Capa de Acceso a la Red

Juegos en Red - Grado en Diseño y Desarrollo de Videojuegos

Ruben Rodríguez

ruben.rodriguez@urjc.es

URJC

Natalia Madrueño

natalia.madrueno@urjc.es

URJC

Mario Manzano

mario.manzano@urjc.es

URJC

2026-09-09

Introducción

¿Qué es la Capa de Acceso a la Red?

La Capa de Acceso a la Red se encarga de la transmisión física de datos entre dispositivos directamente conectados en una red local

¿Qué hace?

Maneja los aspectos físicos de la transmisión
Controla el acceso al medio compartido
Se ejecuta en el host y en el núcleo de la red
Garantiza transmisión confiable entre nodos adyacentes

Posición en los modelos:

block-beta
    columns 1
    
    A["<b>Capa de Aplicación</b><br/><br/>HTTP, HTTPS, FTP, SMTP<br/>DNS, DHCP, Telnet, SSH"]
    
    B["<b>Capa de Transporte</b><br/><br/>TCP, UDP<br/>Control de flujo y errores"]
    
    C["<b>Capa de Internet</b><br/><br/>IP, ICMP, ARP<br/>Enrutamiento, Direccionamiento"]
    
    D["<b>Capa de Acceso a la Red</b><br/><br/>Ethernet, WiFi, PPP<br/>Frames, MAC Address<br/>Control de acceso al medio"]
    
    classDef highlight fill:#ff9999,stroke:#cc0000,stroke-width:4px,color:#000
    classDef normal fill:#e1f5fe,stroke:#0277bd,stroke-width:2px,color:#000
    
    class D highlight
    class A,B,C normal

Importante

Responsabilidad principal: Garantizar que los datos puedan transmitirse de manera confiable entre nodos adyacentes en la red

Ejemplo: Comunicación en Red Local

sequenceDiagram
    participant A as Computadora A<br/>(00:1A:2B:3C:4D:5E)
    participant S as Switch<br/>(Tabla MAC)
    participant C as Computadora C<br/>(00:3C:4D:5E:6F:70)

    Note over S: Tabla MAC vacía

    Note over A,C: FASE 1: Descubrimiento ARP
    
    A->>S: ARP Request<br/>¿Quién tiene la IP de C?<br/>Destino: Broadcast
    
    Note over S: Aprende: Puerto 1 → MAC de A
    
    S->>C: ARP Request (Flooding)
    
    C->>S: ARP Response<br/>Mi MAC es 00:3C:4D:5E:6F:70
    
    Note over S: Aprende: Puerto 3 → MAC de C
    
    S->>A: ARP Response (Unicast)

    Note over A,C: FASE 2: Comunicación Directa
    
    A->>S: Datos para C
    
    Note over S: Consulta tabla MAC
    
    S->>C: Datos (Solo puerto 3)

Funciones Principales

1. Control de Acceso al Medio (MAC)

Coordina cómo múltiples dispositivos comparten un medio de transmisión común

Ethernet Half-Duplex: CSMA/CD

Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection

Escuchar el medio antes de transmitir
Si está libre → transmitir
Si hay colisión → detectar
Aplicar backoff exponencial
Reintentar transmisión

Solo puede transmitir en una dirección a la vez. En Full-Duplex no necesitaríamos realizar controles.

Redes Inalámbricas: CSMA/CA

Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance

Esperar tiempo aleatorio antes de transmitir
Usar acknowledgments para confirmar recepción
Protocolo RTS/CTS para problema del nodo oculto

La detección de colisiones es impráctica en radio

2. Direccionamiento Físico

Opera a nivel de hardware, independiente de protocolos superiores, usando direcciones MAC únicas

graph LR
    subgraph "Dirección MAC: 00:1A:2B:3C:4D:5E (48 bits)"
        OUI["00:1A:2B<br/>OUI<br/>(Organizationally Unique Identifier)<br/>Asignado por IEEE"]
        NIC["3C:4D:5E<br/>Identificador del Dispositivo<br/>Asignado por el fabricante"]
    end
    
    style OUI fill:#e3f2fd,stroke:#1976d2,stroke-width:2px
    style NIC fill:#fff3e0,stroke:#f57c00,stroke-width:2px

Unicast

Un único destinatario
Dirección específica del dispositivo

Broadcast

Todos los dispositivos
FF:FF:FF:FF:FF:FF

Multicast

Grupo específico
Primer bit = 1

Tip

Las direcciones MAC son como el DNI del dispositivo: únicas, estáticas y cada dispositivo tiene una

3. Detección y Corrección de Errores

Garantiza la integridad de los datos transmitidos a través del medio físico

Códigos de Redundancia Cíclica (CRC)

Proceso CRC:

Generar polinomio matemático sobre datos
Agregar Frame Check Sequence (FCS) al final
Receptor recalcula el CRC
Comparar con el recibido
Detectar errores de 1 bit y múltiples bits

Checksums simples:

Suma aritmética de bytes
Menos robusto pero más rápido

Forward Error Correction (FEC):

No solo detecta, también corrige errores
Códigos Hamming: errores de 1 bit
Reed-Solomon: errores en ráfagas
Especialmente importante en medios inalámbricos

3. Detección y Corrección de Errores (Ejemplo)

Introducir un mensaje de 4 bits (1011) y os saldrá a la derecha el mensaje codificado

// Input: 4-bit message
viewof msg4 = Inputs.text({label: "Mensaje (4 bits)", placeholder: "e.g. 1011"})

function hamming74_encode(bits4) {
  if (!/^[01]{4}$/.test(bits4)) return "";
  const [d1, d2, d3, d4] = bits4.split("").map(b => +b);
  
  // parity bits
  const p1 = d1 ^ d2 ^ d4;
  const p2 = d1 ^ d3 ^ d4;
  const p3 = d2 ^ d3 ^ d4;
  
  // Codeword positions: p1 p2 d1 p3 d2 d3 d4
  const code = [p1, p2, d1, p3, d2, d3, d4];
  return code.join("");
}

encoded = hamming74_encode(msg4)
encoded

Aquí podréis meter el mensaje codificado y saber si ha habido cambios en un bit y corregirlos (Hamming).

// Input: 7-bit codeword
viewof code7 = Inputs.text({label: "Codeword (7 bits)", placeholder: "e.g. 0110011"})

function hamming74_decode(code) {
  if (!/^[01]{7}$/.test(code)) return "Enter exactly 7 bits";
  const bits = code.split("").map(b => +b);
  const [p1, p2, d1, p3, d2, d3, d4] = bits;

  // syndrome bits
  const s1 = p1 ^ d1 ^ d2 ^ d4;
  const s2 = p2 ^ d1 ^ d3 ^ d4;
  const s3 = p3 ^ d2 ^ d3 ^ d4;
  
  const syndrome = (s3 << 2) | (s2 << 1) | s1; // binary → position (1-7)

  let corrected = [...bits];
  let msg = [d1, d2, d3, d4].join("");
  
  if (syndrome === 0) {
    return `✅ Valid codeword, message = ${msg}`;
  } else {
    // correct bit if single error
    corrected[syndrome - 1] ^= 1; 
    const [cp1, cp2, cd1, cp3, cd2, cd3, cd4] = corrected;
    const corrected_msg = [cd1, cd2, cd3, cd4].join("");
    return `❌ Error at position ${syndrome}. Corrected codeword = ${corrected.join("")}, message = ${corrected_msg}`;
  }
}

result = hamming74_decode(code7)
result

4. Control de Tamaño

Maneja las limitaciones de tamaño impuestas por diferentes tecnologías de red

Maximum Transmission Unit (MTU)

Tecnología	MTU (bytes)	Características
Ethernet	1500	Estándar más común en LAN
Token Ring	4464	Tecnología legacy
FDDI	4352	Fiber Distributed Data Interface
PPP	Variable (~1500)	Para compatibilidad con Ethernet

Advertencia

Si datos > MTU → el paquete se fragmenta en la capa de red (IPv4) o el emisor ajusta el tamaño con PMTUD; una trama nunca supera la MTU

Nota: El MTU determina el tamaño máximo de datos que puede transportar una sola trama

5. Sincronización y Temporización

Coordina el timing entre dispositivos para asegurar la correcta interpretación de señales digitales

Niveles de sincronización

Tipos de sincronización:

Sincronización de bit: Determina límites temporales de cada bit
Sincronización de trama: Identifica inicio y fin de cada trama
Sincronización de símbolo: Para modulaciones complejas (QAM)

¿Por qué es crítica?

En redes de alta velocidad, pequeñas diferencias causan errores
Establece marcos de tiempo comunes
Permite interpretación correcta de señales
Esencial para comunicación digital confiable

6. Gestión de Topología

Descubre y mantiene información sobre la estructura física de la red

Componentes principales

Mantenimiento de enlaces:

Keepalive messages
Detección proactiva de fallos
Antes de afectar tráfico de usuarios

Protocolos de detección:

CDP (Cisco Discovery Protocol)
LLDP (Link Layer Discovery Protocol)
Dispositivos se identifican mutuamente
Comparten información de capacidades

Prevención de bucles:

Spanning Tree Protocol (STP)
Previene bucles en topologías redundantes
Evita tormentas de broadcast

Adaptación automática:

Detecta cambios en la topología
Responde a fallos de enlaces
Incorpora nuevos dispositivos

7. Control de Calidad de Servicio (QoS)

Prioriza diferentes tipos de tráfico según su importancia y requisitos de rendimiento

Mecanismos de gestión

Gestión de buffers:

Weighted Fair Queuing: Recursos proporcionales según importancia
Priority Queuing: Tráfico crítico tiene precedencia
Random Early Detection: Descarta proactivamente antes de saturación

Aplicaciones beneficiadas:

🎥 Video en tiempo real
📞 VoIP (Voz sobre IP)
🎮 Gaming online
💼 Aplicaciones críticas de negocio

Fundamental para aplicaciones sensibles al tiempo

Tip

QoS garantiza que aplicaciones críticas reciban el ancho de banda necesario incluso en momentos de congestión

Dispositivos de Capa 2

Switches: Evolución y Tipos

Switches No Gestionados

Plug-and-play
Aprendizaje MAC automático
Redes pequeñas/domésticas
Sin configuración

Switches Gestionados

VLANs y segmentación
QoS y priorización
SNMP para monitorización
Seguridad 802.1X

Dominios de Colisión: Switch vs Hub

graph TB
    subgraph "HUB - Medio Compartido"
        H1[Hub]
        SHARED((Medio<br/>Compartido))
        PC1[PC1] --- SHARED
        PC2[PC2] --- SHARED
        PC3[PC3] --- SHARED
        PC4[PC4] --- SHARED
        SHARED --- H1
    end
    
    subgraph "SWITCH - Dominios Separados"
        S1[Switch]
        PC5[PC5] --- S1
        PC6[PC6] --- S1
        PC7[PC7] --- S1
        PC8[PC8] --- S1
    end
    
    classDef collision fill:#ffcdd2,stroke:#d32f2f
    classDef nocollision fill:#c8e6c9,stroke:#388e3c
    classDef shared fill:#fff3e0,stroke:#f57c00
    
    class H1,PC1,PC2,PC3,PC4 collision
    class S1,PC5,PC6,PC7,PC8 nocollision
    class SHARED shared

Tip

Los switches crean dominios de colisión separados para cada puerto, evitando colisiones entre dispositivos en diferentes puertos

Otros Dispositivos de Acceso

Dispositivo	Función	Características	Aplicación
Access Points	WiFi ↔︎ Cableado	CSMA/CA, Beamforming	Redes inalámbricas
Repetidores	Extensión alcance	Regeneración señal	Superar distancia
Media Converters	Cambio de medio	Fibra ↔︎ Cobre	Migración gradual
Transceivers	Modular	SFP/SFP+/QSFP	Flexibilidad

graph LR
    PC["💻 PC"]
    AP["📡 Access Point"]
    SW["🔌 Switch"]
    MC1["🔄 Media Converter"]
    FO["🌟 Fibra Óptica"]
    MC2["🔄 Media Converter"]
    RT["🌐 Router"]
    
    PC <-.->|"WiFi"| AP
    AP <-->|"Ethernet"| SW
    SW <-->|"Cobre"| MC1
    MC1 <-->|"Fibra"| FO
    FO <-->|"Fibra"| MC2
    MC2 <-->|"Ethernet"| RT

Protocolos Principales

Ethernet (IEEE 802.3)

Estructura de Trama Ethernet

packet-beta
    0-31: "Preámbulo"
    32-47: "Preámbulo"
    48-55: "Preámbulo"
    56-63: "SFD"
    64-111: "MAC Destino (6 bytes)"
    112-159: "MAC Origen (6 bytes)"
    160-175: "Tipo/Longitud"
    176-191: "Datos"
    192-207: "Datos"
    208-223: "Datos (Payload)"
    224-239: "..."
    240-255: "Datos"
    256-287: "FCS (4 bytes)"

Campos principales:

Preámbulo: Sincronización
MACs: Identificación única
Tipo: Protocolo superior (IPv4: 0x0800)
Payload: Datos + padding si < 46 bytes

Evolución de velocidades:

10Base-T: 10 Mbps
Fast Ethernet: 100 Mbps
Gigabit: 1 Gbps
10G/40G/100G Ethernet

WiFi (IEEE 802.11)

Trama WiFi: Mayor complejidad

packet-beta
    0-15: "Frame Control"
    16-31: "Duration/ID"
    32-79: "Address 1 (Receptor)"
    80-127: "Address 2 (Transmisor)"
    128-175: "Address 3 (BSSID/AP)"
    176-191: "Sequence Control"
    192-239: "Address 4 (opcional)"
    240-255: "QoS Control (opcional)"
    256-287: "Datos ..."
    288-303: "Datos ..."
    304-319: "FCS (4 bytes)"

Tip

La trama es considerablemente más compleja debido a que estamos en un medio compartido y puede haber repetidores, así como comunicaciones directas.

Evolución de Estándares WiFi

Generación	Estándar	Velocidad Max	Bandas	Año
WiFi 4	802.11n	600 Mbps	2.4/5 GHz	2009
WiFi 5	802.11ac	3.5 Gbps	5 GHz	2014
WiFi 6	802.11ax	9.6 Gbps	2.4/5 GHz	2019
WiFi 6E	802.11ax	9.6 Gbps	+ 6 GHz	2020
WiFi 7	802.11be	46 Gbps	2.4/5/6 GHz	2024

Mejoras clave:

MIMO (múltiples antenas)
OFDMA (mejor uso espectro)
Beamforming direccional (dirigir hacia un punto en concreto)

Trade-offs de bandas:

2.4 GHz: Mayor alcance, menor velocidad
5 GHz: Mayor velocidad, menor alcance
6 GHz: Máxima velocidad, mínimo alcance

PPP y Frame Relay

Point-to-Point Protocol (PPP)

Características:

Enlaces punto a punto
Detección de errores
Autenticación (PAP/CHAP)
Configuración IP automática

Uso actual:

Enlaces de respaldo
Conexiones satelitales
Algunas VPNs

Frame Relay

Características:

WAN con circuitos virtuales
Conmutación de tramas
Control de congestión

Estado:

Reemplazado por MPLS
Legacy en empresas antiguas
Conceptos aún relevantes

ARP: Address Resolution Protocol

Traducción IP → MAC

sequenceDiagram
    participant A as Host A<br/>IP: 192.168.1.10<br/>MAC: AA:BB:CC:DD:EE:FF
    participant N as Red Local<br/>(Broadcast)
    participant B as Host B<br/>IP: 192.168.1.20<br/>MAC: 11:22:33:44:55:66
    
    Note over A: Necesito MAC de 192.168.1.20
    
    A->>N: ARP Request (Broadcast)<br/>¿Quién tiene 192.168.1.20?
    N->>B: ARP Request
    
    Note over B: ¡Esa es mi IP!
    
    B->>A: ARP Reply (Unicast)<br/>192.168.1.20 = 11:22:33:44:55:66
    
    Note over A: Guardo en caché ARP

Proceso ARP:

Broadcast preguntando por IP
Dispositivo con esa IP responde
Se guarda en caché local
Temporizador elimina entradas viejas

Tipos de ARP:

Dinámico: Aprendizaje automático
Estático: Entradas manuales permanentes
Proxy ARP: Router responde por otros
Gratuitous: Anuncio proactivo

Consideraciones Prácticas

Límites Físicos y Distancias

Cable de Cobre (UTP/STP)

Causas de la limitación:

Atenuación de señal
Interferencia electromagnética
Crosstalk entre pares
Degradación con distancia

Soluciones:

Switches cada 100m
Repetidores/Extensores
Fibra óptica (kilómetros)
Enlaces inalámbricos

Comparación de Medios

Medio	Distancia Max	Velocidad	Interferencia
UTP Cat5e	100m	1 Gbps	Alta
UTP Cat6a	100m	10 Gbps	Media
Fibra MM	2 km	10 Gbps	Nula
Fibra SM	100+ km	100 Gbps	Nula

Ejemplo Práctico: Verificación de Configuración

Comandos útiles para verificar la capa de acceso

Ver información de red:

# Linux/Mac - Ver dirección MAC
ifconfig

# Windows - Ver dirección MAC
ipconfig /all

# Ver tabla ARP
arp -a

Ejemplo de salida ARP:

192.168.1.1   00:1a:2b:3c:4d:5e
192.168.1.10  00:2b:3c:4d:5e:6f
192.168.1.20  00:3c:4d:5e:6f:70

Muestra las asociaciones IP-MAC en la caché local

Resumen

Puntos Clave

La Capa de Acceso a la Red maneja la transmisión física y el control de acceso al medio compartido
Combina las funciones de las capas física y de enlace del modelo OSI
Control de acceso al medio: CSMA/CD (Ethernet) vs CSMA/CA (WiFi)
Direcciones MAC: 48 bits, únicas por dispositivo (OUI + ID dispositivo)
Switches evolucionaron desde hubs, creando dominios de colisión independientes
Detección de errores mediante CRC y técnicas FEC
MTU define el tamaño máximo de trama (Ethernet: 1500 bytes)
ARP resuelve la traducción entre direcciones IP y MAC