Ethernet

Ethernet — es una familia de protocolos y tecnologías que definen la forma de organizar la transmisión de datos en redes de área local (LAN). Describe las reglas según las cuales los dispositivos conectados a la red intercambian datos, así como el formato de los tramas y los métodos de acceso al medio de transmisión.

Historia del desarrollo del protocolo Ethernet

Ethernet fue desarrollado en 1973 en los laboratorios Xerox por Robert Metcalfe y su equipo. La versión inicial de Ethernet soportaba una velocidad de transmisión de 2,94 Mbit/s y utilizaba cables coaxiales. En 1980 se publicó el estándar Ethernet 1.0.

En 1995 apareció Fast Ethernet (100BASE-TX), que incrementó la velocidad a 100 Mbit/s. En 1998 se desarrolló Gigabit Ethernet (1000BASE-T), que proporciona una velocidad de 1 Gbit/s. Posteriormente, con el aumento de las necesidades de ancho de banda, surgieron versiones de 10 Gigabit Ethernet y 40/100 Gigabit Ethernet, utilizadas en centros de datos.

Hoy en día Ethernet sigue siendo la base de las redes locales, soportando velocidades de hasta 400 Gbit/s y más. La tecnología continúa evolucionando, incluyendo soluciones para redes industriales y sistemas autónomos, como Redes sensibles al tiempo (TSN).

Características principales de Ethernet

1. Protocolo de la capa de enlace (capa 2 del modelo OSI): Ethernet funciona en la capa de enlace del modelo OSI, lo que significa que gestiona la transmisión de datos entre nodos vecinos en una red local.
2. Formato de la trama Ethernet: Ethernet transmite datos en forma de tramas, que contienen:
   • Direcciones MAC del remitente y del destinatario — identificadores únicos de los dispositivos.
   • Tipo de protocolo — indica qué protocolo de nivel superior (por ejemplo, IPv4 o IPv6) se está usando para la transmisión de datos.
   • Campo de datos — la carga útil, por ejemplo paquetes IP.
   • Suma de comprobación (CRC) — utilizada para la verificación de errores.
3. Tipos de transmisión:
   • Unicast — transmisión a un único destinatario.
   • Broadcast — transmisión a todos los nodos de la red.
   • Multicast — transmisión a un grupo de dispositivos.
4. Métodos de acceso al medio (CSMA/CD): Ethernet originariamente utilizó el método CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection). Los dispositivos escuchan la línea para asegurarse de que el canal está libre y envían datos. Si ocurre una colisión de tramas, los nodos esperan un tiempo aleatorio y reintentan la transmisión. Este método es relevante para redes basadas en cable coaxial, pero las redes Ethernet modernas suelen usar conmutadores, lo que reduce la probabilidad de colisiones.

Estándares clave de Ethernet

• 10BASE-T (10 Mbit/s): Primera versión de Ethernet sobre par trenzado con una velocidad máxima de 10 Mbit/s.
• Fast Ethernet (100BASE-TX) (100 Mbit/s): Velocidad aumentada para soportar nuevas aplicaciones y flujos de datos.
• Gigabit Ethernet (1000BASE-T) (1 Gbit/s): Se convirtió en el estándar para LAN modernas.
• 10 Gigabit Ethernet (10GBASE-T): Soporta 10 Gbit/s para soluciones de red exigentes.
• Ethernet sobre fibra (1000BASE-SX, 1000BASE-LX): Ethernet por fibra óptica para conexiones de mayor distancia y alta fiabilidad.

Tipos de cable y medios de transmisión

• Cable coaxial (versiones tempranas): se usaba en antiguas redes Ethernet.
• Par trenzado (Cat5, Cat6, Cat7): estándar para LAN modernas.
• Fibra óptica: se emplea en redes de alta velocidad a largas distancias.

Ethernet y conmutación

Las redes Ethernet modernas se construyen usando conmutadores, que permiten a cada dispositivo tener un canal de comunicación dedicado. Esto elimina las colisiones y aumenta el ancho de banda de la red. A diferencia de los concentradores, los conmutadores analizan las direcciones MAC y envían los datos solo al destinatario necesario.

Ethernet en arquitecturas de red

Ethernet soporta diversas topologías, incluyendo:

• Estrella: todos los dispositivos están conectados a un único conmutador.
• Anillo: se usa en redes industriales.
• Bus: históricamente se empleó en Ethernet basado en coaxial, pero hoy en día casi no se utiliza.

Ventajas de Ethernet

• Alta velocidad de transmisión de datos: Soporte de velocidades de hasta 400 Gbit/s en las versiones más recientes.
• Simplicidad de configuración: Ethernet es fácil de escalar y soporta la detección automática de velocidades.
• Versatilidad: Funciona tanto sobre par trenzado como sobre fibra óptica.
• Compatibilidad: Ethernet está estandarizado y es compatible con todos los dispositivos de red.

Ventajas adicionales de Ethernet en 2024

• Soporte para centros de datos contemporáneos
• Compatibilidad con las tecnologías de red más recientes
• Preparación para la adopción de inteligencia artificial
• Optimización para la computación en la nube

Desventajas de Ethernet

• Alcance limitado: El par trenzado está limitado a 100 metros, aunque esto se soluciona usando fibra óptica.
• Falta de priorización de tráfico en la versión básica: Aunque los estándares Ethernet modernos (por ejemplo, IEEE 802.1p) soportan priorización, originalmente no se incluía.
• Sensibilidad a interferencias: El par trenzado puede verse afectado por interferencias electromagnéticas, aunque los cables apantallados resuelven este problema.

Futuro de Ethernet

Con el avance de las tecnologías, Ethernet sigue adaptándose:

• 400 Gigabit Ethernet (400G Ethernet): usado en centros de datos.
• 1 Terabit Ethernet: está en desarrollo y será el siguiente paso en la evolución de las tecnologías de red.
• Ethernet para redes industriales (TSN — Redes sensibles al tiempo): proporciona transmisión de datos con baja latencia para aplicaciones críticas, como automatización industrial y transporte autónomo.

Ethernet continúa siendo la tecnología principal para construir redes locales gracias a su fiabilidad, simplicidad y velocidad. Sigue evolucionando, ofreciendo velocidades y capacidades cada vez mayores, y permanece como fundamento de las soluciones de red actuales y futuras.

Wi-Fi (IEEE 802.11)

Wi‑Fi — es una tecnología inalámbrica de transmisión de datos basada en el estándar IEEE 802.11. Permite conectar dispositivos a una red local (LAN) y acceder a Internet sin usar cables, funcionando en bandas de radiofrecuencia. El Wi‑Fi se usa ampliamente para crear redes locales en hogares, oficinas, espacios públicos y empresas.

Historia del desarrollo del protocolo Wi‑Fi (IEEE 802.11)

El primer estándar Wi‑Fi (802.11) se publicó en 1997 y soportaba velocidades de hasta 2 Mbit/s. En 1999 se lanzaron versiones extendidas — 802.11a y 802.11b — que ofrecían mayores velocidades (hasta 54 Mbit/s y 11 Mbit/s respectivamente).

En 2003 apareció el estándar 802.11g, que combinaba las ventajas de 802.11a y 802.11b, ofreciendo velocidades de hasta 54 Mbit/s en la banda de 2,4 GHz. En 2009 se adoptó 802.11n, que soporta operación en 2,4 y 5 GHz y velocidades de hasta 600 Mbit/s.

En 2013 se desarrolló 802.11ac, que proporciona velocidades más altas en la banda de 5 GHz (hasta 3,5 Gbit/s). El estándar moderno 802.11ax (Wi‑Fi 6), publicado en 2019, mejora significativamente el rendimiento en redes con muchos usuarios y añade soporte para la banda de 6 GHz (Wi‑Fi 6E).

Características principales de Wi‑Fi

• Bandas de frecuencia: Wi‑Fi opera en las bandas de 2,4 GHz y 5 GHz. Los dispositivos modernos también soportan la banda de 6 GHz (Wi‑Fi 6E).
• Modulación de señal: Para la transmisión de datos se usan técnicas de modulación como OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), que permiten altas velocidades de transmisión.
• Alcance: Depende de la frecuencia y de las condiciones del entorno. 2,4 GHz ofrece mayor cobertura pero está más sujeto a interferencias, mientras que 5 GHz proporciona mayor velocidad a distancias cortas.

Versiones principales del estándar IEEE 802.11

• 802.11b: Opera en 2,4 GHz con una velocidad máxima de 11 Mbit/s.
• 802.11g: Ofrece hasta 54 Mbit/s en 2,4 GHz.
• 802.11n: Funciona en 2,4 y 5 GHz, soportando velocidades de hasta 600 Mbit/s.
• 802.11ac: Soporta hasta 3,5 Gbit/s en 5 GHz, mejorando el rendimiento en redes congestionadas.
• 802.11ax (Wi‑Fi 6): Proporciona altas velocidades y baja latencia para redes multiusuario, operando en 2,4, 5 y 6 GHz.

Topología y estructura de la red Wi‑Fi

Wi‑Fi utiliza dos topologías principales:

• Modo infraestructura: Todos los dispositivos se conectan a un punto de acceso central, que gestiona el intercambio de datos y la conexión a Internet.
• Modo ad‑hoc: Los dispositivos se conectan directamente entre sí sin un punto de acceso, formando una red entre pares.

Seguridad en Wi‑Fi

Para proteger las redes inalámbricas se emplean distintos métodos de cifrado:

• WEP (Wired Equivalent Privacy): Método de cifrado obsoleto y fácilmente vulnerable a ataques.
• WPA (Wi‑Fi Protected Access): Versión mejorada que reemplazó a WEP, con claves de cifrado dinámicas.
• WPA2: Estándar que utiliza cifrado AES para aumentar la seguridad.
• WPA3: Estándar moderno que protege contra ataques de fuerza bruta y mejora el cifrado.

Ventajas de Wi‑Fi

• Movilidad: Los dispositivos pueden conectarse a la red sin cables, permitiendo libertad de movimiento.
• Sencillez de instalación: No es necesario tender cables para conectar dispositivos.
• Amplia difusión: Wi‑Fi es compatible con la mayoría de dispositivos modernos, desde teléfonos inteligentes hasta gadgets inteligentes.

Desventajas de Wi‑Fi

• Suscetibilidad a interferencias: Otros dispositivos en las mismas bandas pueden causar ruido (por ejemplo, hornos microondas).
• Alcance limitado: La señal Wi‑Fi se debilita a grandes distancias o al atravesar obstáculos (por ejemplo, paredes).
• Riesgos de seguridad: Sin la protección adecuada, la red puede ser objetivo de atacantes.

Futuro del Wi‑Fi

Wi‑Fi continúa evolucionando, ofreciendo mayores velocidades y funciones mejoradas:

• Wi‑Fi 6E: Introducción de la banda de 6 GHz para aumentar el ancho de banda y reducir la latencia.
• Wi‑Fi 7: Se espera mayor velocidad y mejoras en el rendimiento multiusuario.
• Wi‑Fi orientado al IoT: Desarrollo de estándares para soportar gran cantidad de dispositivos conectados con bajo consumo energético.

Tendencias actuales del desarrollo del Wi‑Fi en 2024

• Integración con tecnologías de hogar inteligente
• Optimización para la transmisión de vídeo en 4K y 8K
• Soporte para realidad virtual y aumentada
• Mejora de la eficiencia energética para dispositivos IoT

Wi‑Fi sigue siendo una tecnología clave para conectar dispositivos en redes domésticas y corporativas gracias a su flexibilidad, sencillez y accesibilidad. Su desarrollo se orienta a aumentar la velocidad, mejorar la seguridad y soportar el creciente número de dispositivos en las redes modernas.

PPP (Protocolo punto a punto)

PPP (Protocolo punto a punto) — es un protocolo de la capa de enlace utilizado para establecer una conexión directa entre dos nodos en una red. Permite la transmisión de datos a través de conexiones seriales, como líneas telefónicas, canales ISDN, DSL y redes conmutadas. PPP soporta autenticación, cifrado y compresión de datos, lo que lo convierte en uno de los protocolos clave para la conexión a Internet.

Historia del desarrollo del protocolo PPP (Point-to-Point Protocol)

El protocolo PPP fue desarrollado a finales de los años 80 para permitir conexiones a través de líneas telefónicas y módems conmutados. Sustituyó al protocolo SLIP (Serial Line Internet Protocol), que tenía capacidades limitadas. La primera especificación de PPP se publicó en RFC 1661 en 1994.

Con la expansión de Internet en los años 90, PPP se convirtió en la base para las conexiones mediante módems e ISDN. Más adelante, con el auge de las redes de banda ancha, se desarrolló la modificación PPPoE (PPP sobre Ethernet), que se usa en conexiones DSL.

Con el desarrollo de las tecnologías VPN, PPP se convirtió en la base de algunos protocolos de túnel, como PPTP (Protocolo de túnel punto a punto). En los años 2000 su popularidad disminuyó con la aparición de protocolos más modernos, aunque PPP todavía se emplea en soluciones específicas, como DSL y algunos tipos de VPN.

Funciones principales de PPP

• Encapsulación de datos: PPP encapsula protocolos de red (por ejemplo, IP) en sus tramas para la transmisión entre nodos.
• Autenticación: Soporta mecanismos de autenticación como PAP (Password Authentication Protocol) y CHAP (Challenge Handshake Authentication Protocol).
• Compresión de datos: Usa protocolos de compresión (por ejemplo, Stac o Predictor) para aumentar la eficiencia de transmisión.
• Cifrado: Soporta funciones básicas de cifrado para proteger los datos.
• Establecimiento de conexión en varias fases: La sesión PPP atraviesa varias fases, incluyendo inicialización, autenticación y transferencia de datos.

Aplicaciones de PPP

PPP se usó activamente para la conexión a Internet a través de módems conmutados en los años 90. Hoy se emplea en tecnologías de red más modernas:

• Conexiones DSL: Se utiliza en PPPoE (PPP sobre Ethernet) para conectar usuarios a Internet mediante DSL.
• Túneles VPN: Se aplica en algunas tecnologías VPN para establecer conexiones seguras.
• Redes móviles: Se usa en ciertas tecnologías de red para la transmisión de datos entre dispositivos móviles y estaciones base.

Autenticación en PPP

• PAP (Password Authentication Protocol): Protocolo de autenticación sencillo que transmite nombre de usuario y contraseña en texto claro.
• CHAP (Challenge Handshake Authentication Protocol): Protocolo más seguro que utiliza desafíos y respuestas cifradas para verificar la identidad del usuario.

Ventajas de PPP

• Versatilidad: Soporta diversos protocolos de red, incluyendo IP, IPX y AppleTalk.
• Autenticación y seguridad: Proporciona autenticación básica y cifrado de datos.
• Compresión de datos: Reduce el volumen de datos transmitidos, mejorando la velocidad de transferencia.

Desventajas de PPP

• Tecnología obsoleta: Con la aparición de protocolos más modernos, como PPPoE y L2TP, el uso de PPP ha disminuido.
• Seguridad limitada: Aunque PPP soporta autenticación y cifrado, su nivel de protección no se corresponde con los estándares actuales.
• Bajo rendimiento: El protocolo fue diseñado para redes conmutadas y no ofrece las altas velocidades requeridas por las redes modernas.

Uso contemporáneo de PPP

• Proporcionar conexiones VPN seguras
• Soportar sistemas heredados
• Integración con protocolos de seguridad modernos
• Uso en redes industriales especializadas

Futuro de PPP

Aunque PPP ya no se usa tan extensamente como antes, sus modificaciones, como PPPoE (PPP sobre Ethernet) y PPTP (Protocolo de túnel punto a punto), siguen aplicándose en algunas soluciones de red. PPP permanece como una parte importante de la historia de las tecnologías de red, al facilitar la transición del acceso conmutado a Internet hacia las conexiones de alta velocidad actuales.

MAC (Control de Acceso al Medio)

MAC (Control de Acceso al Medio) — es el protocolo de control de acceso al medio de transmisión que opera en la capa de enlace del modelo OSI (capa 2). Define las reglas por las cuales los dispositivos en la red pueden acceder al medio físico de transmisión, gestiona el direccionamiento de los dispositivos y garantiza la correcta entrega de tramas en redes locales (LAN).

Historia del desarrollo del protocolo MAC (Media Access Control)

La concepción del control de acceso al medio (MAC) emergió junto con el desarrollo de las tecnologías de red en los años 70. Inicialmente, los protocolos MAC se diseñaron para operar en redes con medio compartido, como los cables coaxiales.

Con la aparición de Ethernet en los años 80, las direcciones MAC se convirtieron en el estándar para identificar dispositivos en redes locales. Al principio, los protocolos MAC usaban CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) para gestionar el acceso al medio en redes Ethernet. Más adelante, con la transición a conmutadores, la importancia de CSMA/CD disminuyó.

En redes inalámbricas (Wi‑Fi) a finales de los 90 se desarrolló el método CSMA/CA (Collision Avoidance) para prevenir colisiones. Hoy los protocolos MAC siguen desempeñando un papel clave en Ethernet y Wi‑Fi, gestionando la transmisión de datos y el direccionamiento de dispositivos.

Funciones principales del protocolo MAC

• Gestión del acceso al medio: Define qué dispositivo puede transmitir en un momento dado para evitar colisiones.
• Direccionamiento MAC: Cada dispositivo de red tiene una dirección MAC única que se usa para identificar remitente y destinatario de los datos.
• Formación y transmisión de tramas: El protocolo MAC se encarga de encapsular los datos en tramas y enviarlas por la red.

Estructura de la dirección MAC

La dirección MAC es un identificador único de 48 bits, representado en formato hexadecimal. Por ejemplo, 00:1A:2B:3C:4D:5E. Se compone de dos partes:

• OUI (Identificador único organizacional): Los primeros 24 bits que identifican al fabricante del dispositivo.
• Identificador del dispositivo: Los últimos 24 bits, únicos para cada dispositivo concreto.

Principios de funcionamiento del protocolo MAC

• Métodos de acceso al medio:
  • CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection): Se usa en redes cableadas Ethernet para detectar y manejar colisiones.
  • CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance): Se aplica en redes inalámbricas Wi‑Fi para evitar colisiones mediante avisos previos de transmisión.
• Transmisión de tramas: El protocolo MAC genera tramas de datos añadiendo las direcciones MAC del remitente y del destinatario, así como una suma de verificación (CRC) para detectar errores.

Aplicaciones del protocolo MAC

• Ethernet: En redes cableadas, las direcciones MAC se usan para el encaminamiento y la entrega de datos entre dispositivos.
• Wi‑Fi: En redes inalámbricas, las direcciones MAC permiten identificar dispositivos y gestionar el acceso al canal radioeléctrico.
• Conmutadores: Los conmutadores Ethernet emplean tablas MAC para dirigir las tramas al dispositivo correcto.

Ventajas del protocolo MAC

• Identificación única de dispositivos: Garantiza que cada equipo en la red tenga una dirección única.
• Gestión eficiente del acceso: Reduce la probabilidad de colisiones y mejora el rendimiento de la red.
• Implementación sencilla: Es ampliamente utilizado en redes locales gracias a su soporte en Ethernet y Wi‑Fi.

Desventajas del protocolo MAC

• Falta de enrutamiento entre redes: Las direcciones MAC funcionan solo dentro de una red local y no se usan para el enrutamiento en redes globales.
• Vulnerabilidad al suplantado (spoofing): Las direcciones MAC pueden falsificarse, lo que genera riesgos de seguridad.
• Limitación de escalabilidad: Los protocolos MAC no son eficientes en redes de tamaño muy grande.

Desarrollo de las tecnologías MAC en redes modernas

• Adaptación a los requisitos de la Industria 4.0
• Mejora de la protección contra spoofing y otros ataques
• Optimización para redes de alta velocidad
• Integración con sistemas de seguridad de red

El protocolo MAC juega un papel clave en la gestión del acceso al medio de transmisión y en la entrega de datos en redes locales. Proporciona direccionamiento único de dispositivos y una transmisión eficiente de tramas, lo que lo convierte en una parte esencial de Ethernet y Wi‑Fi. A pesar de ciertas limitaciones, el protocolo MAC sigue siendo un pilar para construir redes locales y gestionar el intercambio de datos entre dispositivos.