Topología de red

El orden de las siguientes tecnologías cableadas es, aproximadamente, de la velocidad de transmisión más lenta a la más rápida.

• El cable coaxial se utiliza ampliamente en sistemas de televisión por cable, edificios de oficinas y otros lugares de trabajo para redes de área local. Estos cables constan de un conductor de cobre o aluminio rodeado por una capa aislante (generalmente un material flexible con una alta constante dieléctrica), que a su vez está rodeada por una capa conductora. El aislamiento entre los conductores ayuda a mantener la impedancia característica del cable, lo que contribuye a mejorar su rendimiento. La velocidad de transmisión oscila entre 200 y más de 500 millones de bits por segundo.
• La tecnología ITU-T G.hn utiliza el cableado doméstico existente ( cable coaxial , líneas telefónicas y líneas eléctricas ) para crear una red de área local de alta velocidad (hasta 1 Gigabit/s).
• Las pistas de señal en las placas de circuitos impresos son habituales para la comunicación en serie a nivel de placa, especialmente entre ciertos tipos de circuitos integrados, siendo un ejemplo común el protocolo SPI .
• El cable plano (sin trenzar y posiblemente sin blindaje) ha sido un medio rentable para protocolos seriales, especialmente dentro de gabinetes metálicos o enrollado en trenza o lámina de cobre, en distancias cortas o a velocidades de datos más bajas. Varios protocolos de red serial se pueden implementar sin cableado blindado o de par trenzado, es decir, con cable plano o plano, o un cable plano y plano trenzado híbrido, si las restricciones de EMC , longitud y ancho de banda lo permiten: RS-232 , ^{[ 8 ]} RS-422 , RS-485 , ^{[ 9 ]} CAN , ^{[ 10 ]} GPIB , SCSI , ^{[ 11 ]} etc.
• El cable de par trenzado es el medio más utilizado en todas las telecomunicaciones.El cableado de par trenzado consta de cables de cobre trenzados en pares. Los cables telefónicos comunes constan de dos cables de cobre aislados trenzados en pares. El cableado de redes informáticas ( Ethernet cableado, según la definición de IEEE 802.3 ) consta de 4 pares de cables de cobre que se pueden utilizar para la transmisión de voz y datos. El uso de dos cables trenzados ayuda a reducir la diafonía y la inducción electromagnética . La velocidad de transmisión varía de 2 millones de bits por segundo a 10 mil millones de bits por segundo. El cableado de par trenzado se presenta en dos formas: par trenzado sin blindaje (UTP) y par trenzado blindado (STP). Cada forma se presenta en varias categorías de clasificación, diseñadas para su uso en diversos escenarios.

• Una fibra óptica es una fibra de vidrio que transporta pulsos de luz que representan datos. Algunas ventajas de las fibras ópticas sobre los cables metálicos son la bajísima pérdida de transmisión y la inmunidad a las interferencias eléctricas. Las fibras ópticas pueden transportar simultáneamente múltiples longitudes de onda de luz, lo que aumenta considerablemente la velocidad de transmisión de datos y permite alcanzar velocidades de hasta billones de bits por segundo. Se utilizan para cables de larga distancia que transmiten datos a velocidades muy altas, y también en cables de comunicaciones submarinas para interconectar continentes.

El precio es un factor clave para diferenciar las opciones de tecnología cableada e inalámbrica en una empresa. Las opciones inalámbricas tienen un precio superior, lo que puede hacer que la compra de ordenadores, impresoras y otros dispositivos cableados resulte más rentable. Antes de decidirse por productos tecnológicos cableados, es necesario revisar las restricciones y limitaciones de las opciones disponibles. Las necesidades de la empresa y de los empleados pueden prevalecer sobre cualquier consideración de coste. ^{[ 12 ]}

• Microondas terrestres  : La comunicación por microondas terrestres utiliza transmisores y receptores terrestres similares a antenas parabólicas. Las microondas terrestres operan en el rango de los gigahercios bajos, lo que limita todas las comunicaciones a la línea de visión. Las estaciones repetidoras están separadas aproximadamente 50 km (30 millas) .  
• Satélites de comunicaciones  : Los satélites se comunican mediante ondas de radio de microondas, que no se desvían al atravesar la atmósfera terrestre. Los satélites se encuentran en órbita, generalmente en órbita geoestacionaria a 35 786 km (22 236 millas) sobre el ecuador. Estos sistemas en órbita terrestre son capaces de recibir y retransmitir señales de voz, datos y televisión.  
• Los sistemas celulares y PCS utilizan diversas tecnologías de radiocomunicación. Estos sistemas dividen la región cubierta en múltiples áreas geográficas. Cada área cuenta con un transmisor de baja potencia o una antena repetidora de radio para retransmitir las llamadas de un área a otra.
• Tecnologías de radio y espectro ensanchado  : las redes de área local inalámbricas utilizan una tecnología de radio de alta frecuencia similar a la celular digital y una tecnología de radio de baja frecuencia. Las LAN inalámbricas utilizan tecnología de espectro ensanchado para permitir la comunicación entre múltiples dispositivos en un área limitada. El estándar IEEE 802.11 define una variante común de tecnologías de ondas de radio inalámbricas de estándar abierto conocidas colectivamente como Wi-Fi .
• La comunicación óptica en espacio libre utiliza luz visible o invisible para las comunicaciones. En la mayoría de los casos, se emplea la propagación por línea de visión , lo que limita la ubicación física de los dispositivos de comunicación.

Se han realizado varios intentos de transportar datos a través de medios poco convencionales:

• IP sobre transportadores aviares fue una solicitud de comentarios humorística del Día de los Inocentes , emitida como RFC 1149. Se implementó en la vida real en 2001. ^{[ 13 ]}
• Extender Internet a dimensiones interplanetarias mediante ondas de radio, la Internet interplanetaria . ^{[ 14 ]}

En ambos casos , el tiempo de retardo de ida y vuelta es considerable , lo que provoca una comunicación bidireccional lenta, pero no impide el envío de grandes cantidades de información.

Un controlador de interfaz de red (NIC) es un componente de hardware que permite a un ordenador acceder a los medios de transmisión y procesar información de red de bajo nivel. Por ejemplo, el NIC puede tener un conector para un cable o una antena para la transmisión y recepción inalámbrica, así como los circuitos asociados.

La tarjeta de red responde al tráfico dirigido a una dirección de red, ya sea para la propia tarjeta de red o para el ordenador en su conjunto.

En las redes Ethernet , cada controlador de interfaz de red tiene una dirección MAC ( Control de Acceso al Medio ) única, generalmente almacenada en la memoria permanente del controlador. Para evitar conflictos de direcciones entre dispositivos de red, el Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE) mantiene y administra la unicidad de las direcciones MAC. El tamaño de una dirección MAC de Ethernet es de seis octetos . Los tres octetos más significativos están reservados para identificar a los fabricantes de tarjetas de red. Estos fabricantes, utilizando únicamente sus prefijos asignados, asignan de forma única los tres octetos menos significativos a cada interfaz Ethernet que producen.

Un repetidor es un dispositivo electrónico que recibe una señal de red , la limpia del ruido innecesario y la regenera. La señal puede reformarse o retransmitirse con mayor potencia al otro lado de una obstrucción, posiblemente utilizando un medio de transmisión diferente , para que pueda cubrir distancias mayores sin degradación. Los repetidores comerciales han extendido los segmentos RS-232 de 15 metros a más de un kilómetro. ^{[ 15 ]} En la mayoría de las configuraciones Ethernet de par trenzado, se requieren repetidores para cables de más de 100 metros. Con fibra óptica, los repetidores pueden estar separados por decenas o incluso cientos de kilómetros.

Los repetidores funcionan dentro de la capa física del modelo OSI; es decir, no hay cambios de extremo a extremo en el protocolo físico a través del repetidor o par de repetidores, incluso si se utiliza una capa física diferente entre los extremos del repetidor o par de repetidores. Los repetidores requieren un breve lapso de tiempo para regenerar la señal. Esto puede causar un retardo de propagación que afecta el rendimiento de la red y puede afectar su correcto funcionamiento. Por consiguiente, muchas arquitecturas de red limitan la cantidad de repetidores que se pueden usar en serie, por ejemplo, la regla Ethernet 5-4-3 .

Un repetidor con múltiples puertos se conoce como hub, un hub Ethernet en redes Ethernet, un hub USB en redes USB.

• Las redes USB utilizan concentradores para formar topologías en estrella escalonada.
• Los concentradores y repetidores Ethernet en las redes LAN han quedado prácticamente obsoletos debido a los conmutadores modernos .

Un puente de red conecta y filtra el tráfico entre dos segmentos de red en la capa de enlace de datos (capa 2) del modelo OSI para formar una única red. Esto elimina el dominio de colisión de la red, pero mantiene un dominio de difusión unificado. La segmentación de red divide una red grande y congestionada en una agregación de redes más pequeñas y eficientes.

Existen tres tipos básicos de puentes:

• Puentes locales: Conectan directamente las redes LAN.
• Puentes remotos: Se pueden usar para crear un enlace de red de área amplia (WAN) entre redes de área local (LAN). Los puentes remotos, donde el enlace de conexión es más lento que las redes de destino, han sido reemplazados en gran medida por enrutadores.
• Puentes inalámbricos: Se pueden utilizar para unir redes LAN o conectar dispositivos remotos a redes LAN.

Un conmutador de red es un dispositivo que reenvía y filtra datagramas ( tramas ) de la capa 2 del modelo OSI entre puertos, basándose en la dirección MAC de destino de cada trama. ^{[ 16 ]} Un conmutador se diferencia de un concentrador en que solo reenvía las tramas a los puertos físicos involucrados en la comunicación, en lugar de a todos los puertos conectados. Puede considerarse como un puente multipuerto. ^{[ 17 ]} Aprende a asociar puertos físicos con direcciones MAC examinando las direcciones de origen de las tramas recibidas. Si se apunta a un destino desconocido, el conmutador realiza una difusión a todos los puertos excepto al de origen. Los conmutadores normalmente tienen numerosos puertos, lo que facilita una topología en estrella para los dispositivos y la conexión en cascada de conmutadores adicionales.

Los conmutadores multicapa son capaces de enrutar el tráfico basándose en el direccionamiento de capa 3 o en niveles lógicos adicionales. El término conmutador se usa a menudo de forma imprecisa para incluir dispositivos como enrutadores y puentes, así como dispositivos que pueden distribuir el tráfico en función de la carga o del contenido de la aplicación (por ejemplo, un identificador de URL web).

Un enrutador es un dispositivo de interconexión de redes que reenvía paquetes entre redes procesando la información de enrutamiento incluida en el paquete o datagrama (información del protocolo de Internet de la capa 3). Esta información se procesa a menudo junto con la tabla de enrutamiento (o tabla de reenvío). El enrutador utiliza su tabla de enrutamiento para determinar a dónde reenviar los paquetes. Un destino en la tabla de enrutamiento puede contener un agujero negro, ya que los datos pueden entrar en él; sin embargo, no se realiza ningún procesamiento adicional sobre dichos datos, es decir, los paquetes se descartan.

Los módems (moduladores-demoduladores) se utilizan para conectar nodos de red mediante cables que no fueron diseñados originalmente para tráfico de red digital, o para redes inalámbricas. Para ello, una o más señales portadoras se modulan mediante la señal digital para producir una señal analógica que se puede adaptar para obtener las propiedades requeridas para la transmisión. Los módems se utilizan comúnmente en líneas telefónicas, empleando tecnología de línea de abonado digital .

Un cortafuegos es un dispositivo de red que controla la seguridad y las reglas de acceso a la red. Los cortafuegos suelen configurarse para rechazar las solicitudes de acceso de fuentes no reconocidas y permitir las acciones de fuentes reconocidas. El papel fundamental que desempeñan los cortafuegos en la seguridad de la red crece a la par del constante aumento de los ciberataques .

La topología más simple consiste en un enlace dedicado entre dos puntos finales. La variante más fácil de entender de la topología punto a punto es un canal de comunicación que, para el usuario, parece estar permanentemente asociado a los dos puntos finales. Un teléfono de lata para niños es un ejemplo de canal físico dedicado .

Mediante tecnologías de conmutación de circuitos o de paquetes , se puede establecer un circuito punto a punto de forma dinámica y desconectarlo cuando ya no sea necesario. Las topologías punto a punto conmutadas constituyen el modelo básico de la telefonía convencional .

El valor de una red punto a punto permanente reside en la comunicación sin obstáculos entre los dos extremos. El valor de una conexión punto a punto bajo demanda es proporcional al número de pares potenciales de suscriptores y se expresa mediante la Ley de Metcalfe .

La conexión en cadena se logra conectando cada computadora en serie con la siguiente. Si un mensaje está destinado a una computadora ubicada en un punto intermedio de la cadena, cada sistema lo reenvía secuencialmente hasta que llega a su destino. Una red en cadena puede adoptar dos formas básicas: lineal y en anillo.

• Una topología lineal establece un enlace bidireccional entre un ordenador y el siguiente. Sin embargo, esto resultaba costoso en los inicios de la informática, ya que cada ordenador (excepto los de los extremos) requería dos receptores y dos transmisores.
• Al conectar los ordenadores en cada extremo de la cadena, se puede formar una topología de anillo . Cuando un nodo envía un mensaje, este es procesado por cada ordenador del anillo. Una ventaja del anillo es que el número de transmisores y receptores se reduce a la mitad. Dado que un mensaje eventualmente completa el ciclo, la transmisión no necesita ir en ambas direcciones. Alternativamente, el anillo puede utilizarse para mejorar la tolerancia a fallos. Si el anillo se interrumpe en un enlace específico, la transmisión se puede enviar a través de la ruta inversa, asegurando así que todos los nodos permanezcan conectados en caso de un fallo individual.

En las redes de área local que utilizan topología de bus, cada nodo está conectado mediante conectores de interfaz a un único cable central. Este es el "bus", también conocido como red troncal o cable principal  ; toda la transmisión de datos entre los nodos de la red se realiza a través de este medio de transmisión común y puede ser recibida por todos los nodos de la red simultáneamente. ^{[ 1 ]}

Una señal que contiene la dirección de la máquina receptora prevista viaja desde una máquina de origen en ambas direcciones a todas las máquinas conectadas al bus hasta que encuentra la receptora prevista, que entonces acepta los datos. Si la dirección de la máquina no coincide con la dirección prevista para los datos, la parte de datos de la señal se ignora. Dado que la topología de bus consta de un solo cable, su implementación es menos costosa que otras topologías, pero este ahorro se ve contrarrestado por el mayor costo de gestión de la red. Además, como la red depende de un único cable, este puede ser el punto único de fallo de la red. En esta topología, cualquier nodo puede acceder a los datos que se transfieren.

En la topología de estrella (también llamada concentrador y radios), cada nodo periférico (estación de trabajo o cualquier otro periférico) está conectado a un nodo central llamado concentrador o conmutador. El concentrador es el servidor y los periféricos son los clientes. La red no tiene por qué tener forma de estrella para ser clasificada como red de estrella, pero todos los nodos periféricos de la red deben estar conectados a un concentrador central. Todo el tráfico que atraviesa la red pasa por el concentrador central, que actúa como repetidor de señal .

La topología en estrella se considera la más fácil de diseñar e implementar. Una de sus ventajas es la sencillez para añadir nodos adicionales. Su principal desventaja es que el hub representa un único punto de fallo. Además, dado que toda la comunicación periférica debe fluir a través del hub central, el ancho de banda total del hub se convierte en un cuello de botella para grandes clústeres.

Una topología de anillo es una cadena de nodos en un bucle cerrado. Los datos viajan alrededor del anillo en una sola dirección. Cuando un nodo envía datos a otro, estos pasan por cada nodo intermedio del anillo hasta llegar a su destino. Los nodos intermedios repiten (retransmiten) los datos para mantener la señal fuerte. ^{[ 5 ]} Cada nodo es un par; no existe una relación jerárquica entre clientes y servidores. Si un nodo no puede retransmitir datos, interrumpe la comunicación entre los nodos que lo preceden y los que lo siguen en el bus.

Ventajas:

• Cuando aumenta la carga en la red, su rendimiento es mejor que el de la topología de bus.
• No es necesario un servidor de red para controlar la conectividad entre las estaciones de trabajo.

Desventajas:

• El ancho de banda agregado de la red se ve limitado por el enlace más débil entre dos nodos.

El valor de las redes totalmente malladas es proporcional al exponente del número de suscriptores, suponiendo que los grupos de comunicación de cualesquiera dos puntos finales, hasta todos los puntos finales inclusive, se aproximan mediante la Ley de Reed .

Red totalmente conectada

En una red totalmente conectada , todos los nodos están interconectados. (En teoría de grafos, esto se denomina grafo completo ). La red totalmente conectada más simple es una red de dos nodos. Una red totalmente conectada no necesita utilizar conmutación de paquetes ni difusión . Sin embargo, dado que el número de conexiones crece cuadráticamente con el número de nodos:

${\displaystyle c={\frac {n(n-1)}{2}}.\,}$

Esto lo hace poco práctico para redes grandes. Este tipo de topología no provoca fallos ni afecta a otros nodos de la red.

Red parcialmente conectada

En una red parcialmente conectada, algunos nodos están conectados a un único nodo, mientras que otros están conectados a dos o más nodos mediante un enlace punto a punto. Esto permite aprovechar parte de la redundancia de una topología de malla físicamente conectada, sin el coste ni la complejidad que implica la conexión entre todos los nodos de la red.

La topología híbrida también se conoce como red híbrida. ^{[ 19 ]} Las redes híbridas combinan dos o más topologías de tal manera que la red resultante no presenta ninguna de las topologías estándar (p. ej., bus, estrella, anillo, etc.). Por ejemplo, una red de árbol (o red estrella-bus ) es una topología híbrida en la que las redes en estrella se interconectan a través de redes de bus . ^{[ 20 ] [ 21 ]} Sin embargo, una red de árbol conectada a otra red de árbol sigue siendo topológicamente una red de árbol, no un tipo de red distinto. Una topología híbrida siempre se produce cuando se conectan dos topologías de red básicas diferentes.

Una red en estrella-anillo consta de dos o más redes en anillo conectadas mediante una unidad de acceso multiestación (MAU) que actúa como un nodo centralizado.

La topología de copo de nieve es mallada en el núcleo, pero tiene forma de árbol en los bordes. ^{[ 22 ]}

Otros dos tipos de redes híbridas son la malla híbrida y la estrella jerárquica . ^{[ 20 ]}