Capa enlace de datos

Capa de enlace de datos

Propósito

La capa de enlace de datos:

La Capa de Enlace de Datos “Capa 2”, actúa como un facilitador que permite la comunicación entre dispositivos en una red. Esta se encuentra en el modelo OSI. Su función principal es asegurarse de que los datos estén listos para ser transmitidos a través de la infraestructura física y de que lleguen a su destino sin problemas.

Esta capa permite que los dispositivos se comuniquen entre sí sin necesidad de conocer los detalles técnicos de los cables y la infraestructura subyacente. También se asegura de que los datos estén bien empaquetados y que cualquier problema en la transmisión se detecte y se corrija. La Capa de Enlace de Datos es un traductor que hace posible que los dispositivos se entiendan en una red, evitando que tengan que preocuparse por los detalles técnicos de la comunicación. Esto es esencial para que las redes funcionen de manera eficiente y para que sea más fácil incorporar nuevas tecnologías sin cambiar todo el sistema.

Subcapas de enlace de datos IEEE 802 LAN/MAN:

Los estándares IEEE 802 LAN/MAN se aplican a diferentes tipos de redes, como Ethernet con cable, redes inalámbricas y redes personales inalámbricas. La capa de enlace de datos en estos estándares se divide en dos partes:

• Control de Enlace Lógico (LLC): Es un intermediario que coloca etiquetas en los datos para que los dispositivos sepan cómo manejarlos. Esto es útil cuando tienes diferentes tipos de datos viajando por la misma red.
• Control de Acceso a Medios (MAC): Este se encarga de preparar los datos para enviarlos y recibirlos en la red. También se asegura de que los datos lleguen correctamente y ayuda a múltiples dispositivos a compartir la misma red de manera organizada.

La parte de Control de Acceso a Medios realiza algunas tareas específicas:

• Divide los datos en paquetes identificables.
• Agrega direcciones a los datos para saber quién envía y quién recibe.
• Revisa si los datos se han dañado en el camino.
• Coordina cómo varios dispositivos comparten la red (como hablar por turnos).

Provisión de acceso a los medios:

Cuando los datos viajan de un dispositivo local a uno remoto a través de una red, pueden encontrarse con diferentes tipos de redes. Por ejemplo, en una red Ethernet local, donde varios dispositivos compiten por usar el mismo cable, la capa de enlace de datos (MAC) ayuda a organizar esta competencia. En cambio, en conexiones más simples, como las que involucran dos routers, no necesitamos las mismas reglas de competencia que se utilizan en Ethernet. En el caso de los routers, cuando un paquete llega a ellos, se encargan de empaquetar adecuadamente los datos y enviarlos al siguiente lugar. Para hacer esto, utilizan un conjunto específico de reglas que se adaptan a cada tipo de medio de transmisión. A medida que los paquetes viajan a través de diferentes partes de la red, pueden cambiar de medio y de conjunto de reglas. Los routers hacen un trabajo muy importante en la capa de enlace de datos, donde se encargan de empacar, desempacar y reenviar los datos en función de las características de cada parte de la red por la que pasan.

Estándares de la capa de enlace de datos:

Los protocolos de la capa de enlace de datos no están definidos por las Solicitud de Comentarios (RFC), a diferencia de los protocolos de capas superiores en el conjunto TCP/IP. El Grupo de Trabajo de Ingeniería de Internet (IETF) es responsable de mantener los protocolos y servicios de las capas superiores en TCP/IP, pero no establece las funciones y el funcionamiento de la capa de acceso a la red en TCP/IP. La definición de estándares abiertos y protocolos aplicables a la capa de acceso a la red, que abarca las capas físicas y de enlace de datos en el modelo OSI, se lleva a cabo por organizaciones de ingeniería. Algunas de estas organizaciones incluyen:

• Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE).
• Unión Internacional de Telecomunicaciones (ITU).
• Organización Internacional para la Estandarización (ISO).
• Instituto Nacional Estadounidense de Estándares (ANSI).

Topologias

Topologías física y lógica:

La capa de enlace de datos se encarga de preparar los datos de red para su transmisión en la red física. Para lograr esto, necesita comprender la topología de la red. Hay dos tipos de topologías en redes LAN y WAN:

1. Topología Física: Describe cómo están conectados físicamente los dispositivos, incluyendo los dispositivos finales y los dispositivos intermedios (como routers, switches y puntos de acceso inalámbrico). También puede incluir detalles como la ubicación física de los dispositivos. Las topologías físicas suelen ser punto a punto o en forma de estrella.
2. Topología Lógica: Se refiere a cómo se transfieren las tramas de datos de un nodo a otro en la red. Identifica las conexiones virtuales a través de interfaces de dispositivos y esquemas de direccionamiento IP en la capa 3. La capa de enlace de datos visualiza la topología lógica de la red mientras controla el acceso a los medios de transmisión. La topología lógica influye en el tipo de trama de red y en el control de acceso a los medios que se utilizan.

Topologías de WAN:

Las topologías WAN son formas de organizar conexiones en redes de gran alcance geográfico:

1. Punto a Punto en WAN: Es como una conversación directa entre dos ubicaciones remotas, a menudo usando líneas dedicadas. Las topologías punto a punto conectan directamente dos dispositivos, sin necesidad de compartir la red con otros. Cuando se usan protocolos como PPP, los dispositivos no tienen que preocuparse por distinguir entre tramas dirigidas a ellos o a otros. Esto simplifica mucho el manejo de las comunicaciones, ya que todas las tramas se mueven solo entre esos dos dispositivos conectados. Incluso si hay dispositivos intermedios entre los dispositivos de origen y destino, la topología lógica sigue siendo punto a punto. Agregar dispositivos intermedios no cambia la forma en que se establece la conexión punto a punto.
2. Hub and Spoke en WAN: Implica una ubicación central que se conecta con varias ubicaciones remotas, como una estrella con un centro y muchas ramas hacia afuera. El centro administra la red.
3. Malla en WAN: Conecta todas las ubicaciones remotas entre sí, como si todas estuvieran entrelazadas, proporcionando muchas rutas para la comunicación.

La elección de la topología WAN depende de las necesidades específicas de la organización, la importancia de la redundancia y la administración en la red.

Topologías de LAN:

En las redes de área local (LAN) donde varios dispositivos se conectan, generalmente usamos tres tipos de configuraciones principales:

• Topología en Estrella: Aquí, todos los dispositivos se conectan a un dispositivo central, como un switch. Si ampliamos esto, podemos interconectar varios switches. Esta configuración es fácil de usar, permite agregar o quitar dispositivos sin complicaciones y facilita la solución de problemas.
• Topología en Bus: En una topología de bus, todos los dispositivos están conectados uno tras otro en una línea y terminan en ambos extremos. No se necesitan dispositivos intermedios como switches.
• Topología en Anillo: Aquí, los dispositivos se conectan en un círculo, creando un anillo. A diferencia de la topología de bus, el anillo no necesita terminarse en ambos extremos.

Comunicación Dúplex completo y semidúplex:

Es fundamental comprender la comunicación dúplex al hablar de topologías de LAN, ya que se refiere a cómo los datos se transmiten entre dos dispositivos. Hay dos modos comunes de dúplex:

• Comunicación Semidúplex: En este modo, dos dispositivos pueden enviar y recibir datos, pero no al mismo tiempo. Se utiliza en WLAN y en algunas topologías de bus heredadas con switches Ethernet. Solo un dispositivo puede enviar o recibir datos a la vez en un medio compartido.
• Comunicación de Dúplex Completo: En este modo, ambos dispositivos pueden enviar y recibir datos simultáneamente en el mismo medio compartido. Los switches Ethernet suelen funcionar en este modo de forma predeterminada, pero pueden cambiar a semidúplex si se conectan a dispositivos externos.

La comunicación en modo semidúplex restringe la transmisión de datos a una dirección a la vez, mientras que el modo de dúplex completo permite el envío y la recepción de datos al mismo tiempo. Es crucial que dos interfaces interconectadas, como la tarjeta de red de una computadora y una interfaz en un switch Ethernet, operen en el mismo modo dúplex. Si no coinciden, puede haber problemas de compatibilidad que generen ineficiencia y retrasos en la comunicación.

Métodos de control de acceso:

En una red de acceso múltiple, como las LAN Ethernet y WLAN, varios dispositivos intentan comunicarse al mismo tiempo. Hay dos enfoques para regular cómo estos dispositivos comparten el medio de comunicación:

• Acceso Basado en la Contienda: En este enfoque, todos los dispositivos compiten por el acceso al medio y solo uno puede transmitir a la vez. Cuando varios dispositivos intentan transmitir simultáneamente, se utiliza un sistema de resolución de conflictos. Esto se ve en redes Ethernet antiguas de bus, donde se detectan colisiones y se gestionan.
• Acceso Controlado: En este caso, cada dispositivo tiene un turno asignado para usar el medio. Aunque es más predecible, no es tan eficiente, ya que los dispositivos deben esperar su turno para transmitir. Ejemplos incluyen el método de “token” utilizado en redes de anillo, donde solo el dispositivo con el “token” puede transmitir. En las redes Ethernet modernas, no se necesitan estos métodos de control de acceso, ya que permiten la transmisión y la recepción simultáneas.

Acceso por contención: CSMA/CD:

Estos son ejemplos de redes que utilizan este método de acceso:

• LAN inalámbrica, que usa CSMA/CA (Acceso Múltiple con Prevención de Colisiones).
• LAN Ethernet de topología de bus heredada, que utiliza CSMA/CD (Acceso Múltiple con Detección de Colisiones).
• LAN Ethernet heredada con un hub, que también usa CSMA/CD.

En estas redes, la comunicación se realiza en modo semidúplex, lo que significa que solo un dispositivo puede transmitir o recibir datos a la vez. Para gestionar esto, se emplea un proceso que coordina cuándo un dispositivo puede transmitir y cómo se resuelven las situaciones en las que varios dispositivos intentan transmitir al mismo tiempo.

Cuando dos dispositivos intentan transmitir simultáneamente, se produce lo que se conoce como una colisión. En las redes LAN Ethernet heredadas, ambos dispositivos detectan esta colisión en la red, lo que se refiere a la función de detección de colisiones (CD) en CSMA/CD. La tarjeta de red (NIC) compara los datos enviados con los recibidos o identifica irregularidades en la señal en el medio. Cuando ocurre una colisión, los datos enviados por ambos dispositivos se dañan y necesitan ser retransmitidos. Este proceso asegura que la comunicación en redes basadas en competencia sea ordenada y sin conflictos.

Acceso por contención: CSMA/CA:

En las WLAN IEEE 802.11, se utiliza una variante del protocolo CSMA llamada CSMA/CA (Acceso Múltiple con Detección de Portadora). Esta técnica es similar a CSMA/CD en el sentido de que verifica si el medio de comunicación está libre antes de transmitir. Sin embargo, CSMA/CA emplea métodos adicionales para prevenir colisiones en entornos inalámbricos. A diferencia de CSMA/CD, CSMA/CA no detecta las colisiones, pero trata de evitarlas. Esto se logra esperando un breve período antes de transmitir. Además, cada dispositivo inalámbrico que transmite incluye información sobre cuánto tiempo necesitará el medio para la transmisión. Todos los otros dispositivos inalámbricos reciben esta información y saben cuánto tiempo el medio no estará disponible para su uso. Después de que un dispositivo inalámbrico envía una trama 802.11, el receptor envía un acuse de recibo para confirmar que la trama se recibió correctamente. Tanto en redes LAN Ethernet con concentradores como en redes WLAN, los sistemas basados en contienda no son eficientes cuando se utilizan intensivamente. Es importante destacar que las redes LAN Ethernet con switches no utilizan sistemas basados en contienda, ya que los switches y las NIC de los dispositivos operan en modo dúplex completo, lo que permite la transmisión y recepción simultáneas.

Trama de enlace de datos

La trama:

Este tema se enfoca en explicar el proceso que sigue una trama de datos a medida que viaja a través de una red. La información contenida en una trama está determinada por el tipo de protocolo que se utiliza. La capa de enlace de datos se encarga de preparar** los datos encapsulados (que normalmente son paquetes IPv4 o IPv6) para que puedan ser transmitidos a través de la red local. Esto se logra al añadir un encabezado y un tráiler a los datos, lo que crea una unidad llamada “trama”.

El protocolo de capa de enlace de datos es responsable de gestionar las comunicaciones entre las tarjetas de interfaz de red (NIC) dentro de la misma red. Aunque existen varios protocolos de capa de enlace de datos que describen las tramas, todas comparten tres partes básicas: un encabezado, los datos reales y un tráiler. Lo que hace especial a la capa de enlace de datos es que, a diferencia de otros protocolos de encapsulación, agrega información al final de la trama, conocida como tráiler. Cada protocolo de capa de enlace de datos tiene su propia manera de encapsular los datos en la trama. No existe un formato de trama único que funcione para todas las situaciones. La cantidad de información de control que se agrega a la trama depende del entorno, las necesidades de control de acceso al medio y la topología lógica de la red. Por ejemplo, una trama de una red inalámbrica (WLAN) debe incluir información adicional para evitar colisiones, lo que la diferencia de una trama en una red Ethernet. La estructura de las tramas de capa de enlace de datos varía según el protocolo utilizado y el entorno de la red, ajustándose a las necesidades específicas de cada caso.

Campos de la trama:

La capa de enlace de datos divide la transmisión en bloques comprensibles, con información de control ubicada en el encabezado y el tráiler en campos separados. Esto crea una estructura reconocible por los nodos y permite que las señales físicas se descifren en paquetes en el destino. Las tramas de enlace de datos incluyen campos genéricos, como indicadores de inicio y fin de trama para marcar los límites de la trama, direcciones que indican los nodos de origen y destino en los medios, un campo de tipo que identifica el protocolo de capa 3 en el campo de datos, un campo de control que puede identificar servicios especiales de control de flujo, como la calidad de servicio (QoS), y, por supuesto, los datos reales que contienen el contenido de la trama. Además, se agrega una parte de detección de errores al final de la trama, que se utiliza para verificar si la trama llegó sin errores debido a posibles interferencias, distorsiones o pérdida de señales en los medios. La capa de enlace de datos asigna direcciones físicas a los dispositivos en la red local. Estas direcciones se encuentran en el encabezado de la trama y especifican tanto el nodo de origen como el nodo de destino en la red local. A diferencia de las direcciones lógicas de la Capa 3, que son jerárquicas y se utilizan para identificar la red a la que pertenece un dispositivo, las direcciones físicas son únicas para cada dispositivo individual. Estas direcciones solo se utilizan para la comunicación dentro de la misma red local y no tienen relevancia fuera de ella. La capa de enlace de datos segmenta y controla las tramas de datos a medida que se mueven a través de una red local y se encarga de asignar direcciones físicas para la comunicación dentro de la misma red.

Direcciones de Capa 2:

La capa de enlace de datos se encarga de proporcionar las direcciones que se utilizan para enviar tramas a través de una red local compartida. Estas direcciones, llamadas direcciones físicas, se encuentran en el encabezado de la trama y especifican a qué dispositivo de la red local se envía la trama. Estas direcciones son únicas para cada dispositivo y no indican en qué parte de la red se encuentra el dispositivo. La capa 2 se encarga de que los dispositivos se comuniquen dentro de la misma red. Las direcciones de Capa 2 se usan solo para enviar datos dentro de la misma red y no tienen relevancia fuera de ella. A diferencia de las direcciones lógicas de la Capa 3, que son jerárquicas y se usan para guiar datos a través de diferentes redes, las direcciones de Capa 2 son específicas para cada dispositivo y no cambian, aunque el dispositivo se mueva a otra red o subred. Cuando los datos deben viajar a través de diferentes segmentos de red, se necesita un dispositivo intermedio, como un router. El router utiliza la dirección física de Capa 2 para recibir y desempaquetar la trama, y luego examina la dirección jerárquica de Capa 3. Usando la dirección IP, el router determina dónde se encuentra la red del dispositivo de destino y cuál es la mejor ruta para llegar a él. Luego, el router crea una nueva trama y la envía al siguiente segmento de red en el camino hacia su destino final.

Tramas LAN y WAN:

Los protocolos de comunicación utilizados en las redes varían según si se trata de redes locales cableadas (LAN) o redes inalámbricas (WLAN). En LAN cableadas, como las que utilizan cables Ethernet, se emplean protocolos Ethernet. Por otro lado, las comunicaciones inalámbricas se rigen por los protocolos WLAN, específicamente el estándar IEEE 802.11. Tradicionalmente, las redes de área amplia (WAN) han utilizado una serie de protocolos, como Protocolo punto a punto (PPP), Control de enlace de datos de alto nivel (HDLC), Frame Relay, Modo de transferencia asíncrona (ATM) y X.25, para adaptarse a diversas topologías de red, como conexiones punto a punto, configuraciones en forma de estrella (hub-and-spoke) y redes de malla completa. En la actualidad, muchas de estas tecnologías de capa 2 utilizadas en WAN están siendo reemplazadas por la tecnología Ethernet, lo que simplifica y unifica los protocolos de capa 2 en las redes de área amplia. El protocolo de capa 2 que se selecciona para una topología de red específica depende de la tecnología utilizada para implementar esa topología. La elección se basa en factores como el tamaño de la red (número de hosts), la extensión geográfica de la red y los servicios que se desean ofrecer a través de ella. Una LAN, que abarca una zona geográfica más pequeña, utiliza tecnologías de alto ancho de banda que son capaces de soportar un gran número de dispositivos. En cambio, en redes WAN que abarcan áreas geográficas más amplias, como varias ciudades, los enlaces de larga distancia y las limitaciones de ancho de banda influyen en la elección de los protocolos. Cada vez más se tiende a adoptar Ethernet en las WAN para simplificar la infraestructura y mejorar la eficiencia de las redes.