Ethernet y la Construcción de la Red: Capa Física OSI (capa 1)

La Capa Física del Modelo OSI es fundamental para la transmisión de datos a través de medios físicos, como cables y fibras ópticas. Uno de los protocolos más icónicos y ampliamente utilizados dentro de una red local, es el protocolo de Ethernet (comunmente conocida por Internet) que trabaja tanto en la capa 1 como en la capa 2 de transferencia de datos.

¿Qué es Ethernet?

Ethernet es la tecnología de red de área local cableada más extendida del mundo. Fue desarrollada en Xerox PARC en los años 70 y estandarizada por el IEEE como IEEE 802.3. Ha evolucionado desde los 10 Mbps sobre cable coaxial hasta los 400 Gbps sobre fibra óptica, manteniendo el mismo formato de trama básico.

Características principales:

• Es una tecnología de bus lógico conmutado en la actualidad (antes bus físico con hubs).
• Utiliza direccionamiento MAC de 48 bits para identificar equipos.
• Originalmente utilizaba CSMA/CD para el control de acceso, pero hoy en día con switches full-duplex ya no hay colisiones.
• Es orientado a conexión en capa 2 solo en el sentido de que se establece un enlace físico, pero no tiene confirmación de entrega.
• Velocidades: 10 Mbps, 100 Mbps, 1 Gbps, 10 Gbps, 25/40/100 Gbps, 400 Gbps.

b) Estándares Ethernet principales

Nota: Las versiones actuales más usadas en LAN son Fast Ethernet (100 Mbps) y Gigabit Ethernet (1 Gbps). En centros de datos se emplean 10G, 25G, 40G y 100G.

c) Formato de la trama Ethernet

La trama Ethernet es la PDU de la capa 2. Su estructura es la siguiente (para Ethernet II, el formato más común):

Tamaño máximo de trama: 1518 bytes (sin contar preámbulo y delimitador). Con jumbo frames puede llegar a 9000 bytes en entornos específicos.

Dirección MAC:

• Identificador de 48 bits (6 bytes) asignado por el fabricante.
• Se representa en hexadecimal: AA:BB:CC:DD:EE:FF.
• Los tres primeros bytes identifican al fabricante (OUI), los tres últimos al dispositivo.
• Tipos: unicast (un destinatario), broadcast (todos: FF:FF:FF:FF:FF:FF), multicast (grupo específico).

d) Control de acceso al medio (CSMA/CD)

En las primeras redes Ethernet con hubs, el medio era compartido y se utilizaba CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) para evitar colisiones:

1. Carrier Sense: la estación escucha el medio antes de transmitir; si está ocupado, espera.
2. Transmisión: si el medio está libre, comienza a transmitir la trama.
3. Detección de colisión: mientras transmite, sigue escuchando. Si detecta que otra estación transmitió a la vez (colisión), deja de transmitir y envía una señal de jam.
4. Espera aleatoria: ambas estaciones esperan un tiempo aleatorio (backoff) y reintentan.

En redes modernas con switches full-duplex: cada conexión es punto a punto y no hay colisiones. El CSMA/CD está desactivado o ya no se utiliza porque el switch dedica un canal de transmisión y otro de recepción por puerto.

e) Funcionamiento del switch

El switch es el dispositivo central en una LAN Ethernet conmutada:

• Aprendizaje: cuando recibe una trama, anota la dirección MAC de origen y el puerto por el que llegó en su tabla de direcciones MAC.
• Reenvío: si la MAC destino está en la tabla, reenvía la trama solo por ese puerto. Si no está, la reenvía por todos los puertos excepto el de origen (flooding).
• Filtrado: si la trama va destinada al mismo puerto por el que llegó, la descarta.
• Broadcast: las tramas broadcast se envían por todos los puertos.
• VLANs: permiten segmentar el broadcast en dominios más pequeños.

Ventajas del switch frente al hub:

• Evita colisiones (full-duplex).
• Aumenta el ancho de banda agregado (cada puerto tiene su propio ancho de banda).
• Mejora la seguridad (aisla el tráfico).
• Permite segmentación mediante VLANs.

2.3.4. Comparación entre Ethernet y Wi-Fi

Conclusión: ambas tecnologías son complementarias. En una LAN moderna se combinan: cable para puestos fijos y servidores (mayor velocidad y fiabilidad), Wi-Fi para movilidad y dispositivos sin puerto Ethernet.

Resumen de la lección

• Ethernet es el estándar de LAN cableada (IEEE 802.3), con velocidades desde 10 Mbps hasta 400 Gbps.
• Utiliza direcciones MAC de 48 bits y tramas con cabecera y CRC.
• En redes con switches, no hay colisiones y cada enlace es full-duplex.
• Wi-Fi es el estándar inalámbrico (IEEE 802.11), con bandas de 2,4/5/6 GHz y velocidades desde 11 Mbps hasta 9,6 Gbps.
• Wi-Fi usa CSMA/CA con ACK para evitar colisiones, ya que el medio es compartido.
• Los modos de Wi-Fi son infraestructura (con AP) y ad-hoc (sin AP).
• La seguridad en Wi-Fi es esencial (WPA2/WPA3).
• Ethernet ofrece mayor velocidad y fiabilidad; Wi-Fi ofrece movilidad y facilidad de instalación.

Preguntas de autoevaluación

1. ¿Qué es Ethernet y qué organismo lo estandariza?
2. Enumera tres estándares Ethernet con su velocidad y medio.
3. Dibuja (mentalmente) la estructura de una trama Ethernet e indica el tamaño de los campos más importantes.
4. ¿Qué es una dirección MAC y cuántos bits tiene?
5. Explica cómo funciona CSMA/CD y por qué ya no se usa en redes con switches.
6. ¿Qué diferencia hay entre un switch y un hub en cuanto al manejo de tramas?
7. ¿Qué estándares Wi-Fi conoces? Indica banda y velocidad máxima de al menos tres.
8. ¿Por qué Wi-Fi utiliza CSMA/CA en lugar de CSMA/CD?
9. Describe los dos modos de operación principales de Wi-Fi.
10. ¿Qué medidas de seguridad se pueden aplicar en una red Wi-Fi?
11. Compara Ethernet y Wi-Fi en términos de velocidad, latencia y seguridad.
12. ¿Qué ventaja ofrece un switch sobre un hub en una LAN cableada?

Con esto concluye el punto 2.3. Protocolos de nivel físico y enlace (Ethernet, Wi-Fi). Si te parece bien, continuamos con el siguiente: 2.4. Protocolos de nivel de red (IP, ICMP, ARP, DHCP, DNS).

Esta capa se encarga de la transmisión física de datos a través de un medio de comunicación. Aquí hay una lista de dispositivos y componentes necesarios para construir una red de Internet que operen en la Capa 1:

1. Cable de red: Se necesitan cables de red, como cables Ethernet (CAT5e, CAT6, CAT7), fibra óptica o cables coaxiales, para transmitir señales eléctricas o ópticas a través de la red.
2. Conectores y enchufes: Conectores RJ-45 para cables Ethernet, conectores SC, LC o ST para cables de fibra óptica y conectores BNC para cables coaxiales.
3. Switches: Los switches de red actúan en la Capa 2 (Capa de Enlace de Datos), pero también incluyen componentes de Capa 1, como puertos y capacidades de auto-negociación para la velocidad y el dúplex.
4. Hubs: Aunque menos comunes hoy en día debido a su naturaleza menos eficiente, los hubs son dispositivos que operan en la Capa 1 y simplemente transmiten datos a todos los puertos.
5. Repetidores: Son dispositivos que amplifican y retransmiten señales eléctricas en cables largos para superar la atenuación de la señal.
6. Transceptores: Estos dispositivos convierten señales eléctricas en señales ópticas para su transmisión a través de cables de fibra óptica y viceversa.
7. Módems: Aunque suelen operar en la Capa 2 o superior, algunos módems DSL, cable o satélite también tienen funciones relacionadas con la modulación y demodulación de señales en la Capa 1.
8. Terminadores: Resistor colocado al final de un cable coaxial para evitar la reflexión de señal.
9. Convertidores de medios: Estos dispositivos permiten la conversión entre diferentes tipos de medios, como de fibra óptica a Ethernet.
10. Antenas: En el caso de redes inalámbricas, las antenas son esenciales para la transmisión y recepción de señales de radio.
11. Cables de fibra óptica: Los cables de fibra óptica se utilizan para transmitir datos a través de luz láser o LED a través de fibras de vidrio.
12. Cajas de empalme y paneles de parcheo: Se utilizan para organizar y conectar cables en instalaciones de red.
13. Convertidores de señal: Pueden utilizarse para cambiar la señal de un tipo de medio a otro, como de analógico a digital.
14. Amplificadores de señal: A veces son necesarios en redes de larga distancia para mantener la calidad de la señal eléctrica o óptica.
15. Reflectómetros de dominio de tiempo (TDR): Se utilizan para diagnosticar problemas en los cables, como cortes o problemas de impedancia.

Esta lista cubre una amplia variedad de componentes y dispositivos necesarios para construir y mantener una red de Internet en la Capa 1 del modelo OSI. La elección de dispositivos específicos dependerá de la topología de la red y las necesidades particulares de conectividad.

¿Por qué es imprescindible la capa 1 de nivel OSI dentro de una red?

En resumen, la Capa 1 del modelo OSI es fundamental para la construcción de una red local porque se encarga de la infraestructura física y las características esenciales necesarias para transmitir datos de manera confiable a través de la red.

Sin una Capa 1 sólida, sería imposible establecer una comunicación efectiva entre dispositivos en una red local.

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