6.2 Arquitecturas de comunicación
En topología de redes de comunicación hay dos conceptos clave. El primero es el concepto de nodo; el segundo es el concepto de conexión. Un nodo representa un punto de acceso a la red de comunicación. Típicamente, un nodo se puede asociar con un dispositivo. Sin embargo, hay dispositivos complejos que pueden requerir múltiples puntos de acceso a la red. En este caso el dispositivo está asociado con múltiples nodos. Una conexión modela la interacción entre nodos. El resultado de la conexión de múltiples nodos es un grafo que representa la topología de la red de comunicación.
Un concepto muy importante que te servirá para comprender mejor todas las topologías de red es el concepto de maestro y esclavo. Un nodo maestro es capaz de manejar la comunicación en una red. Todos los nodos que reciben pasivamente las instrucciones de un nodo maestro se identifican como nodos esclavos porque siguen las instrucciones del nodo maestro. En una red se pueden tener varios nodos maestros y esclavos. En las redes más complejas los nodos pueden cambiar papel pasando a ser de escavo a maestro y al revés.
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La topología de bus lineal tiene como elemento central un cable único al cual se conectan todos los nodos, como se muestra en la figura 2. Nota que todos los nodos están conectados a una línea común (el bus lineal). Esta topología hace extremadamente sencillo agregar otros subscriptores. Si uno de los nodos falla, la información que se espera de este nodo ya no estará disponible para los demás nodos de la red. Pero los nodos restantes pueden continuar el intercambio de información. Sin embargo, una red con esta topología falla completamente si la línea principal está defectuosa, puede ser por un cable roto.
Figura 2.Topologías fundamentales de redes de comunicación
Topología de bus lineal
Fuente: Bosch, R. (2013). Bosch Automotive Electrics and Automotive Electronics. Systems and Components, Networking and Hybrid Drive (5ª ed.). Germany: Springer.
La topología de estrella consiste de un nodo principal, conocido como hub o repetidor, al cual se conectan todos los demás nodos. Gracias a la sencillez de esta topología es muy fácil extender su capacidad, si existen conexiones disponibles. Como se mencionó anteriormente, existe un nodo central, en esta red todos los nodos se conectan a éste. Lo que significa que el rendimiento de este tipo de red está directamente ligado a la capacidad de esta computadora central. De igual forma, si el nodo central cae, la red queda deshabilitada.
Figura 3. Topologías fundamentales de redes de comunicación
Topología de estrella
Fuente: Bosch, R. (2013). Bosch Automotive Electrics and Automotive Electronics. Systems and Components, Networking and Hybrid Drive (5ª ed.). Germany: Springer.
En el área automotriz este tipo de estructura está bajo discusión para sistemas de seguridad como los frenos.
La forma en que se está abordando el problema es hacer un sistema redundante, es decir, se tienen varios nodos centrales conectados en paralelo.
En la topología de anillo cada nodo está conectado con sus dos vecinos, esto crea un anillo cerrado. La forma en que funciona es que un nodo transmite información a uno de los vecinos; en caso de que la información no sea para este dispositivo, la información es repetida al siguiente y así sucesivamente hasta llegar a su destino final. En esta topología si un dispositivo falla, aún queda una vía para comunicar todos los demás dispositivos, en caso de fallos múltiples la comunicación se interrumpe por completo.
Figura 4. Topologías fundamentales de redes de comunicación
Topología de anillo
Fuente: Bosch, R. (2013). Bosch Automotive Electrics and Automotive Electronics. Systems and Components, Networking and Hybrid Drive (5ª ed.). Germany: Springer.
En una topología de malla cada nodo está conectado a uno o más nodos. En el caso de una malla completa todos los dispositivos están conectados con todos. En esta red, si un nodo o conexión falla, es posible mandar la información por una ruta alterna. Por esta razón esta topología tiene un alto grado de estabilidad. Sin embargo, el costo de implementación y de transmisión de un mensaje es bastante alto.
Figura 5. Topologías fundamentales de redes de comunicación
Topología de malla
Fuente: Bosch, R. (2013). Bosch Automotive Electrics and Automotive Electronics. Systems and Components, Networking and Hybrid Dryive (5ª ed.). Germany: Springer.
La representación de la topología física describe como cada nodo está interconectado por los medios de comunicación (cables, fibras, entre otras). La representación de la topología lógica describe como cada nodo está relacionado lógicamente con los demás nodos de la red. Por ejemplo, una red de computadoras puede estar conectada con un topología física tipo estrella, mientras que la conexión lógica de las mismas computadoras presenta una topología lógica tipo malla.
Cuando muchos dispositivos comparten el medio de comunicación, se hace necesario un mecanismo para asegurar que el mensaje que un dispositivo envía llegue a su destino sin alteraciones. Hay dos mecanismos que se implementan para tal propósito:
1. El direccionamiento es un mecanismo de control que se implementa enviando informaciones de control junto con la información de interés (denominada también payload). Parte de esta información de control es la dirección del nodo destino. El direccionamiento es de suma importancia ya que asegura la entrega del mensaje.
Existen diferentes formas de direccionamiento:
- Por subscripción
- Por mensaje
- Por transmisión
- Con el método de direccionamiento por subscripción la información se intercambia con base en la dirección de los nodos. El mensaje enviado por el transmisor contiene la información que se desea transmitir, además de la dirección del nodo destino. Todos los nodos receptores comparan su dirección con la dirección de envío, y sólo el receptor con la dirección correcta evalúa el mensaje. La mayoría de los sistemas convencionales de comunicación operan bajo este principio.
- El método de direccionamiento por mensaje consiste en el direccionamiento del mensaje en lugar del nodo. Dependiendo del contenido del mensaje se le asigna un identificador que ha sido predefinido para ese tipo de mensaje. En este enfoque el dispositivo transmisor no necesita saber nada sobre el destino del mensaje, ya que cada nodo de manera individual decide si procesar o no el mensaje.
- Las características de una transmisión también pueden utilizarse para identificar un mensaje. Esto es el principio de funcionamiento del método de direccionamiento por transmisión. Si un mensaje es siempre transmitido en una determinada ventana de tiempo, puede ser identificado en base a su posición. Normalmente este método se combina con alguno de los dos anteriores.
2. El método de acceso al medio se enfoca en establecer las reglas para que dos nodos no envíen al mismo tiempo información en el medio, ya que esta situación generaría la alteración de la misma información.
Existen dos categorías de métodos de acceso al medio:
Métodos determinísticos: en estos casos el acceso al medio está determinado por ciertas características de tiempo dependientes de la red, por lo que sólo un nodo puede transmitir a la vez.
Métodos casuales: en estos casos cualquier nodo puede intentar transmitir si el medio parece estar libre.
En el primer método los derechos de acceso al medio son determinados antes de intentar la comunicación. Por ello se puede asegurar que sólo un subscriptor está usando el medio. Las colisiones de mensajes se evitarán si todos los subscriptores usan este método.
En el método casual todos los nodos pueden intentar simultáneamente utilizar el bus en cuanto parezca estar libre. La sincronización del acceso al bus es, por lo tanto, al azar. Existe un riesgo de colisión de mensajes utilizando este método. Esto se resuelve repitiendo las transmisiones al detectar que una colisión se ha generado.
