La topología de red es la disposición de los elementos ( enlaces , nodos , etc.) de una red de comunicación. [1] [2] La topología de red se puede utilizar para definir o describir la disposición de varios tipos de redes de telecomunicaciones, incluidas redes de radio de comando y control , [3] buses de campo industriales y redes informáticas .
La topología de red es la estructura topológica [4] de una red y puede representarse física o lógicamente. Es una aplicación de la teoría de grafos [3] en la que los dispositivos que se comunican se modelan como nodos y las conexiones entre los dispositivos se modelan como enlaces o líneas entre los nodos. La topología física es la ubicación de los diversos componentes de una red (por ejemplo, ubicación de dispositivos e instalación de cables), mientras que la topología lógica ilustra cómo fluyen los datos dentro de una red. Las distancias entre nodos, las interconexiones físicas, las velocidades de transmisión o los tipos de señales pueden diferir entre dos redes diferentes, pero sus topologías lógicas pueden ser idénticas. La topología física de una red es una preocupación particular de la capa física del modelo OSI .
Se encuentran ejemplos de topologías de red en las redes de área local ( LAN ), una instalación de red informática común. Cualquier nodo determinado en la LAN tiene uno o más enlaces físicos a otros dispositivos en la red; El mapeo gráfico de estos enlaces da como resultado una forma geométrica que puede usarse para describir la topología física de la red. En las LAN se ha utilizado una amplia variedad de topologías físicas, incluidas anillo , bus , malla y estrella . Por el contrario, mapear el flujo de datos entre los componentes determina la topología lógica de la red. En comparación, las redes de área de controladores , comunes en los vehículos, son principalmente redes de sistemas de control distribuidos de uno o más controladores interconectados con sensores y actuadores a través, invariablemente, de una topología de bus físico.
Existen dos categorías básicas de topologías de red, topologías físicas y topologías lógicas. [5]
El diseño del medio de transmisión utilizado para vincular dispositivos es la topología física de la red. Para medios conductores o de fibra óptica, esto se refiere al diseño del cableado , las ubicaciones de los nodos y los enlaces entre los nodos y el cableado. [1] La topología física de una red está determinada por las capacidades de los dispositivos y medios de acceso a la red, el nivel de control o tolerancia a fallas deseado y el costo asociado con el cableado o los circuitos de telecomunicaciones.
Por el contrario, la topología lógica es la forma en que las señales actúan en los medios de la red, [6] o la forma en que los datos pasan a través de la red de un dispositivo al siguiente sin tener en cuenta la interconexión física de los dispositivos. [7] La topología lógica de una red no es necesariamente la misma que su topología física. Por ejemplo, la Ethernet de par trenzado original que utilizaba concentradores repetidores era una topología de bus lógica llevada a cabo en una topología física en estrella. Token Ring es una topología de anillo lógico, pero está conectado como una estrella física desde la unidad de acceso a medios . Físicamente, AFDX puede ser una topología en estrella en cascada de múltiples conmutadores Ethernet redundantes duales; sin embargo, los enlaces virtuales AFDX se modelan como conexiones de bus de un solo transmisor con conmutación de tiempo , siguiendo así el modelo de seguridad de una topología de bus de un solo transmisor utilizada anteriormente en las aeronaves. Las topologías lógicas suelen estar estrechamente asociadas con métodos y protocolos de control de acceso a medios . Algunas redes pueden cambiar dinámicamente su topología lógica mediante cambios de configuración en sus enrutadores y conmutadores.
Los medios de transmisión (a menudo denominados en la literatura medios físicos ) utilizados para vincular dispositivos para formar una red informática incluyen cables eléctricos ( Ethernet , HomePNA , comunicación por línea eléctrica , G.hn ), fibra óptica ( comunicación por fibra óptica ), y ondas de radio ( redes inalámbricas ). En el modelo OSI , estos se definen en las capas 1 y 2: la capa física y la capa de enlace de datos.
Una familia ampliamente adoptada de medios de transmisión utilizados en la tecnología de redes de área local ( LAN ) se conoce colectivamente como Ethernet . Los estándares de medios y protocolos que permiten la comunicación entre dispositivos en red a través de Ethernet están definidos por IEEE 802.3 . Ethernet transmite datos a través de cables de cobre y fibra. Los estándares de LAN inalámbrica (por ejemplo, los definidos por IEEE 802.11 ) utilizan ondas de radio , u otros utilizan señales infrarrojas como medio de transmisión. La comunicación por línea eléctrica utiliza el cableado eléctrico de un edificio para transmitir datos.
Los órdenes de las siguientes tecnologías cableadas son, aproximadamente, de la velocidad de transmisión más lenta a la más rápida.
El precio es un factor principal que distingue las opciones de tecnología cableada e inalámbrica en una empresa. Las opciones inalámbricas tienen un precio superior que puede hacer que la compra de computadoras, impresoras y otros dispositivos con cable sea un beneficio financiero. Antes de tomar la decisión de comprar productos de tecnología cableada, es necesaria una revisión de las restricciones y limitaciones de las selecciones. Las necesidades comerciales y de los empleados pueden anular cualquier consideración de costos. [12]
Ha habido varios intentos de transportar datos a través de medios exóticos:
Ambos casos tienen un gran tiempo de retardo de ida y vuelta , lo que da una comunicación bidireccional lenta, pero no impide el envío de grandes cantidades de información.
Los nodos de red son los puntos de conexión del medio de transmisión a los transmisores y receptores de las señales eléctricas, ópticas o de radio transportadas en el medio. Los nodos pueden estar asociados con una computadora, pero ciertos tipos pueden tener solo un microcontrolador en un nodo o posiblemente ningún dispositivo programable. En la disposición en serie más simple, un transmisor RS-232 se puede conectar mediante un par de cables a un receptor, formando dos nodos en un enlace o una topología punto a punto. Algunos protocolos permiten que un solo nodo solo transmita o reciba (por ejemplo, ARINC 429 ). Otros protocolos tienen nodos que pueden transmitir y recibir en un solo canal (por ejemplo, CAN puede tener muchos transceptores conectados a un solo bus). Si bien los componentes básicos del sistema convencional de una red informática incluyen controladores de interfaz de red (NIC), repetidores , concentradores , puentes , conmutadores , enrutadores , módems , puertas de enlace y cortafuegos , la mayoría aborda problemas de red más allá de la topología de la red física y pueden representarse como un solo nodos en una topología de red física particular.
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Un controlador de interfaz de red (NIC) es un hardware informático que proporciona a una computadora la capacidad de acceder a los medios de transmisión y tiene la capacidad de procesar información de red de bajo nivel. Por ejemplo, la NIC puede tener un conector para aceptar un cable o una antena para transmisión y recepción inalámbrica y los circuitos asociados.
La NIC responde al tráfico dirigido a una dirección de red, ya sea para la NIC o para la computadora en su conjunto.
En las redes Ethernet , cada controlador de interfaz de red tiene una dirección de control de acceso a medios (MAC) 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 Ethernet es de seis octetos . Los tres octetos más importantes están reservados para identificar a los fabricantes de NIC. Estos fabricantes, utilizando sólo sus prefijos asignados, asignan de forma única los tres octetos menos significativos de cada interfaz Ethernet que producen.
Un repetidor es un dispositivo electrónico que recibe una señal de red , la limpia de ruidos innecesarios y la regenera. La señal puede reformarse o retransmitirse a un nivel de potencia más alto, al otro lado de una obstrucción posiblemente utilizando un medio de transmisión diferente, de modo que la señal pueda cubrir distancias más largas sin degradación. Los repetidores comerciales han ampliado 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 con una longitud superior a 100 metros. Con la 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 ningún cambio de extremo a extremo en el protocolo físico a través del repetidor o par de repetidores, incluso si se puede usar una capa física diferente entre los extremos del repetidor. , o par de repetidores. Los repetidores requieren una pequeña cantidad de tiempo para regenerar la señal. Esto puede causar un retraso en la propagación que afecta el rendimiento de la red y puede afectar el funcionamiento adecuado. Como resultado, muchas arquitecturas de red limitan la cantidad de repetidores que se pueden usar en una fila, por ejemplo, la regla Ethernet 5-4-3 .
Un repetidor con múltiples puertos se conoce como hub, hub Ethernet en redes Ethernet, hub USB en redes USB.
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 rompe el dominio de colisión de la red pero mantiene un dominio de transmisión unificado. La segmentación de la red divide una red grande y congestionada en una agregación de redes más pequeñas y más eficientes.
Los puentes vienen en tres tipos básicos:
Un conmutador de red es un dispositivo que reenvía y filtra datagramas ( tramas ) de capa 2 OSI entre puertos en función de la dirección MAC de destino en 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. Se puede considerar como un puente multipuerto. [17] Aprende a asociar puertos físicos a direcciones MAC examinando las direcciones de origen de las tramas recibidas. Si el objetivo es un destino desconocido, el conmutador transmite a todos los puertos excepto al 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 basándose en el direccionamiento de capa 3 o niveles lógicos adicionales. El término conmutador se utiliza a menudo de forma vaga 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 conexión a Internet 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). La información de enrutamiento a menudo se procesa junto con la tabla de enrutamiento (o tabla de reenvío). Un enrutador utiliza su tabla de enrutamiento para determinar dónde reenviar paquetes. Un destino en una tabla de enrutamiento puede incluir una interfaz "nula", también conocida como interfaz de "agujero negro" porque los datos pueden ingresar a ella; sin embargo, no se realiza ningún procesamiento adicional para dichos datos, es decir, los paquetes se descartan.
Los módems (MOdulator-DEModulator) se utilizan para conectar nodos de red mediante cables que no están diseñados originalmente para el tráfico de redes digitales ni para conexiones inalámbricas. Para hacer esto, la señal digital modula una o más señales portadoras para producir una señal analógica que puede adaptarse para brindar las propiedades requeridas para la transmisión. Los módems se utilizan comúnmente para líneas telefónicas y utilizan una tecnología de línea de abonado digital .
Un firewall es un dispositivo de red para controlar la seguridad de la red y las reglas de acceso. Los firewalls generalmente están configurados para rechazar solicitudes de acceso de fuentes no reconocidas y al mismo tiempo permitir acciones de fuentes reconocidas. El papel vital que desempeñan los firewalls en la seguridad de la red crece en paralelo con el aumento constante de los ciberataques .
El estudio de la topología de red reconoce ocho topologías básicas: punto a punto, bus, estrella, anillo o circular, malla, árbol, híbrida o en cadena. [18]
La topología más simple con un enlace dedicado entre dos puntos finales. La más fácil de entender, de las variaciones de la topología punto a punto, es un canal de comunicación punto a punto que, para el usuario, parece estar asociado permanentemente con los dos puntos finales. El teléfono de lata de un niño es un ejemplo de canal físico dedicado .
Utilizando tecnologías de conmutación de circuitos o de conmutación de paquetes , un circuito punto a punto se puede configurar dinámicamente y desconectarse cuando ya no sea necesario. Las topologías conmutadas punto a punto son el modelo básico de la telefonía convencional .
El valor de una red punto a punto permanente son las comunicaciones sin obstáculos entre los dos puntos finales. El valor de una conexión punto a punto bajo demanda es proporcional al número de pares potenciales de suscriptores y se ha expresado como 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 en la mitad de la línea, cada sistema lo rebota en secuencia hasta que llega al destino. Una red en cadena puede adoptar dos formas básicas: lineal y en anillo.
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 columna vertebral o troncal : toda la transmisión de datos entre nodos de la red se transmite 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 fuente en ambas direcciones a todas las máquinas conectadas al bus hasta que encuentra el destinatario previsto, que luego 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 los ahorros se ven compensados por el mayor costo de administrar la red. Además, dado que la red depende de un único cable, puede ser el único punto de falla de la red. En esta topología, cualquier nodo puede acceder a los datos que se transfieren.
En una red de bus lineal, todos los nodos de la red están conectados a un medio de transmisión común que tiene sólo dos puntos finales. Cuando la señal eléctrica llega al final del bus, la señal se refleja de regreso a lo largo de la línea, causando interferencias no deseadas. Para evitar esto, los dos puntos finales del bus normalmente están terminados con un dispositivo llamado terminador .
En una red de bus distribuido, todos los nodos de la red están conectados a un medio de transmisión común con más de dos puntos finales, creado agregando ramas a la sección principal del medio de transmisión; la topología física del bus distribuido funciona exactamente de la misma manera. como la topología de bus lineal físico porque todos los nodos comparten un medio de transmisión común.
En la topología en estrella, cada nodo periférico (estación de trabajo informática o cualquier otro periférico) está conectado a un nodo central llamado concentrador o conmutador. El hub es el servidor y los periféricos son los clientes. La red no necesariamente tiene que parecerse a una estrella para ser clasificada como red en 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 hub central, que actúa como repetidor de señal .
La topología en estrella se considera la topología más fácil de diseñar e implementar. Una ventaja de la topología en estrella es la simplicidad de agregar nodos adicionales. La principal desventaja de la topología en estrella es que el concentrador representa un único punto de falla. Además, dado que toda la comunicación periférica debe fluir a través del concentrador central, el ancho de banda central agregado forma un cuello de botella en la red para grandes clústeres.
La topología de red en estrella extendida extiende una topología física en estrella mediante uno o más repetidores entre el nodo central y los nodos periféricos (o "radio"). Los repetidores se utilizan para ampliar la distancia máxima de transmisión de la capa física, la distancia punto a punto entre el nodo central y los nodos periféricos. Los repetidores permiten una mayor distancia de transmisión, más lejos de lo que sería posible utilizando sólo la potencia de transmisión del nodo central. El uso de repetidores también puede superar las limitaciones del estándar en el que se basa la capa física.
Una topología física en estrella extendida en la que los repetidores se reemplazan por concentradores o conmutadores es un tipo de topología de red híbrida y se conoce como topología física en estrella jerárquica, aunque algunos textos no hacen distinción entre las dos topologías.
Una topología en estrella física jerárquica también puede denominarse topología en estrella de nivel. Esta topología se diferencia de una topología de árbol en la forma en que se conectan las redes en estrella. Una topología de nivel en estrella utiliza un nodo central, mientras que una topología de árbol utiliza un bus central y también puede denominarse red de bus en estrella.
Una estrella distribuida es una topología de red que se compone de redes individuales que se basan en la topología física en estrella conectadas de forma lineal, es decir, 'encadenadas', sin ningún punto de conexión central o de nivel superior (por ejemplo, dos o más ' hubs "apilados", junto con sus nodos o "radios" asociados conectados en estrella).
Una topología de anillo es una cadena tipo margarita en un circuito cerrado. Los datos viajan alrededor del anillo en una dirección. Cuando un nodo envía datos a otro, los datos pasan a través de 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 de clientes y servidores. Si un nodo no puede retransmitir datos, corta la comunicación entre los nodos anteriores y posteriores en el bus.
Ventajas:
Desventajas:
El valor de las redes completamente malladas es proporcional al exponente del número de suscriptores, suponiendo que los grupos de comunicación de dos puntos finales cualesquiera, hasta todos los puntos finales inclusive, se aproxima mediante la Ley de Reed .
En una red totalmente conectada , todos los nodos están interconectados. (En teoría de grafos, esto se llama grafo completo ). La red completamente conectada más simple es una red de dos nodos. Una red completamente conectada no necesita utilizar conmutación o transmisión de paquetes . Sin embargo, dado que el número de conexiones crece cuadráticamente con el número de nodos:
Esto lo hace poco práctico para redes grandes. Este tipo de topología no se dispara ni afecta a otros nodos de la red.
En una red parcialmente conectada, ciertos nodos están conectados exactamente a otro nodo; pero algunos nodos están conectados a dos o más nodos con un enlace punto a punto. Esto hace posible hacer uso de parte de la redundancia de la topología de malla que está físicamente completamente conectada, sin el gasto y la complejidad necesarios para una conexión entre cada nodo 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 exhibe una de las topologías estándar (por ejemplo, bus, estrella, anillo, etc.). Por ejemplo, una red en árbol (o red en estrella-bus ) es una topología híbrida en la que las redes en estrella están interconectadas 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 anillo en estrella consta de dos o más redes en anillo conectadas mediante una unidad de acceso multiestación (MAU) como concentrador centralizado.
La topología de copo de nieve es una red en estrella de redes en estrella. [ cita necesaria ]
Otros dos tipos de redes híbridas son la malla híbrida y la estrella jerárquica . [20]
La topología en estrella reduce la probabilidad de una falla de la red al conectar todos los nodos periféricos (computadoras, etc.) a un nodo central. Cuando la topología física en estrella se aplica a una red de bus lógico como Ethernet , este nodo central (tradicionalmente un concentrador) retransmite todas las transmisiones recibidas desde cualquier nodo periférico a todos los nodos periféricos de la red, incluido a veces el nodo de origen. Por lo tanto, todos los nodos periféricos pueden comunicarse con todos los demás transmitiendo y recibiendo desde el nodo central únicamente. La falla de una línea de transmisión que une cualquier nodo periférico con el nodo central resultará en el aislamiento de ese nodo periférico de todos los demás, pero los nodos periféricos restantes no se verán afectados. Sin embargo, la desventaja es que el fallo del nodo central provocará el fallo de todos los nodos periféricos.
Si el nodo central es pasivo , el nodo de origen debe poder tolerar la recepción de un eco de su propia transmisión, retrasado por el tiempo de transmisión de ida y vuelta en ambos sentidos (es decir, hacia y desde el nodo central) más cualquier retraso generado en el nodo central. Una red en estrella activa tiene un nodo central activo que generalmente tiene los medios para prevenir problemas relacionados con el eco.
Una topología de árbol (también conocida como topología jerárquica ) puede verse como una colección de redes en estrella dispuestas en una jerarquía . Esta estructura de árbol tiene nodos periféricos individuales (por ejemplo, hojas) que deben transmitir y recibir de otro nodo únicamente y no deben actuar como repetidores o regeneradores. A diferencia de la red en estrella, la funcionalidad del nodo central puede estar distribuida.
Por lo tanto, al igual que en la red en estrella convencional, los nodos individuales aún pueden quedar aislados de la red por un fallo en un único punto de una ruta de transmisión hasta el nodo. Si falla un vínculo que conecta una hoja, esa hoja queda aislada; Si falla una conexión a un nodo no hoja, una sección completa de la red queda aislada del resto.
Para aliviar la cantidad de tráfico de red que surge de la transmisión de todas las señales a todos los nodos, se desarrollaron nodos centrales más avanzados que pueden realizar un seguimiento de las identidades de los nodos que están conectados a la red. Estos conmutadores de red "aprenderán" el diseño de la red "escuchando" cada puerto durante la transmisión de datos normal, examinando los paquetes de datos y registrando la dirección/identificador de cada nodo conectado y a qué puerto está conectado en una tabla de búsqueda mantenida. en memoria. Esta tabla de búsqueda permite que las transmisiones futuras se reenvíen únicamente al destino previsto.
La topología en cadena tipo margarita es una forma de conectar nodos de red en una estructura lineal o en anillo. Se utiliza para transmitir mensajes de un nodo a otro hasta llegar al nodo de destino.
Una red en cadena puede tener dos tipos: lineal y en anillo. Una red lineal en cadena es como una serie eléctrica, donde el primer y el último nodo no están conectados. Una red en cadena en anillo es donde se conectan el primer y el último nodo, formando un bucle.
En una topología de malla parcialmente conectada, hay al menos dos nodos con dos o más rutas entre ellos para proporcionar rutas redundantes en caso de que falle el enlace que proporciona una de las rutas. La descentralización se utiliza a menudo para compensar la desventaja del fallo de un solo punto que se presenta cuando se utiliza un único dispositivo como nodo central (por ejemplo, en redes en estrella y en árbol). Un tipo especial de malla que limita el número de saltos entre dos nodos es el hipercubo . La cantidad de bifurcaciones arbitrarias en las redes de malla las hace más difíciles de diseñar e implementar, pero su naturaleza descentralizada las hace muy útiles.
Esto es similar en algunos aspectos a una red grid , donde se utiliza una topología lineal o en anillo para conectar sistemas en múltiples direcciones. Un anillo multidimensional tiene , por ejemplo, una topología toroidal .
Una red totalmente conectada , topología completa o topología de malla completa es una topología de red en la que existe un vínculo directo entre todos los pares de nodos. En una red totalmente conectada con n nodos, existen enlaces directos. Las redes diseñadas con esta topología suelen ser muy costosas de configurar, pero brindan un alto grado de confiabilidad debido a las múltiples rutas para los datos que proporcionan la gran cantidad de enlaces redundantes entre nodos. Esta topología se ve principalmente en aplicaciones militares .
