Tipos de Topología de Red Explicados

Cuando se construye una red de ordenadores, es necesario definir qué topología de red se desea utilizar. Hoy en día se utilizan múltiples tipos de topologías de red, cada una con sus pros y sus contras. La topología que elijas determina el rendimiento óptimo de tu red, las opciones de escalabilidad, la facilidad de mantenimiento y los costes de construcción de la red. Por eso es importante seleccionar el tipo de topología de red adecuado.

Esta entrada del blog trata de los tipos de topología de red, sus ventajas y sus inconvenientes. También ofrece recomendaciones sobre qué topología de red utilizar en distintos escenarios. Los ejemplos prácticos de utilización de un tipo específico de topologías de red pueden ayudarle a comprender cuándo puede aplicarse cada topología.

¿Qué es la topología de red?

La topología de red o configuración de red define la estructura de la red y cómo están conectados los componentes de la red. Los tipos de topología de red suelen representarse con diagramas de topología de red por comodidad y claridad. Existen dos tipos de topología de red: física y lógica.

La topología física describe cómo están conectados físicamente los dispositivos de red (llamados ordenadores, estaciones o nodos) en una red informática. El esquema geométrico, las conexiones, las interconexiones, la ubicación de los dispositivos, el número de adaptadores de red utilizados, los tipos de adaptadores de red, el tipo de cable, los conectores de cable y otros equipos de red son los aspectos de la topología física de la red.

La topología lógica representa el flujo de datos de una estación a otra, cómo se transmiten y reciben los datos, la ruta de los datos en la red y qué protocolos se utilizan. La topología lógica de red explica cómo se transfieren los datos a través de una topología física. La nube y los recursos de red virtuales forman parte de la topología lógica.

Topología de red punto a punto

La topología de red punto a punto es la más sencilla y se utiliza cuando sólo hay dos ordenadores u otros dispositivos de red conectados entre sí. En este caso se utiliza un solo trozo de cable. El ejemplo más común de topología de red punto a punto es la conexión de dos ordenadores (que tienen adaptadores de red Ethernet con puertos RJ-45) con un cable de par trenzado (UTP Cat 5e, FTP Cat 5e, STP Cat 5e, etc.). El tipo de topologías punto a punto también se denomina topología P2P.

Consulte la última sección de la entrada del blog para conocer los distintos tipos de cables.

El cable cruzado Ethernet de categoría 5e es un cable que tiene cuatro pares de hilos trenzados. El cable tiene conectores RJ-45 en ambos extremos, con cableado T568A en un extremo del cable y T568B en el otro. El cable cruzado se utiliza para conectar dispositivos de red del mismo tipo, como dos tarjetas Ethernet de ordenadores diferentes. Las tarjetas de red modernas pueden funcionar con un cable de interconexión sin cable cruzado cuando se conectan dos ordenadores utilizando la topología de red punto a punto. La conexión es posible gracias a la compatibilidad con Ethernet Auto MDI-X (cruce de interfaces dependientes del medio).

Los patch cords o cables de conexión se utilizan para conectar la tarjeta de red de un ordenador a un conmutador y para conectar conmutadores entre sí. Los dos extremos de un cable de interconexión se engarzan utilizando la norma T568B (la T568A también puede utilizarse para ambos extremos del cable de interconexión, pero esta práctica no es habitual).

Topología de la red de bus

En una topología de bus, el cable principal se denomina cable común o cable troncal. Las estaciones se conectan a este cable principal mediante otros cables que se denominan líneas de bajada. El dispositivo de derivación se utiliza para conectar las líneas de bajada al cable principal. Para construir la red en topología de bus se suele utilizar un cable coaxial RG-58 con una impedancia de unos 50-52 Ohmios. Los conectores BNC (Bayoneta Neill-Concelman) se utilizan para conectar partes de la red y conectar un cable a la tarjeta de red. Los terminadores son dispositivos que se instalan en cada extremo del cable troncal para absorber las señales y evitar que éstas se reflejen en el bus (el reflejo de las señales provoca graves problemas en la red).

La dificultad de instalación de la topología de bus es media. Esta topología requiere menos cables que otros tipos de topología de red y cuesta menos. Esta topología de red se utiliza para redes pequeñas. La escalabilidad es baja porque la longitud del cable troncal es limitada y también lo es el número de estaciones que pueden conectarse al cable troncal. Todos los dispositivos de red están conectados a un único cable.

Una topología de bus dificulta la detección de fallos en la red. Si el cable principal está dañado, la red se cae. Cada nodo adicional ralentiza la velocidad de transmisión de datos en la red. Los datos sólo pueden enviarse en una dirección y es semidúplex. Cuando una estación envía un paquete a una estación de destino, el paquete se envía a todas las estaciones (comunicación de difusión). Sin embargo, sólo la estación de destino recibe el paquete (tras verificar la dirección MAC de destino en la trama de datos). Este principio de funcionamiento provoca la sobrecarga de la red y no es racional. La red del tipo de topología de red bus funciona en modo semidúplex.

El modo semidúplex no permite a las estaciones de la red transmitir y recibir datos al mismo tiempo. Se utiliza todo el ancho de banda del canal cuando se transfieren datos en cualquier dirección. Cuando una estación envía datos, las demás sólo pueden recibirlos.

En el modo full-duplex, ambas estaciones pueden transmitir y recibir datos simultáneamente. La capacidad del enlace se reparte entre las señales que van en un sentido y las que van en otro. El enlace debe tener dos rutas físicas separadas para enviar y recibir datos. Como alternativa, toda la capacidad puede dividirse entre las señales que van en ambas direcciones.

10BASE2 forma parte de las especificaciones IEEE 802.3 utilizadas para redes Ethernet con cable coaxial. La longitud máxima del cable oscila entre 185 y 200 metros. La longitud máxima del cable coaxial grueso para la norma 10BASE5 es de 200 metros.

CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection) es la tecnología utilizada para evitar colisiones (cuando dos o más dispositivos transmiten datos al mismo tiempo y esto provoca la corrupción de los datos transmitidos) en la red. Este protocolo decide qué estación y en qué momento puede transmitir datos. IEEE 802.3 es la norma que define los métodos de acceso LAN (red de área local) mediante el protocolo CSMA/CD.

Autobús de fichas

IEEE 802.4 es el estándar Token Bus que se utiliza para crear un anillo token lógico en redes construidas utilizando la topología de bus. Se pasa una ficha de una estación a otra en una secuencia definida que representa el anillo lógico en el sentido de las agujas del reloj o en sentido contrario. En la siguiente imagen, para la Estación 3, las vecinas son la Estación 1 y la Estación 5, y se selecciona una de ellas para transmitir datos dependiendo de la dirección. Sólo el poseedor del testigo (la estación que lo tiene) puede transmitir tramas en la red. IEEE 802.4 es más complejo que el protocolo IEEE 802.3.

El formato de trama Token Bus. El tamaño total de la trama es de 8202 bytes, y la trama consta de 8 campos.

• El preámbulo (1 byte) se utiliza para la sincronización.
• El delimitador de inicio (1 byte) es el campo utilizado para marcar el inicio de la trama.
• Control de trama (1 byte) verifica si esta trama es de control o de datos.
• Dirección de destino (2-6 bytes) especifica la dirección de la estación de destino.
• Dirección de origen (2-6 bytes) especifica la dirección de la estación de origen.
• Payload (0-8182 bytes) es un campo de longitud variable para transportar los datos útiles de la capa de red. 8182 bytes es el valor máximo si se utiliza la dirección de 2 bytes. Si la longitud de la dirección es de 6 bytes, entonces el tamaño máximo del campo de carga útil es de 8174 bytes, en consecuencia.
• La suma de comprobación (4 bytes) se utiliza para detectar errores.
• El delimitador final (1 byte) marca el final de la trama.

La topología de red en bus no se recomienda para redes cuando se transfiere una gran cantidad de tráfico. Teniendo en cuenta que la topología de red en bus con cables coaxiales se utilizaba en los años 90, y la velocidad máxima es de 10 Mbit/s, hoy en día no deberías utilizar esta topología para construir tu red.

Topología de red en anillo

La topología de red en anillo es una modificación de la topología en bus. En la topología de red en anillo, cada estación está conectada a otras dos estaciones a cada lado. Las otras dos estaciones son vecinas de esta estación. Los datos viajan secuencialmente en una dirección, por lo que la red funciona en modo semidúplex. No hay terminadores, y la última estación está conectada a la primera estación del anillo. La topología en anillo es más rápida que la topología en bus. El cable coaxial y los conectores utilizados para instalar una red de la topología de anillo son los mismos que los utilizados para la topología de red de bus.

Si construyes una red grande utilizando la topología de anillo, utiliza repetidores para evitar la pérdida de datos al transferirlos por la red entre estaciones en fragmentos de cable largos. Generalmente, cada estación funciona como un repetidor y amplifica la señal. Una vez transmitidos los datos, éstos viajan a lo largo del anillo y pasan por nodos intermedios hasta que el dispositivo de destino los recibe.

La latencia puede ser mayor si el número de estaciones conectadas a la red es elevado. Por ejemplo, si hay 100 ordenadores en la red y el primer ordenador envía un paquete al ordenador número 100 del anillo, el paquete tiene que pasar por 99 estaciones para llegar al ordenador de destino. Recuerda que los datos se transfieren secuencialmente. Todos los nodos deben permanecer activos para transmitir datos y, por este motivo, la topología en anillo se clasifica como topología de red activa. El riesgo de colisión de paquetes se reduce porque sólo un nodo de la red puede enviar paquetes a la vez. Este enfoque permite un ancho de banda igual para cada nodo de la red.

Anillo token

La red token ring es la implementación de la norma IEEE 802.5. Esta topología funciona mediante el sistema basado en fichas. Token ring es la tecnología introducida en 1984 por IBM. La ficha es el marcador que recorre el bucle en una dirección. Sólo el nodo que tiene el token puede transmitir datos.

La primera estación que empieza a trabajar en la red se convierte en la estación de supervisión o el monitor activo, controla el estado de la red y elimina las tramas flotantes del anillo. De lo contrario, los cuadros flotantes circulan continuamente por el anillo durante un tiempo ilimitado. El monitor activo también se utiliza para evitar fichas perdidas (generando una nueva ficha) y para cronometrar errores.

El formato de trama IEEE 802.5 para una red token ring se muestra en el siguiente diagrama.

• El delimitador de inicio (1 byte) se utiliza para la sincronización y para notificar a una estación que está llegando una señal.
• El control de acceso (1 byte) es el campo que contiene el bit de testigo, el bit de supervisión y los bits de prioridad.
• Control de trama (1 byte)
• Dirección de destino (6 bytes) – define una dirección MAC del dispositivo de destino.
• Dirección de origen (6 bytes): define una dirección MAC del remitente.
• La carga útil (0 bytes o más) son los datos útiles (paquete IP) que se transfieren en una trama, y el tamaño de la carga útil puede variar entre 0 y el tiempo máximo de retención del token.
• La suma de comprobación (4 bytes), también llamada secuencia de comprobación de trama o CRC (comprobación de redundancia cíclica), se utiliza para comprobar errores en la trama. Las tramas dañadas se descartan.
• El delimitador final (1 byte) marca el final de la trama.
• Estado de trama (1 byte) es un campo utilizado para terminar una trama de datos y sirve como ACK. Este campo lo puede configurar un receptor e indica si se ha reconocido la dirección MAC y se ha copiado la trama.

La dificultad de la instalación de la topología en anillo es media. Si desea añadir o eliminar un dispositivo de red, sólo tiene que cambiar dos enlaces. La topología en anillo no es cara de instalar. Pero la lista de ventajas termina aquí.

Ahora vamos a destacar las desventajas de la topología de red en anillo. Cada fragmento de la red puede ser un punto de fallo. Un fallo puede deberse a un cable roto, un adaptador de red dañado de un ordenador, la desconexión de un cable, etc. En caso de fallo del enlace, falla toda la red porque la señal no puede avanzar y pasar el punto de fallo. El fallo de una estación provoca el fallo de toda la red. Todos los datos recorren el anillo pasando por todos los nodos hasta llegar al nodo de destino. La resolución de problemas es difícil.

Todos los nodos de la red de la topología en anillo comparten el ancho de banda. Como resultado, al añadir más nodos al anillo se producen retrasos en las comunicaciones y se degrada el rendimiento de la red. Para reconfigurar la red o añadir/eliminar nodos, la red debe desconectarse y permanecer sin conexión. El tiempo de inactividad de la red no es conveniente ni rentable para una organización. Por tanto, la topología de red en anillo no es la mejor opción para construir una red escalable y fiable.

La topología de red en anillo en redes de área local fue popular en los años 90 hasta el inicio del uso masivo del estándar Ethernet con cables de par trenzado y una topología en estrella más progresiva. Hoy en día, la topología en anillo no se utiliza y no se recomienda para uso doméstico y de oficina debido a la baja velocidad de red de 4 o 16 Mbit/s y a las otras desventajas mencionadas anteriormente.

El doble anillo

El anillo dual es una versión modificada de la topología en anillo. Añadir una segunda conexión entre los nodos de un anillo permite la transferencia de datos en ambas direcciones y hace que la red funcione en modo full-duplex. Los datos se envían en sentido horario y antihorario en la red. Si falla un enlace del primer anillo, el segundo puede utilizarse como backup de enlace para continuar el funcionamiento de la red hasta que se solucione el problema en el primer anillo.

El anillo óptico de las redes modernas utiliza la topología de red en anillo. Esta topología de red la utilizan principalmente los proveedores de servicios de Internet (ISP) y los proveedores de servicios gestionados (MSP) para crear conexiones en redes de área extensa.

Tecnologías y normas utilizadas para crear un anillo de fibra óptica:

• Anillo de paquetes resiliente (RPR) que se conoce como IEEE 802.17
• STP (Spanning Tree Protocol) para evitar bucles en la red
• Anillo de protección compartido de secciones múltiples (MS-SPRing/4, MS-SPRing/2, etc.)
• Protección de las conexiones de subred (SNCP)
• Anillos conmutados de línea bidireccionales de cuatro fibras (BLSR/4), BLSR/2, etc.
• Módulo de transporte síncrono (STM-4, STM-16, STM-64, etc.)
• Redes ópticas síncronas (SONET) y jerarquía digital síncrona (SDH)

Para crear un anillo de fibra se utilizan equipos de red profesionales, como conmutadores, compatibles con las normas adecuadas. El precio de este hardware es elevado. El anillo óptico de alta disponibilidad se utiliza para conectar nodos de distintos distritos de una ciudad o de distintas ciudades al círculo de alta disponibilidad y velocidad.

Topología de red en estrella

La topología en estrella es la topología de red más utilizada hoy en día por las numerosas ventajas que ofrece. Esta topología requiere una unidad centralizada, que se denomina conmutador, y todos los demás dispositivos de red se conectan a este conmutador con cable de red propio. Un conmutador tiene varios puertos (normalmente 4, 5, 8, 16, 24, 48, etc.), y todas las estaciones necesarias se conectan al conmutador para interactuar entre sí en la red. En este caso no hay conexiones físicas directas entre las dos estaciones. Si dos estaciones interactúan entre sí en la red, una trama sale del adaptador de red del emisor y se envía al conmutador, y luego un conmutador retraduce la trama a la tarjeta de red de la estación de destino.

La topología de red en estrella es fácil de ampliar. Si no hay puertos libres en un conmutador, cámbialo por otro con más puertos o conecta un segundo conmutador al existente con un cable de interconexión para ampliar la red de la topología en estrella. Ten en cuenta que cuando la red está muy cargada, esta conexión entre conmutadores es un cuello de botella porque la velocidad de transferencia de datos entre estaciones conectadas a distintos conmutadores puede ser inferior a la velocidad de transferencia de datos entre estaciones conectadas a puertos del mismo conmutador cuando. Si necesitas añadir una estación a la red, coge un cable de conexión, inserta un extremo en el adaptador de red del dispositivo terminal y otro extremo en el conmutador.

Si falla alguna de las estaciones conectadas a un conmutador, la red sigue funcionando sin interrupción. Si un conmutador se desconecta, la red no puede funcionar. Los modos full-duplex y half-duplex son compatibles con la topología de red en estrella. Esta topología es fácil de mantener.

Evita los bucles al conectar dispositivos de red. Si hay más de dos conexiones entre dos dispositivos de red que trabajan en la segunda capa, se crea un bucle. Por ejemplo, si conectas dos conmutadores utilizando dos cables de conexión o insertas un cable de conexión en dos puertos de un conmutador, obtendrás un bucle. El bucle provoca interrupciones en la comunicación dentro de la red y tormentas de difusión que continúan hasta que se expulsa el cable de red innecesario y se apaga el conmutador. Si desea crear conexiones redundantes, utilice dispositivos con varios adaptadores de red compatibles con NIC teaming o agregación de enlaces.

Hub vs switch: ¿Cuál es la diferencia?

Tanto el concentrador como el conmutador se utilizan para conectar varios dispositivos en una red de área local (LAN) que utiliza la topología en estrella. Cuando una señal que codifica una trama llega a un puerto de un concentrador (una estación emisora que está conectada a este puerto con un cable), la señal se envía a todos los puertos del concentrador y, por tanto, a todos los dispositivos conectados al concentrador. Sólo puede recibir la trama la estación cuya tarjeta de red tenga la dirección MAC definida como dirección MAC de destino en la trama. Todos los demás dispositivos de red conectados al concentrador que no son dispositivos de destino y cuyos adaptadores de red tienen otras direcciones MAC detectan las señales enviadas y rechazan esta trama. La desventaja del concentrador es que la red se sobrecarga. En lugar de enviar una trama desde el concentrador a una tarjeta de red de destino, la trama se envía a todos los dispositivos conectados a los puertos del concentrador. La inundación de la red reduce el ancho de banda de la red. Un concentrador funciona en la primera capa del modelo OSI (capa física).

Un interruptor es un dispositivo más inteligente. Un conmutador recuerda las direcciones MAC de los dispositivos conectados y añade las direcciones MAC de los dispositivos conectados a cada puerto del conmutador a la tabla de direcciones MAC. Cuando un emisor envía una trama a un dispositivo de destino, la trama se envía al conmutador. El conmutador lee la dirección MAC de la tarjeta de red de una estación de destino y comprueba la tabla interna de direcciones MAC para identificar a qué puerto del conmutador está conectado el dispositivo de destino. A continuación, el switch envía la trama sólo al puerto asociado a la dirección MAC del dispositivo de destino. No hay inundaciones ni sobrecarga de la red. Este enfoque garantiza un alto rendimiento de la red. No hay colisiones cuando se utiliza un conmutador en una topología de red en estrella. Un conmutador funciona en la segunda capa del modelo OSI (la capa de enlace de datos). Consulte la tabla siguiente para ver todas las capas OSI.

El modelo de interconexión de sistemas abiertos (OSI)

Un switch es más seguro que un hub. Desde 2011, el uso de concentradores para conectar elementos de red está en desuso por IEEE 802.3, el conjunto de normas y protocolos para redes Ethernet.

Nota: Los conmutadores, concentradores, routers, módems y puntos de acceso Wi-Fi pertenecen a los equipos de red activos. Los equipos activos tienen circuitos electrónicos y necesitan energía eléctrica para funcionar. Los cables, conectores, transceptores, paneles de conexión, soportes de rack y antenas Wi-Fi son equipos de red pasivos que no necesitan electricidad. Los equipos de red pasivos se utilizan para conectar equipos de red activos.

Topología en estrella en la vida real

Veamos en detalle cómo las redes Ethernet tradicionales utilizan la topología de red en estrella y cómo funciona la norma IEEE 802.3. Los cables de par trenzado (4×2 hilos) son los más habituales. Suelen utilizarse para estas redes, y los extremos de los cables se engarzan con conectores RJ-45 (que también se conocen como 8P8C – 8 Position 8 Contact). Ambos extremos del cable están crimpados según la norma EIA/TIA 568B. También puede crimpar ambos extremos de un cable utilizando EIA/TIA 568A porque el principio de funcionamiento sigue siendo el mismo, pero esta práctica no es habitual. Encontrará más información sobre cables en la sección Tipos de cables, al final de esta entrada del blog.

Normas Ethernet

10BASE-T es la primera implementación de Ethernet y utiliza un cable de par trenzado(T en el nombre significa el par trenzado, BASE significa señalización de banda base). La velocidad máxima de la red es de 10 Mbit/s. El cable requerido es UTP Cat.3 o superior (sólo se utilizan los pares naranja y verde).

100BASE-TX, que se conoce como Fast Ethernet, se implantó en 1995 (IEEE 802.3u). Esta norma proporciona la velocidad de 100 Mbit/s en la red y requiere el cable UTP Cat 5.

1000BASE-T se conoce como Gigabit Ethernet (GbE o 1 GigE) y se describió en la norma IEEE 802.3ab (que se ratificó en 1999). La velocidad máxima de transferencia de datos es de 1000 Mbit/s (1 Gbit/s). El cable requerido es UTP Cat 5e.

2,5GBASE-T es la norma denominada IEEE 802.3bz, y la velocidad máxima de transferencia de datos es de 2,5 Gbit/s. La norma IEEE 802.3bz se aprobó en 2016. Se requiere cable UTP Cat 5e.

5GBASE-T es similar a 2,5GBASE-T, pero proporciona una velocidad de transferencia de datos de 5 Gbit/s y requiere un cable de clase superior: UTP Cat 6.

10GBASE-T es la norma Ethernet más rápida que utiliza cables con hilos de cobre con una velocidad máxima de 10 Gbit/s. El cable requerido es UTP Cat 6A. La norma IEEE 802.3an contiene especificaciones para utilizar un par trenzado en conexiones de 10 Gbit/s.

Los conectores RJ-45 se utilizan para los cables en los estándares Ethernet anteriores.

La longitud máxima de cable entre los puertos de dos dispositivos de red es de 100 metros para cada estándar mencionado anteriormente si se cumplen los requisitos de cable de par trenzado. Si necesitas conectar dos dispositivos de red que estén a 200 metros de distancia, utiliza dos segmentos de cable de 100 m y conéctalos a un conmutador instalado en el centro a 100 m de cada dispositivo.

Para conseguir la máxima velocidad de cada norma, debes cumplir los requisitos mínimos: utilizar el cable de la categoría adecuada, un conmutador que admita el modo necesario y tarjetas de red de los dispositivos conectados al conmutador. Por ejemplo, si desea que los dispositivos de la red funcionen a una velocidad de 1 Gbit/s, debe instalar tarjetas de red de 1 Gbit en estos dispositivos, conectarlos a un conmutador de 1 Gbit y utilizar el cable UTP Cat 5e engarzado con conectores RJ-45 como cable de conexión mediante la norma EIA/TIA 568B. Cuando todos los dispositivos conectados funcionan a una velocidad de 1 Gb/s, sólo lo hacen en modo dúplex completo.

La autonegociación es una función utilizada para determinar la velocidad de red y el modo de transferencia de datos óptimos (full-duplex o half-duplex) para un puerto vinculado al puerto de otro dispositivo conectado. La negociación automática determina automáticamente la configuración de un puerto conectado al otro extremo del cable y fija la velocidad de transferencia de datos en función del valor más bajo. Si conectas una tarjeta de red de 100 Mbit a un conmutador de 1 Gbit con un cable de conexión (Cat 5e), la velocidad de la conexión de red será de 100 Mbit/s. La compatibilidad con estándares Ethernet anteriores de menor velocidad es una función muy útil.

Formato del marco

La longitud de una trama Ethernet IEEE 802.3 estándar es de 1518 bytes, y la MTU (unidad de transmisión máxima) estándar es de 1500 bytes. Si necesita que las estaciones de la red intercambien grandes cantidades de datos, configúrelas para que utilicen tramas jumbo que permiten que las tramas utilicen la MTU de 9000 bytes. Las tramas Jumbo pueden ayudar a mejorar el rendimiento al transferir datos, ya que la proporción de información útil e información de servicio en las tramas es mayor. No todos los dispositivos admiten tramas Jumbo.

Otra ventaja de utilizar la topología de red en estrella es que las redes Ethernet que utilizan este tipo de topología de red física admiten el etiquetado VLAN. Las etiquetas VLAN se utilizan para dividir una red física en redes lógicas utilizando la misma infraestructura física. Las redes lógicas se separan en la segunda capa del modelo OSI mediante etiquetas VLAN escritas en las tramas. El hardware debe ser compatible con el etiquetado VLAN para utilizar esta función. El ID de VLAN puede oscilar entre 0 y 4094. 4094 es el número máximo de redes VLAN en una red física.

Permítanme cubrir los formatos de trama para redes Ethernet IEEE 802.3 que utilizan la topología de red en estrella.

• El preámbulo (7 bytes) indica el inicio de la trama y se utiliza para la sincronización entre el emisor y el receptor.
• El delimitador de inicio de trama (1 byte) es el campo que siempre se configura en 10101011. SFD (delimitador de inicio de trama) marca el final del preámbulo y el inicio de la trama Ethernet, preparando los próximos bits de la dirección de destino. Este campo es la última oportunidad que tienen los dispositivos de red para sincronizarse.
• Dirección de destino (6 bytes) contiene la dirección MAC de una tarjeta de red de destino (por ejemplo, E8:04:62:A0:B1:FF). La dirección de destino puede ser unicast, multicast, broadcast (FF:FF:FF:FF:FF:FF).
• Dirección de origen (6 bytes) contiene la dirección MAC de la tarjeta de red de origen del dispositivo emisor. La dirección de origen es siempre unicast.
• Tipo (tipo Ethernet) o longitud (2 bytes) define la longitud de la trama Ethernet. El campo tipo indica el protocolo de capa 3 (L3) (0x0800 – IPv4, 0x86DD – IPv6), si la trama utiliza etiquetado VLAN 802.1q (0x8100), etc.
• La carga útil de datos (máximo 1500 bytes para tramas estándar o 9000 bytes para tramas jumbo) es un paquete L3 encapsulado que transporta una trama. Un paquete es una PDU (unidad de datos de protocolo) típica de la tercera capa del modelo OSI (la capa de red).
• Checksum, FSC o CRC (4 bytes) se utiliza para verificar la integridad de la trama. El CRC es calculado por el emisor, luego un destinatario recibe la trama, calcula este valor y lo compara con el valor CRC recibido en la trama.

La cabecera de 14 bytes de una trama Ethernet contiene la dirección de destino, la dirección de origen y el tipo (longitud). Si se utiliza el etiquetado VLAN, se añade un campo de etiquetado VLAN adicional de 4 bytes a una trama después del campo de dirección de origen.

Conexión óptica

La topología de red en estrella también se utiliza para construir redes basadas en cables ópticos (fibra óptica) si se necesitan segmentos de cable más largos o una latencia menor. 10GBASE-S y 10GBASE-E son normas modernas para redes de 10 Gbit/s que utilizan fibra óptica para establecer conexiones. En este caso se necesita un switch con transceptores y conectores SFP para construir una red con topología en estrella.

Los transceptores SR (corto alcance) se utilizan para una distancia de hasta 300 metros.

Los transceptores LR (largo alcance) admiten longitudes de cable de entre 300 m y 3 km.

Los transceptores ER (alcance ampliado) admiten longitudes de cable de 30 km a 40 km.

El cable óptico multimodo (MM) se utiliza para distancias cortas (menos de 300 m).

El cable óptico monomodo (SM) se utiliza para largas distancias (más de 300 m).

Existen transceptores que permiten conectar cables de cobre Cat 6A con conectores RJ-45 a puertos SFP+ para obtener la máxima compatibilidad. El cable óptico se conecta a los transceptores mediante conectores LC. Construir una red física con cables ópticos es más difícil que hacerlo con cables de cobre de Cat. 6A.

Ventajas de la topología en estrella

Destaca la topología de red en estrella. La estrella es el tipo de topología de red más común hoy en día. Resumamos las ventajas de este tipo de topología de red.

• Una tarjeta de red por estación es suficiente
• Fácil instalación y mantenimiento
• Fácil solución de problemas
• Alta fiabilidad y compatibilidad
• Velocidad rápida
• Compatibilidad con cables de par trenzado y ópticos
• Flexibilidad y escalabilidad

Conexión Wi-Fi

Si se utiliza una conexión de red inalámbrica instalando un punto de acceso en casa o en la oficina, la red inalámbrica suele utilizar la topología de red en estrella. En este caso se utiliza el estándar 802.11n (a/b/g/n). El punto de acceso Wi-Fi actúa como un conmutador conectado con los adaptadores de red inalámbricos de las estaciones y representa la topología en estrella.

Topología de red en árbol

La topología de red en árbol es una extensión de la topología en estrella y se utiliza mucho hoy en día. La idea de la topología de árbol es que puedes conectar varias estrellas como ramas en una red compleja mediante conexiones entre conmutadores. Las estaciones se conectan a los puertos de estos conmutadores. Si falla uno de los conmutadores, el segmento de la red relacionado se desconecta. Si el conmutador principal situado en la parte superior de la topología de árbol se desconecta, las ramas de la red no pueden conectarse entre sí, pero los ordenadores de las ramas siguen comunicándose entre sí. El fallo de cualquier estación conectada a la red no afecta a la rama de la red ni a toda la red. La topología en árbol es fiable y fácil de instalar, mantener y solucionar, y ofrece una gran escalabilidad. Cuando se utiliza esta topología, hay una conexión entre cada nodo de la red (véase el diagrama de topología de red más abajo).

Los protocolos y normas aplicables a la topología de red en estrella se utilizan para la topología en árbol (incluidos conmutadores, cables y conectores). Además, los routers pueden utilizarse para dividir subredes entre sí en el tercer nivel del modelo OSI. Como resultado, se utilizan protocolos de red de la tercera capa y se realiza la configuración adecuada de los equipos de red. La topología de red en árbol se utiliza mucho en las grandes organizaciones porque es fácil de instalar y gestionar. La estructura jerárquica de la red está presente. Opte por conectar todos los conmutadores de las ramificaciones de la red al conmutador principal para evitar crear una larga cadena de conmutadores que pueda provocar cuellos de botella y reducir el rendimiento de la red cuando los datos se transfieren por segmentos entre conmutadores.

Un ejemplo de configuración de red

Veamos un ejemplo de topología de red en árbol y cómo se utiliza este tipo de topología de red en la práctica. Por ejemplo, hay una organización con varios departamentos, y cada departamento ocupa una oficina en un edificio. Los departamentos están situados en diferentes plantas del edificio. Instalar una red utilizando una única topología en estrella no es racional porque ello supondría un consumo extra de cable para conectar todas las estaciones de las distintas ubicaciones del edificio a un único conmutador. Además, el número de estaciones puede ser superior al número de puertos del conmutador. En este caso, la solución más racional es instalar un conmutador dedicado en la oficina principal de cada departamento, conectar todas las estaciones de cada departamento al conmutador correspondiente y conectar todos los conmutadores de los departamentos al conmutador principal situado en la sala de servidores. En este ejemplo, el interruptor principal se encuentra en la parte superior de la jerarquía de árbol. El interruptor principal puede conectarse a un router para acceder a Internet. Si hay un departamento situado en otro edificio y la distancia a su conmutador en el edificio principal es superior a 100 metros, puede utilizar un conmutador adicional con un cable UTP. Este interruptor divide la distancia en segmentos de menos de 100 metros. Como alternativa, utilice el cable óptico (y los convertidores o conmutadores adecuados) para conectar esta oficina remota al conmutador principal.

Para simplificar la administración y mejorar la seguridad, puede instalar routers para cada departamento y crear subredes para cada departamento. Por ejemplo, los desarrolladores están en la red 192.168.17.0/24, los contables en la 192.168.18.0/24, los probadores en la 192.168.19.0/24, los servidores en la 192.168.1.0/24 (la subred principal), etc.

¿Qué es un router?

Un router es un dispositivo que opera en la tercera capa del modelo OSI (la capa de red) y funciona con paquetes (la PDU es un paquete). Un router puede analizar, recibir y reenviar paquetes entre diferentes redes IP (subredes) utilizando las direcciones IP de los hosts de origen y los hosts de destino. Los paquetes no válidos se descartan o rechazan. Para el encaminamiento se utilizan diferentes técnicas, como NAT (traducción de direcciones de red), tablas de encaminamiento, etc. El cortafuegos y la seguridad de la red son funciones adicionales del router. Los routers pueden seleccionar la mejor ruta para transferir paquetes. Un paquete se encapsula en una trama.

Un router tiene al menos dos interfaces de red (normalmente LAN y WAN). Hay modelos populares de routers que se combinan con un conmutador en un único dispositivo. Estos routers tienen un puerto WAN y varios puertos LAN (normalmente de 4 a 8 en los modelos para pequeñas oficinas u oficinas domésticas). Los routers profesionales tienen varios puertos que no están definidos como puertos LAN o WAN, y debes configurarlos manualmente. Puedes utilizar un servidor Linux físico con múltiples adaptadores de red y conectar esta máquina como router. Conecte un conmutador a la interfaz de red LAN de este router Linux para tener el tipo de topología de red en árbol.

Conexión Wi-Fi

Al igual que para la topología de red en estrella, los equipos de red inalámbricos pueden utilizarse para crear segmentos de red de la topología en árbol en una mezcla con segmentos cableados. Dos puntos de acceso Wi-Fi idénticos pueden funcionar en modo puente para conectar dos segmentos de la red (dos estrellas). Este método es útil cuando hay que conectar oficinas separadas por más de 100 metros y cuando no es posible instalar un cable entre las oficinas. El siguiente diagrama de topología de red en árbol explica este caso. Se conecta un conmutador a cada punto de acceso Wi-Fi que funciona en modo puente, otros dos puntos de acceso Wi-Fi se conectan al conmutador correspondiente y las estaciones cliente se conectan a estos puntos de acceso (formando ramas del árbol que son redes de la topología en estrella).

Topología de red mallada

Una topología de red en malla es una configuración en la que cada estación de la red está conectada a las demás estaciones. Todos los dispositivos están interconectados entre sí. Hay dos tipos de malla: la malla completa y la malla parcial. En una malla parcialmente conectada, al menos dos estaciones de la red están conectadas a otras múltiples estaciones de la red. En una malla completa, cada estación está conectada a todas las demás. El número de conexiones para una malla completa se calcula con la fórmula Nc=N(N-1)/2 enlaces, donde N es el número de nodos de la red (para el modo de comunicación full-duplex). Véase el siguiente diagrama de topología de red.

La topología de red en malla proporciona redundancia a una red, pero puede resultar costosa por el elevado número de conexiones y la longitud total del cable utilizado. Si falla una estación, la red puede seguir funcionando utilizando otros nodos y conexiones. Si los datos se transmitían a través del nodo averiado, se cambia la ruta y los datos se transmiten a través de otros nodos.

Cada nodo es un encaminador que puede crear y modificar rutas dinámicamente para transferir datos de la forma más racional (en este caso se utilizan protocolos de encaminamiento dinámico). El número de saltos puede variar al cambiar la ruta entre el dispositivo de origen y el de destino. Las tablas de enrutamiento constan de identificador de destino, identificador de origen, métricas, tiempo de vida e identificador de difusión. El enrutamiento funciona en la tercera capa del modelo OSI. A veces se utilizan técnicas de inundación en lugar de enrutamiento. Este tipo de topologías de red pueden utilizarse para la transmisión de grandes cantidades de tráfico gracias a la redundancia de las conexiones.

Es difícil añadir una nueva estación a la red porque hay que conectarla a varias estaciones. Añadir o quitar nodos no interrumpe el funcionamiento de toda la red. Se necesitan varias tarjetas de red por estación para establecer todas las conexiones necesarias. Después de añadir una nueva estación, es posible que tenga que instalar tarjetas de red adicionales en otras estaciones que deban conectarse a la nueva estación. La topología de red en malla es escalable, pero este proceso no es sencillo. La administración puede llevar mucho tiempo. La topología tolerante a fallos garantiza una alta fiabilidad. No existen relaciones jerárquicas.

La topología de red en malla es un ejemplo de conexión de varios sitios en Internet. Esta topología de red se utiliza mucho para conexiones WAN (red de área extensa), para redes de organizaciones de misión crítica como organizaciones militares, etc.

Conexión Wi-Fi

La topología de red mallada en redes Wi-Fi se utiliza para ampliar la cobertura de las redes inalámbricas que se denominan redes malladas inalámbricas. La arquitectura de malla de infraestructura es la más común para este tipo de topologías de red. Las tecnologías inalámbricas utilizadas para crear este tipo de topología de red son Zigbee y Z-Wave que se basan en el protocolo IEEE 802.15.4, WirelessHART. IEEE 802.11, 802.15 y 802.16. Las redes celulares también pueden funcionar utilizando la topología de red mallada.

Topología de red híbrida

La topología híbrida combina dos o más de los tipos de topología de red tratados anteriormente. Una combinación de los tipos de topología de red estrella y anillo es un ejemplo de topología de red híbrida. A veces puede que necesites la flexibilidad de dos topologías en tu red. La topología híbrida suele ser escalable y presenta las ventajas de todas las topologías hijas. Además, se combinan las desventajas de las topologías, lo que dificulta la instalación y el mantenimiento. La topología híbrida añade más complejidad a su red y puede requerir costes adicionales.

La topología estrella-anillo es uno de los ejemplos de topologías de red de tipo híbrido que se pueden encontrar hoy en día. Cuando hablamos de la parte en anillo, no nos referimos a cables coaxiales con conectores en T y conectores BNC. En una red moderna, se utiliza un anillo de fibra para conectar nodos a grandes distancias. Esta topología de red híbrida (anillo + estrella) se utiliza para construir redes entre distintos edificios situados a gran distancia dentro de una misma ciudad o en ciudades diferentes. Utilizar la topología en estrella cuando la distancia entre nodos es elevada resulta difícil y provoca un consumo excesivo de cable.

La ventaja del anillo de fibra con varias líneas es la ausencia de un único punto de fallo. Los enlaces ópticos redundantes proporcionan alta disponibilidad y fiabilidad. En caso de corrupción de un enlace óptico, se utilizan canales de reserva. Se pueden trazar distintas líneas de fibra entre los nodos del círculo utilizando diferentes rutas geográficas.

Los conmutadores/enrutadores de fibra que son nodos del anillo se conectan a conmutadores/enrutadores que son partes de segmentos de red utilizando la topología de red en estrella. Esa conexión tiene ventajas para construir redes de área local. Los convertidores de medios de fibra se utilizan para conectar conmutadores/enrutadores compatibles con cables de fibra y conectores relacionados a conmutadores/enrutadores compatibles con cables de cobre engarzados con los conectores adecuados si un anillo y una estrella utilizan diferentes tipos de cables y equipos de red.

Tipos de cables

Los cables son componentes importantes de la topología física de la red. La velocidad de la red y los costes globales de su instalación dependen de la topología de red seleccionada, los cables y otros equipos de red. En la entrada del blog se han mencionado diferentes tipos de cables al dar ejemplos reales del uso de distintos tipos de topología de red. Veamos los cables más utilizados para los distintos tipos de topología de red que se explican en esta entrada del blog para comprender mejor las topologías físicas.

Cable coaxial

El cable coaxial consta de un hilo central de cobre como conductor interno. El conductor central de los distintos modelos de cable puede ser de cobre macizo o de varios hilos finos de cobre. Este conductor interno está rodeado por una capa aislante que protege el hilo conductor. La capa aislante está rodeada de cinta de aluminio conductora y pantalla de cobre tejida. La capa externa es de polímero aislante, de color blanco o negro.

RG-58 es una versión popular de cable coaxial y tiene una impedancia de 50 Ohm. Este cable también se conoce como cable 10Base2 Thinnet. RG en el nombre significa «radioguía». Otros ejemplos de cable coaxial son RG-6, RG-8, RG-59. Actualmente, se utilizan cables coaxiales para conectar las antenas Wi-Fi a los equipos de red adecuados (tipos de cable 5D-FB, 8D-FB, LMR-400).

Par trenzado

Los cables de par trenzado se utilizan mucho en redes por su sencillez de uso, gran ancho de banda y precio asequible. Dos hilos de cobre aislados (de aproximadamente 1 mm de diámetro) se trenzan para formar un par. Se utilizan de uno a cuatro pares en distintos tipos y categorías de cables. La razón de la torsión es reducir las señales de ruido. Los pares trenzados se cubren con una pantalla aislante externa que protege el cable contra daños mecánicos. Hay tres tipos principales de cables de par trenzado: UTP, FTP y STP.

UTP (Unshielded Twisted Pair) es un cable formado por hilos y aislantes.

FTP (Foil screened Twisted Pair) o F/UTP es un cable en el que todos los pares trenzados juntos están cubiertos con un blindaje metálico (papel de aluminio). Dentro del cable se incluye un único hilo adicional de menos de 1 mm de diámetro. Por ello, los cables FTP admiten la conexión a tierra si se utilizan los conectores adecuados. Los pares trenzados individuales no están apantallados.

STP (par trenzado apantallado) contiene una pantalla metálica tejida alrededor de los pares trenzados. Cada par trenzado está apantallado con papel de aluminio. Todo el cable es duro y es más difícil de retorcer (el cable no es tan altamente flexible como el FTP y el UTP). El cable STP ofrece mayor protección contra el ruido electromagnético y los daños mecánicos.

Hoy en día se utiliza la categoría 5e o superior para instalar redes. Cuanto mayor sea la categoría, mayor será la velocidad de transferencia de datos (100 MHz, 250 MHz, 500 MHz), y se admite la velocidad de transferencia de datos. Puede utilizar un cable FTP o STP de la misma categoría en lugar de un cable UTP. UTP Cat.3 sólo tiene dos pares trenzados. UTP Cat.5 y superiores tienen 4 pares trenzados. El prensado de cables es fácil y lo puede hacer cualquiera que tenga una herramienta para prensar cables.

Cable de fibra óptica

El cable de fibra óptica proporciona la latencia más baja y cubre la mayor distancia con un solo segmento de cable (sin repetidores). El cable de fibra óptica es fino y está formado por dos capas de vidrio. La capa de vidrio del núcleo es un vidrio puro que sirve de guía de ondas para las señales luminosas a larga distancia. El revestimiento es una capa de vidrio que rodea el núcleo y tiene un índice de refracción inferior al del núcleo. La tecnología se basa en el principio de reflexión interna total.

Se utilizan cables de fibra monomodo (SMF) y cables de fibra multimodo (MMF). Los cables MMF tienen un diámetro mayor y sirven para propagar múltiples rayos de luz (o modos), pero son mejores para distancias cortas. Los cables MMF suelen ser de color azul. Los cables SMF son mejores para largas distancias y son amarillos. Los conectores más habituales son SC, FC, LC y ST.

El precio de los cables de fibra óptica es elevado. La soldadura de fibra óptica es difícil en comparación con el cableado de cables de par trenzado o coaxiales. El precio de los transceptores necesarios para conectar un cable óptico a un conmutador o router añade gastos. Los extremos de las fibras ópticas deben estar siempre limpios, ya que incluso un trozo de polvo puede causar problemas importantes.

Conclusión

En esta entrada del blog se han tratado las topologías de red, incluidas las topologías físicas, las topologías lógicas y ejemplos de su uso en la vida real. Si necesitas construir una red de área local, utiliza la topología en estrella, que es la topología de red más común hoy en día, o la topología de red en árbol, que es una modificación altamente escalable de la topología en estrella. Las topologías de anillo y malla son las más utilizadas por proveedores de servicios de Internet, proveedores de servicios gestionados, en centros de datos. Son más difíciles de configurar. La variedad de tipos de topología de red, equipos de red, normas y protocolos le permiten instalar en su entorno una red de cualquier configuración en función de sus necesidades.

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