Redes de datos

Fundamentos de Medición, Rendimiento y Cableado Estructurado en Redes

Ingeniería de software

M.Sc. Johan Sebastian Giraldo H

Medios de Transmisión

◼ Los medios de transmisión son el fundamento físico sobre el que se construyen las redes.

Entender qué medios existen y cómo funcionan es crucial antes de abordar cómo se organiza la red (topologías) y cómo medimos la transmisión de datos.

Medios de Transmisión

Loscablesdepartrenzadosonuntipodemediode transmisión ampliamente utilizado en redes de datos, especialmente en redes locales (LAN). A continuación, se presentan los principales tipos de cables

de par trenzado, junto con una breve explicacióndecadauno:

Tipos de Medios

◼ Medios Guiados (Cableados):

▪ Cable Par Trenzado (UTP/STP): Explica cómo se utiliza en redes locales (LAN) y su uso común en Ethernet.

▪ Cable Coaxial: Aunque menos común hoy en día, es útil para conocer su uso histórico y aplicaciones en TV por cable.

▪ Fibra Óptica: Destaca su capacidad de transmitir grandes volúmenes de datos a largas distancias con alta velocidad.

Tipos de Medios

◼ Medios No Guiados (Inalámbricos):

▪ Ondas de Radio: Empleadas en Wi-Fi y redes móviles.

▪ Microondas: Utilizadas en comunicaciones puntoapuntoysatelitales.

▪ Infrarrojo y Satélites: Menos comunes, pero importantesenaplicacionesespecíficas.

Cable UTP (Unshielded Twisted PairPar Trenzado No Blindado)

◼ Descripción: Es el tipo de cable de par trenzado más común y no tiene blindaje adicional alrededor delosparesdehilos.

◼ Uso Común: Se utiliza ampliamente en redes Ethernet, tanto en entornos domésticos como empresariales.

Medios de Transmisión

Categorías:

◼ Cat 5e (Categoría 5e): Soporta velocidades de hasta 1 Gbps a distancias de hasta 100 metros.

◼ Cat 6 (Categoría 6): Soporta velocidades de hasta 1 Gbps con un mejor rendimiento frente a interferencias, y en distancias cortas puede soportar hasta 10 Gbps.

◼ Cat 6a (Categoría 6a): Mejora el Cat 6 para soportar 10 Gbps en distancias de hasta 100 metros. .

Medios de Transmisión

Categorías:

◼ Cat 7 (Categoría 7): Ofrece un rendimiento superior en términos de velocidad (hasta 10 Gbps) y frecuencia (600 MHz), con mejor blindaje frente a interferencias.

◼ Cat 8 (Categoría 8): Diseñado para data centers, soporta velocidades de hasta 25 o 40 Gbps, con una frecuencia de hasta 2000 MHz. .

Cable STP (Shielded Twisted Pair - Par Trenzado Blindado)

◼ Descripción: Cada par de hilos está rodeado por una capa de blindaje, además de una capa de blindaje adicionalquecubretodoslospares.

◼ Uso Común:Utilizadoenentornosconaltainterferencia electromagnética (EMI), como plantas industriales o instalacionesconmuchosdispositivoselectrónicos.

◼ Ventajas: Proporciona mejor protección contra interferencias y diafonía (crosstalk) en comparación con UTP.

Cable STP (Shielded Twisted Pair - Par Trenzado Blindado)

◼ Categorías: Similar a UTP, pero con la adición del blindaje.

◼ Cat 6a STP, Cat 7 STP, Cat 8 STP: Estas categorías de STP ofrecen los mismos beneficios de velocidad y rendimiento que sus contrapartes UTP, con la ventaja adicional de la protección contra interferencias.

Cable FTP (Foiled Twisted Pair - Par Trenzado con Pantalla de Aluminio)

◼ Descripción: Similar al STP, pero en lugar de tener un blindaje completo alrededor de cada par de cables, tiene una sola capa de pantalla de aluminio que envuelve todos los pares juntos.

◼ Uso Común: Utilizado en aplicaciones que requieren protección moderada contra interferencias, donde STP podría ser innecesario y UTP insuficiente.

◼ Ventajas: Proporciona una protección intermedia entre UTP y STP.

Cable S/FTP (Shielded and Foiled Twisted Pair)

◼ Descripción: Este tipo de cable combina las características del STP y FTP. Cada par de hilos está envuelto en una pantalla de aluminio (FTP), y todos los pares están rodeados por un blindaje adicional.

◼ Uso Común: Utilizado en entornos con altos niveles de EMI y donde se requieren altas velocidades de transmisión.

◼ Ventajas: Ofrece la máxima protección contra interferencias, ideal para instalaciones críticas y de alta densidad.

Comparación General:

◼ UTP: Más económico, fácil de instalar, y adecuado para la mayoría de las aplicaciones de redes comunes.

◼ STP/FTP: Más caro, con mayor protección contra interferencias, adecuado para entornos industriales odondeserequiereunrendimientosuperior.

◼ S/FTP: Máxima protección, ideal para entornos exigentesyaplicacionesdealtavelocidad.

Consideraciones al Elegir un Cable:

◼ Entorno: Si hay mucha interferencia electromagnética, STP o FTP pueden ser mejores opciones.

◼ Velocidad y Ancho de Banda: Determina la categoría adecuada según la velocidad y la frecuencia que necesitas soportar.

◼ Costo y Facilidad de Instalación: UTP es más económico y fácil de manejar, mientras que STP/FTP puede ser más costoso y complejo de instalar.

◼ Estos cables se utilizan en función de las necesidades específicas de la red, el entorno de instalación y los requisitos derendimiento.

Medios No Guiados

Topologías de Red

Una vez que se comprenden los medios de transmisión, tiene sentido discutir cómo se organizan los dispositivos en una red. Las topologías de red se construyen sobre estos medios, y entender los medios primero proporciona un contexto sólido para discutir cómo losdispositivosseinterconectan.

Topología de Bus

Descripción: En esta topología, todos los dispositivos de la red están conectados a un único cable central, conocido como "bus".

Ejemplo: Imagina una fila de computadoras conectadas a un solo cable que corre a lo largo de una mesa.

Ventajas: Económica y fácil de instalar para redes pequeñas.

Desventajas: Si el cable central falla, toda la red se cae.

Topología de Estrella

Descripción: En la topología de estrella, todos los dispositivos están conectados a un dispositivo central, como un switch o un hub.

Ejemplo: Una red de computadoras en una oficina donde todas están conectadas a un switch en el centro.

Ventajas: Fácil de gestionar y diagnosticar problemas.

Desventajas: Si el dispositivo central falla, toda la red se verá comprometida.

Topología de Anillo

Descripción: En esta topología, cada dispositivo está conectadoadosdispositivosmás,formandounanillo.

Ejemplo: Uncírculodecomputadorasdondecadauna estáconectadaalasiguiente.

Ventajas: Flujodedatosrápidoyconstante.

Desventajas: Si se rompe una conexión, toda la red puedefallar.

Topología de Malla

Descripción: En la topología de malla, cada dispositivo está conectado a todos los demás dispositivos en la red.

Ejemplo: Una red en una gran empresa donde cada servidor está conectado directamente a todos los demás servidores.

Ventajas: Muy fiable y proporciona redundancia.

Desventajas:Costosa y compleja de instalar.

Topología Híbrida

Descripción: Combinación de dos o más topologías diferentes en una sola red.

Ejemplo: Una universidad donde cada edificio utiliza una topología de estrella, pero todos los servidores están interconectados utilizando una topología de malla.

Ventajas: Combina las ventajas de diferentes topologías.

Desventajas: Puede ser más costosa y compleja de diseñar.

Topologías de Red

Unidades de Medida de Transmisión de Información

Las unidades de medida de transmisión de información son fundamentales para entender cómo se evalúa la capacidad y el rendimiento de una red.

Estas unidades permiten medir la cantidad de datos que pueden transmitirse a través de un canal de comunicación en un tiempo determinado, lo que es crucial para diseñar, optimizar y mantener redes eficientes.

Principales Unidades de Medida

Bits por segundo (bps)

◼ Descripción: La unidad básica para medir la velocidad de transmisión de datos. Indica cuántos bits (la unidad más pequeña de información digital) se transmiten en un segundo.

◼ Ampliaciones:

▪ Kbps (Kilobits por segundo): 1 Kbps = 1,000 bps.

▪ Mbps (Megabits por segundo): 1 Mbps = 1,000 Kbps = 1,000,000 bps.

▪ Gbps (Gigabits por segundo): 1 Gbps = 1,000 Mbps = 1,000,000,000 bps.

▪ Tbps (Terabits por segundo): 1Tbps = 1,000 Gbps = 1,000,000,000,000 bps.

Principales Unidades de Medida

◼ Baud Rate (Símbolos por segundo)

▪ Descripción: Representa el número de cambios de señal o símbolos que ocurren por segundo en una línea de comunicación.

◼ Ancho de Banda

▪ Descripción: Se refiere a la capacidad máxima de un canal de comunicación para transmitir datos. Se mide en bps y refleja la cantidad máxima de datos que pueden pasar por el canal en un segundo.

◼ Capacidad del Canal (Capacidad Shannon)

▪ Descripción: Se refiere al límite teórico máximo de la tasa de transmisión de datos de un canal, según el Teorema de Shannon-Hartley.

Delay de la Red (Retardo de la Red)

El delay o retardo en la red es el tiempo total que tarda un paquete de datos en viajar desde el origen hasta el destino. Es una métrica crucial en redes de datos, ya que influye directamente en la calidad de la experiencia del usuario, especialmente en aplicaciones en tiempo real como videollamadas, juegos en línea y transmisión de video.

Desempeño

◼Ideal: alta velocidad y sin pérdida de datos.

◼Realidad: hay limitaciones a la cantidad de datos que se pueden mover por unidad de tiempo (throughput), se introducen demoras entre los hosts (delay) y ocasionalmente se produce pérdida de paquetes (loss).

Delay

Un paquete viaja de un host a otro atravesando nodos intermedios.

En cada uno de ellos puede sufrir diferentes tipos de delay. ◼ Delay de procesamiento

Delay por colas

Delay de transmisión

Delay de propagación

Delay de Propagación

◼ Descripción: Es el tiempo que tarda una señal en viajar desde el origen hasta el destino a través del medio de transmisión, ya sea cable, fibra óptica, o inalámbrico.

◼ Cálculo: Depende de la velocidad de propagación del medio (cerca de la velocidad de la luz en el vacío para la fibra óptica) y la distancia entre los nodos.

Delay de Propagación

Ejercicio:

Un paquete de datos debe viajar 1,500 km a través de un cable de fibra óptica. La velocidad de propagación en la fibra óptica es de 200,000 km/s. ¿Cuál es el delay de propagación?

Delay de Transmisión

Descripción: Es el tiempo necesario para que un nodo (como un switch o router) ponga todos los bits de un paquete en el medio de transmisión.

Cálculo: Depende del tamaño del paquete y de la tasa de transmisión del enlace.

Delay de Transmisión

Ejercicio:

Supongamos que un paquete de 1,500 bytes (1 byte = 8 bits) se transmite a través de un enlace con una tasa de transmisión de 100 Mbps. ¿Cuál es el delay de transmisión?

Delay de Cola (Queueing Delay)

Descripción: Ocurre cuando un paquete debe esperar en una cola antes de ser transmitido debido a la congestión en un nodo de la red.

Impacto: Este delay puede ser altamente variable y depende de la carga de tráfico en la red. En situaciones de alta congestión, el delay de cola puede llegar a ser significativo.

Delay de Procesamiento

Descripción: Es el tiempo que tarda un dispositivo de red (como un router o switch) en procesar la cabecera del paquete, determinar su destino y tomar las decisiones necesarias para reenviarlo.

Cálculo: Depende de la velocidad del hardware y la complejidad de las operaciones de enrutamiento o conmutación.

Impacto: Aunque suele ser pequeño en comparación con otros tiposdedelay,enredescomplejasosobrecargadas,eldelayde procesamientopuedeacumularse.

Delay de Procesamiento

Descripción: Es el tiempo que tarda un dispositivo de red (como un router o switch) en procesar la cabecera del paquete, determinar su destino y tomar las decisiones necesarias para reenviarlo.

Cálculo: Depende de la velocidad del hardware y la complejidad de las operaciones de enrutamiento o conmutación.

Impacto: Aunque suele ser pequeño en comparación con otros tiposdedelay,enredescomplejasosobrecargadas,eldelayde procesamientopuedeacumularse.

End-to-end delay

Es la suma de los delay de procesamiento, de colas, de transmisión y de propagación.

Los diferentes delays dependen del tipo de redes, de los medios de transmisión utilizados, de la capacidad de los enlaces, del tráfico y de la distancia entre los enrutadores.

Relación de ping con el Delay de la Red

Ping es una utilidad de red que se utiliza para probar la conectividad entre dos dispositivos de red (por ejemplo, entre una computadora y un servidor). Este comando mide el round-trip time (RTT), que es el tiempo que tarda un paquete en viajar desde el origen al destino y de vuelta al origen.

Relación de ping con el Delay de la Red

CómopingmideelDelay:

◼Round-Trip Time (RTT): Al enviar una serie de paquetes ICMP (Internet Control Message Protocol) "echo request" y recibir las respuestas "echo reply", ping mide el tiempo transcurrido, lo que proporciona una estimación del delay total en la red. Esto incluye el delay de propagación, delay de transmisión, delay de procesamiento en el destinoy delaydecola.

Relación de traceroute con el Delay de la Red

◼Traceroute es una herramienta que rastrea la ruta que toma un paquete para llegar a un destino, identificando cada salto (nodo) intermedio en la red. Además de mostrar la ruta, traceroute también mide el tiempo de respuesta (delay) en cada uno de estos saltos.

Relación de traceroute con el Delay de la Red

CómotraceroutemideelDelayenlaRed:

◼Identificación de Delays en Cada Salto: traceroute envía paquetes con TTL (Time to Live) incremental, lo que fuerza al paquete a "morir" en cada salto, obligando a cada router en la ruta a devolver un mensaje de error. El comando mide el tiempo que tarda cada router en responder, proporcionando una estimación del delay de procesamientoydepropagaciónencadanodo.

Relación de traceroute con el Delay de la Red

◼Diagnóstico de Problemas de Delay: Si un salto en la ruta muestra un delay significativamente mayor que los anteriores, indica que ese nodo específico podría estar congestionado o tener problemas de rendimiento. Esto ayuda a identificar cuellos de botella en la red.

Cableado Estructurado

¿Qué es?

◼Un sistema de cableado estructurado es un conjunto de dispositivos y cables que se instalan en un edificio o campus con el fin de permitir el montaje posterior de servicios de información, independientemente de su tecnología específica.

Cableado Estructurado

Características

◼ Permite identificar, reubicar, modificar y ampliar de forma racional los equipos conectados.

◼ Es flexible, escalable, abierto y de fácil administración.

◼ Es eficiente, económico y optimiza el espacio físico.

◼ Permite integración de servicios como teléfono, fax, datos, audio, video, seguridad, etc.

◼ Está basado en estándares.

Componentes

◼ Cables:

▪ Cables de par trenzado (UTP, STP, FTP).

▪ Cables de fibra óptica (monomodo y multimodo).

◼ Conectores:

▪ Conectores RJ-45 para cables de cobre.

▪ Conectores SC, LC para fibra óptica.

◼ Paneles de parcheo (Patch Panels):

▪ Función y uso en cableado estructurado.

◼ Gabinetes y racks:

▪ Organización física del cableado.

◼ Tomas de red (outlets):

▪ Placas de pared y módulos de conexión.

◼ Bandejas y canalizaciones:

▪ Organización y protección del cableado.

Cableado Estructurado

Limitaciones

◼ Existen distancias máximas entre centros de cableado.

◼ Dependen del medio físico y de algunas propiedades del material utilizado.

◼ La más significativa es la distancia en el cableado horizontal de 90 m desde el patch panel hasta el área de trabajo.

◼ Otras distancias como en backbone de un edificio (cableado vertical) o el backbone de un campus, puede ir desde 500 m hasta 3 Km dependiendo de la calidad de la fibra óptica.

Cableado Estructurado

Componentes

◼ Área de trabajo.

◼ Cableado horizontal.

◼ Cableado vertical.

◼ Cuarto principal de piso.

◼ Cuarto principal de edificio.

Cableado Estructurado

Área de trabajo

◼Va desde una toma de datos en la pared hasta el computador del operario.

◼Debe ser fácil de trasladar.

◼El cable utilizado se denomina patch cord y no debe ser de más de 3 m.

Cableado Estructurado

Cableadohorizontal

◼ Elcablequevatendidopordentrodelascanaletas.

◼ Elolospatchpanels.

◼ Losfaceplates(tomasde pared).

◼ Los patch cords (uno en el cuarto de comunicaciones de piso y otro en el área de trabajo).

◼ Usualmenteseconfiguraunatopologíaenestrella.

◼ Elcuartodecomunicaciones encadapiso.

Cableado Estructurado

Cableado horizontal

◼ Manejo adecuado del cableado eléctrico para evitar interferencias.

◼ No se debe cablear por debajo de alfombras.

◼ Máximo 90 metros de longitud en el cable. Se permiten 10 metros adicionales para cables de conexión.

◼ También se requiere un mínimo de 15 metros para garantizar el transporte adecuado de la señal.

◼ Se recomienda el uso de cable estandarizado. El más común es UTP 5E (100 MHz). Sin embargo, actualmente se pueden usar UTP 6, UTP 6a UTP 7.

Cableado Estructurado

Cableado vertical

◼ Comprende el cableado que se conecta a cada uno de los pisos dentro de una edificación.

◼ La función del cableado vertical es la interconexión de los diferentes cuartos de comunicaciones (backbone).

◼ Normalmente no es muy costoso, porque relativamente debe cubrir poca distancia, aunque el material (fibra óptica) es costoso al igual que la mano de obra especializada.

Cableado Estructurado

Cuarto principal de comunicaciones

◼Son las conexiones que permiten enlazar dos o más cuartos de comunicaciones de piso.

◼Aquí se encuentra el punto de acceso al backbone del campus.

◼Es un área de uso exclusiva dentro del edificio.

Cableado Estructurado

Backbone de Campus

Incluye el cableado y los equipos utilizados para conectar dos o más edificios dentro de un campus.

Cableado Estructurado

Backbone

◼Una troncal (en inglés backbone), red troncal o troncal de internet, es una de las principales conexiones de internet. Cada troncal está compuesta por un gran número de enrutadores interconectados comerciales, gubernamentales, universitariosydeotraíndoledegrancapacidadque llevan los datos a través de países, continentes y océanosdelmundomediantecablesdefibraóptica.

Cableado Estructurado

Administración

◼ Se debe proporcionar un esquema de administración uniforme.

◼ Debe ser independiente de las aplicaciones y la marca de los equipos.

◼ Debe estar debidamente documentado y si se realizan modificaciones, la documentación es necesario que se actualice.

◼ Se deben tener en cuenta factores ambientales como temperatura, humedad, higiene, de tal manera que se pueda garantizar el tiempo de vida del cableado.

Estándares y Normativas

◼ TIA/EIA-568:

▪ Estructura general del estándar.

▪ Requisitos para cables de cobre y fibra óptica.

◼ ISO/IEC 11801:

▪ Comparativa con TIA/EIA-568.

◼ Requisitos de instalación y etiquetado.

◼ Código de colores y normas de conexión (T568A y T568B).

¡ GRACIAS !

Referencias

◼Carlos Eduardo Gómez Montoya, PhD. Luis Eduardo SepúlvedaRodríguez,PhD.Cableadoestructurado.

◼https://www.openetics.com/co.326.325.830.1.1-diferencias-en tre-las-redes-lan-man-y-wan.html

◼Tanenbaum, A. S. (2003). Redes de computadoras. Pearson educación.

◼https://fernandoarciniega.com/topologias-de-red-tabla-carac teristicas-ventajas-y-desventajas/#google_vignette