Explicación de los tipos de topología de red

A la hora de crear una red informática, 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 ventajas e inconvenientes. La topología que elijas determina el rendimiento óptimo de tu red, las opciones de ampliabilidad, la facilidad de mantenimiento y los costes de creación de la red. Por eso es importante seleccionar el tipo de topología de red adecuado.

Esta entrada del blog aborda los tipos de topología de red, sus ventajas y sus desventajas. También ofrece recomendaciones sobre qué topología de red utilizar en diferentes escenarios. Los ejemplos prácticos del uso de un tipo específico de topología de red pueden ayudarte a comprender cuándo se puede aplicar cada topología.

¿Qué es la topología de red?

La topología de red o configuración de red define la estructura de la red y cómo se conectan los componentes de la misma. Los tipos de topología de red suelen representarse mediante diagramas de topología de red para mayor comodidad y claridad. Existen dos tipos de topología de red: física y lógica.

Topología física describe cómo se conectan físicamente los dispositivos de red (denominados 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 que siguen los datos en la red y qué protocolos se utilizan. La topología lógica de la red explica cómo se transfieren los datos a través de una topología física. Recursos de red virtual y en la nube 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 solo hay dos ordenadores u otros dispositivos de red conectados entre sí. En este caso se utiliza un único cable. El ejemplo más común de topología de red punto a punto es la conexión de dos ordenadores (que cuentan con adaptadores de red Ethernet con puertos RJ-45) mediante un cable de par trenzado (UTP Cat 5e, FTP Cat 5e, STP Cat 5e, etc.). El tipo de topología punto a punto también se denomina topología P2P.

Consulte la última sección de la entrada del blog para conocer las diferentes Tipos de cables.

El cable cruzado Ethernet de categoría 5e es un cable que cuenta con cuatro pares trenzados de hilos. El cable cuenta con conectores RJ-45 en ambos extremos, con cableado T568A en un extremo 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 conexión sin necesidad de un cable cruzado cuando se conectan dos ordenadores mediante la topología de red punto a punto. La conexión es posible gracias a la compatibilidad con Ethernet Auto MDI-X (cruce de interfaz dependiente del medio).

Los cables de conexión se utilizan para conectar la tarjeta de red de un ordenador a un conmutador y para conectar unos conmutadores con otros. Ambos extremos de un cable de conexión se crimpan siguiendo el estándar T568B (también se puede utilizar el estándar T568A en ambos extremos del cable de conexión, pero esta práctica no es habitual).

Topología de red en bus

En una topología en bus, el cable principal se denomina cable común o cable troncal. Las estaciones se conectan a este cable principal mediante otros cables denominados líneas de derivación. El dispositivo de derivación se utiliza para conectar las líneas de derivación al cable principal. Para construir la red en una topología en bus se suele utilizar un cable coaxial RG-58 con una impedancia de entre 50 y 52 ohmios. Los conectores BNC (Bayonet Neill-Concelman) se utilizan para conectar las partes de la red y para conectar un cable a la tarjeta de red. Los terminadores son dispositivos instalados en cada extremo del cable troncal para absorber las señales y evitar que se reflejen de vuelta al 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 topologías de red y resulta más económica. Se utiliza para redes pequeñas. La ampliabilidad es baja, ya que la longitud del cable troncal es limitada, al igual que el número de estaciones que pueden conectarse a él. Cada dispositivo de red está conectado a un único cable.

La topología de bus dificulta la detección de fallos en la red. Si el cable principal se daña, la red deja de funcionar. Cada nodo adicional ralentiza la velocidad de transmisión de datos en la red. Los datos solo pueden enviarse en una dirección y son half-duplex. Cuando una estación envía un paquete a una estación de destino, el paquete se envía a todas las estaciones (comunicación de difusión). Sin embargo, solo la estación de destino recibe el paquete (después de verificar la dirección MAC de destino en la trama de datos). Este principio de funcionamiento provoca una sobrecarga de la red y no resulta racional. La red del tipo de topología de red en bus funciona en modo half-duplex .

El modo half-duplex no permite que las estaciones de la red transmitan y reciban datos al mismo tiempo. Todo el ancho de banda del canal se utiliza cuando se transfieren datos en cualquiera de las dos direcciones. Cuando una estación está enviando datos, las demás estaciones solo pueden recibir datos.

En el modo full-duplex, ambas estaciones pueden transmitir y recibir datos simultáneamente. La capacidad del enlace se comparte entre las señales que van en una dirección y las señales que van en la otra dirección. El enlace debe tener dos rutas físicas independientes para enviar y recibir datos. Como alternativa, toda la capacidad se puede dividir entre las señales que van en ambas direcciones.

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

CSMA/CD (acceso múltiple con detección de portadora/detección de colisiones) 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 puede transmitir datos y en qué momento. IEEE 802.3 es el estándar que define los métodos de acceso a LAN (red de área local) mediante el protocolo CSMA/CD.

Bus de testigo

IEEE 802.4 es el estándar Token Bus que se utiliza para crear un token ring lógico en redes construidas mediante la topología de bus. Un testigo se pasa de una estación a otra siguiendo 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, los vecinos son la estación 1 y la estación 5, y se selecciona una de ellas para transmitir datos en función de la dirección. Solo el propietario del testigo (la estación que tiene el testigo) 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 que se utiliza para marcar el inicio de la trama.
• El control de trama (1 byte) verifica si esta trama es una trama de control o una trama de datos.
• La dirección de destino (2-6 bytes) especifica la dirección de la estación de destino.
• La dirección de origen (2-6 bytes) especifica la dirección de la estación de origen.
• La carga útil (0-8182 bytes) es un campo de longitud variable destinado a transportar los datos útiles desde la capa de red. 8182 bytes es el valor máximo si se utiliza una dirección de 2 bytes. Si la longitud de la dirección es de 6 bytes, el tamaño máximo del campo de carga útil es, en consecuencia, de 8174 bytes.
• La suma de comprobación (4 bytes) se utiliza para la detección de errores.
• El delimitador de fin (1 byte) marca el final de la trama.

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

Topología de red en anillo

La topología de red en anillo es una modificación de la topología de bus. En la topología de red en anillo, cada estación está conectada a otras dos estaciones a ambos lados. Estas otras dos estaciones son vecinas de esta estación. Los datos circulan secuencialmente en una sola dirección, por lo que la red funciona en half-duplex modo. 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 de bus. El cable coaxial y los conectores utilizados para instalar una red con topología en anillo son los mismos que los utilizados para la topología de red de bus.

Si se construye una red grande con topología en anillo, se deben utilizar repetidores para evitar la pérdida de datos al transferirlos por la red entre estaciones conectadas mediante tramos de cable largos. Por lo general, cada estación funciona como repetidor y amplifica la señal. Después de ser transmitidos, los datos recorren el anillo y pasan por los nodos intermedios hasta que son recibidos por el dispositivo de destino.

La latencia puede aumentar 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. Recuerde 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 una topología de red activa. El riesgo de colisiones de paquetes se reduce porque solo un nodo de la red puede enviar paquetes a la vez. Este enfoque permite disponer del mismo ancho de banda para cada nodo de la red.

Anillo de tokens

La red token ring es la implementación del estándar IEEE 802.5. Esta topología funciona mediante el sistema basado en tokens. Token ring es la tecnología introducida por IBM en 1984. El token es el marcador que recorre el bucle en una sola dirección. Solo el nodo que tiene el token puede transmitir datos.

La primera estación que comienza a funcionar 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, las tramas flotantes circulan continuamente por el anillo durante un tiempo ilimitado. El monitor activo también se utiliza para evitar la pérdida de tokens (generando un nuevo token) y para sincronizar los errores.

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

• El delimitador de inicio (1 byte) se utiliza para la sincronización y para notificar a una estación que está llegando un token.
• El control de acceso (1 byte) es el campo que contiene el bit de token, el bit de monitor 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 desde 0 hasta el tiempo máximo de retención del token.
• La suma de comprobación (4 bytes), que también se denomina 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 de fin (1 byte) marca el final de la trama.
• El estado de trama (1 byte) es un campo utilizado para terminar una trama de datos y sirve como ACK. Este campo puede ser establecido por un receptor e indica si se reconoció la dirección MAC y se copió la trama.

La dificultad de instalación de la topología en anillo es media. Si desea agregar o eliminar un dispositivo de red, solo necesita cambiar dos enlaces. La topología en anillo no es costosa de instalar. Pero aquí termina la lista de ventajas. Ahora veamos las desventajas de la topología de red en anillo. Cada segmento de la red puede constituir un punto de fallo. Un fallo puede deberse a un cable roto, a un adaptador de red dañado en un ordenador, a la desconexión de un cable, etc. En caso de fallo en un enlace, toda la red deja de funcionar, ya que la señal no puede avanzar y superar 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 resulta complicada.

Todos los nodos de la red con topología en anillo son recursos compartidos. Como resultado, al añadir más nodos al anillo, se producen retrasos en la comunicación y una degradación del rendimiento de la red. Para reconfigurar la red o añadir/eliminar nodos, es necesario desconectar la red y mantenerla fuera de línea. El tiempo de inactividad de la red no resulta conveniente ni rentable para una organización. Por lo tanto, la topología de red en anillo no es la mejor opción para construir una red ampliable y fiable.

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

El anillo doble

El anillo doble 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 full-duplex modo. Los datos se envían en sentido horario y antihorario por la red. Si falla un enlace del primer anillo, el segundo anillo puede utilizarse como enlace de respaldo para mantener el funcionamiento de la red hasta que se solucione el problema del primer anillo.

El anillo óptico en 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 amplia.

Tecnologías y estándares utilizados para crear un anillo de fibra óptica:

• Anillo de paquetes resiliente (RPR), conocido como IEEE 802.17
• STP (protocolo de árbol de expansión) para evitar bucles en la red
• Anillo de protección compartida de varias secciones (MS-SPRing/4, MS-SPRing/2, etc.)
• Protección de conexión de subred (SNCP)
• Anillos bidireccionales conmutados de línea de cuatro fibras (BLSR/4), BLSR/2, etc.
• Módulo de transporte síncrono (STM-4, STM-16, STM-64, etc.)
• Red óptica síncrona (SONET) y jerarquía digital síncrona (SDH)

Los equipos de red profesionales, como los conmutadores, que admiten los estándares adecuados se utilizan para crear un anillo de fibra. El precio de este hardware es elevado. El anillo óptico de alta disponibilidad se utiliza para conectar nodos de diferentes distritos de una ciudad o de diferentes ciudades al circuito de alta disponibilidad y alta velocidad.

Topología de red en estrella

La topología en estrella es la topología de red más común utilizada actualmente debido a las numerosas ventajas que proporciona. Esta topología requiere una unidad centralizada, denominada conmutador, y todos los demás dispositivos de red están conectados a este conmutador mediante su propio cable de red. Un conmutador tiene varios puertos (normalmente 4, 5, 8, 16, 24, 48, etc.) y todas las estaciones necesarias están conectadas al conmutador para interactuar entre sí en la red. En este caso, no existen conexiones físicas directas entre las dos estaciones. Si dos estaciones interactúan entre sí en la red, una trama sale del adaptador de red del remitente y se envía al conmutador; a continuación, el conmutador vuelve a transmitir 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, sustitúyalo por uno con más puertos o conecte un segundo conmutador al conmutador existente mediante un cable de conexión para ampliar la red con topología en estrella. Tenga en cuenta que, cuando la red está muy cargada, esta conexión entre conmutadores constituye un cuello de botella, ya que la velocidad de transferencia de datos entre las estaciones conectadas a distintos conmutadores puede ser inferior a la velocidad de transferencia de datos entre las estaciones conectadas a puertos del mismo conmutador. Si necesita añadir una estación a la red, tome un cable de conexión, inserte un extremo en el adaptador de red del dispositivo de destino y el otro extremo en el conmutador.

Si alguna de las estaciones conectadas a un conmutador falla, la red continúa funcionando sin interrupciones. Si un conmutador se desconecta, la red no puede funcionar. Full-duplex En la topología de red en estrella se admiten los modos « half-duplex ». Esta topología resulta sencilla en cuanto a mantenimiento.

Evita los bucles al conectar dispositivos de red. Si hay más de dos conexiones entre dos dispositivos de red activos en la segunda capa, se crea un bucle. Por ejemplo, si conectas dos conmutadores mediante dos cables de conexión o si insertas un cable de conexión en dos puertos de un mismo conmutador, se produce un bucle. El bucle provoca interrupciones en la comunicación dentro de la red y tormentas de difusión que continúan hasta que se retira el cable de red innecesario y se apaga el conmutador. Si deseas crear conexiones redundantes, utiliza dispositivos con múltiples adaptadores de red que admitan la agrupación de tarjetas de red (NIC teaming) o la agregación de enlaces.

Concentrador frente a conmutador: ¿cuál es la diferencia?

Tanto el concentrador como el conmutador se utilizan para conectar múltiples dispositivos en una red de área local (LAN) que utiliza la topología en estrella. Cuando una señal cifrada que codifica una trama llega a un puerto de un concentrador (una estación emisora conectada a ese puerto mediante un cable), la señal se envía a todos los puertos del concentrador y, por lo tanto, a todos los dispositivos conectados al mismo. Solo la estación cuya tarjeta de red tenga la dirección MAC definida como dirección MAC de destino en la trama puede recibirla. Todos los demás dispositivos de red conectados al concentrador que no sean los dispositivos de destino y cuyos adaptadores de red tengan otras direcciones MAC detectan las señales enviadas y rechazan dicha 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. Esta saturación de la red reduce el ancho de banda de la misma. Un concentrador opera en la primera capa del modelo OSI (la capa física).

Un conmutador 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 remitente 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 la estación de destino y consulta la tabla interna de direcciones MAC para identificar a qué puerto del conmutador está conectado el dispositivo de destino. A continuación, el conmutador envía la trama únicamente al puerto asociado a la dirección MAC del dispositivo de destino. No se produce saturación ni sobrecarga de la red. Este enfoque garantiza un alto rendimiento de la red. No se producen colisiones cuando se utiliza un conmutador en una topología de red en estrella. Un switch opera 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 concentrador. Desde 2011, el uso de concentradores para conectar elementos de red está obsoleto según IEEE 802.3, el conjunto de estándares y protocolos para redes Ethernet.

Nota : Los switches, 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 para bastidores 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 el estándar IEEE 802.3. Los cables de par trenzado (4×2 hilos) son los más comunes. Normalmente se utilizan para estas redes y los extremos de los cables se engarzan con conectores RJ-45 (también conocidos como 8P8C: 8 posiciones y 8 contactos). Ambos extremos del cable se engarzan utilizando el estándar EIA/TIA 568B. También puede engarzar ambos extremos de un cable utilizando EIA/TIA 568A, ya que el principio de funcionamiento sigue siendo el mismo, pero esta práctica no es habitual. Encontrarás más información sobre los cables en la sección « Tipos de cables » al final de esta entrada del blog.

Estándares Ethernet

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

100BASE-TX, conocido como Fast Ethernet, se implementó en 1995 (IEEE 802.3u). Este estándar proporciona una 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 el estándar IEEE 802.3ab (ratificado en 1999). La velocidad máxima de transferencia de datos es de 1000 Mbit/s (1 Gbit/s). El cable necesario es el UTP Cat 5e.

2.5GBASE-T es el estándar denominado IEEE 802.3bz, y la velocidad máxima de transferencia de datos es de 2,5 Gbit/s. El estándar IEEE 802.3bz se aprobó en 2016. Se requiere el cable UTP Cat 5e .

5GBASE-T es similar a 2.5GBASE-T, pero ofrece una velocidad de transferencia de datos de 5 Gbit/s y requiere un cable de mayor categoría: UTP Cat 6.

10GBASE-T es el estándar Ethernet más rápido que utiliza cables de cobre con una velocidad máxima de 10 Gbit/s. El cable necesario es UTP Cat 6A. El estándar IEEE 802.3an contiene especificaciones para el uso de un par trenzado en conexiones de 10 Gbit/s.

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

La longitud máxima del cable entre los puertos de dos dispositivos de red es de 100 metros para cada uno de los estándares mencionados anteriormente, siempre que se cumplan los requisitos del cable de par trenzado. Si necesitas conectar dos dispositivos de red que se encuentran 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 alcanzar la velocidad máxima de cada estándar, debes cumplir los requisitos mínimos: utilizar el cable de la categoría adecuada, un conmutador que admita el modo necesario y tarjetas de red en los dispositivos conectados al conmutador. Por ejemplo, si desea que sus dispositivos de la red funcionen a una velocidad de 1 Gbit/s, debe instalar tarjetas de red de 1 Gbit en dichos dispositivos, conectarlos a un conmutador de 1 Gbit y utilizar el UTP Cat 5e cable con conectores RJ-45 engarzados como cable de conexión, de acuerdo con la norma EIA/TIA 568B. Cuando todos los dispositivos conectados funcionan a una velocidad de 1 Gb/s, lo hacen únicamente en modo full-duplex. La negociación automática es una función que se utiliza para determinar la velocidad de red óptima y el modo de transferencia de datos (full-duplex o half-duplex) para un puerto conectado al puerto de otro dispositivo. La negociación automática determina de forma automática la configuración del puerto conectado al otro extremo del cable y establece la velocidad de transferencia de datos en función del valor más bajo. Si se conecta una tarjeta de red de 100 Mbit a un conmutador de 1 Gbit mediante un cable de conexión (Cat 5e), la velocidad de la conexión de red será de 100 Mbit/s. La compatibilidad con versiones anteriores de los estándares Ethernet de menor velocidad es una función útil.

Formato de trama

La longitud de una trama Ethernet estándar IEEE 802.3 es de 1518 bytes, y la MTU (unidad máxima de transmisión) estándar es de 1500 bytes. Si necesitas que las estaciones de la red intercambien grandes cantidades de datos, configúralas para que utilicen tramas jumbo, que permiten que las tramas utilicen una 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 emplean este tipo de topología física admiten el etiquetado de VLAN. Las etiquetas de 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 el uso de etiquetas VLAN escritas en las tramas. El hardware debe ser compatible con el etiquetado de VLAN para utilizar esta función. El ID de VLAN puede tener un intervalo entre 0 y 4094. 4094 es el número máximo de redes VLAN en una red física.

A continuación, voy a explicar los formatos de trama para las 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 remitente y el receptor.
• El delimitador de inicio de trama (1 byte) es el campo que siempre se establece en 10101011. El SFD (delimitador de inicio de trama) marca el final del preámbulo y el inicio de la trama Ethernet, preparando el terreno para los bits siguientes de la dirección de destino. Este campo es la última oportunidad que tienen los dispositivos de red para sincronizarse.
• La 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 de unidifusión, multidifusión o difusión (FF:FF:FF:FF:FF:FF).
• La 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 de unidifusión.
• El tipo (tipo Ethernet) o la longitud (2 bytes) definen la longitud de la trama Ethernet. El campo de tipo indica el protocolo de capa 3 (L3) (0x0800 – IPv4, 0x86DD – IPv6), si la trama utiliza el etiquetado de 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 se transporta en una trama. Un paquete es una PDU (unidad de datos de protocolo) típica de la tercera capa del modelo OSI (la capa de red).
• La suma de comprobación, FSC o CRC (4 bytes), se utiliza para verificar la integridad de la trama. El CRC lo calcula el remitente; a continuación, el 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 de VLAN, se añade a la trama un campo adicional de etiquetado de VLAN de 4 bytes 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 menor latencia. 10GBASE-S y 10GBASE-E son estándares modernos para redes de 10 Gbit/s que utilizan fibra óptica para establecer conexiones. En este caso, se requiere un conmutador con transceptores y conectores SFP para construir una red con topología en estrella.

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

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

ER Los transceptores (de alcance ampliado) admiten intervalos de longitudes de cable de entre 30 km y 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 una compatibilidad máxima. El cable óptico se conecta a los transceptores mediante conectores LC. Construir una red física con cables ópticos es más difícil que construir una red con cables de cobre de Cat 6A.

Ventajas de la topología en estrella

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

• Basta con una tarjeta de red por estación
• Fácil instalación y mantenimiento
• Fácil resolución de problemas
• Alta fiabilidad y compatibilidad
• Rápida velocidad
• Compatibilidad con cables de par trenzado y ópticos
• Flexibilidad y ampliabilidad

Conexión Wi-Fi

Si se utiliza una conexión de red inalámbrica mediante la instalación de un punto de acceso en casa o en la oficina, la red inalámbrica suele utilizar la topología de red en estrella. En este uso práctico se utiliza el estándar 802.11n (a/b/g/n). El punto de acceso Wi-Fi actúa como un conmutador conectado a 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 ampliamente en la actualidad. La idea de la topología en árbol es que se pueden conectar múltiples topologías en estrella, a modo de ramas, para formar una red compleja mediante conexiones entre conmutadores. Las estaciones se conectan a los puertos de estos conmutadores. Si uno de los conmutadores falla, el segmento correspondiente de la red queda fuera de línea. Si el conmutador principal, situado en la parte superior de la topología en árbol, queda fuera de línea, las ramas de la red no pueden conectarse entre sí, pero los ordenadores de las ramas siguen comunicándose entre ellos. El fallo de cualquier estación conectada a la red no afecta a la rama de la red ni a la red en su conjunto. La topología de árbol es fiable y fácil de instalar, mantener y solucionar problemas, y ofrece una gran ampliabilidad. Cuando se utiliza esta topología, existe una única conexión entre cada nodo de la red (véase el diagrama de topología de red a continuación).

Para la topología de árbol se utilizan los mismos protocolos y estándares que para la topología de red en estrella (incluidos conmutadores, cables y conectores). Además, se pueden utilizar routers para separar las subredes entre sí en el tercer nivel del modelo OSI. Como resultado, se utilizan protocolos de red de la tercera capa y se lleva a cabo la configuración adecuada de los equipos de red. La topología de red en árbol se utiliza ampliamente en grandes organizaciones porque es fácil de instalar y gestionar. Presenta una estructura de red jerárquica. Es recomendable 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 a través de segmentos entre conmutadores.

Un ejemplo de configuración de red:

Veamos un ejemplo de la topología de red en árbol y cómo se utiliza este tipo de topología 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 razonable, ya que esto supondría un consumo adicional de cable para conectar todas las estaciones situadas en diferentes 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. El conmutador principal se encuentra en la cima de la jerarquía del árbol en este ejemplo. El conmutador principal puede conectarse a un router para acceder a Internet. Si hay un departamento situado en otro edificio y la distancia hasta el conmutador del edificio principal es superior a 100 metros, puede utilizar un conmutador adicional con un cable UTP. Este conmutador divide la distancia en segmentos de menos de 100 metros. Como alternativa, utilice un cable óptico (y los convertidores o conmutadores adecuados) para conectar esta oficina remota al conmutador principal.

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

¿Qué es un enrutador?

Un enrutador es un dispositivo que opera en la tercera capa del modelo OSI (la capa de red) y trabaja con paquetes (la PDU es un paquete). Un enrutador puede analizar, recibir y reenviar paquetes entre diferentes redes IP (subredes) utilizando las direcciones IP de los hosts de origen y de destino. Los paquetes no válidos se descartan o se rechazan. Para el enrutamiento se utilizan diferentes técnicas, como NAT (traducción de direcciones de red), tablas de enrutamiento, etc. El cortafuegos y la seguridad de la red son funciones adicionales del enrutador. Los enrutadores 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). Existen modelos populares de routers que combinan un switch en un único dispositivo. Estos routers tienen un puerto WAN y varios puertos LAN (normalmente entre 4 y 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, por lo que debes configurarlos manualmente. Puedes utilizar un servidor físico Linux con varias tarjetas de red y conectar este equipo a modo de router. Conecta un conmutador a la interfaz de red LAN de este router Linux para obtener la topología de red en árbol.

Conexión Wi-Fi

Al igual que en la topología de red en estrella, se pueden utilizar equipos de red inalámbricos para crear segmentos de red de la topología en árbol mezclados 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 enfoque resulta útil cuando es necesario conectar oficinas situadas a más de 100 metros de distancia y no es posible tender un cable entre ellas. El siguiente diagrama de topología de red en árbol ilustra 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 las ramas del árbol, que son redes de topología en estrella).

Topología de red en malla

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. Existen 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 varias otras estaciones de la red. En una malla completa, cada estación está conectada a todas las demás estaciones. El número de conexiones de una malla completa se calcula mediante la fórmula Nc=N(N-1)/2 enlaces, donde N es el número de nodos de la red (para el full-duplex modo de comunicación). Véase el diagrama de topología de red que figura a continuación.

La topología de red en malla proporciona redundancia a la red, pero puede resultar costosa debido al elevado número de conexiones y a la longitud total del cable utilizado. Si una estación falla, la red puede seguir funcionando utilizando otros nodos y conexiones. Si los datos se transferían a través del nodo que ha fallado, la ruta se modifica y los datos se transmiten a través de otros nodos. Cada nodo es un enrutador capaz de crear y modificar rutas de forma dinámica para transferir datos de la manera más racional (en este caso se utilizan protocolos de enrutamiento 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 del identificador de destino, el identificador de origen, las métricas, el tiempo de vida y el identificador de difusión. El enrutamiento funciona en la tercera capa del modelo OSI. En ocasiones se utilizan técnicas de inundación en lugar del enrutamiento. Este tipo de topologías de red puede utilizarse para la transmisión de grandes volúmenes de tráfico gracias a la redundancia de conexiones.

Resulta complicado añadir una nueva estación a la red, ya que es necesario conectarla a varias estaciones más. Añadir o eliminar nodos no interrumpe el funcionamiento de toda la red. Se requieren varias tarjetas de red por estación para establecer todas las conexiones necesarias. Después de añadir una nueva estación, puede que sea necesario instalar tarjetas de red adicionales en otras estaciones que deban conectarse a la nueva estación. La topología de red en malla es ampliable, 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 múltiples emplazamientos a través de Internet. Esta topología de red se utiliza ampliamente para conexiones WAN (red de área amplia), en redes de organizaciones de misión crítica, como las organizaciones militares, etc.

Conexión Wi-Fi

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

Topología de red híbrida

La topología híbrida combina dos o más de los tipos de topología de red mencionados anteriormente. Una combinación de las topologías de red en estrella y en anillo es un ejemplo de topología de red híbrida. En ocasiones, es posible que necesite la flexibilidad de dos topologías en su red. La topología híbrida suele ser ampliable y presenta las ventajas de todas las topologías que la componen. Las desventajas de las topologías también se combinan, lo que dificulta la instalación y el mantenimiento. La topología híbrida añade más complejidad a tu red y puede suponer costes adicionales.

La topología estrella-anillo es uno de los ejemplos de topologías de red híbridas que se pueden encontrar hoy en día. Cuando hablamos de la parte de 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 largas distancias. Esta topología de red híbrida (anillo + estrella) se utiliza para construir redes entre diferentes edificios con ubicaciones a gran distancia dentro de una misma ciudad o en ciudades diferentes. Utilizar la topología en estrella cuando la distancia entre los nodos es elevada resulta complicado y provoca un consumo excesivo de cable.

La ventaja del anillo de fibra con múltiples líneas es la ausencia de un único punto de fallo. Los enlaces ópticos redundantes proporcionan una alta disponibilidad y fiabilidad. En caso de que se produzca un fallo en un enlace óptico, se utilizan canales de reserva. Las diferentes líneas de fibra entre los nodos del anillo pueden trazarse utilizando distintas rutas geográficas.

Los conmutadores y routers de fibra que actúan como nodos del anillo se conectan a conmutadores y routers que forman parte de segmentos de red que utilizan la topología de red en estrella. Esa conexión presenta ventajas para la creación de 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 prensados 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 generales de instalación de la red dependen de la topología de red seleccionada, de los cables y de otros equipos de red. En la entrada del blog se han mencionado diferentes tipos de cables al ofrecer ejemplos reales del uso de distintos tipos de topología de red. Veamos los cables más utilizados para los diferentes tipos de topología de red explicados en esta entrada del blog para comprender mejor las topologías físicas.

Cable coaxial

El cable coaxial consta de un hilo de cobre central que actúa como conductor interno. Para el conductor central se puede utilizar cobre macizo o varios hilos finos de cobre, dependiendo del modelo de cable. Este conductor interno está rodeado por una capa aislante que protege el hilo central. La capa aislante está rodeada por una cinta conductora de aluminio y un apantallamiento de cobre trenzado. La capa externa es un aislamiento de polímero, que puede ser negro o blanco. El RG-58 es una versión muy extendida de cable coaxial y tiene una impedancia de 50 ohmios. A este cable también se le conoce como cable Thinnet 10Base2. Las siglas «RG» del nombre significan «radio guide». Otros ejemplos de cables coaxiales son el RG-6, el RG-8 y el RG-59. Hoy en día, los cables coaxiales se utilizan para conectar antenas Wi-Fi al equipo de red adecuado (tipos de cable 5D-FB, 8D-FB y LMR-400).

Par trenzado

Los cables de par trenzado se utilizan ampliamente en redes debido a su facilidad de uso, su elevado ancho de banda y su precio asequible. Dos hilos de cobre aislados por separado (de aproximadamente 1 mm de diámetro) se retuercen entre sí para formar un par. En los diferentes tipos y categorías de cables se utilizan de uno a cuatro pares. El motivo del retorcido es reducir las señales de ruido. Los pares trenzados están recubiertos por un apantallamiento aislante externo que protege el cable contra daños mecánicos. Existen tres tipos principales de cables de par trenzado: UTP, FTP y STP.

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

FTP (Foil screened Twisted Pair) o F/UTP es un cable en el que todos los pares trenzados están recubiertos por una pantalla metálica (lámina de aluminio). En el interior del cable se incluye un hilo adicional de menos de 1 mm de diámetro. Como resultado, los cables FTP admiten la conexión a tierra si se utilizan los conectores adecuados. Los pares trenzados individuales no están apantallados.

STP (Shielded Twisted Pair) contiene un apantallamiento metálico tejido alrededor de los pares trenzados. Cada par trenzado está apantallado con lámina de aluminio. El cable en su conjunto es rígido y más difícil de retorcer (el cable no es tan flexible como el FTP y el UTP). El cable STP ofrece una mejor protección contra el ruido electromagnético y los daños mecánicos.

Hoy en día se utiliza la categoría 5e o superior para instalar redes. Cuanto mayor es la categoría, mayor es la velocidad de transferencia de datos (100 MHz, 250 MHz, 500 MHz), y se admite una mayor velocidad de transmisión de datos. Se puede utilizar un cable FTP o STP de la misma categoría en lugar de un cable UTP. UTP Cat.3 solo tiene dos pares trenzados. UTP Cat.5 y superiores tienen 4 pares trenzados. El engaste del cable es sencillo y lo puede realizar cualquier persona que disponga de una herramienta de engaste.

Cable de fibra óptica

El cable de fibra óptica ofrece la menor latencia y cubre mayores distancias con un solo tramo de cable (sin repetidores). El cable de fibra óptica es fino y consta de dos capas de vidrio. La capa de vidrio del núcleo es de vidrio puro y actúa como 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 la reflexión interna total.

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

El precio de los cables de fibra óptica es elevado. La soldadura de la fibra óptica resulta más complicada en comparación con el cableado de los cables de par trenzado o los cables coaxiales. El precio de los transceptores necesarios para conectar un cable óptico a un conmutador o un router supone un gasto adicional. Los extremos de las fibras ópticas deben estar siempre limpios, ya que incluso una partícula de polvo puede causar problemas importantes.

Conclusión

Esta entrada del blog ha tratado las topologías de red, incluidas las topologías físicas, las topologías lógicas y ejemplos de su uso en la vida real. Si necesitas crear una red de área local, utiliza la topología en estrella, que es la topología de red más común en la actualidad, o la topología de red en árbol, que es una modificación altamente ampliable de la topología en estrella. Las topologías en anillo y en malla las utilizan principalmente los proveedores de servicios de Internet y los proveedores de servicios gestionados en los centros de datos. Estas son más difíciles de configurar. La variedad de tipos de topologías de red, equipos de red, estándares y protocolos te permite instalar una red con cualquier configuración en tu entorno, en función de tus necesidades.

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