Instalación y Mantenimiento de Redes para Transmisión de Datos PDF

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I.E.S. INSTALACIÓN Y MANTENIMIENTO DE REDES PARA TRANSMISIÓN DE DATOS VIRGEN DE LA DIRECCIONAMIENTO IP VICTORIA G.B. 2º FECHA: UD 3 DIRECCIONAMIENTO IP – PARTE 1 Objetivos Realizar operaciones básicas de configuración en redes locales cableadas y relacionarlas con sus aplicaciones prácticas. Esto abarca conceptos fundamentales sobre direccionamiento IP, principios de comunicación, protocolos, estándares, modelos de comunicación, medios de red y la capa de acceso. RA 5.- Realiza operaciones básicas de configuración en redes locales cableadas relacionándolas con sus aplicaciones. José Javier Pérez Suárez Página 1 de 10  2º GRADO BÁSICO I.E.S. VIRGEN Instalación y mantenimiento de redes para transmisión de datos DE LA VICTORIA UD 3 Sumario 1 Principios de comunicación............................................................................................................. 3 1.1 Protocolos de comunicación................................................................................................... 3 1.1.1 Características de los protocolos de comunicación:....................................................... 3 1.2 Estándares de comunicación................................................................................................... 3 1.2.1 Organizaciones clave en la creación y gestión de los estándares de redes:................... 4 1.3 Modelos de comunicación...................................................................................................... 4 1.3.1 Modelos de protocolo (TCP/IP) y modelo de referencia (OSI)........................................ 5 1.3.2 El modelo OSI. Modelo de referencia............................................................................. 6 1.3.3 El modelo TCP/IP. Modelo de protocolo......................................................................... 6 1.3.4 Comparación modelo OSI & TCP/IP................................................................................ 7 2 Medios de red................................................................................................................................. 7 2.1 Medios para la trasmisión de datos........................................................................................ 7 3 La capa de acceso............................................................................................................................ 7 3.1 Los campos de la trama ethernet............................................................................................ 8 3.2 Encapsulación y trama ethernet............................................................................................. 8 3.3 La capa de acceso.................................................................................................................... 9 3.3.1 Conmutadores Ethernet – Switch................................................................................... 9 3.3.2 Tablas de direcciones MAC............................................................................................ 10 Página 2 de 10 José Javier Pérez Suárez  I.E.S. INSTALACIÓN Y MANTENIMIENTO DE REDES PARA TRANSMISIÓN DE DATOS VIRGEN DE LA DIRECCIONAMIENTO IP VICTORIA G.B. 2º FECHA: UD 3 1 Principios de comunicación 1.1 Protocolos de comunicación Los protocolos de comunicación son reglas y estándares que permiten a los dispositivos de una red intercambiar información de forma organizada y coherente. Estas reglas dictan cómo se envían, reciben y procesan los datos, asegurando la interoperabilidad entre distintos dispositivos y sistemas. Son esenciales para que diferentes dispositivos, como computadoras, routers, y otros elementos de red, se comuniquen entre sí. 1.1.1 Características de los protocolos de comunicación: 1.1.1.1 Formato del mensaje: Define la estructura y el orden en el que se presentan los datos dentro del mensaje. Cada protocolo especifica cómo deben ordenarse y estructurarse los campos de datos, cabeceras y pies del mensaje, lo que facilita la comprensión y el procesamiento por parte de los dispositivos que reciben el mensaje. 1.1.1.2 Tamaño del mensaje: Especifica la longitud máxima de los datos que pueden enviarse en un solo mensaje. Algunos protocolos tienen un tamaño fijo, mientras que otros permiten tamaños variables, ajustándose a la cantidad de información que se transmite y a la capacidad de la red. 1.1.1.3 Sincronización: Establece el tiempo y la coordinación en el envío y recepción de mensajes. La sincronización asegura que los dispositivos estén listos para enviar o recibir datos en el momento adecuado, evitando pérdida de información y garantizando la integridad de la comunicación. 1.1.1.4 Codificación: Consiste en transformar los datos en un formato comprensible para los dispositivos de la red. Cada protocolo especifica un método de codificación, que puede incluir ASCII, binario o hexadecimal, para asegurar que los datos sean interpretados correctamente en cada extremo de la comunicación. 1.1.1.5 Encapsulamiento: Es el proceso de envolver datos con una cabecera y, en ocasiones, con un pie. La cabecera contiene información de control, como la dirección del remitente y destinatario, tipo de protocolo, entre otros, mientras que el pie suele incluir información para verificar la integridad de los datos. 1.1.1.6 Patrón del mensaje: Especifica la secuencia y frecuencia de los mensajes enviados entre dispositivos. Define el flujo de la comunicación y las reglas de interacción, como los mensajes de solicitud y respuesta en protocolos como TCP, asegurando que los datos se envíen en un orden coherente y predecible. 1.2 Estándares de comunicación Los estándares de comunicación son normas y especificaciones establecidas para garantizar que los dispositivos de diferentes fabricantes puedan interconectarse y comunicarse de manera efectiva en José Javier Pérez Suárez Página 3 de 10  2º GRADO BÁSICO I.E.S. VIRGEN Instalación y mantenimiento de redes para transmisión de datos DE LA VICTORIA UD 3 una red. Estos estándares regulan aspectos como los tipos de conexiones físicas, los protocolos de transmisión de datos y la configuración de red, asegurando la compatibilidad y la interoperabilidad de los equipos de diferentes proveedores. Gracias a estos estándares, es posible construir redes complejas en las que los dispositivos trabajan en conjunto de forma armonizada. 1.2.1 Organizaciones clave en la creación y gestión de los estándares de redes: 1.2.1.1 IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers): El IEEE es fundamental en el desarrollo de estándares para redes de datos, especialmente a través del grupo de trabajo IEEE 802, que incluye el popular estándar IEEE 802.3 para Ethernet y IEEE 802.11 para redes inalámbricas (Wi-Fi). Estos estándares son utilizados en prácticamente todas las redes de datos, ya sea a nivel local (LAN) o de mayor alcance. 1.2.1.2 IETF (Internet Engineering Task Force): La IETF es responsable de los estándares que forman la base de Internet. Este organismo se centra en desarrollar protocolos como el IP (Internet Protocol), TCP (Transmission Control Protocol), y HTTP (Hypertext Transfer Protocol). Sus especificaciones están documentadas en los RFC (Request for Comments) y se utilizan en el funcionamiento de la red global de Internet. 1.2.1.3 ISO (International Organization for Standardization): La ISO es una organización internacional que define estándares aplicables en múltiples campos, incluyendo las telecomunicaciones. En redes, la ISO desarrolló el modelo OSI (Open Systems Interconnection), un marco de referencia teórico que organiza los protocolos de comunicación en siete capas, facilitando el entendimiento de cómo funciona la comunicación en redes. 1.2.1.4 ITU (International Telecommunication Union): La ITU es una agencia de las Naciones Unidas especializada en tecnologías de la información y la comunicación. Define estándares de telecomunicaciones que son fundamentales para la interoperabilidad de redes y sistemas a nivel global, incluyendo estándares para redes de telefonía, transmisión de datos y transmisión de video. 1.2.1.5 ANSI (American National Standards Institute): Aunque ANSI trabaja principalmente en Estados Unidos, sus estándares tienen influencia global en áreas como redes de datos, telecomunicaciones y compatibilidad de hardware. ANSI colabora con otras organizaciones para desarrollar especificaciones compatibles y reconocidas a nivel internacional.mplejas en las que los dispositivos trabajan en conjunto de forma armonizada. 1.3 Modelos de comunicación El modelo de capas es un enfoque estructurado que organiza el funcionamiento de las redes en diferentes niveles, permitiendo una comunicación ordenada y eficiente entre dispositivos. Cada capa tiene funciones específicas y se comunica con las capas adyacentes, formando una estructura modular que facilita la comprensión y el diseño de redes complejas. Este enfoque de capas es utilizado en varios modelos de comunicación, siendo el más conocido el Modelo OSI (Open Systems Interconnection) y el Modelo TCP/IP. Página 4 de 10 José Javier Pérez Suárez  I.E.S. INSTALACIÓN Y MANTENIMIENTO DE REDES PARA TRANSMISIÓN DE DATOS VIRGEN DE LA DIRECCIONAMIENTO IP VICTORIA G.B. 2º FECHA: UD 3 El modelo de capas aporta una serie de beneficios que simplifican la comunicación en redes y permiten un diseño modular y escalable. Entre los principales beneficios se encuentran:  Facilita el diagnóstico y la resolución de problemas: Al dividir las funciones de la red en capas específicas, es más sencillo identificar y resolver problemas, ya que los fallos suelen estar limitados a una capa particular sin afectar directamente a las demás.  Permite la interoperabilidad entre diferentes sistemas y fabricantes: El modelo de capas establece un estándar que asegura que dispositivos y sistemas de distintos fabricantes puedan comunicarse de manera efectiva, siempre que cumplan con los protocolos establecidos para cada capa.  Facilita la comprensión y la enseñanza de redes: La separación de funciones en capas permite a los estudiantes y profesionales aprender cada aspecto de la comunicación en redes de forma secuencial, comprendiendo cómo interactúan las distintas partes sin verse abrumados por la complejidad global.  Proporciona modularidad y escalabilidad: El diseño modular de una red en capas permite realizar mejoras o ampliaciones en una capa sin necesidad de modificar otras capas. Esto hace que las redes sean más fáciles de escalar y de adaptar a nuevas tecnologías o requisitos.  Fomenta la innovación y el desarrollo de nuevos protocolos y tecnologías: Como cada capa es independiente, los ingenieros pueden desarrollar nuevos protocolos o mejorar los existentes en una capa específica sin tener que rediseñar toda la arquitectura de la red. Esto impulsa la innovación y facilita la evolución de las redes.  Simplifica la implementación de políticas de seguridad: Las políticas de seguridad pueden aplicarse de manera específica en ciertas capas (como en la capa de aplicación o de red), permitiendo un control más preciso y eficiente de la seguridad en función del tipo de tráfico o de la necesidad de cada capa.  Facilita la estandarización: Al organizar las funciones de red en capas, es posible definir estándares para cada capa que luego pueden ser adoptados por diferentes organizaciones y fabricantes, promoviendo una comunicación uniforme y compatible en redes locales y globales. 1.3.1 Modelos de protocolo (TCP/IP) y modelo de referencia (OSI). Modelo de Referencia: Un modelo de referencia es una guía conceptual que organiza las funciones necesarias para la comunicación en redes en varias capas, sin especificar los protocolos exactos a utilizar. El modelo de referencia más famoso es el modelo OSI (Open Systems Interconnection), que organiza las funciones de red en siete capas (Física, Enlace de Datos, Red, Transporte, Sesión, Presentación y Aplicación). Este modelo es teórico y proporciona una estructura para comprender cómo funcionan las redes, pero no define protocolos específicos. El modelo OSI actúa como un marco de referencia que facilita el estudio, diseño y estandarización de protocolos en redes. Es independiente de los protocolos, lo que permite que los desarrolladores elijan o diseñen los que mejor se adapten a cada capa y necesidad. Modelo de Protocolo: Un modelo de protocolo describe un conjunto de reglas o protocolos específicos que rigen la comunicación entre dispositivos dentro de una red. Estos modelos detallan cada paso del proceso de José Javier Pérez Suárez Página 5 de 10  2º GRADO BÁSICO I.E.S. VIRGEN Instalación y mantenimiento de redes para transmisión de datos DE LA VICTORIA UD 3 comunicación, especificando cómo se deben manejar y estructurar los datos en cada capa. Un ejemplo común es el modelo TCP/IP, que define los protocolos para la comunicación en redes, especialmente en Internet. En el modelo TCP/IP, cada capa está directamente asociada a un conjunto de protocolos (como IP para la capa de Internet, TCP/UDP para la capa de Transporte, y HTTP, FTP o SMTP en la capa de Aplicación). Este modelo no solo organiza las funciones, sino que también especifica cómo deben interactuar los protocolos en cada capa para garantizar una comunicación eficiente y fiable. 1.3.2 El modelo OSI. Modelo de referencia. El modelo OSI es un marco teórico de siete capas que ayuda a entender cómo los datos se mueven desde una aplicación en un dispositivo hasta el destino final en otro dispositivo. Las capas del modelo OSI son:  Capa Física (Capa 1): Define los aspectos físicos de la transmisión de datos, como los cables, señales eléctricas y conectores. Es responsable de transmitir los bits entre dispositivos.  Capa de Enlace de Datos (Capa 2): Gestiona la comunicación directa entre dispositivos en una red local (LAN). Incluye el direccionamiento físico (direcciones MAC) y los métodos para la detección de errores y el control de flujo de datos.  Capa de Red (Capa 3): Es responsable de enrutar los datos entre diferentes redes y proporciona direccionamiento lógico mediante direcciones IP, permitiendo la interconexión de redes.  Capa de Transporte (Capa 4): Asegura que los datos se entreguen correctamente entre dispositivos. Utiliza protocolos como TCP y UDP para controlar el flujo de datos, segmentarlos y gestionar la confiabilidad de la transmisión.  Capa de Sesión (Capa 5): Administra la creación, mantenimiento y terminación de sesiones o conexiones entre aplicaciones en dispositivos distintos. Sincroniza la comunicación y organiza el intercambio continuo de información.  Capa de Presentación (Capa 6): Traduce, encripta y comprime los datos para que las aplicaciones puedan interpretarlos adecuadamente. Esta capa actúa como un traductor de los datos, asegurando que se presenten de manera comprensible para la capa superior.  Capa de Aplicación (Capa 7): Es la capa más cercana al usuario y facilita la interacción directa con las aplicaciones de red. Incluye protocolos de aplicación como HTTP, FTP y SMTP, que permiten a las aplicaciones comunicarse sobre la red. 1.3.3 El modelo TCP/IP. Modelo de protocolo. El modelo TCP/IP, diseñado para Internet, organiza las capas en cuatro niveles que agrupan las funciones del modelo OSI:  Capa de Acceso a la Red: Combina las funciones de las capas física y de enlace de datos del modelo OSI.  Capa de Internet: Equivale a la capa de red del OSI y gestiona el enrutamiento de datos mediante el protocolo IP.  Capa de Transporte: Similar a la capa de transporte del OSI, asegura la entrega de datos mediante protocolos como TCP y UDP.  Capa de Aplicación: Combina las capas de aplicación, presentación y sesión del OSI, proporcionando los servicios de red directamente a las aplicaciones del usuario. Página 6 de 10 José Javier Pérez Suárez  I.E.S. INSTALACIÓN Y MANTENIMIENTO DE REDES PARA TRANSMISIÓN DE DATOS VIRGEN DE LA DIRECCIONAMIENTO IP VICTORIA G.B. 2º FECHA: UD 3 1.3.4 Comparación modelo OSI & TCP/IP 2 Medios de red Los medios de red son los canales físicos a través de los cuales se transmiten los datos en una red. Estos medios pueden ser medios guiados (cableados) o medios no guiados (inalámbricos). Los cuatro criterios principales para elegir los medios de red son:  ¿Cuál es la distancia máxima en la que el medio puede transportar una señal exitosamente?  ¿Cuál es el entorno en el que se instalarán los medios?  ¿Cuál es la cantidad de datos y a qué velocidad deben transmitirse?  ¿Cuál es el costo del medio y de la instalación? 2.1 Medios para la trasmisión de datos  Medios guiados (cableados): Incluyen cables de cobre (como los cables de par trenzado y coaxial) y cables de fibra óptica. Estos medios transportan los datos en forma de señales eléctricas o de luz y suelen ofrecer alta velocidad, estabilidad y seguridad en la transmisión. o Hilos metálicos dentro de cables (Medio guiado) - Los datos se codifican en impulsos eléctricos. o Fibras de vidrio o plástico (cable de fibra óptica – Medio guiado) - Los datos se codifican como pulsos de luz.  Medios no guiados (inalámbricos): Utilizan el aire como medio de transmisión y funcionan mediante ondas de radio, microondas o infrarrojas. Ejemplos comunes son las redes Wi-Fi, Bluetooth y redes móviles. Los medios inalámbricos proporcionan flexibilidad y movilidad, aunque pueden ser más susceptibles a interferencias y pérdida de señal. o Transmisión inalámbrica (Medio no guiado) - Los datos se codifican a través de la modulación de frecuencias específicas de ondas electromagnéticas. 3 La capa de acceso La capa de acceso a la red es la capa responsable de establecer una conexión física entre dispositivos de una red local (LAN) y gestionar el intercambio de datos entre ellos. En esta capa se define cómo los José Javier Pérez Suárez Página 7 de 10  2º GRADO BÁSICO I.E.S. VIRGEN Instalación y mantenimiento de redes para transmisión de datos DE LA VICTORIA UD 3 datos se encapsulan en tramas y cómo se transmiten a través de medios físicos, como cables o de manera inalámbrica. Es aquí donde se utilizan tecnologías como Ethernet y Wi-Fi para organizar y controlar el tráfico en la red, incluyendo el uso de direcciones MAC para identificar a los dispositivos conectados. 3.1 Los campos de la trama ethernet Una trama Ethernet es la unidad de datos utilizada en redes Ethernet para el intercambio de información entre dispositivos en una red local (LAN). Las tramas encapsulan los datos y añaden información de control que permite a los dispositivos interpretar y gestionar la comunicación de manera efectiva.  Preambulo (7 bytes): Consiste en una secuencia de bits que permite a los dispositivos sincronizarse antes de comenzar la transmisión de datos.  Delimitador de Inicio de Trama (SFD) (1 byte): Señala el final del preámbulo y el inicio de la trama, indicando que los datos comenzarán inmediatamente después de este byte.  Dirección MAC de Destino (6 bytes): Es la dirección física del dispositivo receptor en la red. Permite identificar el destino específico de la trama.  Dirección MAC de Origen (6 bytes): Indica la dirección física del dispositivo que envía la trama, permitiendo al receptor identificar el origen de los datos.  Tipo o Longitud (2 bytes): Especifica el protocolo de nivel superior al que pertenece el contenido de la trama (como IPv4 o IPv6) o la longitud de los datos en la trama.  Datos o Carga Útil (46-1500 bytes): Contiene los datos reales que se están transmitiendo. Este campo puede variar en tamaño, pero debe ajustarse al mínimo y máximo definido por el estándar Ethernet.  Secuencia de Comprobación de Trama (FCS) (4 bytes): Incluye un código de verificación (CRC) que permite al dispositivo receptor comprobar si los datos se han recibido correctamente. Si se detectan errores, la trama puede ser descartada. 3.2 Encapsulación y trama ethernet La encapsulación es el proceso mediante el cual los datos se preparan para su transmisión a través de una red. En el caso de Ethernet, la encapsulación se realiza en la capa de enlace de datos (Mod OSI, capa acceso a la red – Mod TCP/IP), donde se toma el paquete de la capa de red (carga de datos) y se "envuelve" en una trama Ethernet. Página 8 de 10 José Javier Pérez Suárez  I.E.S. INSTALACIÓN Y MANTENIMIENTO DE REDES PARA TRANSMISIÓN DE DATOS VIRGEN DE LA DIRECCIONAMIENTO IP VICTORIA G.B. 2º FECHA: UD 3 Durante la encapsulación en Ethernet, se añaden al paquete una cabecera y un pie específicos. La cabecera incluye información crucial, como las direcciones MAC de origen y destino, mientras que el pie contiene un código de verificación (FCS) que permite detectar errores en la transmisión. Esta estructura encapsulada, llamada trama, es entonces enviada al medio físico para su transmisión dentro de una red local. 3.3 La capa de acceso En la capa de acceso de una red, los dispositivos principales que encontraremos son aquellos que permiten la conexión directa de los usuarios y sus dispositivos a la red. Estos dispositivos incluyen:  Hubs: Aunque en desuso debido a su ineficiencia, los hubs fueron utilizados en redes antiguas para conectar dispositivos en una LAN, aunque transmiten los datos a todos los puertos sin discriminar el destinatario.  Conmutadores Ethernet (Switches): Son los dispositivos más comunes en la capa de acceso, ya que conectan múltiples dispositivos en una red local (LAN) y dirigen el tráfico de datos de manera eficiente utilizando direcciones MAC.  Puentes (Bridges): Aunque menos comunes en redes modernas, los puentes se utilizan para conectar y segmentar redes, permitiendo la comunicación entre distintas partes de la red local.  Puntos de Acceso Inalámbrico (Access Points): Permiten la conexión inalámbrica de dispositivos a la red, proporcionando conectividad Wi-Fi y gestionando el tráfico entre los dispositivos conectados de forma inalámbrica y la red cableada.  NIC: Son componentes instalados en dispositivos finales, como computadoras, impresoras o servidores, y permiten que estos dispositivos se conecten físicamente a la red, ya sea mediante un cable (Ethernet) o de forma inalámbrica (Wi-Fi). 3.3.1 Conmutadores Ethernet – Switch Son dispositivos clave que conectan varios dispositivos dentro de una red local (LAN), permitiendo que se comuniquen de manera eficiente. Los conmutadores operan en la capa de enlace de datos, utilizando direcciones MAC para identificar y dirigir los datos al dispositivo correcto. Cada conmutador mantiene una tabla de direcciones MAC, que es una base de datos donde se registran las direcciones MAC de los dispositivos conectados y el puerto del conmutador al que están José Javier Pérez Suárez Página 9 de 10  2º GRADO BÁSICO I.E.S. VIRGEN Instalación y mantenimiento de redes para transmisión de datos DE LA VICTORIA UD 3 asociados. Esta tabla permite al conmutador enviar las tramas Ethernet únicamente al puerto correspondiente al destino, en lugar de transmitir a todos los puertos, optimizando así el tráfico de red y reduciendo colisiones. 3.3.2 Tablas de direcciones MAC La tabla de direcciones MAC, también conocida como tabla de direcciones o tabla CAM (Content Addressable Memory), es una base de datos que utilizan los conmutadores (switches) en una red local (LAN) para asociar direcciones MAC de los dispositivos conectados a los puertos del conmutador. Esta tabla permite que el conmutador dirija las tramas Ethernet hacia el puerto específico al que está conectado el dispositivo de destino, en lugar de enviar las tramas a todos los puertos, lo que optimiza el tráfico de red y reduce las colisiones. La construcción de la tabla de direcciones MAC ocurre automáticamente mediante un proceso conocido como autoaprendizaje:  Recepción de una trama: Cuando el conmutador recibe una trama Ethernet en uno de sus puertos, analiza la dirección MAC de origen de la trama.  Registro de la dirección MAC de origen: El conmutador agrega la dirección MAC de origen a su tabla MAC, asociándola al puerto por el cual la trama fue recibida. Esto indica que cualquier trama dirigida a esa dirección MAC puede enviarse a través de ese puerto específico.  Consulta para el reenvío de la trama: Después de registrar la dirección MAC de origen, el conmutador consulta su tabla para determinar el puerto asociado a la dirección MAC de destino. Si la dirección MAC de destino ya está en la tabla, el conmutador envía la trama solo por el puerto correspondiente.  Difusión si no se encuentra la dirección de destino: Si la dirección MAC de destino no está en la tabla, el conmutador realiza un broadcast o difusión, enviando la trama a todos los puertos (excepto al de origen) para localizar el dispositivo de destino. Cuando el dispositivo de destino responde, el conmutador registra su dirección MAC en la tabla para futuras comunicaciones.  Expiración y actualización: Las entradas en la tabla de direcciones MAC no son permanentes; tienen un tiempo de vida definido. Si no se detecta actividad de una dirección MAC durante un tiempo determinado, la entrada se elimina para dar espacio a nuevas direcciones y mantener la tabla actualizada. Este proceso de autoaprendizaje permite que los conmutadores construyan y mantengan una tabla de direcciones MAC de manera dinámica y en tiempo real, optimizando el flujo de datos en la red local. 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