Introducción a las redes — teoría con un dataset que cruza el océano, cinco aparatos que no hacen lo mismo y paquetes que eligen su camino (y por qué la fibra no te quita los 9 ms)

Biblioteca de la facultad, semana de entregas. Estaba bajando un CSV de 40 MB para una práctica y tardaba lo suyo. Mi compañero, muy seguro: «Esto es por el Wi-Fi. Con fibra de 100 Gbit/s el ping al servidor de Madrid bajaría a cero». Media razón. La descarga sí iría más rápido, pero el ping no bajaría de unos 9 milisegundos ni con la mejor fibra del mundo. ¿Por qué? Porque hay 1800 km entre Gran Canaria y Madrid, y la señal tarda en recorrerlos.

En ese malentendido cabe medio Tema 1 de redes: no es lo mismo cuántos bits salen por segundo que cuánto tarda en llegar el primero. Hoy vamos a seguir ese CSV desde el servidor de la nube hasta tu portátil y, por el camino, veremos el modelo de comunicaciones, los medios de transmisión, qué hace (y qué no hace) cada aparato, la conmutación, los tipos de redes y cómo está montado Internet.

Si vienes de Configuración de red en Linux, allí tocaste ip, la pasarela y el router del laboratorio: esta es la teoría que hay detrás. Y cuando termines, ponte a prueba con los ejercicios tipo examen de Introducción a las redes, que son interactivos y se corrigen solos.

¿Por qué alguien de datos tiene que saber de redes?

Porque casi ningún dato vive en tu portátil. Los sacas de APIs, sensores, bases de datos remotas y servicios en la nube, y todos llegan por una red. El rendimiento de tus algoritmos depende de tres cosas que no son tuyas:

• la latencia (cuánto tarda en llegar cada respuesta),
• el ancho de banda (cuántos bits por segundo caben),
• las pérdidas y errores de comunicación.

Sin redes no hay sistemas distribuidos, ni procesamiento en tiempo real, ni ciencia de datos a gran escala. Vamos, que no es un tema de relleno.

Y antes de nada, la definición que cae en el examen:

El modelo de comunicaciones: cinco piezas

Cualquier comunicación, desde un WhatsApp hasta nuestra descarga, se puede dibujar con el mismo esquema de cinco piezas. Míralo en el diagrama y luego lo repasamos una a una:

• Fuente: genera los datos a transmitir. En nuestro caso, el servidor de la nube que tiene el CSV.
• Transmisor: transforma la información generando señales susceptibles de ser transmitidas. Es la tarjeta de red del servidor, que convierte bits en luz o en impulsos eléctricos.
• Sistema de transmisión: transporta la información. Aquí es todo el camino: fibra, cobre y, al final, Wi-Fi.
• Receptor: transforma la señal recibida en información. La tarjeta Wi-Fi de tu portátil, que convierte ondas en bits.
• Destino: toma los datos del receptor. Tu script de pandas que hace read_csv.

Y la agrupación que siempre preguntan: sistema origen = fuente + transmisor; sistema destino = receptor + destino. El sistema de transmisión queda en medio y no es de ninguno.

Fíjate en la fila de abajo del dibujo: lo que entra al transmisor son datos (g(t)), pero lo que cruza el medio es una señal (s(t) al salir, r(t) al llegar, que puede haberse estropeado un poco por el camino). El receptor la vuelve a convertir en datos (g'(t)). La cadena completa de los apuntes es: texto → cadena de bits → señal analógica → señal analógica → cadena de bits → texto.

Las 11 tareas de un sistema de comunicación

Para que esas cinco piezas funcionen, alguien tiene que encargarse de un montón de cosas. Los apuntes enumeran 11 tareas, y en el examen suelen salir mezcladas con otras que no son de redes:

Tarea	Qué significa, en una línea
Utilización del sistema de transmisión	Aprovechar bien el medio, que es compartido
Implementación de la interfaz	Cómo se engancha cada equipo al medio
Generación de la señal	Crear la señal que viajará
Sincronización	Emisor y receptor de acuerdo en cuándo empieza y acaba cada bit
Gestión del intercambio	Quién habla, cuándo y cuánto
Detección y corrección de errores	Darse cuenta de los bits estropeados (y arreglarlos)
Direccionamiento y encaminamiento	A quién va y por dónde llega
Recuperación	Retomar la comunicación si se corta
Formato de mensajes	Ponerse de acuerdo en cómo van ordenados los datos
Seguridad	Que solo lo lea quien debe y no se altere
Gestión de red	Configurar y vigilar la red

Medios de transmisión: por dónde viajan los bits

Los medios de transmisión son los canales por los que viaja la información. Se dividen en dos familias: cables (medios guiados) y enlaces inalámbricos.

• Cables: par trenzado (el cable de red de toda la vida, de 1 a 1000 Mbit/s), coaxial (10 a 20 Mbit/s) y fibra óptica (100 Gbit/s).
• Inalámbricos: infrarrojos, radio (Wi-Fi a 300 Mbit/s, Bluetooth a 24 Mbit/s) y microondas (terrestres y por satélite).

Dibujado en escala logarítmica se entiende mejor la distancia que hay entre ellos:

Cada marca del eje multiplica por 10. La fibra (100 Gbit/s) va cien veces más rápido que el mejor par trenzado (1 Gbit/s): 100 / 1 = 100. Y una curiosidad que suele caer en las preguntas de ordenar: el coaxial, aunque sea un cable, se queda en 20 Mbit/s, por debajo del Bluetooth (24 Mbit/s).

Bit/s y latencia: dos preguntas distintas

Aquí está el malentendido de mi compañero. Son dos definiciones que tienes que saberte casi palabra por palabra:

• Bit/s: número de impulsos elementales (1 o 0) transmitidos en cada segundo. Responde a «¿cuántos bits caben por segundo?».
• Latencia: cantidad de tiempo que transcurre entre el envío de una señal eléctrica y la ocurrencia de la acción correspondiente. Responde a «¿cuánto tarda?».

Y la latencia se calcula sumando tres piezas:

Latencia = tiempo de propagación + tiempo de transmisión + tiempo en los switches

• Propagación: lo que tarda la señal en recorrer la distancia (metros / velocidad de la señal). En cobre y fibra la señal va a unos 2·10⁸ m/s, dos tercios de la velocidad de la luz.
• Transmisión: lo que se tarda en «soltar» todos los bits del paquete en el medio (bits / bit/s). Aquí sí ayuda un medio más rápido.
• Tiempo en los switches (y routers): lo que cada equipo intermedio tarda en recibir y reenviar.

Para nuestro CSV, con un paquete de 1500 bytes y el camino de la nube a tu portátil, el reparto queda así (los números salen del simulador del final del artículo):

¿Ves la barra? Es casi toda coral. Los 1800 km de fibra hasta Madrid suponen 1 800 000 / 200 000 000 = 0,009 s = 9 ms de propagación, y eso no lo arregla ningún medio más rápido: ya vamos a dos tercios de la velocidad de la luz. La transmisión de todo el camino suma apenas 0,088 ms. Por eso mi compañero tenía media razón: con más bit/s el CSV llegaría antes, pero el primer paquete seguiría tardando sus 9 ms.

Los límites de la tecnología

Los apuntes nombran tres límites que hay que tener en cuenta en cualquier tecnología:

1. La velocidad de la luz: ninguna señal va más rápido, así que la propagación siempre existe.
2. Múltiples usuarios usando las mismas conexiones: el medio se comparte y toca a menos por cabeza.
3. Heterogeneidad: en una misma LAN conviven tecnologías, protocolos y sistemas operativos distintos, y tienen que entenderse.

Los dispositivos: qué hace y qué NO hace cada uno

En el examen no basta con saber qué hace cada aparato: preguntan tanto o más por lo que no hace. Este es el camino que recorre nuestra descarga dentro de la facultad, de arriba abajo:

Repasémoslo con la misma lógica, empezando por donde entra el dato:

• Módem: conecta con el operador y traduce la señal de la red del proveedor a algo que tu red entiende.
• Router: conecta tu red local con Internet. Hace encaminamiento (routing), NAT y DHCP (reparte direcciones a los equipos).
• Switch: conecta todos los dispositivos de la LAN. No conecta con Internet y no da Wi-Fi.
• Punto de acceso (AP): se conecta al switch y da Wi-Fi a la LAN. No enruta y no sale a Internet.

Para el examen, quédate con las palabras clave que delatan a cada uno:

Si el enunciado dice…	Es el…
«se conecta al switch», «da Wi-Fi a la LAN»	Punto de acceso
«conecta todos los dispositivos de la LAN»	Switch
«conecta la red local con Internet», «routing», «NAT», «DHCP»	Router
«conecta con el operador», «traduce la señal de la red del proveedor»	Módem

Redes de transmisión: por qué no usamos un cable de cada equipo a cada equipo

Lo más sencillo para comunicar dos equipos es un enlace punto a punto: un cable entre los dos. Pero normalmente no es práctico, por dos motivos de los apuntes:

1. Los dispositivos pueden estar muy alejados (tu portátil y un servidor en Madrid).
2. Con muchos dispositivos harían falta muchísimas conexiones.

¿Cuántas? Si cada uno de los 20 PC de un aula se uniera con todos los demás, harían falta 20 × 19 / 2 = 190 cables. Con 100 equipos, 100 × 99 / 2 = 4950. La solución es una red de comunicación: cada equipo se conecta una sola vez y la red se encarga de llevar los datos.

Conmutación: ¿camino reservado o cada paquete por su cuenta?

Dentro de esa red, ¿cómo llegan los datos de A a B? Hay dos formas de hacerlo, y es una de las comparaciones estrella del tema:

• Conmutación de circuitos: se establece una ruta de comunicación dedicada y continua antes de empezar, y queda reservada toda la comunicación, hables o no. Ejemplo: la red telefónica tradicional.
• Conmutación de paquetes: los datos se dividen en paquetes y no hay ruta dedicada. Cada paquete lleva su cabecera y los equipos de la red deciden por dónde va, así que el paquete 2 de tu CSV puede ir por otro camino que el 1. Ejemplo: Internet (IP).

	Circuitos	Paquetes
Ruta	Dedicada y continua	No hay ruta dedicada
Se reserva	Para toda la comunicación	Nada: la red se comparte
Si no envías nada	El camino sigue ocupado	Otros usan la red
Ejemplo	Red telefónica tradicional	Internet (IP)
Modo de transferencia	Síncrono (TDM)	Asíncrono (IP; ATM como ejemplo histórico)

La última fila es la de los modos de transferencia. En el síncrono (TDM, multiplexación por división en el tiempo) el medio se reparte en turnos de tiempo fijos, en tramas. En el asíncrono se envía cuando hay datos, sin turnos fijos: es el de IP, y ATM fue un ejemplo histórico.

Tipos de redes

Según su tamaño y según cómo se reparten el trabajo los equipos, los apuntes distinguen cinco tipos:

Tipo	Definición	En nuestro ejemplo
LAN (Local Area Network)	Red pequeña en un área limitada (casa, oficina)	La red de la facultad
WAN (Wide Area Network)	Red que cubre grandes distancias geográficas (países, continentes)	La red del operador hasta Madrid
Internet	Red global de redes	Todo junto
P2P (Peer-to-Peer)	Todos comparten recursos directamente	Compañeros pasándose apuntes sin servidor
Cliente-servidor	Servidores centralizados con múltiples clientes	Cien portátiles pidiendo el mismo dataset

LAN y WAN tienen además sus características, que en el examen salen como preguntas de múltiple con las de la otra mezcladas:

LAN	WAN
Cobertura pequeña: un edificio o edificios próximos	Extensa área geográfica
Normalmente pertenece a la entidad propietaria de los dispositivos	Requiere atravesar rutas de acceso público
Mayor cantidad de transmisión de datos	Usa parcialmente circuitos de proveedores de telecomunicación
Usa sistemas de difusión	Implementada con conmutación de circuitos, de paquetes, TDM y ATM
Reciente introducción de sistemas de conmutación y ATM

Internet: ISP, PoP y NAP

Internet es la evolución de ARPANET, desarrollada para resolver el dilema de las comunicaciones entre múltiples redes arbitrarias de conmutación de paquetes, y está fundamentada en los protocolos TCP/IP. Pero ¿cómo se unen las redes de verdad? Con tres siglas que caen como respuesta corta:

• ISP (Internet Service Provider, proveedor de servicios de Internet): el proveedor que conecta las LAN de usuarios y empresas a Internet. Tu operador.
• PoP (Point of Presence, punto de presencia): el punto físico donde el ISP tiene su red y se conecta a otras redes. Por ahí entra la LAN de tu casa.
• NAP (Network Access Point, punto de acceso a la red): el punto donde distintos ISP se interconectan y comparten tráfico.

Siguiendo el dibujo: el CSV sale del centro de datos, entra en la red del ISP B por su PoP, cambia de operador en el NAP, recorre la red de tu ISP y llega a la LAN de la facultad por el PoP del ISP A.

Direcciones e interconexión: ¿a quién se lo entrego?

Último paso del viaje. A los datos que se envían entre dos dispositivos se les añaden unos campos de control (cabecera). Entre ellos, a quién van dirigidos los datos (dirección destino) y quién los envía (dirección fuente).

Las reglas son dos, y las dos salen en V/F:

1. La transmisión la recibe el dispositivo cuya dirección de destino coincide con la de su adaptador (dirección física o MAC, como 08002B00EE1B).
2. Interconexión de redes: si la estación de destino está en mi red, entrego el mensaje directamente. Si no está en mi red, se lo entrego a un enrutador (router): los dispositivos conectados a más de una red se encargan de enviarlo hasta alcanzar la red de destino.

Esto es exactamente lo que configuraste en Linux con la pasarela por defecto: la dirección del router al que tu equipo le pasa todo lo que no es de su red.

Compruébalo con Python

¿De verdad la propagación se come casi toda la latencia? Este simulador reproduce el viaje del CSV con los datos del artículo: seis tramos con su medio, su velocidad y su distancia, un paquete de 1500 bytes y 0,02 ms por cada equipo intermedio (un valor razonable, elegido para el ejemplo). Calcula la transmisión y la propagación de cada tramo, suma la latencia y busca el cuello de botella:

# Compruébalo con Python: el viaje de un dataset desde la nube hasta tu portátil.
# Latencia de un paquete = tiempo de transmisión + tiempo de propagación + tiempo en los equipos.

PAQUETE = 1500 * 8           # bits de un paquete: 1500 bytes, el tamaño típico en Ethernet
DATASET = 40 * 10**6 * 8     # bits del dataset: 40 MB (el CSV de notas de toda la facultad)
EQUIPO = 0.00002             # segundos que tarda cada equipo intermedio en reenviar (0,02 ms)
V_CABLE, V_AIRE = 2e8, 3e8   # m/s: en cobre y fibra la señal va a unos 2/3 de la luz

# Tramos en el orden en que viaja la descarga: (tramo, medio, bit/s, metros)
RUTA = [
    ("servidor → NAP → PoP", "fibra óptica", 100e9, 1_800_000),   # la nube está en Madrid
    ("PoP → módem", "fibra óptica", 1e9, 9_000),                  # tu tarifa: 1 Gbit/s
    ("módem → router", "par trenzado", 1000e6, 2),
    ("router → switch", "par trenzado", 1000e6, 30),
    ("switch → AP", "par trenzado", 1000e6, 25),
    ("AP → portátil", "Wi-Fi", 300e6, 8),                         # el único tramo sin cable
]

total = 0
print(f"{'tramo':<22}{'medio':<14}{'transmisión':>12}{'propagación':>13}")
for tramo, medio, bps, metros in RUTA:
    t_tx = PAQUETE / bps                          # cuánto se tarda en "soltar" todos los bits del paquete
    v = V_AIRE if medio == "Wi-Fi" else V_CABLE   # el aire frena la onda menos que el cobre o el vidrio
    t_prop = metros / v                           # distancia / velocidad: no depende del tamaño del paquete
    total += t_tx + t_prop
    print(f"{tramo:<22}{medio:<14}{t_tx * 1000:>9.4f} ms{t_prop * 1000:>10.4f} ms")

equipos = len(RUTA) - 1                           # los equipos están ENTRE tramos: 6 tramos, 5 equipos
total += equipos * EQUIPO
print(f"\nEquipos intermedios: {equipos} × {EQUIPO * 1000:.2f} ms")
print(f"Latencia de un paquete: {total * 1000:.3f} ms")

cuello = min(RUTA, key=lambda t: t[2])            # el tramo más lento marca la velocidad de la descarga
t_desc = DATASET / cuello[2] + total              # los paquetes van en fila: manda el tramo más estrecho
print(f"Cuello de botella: {cuello[0]} ({cuello[2] / 1e6:.0f} Mbit/s)")
print(f"Descargar los 40 MB: unos {t_desc:.2f} s")

Y esta es su salida real (ejecutado una sola vez):

tramo                 medio          transmisión  propagación
servidor → NAP → PoP  fibra óptica     0.0001 ms    9.0000 ms
PoP → módem           fibra óptica     0.0120 ms    0.0450 ms
módem → router        par trenzado     0.0120 ms    0.0000 ms
router → switch       par trenzado     0.0120 ms    0.0001 ms
switch → AP           par trenzado     0.0120 ms    0.0001 ms
AP → portátil         Wi-Fi            0.0400 ms    0.0000 ms

Equipos intermedios: 5 × 0.02 ms
Latencia de un paquete: 9.233 ms
Cuello de botella: AP → portátil (300 Mbit/s)
Descargar los 40 MB: unos 1.08 s

Qué observar:

1. La propagación del primer tramo (9 ms) es casi todo. 1 800 000 m / 2·10⁸ m/s = 0,009 s. Los demás tramos son tan cortos que su propagación sale 0,0000 o 0,0001 ms.
2. La transmisión depende del bit/s, no de la distancia. En los tres tramos de par trenzado a 1000 Mbit/s sale lo mismo, 12 000 / 1 000 000 000 = 0,012 ms, midan 2 o 30 metros. En el tramo de 100 Gbit/s, cien veces menos.
3. Los equipos están entre tramos: seis tramos, cinco equipos, 5 × 0,02 = 0,1 ms. Comprobación: 9,0453 + 0,0881 + 0,1 = 9,233 ms, lo que imprime.
4. El cuello de botella es el Wi-Fi. Para descargar mucho, lo que manda es el tramo más lento: 40 MB = 320 000 000 bits; 320 000 000 / 300 000 000 = 1,07 s, más la latencia, unos 1,08 s.
5. Las dos preguntas tienen respuestas distintas: cambiar el Wi-Fi por cable acortaría la descarga (con cable a 1000 Mbit/s, el tramo más lento pasaría a ser de 1 Gbit/s: 320 000 000 / 1 000 000 000 = 0,32 s, unos 0,33 s con la latencia), pero la latencia apenas bajaría. Justo lo que no veía mi compañero.

Resumen

Concepto	Lo que tienes que saber
Red	Dispositivos conectados a un medio común con adaptadores de identificador único; los equipos son nodos
Modelo de comunicaciones	Fuente → transmisor → sistema de transmisión → receptor → destino; origen = fuente + transmisor, destino = receptor + destino
Tareas	11, todas sobre mover datos (sincronización, errores, direccionamiento, seguridad…)
Medios	Cables (par trenzado, coaxial, fibra) e inalámbricos (infrarrojos, radio, microondas)
Bit/s y latencia	Bits por segundo frente a tiempo hasta la acción; latencia = propagación + transmisión + switches
Dispositivos	AP da Wi-Fi; switch une la LAN; router sale a Internet (routing, NAT, DHCP); módem habla con el operador
Conmutación	Circuitos: ruta dedicada (teléfono). Paquetes: sin ruta dedicada (Internet, IP)
Tipos de redes	LAN, WAN, Internet, P2P y cliente-servidor
Internet	Evolución de ARPANET, sobre TCP/IP; ISP, PoP y NAP
Entrega	Lo recibe la MAC que coincide; si el destino no está en mi red, al router

Tres ideas para llevarte

1. Cuántos bits por segundo y cuánto tarda son preguntas distintas. La fibra mejora la primera; la distancia manda en la segunda.
2. Cada aparato tiene un trabajo y solo uno: el switch une, el AP da Wi-Fi, el router sale fuera y el módem habla con el operador.
3. Internet es conmutación de paquetes: cada paquete va por su cuenta, los operadores se cruzan en los NAP y, si el destino no es de tu red, el paquete va al router.

Ahora te toca a ti: en los ejercicios de Introducción a las redes tienes un cuestionario interactivo con todos los formatos del examen (única, múltiple que penaliza, V/F, huecos, relacionar, ordenar, respuesta corta, cálculo y desarrollo) y el chuletario del tema. Después, en el siguiente tema veremos cómo se organiza todo esto en capas: los modelos OSI y TCP/IP.

Siguiente paso: ejerciciosIntroducción a las redes — ejercicios tipo examen con un cuestionario que se corrige solo, la trampa del switch y una latencia calculada a mano (y por qué no marcar «por si acaso»)

¿Te ha servido este artículo? Así puedes apoyar SergioLearns →