dispositivo debe aguardar su turno para acceder al medio. Las LAN de Token Ring antiguo son un ejemplo de este tipo de control de acceso.

De forma predeterminada, los switches Ethernet funcionan en el modo de dúplex completo. Esto permite que el switch y el dispositivo conectado a dúplex completo envíen y reciban simultáneamente.

Acceso por contención: CSMA/CD

Las redes WLAN, LAN Ethernet con concentradores y las redes de bus Ethernet antiguas son todos ejemplos de redes de acceso por contención. Todas estas redes funcionan en el modo half-duplex. Esto requiere un proceso para gestionar cuándo puede enviar un dispositivo y qué sucede cuando múltiples dispositivos envían al mismo tiempo.

En las redes LAN Ethernet de half-duplex se utiliza el proceso de acceso múltiple por detección de portadora y detección de colisiones (CSMA/CD). 

1. La PC1 tiene una trama que se debe enviar a la PC3.

2. La NIC de la PC debe determinar si alguien está transmitiendo en el medio. Si no detecta un proveedor de señal, en otras palabras, si no recibe transmisiones de otro dispositivo, asumirá que la red está disponible para enviar.

3. La NIC de la PC envía la trama de Ethernet. 

4. El directorio externo recibe la trama. Un directorio externo también se conoce como repetidor de múltiples puertos. Todos los bits que se reciben de un puerto entrante se regeneran y envían a todos los demás puertos.

5. Si otro dispositivo, como una PC, quiere transmitir, pero está recibiendo una trama, deberá aguardar hasta que el canal esté libre.

6. Todos los dispositivos que están conectados al concentrador reciben la trama. Dado que la trama tiene una dirección destino de enlace de datos para la PC, solo ese dispositivo aceptará y copiará toda la trama. Las NIC de todos los demás dispositivos ignorarán la trama. 

Si dos dispositivos transmiten al mismo tiempo, se produce una colisión. Los dos dispositivos detectarán la colisión en la red, es decir, la detección de colisión (CD). Esto se logra mediante la comparación de los datos transmitidos con los datos recibidos que realiza la NIC o bien mediante el reconocimiento de la amplitud de señal si esta es más alta de lo normal en los medios. Los datos enviados por ambos dispositivos se dañarán y deberán enviarse nuevamente.

Acceso por contención: CSMA/CA

Otra forma de CSM que utilizan las redes WLAN del IEEE 802.11 es el acceso múltiple por detección de portadora con prevención de colisiones (CSMA/CA). CSMA/CA utiliza un método similar a CSMA/CD para detectar si el medio está libre. CSMA/CA también utiliza técnicas adicionales. CSMA/CA no detecta colisiones pero intenta evitarlas ya que aguarda antes de transmitir. Cada dispositivo que transmite incluye la duración que necesita para la transmisión. Todos los demás dispositivos inalámbricos reciben esta información y saben por cuanto tiempo el medio no estará disponible. Luego de que un dispositivos inalámbricos envía una trama 802.11, el receptor devuelve un acuso de recibo para que el emisor sepa que se recibió la trama.

Ya sea que es una red LAN Ethernet con concentradores o una red WLAN, los sistemas por contención no escalan bien bajo un uso intensivo de los medios. Es importante tener en cuenta que las redes LAN Ethernet con switches no utilizan sistemas por contención porque el switch y la NIC de host operan en el modo de dúplex completo.

La trama

La capa de enlace de datos prepara los paquetes para su transporte a través de los medios locales encapsulándolos con un encabezado y un tráiler para crear una trama. La descripción de una trama es un elemento clave de cada protocolo de capa de enlace de datos. Si bien existen muchos protocolos de capa de enlace de datos diferentes que describen las tramas de la capa de enlace de datos, cada tipo de trama tiene tres partes básicas:

• Encabezado

• Datos

• Tráiler

Todos los protocolos de capa de enlace de datos encapsulan la PDU de la Capa 3 dentro del campo de datos de la trama. Sin embargo, la estructura de la trama y los campos contenidos en el encabezado y tráiler varían de acuerdo con el protocolo.

No hay una estructura de trama que cumpla con las necesidades de todos los transportes de datos a través de todos los tipos de medios. Según el entorno, la cantidad de información de control que se necesita en la trama varía para cumplir con los requisitos de control de acceso al medio de la topología lógica y de los medios.

Campos de trama

El tramado rompe la transmisión en agrupaciones descifrables, con la información de control insertada en el encabezado y tráiler como valores en campos diferentes. Este formato brinda a las señales físicas una estructura que pueden recibir los nodos y que se puede decodificar en paquetes en el destino.

• Indicadores de arranque y detención de trama: se utilizan para identificar los límites de comienzo y finalización de la trama.

• Direccionamiento: indica los nodos de origen y destino en los medios.

• Tipo: identifica el protocolo de capa 3 en el campo de datos.

• Control: identifica los servicios especiales de control de flujo, como calidad de servicio (QoS). QoS se utiliza para dar prioridad de reenvío a ciertos tipos de mensajes. Las tramas de enlace de datos que llevan paquetes de voz sobre IP (VoIP) suelen recibir prioridad porque son sensibles a demoras.

• Datos: incluye el contenido de la trama (es decir, el encabezado del paquete, el encabezado del segmento y los datos).

• Detección de errores: estos campos de trama se utilizan para la detección de errores y se incluyen después de los datos para formar el tráiler.

No todos los protocolos incluyen todos estos campos. Los estándares para un protocolo específico de enlace de datos definen el formato real de la trama.

Los protocolos de la capa de enlace de datos agregan un tráiler en el extremo de cada trama. El tráiler se utiliza para determinar si la trama llegó sin errores. Este proceso se denomina “detección de errores” y se logra mediante la colocación en el tráiler de un resumen lógico o matemático de los bits que componen la trama. La detección de errores se agrega a la capa de enlace de datos porque las señales en los medios pueden sufrir interferencias, distorsiones o pérdidas que cambien considerablemente los valores de bits que representan esas señales.

Un nodo de transmisión crea un resumen lógico del contenido de la trama, conocido como el valor de comprobación de redundancia cíclica (CRC). Este valor se coloca en el campo Secuencia de verificación de la trama (FCS) para representar el contenido de la trama. En el tráiler Ethernet, el FCS proporciona un método para que el nodo receptor determine si la trama experimentó errores de transmisión.

Dirección de Capa 2

La capa de enlace de datos proporciona direccionamiento que es utilizado para transportar una trama a través de los medios locales compartidos. Las direcciones de dispositivo en esta capa se llaman direcciones físicas. El direccionamiento de la capa de enlace de datos está contenido en el encabezado de la trama y especifica el nodo de destino de la trama en la red local. El encabezado de la trama también puede contener la dirección de origen de la trama.

A diferencia de las direcciones lógicas de la Capa 3, que son jerárquicas, las direcciones físicas no indican en qué red está ubicado el dispositivo. En cambio, la dirección física es única para un dispositivo en particular. Si el dispositivo se traslada a otra red o subred, sigue funcionando con la misma dirección física de la Capa 2.

No se puede utilizar una dirección específica de un dispositivo y no jerárquica para localizar un dispositivo en grandes redes o de Internet. Eso sería como intentar localizar una casa específica en todo el mundo, sin más datos que el nombre de la calle y el número de la casa. Sin embargo, la dirección física se puede usar para localizar un dispositivo dentro de un área limitada. Por este motivo, la dirección de la capa de enlace de datos solo se utiliza para entregas locales. Las direcciones en esta capa no tienen significado más allá de la red local. Compare esto con la Capa 3, en donde las direcciones en el encabezado del paquete pasan del host de origen al host de destino, sin tener en cuenta la cantidad de saltos de redes a lo largo de la ruta.

Si los datos deben pasar a otro segmento de red, se necesita un dispositivo intermediario, como un router. El router debe aceptar la trama según la dirección física y desencapsularla para examinar la dirección jerárquica, o dirección IP. Con la dirección IP, el router puede determinar la ubicación de red del dispositivo de destino y el mejor camino para llegar a él. Una vez que sabe adónde reenviar el paquete, el router crea una nueva trama para el paquete, y la nueva trama se envía al segmento de red siguiente hacia el destino final.

Tramas LAN y WAN

En una red TCP/IP, todos los protocolos de capa 2 del modelo OSI funcionan con la dirección IP en la capa 3. Sin embargo, el protocolo de capa 2 específico que se utilice depende de la topología lógica y de los medios físicos.

Cada protocolo realiza el control de acceso a los medios para las topologías lógicas de Capa 2 que se especifican. Esto significa que una cantidad de diferentes dispositivos de red puede actuar como nodos que operan en la capa de enlace de datos al implementar estos protocolos. Estos dispositivos incluyen las tarjetas de interfaz de red en PC, así como las interfaces en routers y en switches de la Capa 2.

El protocolo de la Capa 2 que se utiliza para una topología de red particular está determinado por la tecnología utilizada para implementar esa topología. La tecnología está, a su vez, determinada por el tamaño de la red, en términos de cantidad de hosts y alcance geográfico y los servicios que se proveerán a través de la red.

En general, las redes LAN utilizan una tecnología de ancho de banda elevado que es capaz de admitir una gran cantidad de hosts. El área geográfica relativamente pequeña de una LAN (un único edificio o un campus de varios edificios) y su alta densidad de usuarios hacen que esta tecnología sea rentable.

Sin embargo, utilizar una tecnología de ancho de banda alto no es generalmente rentable para redes de área extensa que cubren grandes áreas geográficas (varias ciudades, por ejemplo). El costo de los enlaces físicos de larga distancia y la tecnología utilizada para transportar las señales a través de esas 

distancias, generalmente, ocasiona una menor capacidad de ancho de banda.

La diferencia de ancho de banda normalmente produce el uso de diferentes protocolos para las LAN y las WAN.

Los protocolos de la capa de enlace de datos incluyen:

• Ethernet

• 802.11 inalámbrico

• Protocolo punto a punto (PPP)

• HDLC

• Frame Relay