Comunicación

Una red es un conjunto de dispositivos informáticos conectados para poder comunicarse y compartir recursos. Beneficios:

• 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 (LAN) cubre un área pequeña —un hogar, oficina o escuela—, generalmente propiedad de la organización, con altas tasas de datos y baja latencia.

Una red de área amplia (WAN) cubre un área grande —una ciudad, país o el mundo (Internet es la mayor WAN). Utiliza infraestructura de compañías de telecomunicaciones —a menudo la Red Telefónica Pública Conmutada (PSTN), líneas arrendadas o fibra óptica— con tasas de datos más bajas y mayor latencia. Una WAN conecta varias LANs entre sí.

Para «indica dos características de una LAN»: cubre un área geográfica pequeña (un recinto o edificio); el hardware es propiedad de la organización, no se alquila a una empresa de telecomunicaciones; se conecta mediante sus propios conmutadores, cables y puntos de acceso. Para «dos diferencias de una WAN»: cubre un área geográfica extensa; utiliza infraestructura de terceros (alquilada o pública); las velocidades de transmisión son menores y la latencia es mayor; normalmente conecta varias LAN. Una escuela en un solo recinto es una LAN; una empresa con oficinas en dos ciudades necesita una WAN, con una línea alquilada o internet entre las sedes. Justifica la elección con el área cubierta y quién es propietario de las conexiones.

Client-server

• Máquinas potentes actúan como servidores, proporcionando servicios (archivos, páginas web, correo electrónico).
• Otras máquinas son clientes que solicitan servicios.
• 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; cada una puede ser tanto cliente como servidor (peer-to-peer).
• 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 realiza poco procesamiento local y depende de un servidor potente (terminales web, escritorios remotos). Un cliente grueso tiene fuerte 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 es la forma en que se disponen los nodos y enlaces.

• Bus —todos los dispositivos en un cable compartido. Económico; si falla el bus, falla toda la LAN; el rendimiento disminuye a medida que más dispositivos comparten el ancho de banda.
• Estrella —cada dispositivo se conecta a un switch central. Si falla un dispositivo, no afecta a los demás; si falla el switch, todos caen. Es la más común hoy en día.
• Malla —cada dispositivo se conecta directamente a otros, con múltiples rutas. Muy tolerante a fallos (el tráfico se reencamina) 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 o una oficina (un cable averiado afecta a un dispositivo; es fácil añadir un dispositivo; con un conmutador no hay colisiones); una malla donde la fiabilidad es lo más importante (un hospital, la red troncal de internet); un bus solo donde el costo importa y pocos dispositivos lo comparten. «Dibuja la topología en estrella» significa: el conmutador en el centro, una línea desde el conmutador hasta cada computadora y el servidor (y el enrutador, si lo hay) con sus propias líneas hacia el conmutador.

Computación en la nube entrega servicios informáticos (servidores, almacenamiento, software) a través de Internet, alojados por un tercero. Beneficios: escalabilidad (paga solo lo que necesita), menor costo, acceso desde cualquier lugar y centros de datos redundantes confiables. Desventajas: necesita Internet, tus datos los mantiene un tercero y posible bloqueo del proveedor.

Para la definición de un punto: la computación en la nube consiste en servicios informáticos bajo demanda (almacenamiento, procesamiento, software) proporcionados por un tercero a través de internet. Una nube pública es propiedad de un proveedor y se comparte entre muchos clientes a través de internet; una nube privada está dedicada a una organización, en su propio hardware o alojada exclusivamente para ella. Ventajas que acepta el esquema de corrección: se puede acceder a los archivos desde cualquier dispositivo con conexión a internet; el almacenamiento aumenta o disminuye según sea necesario; el proveedor se encarga del hardware, las copias de seguridad y las actualizaciones de seguridad; no es necesario comprar ni mantener un servidor local. Desventajas: no hay acceso sin conexión a internet; los datos están en el hardware de un tercero, por lo que la seguridad y la privacidad dependen del proveedor; hay un costo de suscripción recurrente; el proveedor podría sufrir una falla o un ataque; los archivos grandes pueden tardar en transferirse. Una respuesta a «por qué utiliza la empresa una nube pública» indica que no necesita hardware propio, paga solo por lo que usa y sus usuarios pueden acceder a ella desde cualquier lugar.

• Cableado (Ethernet sobre par trenzado o fibra óptica): 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 (NIC) —permite a un dispositivo enviar y recibir en la red; tiene una dirección MAC única (una dirección de hardware de 48 bits). Un dispositivo inalámbrico usa una tarjeta de interfaz de red inalámbrica (WNIC).
• Switch —envía tramas Ethernet solo al puerto correspondiente a la dirección MAC de destino.
• hub — dispositivo más simple que copia el tráfico a todos los puertos (ahora obsoleto).
• punto de acceso inalámbrico (WAP) — permite que clientes inalámbricos se conecten a una red 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 — une dos segmentos de LAN en una sola red, transmitiendo tráfico entre ellos.
• repetidor — recibe una señal atenuada y la retransmite con fuerza total 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 conecta redes diferentes y forwarding datos entre ellas, generalmente en el límite de una LAN e internet. Realiza:

• forwarding — lee la dirección IP de destino de cada paquete y lo envía por el puerto correcto, utilizando una tabla de enrutamiento.
• traducción de direcciones de red (NAT) — permite que muchas direcciones privadas de LAN compartan una única IP pública.
• DHCP — asigna direcciones IP privadas a los dispositivos de la LAN.
• firewall — bloquea el tráfico entrante no deseado.

En conmutación de paquetes, un mensaje se divide en paquetes que se envían de forma independiente. Cada router lee la dirección IP de destino del paquete, consulta el siguiente salto en su tabla de enrutamiento y lo forwarding, por lo que los paquetes de un mismo mensaje pueden tomar rutas distintas y se reensamblan en orden en el destino. Un router recibe y forwarding paquetes entre redes, pero no busca la dirección IP de una URL (eso lo hace DNS) ni almacena páginas web. Un router doméstico también incluye 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 las LAN cableadas: los dispositivos se unen mediante par trenzado o fibra óptica, los datos se envían en tramas que contienen las direcciones MAC de origen y destino, y en medios compartidos se usa CSMA/CD para gestionar colisiones. En medios compartidos puede ocurrir una colisión cuando dos dispositivos transmiten simultáneamente. El protocolo es CSMA/CD (Detección de Colisión de Acceso Múltiple con Detección de Portadora):

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. Ante una colisión, ambos se detienen, envían una breve señal de «interferencia» y esperan un tiempo de retroceso aleatorio antes de volver a intentarlo.

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 dúplex completo, por lo que ya no ocurren colisiones.

Transmisión de bits en streaming envía multimedia como un flujo continuo que el receptor reproduce conforme 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: pregrabado en un servidor (YouTube, Netflix). Se puede pausar y retroceder; el servidor puede almacenar en caché anticipadamente.

Real-time streaming works as a short pipeline:

1. capturar y muestrear la fuente (una cámara o micrófono).
2. codificarlo, usando compresión 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.

Se utiliza compresión con pérdida aquí: los imágenes en movimiento ocultan pequeñas pérdidas, y el stream debe ser lo suficientemente pequeño para caber en el ancho de banda.

Por qué se comprime un video antes de la transmisión en tiempo real: el stream sin comprimir requeriría más ancho de banda del que dispone la conexión, por lo que los fotogramas llegarían tarde y la reproducción se congelaría. La compresión reduce el número de bits, manteniendo la tasa de bits por debajo de la velocidad de la banda ancha, minimizando la latencia y reduciendo el almacenamiento y costo necesarios en ambos extremos. La tasa de bits debe ser menor que la velocidad de la conexión: una tasa mayor ofrece mejor calidad pero requiere una conexión más rápida, y si los datos llegan más lento de lo que se reproducen, el buffer se vacía y el video se congela. La transmisión bajo demanda puede almacenar más archivos en caché anticipadamente, adaptándose a conexiones más lentas; la transmisión en tiempo real no puede hacerlo.

Ejemplo resuelto. Una cámara transmite video en vivo a 1920 × 1080 píxeles, color de 24 bits, 30 fotogramas por segundo, sobre una conexión de 50 Mbit/s. ¿Puede transmitir sin compresión y por qué factor debe comprimirse?

Bits en un fotograma:

Tasa de bits del stream sin comprimir:

Se necesita compresión:

El flujo sin comprimir requiere aproximadamente 30 veces la velocidad de la conexión, por lo que no puede enviarse tal cual: debe comprimirse a menos de $\frac{1}{30}$ de su tamaño original, dejando margen para otro tráfico y cambios en la velocidad. Por eso el video en vivo utiliza compresión con pérdida. Utilice $1 \text{ Mbit} = 10^{6}$ bits para las velocidades de transmisión a menos que la pregunta indique lo contrario.

La internet es una red global de redes que utiliza un conjunto común de protocolos (TCP/IP). La World Wide Web (WWW) es un servicio que se ejecuta sobre ella: documentos hiperenlazados identificados por URLs, visualizados en navegadores mediante 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 — convierte la señal digital del ordenador en una señal analógica para una línea telefónica, y viceversa en el extremo opuesto (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 — 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 costosa.
• red de teléfono móvil — el teléfono envía datos por radio a la torre celular más cercana (estación base); las torres están conectadas a la red de la compañía telefónica, que enruta los datos hacia internet; mientras el teléfono se desplaza, se transfiere de una celda a la siguiente.

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.

Ejemplo resuelto: ¿válida o no?

Para expandir una dirección IPv6 abreviada, añade ceros a la izquierda para que cada grupo tenga cuatro dígitos y luego sustituye :: por tantos grupos 0000 como sean necesarios para completar ocho.

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 (p. ej., 255.255.255.0 = los primeros 24 bits corresponden a la red). La subnetting mejora la gestión, reduce el tráfico de broadcast y aumenta la seguridad.

Las dos partes de una dirección en una subred: el identificador de red (los primeros bits, iguales para todos los dispositivos de esa subred, determinados por los unos de la máscara) y el identificador de host (los bits restantes, únicos para cada dispositivo). Ventajas de dividir en subredes, para «describe dos ventajas»: menos tráfico en cada parte, porque las difusiones permanecen dentro de su subred; mayor seguridad, porque el tráfico de un departamento se mantiene separado del de los demás; administración y detección de fallas más sencillas; uso más eficiente de las direcciones. Dos dispositivos con la máscara 255.255.255.0 están en subredes distintas cuando sus tres primeros grupos son diferentes.

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 a nivel mundial y enrutable, 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) 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 convierten nombres de dominio en direcciones IP. Cuando escribe una URL, el navegador consulta un resolutor DNS por la dirección IP, quien interroga a los servidores DNS (raíz → de nivel superior → autoritativos) 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 modificar su nombre.

Para «explica cómo utiliza 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 correspondiente (una caché en la computadora o en el ISP puede responder primero); abre una conexión a esa dirección IP mediante el protocolo (HTTPS en el puerto 443); envía una solicitud de la ruta; y el servidor web devuelve la página, que el navegador muestra. Si falla la consulta DNS, el navegador informa que no se encuentra 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 rápida» como comparación completa entre una conexión cableada y una inalámbrica. Indica que es más rápida y más fiable y segura, y menciona las ventajas de la conexión inalámbrica (movilidad, ausencia de cables) 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.