Dispositivos de interconexión en redes locales

Una red de ordenadores es un conjunto de equipos que se encuentran interconectados por un medio de transmisión que les permite intercambiar información, pero también supone que los ordenadores que la componen sean autónomos, es decir que tengan capacidad de computación.

Para que se produzca este intercambio de datos, se necesitan unos dispositivos que los transporten de unos a otros, como son: el propio ordenador, el medio de transmisión (cables o aire), los dispositivos de interconexión (router, hub, switch, gateway, bridge y AP), las tarjetas o adaptadores de red y el software de red de cada uno de estos dispositivos.

Sumario

• Las topologías de redes
• La arquitectura TCP/IP
• Dispositivos de interconexión en redes locales
• Concentrador «Hub»
• Conmutador «switch»
• Encaminador «router»
• Puente «bridge»
• Pasarella o puerta de enlace «gateway»
• Access Point

Es muy común confundir el encaminador «router» con alguno de estos dispositivos, sobre todo con la pasarela «gateway» o puerta de enlace. Esta situación se produce por los dispositivos multifunción que las ISPs nos instalan en nuestros domicilios, que integran varios de estos dispositivos en uno que llaman «router».

Para establecer las diferencias entre estos dispositivos necesitamos conocer dos conceptos previos. Las topologías de redes y la arquitectura TCP/IP. Vamos a verlo someramente.

Las topologías de redes

La topología de una red hace referencia a la forma en que se interconectan los equipos o nodos, lo que determina la forma en que se transmite la información. Veámoslas.

Bus

Se utiliza un único cable para conectar los equipos. Es la topología que utiliza menos cable pero con el inconveniente de que, si falla algún enlace, cae toda la red al quedar abierta. Se implementa con cable coaxial, y conectores N, F y BNC.

Anillo

Todos los nodos están conectados a un único medio de transmisión con sus dos extremos unidos. Del mismo modo que en la topología en bus, si falla algún enlace la red dejará de funcionar. Se implementa con cable coaxial o fibra óptica.

Malla

Aquí encontramos todos los nodos interconectados entre si, con la ventaja de que si un nodo falla, existen otras rutas para que viaje la información. Esta topología necesita más cable encareciendo su implementación.

Estrella

Todos los equipos se conectan a un nodo central que se encargará de distribuir la información por la red. Si falla el nodo central, caerá toda la red, pero si es un nodo de los extremos, solo quedará sin servicio este. El nodo central suele ser un dispositivo específico de interconexión (router, switch o hub).

Árbol

La interconexión de los equipos es de forma jerarquizada. El fallo de un nodo dejará sin servicio a todos los que estén por debajo. Se utiliza sobre todo en redes de telefonía donde los nodos centrales son centralitas locales o regionales.

Estas topologías se llaman físicas, pues solo hacen referencia a la distribución del medio o cable. Como veremos al explicar los dispositivos de interconexión, algunas de estas topologías físicas se comportan como otras topologías en su funcionamiento. Esto es la topología lógica, la forma en que se transmite la información.

La arquitectura TCP/IP

TCP/IP se suele confundir con un protocolo de comunicaciones. Lo cierto es que se trata de una arquitectura de red, en capas, que incluye muchos protocolos diferentes. Por ello también se le llama pila de protocolos. Constituye la base de las comunicaciones por internet, implementada en sistemas UNIX y GNU/Linux, aunque, debido a su generalizado uso, ha sido implantada en otros sistemas como MS Windows.

El objetivo de su creación era permitir interconectar redes diferentes, ser tolerante a fallos y permitir el uso de aplicaciones diferentes.

Cada capa trata la información en función del protocolo que contiene, y la encapsula añadiendo información (cabecera y cola), para pasarla al nivel inferior, que procederá según sus protocolos igualmente. Cuando llegue a su destino los paquetes recorrerán el camino inverso en la pila de protocolos.

Es importante comprender estas capas porque cada dispositivo de interconexión trabaja en diferentes capas.

Capas de la arquitectura TCP/IP

Las capas de la arquitectura TCP/IP son:

Aplicación

Capa de aplicación. Contiene los protocolos de más alto nivel. Podríamos decir que es donde encontramos las aplicaciones de usuario, por ejemplo SSH «secure shell» protocolo de comunicación seguro por terminal, FTP «files tranfer protocol» o protocolo de transferencia de ficheros y HTTP «hiper text transfer protocol», los navegadores, DHCP, DNS, entre otros muchos como los que gestionan el correo electrónico (POP, IMAP, SMTP).

Tranporte

Capa de transporte. Cumple la función de establecer una conversación entre el origen y el destino. Se ocupa del control de errores y de la ordenación de los paquetes de datos. Los protocolos más importantes que encontramos en esta capa son TCP «Transmission Control Protocol», orientado a la conexión y fiable y UDP «User Datagram Protocol», no orientado a la conexión y no fiable.

Internet o red

Capa de internet o red. Esta capa es muy importante ya que se encarga de permitir que las estaciones envíen información (paquetes) a la red y los hagan viajar e forma independiente hacia su destino. El protocolo más importante que encontramos en esta capa es IP «Internet Protocol», aunque existen más. Se ocupa del direccionamiento lógico, mediante las IPs y el encaminamiento entre nodos de distintas redes.

Acceso al medio o física

Capa de acceso al medio o física. Esta capa tiene dos subcapas, enlace de datos y física, aunque en la definición de la arquitectura no se contempla. Se ocupa del direccionamiento físico mediante las direcciones MAC. Además se encarga de la conexión del equipo con el medio. Como existen muchos tipos de redes diferentes, esta capa necesita de muchos protocolos diferentes, de bajo nivel, para diferentes tecnologías. Es la que se encarga de convertir los 1 y 0 en impulsos eléctricos (cable), en impulsos de luz (fibra óptica) o en la modulación de datos en las ondas de radio o microondas (WIFI). Contiene, por tanto, los estandares IEEE 802, entre los que cabe destacar: IEEE 802.3 Ethernet, IEEE 802.4 Token Bus, IEEE 802.5 Token Ring y IEEE 802.11 para redes inalámbricas de infrarrojos o ondas de radio (wifi).

Una vez hecha esta somera y reduccionísta descripción de topologías y de la arquitectura TCP/IP, vamos a ver los dispositivos de interconexión, motivo de este artículo.

Dispositivos de interconexión en redes locales

Concentrador «Hub»

En las redes locales con topología en bus, el equipo que tiene el testigo «tocken bus», transmite a todos los equipos conectados y seguidamente transmite el token, que autoriza a transmitir a otro, y queda a la escucha en la red. Cuando una estación detecte que el mensaje es para él, lo procesará. Los demás lo descartan.

Las redes con topología en bus comparten un único cable y si falla un nodo toda la red deja de funcionar. Se hace muy difícil encontrar el problema, hay que revisar todas las estaciones una por una y todas las conexiones, ya que es imposible saber cual es la que ha fallado. En este tipo de redes, pisar o tropezar con un cable puede dejar sin servicio a todos los usuarios.

Solución

Para evitar estos problemas, se empezó a utilizar concentradores de cableado o «hub». Este es un dispositivo muy básico que, cuando recibe un paquete, lo reenvía por todas sus interfaces o puertos, por ello también son conocidos como repetidores multipuerto. En vez de distribuir las conexiones, las centraliza en único dispositivo con indicadores luminosos de su estado e impidiendo que la caída de un nodo afecte a toda la red. Si nos encontramos una red con 300 estaciones, el trabajo de encontrar el nodo caído es mucho más fácil y rápido, solo hay que mirar los led en el concentrador.

Por otro lado, como vemos, estamos conectando todas las estaciones a un nodo central, por tanto tendremos una topología física en estrella. Sin embargo, enviando las señales que le llegan por todos los puertos que tienen un cable conectado (difusión), el comportamiento de la red es en bus. Por tanto la topología lógica es en bus. Como no necesita saber quién es el que está conectado al otro lado del cable, pues lo envía a todos, se queda en la capa de acceso al medio, no necesitando revisar las cabeceras de los paquetes para averiguar origen y destino.

Hay otro tipo de concentrador para topologías en anillo. Se llama MAU. Transmite la señal solo a la siguiente estación conectada a la red, por lo tanto no modifica la topología lógica que se seguirá comportando como un anillo. También utiliza un testigo «tocken ring» y opera en la capa de acceso al medio al más bajo nivel.

Conmutador «switch»

El conmutador o «switch», es un dispositivo con el mismo aspecto que el concentrador o «hub», con 4, 8, 16, 24 o más puertos, pero su funcionamiento es bastante diferente. Este dispositivo aumenta considerablemente el rendimiento de la red y nos permite interconectar la red con otras redes, siempre que las dos utilicen los mismos protocolos.

Al añadir un conmutador a una red, inicialmente no sabe que equipos están conectados a sus puertos, pero tras las primeras conexiones, almacena en una tabla las direcciones MAC «Media Access Control» (Control de acceso al medio), que identifican a las tarjetas de red y, por tanto a los equipos conectados por el cable.

Una vez tiene esta tabla, cada ver que recibe un paquete, lee en la cabecera de este la dirección MAC destino, y solo lo reenvía por el puerto donde sabe que tiene conectado el equipo concreto. Solo trabaja en la capa de acceso al medio, al no necesitar conocer las IPs asignadas a los equipos.

El conmutador o «switch» también se utiliza para segmentar redes. Cuando une redes por cada uno de sus puertos, crea lo que se llama dominios de colisión diferentes, aumentando el rendimiento al no compartir el mismo medio cada segmento de red. Es como si todos los clientes de una oficina de correos, no tuviesen que compartir la misma cola.

Encaminador «router»

Los dispositivos anteriores trabajan retransmitiendo la información de un segmento de red a otro de la misma red sin tener en cuenta cual es el dispositivo de destino (hub) o teniendo en cuenta las direcciones físicas MAC (switch).

El encaminador o «router», es un dispositivo utilizado cuando necesitamos interconectar redes que operan en una capa diferente de TCP/IP, (o la misma). Funciona a nivel de capa de red e inferiores de la arquitectura, pero los protocolos de red de ambos lados del encaminador deben ser los mismos y compatibles con los niveles superiores (transporte y aplicación). Podemos resumir diciendo que unen redes diferentes que usan los mismos protocolos.

Su función principal es dirigir los paquetes que recibe a su destino, para ello tiene que extraer, del paquete recibido, la dirección IP del destinatario y decidir cual es la mejor ruta, a partir del algoritmo que utilice y de la tabla de enrrutamiento que guarda (tiene un mapa con la topología de la red y todos los equipos conectados). Como es lógico pensar, este dispositivo tiene una dirección IP en cada una de sus interfaces o puertos.

Es común decir que es un dispositivo más inteligente que los antes vistos, ya que posee memoria ram (volatil, no volatil y flash), rom y un sistema operativo, lo que le permite tomar una decisión más inteligente que el conmutador a la hora de reenviar los paquetes. Estos dispositivos suelen aportar otros servicios como cortafuegos o servidor DHCP. Funciona a nivel de la capa de red.

Puente «bridge»

El Puente o «bridge» es un dispositivo genérico que permite interconectar redes con topologías diferentes y protocolos diferentes a nivel de MAC (capa de subred). Es capaz de filtrar el tráfico a transferir a partir de las direcciones físicas MAC que reconoce que están a un lado u otro y añadir seguridad, por ello opera en el nivel de enlace de datos en la capa física o de acceso al medio. Por ejemplo un puente nos permite unir una red Ethernet y una Token Ring. Realiza las adaptaciones necesarias para que ambas puedan intercambiar información.

Pasarela o puerta de enlace, «gateway»

Este dispositivo se suele confundir con el encaminador o «router». Lo podemos definir como un dispositivo que se encarga del encaminamiento de la información y la interconexión de redes diferentes. Generalmente se utiliza para interconectar una LAN con internet, de ahí su nombre (puerta de enlace) en las herramientas de configuración de las interfaces de red de todos los Sistemas Operativos.

Por ello, la definición genérica de pasarela, puerta de enlace o «gateway» es el dispositivo que permite interconectar redes que utilizan arquitecturas completamente diferentes para compartir información. Por lo tanto, estamos hablando de un dispositivo de gran complejidad que normalmente se diseña con un ordenador personal dedicado, con varias tarjetas de red y programas de conversión y comunicación.

Este dispositivo, que permite que desde una LAN Ethernet, podramos salir a Internet, una red con una arquitectura completamente diferente, opera a nivel de la capas de aplicación y de transporte.

Access Point

El AP «Access Point» es un dispositivo encargado de crear una red de área local inalámbrica (WLAN) y que ofrece conexión con la red cableada. Realiza la misma función que un concentrador de cableado (hub), es decir, centraliza las las conexiones de la red. No obstante, estos dispositivos funcionan sin cables, aunque todas las conexiones de los equipos que tiene en su radio de acción van a parar a este. Algunos de estos dispositivos tienen un puerto Rj45, lo que permite conectarlo a una LAN Ethernet o a otro punto de acceso, y así ampliar su radio de acción. Pueden estar integrados en muchos equipos (los portátiles lo suelen llevar incorporado) y muchos equipos de escritorio también, o se puede ampliar con una tarjeta PCIe. Estamos hablando del WIFI.

A este dispositivo también se le llama de otras maneras, en función de su uso, por ejemplo, las antenas de telefonía móvil son un punto de acceso al que se conectan los usuarios que están dentro de su rango de acción (célula de cobertura).

Se han visto los dispositivos de interconexión de redes de manera muy limitada con el objetivo de que se entiendan sus diferencias. Lógicamente, si profundizamos un poco, veremos que hay muchas características técnicas importantísimas que aquí no se han contemplado.

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