Fundamentos de Redes Telefónicas y de Datos: Conmutación, Protocolos y Modelos Esenciales

1. ¿Cuál es el problema de una red de telefonía “todos con todos”? ¿Cómo se solucionó este problema? ¿Cómo funciona este sistema? ¿Cómo se llama el lugar donde se realizan los enlaces? Haz un dibujo esquemático del sistema.

El principal problema de una red de telefonía donde cada dispositivo se conecta directamente con todos los demás (“todos con todos”) es que, para cada aparato nuevo que se incorpora a la red, se precisa un gran número de conexiones nuevas, lo que rápidamente se vuelve inviable y costoso.

Este problema se solucionó mediante un servicio de conmutación de circuitos. Este sistema permite que cada aparato solo necesite tener una única conexión a un punto central.

Cada teléfono tiene una conexión a la centralita (o central telefónica), la cual se encarga de interconectar temporalmente las líneas de los teléfonos que desean comunicarse. El lugar donde se realizan estos enlaces se llama Central de Comunicación.

2. ¿En qué consiste el bloqueo en conmutación de circuitos? Explica las tres fases de una comunicación en una red de conmutación de circuitos.

El bloqueo en conmutación de circuitos ocurre cuando, a pesar de que el abonado al que se quiere llamar no está ocupado, no se puede encontrar un camino o circuito disponible a través de la red para establecer la comunicación. Esto sucede porque todos los recursos necesarios (enlaces, conmutadores) en alguna parte de la ruta están ocupados por otras llamadas.

Las tres fases de una comunicación en una red de conmutación de circuitos son:

• Establecimiento de la llamada: Se busca y reserva un circuito físico dedicado y completo entre el origen y el destino antes de que la comunicación pueda comenzar. Si no se encuentra un camino, la llamada es bloqueada.
• Comunicación (o transferencia de datos): Una vez establecido el circuito, se transmiten los datos o la voz a través de él. El circuito permanece dedicado durante toda la sesión.
• Liberación de recursos: Una vez finalizada la comunicación, el circuito se libera y los recursos que lo componían quedan disponibles para otras llamadas.

3. ¿Cuál es el tipo de tarificación en una red de conmutación de circuitos? ¿Por qué este tipo de tarificación puede influir en la probabilidad de bloqueo?

En una red de conmutación de circuitos, la tarificación se basa generalmente en el tiempo de ocupación del recurso. Es decir, las compañías cobran por el tiempo que el circuito está reservado y en uso, independientemente de si se están transmitiendo datos activamente o no durante todo ese tiempo.

Este tipo de tarificación puede influir (disminuyendo) la probabilidad de bloqueo porque incentiva a los usuarios a finalizar sus comunicaciones más rápidamente para reducir costes. Al acortar la duración de las llamadas, los enlaces y recursos de la red se liberan antes, quedando disponibles para otros usuarios y reduciendo así la congestión y la probabilidad de que nuevas llamadas sean bloqueadas.

4. Explica un problema con los enlaces entre centrales de conmutación al aumentar el número de líneas. ¿Cómo se llama la técnica que solucionó este problema? ¿En qué consiste esta técnica? ¿Cuál es el ancho de banda del canal de voz en telefonía?

Un problema significativo al aumentar el número de líneas (y, por ende, el tráfico) es que el número de enlaces físicos necesarios entre las centrales de comunicación también aumenta considerablemente, lo que implica mayores costes de infraestructura y complejidad.

La técnica que solucionó este problema se llama multiplexación.

Esta técnica consiste en combinar múltiples señales de comunicación (canales de entrada) para que puedan ser transmitidas simultáneamente a través de un único medio físico de transmisión. Por ejemplo, en la multiplexación por división de frecuencia (FDM), se modulan los canales de entrada en diferentes frecuencias portadoras de manera que viajen por el mismo medio sin interferirse. En la multiplexación por división de tiempo (TDM), a cada canal se le asigna un intervalo de tiempo específico.

El ancho de banda estándar para un canal de voz en telefonía analógica es de 4 kHz (kilohertz). Este ancho de banda es suficiente para transmitir la voz humana con una calidad aceptable.

5. ¿Cuáles son las características de la red de telefonía analógica?

Las principales características de la red de telefonía analógica (Red Telefónica Pública Conmutada - PSTN, en su forma tradicional) son:

• Analógica: Las señales de voz se transmiten como ondas eléctricas continuas que varían en amplitud y/o frecuencia.
• Ubicua: Tiene una amplia cobertura y disponibilidad geográfica.
• Utiliza la técnica de conmutación de circuitos para establecer las llamadas.
• La tarificación es por tiempo de ocupación del circuito.
• Emplea enlaces multiplexados (comúnmente por división de frecuencia - FDM) para optimizar el uso de los cables entre centrales.
• Los canales de voz están limitados a un ancho de banda de 4 kHz.

6. ¿Cómo se llamaban los primeros dispositivos para conectar ordenadores a la red telefónica? Explica por qué se llamaban así. ¿Cuál era la máxima velocidad de intercambio de datos por módem que permitía la red telefónica convencional?

Los primeros dispositivos para conectar ordenadores a la red telefónica se llamaban módems.

Este nombre es un acrónimo de MOdulador-DEModulador. Se llamaban así porque su función principal es doble:

• Modular: Convertir las señales digitales binarias (los bits: 0s y 1s) del ordenador en señales analógicas (tonos audibles o señales eléctricas variables) adecuadas para ser transmitidas a través de la red telefónica, que originalmente fue diseñada para la voz analógica.
• Demodular: Realizar el proceso inverso, es decir, convertir las señales analógicas recibidas de la red telefónica de nuevo en señales digitales que el ordenador pueda entender.

Los primeros módems operaban a velocidades bajas, como 300 bps (bits por segundo). Con el tiempo, la tecnología avanzó, y la máxima velocidad teórica de intercambio de datos por módem en la red telefónica convencional (analógica) alcanzó los 56 Kbps (kilobits por segundo) para la descarga (la velocidad de subida era generalmente menor, típicamente hasta 33.6 Kbps o 48 Kbps en algunos casos con V.92).

7. ¿Cuál es el problema de las redes de conmutación de circuitos para las comunicaciones entre ordenadores? ¿Cómo se llama el tipo de red que se desarrolló específicamente para la comunicación entre ordenadores? ¿Qué tipo de tarificación suele tener? Explica cómo funciona una comunicación entre ordenadores en una red de este tipo.

El principal problema de las redes de conmutación de circuitos para las comunicaciones entre ordenadores es su ineficiencia para el tráfico de datos típico. El tráfico de datos suele ser a ráfagas (transmisiones cortas e intermitentes), lo que significa que la línea dedicada establecida por la conmutación de circuitos no se utiliza de forma continua. Sin embargo, se paga por todo el tiempo de conexión, resultando en un uso ineficiente del recurso y un coste potencialmente elevado para el usuario.

El tipo de red que se desarrolló específicamente para la comunicación entre ordenadores se llama red de conmutación de paquetes.

En este tipo de redes, la tarificación suele ser por volumen de datos transmitidos (por ejemplo, por megabyte) y no por tiempo de conexión, lo que es más adecuado para el tráfico a ráfagas.

Una comunicación entre ordenadores en una red de conmutación de paquetes funciona de la siguiente manera: los datos que deben transmitirse se dividen en unidades más pequeñas llamadas paquetes. Cada paquete contiene una porción de los datos, así como información de control, incluyendo las direcciones de origen y destino. Estos paquetes se envían a la red de forma individual. Cada nodo de conmutación (router) en la red examina la dirección de destino de cada paquete y lo reenvía al siguiente nodo más apropiado en la ruta hacia el destino. Los paquetes de una misma comunicación pueden seguir diferentes rutas y llegar en desorden al destino. No es preciso establecer un camino dedicado entre los dos puntos antes de empezar la transmisión ni mantenerlo ocupado mientras dura la transmisión; los recursos de la red se comparten dinámicamente entre múltiples usuarios.

8. Enumera ventajas e inconvenientes de una red de conmutación de circuitos y de una red de conmutación de paquetes para la comunicación entre dos ordenadores.

Red de Conmutación de Circuitos

Ventajas:

• Calidad de servicio (QoS) garantizada: Una vez establecido el circuito, se dispone de un ancho de banda constante y un retardo fijo, lo que es ideal para comunicaciones en tiempo real como la voz tradicional.
• Entrega ordenada: Los datos (o los paquetes, si se encapsularan) llegan en el mismo orden en que fueron enviados, ya que siguen un camino único y dedicado.
• Baja probabilidad de pérdida de datos una vez establecida la conexión, debido al camino reservado.

Desventajas:

• Uso ineficiente de recursos: Se paga por el tiempo que el camino está activo, independientemente de si se están enviando datos o no. Esto es muy ineficiente para el tráfico a ráfagas típico de los ordenadores.
• Bloqueo de establecimiento: Si no hay recursos disponibles para establecer un circuito completo, la comunicación no puede iniciarse.
• Tiempo de establecimiento de la conexión: Puede haber un retardo inicial mientras se establece el circuito.
• Menor flexibilidad: Los recursos están dedicados y no pueden ser compartidos fácilmente.

Red de Conmutación de Paquetes

Ventajas:

• Uso eficiente de los recursos de red: Los enlaces son compartidos dinámicamente entre múltiples usuarios y comunicaciones. Solo se utilizan cuando hay datos que enviar.
• Tarificación flexible: Generalmente, solo se paga por los datos transmitidos, lo que es más económico para tráfico intermitente.
• Mayor flexibilidad y robustez: Los paquetes pueden encontrar rutas alternativas si un enlace falla (dependiendo de los protocolos de enrutamiento).
• No hay bloqueo de llamada en el sentido tradicional (aunque puede haber congestión que cause retardos o pérdida de paquetes).

Desventajas:

• Retardo variable e imprevisible (jitter): Los paquetes pueden experimentar diferentes retardos a través de la red, lo que puede ser problemático para aplicaciones en tiempo real si no se gestiona adecuadamente.
• Posibilidad de pérdida de paquetes: Debido a la congestión de la red o errores, los paquetes pueden perderse, duplicarse o corromperse, requiriendo mecanismos de control de errores y retransmisión.
• Llegada desordenada de paquetes: Los paquetes pueden llegar al destino en un orden diferente al que fueron enviados, necesitando mecanismos de secuenciación en el receptor.
• Mayor complejidad de los protocolos: Se requieren protocolos más sofisticados para el direccionamiento, enrutamiento, control de errores, control de flujo y reensamblaje de paquetes.

9. ¿Qué es una Red de Área Local o LAN? ¿Cuál es un sistema común de envío de paquetes en una LAN tradicional? ¿En qué consiste?

Una Red de Área Local (LAN, por sus siglas en inglés Local Area Network) es una red de comunicación de datos que interconecta equipos informáticos (como ordenadores, servidores, impresoras, etc.) dentro de un área geográfica limitada, como una oficina, un edificio, un campus universitario o un hogar. Su propósito principal es permitir compartir información, recursos (hardware y software) y, comúnmente, una conexión a Internet entre los dispositivos conectados.

Un sistema común de envío de paquetes en muchas LAN tradicionales (especialmente las basadas en tecnologías como las primeras versiones de Ethernet sobre cable coaxial) es la difusión (broadcast) en un medio compartido.

Esto consiste en que cuando una estación (dispositivo conectado) transmite un paquete de datos, este se propaga por todo el medio de transmisión físico (por ejemplo, el cable) y llega a todas las demás estaciones conectadas a esa LAN. Cada estación en la red recibe el paquete y examina la dirección de destino contenida en su cabecera. Si la dirección de destino del paquete coincide con la propia dirección de la estación, esta lo acepta y procesa; si no es la destinataria, simplemente lo ignora.

10. ¿Qué es un protocolo de comunicación de datos?

Un protocolo de comunicación de datos es un conjunto formal de reglas, convenciones y procedimientos que definen cómo se deben intercambiar datos (información) entre dos o más dispositivos o entidades en una red de comunicación. Especifica aspectos como:

• El formato de los mensajes o paquetes (cómo se estructuran los datos).
• El orden en que se envían y reciben los mensajes.
• La temporización de la transmisión (cuándo enviar, cuánto esperar).
• Las acciones a tomar ante la transmisión, recepción o errores en los mensajes.
• Mecanismos para el control de errores y el control de flujo.

Los protocolos aseguran que los dispositivos puedan entenderse mutuamente, permitiendo una comunicación ordenada y fiable.

11. Considerando las tecnologías base, ¿qué dos tipos principales de redes han coexistido y evolucionado? ¿En qué consiste la digitalización de la red telefónica? ¿Cuáles son las ventajas de la comunicación digital frente a la analógica?

Históricamente, han coexistido y evolucionado principalmente dos tipos de redes basadas en sus tecnologías fundamentales:

1. La red telefónica tradicional (PSTN - Public Switched Telephone Network): Originalmente era una red analógica, basada en conmutación de circuitos y pensada primordialmente para la transmisión de voz.
2. Las redes de datos: Son redes digitales, basadas típicamente en conmutación de paquetes (como Internet), y diseñadas para la transmisión eficiente de datos entre ordenadores y otros dispositivos digitales.

La digitalización de la red telefónica fue un proceso evolutivo. Inicialmente, consistió en sustituir los enlaces internos entre las centrales telefónicas (los troncales) por sistemas de transmisión digital (por ejemplo, usando Modulación por Impulsos Codificados - PCM), aunque el bucle de abonado (la línea desde la central hasta el teléfono del usuario y el propio terminal telefónico) a menudo permanecía analógico. Posteriormente, la digitalización se extendió hasta el usuario final con tecnologías como la Red Digital de Servicios Integrados (RDSI o ISDN) y, más recientemente, con la Voz sobre IP (VoIP) que utiliza redes de paquetes.

Las ventajas de la comunicación digital frente a la analógica incluyen:

• Mayor robustez frente al ruido y las interferencias: Las señales digitales (representadas por unos y ceros) son menos susceptibles a la degradación por ruido que las señales analógicas continuas.
• Posibilidad de regenerar la señal perfectamente: Las señales digitales pueden ser regeneradas en los repetidores a lo largo de la ruta de transmisión, eliminando el ruido acumulado. Las señales analógicas, al ser amplificadas, también amplifican el ruido.
• Mayor eficiencia en el uso del ancho de banda: Mediante técnicas de compresión de datos digitales, se puede transmitir más información en el mismo ancho de banda.
• Facilidad para la encriptación y la seguridad de los datos: Es más sencillo aplicar algoritmos de cifrado a datos digitales.
• Integración de diferentes tipos de servicios: Las redes digitales pueden transportar fácilmente voz, datos, vídeo y otros servicios sobre una misma infraestructura (convergencia de redes).
• Procesamiento y almacenamiento más sencillos: Los datos digitales son fáciles de procesar por ordenadores y de almacenar en medios digitales.

12. ¿Qué es el modelo OSI? ¿Se ha impuesto en los desarrollos prácticos en redes de ordenadores? ¿Por qué?

El modelo OSI (Open Systems Interconnection) es un modelo de referencia conceptual creado por la ISO (Organización Internacional de Normalización). Divide el complejo proceso de comunicación en redes de ordenadores en siete niveles o capas abstractas. Cada nivel tiene asignadas funciones específicas y se comunica teóricamente con el nivel análogo en el otro extremo de la comunicación (comunicación horizontal o peer-to-peer), así como con sus niveles adyacentes (superior e inferior) en el mismo sistema (comunicación vertical).

No, el modelo OSI como un conjunto estricto de protocolos y especificaciones no se ha impuesto de forma generalizada en los desarrollos prácticos y comerciales de redes de ordenadores. Aunque es una herramienta pedagógica y de referencia conceptual muy valiosa para entender la arquitectura de redes.

Las razones principales por las que no se impuso son:

• Complejidad del modelo y sus especificaciones: El modelo OSI, con sus siete capas bien definidas, resultó ser bastante complejo y sus protocolos asociados, en algunos casos, difíciles de implementar eficientemente. Algunas funciones se consideraron redundantes o mal ubicadas.
• Momento de aparición y desarrollo lento: Cuando el modelo OSI estaba siendo definido y estandarizado (un proceso que llevó tiempo), la arquitectura de protocolos TCP/IP, utilizada en ARPANET (la precursora de Internet), ya estaba en funcionamiento, probada y ganando una adopción significativa.
• Empuje, simplicidad y pragmatismo de TCP/IP: El modelo TCP/IP, con menos capas (generalmente se describe con 4 o 5), demostró ser más práctico, flexible y rápido de implementar. Su éxito ligado al crecimiento exponencial de Internet fue determinante para su predominio.

A pesar de no ser el estándar de implementación dominante, el modelo OSI sigue siendo fundamental para la enseñanza y la comprensión de los conceptos de redes.

13. ¿Cuántos niveles tiene el modelo OSI y cómo se llaman? ¿Cuántos niveles suelen implementar los equipos terminales (hosts)? ¿Y los equipos de comunicación intermedios (como routers o switches)?

El modelo OSI tiene siete niveles. De arriba hacia abajo (desde la aplicación del usuario hasta el medio físico), se llaman:

1. Nivel 7: Aplicación
2. Nivel 6: Presentación
3. Nivel 5: Sesión
4. Nivel 4: Transporte
5. Nivel 3: Red
6. Nivel 2: Enlace de Datos
7. Nivel 1: Físico

Los equipos terminales (como ordenadores personales, servidores, smartphones, también llamados hosts o sistemas finales) generalmente implementan todos los siete niveles del modelo OSI (o sus equivalentes en la pila de protocolos que utilicen, como TCP/IP). Esto es porque necesitan gestionar todo el proceso de comunicación, desde la interacción con la aplicación del usuario hasta la transmisión física de los datos.

Los equipos de comunicación intermedios implementan un subconjunto de estos niveles, dependiendo de su función específica en la red:

• Repetidores y hubs (concentradores): Operan principalmente en el Nivel Físico (Nivel 1). Regeneran o distribuyen señales eléctricas, ópticas o inalámbricas.
• Switches (conmutadores) de Capa 2: Operan en el Nivel Físico (Nivel 1) y el Nivel de Enlace de Datos (Nivel 2). Toman decisiones de reenvío basadas en direcciones físicas (direcciones MAC).
• Routers (encaminadores): Operan en el Nivel Físico (Nivel 1), el Nivel de Enlace de Datos (Nivel 2) y el Nivel de Red (Nivel 3). Toman decisiones de enrutamiento basadas en direcciones lógicas (direcciones IP) para encaminar paquetes entre diferentes redes.

Algunos dispositivos más avanzados, como firewalls de aplicación o gateways (pasarelas) de aplicación, pueden operar e inspeccionar datos en niveles superiores, incluyendo el Nivel de Transporte e incluso el Nivel de Aplicación.