Tecnologías de comunicación e Internet

Un protocolo es un conjunto de reglas para cómo los dispositivos comunican. Ambos extremos deben seguir las mismas reglas, o las señales de una parte no tendrán sentido para la otra. Los protocolos definen el formato de los datos (dónde se sitúan las direcciones y la carga útil), el orden de los mensajes (quién habla primero, cuándo se debe confirmar), el significado de cada mensaje, el temporizado (timeouts, retransmisiones) y qué hacer en caso de error. Sin un protocolo acordado, la comunicación falla —como dos personas hablando idiomas diferentes sin traductor.

"Explique por qué los protocolos son esenciales para la comunicación entre ordenadores" (tres marcas). (1) Un protocolo es un conjunto de reglas acordado tanto por el emisor como por el receptor; (2) sin él, los dos ordenadores interpretarían los datos de forma diferente (formato, orden, significado de cada parte), por lo que el mensaje no podría entenderse; (3) permite a ordenadores de diferentes tipos y fabricantes comunicarse, porque todos implementan el mismo estándar. Mencione qué cubren las reglas: el formato de los datos, el orden de los mensajes, la detección y recuperación de errores, y la velocidad o temporizado.

La red es compleja, por lo que se divide en capas 层, cada una con una función específica, hablando solo con la capa superior e inferior. Beneficios: modularidad 模块化 (reemplazar una capa —por ejemplo, Ethernet por Wi-Fi— sin tocar las otras), estandarización (los proveedores interoperan) y abstracción 抽象 (ignora los detalles manejados en otro lugar). Internet utiliza la suite de protocolos TCP/IP 协议栈 (4 capas).

El propósito de cada capa, tal como lo expresan las palabras del esquema de corrección. Capa de aplicación: proporciona los protocolos que usan las aplicaciones de usuario (HTTP para la web, SMTP para correo electrónico) y la interfaz entre la aplicación y la red; produce los datos para ser enviados y los pasa a la capa de transporte. Capa de transporte: establece la conexión extremo a extremo, fragmenta los datos en paquetes (segmentos) y añade números de puerto y números de secuencia; al recibirlos, reensambla los paquetes en orden y solicita aquellos que falten (TCP), o envía sin esas garantías (UDP). Capa de internet: añade las direcciones IP de origen y destino para formar paquetes IP (datagramas) y los enruta a través de las redes mediante routers; no garantiza la entrega. Capa de enlace: añade las direcciones MAC y los bits de comprobación de errores para formar un trama y transmite los bits sobre la red local física (Ethernet o Wi-Fi) a través de la tarjeta de interfaz de red. "Completar la pila" significa estas cuatro, en este orden, desde arriba: Aplicación, Transporte, Internet, Enlace.

"Describa cómo se aplica la suite TCP/IP cuando se envía un mensaje de un host a otro" (cinco marcas). En el emisor, el mensaje pasa hacia abajo por la pila: (1) la capa de aplicación produce los datos usando un protocolo como HTTP o SMTP; (2) la capa de transporte lo divide en paquetes y añade una cabecera con los números de puerto y un número de secuencia; (3) la capa de internet añade una cabecera con las direcciones IP de origen y destino y elige la ruta; (4) la capa de enlace añade las direcciones MAC del siguiente dispositivo y envía la trama sobre el enlace físico. Los routers a lo largo del camino leen la cabecera de la capa de internet y reenvían cada paquete. En el receptor, la trama pasa hacia arriba por la pila: cada capa elimina y actúa sobre su propia cabecera, la capa de transporte reensambla los paquetes en orden de número de secuencia y pide aquellos que faltan, y la capa de aplicación presenta el mensaje. El mismo protocolo en cada capa en ambos extremos es lo que hace que el intercambio funcione.

Capa de aplicación

La capa de aplicación 应用层 da servicios a los programas de usuario y define los protocolos que hablan (HTTP para web, SMTP para correo electrónico). Es donde un programador trabaja más a menudo.

Capa de transporte

La capa de transporte 传输层 entrega datos extremo a extremo entre procesos, identificados por números de puerto 端口号. Dos protocolos:

• TCP 传输控制协议 — orientado a conexión 面向连接: establece una conexión, asegura que todos los datos lleguen en orden, retransmite paquetes 数据包 perdidos, controla el flujo. Confiable pero con sobrecarga. Usado por HTTP, HTTPS, SMTP, FTP.
• UDP 用户数据报协议 — sin conexión 无连接: envía y olvida, sin confirmaciones ni orden. Baja sobrecarga, sin garantías. Usado para streaming, DNS y juegos, donde la velocidad supera a la fiabilidad.

Capa de internet

La capa de internet 网络层 transporta paquetes entre hosts usando IP. Cada paquete tiene una dirección IP de origen IP地址 y una de destino, y los routers 路由器 lo reenvían hacia adelante. No garantiza la entrega —ese es el trabajo de TCP.

Un router doméstico hace este trabajo para tu casa: lee la dirección de destino de cada paquete y lo envía hacia internet, y de vuelta al dispositivo correcto.

Antes de que el router llegue a internet más amplio, un módem 调制解modem conecta el hogar al proveedor de internet a través de su cable o línea telefónica. Sus luces indican que el enlace está activo y en línea.

Capa de enlace

La capa de enlace 链路层 envía bits sobre un enlace físico (Ethernet, Wi-Fi). Añade una cabecera de trama con direcciones MAC MAC地址 y maneja el acceso al medio (p. ej., CSMA/CD 载波侦听多路访问/冲突检测 en Ethernet).

En una red local cableada, un switch 交换机 une muchos dispositivos juntos. Cada dispositivo se conecta a un puerto con un cable Ethernet (un enchufe RJ45), y el switch usa las direcciones MAC en cada trama para enviarla solo al puerto correcto.

El enlace físico puede ser un cable de cobre, una señal de radio (Wi-Fi) o un cable de fibra óptica 光纤. En un cable de fibra óptica, los bits viajan como destellos de luz a través de finas hebras de vidrio, lo cual es rápido y transporta datos a gran distancia.

Un enlace de radio puede llegar mucho más lejos. Una antena parabólica 卫星天线 envía y recibe señales de radio a y desde un satélite, llevando datos a lugares que los enlaces cableados no pueden alcanzar fácilmente.

• HTTP 超文本传输协议 — los navegadores obtienen páginas web de servidores (sobre TCP, puerto 80). HTTPS es HTTP sobre TLS — cifrado, puerto 443.
• FTP 文件传输协议 — transfiere archivos entre cliente y servidor.
• SMTP 简单邮件传输协议 — envía correo electrónico entre cliente y servidor, y entre servidores. La recepción usa POP3 o IMAP.
• POP3 — descarga correo electrónico y generalmente lo elimina del servidor. IMAP — deja el correo electrónico en el servidor y lo sincroniza entre dispositivos, por lo que la misma bandeja de entrada aparece en todas partes.
• BitTorrent — un protocolo punto a punto 对等网络; un archivo se divide en fragmentos descargados de muchos pares en paralelo, por lo que ningún servidor individual soporta toda la carga.

El propósito de cada protocolo, en las palabras que otorgan puntos.

Si se piden los dos protocolos de correo electrónico, dé SMTP para enviar y POP3 o IMAP para recibir; si se pide describir IMAP, diga que los mensajes permanecen en el servidor y están sincronizados entre dispositivos, que es la diferencia con POP3.

"Describa cómo se comparten archivos usando el protocolo BitTorrent" (cuatro marcas). (1) El archivo se divide en fragmentos (típicamente de 256 KB cada uno), y un pequeño archivo torrent los describe (sus hashes) y nombra un rastreador 追踪器. (2) Un par que desea el archivo se pone en contacto con el rastreador, que mantiene una lista de los pares en la bandada 群 que actualmente comparten ese archivo. (3) El par descarga diferentes fragmentos de muchos pares al mismo tiempo, y tan pronto como posee un fragmento lo carga a otros; un par con todo el archivo es una semilla 种子, uno que aún descarga es un leech. (4) Cuando todos los fragmentos están, se reensamblan y verifican contra los hashes. "Explique qué significa compartir archivos punto a punto": no hay un servidor central que almacene el archivo; cada computadora es tanto un cliente como un servidor, descargando de y cargando a los demás, por lo que la carga y el ancho de banda se distribuyen entre la bandada y cuanto más pares haya, más rápido ocurre.

Conmutación de circuitos

Se establece un camino dedicado entre los dos extremos antes de enviar cualquier dato (conmutación de circuitos 电路交换), reservado para toda la conversación, luego liberado. Ofrece ancho de banda reservado 带宽 y entrega en orden, pero es ineficiente durante silencios y lento para establecerse. Ejemplo clásico: la red telefónica tradicional.

"Describa la conmutación de circuitos como un método de transmisión de datos" (tres marcas). (1) Un camino dedicado (circuito) se establece entre el emisor y el receptor antes de enviar cualquier dato; (2) el todo el mensaje se envía a lo largo de ese camino, en orden, como un flujo continuo; (3) el circuito está reservado para la duración de la comunicación y se libera después.

Beneficios y desventajas. Beneficios: el ancho de banda completo del circuito está disponible y garantizado; los datos llegan en orden sin reensamblaje ni demora una vez establecido el circuito; la ruta no cambia, por lo que el temporizado es predecible (bueno para voz y video en tiempo real). Desventajas: se pierde tiempo estableciendo el circuito antes de enviar algo; el circuito está reservado incluso mientras no fluye ningún dato, por lo que el ancho de banda se desperdicia y otros usuarios no pueden compartirlo; ambos extremos deben estar libres al mismo tiempo; un fallo en cualquier punto del camino interrumpe toda la llamada, y no hay ruta alternativa automática. Cuándo es apropiado: una llamada telefónica o un enlace de video en vivo, donde un flujo constante e ininterrumpido importa más que la eficiencia.

Conmutación de paquetes

Los datos se dividen en paquetes, cada uno enviado independientemente (conmutación de paquetes 分组交换). Cada paquete lleva la dirección de destino; los routers toman decisiones por paquete, por lo que los paquetes pueden tomar rutas diferentes y llegar fuera de orden, y el destino los reensambla. Es eficiente (un enlace se multiplexa 多路复用 a través de muchas conversaciones), robusto (redirecciona alrededor de un fallo), pero tiene latencia variable 延迟 y posible pérdida (TCP maneja la confiabilidad). Usado por internet.

"Describa cómo se usa la conmutación de paquetes para pasar mensajes a través de una red" (cuatro marcas). (1) El mensaje se divide en paquetes de un tamaño máximo fijo; (2) a cada paquete se le asigna una cabecera que contiene las direcciones de origen y destino, un número de secuencia 序号 y una comprobación de errores; (3) cada paquete se envía independientemente y puede tomar una ruta diferente, elegida por los routers que encuentra; (4) en el destino, los paquetes se reensamblan en orden usando los números de secuencia, y se solicita nuevamente cualquier paquete faltante. Si la pregunta excluye la comprobación y reenvío, omita la última cláusula.

"Describa la función de un router en la conmutación de paquetes" (tres marcas). Un router recibe un paquete, lee la dirección IP de destino en su cabecera, y consulta su tabla de enrutamiento 路由表 para decidir el siguiente salto 最佳 next hop hacia ese destino, teniendo en cuenta el tráfico (congestión) y enlaces fallidos; luego reenvía el paquete a ese enlace. Los paquetes del mismo mensaje pueden salir por diferentes rutas; el router mantiene paquetes en una cola cuando un enlace está ocupado.

"Describa dos formas en que la conmutación de paquetes asegura que se reciba el mensaje completo." (1) Cada paquete lleva un número de secuencia, por lo que el receptor puede poner los paquetes en orden y saber que uno está faltando, y (2) el receptor envía una confirmación 确认 para los paquetes que llegan; un paquete no confirmado dentro de un límite de tiempo es retransmitido por el emisor. Un sumatorio de verificación 校验和 en cada paquete permite al receptor detectar un paquete corrupto y descartarlo, lo que desencadena el reenvío.

Beneficios y desventajas. Beneficios: no hay circuito que establecer; los enlaces de la red se comparten con muchos mensajes, por lo que el ancho de banda se usa eficientemente; los paquetes pueden ser redireccionados alrededor de un enlace fallido o congestionado, por lo que la transmisión es robusta; un paquete perdido o dañado significa reenviar solo ese paquete, no todo el mensaje. Desventajas: los paquetes pueden llegar fuera de orden y deben reensamblarse, y algunos pueden perderse o retrasarse; las cabeceras añaden sobrecarga; la demora variable lo hace menos adecuado para voz y video en tiempo real sin medidas adicionales; una red muy cargada pierde paquetes. Cuándo es apropiado: correo electrónico, páginas web, descargas de archivos y cualquier tráfico "intermitente", e internet en general.

Las redes modernas usan conmutación de paquetes por su eficiencia y resiliencia.

Cuatro diferencias, expresadas como pares. (1) La conmutación de circuitos establece un camino dedicado antes de enviar; la conmutación de paquetes envía sin establecer un camino. (2) En la conmutación de circuitos todo el mensaje sigue una sola ruta; en la conmutación de paquetes los paquetes pueden tomar rutas diferentes. (3) La conmutación de circuitos entrega los datos en orden sin reensamblaje; la conmutación de paquetes necesita números de secuencia para reensamblarlos. (4) La conmutación de circuitos reserva ancho de banda para una conversación incluso en reposo; la conmutación de paquetes comparte los enlaces entre muchos mensajes. (También aceptable: un enlace fallido rompe un circuito pero los paquetes se redirigen; la conmutación de circuitos es adecuada para flujos en tiempo real, la conmutación de paquetes para datos intermitentes). Escriba cada diferencia como ambas mitades; un lado solo no obtiene puntos.

Describir la conmutación de paquetes en pocas oraciones

Una buena respuesta de examen: "El mensaje se divide en pequeños paquetes. Cada paquete lleva las direcciones de destino y origen y un número de secuencia. Cada paquete viaja a través de la red de forma independiente, con los routers eligiendo el siguiente salto por paquete. Los paquetes pueden tomar diferentes caminos y llegar fuera de orden. El destino usa los números de secuencia para reensamblar el mensaje, y los paquetes faltantes se pueden solicitar nuevamente."

Ejemplo resuelto. Una llamada telefónica y una descarga de archivo grande comparten una red. ¿Qué método de conmutación es adecuado para cada uno y por qué? Una llamada telefónica necesita un flujo constante con baja latencia, y sufriría gravemente si los fragmentos llegaran tarde o fuera de orden — así que conmutación de circuitos es adecuada para ella: se establece un camino dedicado para toda la llamada y su capacidad está reservada durante la duración. Una descarga de archivo no se preocupa por el temporizado o el orden de llegada, porque el receptor lo reensambla, y se beneficia de usar la capacidad que esté disponible — así que conmutación de paquetes es adecuada para ella: el archivo se divide en paquetes que viajan de forma independiente, cada uno llevando direcciones de origen y destino y un número de secuencia, con routers eligiendo un siguiente salto por paquete. Nombre la propiedad del tráfico que lo decide: capacidad reservada y baja latencia para la llamada, eficiencia y resiliencia para la descarga.

Una pregunta de definición se califica según un texto fijo. Aprenda estas exactamente, y dé solo una respuesta.

• Por qué protocolos: reglas compartidas, misma interpretación, cualquier marca de ordenador. Por qué capas: cada capa tiene un trabajo y puede cambiarse independientemente.
• Las cuatro capas en orden, de arriba hacia abajo: Aplicación, Transporte, Internet, Enlace. Dé el trabajo de cada capa en una oración, y la respuesta "mensaje de host a host" como un recorrido hacia abajo y hacia arriba por la pila.
• Los propósitos de los protocolos son frases cortas: HTTP páginas web, FTP archivos, SMTP envío de correo, POP3 descarga de correo, IMAP correo guardado en el servidor, BitTorrent fragmentos punto a punto de una bandada.
• Conmutación de circuitos: camino dedicado primero, todo el mensaje, mantenido durante la duración. Conmutación de paquetes: dividido, cabecera con direcciones y número de secuencia, rutas independientes, reensamblaje. Beneficios y desventajas vienen en pares opuestos.
• Un router lee la dirección de destino, consulta su tabla de enrutamiento, reenvía por la mejor ruta; es la pregunta de conmutación de paquetes que el examen hace con más frecuencia.
• "Cuándo es apropiado": conmutación de circuitos para una llamada telefónica o de video en vivo; conmutación de paquetes para correo electrónico, la web y descargas.

Errores comunes

• Definir un protocolo como "un lenguaje" o "software"; es un conjunto de reglas.
• Colocar las capas en el orden incorrecto, o mencionar las siete capas del modelo OSI en lugar de las cuatro de TCP/IP.
• Describir la capa de transporte como "enrutamiento" o la capa de Internet como "división en paquetes"; los puertos y la división son funciones de transporte, mientras que las direcciones IP y el enrutamiento corresponden a la capa de Internet.
• Confundir POP3 con IMAP, o afirmar que SMTP recibe correos electrónicos.
• Describir el conmutación de paquetes sin incluir el encabezado (direcciones y número de secuencia) o sin la reensamblaje.
• Decir que un router "envía el paquete a todas partes"; en realidad, selecciona una única siguiente etapa según su tabla de enrutamiento.
• Mencionar como ventaja de la conmutación de paquetes la desventaja de la conmutación de circuitos sin especificar el lado opuesto; cada diferencia debe presentarse con ambas caras.
• Afirmar que la conmutación de paquetes garantiza la entrega por sí sola; esa garantía la proporcionan los números de secuencia y los acuses de recibo de la capa de transporte.