Comunicación

Una roja 网络 es un conjunto de dispositivos informáticos conectados para poder comunicarse y compartir recursos. Ventajas:

• compartir recursos (impresoras, servidores de archivos, internet) — más barato que equipar cada ordenador.
• compartir datos — muchos usuarios acceden a los mismos archivos.
• gestión centralizada — instalar software, gestionar usuarios y hacer copias de seguridad una sola vez en un servidor.
• communication — email, video calls, messaging.
• remote access — work from anywhere.

Una red de área local 局域网 (LAN) cubre un área pequeña — una casa, oficina o escuela, generalmente propiedad de la organización, con altas tasas de datos y baja latencia 延迟.

Una red de área amplia 广域网 (WAN) cubre un gran área — una ciudad, país o el mundo (internet es la WAN más grande). Utiliza infraestructura de compañías de telecomunicaciones — a menudo la Red Telefónica Pública Conmutada 公共交换电话网 (PSTN), líneas arrendadas o fibra — con tasas de datos más bajas y mayor latencia. Una WAN conecta LANs entre sí.

Para "dar dos características de una LAN": cubre un área geográfica pequeña (un sitio o edificio); el hardware es propiedad de la organización, no alquilado a una empresa de telecomunicaciones; se conecta mediante sus propios switches, cables y puntos de acceso. Para "dos formas en que una WAN es diferente": cubre un área geográfica grande; utiliza infraestructura de terceros (alquilada o pública); las velocidades de datos son menores y la latencia mayor; generalmente une varias LANs. Una escuela en un solo sitio es una LAN; una empresa con oficinas en dos ciudades necesita una WAN, con una línea alquilada o internet entre los sitios. Justifique la elección con el área cubierta y quién posee los enlaces.

Client-server

• máquinas potentes actúan como servidores 服务器, proporcionando servicios (archivos, páginas web, correo electrónico).
• other machines are clients 客户端 that request services.
• centralizadas y fáciles de gestionar, pero el servidor es un único punto de fallo si no está respaldado.

Peer-to-peer (P2P)

• todas las máquinas son pares iguales; cada una puede ser tanto cliente como servidor (peer-to-peer 对等网络).
• los recursos se distribuyen entre los pares — sin servidor central. Robusto ante un fallo individual, pero más difícil de mantener seguro y consistente.

Elegir un modelo. El modelo cliente-servidor se adapta a una escuela o negocio: los archivos se almacenan y respaldan centralmente, un usuario inicia sesión con una cuenta desde cualquier máquina, el software y la seguridad se gestionan una sola vez, y el servidor puede ser una máquina potente. Las desventajas son el costo del servidor y de un técnico, y que el servidor es un único punto de fallo. El modelo peer-to-peer (punto a punto) se adapta a unos pocos amigos compartiendo archivos o jugando: no hay servidor que comprar, fácil de configurar, y cada usuario mantiene el control de su propia máquina. Las desventajas que enumera el esquema: los archivos están distribuidos en muchas máquinas, por lo que son difíciles de respaldar y un archivo no está disponible cuando la máquina de su propietario está apagada; cada máquina debe protegerse por separado; y un par que sirve a los demás ralentiza. Un juego en línea jugado a través de un navegador web con otros usuarios es el modelo cliente-servidor: el navegador es el cliente, y el juego y su mundo virtual compartido se ejecutan en el servidor de la empresa, que mantiene consistente la vista de cada jugador.

Un cliente ligero 瘦 cliente realiza poco procesamiento local y depende de un servidor potente (terminales web, escritorios remotos). Un cliente grueso 胖 cliente tiene fuerte capacidad de procesamiento y almacenamiento local y ejecuta aplicaciones completas por sí mismo (un PC de escritorio normal).

Los roles: en un modelo de cliente ligero (thin-client) el servidor realiza el procesamiento y almacena los datos, y el cliente solo envía entradas y muestra la salida. Basta con un terminal barato, y todo se respalda y actualiza en el servidor, pero nada funciona si falla la red o el servidor. En un modelo de cliente grueso (thick-client) el cliente ejecuta el software y almacena archivos él mismo, por lo que puede funcionar sin conexión a la red y pone menos carga en el servidor, a costa de clientes más potentes (y más caros) que deben actualizarse y protegerse individualmente. Una sala de ordenadores escolar puede usar clientes ligeros (baratos, gestionados centralmente); un editor de vídeo necesita un cliente grueso.

La topología 拓扑 es la disposición de los nodos y enlaces.

• bus — todos los dispositivos conectados a un cable compartido. Es económico; si falla el bus, falla toda la LAN; el rendimiento disminuye a medida que más dispositivos comparten el ancho de banda.
• estrella 星形 — cada dispositivo se conecta a un switch central. El fallo de un dispositivo no afecta a los demás; el fallo del switch detiene todo. Es la más común hoy en día.
• malla 网状 — cada dispositivo se enlaza directamente con los demás, con múltiples caminos. Muy tolerante a fallos 容错 (el tráfico se reenvía) pero requiere mucho cableado.
• híbrida — una mezcla (una estrella en cada oficina, enlaces de malla entre oficinas).

How packets travel in each topology

Bus: el dispositivo emisor coloca el paquete en el cable compartido; todos los dispositivos lo ven, y solo aquel cuya dirección coincide lo acepta. Solo un dispositivo puede transmitir a la vez, por lo que ocurren colisiones (CSMA/CD, abajo). Estrella: el remitente pasa el paquete al switch central, que lee la dirección de destino y lo reenvía únicamente por el cable hacia ese dispositivo; otros dos dispositivos pueden hablar al mismo tiempo. Malla: el paquete se pasa de nodo en nodo a lo largo de una de varias rutas posibles hasta llegar al destino; si falla un enlace, se utiliza otra ruta.

Para justificar una topología: una estrella para un aula u oficina (un cable fallido afecta a un dispositivo; es fácil añadir un dispositivo; con un switch no hay colisiones); una malla donde la fiabilidad sea lo más importante (un hospital, la columna vertebral de internet); un bus solo donde importe el coste y pocos dispositivos lo compartan. "Dibujar la topología en estrella" significa: el switch en el centro, una línea desde el switch a cada ordenador, y el servidor (y el router, si lo hay) en sus propias líneas hacia el switch.

Computación en la nube 云计算 proporciona servicios informáticos (servidores, almacenamiento, software) a través de internet, alojados por un tercero. Ventajas: escalabilidad 可扩展性 (pagar por lo necesario), menor coste, acceso desde cualquier lugar y centros de datos redundantes fiables. Inconvenientes: requiere internet, tus datos son custodiados por un tercero y posible bloqueo del proveedor.

Para la definición de un punto: la computación en la nube es servicios informáticos bajo demanda (almacenamiento, procesamiento, software) proporcionados a través de internet por un tercero. Una cloud pública 公有云 es propiedad de un proveedor y compartida por muchos clientes a través de internet; una cloud privada 私有云 está dedicada a una organización, en su propio hardware o alojada exclusivamente para ella. Beneficios que acepta el esquema: los archivos son accesibles desde cualquier dispositivo con conexión a internet; el almacenamiento escala según sea necesario; el proveedor gestiona el hardware, los respaldos y las actualizaciones de seguridad; no hay servidor local que comprar o mantener. Inconvenientes: sin conexión a internet no hay acceso; los datos están en el hardware de un tercero, por lo que la seguridad y la privacidad dependen del proveedor; un coste de suscripción continuo; el proveedor podría fallar o ser atacado; los archivos grandes pueden transferirse lentamente. Una respuesta a "por qué la empresa usa una cloud pública" dice que no necesitan hardware propio, pagan solo por lo que usan, y sus usuarios pueden acceder desde cualquier lugar.

• cableado (Ethernet 以太网 sobre par trenzado 双绞线 o fibra óptica 光纤): mayor velocidad, menor latencia, menos errores, más seguro.
• inalámbrico (Wi-Fi, Bluetooth, celular): sin cables, los dispositivos pueden moverse, pero más lento, propenso a interferencias y espionaje.

Para la misma generación, lo cableado gana en velocidad y fiabilidad; lo inalámbrico gana en comodidad.

Transmission media

El examen pide la comparación en ambas direcciones. Los cables superan a la inalámbrica en velocidad, fiabilidad (sin interferencias), seguridad (un cable debe ser manipulado físicamente) y consistencia; la inalámbrica supera a los cables en movilidad, el coste de instalación y añadir un dispositivo sin cableado. Permitir ambos permite a los estudiantes moverse con portátiles y teléfonos mientras los escritorios fijos mantienen la conexión más rápida y segura, y un dispositivo sin puerto de red aún puede conectarse. La satélite frente al cobre alcanza lugares a los que no llega ningún cable, pero con más demora, interferencias climáticas y mayor coste.

• tarjeta de interfaz de red 网络接口卡 (NIC) — permite a un dispositivo enviar y recibir en la red; tiene una dirección MAC MAC地址 única (una dirección de hardware de 48 bits). Un dispositivo inalámbrico utiliza una tarjeta de interfaz de red inalámbrica 无线网络接口卡 (WNIC).
• switch 交换机 — reenvía tramas Ethernet solo al puerto correspondiente a la dirección MAC de destino.
• hub 集线器 — un dispositivo más simple que copia el tráfico a todos los puertos (ahora obsoleto).
• punto de acceso inalámbrico 无线接入点 (WAP) — permite a los clientes inalámbricos unirse a una LAN cableada.
• cableado — par trenzado para cortas distancias; fibra óptica para distancias más largas y rápidas.
• servidor — un ordenador que proporciona un servicio a los otros dispositivos: archivos, impresión, páginas web, almacenamiento de correo electrónico.
• puente 网桥 — une dos segmentos de LAN en una sola red, pasando el tráfico entre ellos.
• repetidor 中继器 — recibe una señal debilitada y la retransmite a plena fuerza, para extender el alcance de un cable.

Las funciones de una WNIC, para una descripción de cuatro puntos: convierte los datos en señales de radio y viceversa; lleva la dirección MAC única del dispositivo; conecta el dispositivo a un punto de acceso inalámbrico y sigue el protocolo inalámbrico (qué canal y frecuencia usar); y decodifica las señales entrantes para el dispositivo. Dos dispositivos que pueden conectar físicamente treinta ordenadores con NICs: un switch, o un hub.

Un router 路由器 conecta diferentes redes y reenvía datos entre ellas — usualmente en el límite de una LAN e internet. Hace:

• reenvío — lee la dirección IP IP地址 de destino de cada paquete 数据包 y lo envía por el puerto correcto, utilizando una tabla de enrutamiento 路由表.
• traducción de direcciones de red 网络地址转换 (NAT) — permite que muchas direcciones LAN privadas compartan una única IP pública.
• DHCP 动态主机配置协议 — hands out private IP addresses to LAN devices.
• firewall 防火墙 — blocks unwanted incoming traffic.

En el packet switching 分组交换 un mensaje se divide en paquetes que se envían independientemente. Cada router lee la dirección IP de destino de un paquete, busca el siguiente salto en su tabla de enrutamiento y lo reenvía, por lo que los paquetes de un mensaje pueden tomar diferentes rutas y se reensamblan en orden en el destino. Un router recibe paquetes, los reenvía entre redes y asigna direcciones IP; no encuentra la dirección IP para una URL (DNS hace eso) y no almacena páginas web. Un router doméstico también contiene el módem y el punto de acceso inalámbrico, por lo que una sola caja conecta la LAN a internet.

Ethernet es el estándar (protocolo) para LANs cableadas: los dispositivos se unen por cable de par trenzado o fibra, los datos se envían en frames que llevan las direcciones MAC de origen y destino, y un medio compartido utiliza CSMA/CD para gestionar las colisiones. En medios compartidos puede ocurrir una colisión 冲突 cuando dos dispositivos envían a la vez. El protocolo es CSMA/CD 载波侦听多路访问/冲突检测 (Acceso Múltiple con Sondeo de Portadora y Detección de Colisiones):

1. detección de portadora — escuchar antes de enviar; esperar si el cable está ocupado.
2. multiple access — many devices share the medium.
3. detección de colisiones — seguir escuchando mientras se envía; una colisión es una colisión.
4. en caso de colisión, ambos dejan de transmitir, envían una breve señal de "jam" y luego esperan un tiempo de backoff aleatorio antes de reintentar.

Las tres tareas, en las palabras del esquema: el dispositivo escucha (sondea la portadora) antes de transmitir; sigue verificando la presencia de una colisión mientras transmite; ante una colisión detiene, envía una señal de jam, espera un tiempo aleatorio y retransmite.

El Ethernet conmutado moderno utiliza enlaces punto a punto full-duplex 全双plo, por lo que ya no ocurren colisiones.

Streaming de bits 流式传输 envía contenido multimedia como un flujo continuo que el receptor reproduce a medida que llega, en lugar de descargar primero todo el archivo.

• en tiempo real (en vivo): capturado y transmitido tal como sucede (deportes en vivo, videollamadas). No se puede rebobinar; la baja latencia es vital.
• bajo demanda: previamente grabado en un servidor (YouTube, Netflix). Se puede pausar y rebobinar; el servidor puede bufferizar 缓冲 por adelantado.

Real-time streaming works as a short pipeline:

1. capturar y muestrear la fuente (una cámara o micrófono).
2. codificarla, utilizando compresión 压缩 para reducir los datos.
3. send it across the network as packets.
4. el receptor bufferiza un poco y luego lo reproduce en vivo — descartando cualquier paquete que llegue tarde, porque un flujo en vivo no puede esperar a él.

Compresión con pérdida 有损 se utiliza aquí: las imágenes en movimiento ocultan pequeñas pérdidas, y el flujo debe ser lo suficientemente pequeño para caber en el ancho de banda.

Por qué un vídeo se comprime antes del streaming en tiempo real: el flujo sin comprimir necesitaría más ancho de banda del que tiene la conexión, por lo que los fotogramas llegarían tarde y la reproducción se congelaría. La compresión reduce el número de bits, por lo que la tasa de bits 比特率 se mantiene por debajo de la velocidad de banda ancha, la demora permanece pequeña y se necesita menos almacenamiento y coste en ambos extremos. La tasa de bits debe ser inferior a la velocidad de la conexión: una tasa de bits más alta ofrece mejor calidad pero requiere una conexión más rápida, y si los datos llegan más lentamente de lo que se reproducen, el búfer se vacía y el vídeo se congela. El streaming bajo demanda puede almacenar más del archivo por adelantado, por lo que tolera una conexión más lenta; el streaming en tiempo real no puede.

La internet 互联网 es una red de redes global que utiliza un conjunto de protocolos 协议 común (TCP/IP). La World Wide Web 万维网 (WWW) es un servicio que se ejecuta sobre ella: documentos hipervinculados identificados por URLs, visualizados en navegadores vía HTTP/HTTPS. El correo electrónico y la transferencia de archivos son otros servicios de internet que no forman parte de la WWW.

El correo web utiliza ambos: la WWW, porque la bandeja de entrada es una página web alcanzable a través de una URL en un navegador sobre HTTP; y la internet, porque el correo electrónico en sí viaja a través de la red de redes (el correo electrónico es un servicio de internet separado de la web).

Hardware that supports the internet

• módem 调制解调or — convierte la señal digital del ordenador en una señal analógica para una línea telefónica, y viceversa al otro extremo (modulación y demodulación).
• PSTN — la red telefónica pública de centrales y líneas; una conexión dial-up o DSL transporta datos de internet a través de ella.
• línea dedicada 专线 — una línea arrendada entre una organización y su ISP: siempre activa, con un ancho de banda fijo que no se comparte, por lo que es más rápida y fiable, pero cara.
• red de telefonía celular — el teléfono envía datos por radio a la torre de celda más cercana (estación base); las torres están vinculadas a la red de la compañía telefónica, que enruta los datos hacia internet; a medida que el teléfono se mueve, se transfiere de una celda a otra.

An IP address uniquely identifies a device.

• IPv4 — 32 bits, cuatro números decimales 0–255 (192.168.1.10); aproximadamente $4.3 \times 10^{9}$ direcciones (agotadas ahora).
• IPv6 — 128 bits, ocho grupos de cuatro dígitos hexadecimales; aproximadamente $3.4 \times 10^{38}$ direcciones.

IPv4 se escribe como cuatro grupos de números decimales separados por puntos; cada grupo es un número de 8 bits, por lo que va de 0 a 255. IPv6 se escribe como ocho grupos de cuatro dígitos hexadecimales separados por dos puntos, 2001:0db8:0000:0000:0000:ff00:0042:8329, y una serie de grupos cero puede acortarse a ::. Por tanto, 192.168.3.2 no es IPv6: tiene cuatro grupos, no ocho, separados por puntos en lugar de dos puntos, y sus grupos son decimales, no hexadecimales. 256.0.0.A no es una dirección válida de ningún tipo: un grupo IPv4 no puede superar 255 ni contener letras, y IPv6 necesitaría dos puntos y ocho grupos.

Subnetting

Una red puede dividirse en subredes. La dirección IP se divide en una parte de red y una parte de host, determinada por una máscara de subred (por ejemplo, 255.255.255.0 = los primeros 24 bits son de red). La subnetting mejora la gestión, reduce el tráfico de difusión y mejora la seguridad.

Las dos partes de una dirección en una subred: la network ID (los primeros bits, iguales para cada dispositivo en esa subred, dados por los unos en la máscara) y la host ID (los bits restantes, únicos para cada dispositivo). Beneficios de la subnetting, para "describe dos beneficios": menos tráfico en cada parte, porque las transmisiones difusas permanecen dentro de su subred; mejor seguridad, porque el tráfico de un departamento se mantiene alejado de los demás; gestión más fácil y detección de fallos; uso más eficiente de las direcciones. Dos dispositivos con la máscara 255.255.255.0 están en subredes diferentes cuando sus primeros tres grupos difieren.

Public vs private addresses

• las direcciones privadas se utilizan dentro de una LAN y no son enruteables en internet (por ejemplo, 192.168.0.0/16).
• una dirección IP pública es única globalmente y enruteable, asignada por un ISP.

Los dispositivos detrás de NAT con direcciones privadas no son directamente accesibles desde internet, lo que proporciona cierta protección.

Las descripciones que quieren las tablas: una dirección public es visible en internet y única en toda ella, asignada por el ISP; una dirección private es visible solo dentro de la LAN, es reutilizada por muchas LANs y necesita NAT para alcanzar internet. Una dirección static nunca cambia (establecida manualmente o reservada, como necesita un servidor); una dirección dynamic es asignada por DHCP cada vez que el dispositivo se conecta y puede cambiar.

Static vs dynamic

• una dirección IP estática es fija; se utiliza para servidores que deben encontrarse en una dirección conocida.
• una dirección IP dinámica se asigna mediante DHCP y puede cambiar; es más fácil para los dispositivos cliente y utiliza eficientemente un conjunto limitado de direcciones.

Ejemplo resuelto. Un anfitrión tiene la dirección IP 192.168.10.130 con máscara de subred 255.255.255.192. ¿A qué red pertenece y está 192.168.10.200 en la misma? El último octeto de la máscara, 192, es 11000000 en binario, por lo que los primeros 26 bits corresponden a la parte de red y los últimos 6 bits dirigen al anfitrión. Esto hace que las subredes avancen en bloques de $256 - 192 = 64$: .0, .64, .128, .192. La dirección 130 cae en el bloque que comienza en .128, por lo que el anfitrión se encuentra en la red 192.168.10.128/26, cuyos hosts utilizables van desde .129 hasta .190 (.191 es la dirección de broadcast). El número 200 cae en el siguiente bloque (.192), por lo que se encuentra en una subred diferente y el tráfico entre ambas debe pasar por un router. Obtenga primero el tamaño del bloque a partir de la máscara ($256$ menos el octeto de la máscara) —adivinar basándose en los tres primeros octetos es lo que provoca errores en estos ejercicios.

Un URL (Uniform Resource Locator, Localizador de Recursos Uniforme) localiza un recurso en la WWW:

https://www.example.com/about/contact.html
protocol     domain name        path

• protocolo: http, https, etc.
• nombre de dominio: una dirección de servidor legible.
• ruta: el recurso en ese servidor.

El Sistema de Nombres de Dominio (DNS, también llamado Servicio de Nombres de Dominio) es un conjunto distribuido de servidores que convierte nombres de dominio en direcciones IP. Cuando escribe una URL, el navegador solicita a un resolutor DNS la IP, la cual consulta servidores DNS (raíz → nivel superior → autoritativo) hasta encontrarla; luego, el navegador se conecta a esa IP y solicita la ruta. El DNS evita que los humanos deban memorizar direcciones IP y permite que un sitio cambie de servidor sin cambiar su nombre.

Para "explicar cómo usa el navegador la URL": el navegador divide la URL en el protocolo, el nombre de dominio y la ruta; envía el nombre de dominio a un servidor DNS, que devuelve la dirección IP coincidente (una caché en la computadora o en el ISP puede responder primero); establece una conexión a esa dirección IP usando el protocolo (HTTPS en el puerto 443); envía una solicitud para la ruta; y el servidor web devuelve la página, que el navegador renderiza. Si la búsqueda DNS falla, el navegador informa que no se puede encontrar el servidor.

Una pregunta de definición se califica según palabras fijas. Aprenda estas exactamente.

• Distinga LAN vs WAN y cliente-servidor vs par-a-par según quién almacena y controla los recursos.
• Asocie cada topología (tira, estrella, malla) con sus ventajas y desventajas (costo, fiabilidad, colisiones).
• Conozca la función de cada dispositivo: un switch dirige dentro de una LAN mediante la dirección MAC, un router encamina entre redes mediante la dirección IP.
• Explique el bit streaming y por qué se necesita el buffering (los datos llegan a una tasa diferente a la de reproducción).
• Distinga IPv4 vs IPv6 y direcciones públicas vs privadas; DNS convierte una URL en una dirección IP.

Errores comunes

• Decir que un switch funciona mediante direcciones IP. Un switch reenvía mediante direcciones MAC dentro de la LAN; el router reenvía mediante direcciones IP entre redes.
• Tratar el internet y la World Wide Web como lo mismo. La web es un servicio que corre sobre el internet; el correo electrónico y la transferencia de archivos son otros.
• Dar "más rápido" como la única comparación entre cableado e inalámbrico. Diga más rápido y más fiable y más seguro, y mencione el lado inalámbrico (movilidad, sin cableado) cuando la pregunta pida una comparación.
• Escribir que un router busca la dirección IP para una URL. Eso lo hace DNS; el router reenvía paquetes hacia él.
• Describir IPv6 con puntos y grupos decimales. Ocho grupos de cuatro dígitos hexadecimales, separados por dos puntos.
• Dibujar una topología estrella como un anillo o una cadena. Cada dispositivo tiene su propia línea hacia el switch en el centro.