Comunicaciones de datos
Para que dos equipos cualesquiera intercambien información hace falta mucho más que un cable: hacen falta reglas. Los protocolos organizan esas reglas en capas, y esa organización es lo que permitió que redes de tecnologías completamente distintas se conecten entre sí.
01El modelo de capas
| Capa OSI | De qué se ocupa | Ejemplo |
|---|---|---|
| 7 Aplicación | El servicio que ve el usuario. | HTTP, SMTP, Modbus, MQTT |
| 6 Presentación | Formato, codificación y cifrado. | TLS, JSON, compresión |
| 5 Sesión | Establecer y mantener el diálogo. | apertura y cierre de sesión |
| 4 Transporte | Entrega extremo a extremo, orden y control de flujo. | TCP, UDP |
| 3 Red | Direccionamiento lógico y encaminamiento. | IP |
| 2 Enlace | Tramas, direcciones físicas y detección de errores. | Ethernet, HDLC, CAN |
| 1 Física | Niveles, conectores, codificación de línea, medio. | RS-485, fibra, radio |
Para poder cambiar una sin tocar las demás. La misma página web viaja igual por fibra, por WiFi o por satélite: sólo cambia la capa física. Y el mismo cable Ethernet transporta HTTP, correo o Modbus sin enterarse de qué lleva adentro.
En la práctica se usa el modelo TCP/IP, de cuatro capas, que agrupa las tres de arriba en una sola. El de siete capas sirve para razonar y para ubicar dónde está un problema, que es exactamente lo que se necesita al diagnosticar.
02Circuitos o paquetes
Se reserva un camino completo durante toda la comunicación, como en la telefonía clásica. El retardo es fijo y el ancho de banda está garantizado.
A cambio, el recurso queda ocupado aunque nadie hable, y establecer la conexión lleva tiempo. Para datos a ráfagas es un desperdicio enorme.
La información se parte en paquetes que viajan de manera independiente y comparten los enlaces con los de todos los demás. Es lo que hace internet.
Aprovecha muchísimo mejor los recursos y tolera la caída de un enlace, porque los paquetes toman otro camino. A cambio, el retardo es variable y no hay garantía automática de ancho de banda.
Porque la voz necesita un retardo constante y pequeño, y los paquetes llegan con retardos variables. La solución es un buffer de fluctuación en el receptor, que acumula unos milisegundos y entrega a ritmo parejo. Ese buffer agrega retardo a cambio de regularidad: si es corto, se oyen cortes; si es largo, la conversación se vuelve incómoda.
03Detectar y corregir errores
| Método | Qué detecta | Costo |
|---|---|---|
| Paridad | Un número impar de bits erróneos. Si se dan vuelta dos, no se entera. | 1 bit |
| Suma de verificación | Errores simples. Se le escapan las permutaciones de bytes. | 1 o 2 bytes |
| CRC | Prácticamente todos los errores, incluidas las ráfagas más cortas que su longitud. Es lo que usa Ethernet, CAN y Modbus. | 2 o 4 bytes |
| Hamming | Detecta dos errores y corrige uno. Se usa en memorias. | varios bits |
| Códigos convolucionales y Reed-Solomon | Corrigen ráfagas largas sin retransmitir. Radio digital, satélite, discos. | 25 a 50 % del caudal |
- Detectar y retransmitir: el receptor descarta lo dañado y pide de nuevo. Es eficiente cuando los errores son raros y el retardo es corto. Es lo que hace TCP.
- Corregir en el receptor: se envía redundancia suficiente para reparar sin preguntar. Es lo que corresponde cuando retransmitir es carísimo —un satélite, con medio segundo de ida y vuelta— o directamente imposible, como en una transmisión de difusión.
Un enlace con BER de 10⁻⁵ transporta tramas de 1500 bytes, es decir 12 000 bits.
- Probabilidad de que una trama llegue intacta: (1 − 10⁻⁵)12 000 ≈ 88,7 %.
- O sea que una de cada nueve tramas se descarta y hay que pedirla de nuevo.
- Con tramas de 500 bytes, la probabilidad de llegada sube al 96 %: menos retransmisiones, aunque más encabezados.
Esa es la razón por la que los enlaces ruidosos usan tramas cortas, y los limpios, tramas largas. No es una elección arbitraria: sale de la tasa de error.
04Direccionamiento y redes de acceso
| Elemento | Función |
|---|---|
| Dirección física | Identifica a la placa dentro de la red local. Viene de fábrica y no se enruta. |
| Dirección IP | Identifica al equipo en la red lógica. Es la que permite salir de la red local. |
| Máscara de subred | Separa la parte de red de la parte de equipo: define quién es «vecino» y quién está afuera. |
| Puerta de enlace | El equipo al que se le entregan los paquetes destinados a otras redes. |
| Puerto | Identifica el servicio dentro del equipo: 80 para web, 502 para Modbus TCP. |
| RDSI | La red digital de servicios integrados: dos canales de 64 kbit/s más uno de 16 para señalización. Fue el primer acceso digital de abonado, hoy superado por las redes de banda ancha. |
Un PLC con dirección 192.168.1.20 y máscara 255.255.255.0 quiere hablar con un servidor.
- Si el destino es 192.168.1.55, la máscara indica que está en la misma red: le entrega la trama directamente.
- Si el destino es 10.0.0.8, está fuera: le entrega la trama a la puerta de enlace, que se encarga de encaminarla.
- Si la puerta de enlace está mal configurada, la comunicación local funciona perfecto y la remota no funciona nunca. Es el síntoma que identifica ese error de configuración.
05En el laboratorio
Con un analizador de protocolos capturar tráfico real y abrir un paquete: identificar el encabezado de cada capa y localizar el dato de aplicación adentro de todo. Medir cuántos bytes son encabezado y cuántos son información útil.
Con un polinomio corto, calcular el CRC de un mensaje de pocos bytes y verificarlo. Después cambiar un bit y comprobar que el resto ya no coincide. Implementarlo en el microcontrolador y comparar con la biblioteca del fabricante.
En un enlace serie propio, agregar ruido controlado y medir la tasa de tramas descartadas con distintos tamaños de trama. Graficar y comparar con el cálculo teórico a partir de la BER medida.
Configurar a propósito una máscara incorrecta, una puerta de enlace equivocada y una dirección duplicada, y aprender a reconocer el síntoma de cada caso con las herramientas básicas de diagnóstico. Armar una tabla propia síntoma-causa.
06Errores frecuentes
| Síntoma | Causa habitual |
|---|---|
| La red local anda y la salida a internet no | Puerta de enlace mal configurada o ausente. |
| Dos equipos no se ven aunque estén en el mismo switch | Máscaras distintas: cada uno cree que el otro está en otra red. |
| Comunicación intermitente y errática | Dirección IP duplicada. |
| Confiar sólo en la paridad | No detecta un número par de bits erróneos, que es lo habitual en ráfagas de ruido. |
| Tramas largas en un enlace ruidoso | Casi todas se descartan y el rendimiento se derrumba por las retransmisiones. |
| Voz sobre IP con buffer muy corto | Se oyen cortes con cada variación de retardo. |
| Esperar retransmisión en un enlace satelital | Medio segundo de ida y vuelta: corresponde corrección hacia adelante. |
| Diagnosticar sin pensar en capas | Se busca en la aplicación un problema que estaba en el cable, y al revés. |
07Autoevaluación
¿Para qué sirve organizar los protocolos en capas?
Para poder cambiar una capa sin tocar las demás: la misma aplicación viaja por fibra, WiFi o satélite cambiando sólo la capa física.
¿Qué es el encapsulamiento?
Que cada capa agrega su propio encabezado al bajar y lo quita al subir, tratando lo que recibe de arriba como datos que no necesita interpretar.
¿En qué capa trabaja IP y en cuál TCP?
IP en la capa de red —direccionamiento y encaminamiento— y TCP en la de transporte —entrega extremo a extremo, orden y control de flujo—.
Ventaja y desventaja de la conmutación de paquetes.
Aprovecha mucho mejor los recursos y tolera la caída de un enlace; a cambio el retardo es variable y no hay garantía automática de ancho de banda.
¿Por qué la voz sobre IP necesita un buffer de fluctuación?
Porque los paquetes llegan con retardos variables y la voz necesita un ritmo constante. El buffer acumula unos milisegundos y entrega parejo.
¿Qué limitación tiene el bit de paridad?
Sólo detecta un número impar de bits erróneos. Si se dan vuelta dos, la paridad vuelve a coincidir y el error pasa inadvertido.
¿Por qué se usa CRC en Ethernet, CAN y Modbus?
Porque detecta prácticamente todos los errores, incluidas las ráfagas más cortas que su longitud, con un costo de sólo 2 o 4 bytes por trama.
¿Cuándo corresponde corrección hacia adelante en lugar de retransmisión?
Cuando retransmitir es muy caro —un enlace satelital con medio segundo de retardo— o imposible, como en una transmisión de difusión.
¿Por qué los enlaces ruidosos usan tramas cortas?
Porque la probabilidad de que una trama llegue intacta cae con su longitud: con tramas largas casi todas se descartan y el rendimiento se derrumba.
La red local anda pero no hay salida a internet. ¿Qué se revisa?
La puerta de enlace: si está ausente o mal configurada, los paquetes hacia otras redes no salen, mientras que la comunicación local sigue funcionando.