55. Probabilidad aplicada a redes de computadoras

Las redes transportan datos mediante eventos inciertos: paquetes que llegan o se pierden, demoras que varían, enlaces que fallan y rutas que cambian. La probabilidad permite medir estos fenómenos y diseñar sistemas más confiables.

55.1 Red como sistema aleatorio

Una red puede modelarse como nodos, enlaces y protocolos. En cada transmisión intervienen variables como congestión, ruido, capacidad y tiempo de servicio.

PaqueteUnidad de datos transportada.
EnlaceConexión con capacidad y estado.
LatenciaTiempo hasta recibir el paquete.
PérdidaPaquete que no llega correctamente.

55.2 Probabilidad de entrega

Si cada paquete tiene probabilidad p de llegar correctamente, el indicador de entrega I vale 1 cuando llega y 0 cuando se pierde:

E(I)=P(entrega)=p

La tasa de pérdida es 1−p. En la práctica, p puede depender del tamaño del paquete, la señal, la ruta y el nivel de congestión.

55.3 Varias transmisiones

Si se envían n paquetes independientes y cada uno llega con probabilidad p, el número de entregas X sigue una binomial:

X∼Binomial(n,p)
E(X)=np   ·   Var(X)=np(1−p)

La independencia es una aproximación: una congestión temporal puede provocar pérdidas agrupadas y romperla.

55.4 Reenvíos y confiabilidad

Si un paquete puede intentarse hasta k veces y cada intento es independiente con probabilidad de pérdida q, la probabilidad de que todos fallen es qk. Por tanto:

P(entrega con hasta k intentos)=1−qk

Los reenvíos mejoran la confiabilidad, pero aumentan tráfico, latencia y consumo. El diseño debe equilibrar esos efectos.

55.5 Latencia aleatoria

El tiempo de entrega de un paquete es una variable aleatoria. Conviene estudiar media, mediana, percentiles y cola superior, no solo el promedio.

latencia total=propagación+transmisión+espera+procesamiento

Una red puede tener media baja y aun así presentar demoras extremas que afecten aplicaciones interactivas.

55.6 Capacidad y congestión

Cuando llegan paquetes más rápido de lo que un enlace puede procesarlos, se forma una cola. La probabilidad de espera y pérdida crece con la utilización.

Los modelos de colas relacionan tasa de llegada, tasa de servicio, capacidad de almacenamiento y disciplina de atención.

55.7 Rutas y confiabilidad de una red

Si una conexión necesita que todos los enlaces de una ruta funcionen y son independientes, la confiabilidad de la ruta es el producto de sus confiabilidades:

P(ruta activa)=p1p2···pk

Una red con rutas alternativas puede ser más confiable, pero hay que evitar contar dos veces eventos que no sean independientes.

55.8 Protocolos y confirmaciones

Un protocolo puede usar confirmaciones, números de secuencia y temporizadores para detectar pérdidas. Estos mecanismos convierten un canal imperfecto en un servicio más confiable.

La probabilidad de error residual depende del número de reintentos, de la detección y de la posibilidad de que una confirmación también se pierda.

55.9 Redes de computadoras en JavaScript

Este código simula transmisiones independientes y calcula la tasa de entrega:

function tasaEntrega(ensayos, probabilidad) {
  let entregados = 0;
  for (let i = 0; i < ensayos; i++) {
    if (Math.random() < probabilidad) entregados++;
  }
  return entregados / ensayos;
}

console.log(tasaEntrega(10000, 0.95));

Pulsa Ejecutar para estimar una tasa de entrega de 95%.

55.10 Laboratorio de transmisión

Compara la entrega directa con una estrategia que permite reintentos. El gráfico muestra la probabilidad acumulada de que un paquete haya sido entregado.

Paquetes y reintentos

Confiabilidad de transmisiónComparación entre entrega directa y con reintentos.

55.11 Pérdidas independientes y agrupadas

Un modelo Bernoulli supone que cada pérdida ocurre sin relación con las anteriores. En una red real, un fallo de enlace o una ráfaga de congestión puede generar pérdidas consecutivas.

Para distinguir ambos casos se estudian rachas, autocorrelación y distribución de intervalos entre pérdidas.

55.12 Seguridad y disponibilidad

La disponibilidad de un servicio puede modelarse como la probabilidad de que esté operativo en un instante o durante un intervalo. Ataques, fallos y mantenimiento introducen eventos que no siempre son independientes.

Las métricas probabilísticas ayudan a definir objetivos de nivel de servicio, aunque no sustituyen las medidas de seguridad.

55.13 Tráfico y calidad de servicio

Aplicaciones diferentes tienen requisitos distintos. Una videollamada necesita baja latencia y poca variación; una descarga puede tolerar espera, pero necesita integridad y rendimiento.

calidad observada=entrega+latencia+variación+ancho de banda

55.14 Aplicaciones

La probabilidad se aplica en dimensionamiento de enlaces, protocolos de reenvío, redes inalámbricas, centros de datos, sistemas distribuidos, tolerancia a fallos, balanceo de carga y análisis de rendimiento.

55.15 Errores frecuentes

  • Suponer independencia cuando existe congestión por ráfagas.
  • Multiplicar probabilidades de enlaces que comparten una causa de fallo.
  • Medir solo la latencia promedio e ignorar percentiles.
  • Creer que un reintento mejora todo sin costo adicional.
  • Confundir tasa de entrega con disponibilidad del servicio.
  • Concluir sobre una red completa a partir de una única ruta o medición.

55.16 Qué debes recordar y conclusión

X∼Binomial(n,p) para entregas independientes
P(éxito con k intentos)=1−(1−p)k
P(ruta)=producto de enlaces si son independientes

Las redes son sistemas probabilísticos: paquetes, demoras y fallos varían continuamente. Modelarlos permite estimar confiabilidad y rendimiento, comparar estrategias y diseñar protocolos con garantías realistas.

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