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TEMA – 1. INFORMACIÓN Y SU COMUNICACIÓN 1. CONCEPTO DE LA TRANSMISIÓN DE LA INFORMACIÓN. CONCEPTO DE TRANSMISIÓN La transmisión es el proceso por el que se transportan señales de un lugar a otro. Las señales son entidades de naturaleza diversa que se manifiestan como magnitudes físicas, principalmente electromagnéticas y mecánicas: luminosas, eléctricas, magnéticas, acústicas, etc. Los parámetros de cualquier transmisión son siempre magnitudes físicas: tensión, intensidad de corriente, presión, frecuencia, amplitud, etc. Concluiremos con que la transmisión se ocupa de lo que en el transporte de datos o información corresponde al nivel más bajo. Por ejemplo, en la comunicación telefónica de voz intervienen distintos tipos de señal: la voz genera una onda de presión de naturaleza mecánica, esta señal debe ser convertida en impulsos eléctricos de unas características determinadas a través de un micrófono. La señal eléctrica es transportada (transmitida) a través de unas líneas de transmisión que proporcionan las compañías telefónicas. Una vez que la señal eléctrica ha alcanzado su destino, se convierte de nuevo en una onda de presión semejante a la original mediante el auricular del teléfono receptor. CONCEPTO DE COMUNICACIÓN En todo proceso de comunicación hay necesariamente transmisión de señales, pero el viceversa no es cierto: no siempre que existe transmisión de señales se opera una comunicación. Pongamos como ejemplo la radiación estelar que constantemente llega a la Tierra. Las señales luminosas que nos llegan de las estrellas se transmiten a través del espacio interestelar y sin embargo, no nos sentimos en absoluto participantes en comunicación alguna. Por tanto, podemos concretar la comunicación como el proceso por el que se transporta información, sabiendo que esta información viaja sobre una señal que se transmite. Formalmente, la comunicación se define como la transmisión de señales mediante un código común al emisor y al receptor. En general, cuando se utiliza el prefijo “tele” para modificar la semántica de un término, se pretende indicar el matiz de proceso remoto, es decir, en el que se produce un fenómeno de transporte. La transmisión se refiere al transporte de las señales físicas necesarias para que se produzca un fenómeno telemático, mientras que la comunicación se refiere más bien al transporte de la información, de los datos que significan algo concreto tanto en el emisor como en el receptor, independientemente de las señales utilizadas para su transmisión. Podemos afirmar, por tanto, que la señal es a la transmisión lo que la información es a la comunicación. En el ejemplo sobre comunicación telefónica de voz anteriormente comentado, se veía el proceso completo de transmisión de una señal, con sus conversiones de naturaleza. La comunicación se produce porque emisor y receptor se han puesto de acuerdo en una serie de normas por las que se entienden, se comunican, utilizando la transmisión de las señales como medio para producir el intercambio de la información, sin preocuparse del modo en que se transmiten esas señales.
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Si se diera el caso, por ejemplo, de que los interlocutores no compartieran el mismo idioma, seguiría habiendo transmisión de señales, pero no existiría comunicación de información: los interlocutores no se entenderían, ya que no se ha completado el proceso de comunicación, aunque sí el de teletransporte. Nos referiremos a las líneas de transmisión cuando hablemos sobre el transporte de señal; y a los circuitos de datos, que estudiaremos más adelante, cuando consideremos el transporte de la información. La información que maneja una computadora es de origen digital, encontrándose codificada a partir de un alfabeto de dos símbolos que se corresponden con 1 y 0 o, lo que es lo mismo, presencia o ausencia de una señal eléctrica. Para la transmisión de esta información entre dispositivos distintos a larga o corta distancia debe utilizarse un medio físico que asegure su correcta recepción en el destino.
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2. MODELO DE COMUNICACIONES. TERMINOLOGÍA DEL CCITT. CCITT, es el acrónimo de Comité Consultatif Internationale de Télégraphie et Téléphonie (Comité Consultivo Internacional de Telefonía y Telecomunicaciones). Una de las necesidades más acuciantes de un sistema de comunicaciones es el establecimiento de estándares, sin ellos sólo podrían comunicarse entre si equipos del mismo fabricante y que usaran la misma tecnología. La conexión entre equipos electrónicos se ha ido estandarizando paulatinamente siendo las redes telefónicas las pioneras en este campo. Por ejemplo la histórica CCITT definió los estándares de telefonía: PSTN, PSDN e ISDN. Otros organismos internacionales que generan normas relativas a las telecomunicaciones son: ITU-TSS (antes CCITT), ANSI, IEEE e ISO. La ISO (International Organisation for Standarisation) ha generado una gran variedad de estándares, siendo uno de ellos la norma ISO-7494 que define el modelo OSI, este modelo nos ayudará a comprender mejor el funcionamiento de las redes de ordenadores. El modelo OSI no garantiza la comunicación entre equipos pero pone las bases para una mejor estructuración de los protocolos de comunicación. Tampoco existe ningún sistema de comunicaciones que los siga estrictamente, siendo la familia de protocolos TCP/IP la que más se acerca. El modelo OSI describe siete niveles para facilitar los interfaces de conexión entre sistemas abiertos. Cada nivel se encarga de problemas de distinta naturaleza interrelacionándose con los niveles contiguos, de forma que cada nivel se abstrae de los problemas que los niveles inferiores solucionan para dar solución a un nuevo problema, del que se abstraerán a su vez los niveles superiores.
Se puede decir que la filosofía de este modelo se basa en la idea de dividir un problema grande (la comunicación en sí), en varios problemas pequeños, independizando cada problema del resto. Es un método parecido a las cadenas de montaje de las fábricas.; los niveles implementan a un grupo de operarios de una cadena, y cada nivel, al igual que en la cadena de montaje, supone que los niveles anteriores han solucionado unos problemas de los que él se abstraerá para dar solución a unos nuevos problemas, de los que se abstraerán los niveles superiores.
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3. SEÑALES Y SÍMBOLOS. Las señales, en su desplazamiento a lo largo de los medios de red, se ven afectadas por diferentes fenómenos físicos que pueden afectar de forma importante a la calidad de las mismas, llegando incluso a hacerlas ininteligibles, con lo que la información transmitida en ellas queda inservible. Vamos a estudiar a continuación cuáles son estos factores. Propagación de una señal en red. Cuando una tarjeta de red emite señales en forma de voltaje eléctrico o pulsos luminosos, ese pulso rectangular, formado por ondas, se desplaza, o se propaga, a través del medio físico (cableado, dispositivos de red, etc.). Propagación significa que un bloque de energía, que representa 1 bit, se desplaza desde un lugar hacia otro. La velocidad a la cual se propaga depende del material que se usa en el medio, de la estructura del medio y de la frecuencia de los pulsos. Atenuación. Atenuación es la pérdida de la fuerza de la señal, debida generalmente a la pérdida de amplitud a medida que la energía pasa desde la señal hacia el cable. La selección cuidadosa de los materiales, (por ej., utilizando cobre en lugar de carbono, y la geometría (la forma y el posicionamiento de los cables) puede disminuir la atenuación eléctrica, aunque no se puede evitar que se produzca alguna pérdida, ya que en todo circuito hay siempre una cierta resistencia eléctrica. La atenuación puede afectar a una red dado que limita la longitud del cableado que se puede usar en la construcción de la red. Si el cable es demasiado largo o demasiado atenuante, un bit que se envía desde el origen puede parecer un bit cero para el momento en que llega al destino. Este problema se puede solucionar seleccionando estructuras de red que estén diseñadas para soportar bajas cantidades de atenuación. Una de las formas que existen para resolver el problema es cambiar el medio (cableado de más calidad, fibras ópticas más avanzadas, emisiones de radio a frecuencias específicas). Otra de las formas es utilizar repetidores y hubs, dispositivos de red concebidos para ampliar y retemporizar las señales. Reflexión. Se entiende por reflexión un "rebote" de la señal, producido generalmente cuando los pulsos de voltaje tropiezan con una discontinuidad en su camino. Esta energía reflejada puede interferir con otros bits que circulan por el medio, produciendo una interferencia negativa que puede llegar a debilitar, e incluso destruir, la información transmitida. Esto puede provocar problemas en la red. Ruido. Entendemos por ruido todas aquellas adiciones no deseadas a las señales que transportan información por los medios de red, ya sean de voltaje, ópticas o electromagnéticas. Ninguna señal eléctrica se produce sin ruido; sin embargo, lo importante es mantener la relación señal/ruido (S/N) lo más alta posible. Demasiado ruido puede corromper un bit, haciendo que un 1 binario se transforme en un 0 binario, o un 0 en un 1, destruyendo con ello el mensaje original. Una de las causas más comunes de ruido es aquella producida por la interacción de las señales que viajan por los diferentes hilos de un cable, fenómeno conocido con el nombre de - 4 -
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diafonía. Cuando dos hilos están colocados uno muy cerca del otro y no están trenzados, la energía de un hilo puede trasladarse al hilo adyacente y viceversa. Esto puede provocar ruido en ambos extremos de un cable terminado. La diafonía se puede controlar mediante el cumplimiento estricto de los procedimientos de terminación estándar y el uso de cables de par trenzado de buena calidad. Otra causa común de ruidos en una red son las fuentes externas de pulsos eléctricos, que pueden afectar seriamente a la calidad de las señales eléctricas del cable, y que incluyen los sistemas de iluminación, los motores eléctricos y los sistemas de radio. Estos tipos de interferencia se denominan interferencia electromagnética (EMI) e interferencia de la radiofrecuencia (RFI). Cada hilo dentro de un cable puede actuar como una antena. Cuando esto sucede, el hilo efectivamente absorbe las señales eléctricas de los demás hilos y de las fuentes eléctricas ubicadas fuera del cable. Si el ruido eléctrico resultante alcanza un nivel lo suficientemente alto, puede tornarse difícil para las tarjetas de red discriminar el ruido de la señal de datos, con lo que tendrán dificulatades para interpretar correctamente el flujo de bits que representan las señales. Este problema es especialmente importante porque la mayoría de las LAN utilizan frecuencias en la región de frecuencia de 1-100 megahercios (MHz), que es donde las señales de la radio FM, las señales de televisión y muchos otros aparatos tienen también sus frecuencias operativas. Hay varias formas de limitar la interferencia electromagnética y la interferencia de radiofrecuencia. Una forma consiste en aumentar el tamaño de los cables conductores. Otra forma sería mejorar el tipo de aislador empleado. Sin embargo, estos métodos aumentan el tamaño y el costo de los cables, sin mejorar demasiado la calidad. Por lo tanto es más común que los diseñadores de redes especifiquen un cable de buena calidad y que brinden especificaciones para la longitud máxima recomendada para los cables que conectan los nodos. Otras técnicas más exitosas son el blindaje y la cancelación. En el caso de un cable que utiliza blindaje, una malla o un papel metálico recubre cada par de hilos o grupo de pares de hilos. Este blindaje actúa como barrera contra las señales de interferencia. Sin embargo, al igual que el uso de conductores de mayor tamaño, el uso de revestimientos de malla o papel metálico aumenta el diámetro del cable y en consecuencia también aumentan los costos. Por lo tanto, la cancelación es la técnica más comúnmente empleada para proteger los cables de las interferencias indeseables. Cuando la corriente eléctrica fluye a través de un cable, crea un pequeño campo magnético circular a su alrededor. La dirección de estas líneas de fuerza magnética se determina por la dirección en la cual fluye la corriente a lo largo del cable. Si dos cables forman parte del mismo circuito eléctrico, los electrones fluyen desde la fuente de voltaje negativo hacia el destino a lo largo de un cable. Luego los electrones fluyen desde el destino hacia la fuente de voltaje positivo a lo largo del otro cable. Cuando dos cables de un circuito eléctrico se colocan uno cerca del otro, los campos magnéticos de un cable son el opuesto exacto del otro. Así, los dos campos magnéticos se cancelan entre sí. También cancelarán cualquier otro campo magnético externo. El hecho de trenzar los cables puede mejorar el efecto de cancelación. Si se usa la cancelación en combinación con cables trenzados, los diseñadores de cables pueden brindar un método efectivo para proporcionar un autoblindaje para los pares de hilos dentro de los medios de la red. Los sistemas que utilizan fibra óptica e inalámbricos experimentan alguna de estas formas de ruido pero son inmunes a otras. Por ejemplo, la fibra óptica es inmune a la diafonía y al ruido de la línea de alimentación de CA/de la conexión a tierra de referencia, y los sistemas inalámbricos son particularmente propensos a la interferencia electromagnética/interferencia de la radiofrecuencia.
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Dispersión, fluctuación de fase y latencia. Aunque la dispersión, la fluctuación de fase y la latencia en realidad son tres cosas distintas, se agrupan debido a que las tres afectan lo mismo: la temporización del bit. Puede parecer carente de importancia este factor, pero en redes en las que se mueven millones de bits por el medio físico el elemento tiempo es fundamental para una buena comunicación. Se produce dispersión cuando una señal se ensancha con el tiempo, y generalmente produce debido a los tipos de medios involucrados. Si es muy grave, un bit puede comenzar a interferir con el bit siguiente y confundirlo con los bits que se encuentran antes y después de él. En el cableado de cobre la dispersión se puede solucionar a través de un diseño conveniente, limitando las longitudes de los cables y detectando cuál es la impedancia adecuada. En el caso de la fibra óptica, la dispersión se puede controlar usando luz láser con una longitud de onda muy específica. En el caso de comunicaciones inalámbricas, la dispersión se puede reducir al mínimo a través de las frecuencias que se usan para realizar la transmisión. Todos los sistemas digitales están cronometrados, lo que significa que los pulsos de reloj son lo que controlan todo, y en el caso concreto de las transmisiones en red, son los que hacen que la tarjeta de red envíe los bits. Si el reloj del host origen no está sincronizado con el host destino, lo que es muy probable, se producirá una fluctuación de fase de temporización, que originará que los bits lleguen un poco antes o un poco más tarde de lo esperado. La fluctuación de fase se puede solucionar mediante una serie de complicadas sincronizaciones de reloj, incluyendo sincronizaciones de hardware y software, o de protocolo. La latencia, también denominada demora, consiste en el retraso temporal que experimenta una señal en su viaje por los medios físicos, y tiene dos causas principales. Para trasladarse a una determinada distancia, un bit tarda al menos una pequeña cantidad de tiempo, cantidad que se puede ver aumentada si el bit atraviesa cualquier dispositivo, los transistores y los dispositivos electrónicos provocan una mayor latencia. La solución para el problema de la latencia es el uso cuidadoso de los dispositivos de red, estrategias de codificación y protocolos de capa. Las redes modernas normalmente funcionan a velocidades desde 1 Mbps-155 Mbps y superiores. Muy pronto funcionarán a 1 Gbps o mil millones de bits por segundo. Si los bits se diseminan por dispersión, los 1 se pueden confundir con los 0 y los 0 con los 1. Si hay grupos de bits que se enrutan de forma distinta y no se presta atención a la temporización, la fluctuación de fase puede provocar errores cuando el computador que los recibe trata de volver a unir los paquetes en un mensaje. Si hay grupos de bits que se demoran, los dispositivos de red y los otros host destino pueden verse perdidos al recibir miles de millones de bits por segundo. Colisiones. Una colisión se produce cuando dos bits de dos computadores distintos que intentan comunicarse se encuentran simultáneamente en un medio compartido. En el caso de medios de cobre, se suman los voltajes de los dos dígitos binarios y provocan un tercer nivel de voltaje. Como el sistema binario sólo entiende dos niveles de voltaje, los bits se "destruyen", al dejar de tener sentido la información que transportan. El área dentro de la red donde los paquetes se originan y colisionan, se denomina dominio de colisión, e incluye todos los entornos de medios compartidos. Ethernet permite que sólo un paquete de datos por vez pueda acceder al cable, por lo que si más de un nodo intenta transmitir simultáneamente, se produce una colisión y se dañan los datos - 6 -
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de cada uno de los dispositivos. Se intenta paliar este efecto administrando los turnos para transmitir en el medio compartido cuando se produce una comunicación entre hosts. En algunos casos, las colisiones son parte normal del funcionamiento de una red. Sin embargo, un exceso de colisiones puede hacer que la red sea más lenta o pueden detenerla por completo. Por lo tanto, una gran parte del diseño de una red se refiere a la forma de reducir al mínimo y localizar las colisiones. Hay muchas formas de abordar las colisiones. Una de estas formas es detectarlas y simplemente tener un conjunto de normas para abordar el problema cuando se produce, como en el caso de Ethernet. Otra de las formas de abordar el problema es impedir las colisiones permitiendo que sólo un computador de un entorno de medios compartidos pueda transmitir a la vez. Esto requiere que el computador tenga un patrón de bits especial denominado token para transmitir, como en el caso de Token-Ring y FDDI. Por último, se pueden limitar las colisiones segmentando la red, dividiéndola en varias porciones mediante el uso de swichts, de tal forma que a cada segmento de la red sólo accedan directamente los host pertenecientes al mismo. Con esto se consigue limitar el número de señales que en un momento dado pueden estar circulando por el medio físico. Modulación. Una señal sólo se puede transmitir por un canal que permita la propagación de ese tipo de señales. Así, una señal eléctrica se propaga por medios conductores, una señal acústica necesita un medio material, etc. Sin embargo, no basta con esta adecuación en la naturaleza de la señal y del canal. Además, la señal debe tener unos parámetros adecuados. Un canal transmite bien las señales de una determinada frecuencia y mal otras. El canal ideal es aquel que presenta una respuesta lineal para todas las señales, es decir, que transmite por igual todas las frecuencias. La modulación intenta conseguir esta adecuación entre señal y canal, de modo que en las transmisiones utilicemos aquellas frecuencias en las que el canal proporciona la mejor respuesta. En una primera aproximación, el modulador es el dispositivo encargado de efectuar la modulación. En telecomunicaciones, la modulación es la operación por la que se pasa de la señal digital, que proporciona el emisor, a una equivalente analógica, que es enviada al receptor. Por su parte, si el receptor es analógico, debe efectuar la operación inversa (demodulación) con el fin de recuperar de nuevo la señal digital original que el emisor se propuso enviarle. El dispositivo que modula y demodula la señal digital y analógica respectivamente se llama módem (MODulador-DEModulador). No debemos confundir módem con transductor. El módem no cambia la naturaleza de la señal: si era eléctrica, después seguirá siéndolo. En cambio, el transductor sí produce una conversión en la naluraleza física del mensaje: por ejemplo, convierte señales acústicas en eléctricas.
MODEM interno PCI - 7 -
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3. COMPONENTES DE UN CIRCUITO DE DATOS. La señal es lo transmitido, el dato es lo comunicado en cuanto es interpretado por un código. Los circuitos de datos expresan tanto el camino y el modo como la tecnología utilizada por la información que circula por una red de datos, con objeto de alcanzar un destino receptor. Existen múltiples técnicas para que la transmisión se produzca con una cierta garantía de éxito. Algunas de ellas se estudiarán más adelante. Para que tenga lugar una comunicación es necesaria una fuente de información, un destinatario y un canal a través del cual se transmitan los datos. Cada circuito está compuesto por una serie de elementos que se pueden sintetizar del modo que sigue. Equipos terminales de datos El Equipo Terminal de Datos o ETD (DTE, Data Terminal Equipment) es aquel componente del circuito de datos que hace de fuente o destino de la información. Se traía de un concepto muy amplio que puede englobar a muchos dispositivos distintos. Un ETD puede ser un terminal, una impresora, o también un potente ordenador. Lo que hace que un ETD lo sea no es la eficiencia ni la potencia de cálculo, sino la función que realiza: ser origen o destino en una comunicación. Equipos terminales de circuito de datos El Equipo de Terminación del Circuito de Datos o ECD (DCE, Data Communication Equipment) es el componente de un circuito de datos que adecúa las señales que viajan por el canal de comunicaciones convirtiéndolas a un formato asequible al ETD. Para ello se vale de técnicas de modulación, multiplexación, concentración, etc. Algunos de estos procesos modifican la información que el ETD emisor desea transmitir a su receptor, añadiendo las informaciones de control necesarias para la red de comunicaciones que se utilizará en la transmisión. Un ejemplo común de ECD es el módem, encargado de convertir las señales digitales que le proporcionan los ETD en señales analógicas propias de las transmisiones por lineas telefónicas analógicas, preparadas para transmitir voz en vez de datos. Línea de un circuito de datos Dos ECD cualesquiera en un circuito de datos se unen a través de una línea de datos. La línea de datos viene caracterizada por un conjunto de parámetros que la habilitan o no para según qué transmisiones. No se pueden utilizar líneas de baja velocidad si se espera un tráfico de datos intenso. La calidad de una línea está perfectamente regulada a través de normas internacionales. En unidades posteriores se contemplan algunos de estos estándares. El enlace de datos El enlace de datos está constituido por los ECD y las líneas que los interconectan considerados como un conjunto. El enlace de datos incluye a !os controladores de comunicaciones que tienen la función de gobierno sobre los eventos ocurridos en cualquier comunicación. El circuito de datos Una vez estudiados los componentes de un circuito de datos se está en disposición de poder definirlo, aunque es un concepto muy amplio y aplicable a una multitud de posibles situaciones. Muchas de las características de los distintos circuitos de datos están estandarizadas por las socie- 8 -
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dades de estándares internacionales. A lo largo de toda esta obra se estudiarán varias de estas normalizaciones. Algunas de ellas son muy comunes, incluso de uso doméstico. Por ejemplo, los conectores del cable telefónico, el interfaz de conexión del ratón o de la impresora al ordenador personal tienen un modo de operar concreto que se incluye dentro de lo que hemos llamado un «circuito de datos». En la medida en que los fabricantes se ajustan a estos estándares, se hacen compatibles con los equipos construidos por otras compañías. Resumiendo, podemos definir un circuito de datos como el conjunto de ECD y líneas de transmisión encargados de la comunicación entre el ETD transmisor y el ETD receptor, de modo que tanto las señales como las informaciones que en ellas viajan sean entregadas de modo seguro.
Diagrama de bloques de los componentes de un circuito de datos.
ELEMENTOS DE UNA RED Una red de computadoras consta tanto de hardware como de software. En el hardware se incluyen: estaciones de trabajo, servidores, tarjeta de interfaz de red, cableado y equipo de conectividad. En el software se encuentra el sistema operativo de red (Network Operating System, NOS). Estaciones de trabajo Cada computadora conectada a la red conserva la capacidad de funcionar de manera independiente, realizando sus propios procesos. Asimismo, las computadoras se convierten en estaciones de trabajo en red, con acceso a la información y recursos contenidos en el servidor de archivos de la misma. Una estación de trabajo no comparte sus propios recursos con otras computadoras. Esta puede ser desde una PC XT hasta una Pentium, equipada según las necesidades del usuario; o también de otra arquitectura diferente como Macintosh, Silicon Graphics, Sun, etc. Servidores Son aquellas computadoras capaces de compartir sus recursos con otras. Los recursos compartidos pueden incluir impresoras, unidades de disco, CD-ROM, directorios en disco duro e incluso archivos individuales. Los tipos de servidores obtienen el nombre dependiendo del recurso que comparten. Algunos de ellos son: servidor de discos, servidor de archivos, servidor de archivos distribuido, servidores de archivos dedicados y no dedicados, servidor de terminales, servidor de impresoras, servidor de discos compactos, servidor web y servidor de correo. - 9 -
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Tarjeta de Interfaz de Red Para comunicarse con el resto de la red, cada computadora debe tener instalada una tarjeta de interfaz de red (Network Interface Card, NIC). Se les llama también adaptadores de red o sólo tarjetas de red. En la mayoría de los casos, la tarjeta se adapta en la ranura de expansión de la computadora, aunque algunas son unidades externas que se conectan a ésta a través de un puerto serial o paralelo. Las tarjetas internas casi siempre se utilizan para las PC's, PS/2 y estaciones de trabajo como las SUN's. Las tarjetas de interfaz también pueden utilizarse en minicomputadoras y mainframes. A menudo se usan cajas externas para Mac's y para algunas computadoras portátiles. La tarjeta de interfaz obtiene la información de la PC, la convierte al formato adecuado y la envía a través del cable a otra tarjeta de interfaz de la red local. Esta tarjeta recibe la información, la traduce para que la PC pueda entender y la envía a la PC.
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3. TIPOS DE TRANSMISIÓN. ANALÓGICA Y DIGITAL. TÉCNICAS DE TRANSMISIÓN. La transmisión de datos puede ser de dos tipos, transmisión analógica y transmisión digital. La transmisión analógica se caracteriza por utilizar formas de onda que continuamente varían su amplitud o frecuencia. La frecuencia de las señales analógicas son medidas en Hertz (Hz) o ciclos por segundo. El rango de frecuencias es llamado ancho de banda y la calidad de la señal es medida en términos de la relación señal a ruido (SNR, Signal to Noise Ratio). Entre mayor sea el nivel de SNR (en decibeles o potencia en Watts), mayor será la calidad de la información; cuidar este parámetro es muy importante debido a que las señales de tipo analógico se degradan conforme los niveles de ruido aumentan. Por otro lado la transmisión digital es mucho más simple que la analógica. Una señal analógica es representada por valores binarios discretos (0s y 1s), los cuales son generados por una combinación de voltajes altos y bajos o por pulsos de apagado y encendido. La calidad de la señal es medida en tasas de error de bit (BER, Bit Error Rate) o por la probabilidad de error (Pe). La transmisión digital tiene más ventajas que la analógica debido a que pueden manipularse más fácilmente (e.g. codificación, modulación, multicanalización, compresión, etc), por tal motivo la tendencia de las redes de la actualidad es la digitalización gradual de sus sistemas. Se pueden hacer diferentes clasificaciones de transmisión, debido a que ésta se refiere a los parámetros físicos del transporte de señales. En una primera clasificación general, existen dos tipos de medios de transmisión de datos: • Medios guiados, que incluyen a los cables metálicos (cobre, aluminio, etc.) y de fibra óptica. El cable se instala normalmente en el interior de los edificios o bien en conductos subterráneos. Los cables metálicos pueden presentar una estructura coaxial o de par trenzado, y el cobre es el material preferido como núcleo de los elementos de transmisión de las redes. El cable de fibra óptica se encuentra disponible en forma de hebras simples o múltiples de plástico o fibra de vidrio. • Medios no guiados, relativos a las técnicas de transmisión de señales a través del aire y del espacio entre transmisor y receptor (radioenlaces). La transmisión por infrarrojos y microondas cae dentro de esta categoría. El sincronismo es un procedimiento por el cual un emisor y un receptor se ponen de acuerdo sobre el instante preciso en el que comienza o acaba una información puesta en el medio de transmisión. Atendiendo por tanto a la transmisión, podemos establecer la siguiente clasificación: • Transmisión asíncrona. Una transmisión es asíncrona cuando el proceso de sincronización entre emisor y receptor se realiza en cada palabra de código transmitida. Esto se lleva a cabo a travér de unos bits especiales que ayudan a definir el entorno de cada código.
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• Transmisión síncrona. La transmisión es síncrona cuando se efectúa sin atender a las unidades de comunicación básicas, normalmente caracteres. Los bits se envían con una cadencia constante sin discriminar los caracteres que componen.
Según el medio de transmisión, podemos establecer una clasificación: • Transmisión en serie. Se da cuando todas las señales se transmiten por una línea de datos única, secuencialemente. • Transmisión en paralelo. Se da cuando se transmiten simultáneamente un grupo de bits, uno por cada línea del mismo canal. Los agrupamientos de bits pueden ser caracteres u otras asociaciones, dependiendo del tipo de canal.
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Según sea la señal transmitida, podemos también clasificar la transmisión en: • Transmisión analógica: los valores de la señal están en un rango determinado (en teoría infinito). • Transmisión digital: los valores de la señal toman un valor determinado de un conjunto finito de posibles valores.
En ocasiones la transmisión exige una modulación para adecuar la comunicación entre líneas y equipos. Si la transmisión se realiza sin ningún proceso de modulación se dice que la transmisión opera en banda base. Si por el contrario se exige un cierto proceso de modulación, se transmite en banda ancha.
TÉCNICAS BÁSICAS DE MULTICANALIZACIÓN La multicanalización es la técnica que se utiliza para transmitir varias fuentes de información (voz, datos, vídeo) sobre un mismo canal de comunicación. El multicanalizador, frecuentemente llamado mux, es un equipo de comunicación utilizado para este propósito. La principal ventaja de la multicanalización es la de reducir los costos de la red al minimizar el número
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de enlaces de comunicación entre dos puntos. Los multicanalizadores de la actualidad tienen cada vez más inteligencia, y la adicional inteligencia brinda más beneficios. Existen varias técnicas de multicanalización que incluyen: • FDM (Frequency Division Multiplexing, multicanalización por división de frecuencias), • TDM (Time Division Multiplexing, multicanalización por división de tiempo), • TDM (Statistical Time Division Multiplexing, multicanalización estadística por división de tiempo) y tantas otras más como multicanalización inteligente, multicanalización inversa • WDM (Wavelenght Division Multiplexing) y • DWDM ( WDM Denso). A continuación se describen las técnicas FDM, TDM y WDM, así como los beneficios de la multicanalización. FDM FDM es un ambiente en el cual toda la banda de frecuencias disponible en el enlace de comunicaciones es dividida en subbandas o canales individuales. Cada usuario tiene asignada una frecuencia diferente. Las señales viajan en paralelo sobre el mismo canal de comunicaciones, pero están divididos en frecuencia, es decir, cada señal se envía en una diferente porción del espectro. Como la frecuencia es un parámetro analógico, por lo regular el uso de está técnica de multicanalización es para aplicaciones de televisión. Las compañías de televisión por cable utilizan esta técnica para acomodar su programación de canales.
TDM TDM es la segunda técnica de multicanalización que apareció en el mercado después de la aparición de FDM. Un multicanalizador basado en TDM empaqueta un conjunto de información (tramas de bits) de diferentes fuentes en un solo canal de comunicación en ranuras de tiempo diferentes. En el otro extremo estas tramas son otra vez reensambladas (desmulticanalizadas) y llevadas a su respectivo canal. Debido a que los mux TDM manejan tramas de bits, son capaces de comprimir la información al eliminar redundancias en los paquetes, muy útil en el caso de
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aplicaciones de voz. La primera aplicación de TDM en telefonía fue en 1962 al introducirse el sistema digital T1.
WDM Esta técnica conceptualmente es idéntica a FDM, excepto que la multicanalización y involucra haces de luz a través de fibras ópticas. La idea es la misma, combinar diferentes señales de diferentes frecuencias, sin embargo aquí las frecuencias son muy altas (1x1014 Hz) y por lo tanto se manejan comúnmente en longitudes de onda (wavelenght). WDM, así como DWDM son técnicas de multicanalización muy importantes en las redes de transporte basadas en fibras ópticas. En resumen, los multicanalizadores optimizan el canal de comunicaciones, son pieza importante en las redes de transporte y ofrecen las siguientes características: • • •
Permiten que varios dispositivos compartan un mismo canal de comunicaciones Útil para rutas de comunicaciones paralelas entre dos localidades Minimizan los costos del comunicaciones, al rentar una sola línea privada para comunicación entre dos puntos • Normalmente los multicanalizadores se utilizan en pares, un mux en cada extremo del circuito • Los datos de varios dispositivos pueden ser enviados en un mismo circuito por un mux. El mux receptor separa y envía los datos a los apropiados destinos • Capacidad para compresión de datos que permite la eliminación de bits redundantes para optimizar el ancho de banda. • Capacidad para detectar y corregir errores entre dos puntos que están siendo conectados para asegurar que la integridad y precisión de los datos sea mantenida. • La capacidad para administrar los recursos dinámicamente mediante con niveles de prioridad de tráfico.
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TÉCNICAS DE DETECCIÓN Y CORRECCIÓN DE ERRORES.
Cuanto mayor es la trama que se transmite, mayor es la probabilidad de que contenga algún error detectar errores, se añade un código en función de los bits de la trama de forma que este código señale ha cambiado algún bit en el camino. Este código debe de ser conocido e interpretado tanto por el como por el receptor. Podemos aceptar que las comunicaciones son susceptibles de de error, pero debemos exigir que si lo hay, éste sea detectado. Otro asunto será que una vez detectado el error en la transmisión, éste se pueda corregir mediante técnicas sofisticadas de cálculo o retransmisión de la información. Es común la expresión perder información como parte de la jerga de los técnicos en comunicaciones. Estamos tratando en esta parte de la Unidad sobre la problemática de los errores. Sabemos que, en ocasiones, la información no llega con integridad a su destino. Pero, ¿qué es perder información? La pérdida de información no significa que la información sea enviada por el emisor y no sea nunca recibida por el destinatario de la misma. Más bien significa que hay cambios imprevistos y no deseados en la información. En el caso de información digital y binaria, cambios en el valor de los bits, es decir, que los bits que sean 0 se conviertan en 1 y viceversa. LA DETECCIÓN DEL ERROR A lo largo de la historia de las comunicaciones han sido muchos los sistemas de detección de error que se han descubierto. Nosotros nos vamos a ceñir a los siguientes por la importancia que revisten en la mayor parte de las comunicaciones y en especial, en las redes de área local.
COMPROBACIÓN DE PARIDAD Los sistemas de paridad se basan en la transmisión, junto con la información de usuario, de una serie de bits que indican cualidades de esos datos. Una alteración en la información del usuario es detectada por comparación con esos bits especiales de paridad, y que hace que no se correspondan con los valores previstos en el momento de la emisión. Fundamentalmente hay dos tipos de paridad simple: par e impar. Cuando el emisor tiene en su poder el mensaje binario informativo, efectúa el OR-exclusivo con los bits que componen el mensaje y transmite el resultado (un bit) junto con la información. OR-exclusivo es el nombre de una de las operaciones lógicas posibles en la base binaria. Cuando una transmisión pierde un bit (se altera el valor del bit) este sistema de control de errores por paridad simple detecta el cambio. El sistema de paridad simple sólo es capaz de detectar los errores producidos en un número impar de bits de la cadena transmitida, si el número de errores es par, el sistema no detectará el error. En las transmisiones asíncronas, lo más habitual es transmitir un bit de paridad con cada carácter. La elección par o impar depende del usuario, pero ambos equipos deben estar de acuerdo en la elección por fijación de parámetros convenidos o bien por negociación en tiempo de establecimiento de la conexión. La paridad de bloque es un caso especial de la paridad simple. También puede ser par o impar. Se trata de organizar la información por bloques, componiendo una tabla de n x m bits. A continuación, se extraen los bits de paridad por filas y por columnas. Por último, se envían por la - 16 -
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línea de transmisión junto con los bits constitutivos del mensaje los bits de paridad calculados.
COMPROBACIÓN DE REDUNDANCIA CÍCLICA ( CRC, CYCLIC REDUNDANCY CHECK ) Se trata de una técnica polinómica de redundancia cíclica para el control de errores. Este proceso se puede hacer bien por software o bien por un circuito hardware (más rápido). Los códigos de detección de errores por redundancia cíclica o CRC están basados en las propiedades matemáticas de la división de polinomios. Cada cadena de bits de información a transmitir se representa como un polinomio cuyos coeficientes pueden ser 0 o 1. El grado del polinomio depende del número de bits a transmitir. Cada uno de estos bits es representado por un monomio. El emisor y el receptor deben ponerse de acuerdo en un segundo polinomio que actuará como clave en la detección del error. El modo de operación es el siguiente: • El emisor divide el polinomio-información entre el polinomio-clave obteniendo un cociente, que aquí no nos interesa, y un polinomio-resto que se convertirá en la información redundante necesaria para la detección, equivalente a la información de paridad. • Se envían los bits correspondientes al polinomio informativo seguido de los bits que forman los coeficientes del polinomio-resto. • Cuando el receptor lee el mensaje vuelve a repetir la operación y comprueba que el resto obtenido es igual al que le han transmitido. Si no fuera igual, tendría la prueba de que la transmisión ha fallado. Seleccionando de un modo adecuado el polinomio-clave se llegan a detectar gran cantidad de errores posibles. Incluso se podrían arbitrar mecanismos de autocorrección.
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5.
Tema 1
MEDIOS FÍSICOS DE TRANSMISIÓN. Se pueden diferenciar dos grupos :
• Los cables. • Los medios inalámbricos.
CABLES El cable utilizado para formar una red se denomina a veces medio. Los tres factores que se deben tener en cuenta a la hora de elegir un cable para una red son : • Velocidad de transmisión que se quiere conseguir. • Distancia máxima entre ordenadores que se van a conectar. • Nivel de ruido e interferencias habituales en la zona que se va a instalar la red. Los cables más utilizados son el par trenzado, el cable coaxial y la fibra óptica. PAR TRENZADO Se trata de dos hilos de cobre aislados y trenzados entre sí, y en la mayoría de los casos cubiertos por una malla protectora. Los hilos están trenzados para reducir las interferencias electromagnéticas con respecto a los pares cercanos que se encuentran a su alrededor (dos pares paralelos constituyen una antena simple, en tanto que un par trenzado no). Se pueden utilizar tanto para transmisión analógica como digital, y su ancho de banda depende de la sección de cobre utilizado y de la distancia que tenga que recorrer. El par trenzado es el cable más utilizado en telefonía y télex. Existen dos tipos fundamentalmente: UTP (Unshielded Twisted Pair) y STP (Shielded Twisted Pair). UTP es un cable de pares trenzados y sin recubrimientpo metálico externo, de modo que es sensible a las interferencias. Sin embargo, al estar trenzado, compensa las inducciones electromagnéticas producidas por las líneas del mismo cable. STP es semejante al UTP, pero se le añade un recubrimiento metálico para evitar las interferencias externas. Es por tanto más protegido pero menos flexible que el UTP. Se trata del cableado más económico y la mayoría del cableado telefónico es de este tipo. Presenta una velocidad de transmisión que depende del tipo de cable de par trenzado que se esté utilizando. Está dividido en categorías por el EIA/TIA : • Categoría 1: Hilo telefónico trenzado de calidad de voz no adecuado para las transmisiones de datos. Velocidad de transmisión inferior a 1 Mbits/seg • Categoría 2 : Cable de par trenzado sin apantallar. Su velocidad de transmisión es de hasta 4 Mbits/seg. • Categoría 3 : Velocidad de transmisión de 10 Mbits/seg. Con este tipo de cables se implementa las redes Ethernet 10-Base-T • Categoría 4 : La velocidad de transmisión llega a 16 bits/seg. • Categoría 5 : Puede transmitir datos hasta 100 Mbits/seg. - 18 -
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Tema 1
Tiene una longitud máxima limitada y, a pesar de los aspectos negativos, es una opción a tener en cuenta debido a que ya se encuentra instalado en muchos edificios como cable telefónico y esto permite utilizarlo sin necesidad de obra. La mayoría de las mangueras de cable de par trenzado contiene más de un par de hilos por lo que es posible encontrar mangueras ya instaladas con algún par de hilos sin utilizarse. Además resulta fácil de combinar con otros tipos de cables para la extensión de redes.
Cable de par trenzado CABLE COAXIAL Consiste en un núcleo de cobre rodeado por una capa aislante. A su vez, esta capa está rodeada por una malla metálica que ayuda a bloquear las interferencias; este conjunto de cables está envuelto en una capa protectora. Le pueden afectar las interferencias externas, por lo que ha de estar apantallado para reducirlas. Emite señales que pueden detectarse fuera de la red. Es utilizado generalmente para señales de televisión y para transmisiones de datos a alta velocidad a distancias de varios kilómetros. La velocidad de transmisión suele ser alta, de hasta 100 Mbits/seg; pero hay que tener en cuenta que a mayor velocidad de transmisión, menor distancia podemos cubrir, ya que el periodo de la señal es menor, y por tanto se atenúa antes. La nomenclatura de los cables Ethernet tiene 3 partes : • La primera indica la velocidad en Mbits/seg. • La segunda indica si la transmisión es en Banda Base (BASE) o en Banda Ancha (BROAD). • La tercera los metros de segmento multiplicados por 100.
CABLE 10-BASE-5
CARACTERÍSTICAS Cable coaxial grueso (Ethernet grueso). Velocidad de transmisión : 10 Mb/seg. Segmentos : máximo de 500 metros.
10-BASE-2
Cable coaxial fino (Ethernet fino). Velocidad de transmisión : 10 Mb/seg. Segmentos : máximo de 185 metros. Cable coaxial Segmentos : máximo de 3600 metros.
10-BROAD-36
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100-BASE-X
Tema 1
Velocidad de transmisión : 10 Mb/seg. Fast Ethernet. Velocidad de transmisión : 100 Mb/seg.
Estructura típica de un cable coaxial CABLE DE FIBRA ÓPTICA Una fibra óptica es un medio de transmisión de la luz que consiste básicamente en dos cilindros coaxiales de vidrios transparentes y de diámetros muy pequeños. El cilindro interior se denomina núcleo y el exterior se denomina envoltura, siendo el índice de refracción del núcleo algo mayor que el de la envoltura. En la superficie de separación entre el núcleo y la envoltura se produce el fenómeno de reflexión total de la luz, al pasar éste de un medio a otro que tiene un índice de refracción más pequeño. Como consecuencia de esta estructura óptica todos los rayos de luz que se reflejan totalmente en dicha superficie se transmiten guiados a lo largo del núcleo de la fibra. Este conjunto está envuelto por una capa protectora. La velocidad de transmisión es muy alta, 10 Mb/seg siendo en algunas instalaciones especiales de hasta 500 Mb/seg, y no resulta afectado por interferencias. - 20 -
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Tema 1
Los cables de fibra óptica tienen muchas aplicaciones en el campo de las comunicaciones de datos: • Conexiones locales entre ordenadores y periféricos o equipos de control y medición. • Interconexión de ordenadores y terminales mediante enlaces dedicados de fibra óptica. • Enlaces de fibra óptica de larga distancia y gran capacidad. Los cables de fibra óptica ofrecen muchas ventajas respecto de los cables eléctricos para transmitir datos: • Mayor velocidad de transmisión. Las señales recorren los cables de fibra óptica a la velocidad de la luz (c = 3 X 109 m/s), mientras que las señales eléctricas recorren los cables a una velocidad entre el 50 y el 80 por cien de ésta, según el tipo de cable. • Mayor capacidad de transmisión. Pueden lograrse velocidades por encima de 1 Gbit/s. • Inmunidad total ante interferencias electromagnéticas. La fibra óptica no produce ningún tipo de interferencia electromagnética y no se ve afectada por rayos o por pulsos electromagnéticos nucleares (NEMP) que acompañan a las explosiones nucleares. • No existen problemas de retorno de tierra, crosstalk o reflexiones como ocurre en las líneas de transmisión eléctricas. • La atenuación aumenta con la distancia más lentamente que en el caso de los cables eléctricos, lo que permite mayores distancias entre repetidores. • Se consiguen tasas de error típicas del orden de 1 en 109 frente a las tasas del orden de 1 en 106 que alcanzan los cables coaxiales. Esto permite aumentar la velocidad eficaz de transmisión de datos, reduciendo el número de retransmisiones o la cantidad de información redundante necesaria para detectar y corregir lo errores de transmisión. • No existe riesgo de cortocircuito o daños de origen eléctrico. • Los cables de fibra óptica pesas la décima parte que los cables de corte apantallados. Esta es una consideración de importancia en barcos y aviones. • Los cables de fibra óptica son generalmente de menor diámetro, más flexibles y más fáciles de instalar que los cables eléctricos. • Los cables de fibra óptica son apropiados para utilizar en una amplia gama de temperaturas. • Es más difícil realizar escuchas sobre cables de fibra óptica que sobre cables eléctricos. Es necesario cortar la fibra para detectar los datos transmitidos. Las escuchas sobre fibra óptica pueden detectarse fácilmente utilizando un reflectómetro en el dominio del tiempo o midiendo las pérdidas de señal. • Se puede incrementar la capacidad de transmisión de datos añadiendo nuevos canales que utilicen longitudes de onda distintas de las ya empleadas. • La fibra óptica presenta una mayor resistencia a los ambientes y líquidos corrosivos que los cables eléctricos. • Las materias primas para fabricar vidrio son abundantes y se espera que los costos se reduzcan a un nivel similar al de los cables metálicos. • La vida media operacional y el tiempo medio entre fallos de un cable de fibra óptica son superiores a los de un cable eléctrico. • Los costos de instalación y mantenimiento para grandes y medias distancias son menores que los que se derivan de las instalaciones de cables eléctricos. La mayor desventaja es que no se puede “pinchar” fácilmente este cable para conectar un nuevo nodo a la red.. Las transmisiones de la señal a grandes distancias se encuentran sujetas a atenuación, que - 21 -
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Tema 1
consiste en una pérdida de amplitud o intensidad de la señal, lo que limita la longitud del cable. Los segmentos pueden ser de hasta 2000 metros.
Propagación multimodo en una fibra óptica de índice de escala y de índice gradual
MEDIOS INALÁMBRICOS ENLACES ÓPTICOS AL AIRE LIBRE El principio de funcionamiento de un enlace óptico al aire libre es similar al de un enlace de fibra óptica, sin embargo el medio de transmisión no es un polímero o fibra de vidrio sino el aire.
El emisor óptico produce un haz estrecho que se detecta en un sensor que puede estar situado a varios kilómetros en la línea de visión. Las aplicaciones típicas para estos enlaces se encuentran en los campus de la universidades, donde las carreteras no permiten tender cables, o entre los edificios de una compañía en una ciudad en la que resulte caro utilizar los cables telefónicos. Las comunicaciones ópticas al aire libre son una alternativa de gran ancho de banda a los enlaces de fibra óptica o a los cables eléctricos. Las prestaciones de este tipo de enlace pueden verse empobrecidas por la lluvia fuerte o niebla intensa, pero son inmunes a las interferencias eléctricas y - 22 -
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Tema 1
no necesitan permiso de las autoridades responsables de las telecomunicaciones. Las mejoras en los emisores y detectores ópticos han incrementado el rango y el ancho de banda de los enlaces ópticos al aire libre, al tiempo que reducen los costos. Se puede permitir voz o datos sobre estos enlaces a velocidades de hasta 45 Mbits/s . El límite para comunicaciones fiables se encuentra sobre los dos kilómetros. Para distancias de más de dos kilómetros son preferibles los enlaces de microondas. Existen dos efectos atmosféricos importantes a tener en cuenta con los enlaces ópticos al aire libre: • La dispersión de la luz que atenúa la señal óptica en proporción al número y al tamaño de las partículas en suspensión en la atmósfera. Las partículas pequeñas, como la niebla, polvo o humo, tienen un efecto que es función de su densidad y de la relación existente entre su tamaño y de la longitud de onda de la radiación infrarroja utilizada. La niebla, con una elevada densidad de partículas, de 1 a 10 µm de diámetro, tienen un efecto más acusado sobre el haz de luz. Las partículas de humo, más grandes, tienen menor densidad y, por tanto, menor efecto. • Las brisas ascensionales (originadas por movimientos del aire como consecuencia de las variaciones en la temperatura) provocan variaciones en la densidad del aire y, por tanto, variaciones en el índice de refracción a lo largo del haz. Esto da lugar a la dispersión de parte de la luz a lo largo del haz. Este efecto puede reducirse elevando el haz de luz lo bastante con respecto a cualquier superficie caliente o utilizando emisores múltiples. La luz de cada emisor se ve afectada de diferente forma por las brisas, y los haces se promedian en el receptor. Estos sistemas suelen emplearse para transmisiones digital de alta velocidad en banda base. En EE.UU, todos los fabricantes de productos láser deben tener una certificación que garantiza la seguridad de sus productos. MICROONDAS Los enlaces de microondas se utilizan mucho como enlaces allí donde los cables coaxiales o de fibra óptica no son prácticos. Se necesita una línea de visión directa para transmitir en la banda de SHF, de modo que es necesario dispones de antenas de microondas en torres elevadas en las cimas de las colinas o accidentes del terreno para asegurar un camino directo con la intervención de pocos repetidores. Las bandas de frecuencias más comunes para comunicaciones mediante microondas son las de 2,4, 6 y 6.8 GHz. Un enlace de microondas a 140 Mbits/s puede proporcionara hasta 1920 canales de voz o bien varias comunicaciones de canales de 2 Mbits/s multiplexados en el tiempo. Los enlaces de microondas presentan unas tasas de error en el rango de 1 en 105 a 1 en 1011 dependiendo de la relación señal/ruido en los receptores. Pueden presentarse problemas de propagación en los enlaces de microondas, incluyendo los debidos a lluvias intensas que provocan atenuaciones que incrementan la tasa de errores. Pueden producirse pequeños cortes en la señal recibida cuando una bandada de pájaros atraviesa el haz de microondas, pero es poco frecuente que ocurra.
LUZ INFRARROJA Permite la transmisión de información a velocidades muy altas : 10 Mbits/seg. Consiste en la emisión/recepción de un haz de luz ; debido a esto, el emisor y receptor deben tener contacto visual - 23 -
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Tema 1
(la luz viaja en línea recta). Debido a esta limitación pueden usarse espejos para modificar la dirección de la luz transmitida. SEÑALES DE RADIO Consiste en la emisión/recepción de una señal de radio, por lo tanto el emisor y el receptor deben sintonizar la misma frecuencia. La emisión puede traspasar muros y no es necesario la visión directa de emisor y receptor. La velocidad de transmisión suele ser baja : 4800 Kbits/seg. Se debe tener cuidado con las interferencias de otras señales. COMUNICACIONES VIA SATÉLITE Los satélites artificiales han revolucionado las comunicaciones desde los últimos 20 años. Actualmente son muchos los satélites de comunicaciones que están alrededor de la tierra dando servicio a numerosas empresas, gobiernos, entidades … . Un satélite de comunicaciones hace la labor de repetidor electrónico. Una estación terrena A transmite al satélite señales de una frecuencia determinada (canal de subida). Por su parte, el satélite recibe estas señales y las retransmite a otra estación terrena B mediante una frecuencia distinta (canal de bajada). La señal de bajada puede ser recibida por cualquier estación situada dentro del cono de radiación del satélite, y puede transportar voz, datos o imágenes de televisión. De esta manera se impide que los canales de subida y de bajada se interfieran, ya que trabajan en bandas de frecuencia diferentes. La capacidad que posee una satélite de recibir y retransmitir se debe a un dispositivo conocido como transpondedor. Los transpondedores de satélite trabajan a frecuencias muy elevadas, generalmente en la banda de los gigahertzios. La mayoría de los satélites de comunicaciones están situados en una órbita denominada geoestacionaria, que se encuentra a 36000 Km sobre el ecuador . Esto permite que el satélite gire alrededor de la tierra a la misma velocidad que ésta, de modo que parece casi estacionario. Así, las antenas terrestres pueden permanecer orientadas hacia una posición relativamente estable ( lo que se conoce como “sector orbital”) ya que el satélite mantiene la misma posición relativa con respecto a la superficie de la tierra. • Existe un retardo de unos 0.5 segundos en las comunicaciones debido a la distancia que han de recorrer las señales. Los cambios en los retrasos de propagación provocados por el movimiento en ocho de un satélite geoestacionario necesita transmisiones frecuentes de tramas de sincronización. • Los satélites tienen una vida media de siete a 10 años, pero pueden sufrir fallos que provocan su salida de servicio. Es, por tanto, necesario dispones de un medio alternativo de servicio en caso de cualquier eventualidad. • Las estaciones terrenas suelen estar lejos de los usuarios y a menudo se necesitan caros enlaces de alta velocidad. Las estaciones situadas en la banda de bajas frecuencias (la banda C) están dotadas de grandes antenas (de unos 30 metros de diámetro) y son extremadamente sensibles a las interferencias. Por este motivo suelen estar situadas lejos de áreas habitadas. Las estaciones que trabajan en la banda Ku disponen de una antena menor y son menos sensibles a las interferencias. Utilizar un enlace de microondas de alta capacidad sólo ayudaría a complicar los problemas de ruido que presente el enlace con el satélite. • Las comunicaciones con el satélite pueden ser interceptadas por cualquiera que disponga de un receptor en las proximidades de la estación. Es necesario utilizar técnicas de encriptación para garantizar la privacidad de los datos.
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Tema 1
• Los satélites geoestacionarios pasan por periodos en los que no pueden funcionar. En el caso de un eclipse de Sol en el que la tierra se sitúa entre el Sol y el satélite, se corta el suministro de energía a las células solares que alimentan el satélite, lo que provoca el paso del suministro de energía a las baterías de emergencia, operación que a menudo se traduce en una reducción de las prestaciones o en una pérdida de servicio. • En el caso de tránsitos solares, el satélite pasa directamente entre el Sol y la Tierra provocando un aumento del ruido térmico en la estación terrena, y una pérdida probable de la señal enviada por el satélite. • Los satélites geoestacionarios no son totalmente estacionarios con respecto a la órbita de la tierra. Las desviaciones de la órbita ecuatorial hace que el satélite describa una figura parecida a un ocho, de dimensiones proporcionales a la inclinación de la órbita con respecto al ecuador. Estas variaciones en la órbita son corregidas desde una estación de control. • Actualmente hay un problema de ocupación de la órbita geoestacionaria. Cuando un satélite deja de ser operativo, debe irse a otra órbita, para dejar un puesto libre. La separación angular entre satélites debe ser de 2 grados (anteriormente era de 4). Esta medida implicó la necesidad de mejorar la capacidad de resolución de las estaciones terrenas para evitar detectar las señales de satélites próximos en la misma banda en forma de ruido.
La red de datos de AT&T utiliza un satélite para conectar las estaciones a una estación central
CABLEADO ESTRUCTURADO Es la organización de cables dentro de un edificio que recoge las necesidades de comunicación (teléfonos, ordenadores, fax, módems, etc.) actuales y futuras de las empresas. Este tipo de instalaciones hay que tenerlas en cuenta del mismo modo que se hace con la electricidad, agua, gas, etc. Un sistema de cableado está determinado por el tipo de cable y la topología del sistema. Mientras que el tipo de cable decide la manera de realizar el sistema, la topología decide los costes de la instalación, los costes de la futura expansión, así como en algunos casos la complejidad de modificaciones puntuales dentro de la red. A la hora de realizar el cableado de un edificio hay que tener en cuenta que la tecnología varía a tal velocidad que las nuevas tendencias pueden hacer quedar obsoleta cualquier solución adoptada que no prevea una gran capacidad de adaptabilidad.
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Por este motivo aparece el concepto de “cableado estructurado”. Su intención es : • Capacidad de crecimiento a bajo coste. • Base para soportar todas las tecnologías de niveles superiores sin necesidad de diferentes tipos de cableado • Realizar una instalación compatible con las tecnologías actuales y las que estén por llegar. • Tener la suficiente flexibilidad para realizar los movimientos internos de personas y máquinas dentro de la instalación. • Estar diseñado e instalado de tal manera que permita una fácil supervisión, mantenimiento y administración. Es fácilmente gestionable y muy fiable En definitiva, todas son razones básicamente económicas. TOPOLOGÍAS EN EL CABLEADO ESTRUCTURADO El cableado estructurado reduce todas las topologías a una sola, la estrella. Todos los puestos se unirán a través de los elementos de interconexión física a un único punto. Esto puede ser así porque cualquier topología se puede convertir en una estrella. Las tres topologías puras existentes son anillo, estrella y bus (más las diferentes combinaciones de éstas). Del bus se pasará a la estrella a través del “teorema del punto gordo”. Convertiremos el anillo en una estrella si hacemos una “estrella de mar”. El cableado estructurado consiste por tanto en fijar una disposición física del cable tirado en una instalación, de tal modo que se optimicen al máximo las posibilidades de una LAN y nos permita una gran facilidad de manejo y migración a nuevas tecnologías y situación física de los usuarios y servidores.
ESTÁNDARES Dada la gran variedad de fabricantes y filosofías, para conseguir que el cableado sirva para todas ellas y las que estén por venir, es necesario que exista una normativa en cuanto a lo que va a correr por la red, cómo lo va a hacer y lo que precisa para que esto ocurra. Es vital fijar los parámetros, que deben ser comunes para todos, de tal manera que la forma en la que esté realizada la infraestructura no fije un modo de funcionamiento para cada una de ellas, y además, es preciso que todos los dispositivos (actuales y en desarrollo) se adapten a estas normas. Existen una serie de organizaciones y comités internacionales que se encargan de fijar una serie de “reglas generales para todos”. (ANSI, CCITT, EIA/TIA). NORMATIVAS PARA EL CABLEADO ESTRUCTURADO El Sistema de Cableado constituye el nivel de infraestructura básica de una red de comunicaciones corporativa, su buen diseño y correcta instalación son de suma importancia teniendo en cuenta que es una de las principales causas que pueden afectar al buen funcionamiento de una red. Por otra parte, siempre hay que tener presente los estándares que marcan la calidad en un Sistema de Cableado, utilizando material de fabricantes reconocidos y las instalaciones se deben llevar a cabo siguiendo las normativas más adecuadas en cada caso Un sistema de cableado estructurado tiene (en su parte física) dos partes fundamentales, y en este sentido están fijados por las normas.
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Tema 1
• Por un lado tenemos el cable en sí mismo, y las normas exigen para cada cable y para cada modo de funcionamiento unas determinadas formas de comportamiento, fundamentalmente relacionadas con la velocidad de transmisión, la longitud del cable y la atenuación que se produce en la señal. • Por otra parte tenemos el modo de conexionar el cable, fijándose una serie de recomendaciones en el sentido de hacer lo más común para todas las instalaciones la manera de conectar los distintos subsistemas que forman parte de la red. CABLES: TIPOS DE CABLES EN EL CABLEADO ESTRUCTURADO Aunque existen muchos tipos de cables, al estandarizar las instalaciones se ha limitado, por sentido común, la utilización de dos tipos de cables : el Par Trenzado en cobre y la Fibra Óptica. Una masiva utilización de estos cables ha permitido que los precios de fabricación bajen. La menor utilización del cable coaxial se debe a su mayor coste, menor flexibilidad en cuanto a sus posibilidades de uso y un mayor tamaño que complica su tendido y aumenta la ocupación de los conductos. La importancia de los cables es fundamental en la construcción de la red, pues determinan el límite de velocidad de ésta.
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Tema 1
FUNCIONES. CARACTERÍSTICAS BÁSICAS.
Lo primero que se puede preguntar un usuario cuando se plantea la posibilidad de instalación o utilización de una red local, es saber cómo va a mejorar su trabajo en el ordenador al utilizar dicho entorno. La respuesta va a ser diferente según el tipo de trabajo que desempeñe. En resumen, una red local proporciona la facilidad de compartir recursos entre sus usuarios. Esto es: • • • • •
Supone compartir ficheros. Supone compartir impresoras. Se pueden utilizar aplicaciones específicas de red. Se pueden aprovechar las prestaciones cliente/servidor. Se puede acceder a sistemas de comunicación global.
COMPARTIR FICHEROS La posibilidad de compartir ficheros es la prestación principal de las redes locales. La aplicación básica consiste en utilizar ficheros de otros usuarios, sin necesidad de utilizar el disquete. La ventaja fundamental es la de poder disponer de directorios en la red a los que tengan acceso un grupo de usuarios, y en los que se puede guardar la información que compartan dichos grupos. Ejemplo: se crea una carpeta para el departamento de contabilidad, otra para el departamento comercial y otra para el departamento de diseño, facilitando que estos usuarios tengan acceso a la información que les interesa de forma instantánea. Si a esto se añaden aplicaciones concretas, entonces el trabajo en grupo mejora bastante con la instalación de la intranet. Esto se aprecia en las aplicaciones de bases de datos preparadas para el trabajo en redes locales (la mayoría de las actuales), lo que permite que varios usuarios puedan acceder de forma simultánea a los registros de la base de datos, y que las actualizaciones que realice un operador queden inmediatamente disponibles para el resto de los usuarios. IMPRESIÓN EN RED Las redes locales permiten que sus usuarios puedan acceder a impresoras de calidad y alto precio sin que suponga un desembolso prohibitivo. Por ejemplo, si tenemos una oficina en la que trabajan siete personas, y sus respectivos ordenadores no están conectados mediante una red local, o compramos una impresora para cada usuario (en total siete), o que cada usuario grabe en un disquete su documento a imprimir y lo lleve donde se encuentra la impresora. Si hay instalada una red local, lo que se puede hacer es comprar una o dos impresoras de calidad, instalarlas y que los usuarios las compartan a través de la red. Cuando se comparte una impresora en la red, se suele conectar a un ordenador que actúa como servidor de impresión, y que perfectamente puede ser el equipo de un usuario. También existen impresoras que disponen de una tarjeta de red que permite la conexión directa en cualquier punto de la red sin necesidad de situarse cerca de un servidor. Algo complementario a la impresión en red es la posibilidad de compartir dispositivos de fax. Si un ordenador tiene configurado un módem para utilizarlo como fax, puede permitir que el resto de los usuarios de la red lo utilicen para enviar sus propios documentos. APLICACIONES DE RED
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Tema 1
Existe un gran número de aplicaciones que aprovechan las redes locales para que el trabajo sea más provechoso. El tipo de aplicaciones más importante son los programas de correo electrónico. Un programa de correo electrónico permite el intercambio de mensajes entre los usuarios. Los mensajes pueden consistir en texto, sonido, imágenes, etc. y llevar asociados cualquier tipo de ficheros binarios. En cierto modo el correo electrónico llega a sustituir a ciertas reuniones y además permite el análisis más detallado del material que el resto de usuarios nos remitan. APLICACIONES CLIENTE/SERVIDOR Es un concepto muy importante en las redes locales para aplicaciones que manejan grandes volúmenes de información. Son programas que dividen su trabajo en dos partes, una parte cliente que se realiza en el ordenador del usuario y otra parte servidor que se realiza en un servidor con dos fines : • Aliviar la carga de trabajo del ordenador cliente. • Reducir el tráfico de la red. Ejemplo: si disponemos de un ordenador que actúa como servidor de base de datos, con un enfoque tradicional, el servidor solamente lo es de ficheros. Si en algún momento el usuario quiere hacer una selección de personas mayores de 30 años por ejemplo, se deben leer todos los registros de la base de datos para comprobar cuáles cumplían la condición. Esto supone un elevado tráfico en la red. Con las aplicaciones cliente/servidor una consulta sobre una base de datos se envía al servidor, quien realiza la selección de registros y envía solo los campos que le interesan al usuario. Se reduce así considerablemente el tráfico en la red y el ordenador cliente se encuentra con el trabajo hecho. El sistema en sí resulta bastante más rápido, aunque a cambio requiere que los servidores tengan mejores prestaciones. ACCESO A INTERNET Es una de las prestaciones que con el tiempo está ganando peso específico. Consiste en la posibilidad de configurar un ordenador con una conexión permanente a servicios en línea externos, de forma que los usuarios de la intranet no necesiten utilizar un módem personal para acceder a ellos. El ejemplo más de moda es el acceso a Internet. Mediante un servidor de comunicaciones se puede mantener una línea permanente de alta velocidad que enlace la intranet con Internet. El servidor puede estar equipado con un módem o una tarjeta de comunicación a RDSI, que activa la conexión cuando algún usuario de la red lo necesita. Cuando la conexión está activa, cualquier otro usuario puede compartirla, aunque en este caso las prestaciones de cada usuario serán menores que si tuvieran una conexión individual.
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7. SISTEMAS OPERATIVOS DE RED. PRINCIPALES SISTEMAS OPERATIVOS EXISTENTES. Al igual que un equipo no puede trabajar sin un sistema operativo, una red de equipos no puede funcionar sin un sistema operativo de red. Si no se dispone de ningún sistema operativo de red, los equipos no pueden compartir recursos y los usuarios no pueden utilizar estos recursos. Dependiendo del fabricante del sistema operativo de red, tenemos que el software de red para un equipo personal se puede añadir al propio sistema operativo del equipo o integrarse con él. NetWare de Novell es el ejemplo más familiar y famoso de sistema operativo de red donde el software de red del equipo cliente se incorpora en el sistema operativo del equipo. El equipo personal necesita ambos sistema operativos para gestionar conjuntamente las funciones de red y las funciones individuales. El software del sistema operativo de red se integra en un número importante de sistemas operativos conocidos, incluyendo Windows 2000 Server/Professional, Windows NT Server/Workstation, Windows 95/98/ME, Apple Talk, Sistemas Operativos de red Unix y Linux. Éstos últimos son versiones de Unix para ordenadores PC y se distribuyen bajo lo que se denominan distribuciones Linux. Así existen distribuciones Linux como Red Hat, Fedora, Debian, Mandrake, Suse, etc, siendo todos ellos Sistemas Operativos de red Linux basados en Unix. Cada configuración (sistemas operativos de red y del equipo separados, o sistema operativo combinando las funciones de ambos) tiene sus ventajas e inconvenientes. Por tanto, nuestro trabajo como especialistas en redes es determinar la configuración que mejor se adapte a las necesidades de nuestra red. En posteriores temas trataremos con más detenimiento las características más reseñables de algunos de éstos Sistemas Operativos.
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Tema 1
8. REDES DE COMUNICACIÓN. TÉCNICAS USADAS. TIPOS DE REDES: LAN, MAN, WAN. Un criterio para clasificar redes de ordenadores es el que se basa en su extensión geográfica, es en este sentido en el que hablamos de redes LAN, MAN y WAN, aunque esta documentación se centra en las redes de área local (LAN), nos dará una mejor perspectiva el conocer los otros dos tipos: MAN y WAN.
Redes de Área Local (LAN) Una red de área local es un conjunto de elementos físicos y lógicos que proporcionan interconexión entre dispositivos en un área privada y restringida. Son por tanto redes de propiedad privada, de hasta unos cuantos kilómetros de extensión. Por ejemplo una oficina o un centro educativo. Se usan para conectar computadoras personales o estaciones de trabajo, con objeto de compartir recursos e intercambiar información. Están restringidas en tamaño, lo cual significa que el tiempo de transmisión, en el peor de los casos, se conoce, lo que permite cierto tipo de diseños (deterministas) que de otro modo podrían resultar ineficientes. Además, simplifica la administración de la red. Suelen emplear tecnología de difusión mediante un cable sencillo al que están conectadas todas las máquinas. Operan a velocidades entre 10 y 100 Mbps. Tienen bajo retardo y experimentan pocos errores.
Redes de Área Metropolitana (MAN) Son una versión mayor de la LAN y utilizan una tecnología muy similar. Las redes metropolitanas siguen estándares situados entre las redes de área local y las redes de área extensa. Tienen ámbitos geográficos más reducidos que las WAN y una mayor capacidad de transferencia. Actualmente esta clasificación ha caído en desuso, normalmente sólo distinguiremos entre redes LAN y WAN.
Redes de Área Amplia (WAN) Son redes que se extienden sobre un área geográfica extensa. Contiene una colección de máquinas dedicadas a ejecutar los programas de usuarios (hosts). Estos están conectados por la red que lleva los mensajes de un host a otro. Estas LAN de host acceden a la subred de la WAN por un router. Suelen ser por tanto redes punto a punto. La subred tiene varios elementos: • Líneas de comunicación: Mueven bits de una máquina a otra. • Elementos de conmutación: Máquinas especializadas que conectan dos o más líneas de transmisión. Se suelen llamar encaminadores o routers. Cada host está después conectado a una LAN en la cual está el encaminador que se encarga de enviar la información por la subred. Una WAN contiene numerosos cables conectados a un par de encaminadores. Si dos encaminadores que no comparten cable desean comunicarse, han de hacerlo a través de encaminadores intermedios. El paquete se recibe completo en cada uno de los intermedios y se almacena allí hasta que la línea de salida requerida esté libre. - 31 -
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Tema 1
Se pueden establecer WAN en sistemas de satélite o de radio en tierra en los que cada encaminador tiene una antena con la cual poder enviar y recibir la información. Por su naturaleza, las redes de satélite serán de difusión.
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