Ingeniería de redes de computadoras - Enciclopedia

Ingeniería de redes informáticas es una disciplina tecnológica dentro de la ingeniería que se ocupa del diseño, implementación y gestión de redes informáticas. Estos sistemas contienen tanto componentes físicos, como routers, switches, cables, como algunos elementos lógicos, como protocolos y servicios de red. Los ingenieros en redes informáticas intentan asegurar que los datos se transmitan de manera eficiente, segura y confiable tanto en redes de área local (LAN) como en redes de área amplia (WAN), así como a través de Internet.

Las redes informáticas suelen desempeñar un papel importante en las industrias modernas, desde las telecomunicaciones hasta la computación en la nube, permitiendo procesos como el correo electrónico y el intercambio de archivos, así como servicios complejos en tiempo real como las videoconferencias y los juegos en línea.


Antecedentes
La evolución de la ingeniería de redes está marcada por hitos significativos que han impactado enormemente en los métodos de comunicación. Estos hitos resaltan especialmente los avances realizados en el desarrollo de protocolos de comunicación que son vitales para la red contemporánea. Esta disciplina se originó en la década de 1960 con proyectos como ARPANET, que inició importantes avances en la transmisión de datos confiables. El advenimiento de protocolos como TCP/IP revolucionó la red al permitir la interoperabilidad entre varios sistemas, lo que, a su vez, impulsó el rápido crecimiento de Internet. Los desarrollos clave incluyen la estandarización de protocolos y el cambio hacia arquitecturas de capas cada vez más complejas. Estos avances han cambiado profundamente la forma en que los dispositivos interactúan a través de redes globales.


Diseño de infraestructura de red
La base de la ingeniería de redes informáticas reside en el diseño de la infraestructura de red. Esto implica planificar tanto la disposición física de la red como su topología lógica para asegurar un flujo óptimo de datos, confiabilidad y escalabilidad.


= Infraestructura física =
La infraestructura física consta del hardware utilizado para transmitir datos, que se representa por la primera capa del modelo OSI.


Cableado
Los cables de cobre, como los cables de red de par trenzado, se utilizan comúnmente para conexiones a corta distancia, especialmente en redes de área local (LAN), mientras que los cables de fibra óptica son favoritos para la comunicación a larga distancia debido a sus capacidades de transmisión de alta velocidad y menor susceptibilidad a la interferencia. La fibra óptica juega un papel significativo en la infraestructura de red a gran escala, como las utilizadas en centros de datos y la infraestructura de proveedores de servicios de Internet (ISP).


Redes inalámbricas
Además de las conexiones cableadas, las redes inalámbricas se han convertido en un componente común de la infraestructura física. Estas redes facilitan la comunicación entre dispositivos sin necesidad de cables físicos, proporcionando flexibilidad y movilidad. Las tecnologías inalámbricas utilizan una variedad de métodos de transmisión, incluyendo ondas de radio (RF), señales infrarrojas y comunicación basada en láser, permitiendo a los dispositivos conectarse a la red.
La Wi-Fi basada en estándares IEEE 802.11 es la tecnología inalámbrica más utilizada en redes de área local y se basa en ondas de radio para transmitir datos entre dispositivos y puntos de acceso. Las redes inalámbricas operan en diversas bandas de frecuencia, incluyendo 2.4 GHz y 5 GHz, cada una ofreciendo rangos y tasas de datos únicos; la banda de 2.4 GHz proporciona cobertura más amplia, mientras que la banda de 5 GHz admite tasas de datos más rápidas con menor interferencia, lo que es ideal para entornos densamente poblados. Además de Wi-Fi, otras técnicas de transmisión inalámbrica, como la comunicación infrarroja y basada en láser, se utilizan en contextos específicos, como enlaces de corto alcance, línea de visión o comunicación punto a punto segura.
En redes móviles, tecnologías celulares como 3G, 4G y 5G permiten la conectividad inalámbrica de área amplia. 3G introdujo tasas de datos más rápidas para el navegación móvil, mientras que 4G mejoró significativamente la velocidad y la capacidad, apoyando aplicaciones avanzadas como el streaming de video. La última evolución, 5G, opera en una variedad de frecuencias, incluyendo bandas de ondas milimétricas, y proporciona tasas de datos altas, baja latencia y soporte para una mayor conectividad de dispositivos, útil para aplicaciones como el Internet de las cosas (IoT) y los sistemas autónomos. Juntos, estos tecnologías inalámbricas permiten a las redes satisfacer una variedad de necesidades de conectividad en áreas locales y amplias.


Dispositivos de red
Los routers y switches ayudan a dirigir el tráfico de datos y asisten en la mantenimiento de la seguridad de la red; los ingenieros de red configuran estos dispositivos para optimizar el flujo de tráfico y evitar la congestión de la red. En redes inalámbricas, los puntos de acceso inalámbricos (WAP) permiten a los dispositivos conectarse a la red. Para expandir el alcance, se pueden colocar múltiples puntos de acceso para crear una infraestructura inalámbrica. Además de Wi-Fi, los componentes de redes móviles como las estaciones base y los repetidores apoyan la conectividad en redes de área amplia, mientras que los controladores de red y los cortafuegos gestionan el tráfico y aplican políticas de seguridad. Juntos, estos dispositivos permiten una arquitectura de red segura, flexible y escalable adecuada para cobertura local y amplia.


= Topología lógica =

Además de la infraestructura física, una red debe estar organizada lógicamente, lo que define cómo se rutea los datos entre dispositivos. Se utilizan diversas topologías, como estrella, malla y diseños jerárquicos, dependiendo de los requisitos de la red. Por ejemplo, en una topología en estrella, todos los dispositivos están conectados a un hub central que dirige el tráfico. Esta configuración es relativamente fácil de gestionar y depurar, pero puede crear un punto de fallo único. Por el contrario, una topología en malla, donde cada dispositivo está interconectado con varios otros, ofrece alta redundancia y confiabilidad, pero requiere un diseño más complejo y una mayor inversión en hardware. Las redes grandes, especialmente las de las empresas, suelen utilizar un modelo jerárquico, dividiendo la red en capas de núcleo, distribución y acceso para mejorar la escalabilidad y el rendimiento.


Protocolos de red y estándares de comunicación

Los protocolos de comunicación dictan cómo se transmite, rutea y entrega los datos en una red. Dependiendo de los objetivos de la red específica, se seleccionan protocolos para asegurar que la red funcione de manera eficiente y segura.
La suite de protocolos Transmission Control Protocol/Internet Protocol (TCP/IP) es fundamental para las redes informáticas modernas, incluyendo Internet. Define cómo se dividen los datos en paquetes, se dirigen y reasaman. El Protocolo de Internet (IP) es crucial para la routed de paquetes entre diferentes redes.
Además de los protocolos tradicionales, protocolos avanzados como Multiprotocol Label Switching (MPLS) y Segment Routing (SR) mejoran la gestión del tráfico y la eficiencia de enrutamiento. Para el enrutamiento intradominio, protocolos como Open Shortest Path First (OSPF) y Enhanced Interior Gateway Routing Protocol (EIGRP) proporcionan capacidades de enrutamiento dinámico.
A nivel de red de área local (LAN), protocolos como Virtual Extensible LAN (VXLAN) y Network Virtualization using Generic Routing Encapsulation (NVGRE) facilitan la creación de redes virtuales. Además, Internet Protocol Security (IPsec) y Transport Layer Security (TLS) aseguran los canales de comunicación, garantizando la integridad y confidencialidad de los datos transmitidos. Para aplicaciones en tiempo real, protocolos como Real-time Transport Protocol (RTP) y WebRTC proporcionan comunicación de baja latencia, lo que los hace adecuados para videoconferencias y servicios de streaming. Además, protocolos como QUIC mejoran el rendimiento y la seguridad web al establecer conexiones seguras con baja latencia.


Seguridad de red

A medida que las redes se han convertido en esenciales para las operaciones comerciales y la comunicación personal, ha aumentado la demanda de medidas de seguridad robustas. La seguridad de red es un componente crucial de la ingeniería de redes informáticas, que se centra en la protección de redes contra el acceso no autorizado, las violaciones de datos y diversas amenazas cibernéticas. Los ingenieros son responsables de diseñar e implementar medidas de seguridad que aseguren la integridad y confidencialidad de los datos transmitidos a través de redes.
Los cortafuegos sirven como barreras entre redes internas confiables y entornos externos, como Internet. Los ingenieros de red configuran los cortafuegos, incluyendo los cortafuegos de próxima generación (NGFW), que incorporan características avanzadas como la inspección profunda de paquetes y el conocimiento de aplicaciones, lo que permite un control más refinado del tráfico de red y la protección contra ataques sofisticados.
Además de los cortafuegos, los ingenieros utilizan protocolos de cifrado como Internet Protocol Security (IPsec) y Transport Layer Security (TLS) para asegurar los datos en tránsito. Estos protocolos proporcionan un medio para proteger información sensible de interceptación y manipulación.
Para el acceso remoto seguro, se implementan redes privadas virtuales (VPN), que utilizan tecnologías para crear túneles cifrados para la transmisión de datos sobre redes públicas. Estas VPN se utilizan a menudo para mantener la seguridad cuando los usuarios remotos acceden a redes corporativas, pero también se utilizan en otros entornos.
Para mejorar la detección y respuesta a amenazas, los ingenieros implementan Sistemas de Detección de Intrusos (IDS) y Sistemas de Prevención de Intrusos (IPS). Además, pueden emplear soluciones de Gestión de Información y Eventos de Seguridad (SIEM) que aglutinan y analizan datos de seguridad a través de la red. Las soluciones de Detección y Respuesta a Amenazas en el Nivel del Punto Final (EDR) también se utilizan para monitorear y responder a amenazas en el nivel de los dispositivos, contribuyendo a una postura de seguridad más integral.
Además, se utilizan técnicas de segmentación de red, como VLANs y subredes, para aislar datos y sistemas sensibles dentro de una red. Esta práctica limita el impacto potencial de las violaciones y mejora la seguridad general al controlar el acceso a recursos críticos.


Rendimiento de red y optimización

A medida que las redes se vuelven más complejas y escalables, impulsadas por aplicaciones intensivas en datos como la computación en la nube, el streaming de alta definición y los sistemas distribuidos, la optimización del rendimiento se ha convertido en una responsabilidad crítica de los ingenieros de red. Las herramientas de rendimiento de red y optimización buscan la escalabilidad, la resiliencia y el uso eficiente de recursos con el impacto mínimo en el rendimiento, si es posible.


= Calidad de servicio (QoS) =
Las arquitecturas de red modernas requieren más que políticas básicas de Calidad de Servicio (QoS). Técnicas avanzadas como el encadenamiento de funciones de servicio (SFC) permiten a los ingenieros crear flujos de servicio dinámicos, aplicando políticas de QoS específicas en varios puntos del camino del tráfico. Además, la división de redes, ampliamente utilizada en redes 5G, permite la asignación de recursos personalizada para diferentes tipos de servicios, ayudando a los servicios de alta banda ancha o baja latencia cuando es necesario.


= Equilibrado inteligente de carga y ingeniería de tráfico =
Además del equilibrio de carga tradicional, técnicas como la red de networking basada en intenciones (IBN) y la optimización de tráfico impulsada por IA ahora se implementan para predecir y ajustar la distribución del tráfico basándose en patrones de uso, fallos de red o rendimiento de infraestructura. En infraestructuras de nube híbrida, el Software-Defined WAN (SD-WAN) optimiza la conectividad entre entornos locales y en la nube, gestionando dinámicamente las rutas y la asignación de ancho de banda. Las políticas como el interconectador de centros de datos (DCI) aseguran conexiones de alta performance entre centros de datos geográficamente distribuidos.


= Monitoreo proactivo de la red y la resolución anticipada de problemas =
Las herramientas de monitoreo de red tradicionales se complementan con soluciones de streaming de telemetría y análisis en tiempo real. Los sistemas de red basados en intenciones (IBNS) ayudan a identificar automáticamente desviaciones en el rendimiento de los servicios establecidos, mientras que las técnicas de mantenimiento preventivo, impulsadas por la IA, permiten a los ingenieros detectar fallos de hardware o congestión de tráfico antes de que afecten a los usuarios. Las redes auto-sanables, utilizando red definida por software (SDN), pueden realizar ajustes automáticos para restaurar el rendimiento sin siempre requerir intervención manual.


= Virtualización de funciones de red (NFV) y cómputo en la orilla =
Con el advenimiento de la virtualización de funciones de red (NFV), los ingenieros pueden virtualizar funciones de red, como enrutamiento, cortafuegos y equilibrio de carga. Además, el cómputo en la orilla lleva el procesamiento y el almacenamiento más cerca de los usuarios finales, lo que es relevante para aplicaciones que requieren baja latencia, como el IoT y el análisis en tiempo real.


= Protocolos de multipath y optimización a nivel de aplicación =
Los protocolos de transporte de multipath, como Multipath TCP (MPTCP), optimizan el uso simultáneo de múltiples rutas, mejorando la alta disponibilidad y la distribución de la carga de red. Esto puede ser útil en redes que soportan conexiones redundantes o donde se debe minimizar la latencia. Al mismo tiempo, las optimizaciones a nivel de aplicación se centran en afinar el tráfico a nivel de software para mejorar el flujo de datos a través de sistemas distribuidos, reduciendo el overhead y mejorando el rendimiento.


Ingeniería de computación en la nube

El advenimiento de la computación en la nube ha introducido nuevos paradigmas para la ingeniería de redes, centrados en el diseño y la optimización de infraestructuras virtualizadas. Los ingenieros de red pueden gestionar la integración de sistemas locales con servicios en la nube con el objetivo de mejorar la escalabilidad, la confiabilidad y la seguridad.


= Arquitectura de red en la nube =
La arquitectura de red en la nube requiere el diseño de redes virtualizadas que puedan escalar para satisfacer la variabilidad de la demanda. Los modelos de nube privada (VPC) y nube híbrida permiten a las organizaciones extender sus redes internas a entornos en la nube, equilibran recursos locales con servicios en la nube pública. Las soluciones de interconexión de nube, como conexiones dedicadas, minimizan la latencia y optimizan la transferencia de datos entre infraestructuras locales y en la nube.


= Redefinición de red (SDN) =
La red redefine la red es central para la red en la nube, permitiendo un control centralizado de las configuraciones de red. La red redefine, combinada con NFV, permite la gestión de recursos de red a través de software, automatizando tareas como el equilibrio de carga, el enrutamiento y el cortafuegos. Las redes de superposición se utilizan comúnmente para crear redes virtuales en infraestructura física compartida, apoyando entornos de múltiples inquilinos con mayor seguridad e aislamiento.


= Seguridad de red en la nube =
La seguridad en la nube implica la protección de datos que traversan múltiples entornos. Los ingenieros implementan cifrado, Gestión de Identidad y Acceso (IAM) y arquitecturas de confianza cero para proteger las redes en la nube. Los cortafuegos, los sistemas de detección de intrusos y las soluciones de seguridad nativas en la nube monitorean y protegen estos entornos. La segmentación micro se utiliza para aislar los trabajos y minimizar la superficie de ataque, mientras que las VPN y los túneles IPsec aseguran la comunicación entre redes en la nube y locales.


= Optimización del rendimiento =
La optimización del rendimiento en la nube es relevante para aplicaciones que requieren baja latencia y alta capacidad de transmisión. Los ingenieros despliegan redes de entrega de contenido para reducir la latencia y configuran conexiones dedicadas, y las políticas de ingeniería de tráfico aseguran el enrutamiento óptimo entre regiones en la nube.


= Herramientas y protocolos =
La red en la nube depende de protocolos como VXLAN y Generic Routing Encapsulation (GRE) para facilitar la comunicación a través de entornos virtualizados. Las herramientas de automatización permiten prácticas de Código Infraestructura como Código (IaC), permitiendo una implementación más escalable y consistente de configuraciones de red en la nube.


Tendencias emergentes
La ingeniería de redes está evolucionando rápidamente, impulsada por los avances tecnológicos y nuevas demandas de conectividad. Una tendencia es la integración de inteligencia artificial (IA) y aprendizaje automático (ML) en la gestión de redes. Las herramientas impulsadas por IA se utilizan cada vez más para la automatización de redes y la optimización, análisis predictivos y detección inteligente de fallos. El papel de la IA en la ciberseguridad también está expandiéndose, donde se utiliza para identificar y mitigar amenazas analizando patrones de comportamiento de red.
El desarrollo de redes cuánticas ofrece el potencial de comunicaciones altamente seguras a través de la criptografía cuántica y la distribución de claves cuánticas (QKD). Las redes cuánticas están aún en fase