Fundamentos de Redes Informáticas

Modelos y Topologías de Red

Las redes informáticas se estructuran de diversas maneras, tanto a nivel físico como lógico, para permitir la comunicación entre dispositivos.

Topologías Físicas

Las topologías físicas describen la disposición real de los cables y dispositivos en una red:

• Bus: Todos los dispositivos se conectan a un único cable central.
• Anillo: Cada dispositivo está conectado al siguiente, formando un círculo cerrado.
• Doble Anillo: Similar al anillo, pero con una conexión adicional para proporcionar redundancia y tolerancia a fallos.
• Malla: Cada dispositivo está conectado a varios otros, ofreciendo múltiples rutas de comunicación.
• Malla Totalmente Conexa: Cada dispositivo está conectado directamente a todos los demás dispositivos de la red.
• Árbol: Estructura jerárquica que se organiza por niveles, con un nodo raíz y ramificaciones.
• Híbrida: Combinación de dos o más topologías físicas diferentes.

Modelo OSI (Open Systems Interconnection) – 7 Capas

El Modelo OSI es un marco conceptual que estandariza las funciones de comunicación de una red en siete capas distintas:

• Capa 1: Física: Se encarga de la conexión física de los dispositivos (cables, conectores, señales eléctricas).
• Capa 2: Enlace de Datos: Proporciona un enlace fiable entre nodos directamente conectados, gestionando el acceso al medio y la detección de errores.
• Capa 3: Red: Responsable del enrutamiento de datos entre diferentes redes, utilizando direcciones lógicas (IP).
• Capa 4: Transporte: Asegura la entrega correcta y completa de los datos entre aplicaciones de origen y destino, gestionando la segmentación y el control de flujo.
• Capa 5: Sesión: Establece, gestiona y finaliza las sesiones de comunicación entre aplicaciones.
• Capa 6: Presentación: Traduce y formatea los datos para que sean comprensibles tanto para la red como para la aplicación, incluyendo cifrado y compresión.
• Capa 7: Aplicación: Proporciona servicios de red directamente a las aplicaciones del usuario (ej. HTTP, FTP, SMTP).

Modelo TCP/IP – 4 Capas

El Modelo TCP/IP es el estándar de facto para la comunicación en Internet, simplificando las capas del modelo OSI:

• Capa de Acceso a la Red: Combina las funcionalidades de las capas Física y Enlace de Datos del modelo OSI.
• Capa de Internet: Equivalente a la capa de Red del modelo OSI, encargada del direccionamiento y enrutamiento de paquetes.
• Capa de Transporte: Similar a la capa de Transporte del modelo OSI, gestiona la comunicación de extremo a extremo (TCP, UDP).
• Capa de Aplicación: Unifica las capas de Sesión, Presentación y Aplicación del modelo OSI, proporcionando servicios a las aplicaciones.

La comunicación entre capas puede ser vertical (de una capa superior a una inferior en el mismo dispositivo) o horizontal (entre capas iguales en distintos dispositivos).

Tipos de NAT (Network Address Translation)

NAT es una técnica utilizada para traducir direcciones IP privadas a direcciones IP públicas, permitiendo que múltiples dispositivos compartan una única IP pública:

• Static NAT: Asignación uno a uno (1:1) entre una dirección IP privada y una dirección IP pública.
• Dynamic NAT: Asigna una dirección IP pública de un grupo disponible por cada conexión saliente.
• PAT (Port Address Translation): También conocido como NAT de sobrecarga, permite que múltiples dispositivos compartan una única IP pública utilizando distintos puertos para diferenciar las conexiones.

Componentes Esenciales de Hardware

Arquitectura Interna del PC

El hardware de un ordenador se compone de diversos elementos que trabajan en conjunto para su funcionamiento.

Placa Base (Motherboard)

La placa base es el circuito principal que interconecta y permite la comunicación entre todos los componentes esenciales del ordenador, como la CPU, la RAM y las tarjetas de expansión. Su elección afecta directamente al rendimiento, coste y capacidad de expansión del sistema. Incluye el chipset, que gestiona las conexiones y el flujo de datos, y la BIOS (Basic Input/Output System), que inicia el sistema operativo.

Componentes clave de la Placa Base:

• Conectores de Alimentación: Suministran energía a la placa base y sus componentes.
• Zócalo CPU: Conecta el microprocesador a la placa base.
• Ranuras RAM: Generalmente de 2 a 6 ranuras para instalar módulos de memoria RAM.
• Chipset: Conjunto de chips que controlan el flujo de datos entre la CPU, la RAM y los periféricos.
• Puertos de Entrada/Salida (E/S): Incluyen puertos USB, PS/2, VGA, HDMI, SATA, entre otros, para conectar periféricos y dispositivos de almacenamiento.
• Ranuras de Expansión (PCIe, PCI): Para instalar tarjetas gráficas, tarjetas de red, tarjetas de sonido, etc.

Memoria RAM (Random Access Memory)

La RAM es una memoria volátil de acceso aleatorio, crucial para el sistema operativo y los programas en ejecución, ya que permite al procesador acceder y manipular datos rápidamente. Su acceso aleatorio, con igual velocidad a cualquier dato, mejora significativamente la eficiencia del sistema. Al arrancar el ordenador, se verifica su conexión y funcionamiento; errores en la RAM suelen generar pitidos de advertencia específicos.

Tarjeta Gráfica (GPU)

La tarjeta gráfica, o Unidad de Procesamiento Gráfico (GPU), procesa los datos enviados por la CPU y los convierte en imágenes que se muestran en el monitor. Puede ser dedicada (una tarjeta independiente con su propia memoria) o integrada (parte del chipset de la placa base o del propio procesador).

Efectos Gráficos Comunes:

• Antialiasing: Técnica para suavizar los bordes dentados de los objetos en pantalla.
• Shaders: Programas que procesan la iluminación, las texturas y los efectos visuales de los objetos 3D.
• HDR (High Dynamic Range): Permite un rango más amplio de intensidades de luz, ofreciendo imágenes con mayor contraste y detalle.
• Mapeado de Texturas: Aplica imágenes (texturas) a las superficies de los objetos 3D para añadir detalles sin aumentar el número de polígonos.
• Motion Blur y Depth Blur: Efectos de desenfoque que simulan el movimiento rápido o la profundidad de campo, respectivamente.
• Teselado: Aumenta dinámicamente el número de polígonos de un modelo 3D para suavizar las figuras y añadir detalle.

Microprocesador (CPU – Central Processing Unit)

El microprocesador es el componente central del ordenador, responsable de ejecutar las instrucciones de los programas y realizar la mayoría de las operaciones de cálculo. Se conecta a la placa base mediante un zócalo específico y requiere un sistema de refrigeración para disipar el calor generado.

Estructura Interna del Microprocesador:

• Registros: Pequeñas unidades de memoria ultrarrápida que almacenan datos temporales para operaciones inmediatas.
• Unidad de Control (UC): Coordina y gestiona todas las operaciones del procesador, interpretando las instrucciones.
• Unidad Aritmético Lógica (ALU): Realiza operaciones matemáticas (suma, resta) y lógicas (AND, OR, NOT).
• Unidad de Cálculo de Coma Flotante (FPU): Especializada en realizar cálculos complejos con números de coma flotante.

Funcionamiento y Características Clave:

• Rendimiento: Se mide principalmente por la frecuencia de reloj (en GHz), que indica el número de ciclos de operación por segundo.
• Ciclo de Ejecución de Instrucciones: Incluye fases como la prelectura (fetch), el envío al decodificador, la decodificación, la lectura de operandos, la ejecución y la escritura de resultados.
• Encapsulado: La carcasa que protege el chip y proporciona los contactos para conectarlo a la placa base.
• Memoria Caché: Memoria ultrarrápida integrada en el procesador para almacenar datos e instrucciones de uso frecuente, reduciendo el tiempo de acceso a la RAM.
• Núcleos: Unidades de procesamiento independientes dentro del mismo chip, permitiendo la ejecución simultánea de múltiples tareas.
• Conjunto de Instrucciones: El repertorio de comandos que el procesador es capaz de ejecutar.
• Virtualización: Capacidad del hardware para ejecutar múltiples sistemas operativos o entornos virtuales de forma simultánea y aislada.

Almacenamiento y Energía

Almacenamiento Electrónico (SSD)

Los dispositivos de almacenamiento electrónico, como las unidades de estado sólido (SSD), utilizan chips de memoria NAND para guardar datos de forma persistente, sin necesidad de energía. Una métrica clave de rendimiento para los SSD es IOPS (Input/Output Operations Per Second), que mide el número de operaciones de entrada/salida por segundo, tanto secuenciales como aleatorias. Los SSDs emplean celdas NAND con transistores de puerta flotante; en su forma más básica, cada celda guarda 1 bit de información.

Fuente de Alimentación Conmutada (PSU)

La fuente de alimentación es un componente vital que convierte la tensión alterna (AC) de la red eléctrica en tensión continua (DC) para suministrar energía a todos los componentes del PC. Las dimensiones estándar suelen ser 150x86x140 mm, aunque pueden variar según la potencia. La potencia nominal indica la capacidad máxima de energía que puede suministrar.

Características y Protecciones:

• Protecciones: Incorpora mecanismos de seguridad contra sobrevoltaje, sobrecalentamiento y cortocircuitos para proteger los componentes.
• Eficiencia: Las fuentes con certificación 80 PLUS garantizan una eficiencia superior al 82% con carga del 100%, lo que reduce el consumo energético y el calor.
• Certificaciones: Sellos como CE, RoHS y UL aseguran el cumplimiento de estándares de seguridad y medioambientales.
• Conectores ATX: Incluyen el conector principal de 24 pines para la placa base, y conectores adicionales para la CPU (4/8 pines) y tarjetas gráficas (6/8 pines).
• Conectores Molex: Utilizados para alimentar discos duros antiguos, unidades ópticas y algunos ventiladores.

Sistema de Alimentación Ininterrumpida (SAI / UPS)

Un SAI es un dispositivo que proporciona energía eléctrica a un ordenador o a otros equipos sensibles cuando la alimentación de la red eléctrica falla o sufre fluctuaciones. Aunque la red de baja tensión generalmente entrega tensión de calidad, puede sufrir perturbaciones como caídas de tensión permanentes o transitorias, o picos. Las averías en los equipos conectados pueden causar cortocircuitos que los sistemas de protección deben aislar. Si una carga defectuosa no se aísla correctamente, puede provocar perturbaciones en zonas cercanas de la red, afectando a otros dispositivos.

Gestión de Sistemas Operativos

Administración de Discos y Archivos

La correcta gestión de discos y archivos es fundamental para el rendimiento y la organización de un sistema operativo.

Particionado de Discos

El particionado divide un disco duro en secciones lógicas. Herramientas comunes incluyen:

• fdisk: Herramienta de línea de comandos (CLI) para gestionar particiones, especialmente en discos con tabla de particiones MBR.
• gparted: Herramienta gráfica (GUI) popular para la gestión de particiones en Linux.

¿Por qué particionar? Permite organizar el disco, facilita la instalación de múltiples sistemas operativos (dual-boot) y puede mejorar la seguridad al aislar datos.

Formateo de Sistemas de Archivos

El formateo crea un sistema de archivos en una partición, preparándola para almacenar datos.

• mkfs: Comando en Linux para crear un sistema de archivos (ej. mkfs.ext4).
• /etc/fstab: Archivo de configuración en Linux que define los sistemas de archivos que se montarán automáticamente al inicio del sistema.

Montaje y Desmontaje

Para acceder a un sistema de archivos, este debe ser montado en un punto del árbol de directorios.

• mount: Comando para montar un sistema de archivos (temporalmente).
• umount: Comando para desmontar un sistema de archivos.

Espacio en Disco

• df -h: Comando en Linux que muestra el espacio libre y ocupado en los sistemas de archivos montados, en un formato legible para humanos.

Sistemas de Archivos Comunes

• NTFS (New Technology File System): Sistema de archivos principal de Windows, soporta características avanzadas como ACLs, pero con compatibilidad limitada en otros sistemas operativos.
• FAT32 (File Allocation Table 32): Amplia compatibilidad entre sistemas operativos, pero con un límite de tamaño de archivo de 4GB.
• EXT4 (Fourth Extended Filesystem): Sistema de archivos por defecto en muchas distribuciones Linux, conocido por su eficiencia y fiabilidad.
• ReiserFS: Optimizado para el manejo de archivos pequeños, aunque su soporte y uso han disminuido.

RAID (Redundant Array of Independent Disks)

RAID es una tecnología que combina múltiples discos duros en una sola unidad lógica para mejorar el rendimiento, la redundancia o ambos.

Ventajas: Mejora la redundancia de datos (protección contra fallos de disco) y/o la velocidad de lectura/escritura.

Desventajas: Mayor coste inicial y complejidad de configuración y gestión.

Niveles RAID Comunes:

• RAID 0 (Striping): Distribuye los datos en bloques entre varios discos. Aumenta la velocidad, pero no ofrece redundancia; la falla de un disco implica la pérdida de todos los datos.
• RAID 1 (Mirroring): Duplica los datos en dos discos idénticos. Ofrece alta redundancia; si un disco falla, los datos están disponibles en el otro.
• RAID 5 (Striping con Paridad): Combina el striping con información de paridad distribuida entre los discos. Permite la recuperación de datos si falla un único disco.

Implementación de RAID:

• RAID por Software: Implementado a través del sistema operativo. Es más económico, pero puede tener un menor rendimiento al utilizar recursos de la CPU.
• RAID por Hardware: Gestionado por un controlador dedicado (tarjeta RAID). Es más eficiente y ofrece mejor rendimiento, ya que el controlador se encarga de las operaciones RAID.

Estructura de Archivos y Enlaces

Jerarquía de Archivos en Windows

Windows organiza sus archivos y carpetas de sistema de la siguiente manera:

• C:\Program Files: Ubicación estándar para las aplicaciones instaladas.
• C:\Users: Contiene los perfiles de usuario, incluyendo sus documentos, descargas, etc.
• C:\Windows: Almacena los archivos esenciales del sistema operativo.

Jerarquía del Sistema de Archivos de Linux (FHS)

Linux sigue un estándar de jerarquía de directorios (Filesystem Hierarchy Standard – FHS):

• /bin: Contiene binarios (programas ejecutables) esenciales del sistema.
• /home: Directorios personales de los usuarios.
• /etc: Archivos de configuración del sistema.
• /var: Archivos de datos variables, como logs, colas de impresión, etc.

Intérprete de Comandos (Shell)

• Bash: Es el intérprete de comandos (shell) más común en sistemas Linux, que ejecuta las instrucciones introducidas por el usuario o scripts.

Archivos Críticos de Configuración en Linux

• /etc/passwd: Almacena información básica de los usuarios del sistema.
• /etc/group: Almacena información sobre los grupos de usuarios.
• /etc/shadow: Contiene las contraseñas cifradas de los usuarios, por razones de seguridad.

Inodos y Enlaces (Links)

• Inodos: Son estructuras de datos en sistemas de archivos Unix/Linux que almacenan metadatos sobre un archivo o directorio (permisos, propietario, tamaño, fechas, ubicación física de los datos, etc.).
• Hard Link: Es una entrada de directorio que apunta directamente al inodo de un archivo. El archivo original sigue existiendo mientras haya al menos un hard link apuntando a su inodo.
• Soft Link (o Symlink / Enlace Simbólico): Es un archivo especial que apunta al nombre de otro archivo o directorio. Si el archivo original es borrado o movido, el soft link se «rompe» y deja de funcionar.

Gestión de Procesos y Redirección

Redirección de Entrada/Salida en CLI (Linux)

La redirección permite controlar el flujo de datos de los comandos en la línea de comandos:

• STDin (Entrada Estándar): Por defecto, el teclado.
• STDout (Salida Estándar): Por defecto, la pantalla.
• STDErr (Error Estándar): Por defecto, la pantalla (para mensajes de error).
• >: Redirige la salida estándar de un comando a un archivo, sobrescribiendo su contenido si ya existe.
• >>: Redirige la salida estándar de un comando a un archivo, añadiendo el contenido al final.
• <: Redirige la entrada estándar de un comando desde un archivo.
• 2>: Redirige la salida de error estándar de un comando a un archivo.

Gestión de Paquetes (Linux)

Los sistemas Linux utilizan gestores de paquetes para instalar, actualizar y eliminar software.

• dpkg: Herramienta de bajo nivel para la gestión de paquetes en sistemas basados en Debian.
• apt: Gestor de paquetes avanzado para sistemas Debian/Ubuntu, que simplifica la instalación y resolución de dependencias.
• snap: Sistema de empaquetado de aplicaciones en contenedores, que incluye todas las dependencias necesarias para la aplicación.
• Dependencias: Otros paquetes de software que son necesarios para el correcto funcionamiento de un paquete principal.

Gestión de Procesos

Un proceso es una instancia de un programa en ejecución. Los procesos no son completamente aislados; tienen un contexto de ejecución y pueden tener dependencias con otros procesos o recursos del sistema.

Herramientas de Gestión de Procesos:

• systemd: Sistema de inicio y gestor de servicios en muchas distribuciones Linux modernas.
• top: Utilidad de línea de comandos que muestra los procesos en tiempo real, junto con su consumo de recursos.
• kill <PID>: Comando para terminar un proceso específico utilizando su ID de proceso (PID).

Conceptos Relacionados:

• Proceso: Una instancia de un programa que se está ejecutando.
• Demonio (Daemon): Un proceso que se ejecuta en segundo plano, generalmente como un servicio del sistema (ej. servidor web, servidor de base de datos).

Administración de Sistemas Windows

Interfaz Gráfica de Usuario (GUI) en Windows

La GUI de Windows es intuitiva y fácil de usar, aunque para tareas avanzadas o repetitivas, la línea de comandos (CLI) puede ser más eficiente.

Herramientas de Administración GUI:

• Panel de Control: Centraliza la mayoría de las configuraciones del sistema.
• Administración de Equipos: Consola que agrupa herramientas para gestionar discos, usuarios y grupos locales, servicios, visor de eventos, etc.

Gestión de Volúmenes en Windows

Windows permite configurar diferentes tipos de volúmenes para la gestión del almacenamiento:

• Volúmenes Reflejados: Equivalente a RAID 1 (mirroring), duplican los datos en dos discos para redundancia.
• Volúmenes Seccionados: Equivalente a RAID 0 (striping), distribuyen los datos entre varios discos para mejorar el rendimiento.
• Volúmenes Dinámicos: Permiten redimensionar particiones, extender volúmenes y crear configuraciones RAID por software sin reiniciar el sistema.

ACLs (Access Control Lists)

• ACLs: Permiten un control de acceso granular a archivos y carpetas, definiendo permisos específicos para usuarios y grupos.

Gestión de Usuarios

• Usuarios: Cada usuario en Windows tiene una sesión individual y una carpeta de inicio personal para sus documentos y configuraciones.

Instalación y Desinstalación de Software/Drivers

• Drivers Actualizados: Mantener los controladores (drivers) de hardware actualizados es crucial para evitar fallos de funcionamiento y asegurar la compatibilidad.
• Desinstalación: Aunque Windows ofrece un proceso de desinstalación, a menudo deja restos de archivos y entradas en el registro, lo que puede afectar el rendimiento a largo plazo.

Programador de Tareas

• Programador de Tareas: Permite automatizar la ejecución de programas o scripts en momentos específicos o cuando se cumplen ciertas condiciones.
• Desencadenadores: Son las condiciones que activan la ejecución automática de una tarea (ej. al inicio del sistema, a una hora programada, al iniciar sesión).

Directivas de Grupo (Group Policies)

Las Directivas de Grupo son reglas que controlan el comportamiento del sistema operativo, las aplicaciones y los usuarios en un entorno de red. Son una herramienta poderosa para la administración centralizada.

Utilidad:

• Permiten gestionar múltiples equipos de forma centralizada.
• Mejoran la seguridad al aplicar configuraciones de seguridad automáticamente.
• Evitan cambios no deseados por parte de los usuarios.

Tipos de Directivas:

• Directivas de Grupo (con Active Directory): Se aplican a equipos y usuarios en un dominio de red.
• Directivas de Seguridad Local: Se aplican únicamente al equipo donde se configuran.
• Directivas de Actualización: Controlan cómo y cuándo se aplican las actualizaciones del sistema.
• Directivas de Restricción de Software: Limitan la ejecución de aplicaciones específicas.

Ámbito de Aplicación:

• Locales: Afectan solo al equipo en el que están configuradas.
• De Dominio: Afectan a todos los equipos y usuarios dentro de un dominio de red con Active Directory.