Redes Informáticas: Ethernet, WiFi, Bluetooth y Redes Troncales

Introducción a las Redes Informáticas

El material guiado por Jesus Gil explora los fundamentos y la evolución de las tecnologías de red, específicamente Ethernet, redes inalámbricas ($WiFi$ y $Bluetooth$) y redes troncales ($backbones$), orientado a estudiantes y profesionales de ingeniería informática.

Orígenes y Evolución de Ethernet

Ethernet fue desarrollado en $1973$ por Robert Metcalfe en Xerox PARC, basándose en la teoría del "éter". Se estandarizó en $1983$ como IEEE $802.3$, convirtiéndose en la tecnología líder para redes locales ($LAN$).

Mecanismos Técnicos: CSMA/CD

El protocolo $CSMA/CD$ ($Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection$) gestiona el acceso al medio compartido mediante:

• Escucha del canal: Verificar que esté libre.

• Transmisión: Envío de paquetes con monitoreo constante.

• Detección de colisiones: Emisión de señal de "jam" ante transmisiones simultáneas.

• Retroceso Exponencial Binario: Tiempo de espera aleatorio tras una colisión.

En redes modernas con switches, este mecanismo ha sido reemplazado por la comunicación $full-duplex$, aunque sigue siendo un pilar conceptual en ingeniería de redes.

Estándares de Velocidad y Evolución Física

Ethernet ha evolucionado de $10 post Mbps$ iniciales hasta $400 Gbps$:

• 10BASE-T ($1990$): $10 Mbps$, cable Cat $3$, conectores RJ-45, codificación Manchester ($20 MHz$).

• 100BASE-TX ($1995$): $100 Mbps$ ($Fast Ethernet$), Cat $5$, codificación $4B/5B$ y señalización $MLT-3$.

• 1000BASE-T ($1999$): $1 Gbps$ ($Gigabit Ethernet$), $4$ pares simultáneos, codificación $PAM-5$.

• Alta Velocidad ($10G$, $40G$, $100G$): Basados mayoritariamente en fibra óptica para centros de datos.

• 400GbE ($2017$): Estándar IEEE $802.3bs$, utiliza modulación $PAM4$ y conectores de alta densidad como $QSFP-DD$.

Tecnología Bluetooth

Opera en la banda ISM de $2.4 GHz$ con Salto de Frecuencia Adaptativo ($AFH$) en $79$ canales de $1 MHz$.

• Arquitectura: Redes denominadas $piconets$ ($1$ maestro y hasta $7$ esclavos).

• Clasificación de Potencia:

  • Clase 1: $100 mW$ ($100 m$).

  • Clase 2: $2.5 mW$ ($10 m$).

  • Clase 3: $1 mW$ ($1 m$).

• Evolución clave: v$4.0$ introdujo $Bluetooth Low Energy$ ($BLE$) para dispositivos IoT de bajo consumo. v$5.3$ mejoró velocidad a $2 Mbps$ y aumentó alcance.

Tecnología WiFi (IEEE 802.11)

Utiliza bandas de $2.4 GHz$, $5 GHz$ y $6 GHz$ (WiFi $6E$) con multiplexación $OFDM$. Su seguridad ha evolucionado de $WEP$ a $WPA3$.

• WiFi 6 (802.11ax): Introdujo $OFDMA$ (atención simultánea de dispositivos), $BSS Coloring$ (reducción de interferencias entre redes vecinas) y $Target Wake Time$ ($TWT$) para optimizar batería en IoT.

Redes Troncales (Backbones)

La red troncal es la infraestructura central de alta capacidad que interconecta segmentos. Se basa en modelos jerárquicos:

• Capa Núcleo (Core): Transporte de máxima velocidad y redundancia.

• Capa de Distribución: Enrutamiento, segmentación ($VLANs$) y políticas de red.

• Capa de Acceso: Conexión final con soporte para $PoE$ ($Power over Ethernet$).

Tecnologías de interconexión comunes incluyen $DWDM$ ($Dense Wavelength Division Multiplexing$) para transportar múltiples canales por fibra y $OTN$ ($Optical Transport Network$) para gestión unificada.

Redundancia y Seguridad en el Backbone

Para garantizar una disponibilidad del $99,999\%$ o superior, se utilizan:

• Protocolos de convergencia: $STP$, $RSTP$, $MSTP$, y soluciones modernas como $SPB$ ($Shortest Path Bridging$) o $TRILL$.

• Seguridad: Dado que el $70\%$ de los ataques son internos, se implementa defensa en profundidad ($3$-$5$ capas), microsegmentación y cifrado de datos (actualmente en el $60\%$ del tráfico).

Caso Práctico y Tendencias Futuras

El backbone de un campus universitario típicamente emplea anillos de fibra óptica redundantes y centros de datos centralizados (redundancia $N+1$).

Tendencias Futuras:

• Velocidades Terabits: Desarrollo de $800 Gbps$ y $1.6 Tbps$.

• Intent-Based Networking (IBN): Automatización según objetivos de negocio.

• Network Slicing: Redes lógicas independientes sobre hardware compartido.

• IA y Analytics: Redes autooptimizantes mediante algoritmos predictivos.