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 las redes de radio de comando y control , [3] buses de campo industriales y redes de computadoras .
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 colocación de los diversos componentes de una red (por ejemplo, la ubicación del dispositivo y la instalación del cable), 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 .
Ejemplos de topologías de red se encuentran en redes de área local ( LAN ), una instalación de red informática común. Cualquier nodo dado 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 se puede utilizar para describir la topología física de la red. Se ha utilizado una amplia variedad de topologías físicas en las LAN, incluyendo anillo , bus , malla y estrella . Por el contrario, el mapeo del flujo de datos entre los componentes determina la topología lógica de la red. En comparación, las redes de área de controlador , comunes en los vehículos, son principalmente redes de sistemas de control distribuidos de uno o más controladores interconectados con sensores y actuadores sobre, invariablemente, una topología de bus físico.
Existen dos categorías básicas de topologías de red: topologías físicas y topologías lógicas. [5]
La disposición del medio de transmisión utilizado para conectar dispositivos es la topología física de la red. En el caso de los medios conductores o de fibra óptica, esto se refiere a la disposición 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 sobre 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, el Ethernet de par trenzado original que utilizaba concentradores repetidores era una topología de bus lógica transportada sobre una topología de estrella física. Token Ring es una topología de anillo lógica, pero está cableada como una estrella física desde la unidad de acceso al medio . Físicamente, Avionics Full-Duplex Switched Ethernet (AFDX) puede ser una topología de estrella en cascada de múltiples conmutadores Ethernet redundantes duales; sin embargo, los enlaces virtuales AFDX se modelan como conexiones de bus de transmisor único conmutadas en el tiempo , siguiendo así el modelo de seguridad de una topología de bus de transmisor único utilizada anteriormente en aeronaves. Las topologías lógicas a menudo están estrechamente asociadas con los métodos y protocolos de control de acceso al medio . Algunas redes pueden cambiar dinámicamente su topología lógica a través de cambios de configuración en sus enrutadores y conmutadores.
Los medios de transmisión (a menudo denominados en la literatura medios físicos ) utilizados para conectar 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 de medios de transmisión ampliamente adoptada que se utiliza 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 una ventaja financiera. Antes de tomar la decisión de comprar productos de tecnología con cable, es necesario revisar las restricciones y limitaciones de las selecciones. Las necesidades de la empresa y de los empleados pueden prevalecer sobre cualquier consideración de costo. [12]
Se han realizado varios intentos de transportar datos a través de medios exóticos:
Ambos casos tienen un gran tiempo de retardo de ida y vuelta , lo que genera 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 a una computadora, pero ciertos tipos pueden tener solo un microcontrolador en un nodo o posiblemente ningún dispositivo programable en absoluto. En las configuraciones en serie más simples, un transmisor RS-232 puede conectarse 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 cuestiones de red que van más allá de la topología de red física y pueden representarse como nodos individuales 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 la computadora la capacidad de acceder a los medios de transmisión y tiene la capacidad de procesar información de red de bajo nivel. Por ejemplo, el NIC puede tener un conector para aceptar un cable o una antena para transmisión y recepción inalámbricas, 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 totalidad.
En las redes Ethernet , cada controlador de interfaz de red tiene una dirección MAC ( Media Access Control ) única, que normalmente se almacena en la memoria permanente del controlador. Para evitar conflictos de direcciones entre dispositivos de red, el Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE) mantiene y administra la unicidad de las direcciones MAC. El tamaño de una dirección MAC de Ethernet es de seis octetos . Los tres octetos más significativos se reservan para identificar a los fabricantes de NIC. Estos fabricantes, utilizando solo 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 ruido innecesario y la regenera. La señal puede ser reformada o retransmitida 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 extendido los segmentos RS-232 de 15 metros a más de un kilómetro. [15] En la mayoría de las configuraciones de Ethernet de par trenzado, se requieren repetidores para cables que se extienden más de 100 metros. Con fibra óptica, los repetidores pueden estar separados por decenas o incluso cientos de kilómetros.
Los repetidores funcionan dentro de la capa física del modelo OSI, es decir, no hay cambios de extremo a extremo en el protocolo físico a través del repetidor o par de repetidores, incluso si se puede utilizar 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 de 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, un hub Ethernet en redes Ethernet, un 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 difusión unificado. La segmentación de red divide una red grande y congestionada en una agregación de redes más pequeñas y 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 según 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 se apunta a un destino desconocido, el conmutador transmite a todos los puertos excepto al de origen. Los conmutadores normalmente tienen numerosos puertos, lo que facilita una topología en estrella para los dispositivos y la conexión en cascada de conmutadores adicionales.
Los conmutadores multicapa son capaces de enrutar en función del direccionamiento de capa 3 o de niveles lógicos adicionales. El término conmutador se suele utilizar de forma imprecisa para incluir dispositivos como enrutadores y puentes, así como dispositivos que pueden distribuir el tráfico en función de la carga o del contenido de la aplicación (por ejemplo, un identificador de URL web ).
Un enrutador es un dispositivo de interconexión de redes que reenvía paquetes entre redes mediante el procesamiento de 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 los paquetes. Un destino en una tabla de enrutamiento puede incluir un agujero negro porque los datos pueden ingresar en él; sin embargo, no se realiza ningún procesamiento adicional para dichos datos, es decir, los paquetes se descartan.
Los módems (MOduladores-DEModuladores) se utilizan para conectar nodos de red a través de cables que no fueron diseñados originalmente para el tráfico de redes digitales, o para la transmisión inalámbrica. Para ello, una o más señales portadoras se modulan mediante la señal digital para producir una señal analógica que se puede adaptar para brindar las propiedades requeridas para la transmisión. Los módems se utilizan comúnmente para líneas telefónicas, utilizando una tecnología de línea de abonado digital .
Un firewall es un dispositivo de red que controla la seguridad de la red y las reglas de acceso. Los firewalls suelen estar configurados para rechazar solicitudes de acceso de fuentes no reconocidas, pero permiten acciones de las reconocidas. El papel fundamental que desempeñan los firewalls en la seguridad de la red crece en paralelo con el aumento constante de los ataques cibernéticos .
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 parece, para el usuario, estar asociado permanentemente con los dos puntos finales. Un teléfono de lata para niños es un ejemplo de un canal físico dedicado .
Mediante el uso de tecnologías de conmutación de circuitos o de conmutación de paquetes , se puede configurar dinámicamente un circuito punto a punto y descartarlo cuando ya no sea necesario. Las topologías punto a punto conmutadas son el modelo básico de la telefonía convencional .
El valor de una red punto a punto permanente es la comunicación sin obstáculos entre los dos puntos finales. El valor de una conexión punto a punto a demanda es proporcional al número de pares potenciales de suscriptores y se ha expresado como la Ley de Metcalfe .
La conexión en cadena se realiza conectando cada computadora en serie con la siguiente. Si un mensaje está destinado a una computadora que se encuentra en la mitad de la línea, cada sistema lo rebota en secuencia hasta que llega al destino. Una red conectada en cadena puede adoptar dos formas básicas: lineal y en anillo.
En las redes de área local que utilizan una topología de bus, cada nodo está conectado mediante conectores de interfaz a un único cable central. Este es el "bus", también conocido como la red troncal o troncal : toda la transmisión de datos entre los nodos de la red se realiza a través de este medio de transmisión común y puede ser recibida por todos los nodos de la red simultáneamente. [1]
Una señal que contiene la dirección de la máquina receptora prevista viaja desde una máquina de origen en ambas direcciones a todas las máquinas conectadas al bus hasta que encuentra el destinatario previsto, que entonces acepta los datos. Si la dirección de la máquina no coincide con la dirección prevista para los datos, la parte de datos de la señal se ignora. Dado que la topología de bus consta de un solo cable, es menos costosa de implementar que otras topologías, pero los ahorros se compensan con el mayor costo de gestión de la red. Además, dado que la red depende de un solo 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 solo dos puntos finales. Cuando la señal eléctrica llega al final del bus, se refleja de vuelta a lo largo de la línea, lo que provoca interferencias no deseadas. Para evitar esto, los dos puntos finales del bus suelen terminarse con un dispositivo llamado terminador .
En una red de bus distribuida, 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 de bus distribuido físico funciona exactamente de la misma manera que la topología de bus lineal físico porque todos los nodos comparten un medio de transmisión común.
En la topología en estrella (también llamada hub-and-spoke), cada nodo periférico (estación de trabajo informática o cualquier otro periférico) está conectado a un nodo central llamado hub o switch. El hub es el servidor y los periféricos son los clientes. La red no tiene por qué parecerse necesariamente a una estrella para ser clasificada como una red en estrella, pero todos los nodos periféricos de la red deben estar conectados a un hub central. Todo el tráfico que atraviesa la red pasa por el hub central, que actúa como un repetidor de señal .
La topología en estrella se considera la más sencilla 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 de red para clústeres grandes.
La topología de red en estrella extendida extiende una topología en estrella física mediante uno o más repetidores entre el nodo central y los nodos periféricos (o "radiales"). 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 distancia de transmisión mayor, más allá de la que sería posible utilizando únicamente 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 de estrella extendida física en la que los repetidores se reemplazan por concentradores o conmutadores es un tipo de topología de red híbrida y se la conoce como topología de estrella jerárquica física, aunque algunos textos no hacen distinción entre las dos topologías.
Una topología en estrella jerárquica física también puede denominarse topología en estrella de nivel. Esta topología se diferencia de una topología en árbol en la forma en que las redes en estrella se conectan entre sí. Una topología en estrella de nivel utiliza un nodo central, mientras que una topología en árbol utiliza un bus central y también puede denominarse red en estrella de bus.
Una estrella distribuida es una topología de red que se compone de redes individuales que se basan en la topología de estrella física conectadas de manera lineal, es decir, "en cadena", sin un punto de conexión central o de nivel superior (por ejemplo, dos o más concentradores "apilados", junto con sus nodos o "radios" conectados en estrella asociados).
Una topología en anillo es una conexión en cadena en un bucle cerrado. Los datos viajan por el anillo en una dirección. Cuando un nodo envía datos a otro, estos pasan a través de cada nodo intermedio del anillo hasta que llegan a su destino. Los nodos intermedios repiten (retransmiten) los datos para mantener la intensidad de la señal. [5] Cada nodo es un par; no existe una relación jerárquica entre 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 en malla es proporcional al exponente del número de suscriptores, asumiendo que los grupos comunicantes de cualesquiera dos puntos finales, hasta todos los puntos finales incluidos, se aproximan mediante la Ley de Reed .
En una red completamente conectada , todos los nodos están interconectados. (En teoría de grafos , esto se denomina grafo completo ). La red completamente conectada más simple es una red de dos nodos. Una red completamente conectada no necesita utilizar conmutación de paquetes ni difusión . Sin embargo, dado que la cantidad de conexiones crece cuadráticamente con la cantidad de nodos:
Esto hace que no sea práctico para redes grandes. Este tipo de topología no se activa ni afecta a otros nodos de la red.
En una red parcialmente conectada, algunos nodos están conectados a exactamente otro nodo, pero algunos nodos están conectados a dos o más nodos con un enlace punto a punto. Esto permite aprovechar parte de la redundancia de la topología en malla que está físicamente completamente conectada, sin el gasto y la complejidad que requiere una conexión entre todos los nodos de la red.
La topología híbrida también se conoce como red híbrida. [19] Las redes híbridas combinan dos o más topologías de tal manera que la red resultante no exhibe una de las topologías estándar (por ejemplo, bus, estrella, anillo, etc.). Por ejemplo, una red de árbol (o red estrella-bus ) es una topología híbrida en la que las redes en estrella 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 estrella y anillo consta de dos o más redes en anillo conectadas mediante una unidad de acceso multiestación (MAU) como centro centralizado.
La topología de copo de nieve está en malla en el núcleo, pero tiene forma de árbol en los bordes. [22]
Otros dos tipos de redes híbridas son la red de malla híbrida y la red en estrella jerárquica . [20]
La topología en estrella reduce la probabilidad de un fallo de red conectando todos los nodos periféricos (ordenadores, etc.) a un nodo central. Cuando la topología en estrella física se aplica a una red de bus lógica 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, a veces incluido el nodo de origen. De este modo, todos los nodos periféricos pueden comunicarse con todos los demás transmitiendo hacia y recibiendo desde el nodo central únicamente. El fallo de una línea de transmisión que une cualquier nodo periférico al nodo central provocará 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 ser capaz de 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, por lo general, tiene los medios para evitar problemas relacionados con el eco.
Una topología de árbol (también conocida como topología jerárquica ) puede considerarse como una colección de redes en estrella organizadas 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.
Al igual que en la red en estrella convencional, los nodos individuales pueden quedar aislados de la red por un fallo en un único punto de la ruta de transmisión hacia el nodo. Si falla un enlace que conecta una hoja, esa hoja queda aislada; si falla una conexión con un nodo que no es hoja, una sección entera de la red queda aislada del resto.
Para aliviar la cantidad de tráfico de red que se genera al transmitir 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 aprenden la disposición de la red escuchando en cada puerto durante la transmisión normal de datos, 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 almacenada en la memoria. Esta tabla de búsqueda permite que las transmisiones futuras se reenvíen solo al destino previsto.
La topología en cadena es una forma de conectar nodos de red en una estructura lineal o en anillo. Se utiliza para transmitir mensajes de un nodo al siguiente hasta que llegan al nodo de destino.
Una red en cadena puede ser de dos tipos: lineal y en anillo. Una red en cadena lineal es como una serie eléctrica, donde el primer y el último nodo no están conectados. Una red en cadena en anillo es donde el primer y el último nodo están conectados, 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 el enlace que proporciona una de las rutas falle. La descentralización se utiliza a menudo para compensar la desventaja de fallo de un solo punto que está presente 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 la cantidad de saltos entre dos nodos, es un 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 de cuadrícula , donde se utiliza una topología lineal o de anillo para conectar sistemas en múltiples direcciones. Un anillo multidimensional tiene una topología toroidal , por ejemplo.
Una red completamente conectada , topología completa o topología de malla completa es una topología de red en la que existe un enlace directo entre todos los pares de nodos. En una red completamente conectada con n nodos, existen enlaces directos. Las redes diseñadas con esta topología suelen ser muy costosas de configurar, pero proporcionan un alto grado de fiabilidad debido a las múltiples rutas para los datos que proporciona la gran cantidad de enlaces redundantes entre nodos. Esta topología se observa principalmente en aplicaciones militares .
