Redes

Una red informática es una serie de computadoras conectadas entre sí, comunicandose para transmitir información entre todas las partes.

Cada uno de los dispositivos conectados a esa red se llama “nodo”. Un nodo no es cualquier cosa conectada a la red, si no que debe ser un punto activo de comunicación (recibir o enviar datos, procesar e interactuar con el resto). Por ejemplo; un servidor que provee de una página web es un nodo, una persona usando su navegador web es un nodo, un router es un nodo pero un repetidor de señal (que recibe la misma y, como dice su nombre, la repite para que no pierda su potencia) no es un nodo debido a que es pasivo.

Y cada uno de esos nodos se comunican mediante “protocolos”; un protocolo es una serie de pasos y procedimientos a seguir por parte de dos o más actores (computadoras, personas, grupos, etc) para poder comunicarse de forma efectiva entre sí. Permitame la informalidad, un ejemplo de esto es el saludo de Los Magios (en Los Simpson) entre el plomero y Homero para identificarse entre sí como miembros, si presta atención verá que ambos deben seguir un procedimiento muy específico para reconocerse entre sí.

En las redes informáticas hay muchos protocolos a diferentes niveles/capas. Cuando decimos “niveles” ó “capas” nos referimos a las diferentes divisiones que hay para identificar que protocolo se debe usar en casos y aplicaciones específicas. Este agrupamiento y categorización se conoce como; “modelo OSI”.

Modelo OSI

El modelo OSI (Open Systems Interconnection), estandarizado en el RC1122 y el RC1123 (ambos del año 1989) es uno (modelo) que provee las bases comunes para la coordinación de múltiples estándares que tienen como fin la intercomunicación de sistemas separados físicamente.

Si te mareaste, dejame que te lo diga más simple (pero pecando un poco de no ser tan correctamente técnico); para X forma de transmitir información (internet, cable, wifi, bluetooth, etc) , sea digital o físico, se debe seguir Z protocolo.

Capa 1 - Física

Es la capa más básica y fundamental de las comunicaciones.

Esta capa es la responsable de la transmisión como recepción de datos no estructurados, en forma de bits, a través de un medio (puerto Ethernet, placa wifi, etc). Debido a esto, en esta capa los dispositivos convierten las señales digitales en pulsos eléctricos o lumínicos (que luego viajan por el cable ethernet, fibra óptica o como ondas por el espacio-tiempo) cuando se envian datos y vice versa cuando se reciben.

Para convertir electricidad, luz en datos y vice versa, se basan en estándares que definen; voltajes de operación, amperajes, lumens, tiempos de cambio y de pulso, distancias máximas de transmisión, así como las formas de acceder a los pines físicos para tales operaciones, entre otras cosas. Realmente acá no puedo profundizar demasiado, ya que acá interviene mucho la electrónica (área en que conozco poco) pero creo que se entiende que acá intervienen todas las formas en que un microcontrolador realiza operaciones con los periféricos físicos para poder transmitir y recibir información mediante dispositivos físicos cableados o inalámbricos.

Ejemplos; cables coaxial de cobre, y cable de fibra optica.

Cable coaxial

Fibra optica

Capa 2 - Enlace

La capa de enlace es la que se encarga de empaquetar los grupos de bits en tramas, listas para viajar entre dos nodos directamente conectados. Imaginala como el “control de aduanas” de la red: se asegura de que la información salga correctamente de un dispositivo y llegue al siguiente sin contratiempos, detectando y, en algunos casos, corrigiendo errores mediante técnicas como la comprobación de redundancia cíclica (CRC).

En esta capa se trabaja con direcciones físicas (como las direcciones MAC), y se establecen los parámetros de comunicación en el nivel más cercano a lo “tangible” (cables, ondas, etc.). Si algo anda mal, es aquí donde se nota la falla antes de que el problema se propague a las capas superiores.

Ejemplos; cable Ethernet, el protocolo PPP (Point to Point Protocol).

Cable ethernet

Aca no tenemos un dispositivo especifico, si no una serie de fabricantes que crean los chips de red que se encargan de tales operaciones. Se pueden encontrar en modems, routers y las placas de red (Ethernet como WiFi) de notebooks, smartphones, etc.

Capa 3 - Red

La capa de red es la ruta lógica que decide “por dónde va” la información. Una vez que ya tenemos las tramas listas, esta capa las divide en paquetes y se encarga del enrutamiento, es decir, determinar la mejor ruta para que cada paquete llegue a su destino, aunque tenga que saltar por varias redes y subredes en el camino.

Aquí entran en juego protocolos como el IP (Internet Protocol), que asigna direcciones lógicas y facilita la comunicación a través de redes globales. Tambien otros protocolos como el “Internet Control Message Protocol” (ICMP), conocido vulgarmente como “ping”.

En pocas palabras, la capa de red es como el GPS que indica la ruta más eficiente en un entramado de caminos interconectados.

Capa 4 - Transporte

La capa de transporte se dedica a que la comunicación sea “end-to-end”, es decir, que los datos viajen de forma segura y ordenada entre el emisor y el receptor. Funciona como el servicio de mensajería que se asegura de que cada paquete de información llegue intacto y en el orden correcto.

Utilizando protocolos como TCP (para comunicaciones confiables) o UDP (cuando la velocidad es prioritaria sobre la fiabilidad), esta capa segmenta y reensambla la información. Es el equivalente digital a que, si mandás un paquete por correo, éste no se pierda ni se mezcle con otros en el tránsito.

Capa 5 - Sesión

La capa de sesión es la coordinadora de la conversación entre dos dispositivos. Se encarga de iniciar, gestionar y finalizar las “llamadas” o sesiones que permiten la comunicación entre aplicaciones. Imaginala como el operador de una centralita, que establece la conexión, mantiene el diálogo ordenado y, cuando todo se termina, cuelga la llamada.

Gracias a esta capa, es posible que múltiples conversaciones se den en paralelo sin que se crucen, asegurando que cada sesión mantenga su integridad y confidencialidad.

En esta capa tenemos protocolos como; “Remote Procedure Call” (RPC), que habilita a un programa a ejecutar un procedimiento/tarea en un host remoto como si estuviera en el mismo servidor. Tambien tenemos otros como NetBIOS.

Capa 6 - Presentación / Syntax

Si la capa de sesión es el operador, la capa de presentación es el traductor universal. Su función es “traducir” los datos a un formato que el receptor pueda entender, independientemente de cómo se hayan generado en el origen. Aquí se realizan tareas como la codificación, compresión e incluso encriptación de la información.

Sin esta capa, los datos podrían llegar en un “lenguaje” completamente distinto al que espera el receptor, lo que provocaría un caos comunicacional. Es, en esencia, la que garantiza que el mensaje, sin importar el formato original, se presente de forma clara y comprensible.

Capa 7 - Aplicación

La capa de aplicación es la más cercana al usuario, la que ves y con la que interactuás directamente. Es la encargada de brindar los servicios y protocolos que permiten el uso de la red para tareas cotidianas: navegar por internet, enviar emails, transferir archivos, etc.

Aquí se implementan protocolos conocidos como HTTP, FTP, SMTP, entre otros, que hacen posible que, desde tu navegador, puedas acceder a un sitio web o que tu cliente de correo envíe y reciba mensajes sin que tengas que preocuparte por los detalles técnicos de lo que ocurre “detrás de cámaras”. Es la interfaz amigable entre la tecnología y vos.

Comunicaciones “alambricas”

Las comunicaciones alambricas son todas aquellas que utilizan un cable conductor para transmitir la informacion, suelen llamarse más comúnmente; “cableado estructurado”.

Si la distancia lo permite, son de los medios de transmision mas eficientes y estables.

Para que todos los cables funcionen en cualquier red, se sigue un estándar a la hora de hacer las conexiones. Generalmente, por no decir siempre, el estandar sigue estas especificaciones;

1. Que voltaje y amperaje se debe utilizar en las comunicaciones.
2. Que frecuencia maxima de transferencia se debe utilizar.
3. Que conector debe haber en cada extremo (1 o más) del cableado estructurado.
4. Que conductores y cantidad se deben utilizar como cables.
5. Que configuracion debe tener cada cable (resistencia, grosor, aleacion, ubicacion dentro del cableado estructurado, etc).
6. Si hay variacion de algunas de las configuraciones anteriores en un extremo u otro.

RJ45

Es, quizas, el cableado estructurado

Comunicaciones inalámbricas

Las comunicaciones inalámbricas suelen llamarse más comúnmente; “redes inalámbricas”.

Aca se aplica todo lo que vimos en los dos primeros capitulos; “Radiación electromagnética” y “Creacion de antenas” respectivamente.

En comunicaciones inalámbricas se entiende comúnmente por “banda” a un segmento contiguo del espectro electromagnético asignado para una aplicación o servicio específico. Es decir, es una subparte de un rango concreto (por ejemplo, radio, infrarrojo, etc.) destinada a la transmisión de información. Se define por un rango continuo de frecuencias, cuya extensión se conoce como “ancho de banda”. Este ancho es fundamental, ya que determina la cantidad de información que se puede transmitir.

Recordemos, del capitulo de radiacion electromagnetica, que por la teoria cuantica de Plank; a mayor frecuencia, mayor energia transportan los fotones. Y dependiendo de la estructura atomica del material, absorvera esa onda o no.

Bajas frecuencias

“LF” es la designacion estandar por parte del ITU (International Telecommunication Union) para el la banda (rango de frecuencias) de ondas de radio con una frecuencia entre 30 y 300 kiloherts.

En estas frecuencias las ondas tienen entre 1 a 10 kilometros. Debido a la baja frecuencia, pocos materiales pueden absorverlas de forma considerable, por lo que tienen muy baja atenuacion conforme aumenta la distancia. Incluso, dependiendo del ambiente claro esta, muchas tienen capacidad de ser difractas del horizonte, montanias y otros obstaculos por varios kilometros.

Por su capacidad muy notable de difraccion, tienen el efecto “ground wave” u “onda de piso”, el cual les permite seguir el contorno de la superficie y llegar a distancias mas grandes que el horizonte. Como son absorvidas por el suelo a medida que se transmiten, su potencia disminuye exponencialmente a medida que aumenta la distancia que recorren.

Generalmente estamos hablando de distancias aproximadamente de hasta 2.000 kilometros, y de 300km si en vez de utilizar el suelo se usa la ionosfera (en sus capas E y F, por lo que pasa a llamarse “skywave”).

Para este tipo de antenas es comun usar las antenas monopolo

Usos

• Para radio AM/FM (principalmente AM y casi nunca FM)
• LORAN en aviones y barcos
• Sistemas meteorologicos en climas hostiles (boyas marinas, por ejemplo)
• Etc

Basicamente; toda comunicacion que permita una baja transmision de datos por segundo pero requiera de distancias grandes y no estar calibrando constantemente la direccion de la antena.

Altas frecuencias (HF: High Frequency)

Tambien conocidas como “banda/onda de decametro”.

“HF” es la designacion estandar por parte del ITU (International Telecommunication Union) para el la banda (rango de frecuencias) de ondas de radio con una frecuencia entre 3 a 30 megahertz (repasar el efecto fotoelectrico).

En esas frecuencias las ondas tienen entre 10 a 100 metros de largo. Y la banda HF es la mayor parte de la banda de ondas cortas, por eso mismo se le suele llamar a las ondas de radio cortas de la misma manera que las altas frecuencias.

Al tener esa frecuencia especifica, puede rebotar en la ionosfera del planeta llegando mas alla del horizonte visible, pero puede traspasar la mayoria de las estructuras biologicas y artificiales. Aunque como mencione en “Radiación electromagnética” hay que tener cuidado con las condiciones ambientales; humedad, agua, hierro, cobre (ya esos cuatro elementos estan en todos los seres vivos del planeta), si es de dia o de noche (lo que afecta a la ionosfera), auroras polares/boreales, entre muchos otros distorcionan e interfieren con las ondas de esa frecuencia.

Esta banda es usada internacionalmente en el rango de 3.95 a 25.82 MHz para; comunicaciones de aviones, estaciones gubernamentales de control del tiempo/clima, algunas veces por parte de barcos, etc.

Aunque como depende mucho de las condiciones ambientales, debemos tener en cuenta que el “Maximum usable frequency” (MUF) o “frecuencia maxima usable” regularmente cae por debajo de los 10 Mhz en invierno y durante las noches, mientras que en verano por el aumento de la incidencia solar el MFU puede pasar facilmente los 30 Mhz.

Ademas de la frecuencia maxima usable (MFU) tenemos el “Lowest usable high frequency” (LUF) que determina dentro del rango de las frecuencias altas, cual es la minima usable para comunicaciones. Y el LUF depende en gran medida de la capacidad de absorsion de la capa cercana a la superficie terrestre (la D-Layer), tal capa y su capacidad de absorver es mayor durante el dia (por la radiacion solar) y a bajas frecuencias, siendo las frecuencias por debajo de 5 MHz totalmente absorvidas.

Por lo tanto, la “Frequency of optimum transmission (FOT)” varia dependiendo; de la incidencia del sol, de la frecuencia usada y de la epoca del anio en que nos encontremos. Cuando las condiciones nos permiten, y usamos las frecuencias correctas, podemos utilizar la ionosfera para hacer revotar nuestras ondas y llegar a cualquier parte del mundo. Otras veces, las condiciones hacen imposible llegar a distancias mayores que la distancia lineal libre (vease; la distancia entre las dos antenas - receptora y emisora - que permite que la onda llegue).

Por supuesto; las auroras polares (al ser luz generada por la radiacion solar sobre la atmosfera) tambien indican una afeccion a la ionosfera que debemos considerar.

Usos

Los principales usos del espectro de alta frecuencia son:

• Sistemas de comunicación militares y gubernamentales
• Comunicaciones aire-tierra en aviación
• Radioafición
• Radiodifusión internacional y regional en ondas cortas
• Servicios marítimos de costa a tierra y de barco a barco
• Sistemas de radar por sobre el horizonte
• Comunicación del Sistema Global de Alerta y Seguridad Marítima (GMDSS)
• Servicios de radio de la Banda Ciudadana a nivel mundial (generalmente entre 26-28 MHz, la porción más alta de la banda HF, que se comporta más como baja VHF)
• Radar para aplicaciones en la dinámica costera oceánica

La banda de alta frecuencia es muy popular entre los radioaficionados, quienes pueden aprovechar las comunicaciones directas y de larga distancia (a menudo intercontinentales) y el “factor de emoción” que resulta de establecer contactos en condiciones variables. La radiodifusión internacional en ondas cortas utiliza este conjunto de frecuencias, así como un número aparentemente en declive de usuarios “de utilidad” (intereses marítimos, de aviación, militares y diplomáticos), quienes en los últimos años han optado por medios de comunicación menos volátiles (por ejemplo, vía satélites), pero pueden mantener estaciones HF como respaldo.

Sin embargo, el desarrollo de la tecnología de Establecimiento Automático de Enlaces basada en MIL-STD-188-141 para la conectividad automatizada y selección de frecuencias, junto con los altos costos del uso de satélites, han llevado a un renacimiento en el uso de HF en redes gubernamentales. El desarrollo de módems de mayor velocidad, como aquellos conformes a MIL-STD-188-110C que soportan tasas de datos de hasta 120 kilobit/s, también ha incrementado la viabilidad del HF para la comunicación de datos y la transmisión de video. Otro desarrollo normativo, como el STANAG 5066, permite comunicaciones de datos sin errores mediante el uso de protocolos ARQ.

Algunos modos de comunicación, como las transmisiones en código Morse de onda continua (especialmente por radioaficionados) y las transmisiones de voz en banda lateral única, son más comunes en el rango HF que en otras frecuencias, debido a su capacidad de conservar el ancho de banda; sin embargo, los modos de banda ancha, como las transmisiones de televisión, generalmente están prohibidos por el reducido espacio del espectro electromagnético en HF.

El ruido, especialmente la interferencia generada por dispositivos electrónicos, tiende a tener un gran efecto en las bandas HF. En los últimos años, ciertos usuarios del espectro HF han expresado preocupación por el acceso a Internet mediante “banda ancha sobre líneas eléctricas” (BPL), el cual tiene un efecto casi destructivo en las comunicaciones HF. Esto se debe a las frecuencias en las que opera el BPL (típicamente correspondientes a la banda HF) y a la tendencia de la señal BPL a filtrarse desde las líneas eléctricas. Algunos proveedores de BPL han instalado filtros notch para bloquear ciertas porciones del espectro (principalmente las bandas de radioaficionados), pero aún persiste una gran controversia sobre la implementación de este método de acceso. Otros dispositivos electrónicos, incluidos televisores de plasma, también pueden tener un efecto perjudicial en el espectro HF.

En la aviación, los sistemas de comunicación HF son obligatorios para todos los vuelos transoceánicos. Estos sistemas incorporan frecuencias de hasta 2 MHz, incluyendo el canal internacional de socorro y llamadas de 2182 kHz.

La sección superior del HF (26,5-30 MHz) comparte muchas características con la parte baja del VHF. Las porciones de esta sección que no se asignan a la radioafición se utilizan para comunicaciones locales. Entre estas se incluyen las radios CB alrededor de 27 MHz, los enlaces de radio de estudio a ransmisor (STL), los dispositivos de control remoto para modelos y los transmisores de paginación.

Algunas etiquetas de identificación por radiofrecuencia (RFID) utilizan HF. Estas etiquetas son comúnmente conocidas como HFID o HighFID (Identificación de Alta Frecuencia).

Antenas

Las antenas más comunes en esta banda suelen ser antenas cableadas, como las dipolos o las antenas rómbicas. En las frecuencias más altas, se usan dipolos multielemento, como las antenas Yagi, quad y log-periódicas.

Antena rómbica

Para la transmisión de ondas ionosféricas, se suelen utilizar dipolos horizontales o bucles alimentados desde la base, ya que ambos emiten ondas con polarización horizontal. Se prefiere este tipo de polarización porque, en términos generales, solo la mitad de la potencia radiada por la antena se dirige directamente hacia el cielo; la otra mitad viaja hacia el suelo y debe “rebotar” antes de ascender. En el extremo superior de la banda de HF, el suelo refleja mejor las ondas polarizadas horizontalmente y absorbe más energía de las ondas polarizadas verticalmente. Este efecto se atenúa a medida que aumenta la longitud de onda.

Recordemos que la polarizacion, es una caracteristica no exclusiva de las ondas electromagneticas el cual determina la orientacion geometrica en el cual oscila la misma. Y la luz al ser producto del campo magnetico y del campo electrico oscilando trasversalmente uno del otro, tiene esa misma capacidad.

Para la recepción, es común el uso de antenas de un largo aleatorio. Sin embargo, también se pueden utilizar las mismas antenas direccionales empleadas en la transmisión, ya que la mayor parte del ruido ambiental proviene de todas direcciones, mientras que la señal deseada llega desde una sola dirección. En el caso de la recepción de largo alcance (por onda ionosférica), las antenas pueden orientarse tanto en vertical como en horizontal, ya que la refracción a través de la ionosfera suele desordenar la polarización de la señal, y esta termina llegando directamente desde el cielo a la antena.

Es importante que la antena tenga un ancho de banda lo suficientemente amplio para cubrir el rango de frecuencias deseado. Las antenas de banda ancha pueden operar en un rango de frecuencias más extenso, mientras que las de banda estrecha son más eficientes en frecuencias específicas.

Para mejorar la sensibilidad de transmisión y recepción en una antena de HF, es clave exponer la mayor cantidad posible de elementos metálicos al aire, lo que optimiza la recepción. Sin embargo, en entornos con alto nivel de ruido radioeléctrico, como zonas urbanas, también se captan señales no deseadas. Para contrarrestar esto, se pueden emplear antenas direccionales de alta frecuencia (HF) o instalar la antena en una zona remota con un nivel de ruido más bajo, conectándola a un transceptor HF para minimizar interferencias.

Proxies y proxies reversos

La red Yggdrasil

Software Define Radio (SDR)

Redes VPN (Virtual Private Network)

Wireguard

OpenVPN