Protocolos de Audio en Red

 

Los protocolos de audio en red han ido evolucionando para automatizar en la medida de lo posible la gestión de sus comunicaciones dentro de la red de datos, por lo que no es necesario un conocimiento profundo de estas redes. Sin embargo, es necesario conocer los puntos críticos de la red y su funcionamiento, especialmente para la detección de errores.

REDES DE COMPUTADORES Y TOPOLOGÍAS

Las redes de computadores son capaces de transmitir un enorme volumen de datos a gran velocidad y tienen una alta capacidad de monitorización y gestión remota. La interconexión de estos equipos puede realizarse de muchas maneras, existiendo diversos equipos y protocolos encargados únicamente del direccionamiento de la información: hubs, switches o routers.

Algunos ejemplos de topologías de red son:

• Bus: en la que todos los equipos se conectan mediante un único enlace.

• Anillo: conformada por uno o más buses cerrados. Pueden implementarse varios anillos en una misma red para aportar redundancia.

• Estrella: conformada por un nodo central y varios equipos que se conectan y se comunican a través de él. Igual que en la estructura en anillo, puede resultar interesante instalar un segundo nodo central redundante para robustecer la red.

• Malla: donde cada nodo puede conectar con uno o más equipos. Puede ser parcial o completa.

• Árbol: conformada por una serie descendente de topologías tipo estrella.

Ejemplos de Topología de Red

Estas topologías pueden ser utilizadas en redes de pequeño tamaño (Local Area Networks o LAN), áreas metropolitanas (Metropolitan Area Network o MAN) o redes de área extensa (Wide Area Network o WAN).

EL MODELO OSI

La comunicación en una red de computadores se realiza a varios niveles. Cada nivel tendrá una función específica: gestionar la sincronía del reloj de referencia, señalizar o corregir la pérdida de paquetes de datos o establecer medidas de seguridad para un usuario. La jerarquía de estos niveles viene dada por el modelo OSI (Open System Interconnection) de comunicaciones. Este modelo teórico se ha implementado de varias formas a lo largo de los años. La más conocida y utilizada es el modelo TCP/IP o modelo internet.

Comparación del modelo OSI con TCP/IP

Los protocolos de audio networking implementan los niveles de Aplicación y Transporte de la torre TCP/IP. El funcionamiento de estos protocolos será estudiado en detalle más adelante. A continuación, pasaremos a definir los protocolos en los que se basan: Ethernet e IP.

PROTOCOLO ETHERNET

El protocolo Ethernet cubre las funcionalidades de Enlace Físico y Enlace de Datos del modelo OSI. Esto quiere decir que se encarga de gestionar desde el tratamiento de la señal física que se transmite al medio (generalmente mediante un cable de par trenzado), así como un primer empaquetado de los datos recibidos de niveles superiores. Este protocolo queda definido en la normativa IEEE 802.3 y sus versiones posteriores.

Estructura de Red Ethernet, Switch y Cable RJ-45 (Par trenzado típico de estas redes.

Ethernet se encarga de agrupar los datos para su envio conformando una trama, a la que dota de una serie de datos añadidos llamada cabecera para su direccionamiento y gestión de errores. Esta dinámica es seguida por los diversos protocolos de la torre TCP/IP. La estructura de la trama es:

Esquema de la trama Ethernet

DIRECCIONAMIENTO MAC

El protocolo Ethernet se utiliza principalmente en redes con una topología de estrella. Esto hace necesario el uso de un nodo central que gestione todas las comunicaciones de la red. En Ethernet, este dispositivo puede ser de dos tipos: Repetidor o Concentrador (Hub) y Puente (Switch).

• El primero se encarga únicamente de servir como enlace físico entre los terminales, repitiendo un mensaje en un puerto para todas las salidas.
• El segundo (de mayoritario uso en redes actuales) es capaz de detectar las direcciones MAC de cada terminal de la red y conmutar una trama de entrada únicamente en el puerto asociado a la dirección MAC destino de la trama.

Las redes centralizadas en Hubs pueden presentar problemas de colisiones si varios terminales quieren conectarse con un mismo equipo a la vez. Este problema se combate con el uso de protocolos como CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect), que se encarga de detectar cuando la línea de trasmisión está disponible y de repetir el mensaje si se ha producido una colisión.

Como se ha mencionado en el apartado anterior, una dirección MAC es un identificador con un tamaño de 6 octetos con el formato AA-AA-AA-AA-AA-AA (siendo cada octeto un número hexadecimal). Esta dirección viene asociada directamente al hardware, por lo que cada equipo tendrá una sola dirección MAC.

Cada switch presente en la red tiene una tabla interna que asocia a cada uno de sus puertos la dirección MAC del dispositivo que se conecta. Cuando un equipo se conecta y envía su primer mensaje, el switch analiza las direcciones origen y destino. La dirección origen se asocia al puerto en el que está conectado el equipo nuevo, si la dirección destino existe en la tabla, el mensaje se envía al puerto correspondiente. En caso contrario, el mensaje se reproduce en todos los puertos.

TRANSPORTE DE SEÑAL EN REDES ETHERNET

El protocolo Ethernet recoge las especificaciones de la implementación del Nivel Físico del modelo OSI. Por ello, existen normativas referentes a las características de los cables utilizados, ya sean Coaxiales (no utilizados en redes modernas), de Par Trenzado Estructurado o Fibra Óptica.

La tecnología de Fibra Óptica se basa en la utilización de cables de fibra de vidrio o materiales plásticos que transporta la información mediante pulsos de luz. Esto permite olvidarse de problemas con interferencias electromagnéticas, permitiendo aumentar la distancia máxima del cable sin perder calidad en la señal. Existen dos tipos principales de Fibra:

• Monomodo (cables de pequeño diámetro por el que un solo haz de luz viaja de forma directa).
• Multimodo (de mayor diámetro, lo que hace que la luz viaje tanto de forma directa como reflejándose en las paredes del cable).

El cable más ampliamente utilizado en redes de datos es el cable Estructurado. Estos cables contienen varios pares trenzados que permiten una comunicación simultánea entre dos terminales, lo que se conoce como comunicación Dúplex. La clasificación de los cables en Categorías se refiere principalmente a la velocidad de transmisión que admite cada cable:

Categorías de cable estructurado.

Los protocolos de Audio Networking manejan una cantidad considerable de datos y necesitan una latencia mínima, por lo que es necesario utilizar conexiones con pares de al menos Categoría 5e.

ESTÁNDARES ETHERNET

Existen diversas versiones de Ethernet, que han ido evolucionando con el tiempo. Cada estándar lleva una nomenclatura asociada según su velocidad en megabits por segundo, el tipo de modulación que utiliza (Banda Base o Banda Ancha) y el medio de transporte físico que utiliza (Par Trenzado, Coaxial o Fibra Óptica).

Así, el estándar Gigabit Ethernet sobre cable estructurado tiene una nomenclatura 1000BASE-T, lo cual quiere decir que tiene una velocidad de 1000 Mbps, modulación en Banda Base y se transmite por un cable de Par Trenzado.

La siguiente tabla recoge los estándares más significativos:

Estándares Ethernet

Los protocolos de audio utilizan en su mayoría el estándar Gigabit Ethernet sobre par trenzado, aunque en algunos casos se recurre a la fibra óptica, sobre todo en grandes instalaciones para directo.

PROTOCOLO IP

Internet Protocol (IP) implementa el nivel de Red del modelo OSI en la torre TCP/IP. Actualmente conviven dos versiones de este protocolo: IPv4 e IPv6, pero dado su uso mayoritario, en este estudio nos centraremos en IPv4.

El datagrama IP encapsula los datos recibidos del nivel superior (TCP o UDP en la mayoría de casos), aportando, al igual que Ethernet, datos para direccionamiento y detección de errores. IP añade funcionalidades como la fragmentación de la información. Este protocolo entra dentro de la categoría de no orientados a conexión; esto quiere decir que la función de IP será enviar los paquetes por la ruta más accesible, pero no garantiza que vayan a alcanzar su destino.

DIRECCIONAMIENTO IP

El direccionamiento en redes IP se realiza mediante Routers. Estos sistemas son similares a los Switches, utilizados por el protocolo Ethernet. El router analiza la trama Ethernet, extrae y analiza el datagrama correspondiente. El direccionamiento IP se realiza mediante direcciones con el formato X.X.X.X teniendo cada número un valor comprendido entre 0 y 255 (es decir, cada número representa un byte de la dirección IP).

IP permite la creación de subredes para mejorar la eficiencia en la comunicación. Los equipos deben encontrarse en la misma subred para poder comunicarse. Estas subredes se dividen mediante una máscara de red. La máscara divide la dirección en dos partes: una primera parte define la red, y una segunda parte define al equipo. La máscara no es más que el número de bits de la dirección IP que pertenecen a cada división.

El formato de una dirección completa con su máscara de subred es X.X.X.X/M, siendo M la máscara: un número comprendido entre 1 y 31 que define la cantidad de bits de la dirección que conforman la dirección de red. Otro formato para dar la máscara de red es dando los valores decimales en función del número de bits que forman parte de la dirección de red. Es decir, si tenemos una máscara de 24 bits, el número correspondiente sería:

Una subred queda definida por una dirección de red, que es aquella en la que la parte correspondiente al identificador del equipo se encuentra totalmente a cero. Por ejemplo:

La dirección IP 192.168.1.0/24 corresponde a la dirección de red, ya que los 8 últimos bits, correspondientes a la dirección de terminal (los otros 24 conforman la máscara) están a cero. La primera dirección que se podría asignar a esta subred seria la 192.168.1.1/24.

PROTOCOLO ARP

Para poder gestionar la comunicación con todos los equipos de la red, cada terminal existente en ella elabora una Tabla ARP (Address Resolution Protocol), que recoge las correspondencias entre las direcciones IP y las direcciones MAC de cada equipo.

Cuando un equipo quiere comunicarse por primera vez con otro del que solo conoce su IP, envía mensajes con dirección MAC broadcast (dirigidos a todos los equipos) y el equipo con la IP contesta a la petición. Puede realizarse el proceso contrario mediante el protocolo RARP (Reverse Address Resolution Protocol), que permite solicitar la IP de un equipo del que se conozca la dirección MAC.



Esquema de funcionamiento de ARP (el equipo intenta comunicarse con el equipo 4)

Diego Sánchez de León Cenjor