Introducción
Resumen basado en la 5 Edición Adaptada en español del libro Transmisión y Redes de
Comunicaciones.
ISBN: 978-8448620714
1. Introducción
1.1 Transmisión de datos
Efectividad de un sistema de transmisión de datos depende de 4 características:
-
-
Entrega: Los datos deben ser entregados al destinatario correcto. Los datos deben ser
recibidos por el dispositivo o usuario adecuado y solo por ese dispositivo o usuario
Exactitud: El sistema debe entregar los datos con exactitud. Los datos que se alteran
en la transmisión son incorrectos y no se pueden utilizar.
Puntualidad: El sistema debe entregarlos datos con puntualidad. Los datos entregados
tarde son inútiles. En el caso del vídeo, el audio y la voz, la entrega puntual significa
entregar los datos a medida que se producen, en el mismo ordenen que se producen y
sin un retraso significativo. Este tipo de entregas se llama transmisión en tiempo real.
Jitter (retardo variable): Se refiere a la variación en el tiempo de llegada de los
paquetes. Es el retraso inesperado en la entrega de paquetes de audio o vídeo. Por
ejemplo, asumamos que los paquetes de vídeo llegan cada 30 ms. Si algunos llegan en
30 ms y otros con 40 ms, el resultado es una mala calidad del vídeo.
1.1.1 Componentes
-
Mensaje: Es la información a comunicar
Emisor: El dispositivo que envía los datos
Receptor: El dispositivo que recibe los datos
Medio: El camino físico que por el cual viaja el mensaje del emisor al receptor
Protocolo: Conjunto de reglas que gobiernan la transmisión. Es un acuerdo entre los
dispositivos.
1.1.2 Representación de datos
-
-
Texto: Patrón de bits. Hay distintos conjuntos de patrones llamados código. El
representar los símbolos de texto se denomina codificación.
El código más usado es Unicode, que usa 32 bits para representar de forma única cada
símbolo o carácter usado en cualquier idioma del mundo.
El American Standard Code for Information Interchange (ASCII) define los 127
primeros caracteres del Unicode y también se denomina Basic Latin.
Números: Se usa también un patrón binario. Se convierte directamente a binario para
facilitar las operaciones matemáticas
-
-
Imágenes: Patrones de bits. Es una matriz de puntos(píxeles). Cada pixel es un patrón
de bits, el tamaño y valor del patrón dependen de la imagen, para una imagen en
blanco y negro se puede utilizar un solo bit. A mas colores por pixel más bits.
Audio: Grabación y emisión de sonido o música. Es continuo, no discreto.
Video: Grabación y emisión de una imagen o película. El video se puede producir como
una entidad continua(cámara TV) o como una combinación de imágenes, entidades
discretas, preparadas para dar sensación de movimiento.
1.1.3 Flujo de datos
La comunicación entre dos dispositivos puede ser:
-
Simplex: Comunicación unidireccional. Solo uno de los dispositivos transmite. Toda la
capacidad del canal es usada.
Semiduplex (Half duplex): La comunicación puede ser en ambas direcciones, pero no
al mismo tiempo. Toda la capacidad del canal es usada.
Full-duplex: Las estaciones pueden enviar y recibir simultáneamente
Las señales deben compartir la capacidad del enlace. Esta compartición se puede hacer
de dos formas:
o El enlace debe tener dos caminos de transmisión físicamente separados
o Dividir la capacidad del canal entre las dos señales
1.2 Redes
Una red es la interconexión de un conjunto de dispositivos capaces de comunicarse.
Los dispositivos pueden ser servidores, grandes computadoras, ordenador personal, portátil…
Estos dispositivos también pueden ser dispositivos de conexión como enrutadores,
conmutadores, módems…
Los dispositivos se conectan mediante medios alámbricos o inalámbricos.
1.2.1 Criterios de redes
-
Rendimiento:
Tiempo de tránsito, tiempo necesario para que un mensaje viaje desde un dispositivo
al siguiente.
El tiempo de respuesta es el tiempo que transcurre entre una petición y su respuesta.
Depende de varios factores como el medio de transmisión, el número de usuarios, la
capacidad del hardware conectado y la eficiencia del software.
Se suele medir mediante dos métricas, la tasa de transferencia y la latencia. Lo
deseable es mucha tasa de transferencia y baja latencia, pero a veces ambos son
contradictorios, ya que si queremos enviar muchos datos la latencia incrementa por la
congestión de tráfico en la red.
-
Fiabilidad: Se mide por la frecuencia de fallo, tiempo de recuperación de un enlace
ante un fallo y la robustez ante una catástrofe
-
Seguridad: Incluye aspectos como la protección frente a accesos no autorizados,
protección de datos frente a fallos y modificaciones, y la implementación de políticas y
procesos para recuperarse de caídas y perdidas de datos.
1.2.2 Estructuras físicas
Tipo de conexión
Una red está formada por dos o más dispositivos conectados a través de enlaces. Un enlace es
el medio de comunicación físico que transfiere los datos de un dispositivo a otro.
Punto a punto
-
Enlace dedicado entre dos dispositivos.
Toda la capacidad del canal se reserva parala transmisión entre ambos dispositivos.
Multipunto
-
varios dispositivos comparten el mismo enlace
En un entorno multipunto, la capacidad del canal es compartida en el espacio o en el
tiempo.
Varios dispositivos usan el enlace de forma simultánea: configuración de línea
compartida espacialmente.
Varios dispositivos usan la línea por turnos, se dice que se trata de una configuración
de línea de tiempo compartido.
Topología física
Malla: Cada dispositivo tiene un enlace punto a punto y dedicado con cualquier otro
dispositivo. El término dedicado significa que el enlace conduce el tráfico únicamente entre los
dos dispositivos que conecta. Número de enlaces n*(n-1) pero si el enlace permite
comunicación bidireccional (duplex) n*(n-1) /2
Ventajas
-
Se elimina el problema de cuando los enlaces son compartidos por varios dispositivos
Robusta
Privacidad y seguridad
Facilidad de identificar donde hay un fallo, analizar sus causas y posibles soluciones
Desventajas
-
Necesita mucho cable y puertos de entrada/salida. La masa de cables puede ser mayor
que el espacio del que se dispone.
Reconfiguración de la red difícil.
Prohibitivamente caro.
Se suele instalar en entornos reducidos como una red troncal de ordenadores principales de
una red híbrida.
Oficinas regionales de teléfonos
Estrella: Cada dispositivo solo tienen un enlace dedicado punto a punto con un controlador
central (concentrador/hub)
Ventajas
-
Fácil de reconfigurar. Conexión, desconexión y traslado de dispositivos afecta
solamente a una conexión (Dispositivo y Concentrador)
Menos cable
Robustez. Solamente el enlace afectado. Permite identificar y aislar fallos de manera
sencilla.
Desventajas
-
Todo depende de un único punto de fallo, el concentrador, si éste falla, falla toda la
red.
Aunque necesita menos cable que una malla, todavía necesita más que anillo, árbol o
bus.
Se usa en redes LAN
Bus: Conexión multipunto. Un cable actúa como red troncal donde se conectan todos los
dispositivos. En los extremos están los terminales. Los dispositivos se conectan mediante
latiguillos que van a una sonda. La sonda se conecta o pincha al cable principal.
Parte de la energía de las señales se convierte en calor, la señal se debilita, hay un limite del
número de conexiones y distancia entre conexiones.
Ventajas:
-
Sencillez de instalación. El cable troncal se puede tender por el camino mas eficiente
Menos cable
Desventajas:
-
Dificultad de reconexión/reconfiguración. Puede implicar tener que sustituir el cable
troncal.
Difícil aislar fallos. Una rotura del cable del bus interrumpe todas las transmisiones.
Reflexión de los conectores puede causar degradación. Se puede controlar limitando el
número y el espacio de los dispositivos conectados a una determinada longitud del
cable.
Fue una de las primeras topologías usadas en LANs.
Anillo: Cada dispositivo tiene una línea de conexión dedicada y punto a punto solamente con
los dos dispositivos que están a sus lados. La señal pasa a lo largo del anillo en una dirección,
o de dispositivo a dispositivo, hasta que alcanza su destino. Cada dispositivo del anillo
incorpora un repetidor. Cuando un dispositivo recibe una señal para otro dispositivo, su
repetidor regenera los bits y los retransmite al anillo
Ventajas
-
Relativamente fácil de instalar y reconfigurar. Para añadir o quitar dispositivos,
solamente hay que mover dos conexiones.
Los fallos se pueden aislar de manera sencilla. Si un dispositivo no recibe una señal
durante un periodo de tiempo puede emitir una alarma.
Desventajas
-
Limites dependientes del medio físico. Numero de dispositivos y distancia
El tráfico unidireccional puede ser una desventaja
Una rotura puede inhabilitar toda la red. Esto se pude resolver usando un anillo dual o
conmutador capaz de puentear la rotura.
Fue usada por IBM en sus LAN token ring.
1.3 Tipos de redes
El criterio para distinguir un tipo de red es difícil y confuso
Se usan como criterios para su clasificación el tamaño, cobertura geográfica y tipo de
propiedad.
1.3.1 Red de área local (LAN)
Interconexión de dispositivos capaces de comunicarse. Suele ser una red de propiedad privada.
Conecta hosts de una única oficina, edificio o campus.
Tan sencilla como dos PC y una impresora o se puede extender por toda una empresa
Cada host en una LAN tiene un identificador, una dirección, que define de manera única el host
en la LAN. Un paquete enviado por un host a otro host lleva las direcciones del host de origen y
del de destino.
cable común: un paquete enviado de un host a otro era recibido por todos los hosts. El
destinatario previsto conservaba el paquete; los demás lo dejaban caer.
conmutador de conexión inteligente: Es capaz de reconocer la dirección de destino del
paquete y guiarlo hasta su destino sin enviarlo a todos los demás anfitriones. El conmutador
alivia el tráfico en la LAN y permite que más de un par se comunique entre sí al mismo tiempo
si no hay una fuente y un destino comunes entre ellos.
1.3.2 Red de área amplia (WAN)
Es también una interconexión de dispositivos capaces de comunicación.
Diferencias con una LAN:
-
-
Una LAN normalmente es limitada en tamaño, abarcando una oficina, un edificio o un
campus; una WAN tiene un alcance geográfico más amplio (ciudad, un estado, un país
o incluso el mundo).
Una LAN interconecta los hosts; una WAN interconecta dispositivos de conexión como
conmutadores, enrutadores o módems.
Una LAN suele ser propiedad privada de la organización que la utiliza; una WAN suele
ser creada y gestionada por empresas de comunicaciones y alquilada en leasing por
una organización que la utiliza.
Tipos de WAN: WAN punto a punto y WAN conmutada.
WAN Punto a punto
Una WAN punto a punto es una red que conecta dos dispositivos de comunicación a través de
un medio de transmisión (cable o aire).
WAN Conmutada
Una WAN conmutada es una red con más de dos extremos. Podemos decir que una WAN
conmutada es una combinación de varias WAN punto a punto que están conectadas por
conmutadores.
Una interred o internet
Cuando dos o más redes se conectan, se convierten en una interred, o internet.
Cuando un anfitrión de la oficina de la costa oeste envía un mensaje a otro anfitrión de la
misma oficina, el enrutador bloquea el mensaje, pero el conmutador dirige el mensaje al
destino. Por otro lado, cuando un host de la costa oeste envía un mensaje a un host de la costa
este, el enrutador R1 encamina el paquete al enrutador R2, y el paquete llega a su destino.
1.3.3 Conmutación
Una internet es una red conmutada en la que un interruptor conecta al menos dos enlaces entre
sí. Un conmutador envía datos de una red a otra red cuando se le requiere.
-
redes de conmutación de circuitos
redes de conmutación de paquetes
Red de circuitos conmutados
Una conexión dedicada, llamada circuito, está siempre disponible entre los dos sistemas
finales; el conmutador solo puede hacerla activa o inactiva.
Los conmutadores tienen capacidad de reenvío, pero no de almacenamiento
Red de conmutación de paquetes
La comunicación entre dos ordenadores se realiza en bloques de datos individuales llamados
paquetes. Los conmutadores funcionen tanto para el almacenamiento como para el reenvío,
porque un paquete es una entidad independiente que puede ser almacenado y enviado más
tarde.
Un enrutador en una red de conmutación de paquetes tiene una cola que puede almacenar y
reenviar el paquete.
Cuando la línea de alta capacidad está a su máxima capacidad y llegan mas paquetes estos se
almacenan y reenvían mas tarde en el mismo orden.
Mas eficiente que una red de circuitos conmutada.
Los paquetes pueden sufrir algunos retrasos.
1.3.4 Internet
Internet está formada por
-
-
-
Redes troncales: Son el nivel superior. Redes propiedad de empresa de
comunicaciones como Sprint, Verizon, AT&T, NTT… Están conectadas a través de
complejos sistemas de conmutación llamados puntos de peering (intercambio directo).
Redes de proveedores: Redes más pequeñas. Utilizan los servicios de las redes
troncales por una tarifa. Están conectadas a las redes troncales y a veces a otras redes
de proveedores.
Redes de clientes: Son las redes al borde de internet. Son las que usan los servicios de
la Internet. Pagan a las redes proveedoras.
Las redes troncales y proveedoras también se denominan Proveedores de Servicios de
Internet (ISP). Las redes troncales ISP Internacionales; las redes de proveedores ISP nacionales
o regionales.
1.3.5 Acceso a Internet
Cualquier usuario puede formar parte de Internet, pero necesitas estar conectado a un ISP. La
conexión se hace normalmente mediante una WAN punto a punto.
Usando redes telefónicas
Cambiar la línea telefónica a una WAN punto a punto. Esto se puede hacer:
-
-
Servicio de marcación: Añadir un modem convierte los datos en voz. Es lento. Cuando
se utiliza para una conexión de datos no se puede utilizar para una conexión
telefónica. Útil para residencias pequeñas
DSL: Permite que la línea se utilice para voz y datos simultáneamente.
Usando cables de red
Usando la infraestructura de la televisión por cable. Mayor velocidad, pero depende del
número de usuarios usando el mismo cable.
Usando redes inalámbricas
WAN inalámbrica.
Conexión directa a Internet
Una gran organización o corporación pueden convertirse en un proveedor de servicios de
Internet local y estar conectada a la Internet. Esto puede hacerse si la organización o la
corporación arrienda una WAN de alta velocidad de un proveedor de portadores (Carrier
provider) y se conecta a un ISP regional. Por ejemplo, una gran universidad con varios campus
puede crear una red de internet y luego conectarla red a Internet.
1.4 Historia de Internet
1.4.1 Los comienzos
Las redes telegráficas y telefónicas. Estas redes eran adecuadas para la comunicación a
velocidad constante.
Una red de ordenadores debería poder manejar datos en ráfagas, lo que significa que los datos
se reciben a velocidades variables en momentos diferentes. Habría que esperar a las redes de
conmutación de paquetes.
Teoría de conmutación de paquetes Leonard Kleinrock en 1961 en el MIT. Al mismo tiempo,
Paul Baran en el Rand Institute y Donald Davies en el National Physical Laboratory de
Inglaterra, publicaron algunos artículos sobre redes de conmutación de paquetes.
ARPANET
En 1967 ARPA presentó, en una reunión de la Association for Computer Machinery (ACM), la
idea de conectar ordenadores de distintos fabricantes para que investigadores pudieran
compartir hallazgos, reduciendo costes y duplicación de esfuerzos.
Ordenadores conectados a computadoras especializadas llamadas Interface Message
Processors (IMP), estas a su vez están conectadas entre ellas.
En 1969 ARPANET era una realidad con 4 nodos en:
-
Universidad en Los Ángeles (UCLA)
Universidad de California en Santa Barbara (UCSB)
Stanford Research Institute (SRI)
Universidad de UTA.
Estaban conectados mediante IMPs
Un software denominado protocolo de control de red (NCP) proporcionaba la comunicación
1.4.2 Nacimiento de Internet
1972 Vint Cerf y Bob Kahn del grupo central de ARPANET colaboraron in un proyecto de
interconexión de redes (Internetting project). Querían enlazar redes distintas para que un host
en una red se comunicase con otro host en otra red.
Había problemas de diferentes interfaces, tamaños de paquetes y diversas velocidades.
Idearon un dispositivo llamado Gateway que servía de hardware intermediario para comunicar
redes.
TCPIP
1973 protocolos para la entrega de datos de extremo a extremo. Nueva versión de NCP. El
documento sobre el protocolo de control de transmisión (TCP) incluía conceptos como
-
Encapsulación
Datagrama
Funciones de una pasarela (Gateway)
Transferir control de corrección de errores de la IMP al host.
En octubre 1977 se demostró con éxito una Internet que consistía en tres redes diferentes
(ARPANET, radio de paquetes y satélite de paquetes)
Se decidió partir TCP en dos protocolos: TCP ( Transmission Control Protocol ) e IP
(Internetworking Protocol)
IP es responsable de manejar el enrutamiento de datagramas y TCP de funciones de más alto
nivel, como la segmentación, reagrupamiento y detección de errores.
El protocolo de interconexión pasó a conocerse como TCP/IP.
En 1981 se modifico UNIX para incluir TCP/IP
En 1983 se abolieron los protocolos originales de ARPANET. TCP/IP se convirtió en protocolo
oficial de ARPANET
MILNET
En1983, ARPANET se dividió en dos redes: Red Militar (MILNET)para usuarios militares y
ARPANET para usuarios no militares.
CSNET
1981 la Red de Ciencias de la Computación (CSNET) fue una red patrocinada por la Fundación
Nacional de Ciencias (NSF). Concebida por universidades que no reunían los requisitos para
unirse a ARPANET.
Era menos costosa; no había enlaces redundantes y la tasa de transferencia era más lenta.
A mediados de la década de 1980, la mayoría de las universidades de EE. UU. con
departamentos de informática formaban parte de CSNET. Otras instituciones y compañías
también estaban formando sus propias redes y usando TCPAP para interconectarse. El término
Internet, originalmente asociado con las redes conectadas financiadas por el Gobierno, se
refería ahora a las redes conectadas que utilizaban protocolos TCP/IP.
NSFNET
Con el éxito de CSNET, la NSF patrocinó en 1986 la Red de la Fundación Nacional de Ciencias
(NSFNET), una columna vertebral que conectaba cinco centros de supercomputación ubicados
en todo Estados Unidos. A las redes comunitarias se les permitió el acceso a esta red troncal,
una línea T-1 con una velocidad de datos de 1.544-Mbps, proporcionando así una conexión a
través de los Estados Unidos. En 1990, ARPANET se retiró oficialmente y fue reemplazada por
NSFNET. En 1995, NSFNET volvió a su concepto original de una red de investigación.
ANSNET
En 1991, el gobierno de los Estados Unidos decidió que NSFNET no era capaz de soportar el
rápido aumento del tráfico de Internet. Tres compañías, IBM, Merit y Verizon, llenaron el vacío
formando una organización sin fines de lucro llamada Advanced Network & Services (ANS)
para construir una nueva red troncal de Internet de alta velocidad llamada Advanced Network
Services Network (ANSNET).
1.4.3 Internet en la actualidad
World Wide Web
Años 90. Inventada por Tim Berners-Lee en el CERN. Aplicaciones de internet y aplicaciones
comerciales.
Multimedia
Voz sobre IP, video sobre IP y TV por IP
Aplicaciones Peer-to-peer
Las redes entre pares (peer to peer) también son una nueva área de comunicación con mucho
potencial.
1.5 NORMAS Y ADMINISTRACIÓN
1.5.1 Normas de Internet
Una especificación que se ha demostrado útil a la que se adhieren aquello que trabajan en
Internet.
Hay un procedimiento por el que un borrador llega a ser un estándar.
Un borrador de Internet es un documento de trabajo si estatus oficial y tiempo de vida de seis
meses. Bajo recomendación de las autoridades de Internet un borrador se puede publicar
como Request for Comment(RFC). La RFC es numerada y puesto a disposición de todas las
partes interesadas. Las RFCs pasan por niveles de madurez y se categorizan dependiendo de su
nivel de requisitos.
Niveles de Madurez
-
-
-
-
-
Norma propuesta (Proposed standard): Es una especificación estable, bien entendida
y de suficiente interés para la comunidad de Internet. La especificación suele ser
probada y aplicada por varios grupos diferentes.
Proyecto de Estándar/Norma (Draft Standard): Después de al meno dos
implementaciones exitosas independientes e interoperables. Salvo dificultades, se
convierte en un estándar de internet. Puede tener modificaciones si hay problemas
específicos.
Estándar de Internet (Internet Standard): Un proyecto de estándar alcanza la
categoría de estándar de Internet tras comprobarse que su implementación ha tenido
éxito.
Histórico (Historic): Sustituidos por especificaciones posteriores o nunca han superado
los niveles de madurez necesarios para ser un estándar. Interés histórico.
Experimental: Relacionado con una situación experimental que no afecta al
funcionamiento de la Internet. Tal RFC no debe implementarse en ningún servicio
funcional de Internet.
Informativo (Informational): Contiene información general, histórica o
tutorial relacionada con Internet. Normalmente lo escribe alguien de una organización
que no es de Internet, como un distribuidor.
Niveles de requerimientos
-
Requerido (Required): Debe ser implementado por todos los sistemas de Internet
para lograr una conformidad mínima. Ejemplos: IP, ICMP
Recomendado (Recommended): No se requiere para conformidad mínima, pero se
recomienda por su utilidad. Ejemplos: FTP, TELNET
Optativo (Elective): Ni se requiere ni se recomienda. Un sistema puede utilizarlo en su
propio beneficio.
De uso limitado (Limited use): Se debe usar solamente en situaciones limitadas. La
mayoría de las RFC experimentales.
No recomendado (Not recommended): No apropiado para su uso general.
Generalmente RFCs históricos.
1.5.2 Administración de Internet
ISOC
Internet Society. Sin ánimo de lucro creada en 1992 para apoyar al proceso de elaboración de
normas. Lo hace manteniendo y apoyando órganos administrativos como IAB, IRTF y la IANA.
Promueve la investigación y actividades académicas relacionadas con internet.
IAB
Junta de arquitectura de Internet (Internet Architecture Board). Asesor técnico de la IOC.
Principales objetivos son supervisor el desarrollo del conjunto de protocolos TCP/IP y prestas
asesoramiento técnico a los miembros de la comunidad de Internet que realizan
investigaciones.
Gestión editorial de las RFCs. Es también el enlace externo entre la Internet y otras
organizaciones y foros de estándares.
Lo hace a través de dos sus componentes principales Grupo de trabajo de Ingeniería de
Internet (IETF) y el Grupo de trabajo de Investigación de Internet (IRTF)
IETF
Foro de grupos de trabajo gestionado por el Grupo Directivo de Ingeniería de Internet (IESG).
Se encarga de identificar los problemas operacionales y proponer soluciones a estos
problemas.
Desarrolla y revisa las especificaciones destinadas a ser normas de Internet.
Los grupos de trabajo se agrupan en áreas, y cada área se concentra en un tema específico.
Actualmente se han definido nueve áreas, entre ellas
-
Aplicaciones
Protocolos
Enrutamiento
gestión de redes de próxima generación (IPng)
seguridad.
IRTF
Es un foro de grupos de trabajo gestionado por el Grupo Directivo de Investigación de Internet
(IRSG). Se centra en temas de investigación a largo plazo relacionados con protocolos,
aplicaciones, arquitectura y tecnología de Internet.
2. Modelos de Red
2.1 Arquitectura por Niveles
2.1.2 Principios de la arquitectura por niveles
Primer principio: Cada nivel debe de ser capaz de hacer dos tareas opuestas. Cifrar/Descifrar
Enviar/Recibir
Segundo principio: Dos objetos bajo cada nivel en ambos lados de la comunicación deben ser
idénticos.
2.1.3 Conexiones Lógicas
Después de seguir los dos principios tenemos conexiones lógicas entre cada nivel, esto es, hay
una comunicación entre cada nivel.
2.2 Conjunto de protocolos de Internet
TCP/IP es un conjunto de protocolos que se usa en Internet
Es un protocolo jerárquico compuesto de módulos interactivos, cada uno proporciona una
funcionalidad específica. Jerárquico significa que cada protocolo de nivel superior se apoya en
los servicios provistos por uno o mas protocolos de la capa inferior.
EL conjunto original de TCP/IP se definía como 4 capas de software construidas sobre el
hardware. Hoy en día se considera un modelo de 5 niveles.
2.2.1 Arquitectura de Niveles
Para mostrar los niveles de TCP/IP usamos un ejemplo de 3 LANs, cada una de ellas conectada
a un conmutador. Los conmutadores están conectados por un enrutador.
Supongamos que el ordenador A se quiere comunicar con el ordenador B
La comunicación involucra 5 dispositivos ordenador A, ordenador B, conmutador de enlace 1,
conmutador de enlace 2 y enrutador.
Cada dispositivo trabaja con un conjunto de niveles, dependiendo del role del mismo.
Los ordenadores usan los 5 niveles ya que el host origen créate un mensaje en el nivel de
aplicación que debe llegar al host destino, el cual acaba recibiendo el mensaje en el nivel de
aplicación.
El enrutador está involucrado en 3 niveles. En el enrutador solo encontramos un nivel de red,
pero podemos tener N combinaciones de enlace de datos y físico, donde N es el número de
enlaces a los que se conecta. Esto es así ya que cada conexión puede tener su propio protocolo
de enlace y físico.
En cambio, el conmutador, solo está involucrado en los niveles de enlace y físico. Aunque tiene
dos conexiones, las conexiones están en el mismo enlace, que utiliza el mismo conjunto de
protocolos.
2.2.2 Niveles en el conjunto de protocolos TCP/IP
El papel de los niveles de Aplicación, transporte y redes es extremo a extremo. Sin embargo,
de nivel de enlace de datos y físico es salto a salto. Un salto lo realiza un host o un enrutador.
El dominio del servicio de los 3 niveles superiores es Internet, y el de los 2 inferiores es el
vínculo.
La unidad de datos creada en los 3 niveles superiores no debería poder cambiarla ningún
enrutador o conmutador de nivel de enlace. En los niveles inferiores, el paquete creado por el
anfitrión es cambiado solamente por los enrutadores, no por los conmutadores del nivel de
enlace.
Aunque la conexión a nivel de red se hace entre los dos anfitriones, solo podemos decir que
hay dos objetos idénticos en este caso ya que un enrutador puede fragmentar el paquete en el
nivel de red y enviar mas paquetes de los que recibe (fragmentación en Cap. 14)
2.2.3 Descripción de cada Nivel
Nivel Físico
Es responsable de transportar los bits individuales en una trama (del nivel de enlace de datos,
frame) a través del enlace.
Sigue siendo una comunicación lógica ya que debajo hay otro nivel, el medio de transmisión
que transporta señales eléctricas u ópticas.
Nivel de enlace de datos
Un datagrama puede recorrer múltiples enlaces hasta el destinatario. Los enrutadores eligen el
mejor camino/enlace, pero el nivel de enlace de datos es el responsable de mover el
datagrama a través del enlace.
El enlace puede ser una LAN cableada, una inalámbrica, un WAN cableada o una WAN
inalámbrica.
Podemos tener diferentes protocolos utilizados con cualquier tipo de enlace.
Es el nivel responsable de mover el paquete a través del enlace.
TCP/IP no define ningún protocolo específico. Es compatible con todos los protocolos estándar
y patentados. Cualquier protocolo capaz de encapsular un datagrama en un marco y
transportarlo por el enlace es suficiente para el nivel de red.
Cada protocolo de nivel de enlace puede proporcionar un servicio diferente. Algunos
proporcionan una completa detección y corrección de errores, otros proporcionan solo
corrección de errores.
Nivel de Red
El nivel de red es responsable de crear una conexión entre el ordenador de origen y el de
destino. La comunicación es de dispositivo a dispositivo (host-to-host).
Los enrutadores en el trayecto son responsables de elegir la mejor ruta para cada paquete.
Podemos decir que la capa de la red es la responsable de la comunicación de host a host y del
enrutamiento del paquete a través de las posibles rutas.
Separar las tareas nos permite usar menos protocolos en los enrutadores
-
-
el protocolo de Internet (IP):
o define el formato del paquete, llamado datagrama.
o Se definen el formato y la estructura de las direcciones.
o Es responsable del enrutamiento.
o Es un protocolo sin conexión que no proporciona ningún control de flujo,
ningún control de errores, y ningún servicio de control de congestión.Si se
requiere alguno de estos servicios para una solicitud, esta debe basarse
únicamente en el protocolo de nivel de transporte.
o El nivel de trabajo en la red también incluye herramientas de enrutamiento
unidifusión (uno a uno, one-toone) y multidifusión (uno a muchos, one-tomany).
o Un protocolo de enrutamiento no participa en el enrutamiento (es
responsabilidad del IP), pero crea tablas de reenvío para los en rutadores
Protocolos auxiliares que ayudan al IP
o ICMP: reportar problemas al enrutar un paquete.
o IGMP: es otro protocolo que ayuda al IP en la multitarea.
o DHCP: ayuda al IP a obtenerla dirección del nivel de
red de un host.
o ARP: es un protocolo que ayuda al IP a encontrar la dirección de la capa de
enlace de un host o un enrutador cuando le es dada la dirección de su
nivel de red.
Nivel de Transporte
Es también de extremo a extremo. En origen recibe el mensaje de la capa de aplicación, lo
encapsula en un paquete de nivel de transporte (llamado segmento o datagrama de usuario en
diferentes protocolos). En destino desencapsula el mensaje de aplicación que viene
encapsulado y lo entrega al nivel de aplicación.
Hay más de un protocolo en el nivel de transporte
El protocolo principal, el protocolo de control de transmisión (TCP), es un protocolo
orientado a la conexión que primero establece una conexión lógica antes de transferir los
datos.
El TCP proporciona:
-
control de flujo (haciendo coincidir la tasa de datos de envío del host de origen con la
tasa de datos de recepción del host de destino para evitar que se sobrepase el destino)
control de errores (para garantizar que los segmentos lleguen al destino sin errores y
reenviando los corruptos)
control de congestión para reducir la pérdida de segmentos debido a la congestión de
la red.
Protocolo de datagramas de usuario (UDP), es un protocolo sin conexión que transmite los
datagramas de usuario sin crear primero una conexión lógica.
Cada datagrama de usuario es una entidad independiente sin estar relacionada con la anterior
o la siguiente (el significado del término sin conexión).
No proporciona control de flujo, de errores o de congestión.
Es interesante para un programa de aplicación que necesita enviar mensajes cortos y no puede
permitirse la retransmisión de los paquetes involucrados en el TCP, cuando
un paquete se corrompe o se pierde.
Un nuevo protocolo, el protocolo de transmisión de control de flujo (SCTP), está diseñado
para responder a las nuevas aplicaciones que están surgiendo en los multimedia.
Nivel de Aplicación
Conexión lógica entre los dos niveles de aplicación es de extremo a extremo.
La comunicación es entre dos procesos (dos programas que se ejecutan en
este nivel).
Para comunicarse, un proceso envía una solicitud al otro proceso y recibe una respuesta.
En la Internet hay muchos protocolos. HTTP, FTP, SMTP, TELNET, SSH,SNMP, DNS, IGMP…
La comunicación entre procesos es la tarea propia del nivel de aplicación.
2.2.4 Encapsulado y desencapsulado
En los interruptores de la capa de enlace no se produce encapsulado/desencapsulado.
Encapsulado en el host fuente
En la fuente solo tenemos encapsulado.
1. En el nivel de aplicación, los datos que se intercambian se denominan «mensaje». Un
mensaje normalmente no contiene ningún encabezado o trailer, pero si lo hace, nos referimos
al conjunto como el mensaje.
2. Añade el encabezado del nivel de transporte a la carga útil, que contiene los identificadores
de los programas de aplicación de origen y destino, además de alguna información más que se
necesita para la entrega del mensaje de principio a fin, como la información necesaria para el
flujo, el control de errores o el control de la congestión.
El resultado es el paquete del nivel de transporte, que se llama el segmento (en TCP) y el
datagrama de usuario (en UDP).
3. Añade su propio encabezamiento a la carga útil. El encabezado contiene las direcciones de
los hosts de origen y destino y alguna información más utilizada para la comprobación de
errores del encabezado, información de fragmentación, etc. El resultado es el paquete de
nivel de red, llamado datagrama.
4. Añade su propio encabezamiento, que contiene las direcciones del nivel de enlace del host
o del siguiente salto (el enrutador). El resultado es el paquete del nivel de enlace, que se
denomina trama.
Desencapsulado y encapsulado en el enrutador
En el enrutador, tenemos tanto desencapsulado como encapsulado porque dicho enrutador
está conectado a dos o más enlaces.
1. Después de que el conjunto de bits sea entregado al nivel de enlace de datos, este nivel
desencapsula el datagrama de la trama y lo pasa al nivel de red.
2. El nivel de red solo inspecciona las direcciones de origen y destino en el encabezamiento
del datagrama y consulta su tabla de reenvío para encontrar el siguiente salto al que se debe
entregar dicho datagrama. El contenido del datagrama no debe ser cambiado por el nivel de
red en el enrutador a menos que haya necesidad de fragmentar el datagrama si es demasiado
grande para ser trasladado al siguiente enlace.
3. El nivel de enlace de datos del siguiente enlace encapsula el datagrama en una trama y lo
pasa al nivel físico para su transmisión.
Desencapsulado en el host de destino
En el host de destino, cada nivel solo desencapsula el paquete recibido, retira la carga útil y
entrega la carga útil al protocolo del siguiente nivel superior hasta que el mensaje llega a la
capa de aplicación. Es necesario decir que la desencapsulación en el host implica la
comprobación de errores.
2.2.5 Direccionamiento
Cualquier comunicación que involucre a dos partes necesita dos direcciones: dirección de
origen y dirección de destino. Se necesitan 4 pares de direcciones ya que el nivel físico no
necesita direcciones. La unidad de intercambio en el nivel físico es el bit, que por definición no
puede tener dirección.
En el nivel de aplicación, utilizamos nombres como someorg.com,o el correo electrónico,
como alguien@coldmail.com.
Enel nivel de transporte, las direcciones son el número de puerto. Los números de puerto son
direcciones locales que distinguen entre varios programas que se ejecutan al mismo tiempo.
En el nivel de red, las direcciones son globales, con todo Internet como alcance. Una dirección
del nivel de red define de manera única la conexión de un dispositivo a Internet.
Las direcciones del nivel de enlace, a veces llamadas direcciones MAC, son direcciones
definidas localmente, cada una de las cuales define un host o enrutador específico en una red
(LAN o WAN).
2.2.6 Multiplexación y demultiplexación
Multiplexación: Varios protocolos de un nivel pueden ser encapsulados por el nivel inferior
(uno cada vez).
Demultiplexación: Un nivel inferior desencapsular varios protocolos para el nivel superior(uno
cada vez).
Para poder multiplexar y demultiplexar, un protocolo necesita tener un campo en su cabecera
para identificar a qué protocolo pertenecen los paquetes encapsulados. En el nivel de
transporte, tanto UDP como TCP pueden aceptar un mensaje de varios protocolos de niveles
de aplicación. En la capa de red, el IP puede aceptar un segmento de TCP o un datagrama de
usuario de UDP. El IP también puede aceptar un paquete de otros protocolos como ICMP,
IGMP, etc. En el nivel de enlace de datos, una trama puede llevar la carga útil procedente del
IP o de otros protocolos como el ARP
2.3 El modelo OSI
Definido por ISO.
Consiste en 7 niveles.
2.3.1 OSI versus TCP/IP
Hay dos niveles más, presentación y sesión. Generalmente, en TCP/IP, se considera que el nivel
de aplicación es la combinación de los 3 niveles OSI.
Razones para esta decisión:
-
-
TCP/IP tiene mas de un protocolo de nivel de transporte. Algunas de las
funcionalidades de del nivel de sesión están disponibles en algunos de los protocolos
del nivel de transporte.
El nivel de aplicación no es solo un trozo de software, en él se pueden desarrollar
aplicaciones, y si algunas de las funcionalidades de los niveles de sesión o presentación
son necesarias para una aplicación concreta, pueden incluirse en su desarrollo.
2.3.2 El modelo OSI careció de éxito
OSI apareció después del conjunto de protocolos TCP/IP.
Los expertos se entusiasmaron y pensaron que sustituiría a TCP/IP.
Razones:
El OSI se completó cuando el TCP/IP estaba completamente en su lugar y se había dedicado
mucho tiempo y dinero a esta suite; cambiarla costaría mucho.
Algunos niveles del modelo OSI nunca se definieron completamente. Los servicios prestados
por los niveles de presentación y sesión se enumeraron en el documento, los protocolos reales
de esos dos niveles no se definieron plenamente, ni se describieron completamente, y los
programas informáticos correspondientes no estaban desarrollados en su totalidad.
Cuando la OSI fue implementada por una organización en una aplicación diferente, no mostró
un nivel de rendimiento lo suficientemente alto como para atraer a la autoridad de Internet a
cambiar del conjunto de protocolos TCP/IP al modelo OSI.
3. Introducción al nivel físico
Una de las principales funciones del nivel físico es trasladar datos en forma de señales
electromagnéticas a través de un medio de transmisión.
3.1 Datos y señales
Tanto los datos como las señales que los representan pueden ser analógicas o digitales
3.1.1 Datos analógicos y digitales
Datos analógicos: Información continua.
Datos digitales: Información que tiene estados discretos.
3.1.2 Señales analógicas y digitales
Señal analógica tiene infinitos valores de intensidad durante un periodo de tiempo.
Señal digital solo puede tener un número limitado de valores definidos.
3.1.3 Periódica y no periódica
Una señal periódica completa una pauta dentro de un marco temporal mensurable, llamado
periodo, y repite esa pauta en periodos posteriores idénticos. La finalización de una pauta
completa se denomina ciclo. Una señal no periódica cambia sin exhibir un patrón o ciclo que se
repite a lo largo del tiempo.
Tanto las señales analógicas como las digitales pueden ser periódicas o no periódicas. En las
comunicaciones de datos, comúnmente usamos señales analógicas periódicas y señales
digitales no periódicas.
3.2 SEÑALES PERIÓDICAS ANALÓGICAS
Simples o compuestas. Simple, una onda seno (función seno), no puede ser descompuesta en
señales más simples. Compuesta está compuesta de múltiples ondas seno.
3.2.1 Ondas seno
Es la forma más fundamental.
Una onda seno puede ser representada por tres parámetros: la amplitud pico o máxima, la
frecuencia y la fase.
Amplitud pico
La amplitud pico de una señal es el valor absoluto de su mayor intensidad, proporcional a la
energía que transporta.
Periodo y frecuencia
Periodo se refiere a la cantidad de tiempo, en segundos, que una señal necesita para
completar 1 ciclo. Frecuencia se refiere al número de periodos en 1 s. El periodo es el inverso
de la Frecuencia, y la Frecuencia es el inverso del periodo.
La frecuencia es la tasa de cambio con respecto al tiempo. El cambio en un corto lapso de
tiempo significa alta frecuencia. El cambio en un largo lapso de tiempo significa baja
frecuencia.
Si una señal no cambia en absoluto, su frecuencia es cero.
Si una señal cambia instantáneamente, su frecuencia es infinita.
3.2.2 Fase
La fase, o desplazamiento de fase, describe la posición de la onda con relación al tiempo 0.
La fase se mide en grados o radianes
Un desplazamiento de fase de 360 corresponde a un desplazamiento de un periodo completo;
un desplazamiento de fase de 180 corresponde a un desplazamiento de la mitad de un
periodo; y un desplazamiento de fase de 90 corresponde a un desplazamiento de la cuarta
parte de un periodo.
3.2.3 Longitud de onda
3.2.4 Dominios del tiempo y la frecuencia
Una onda seno completa en el dominio del tiempo puede ser representada por un solo pico en
el dominio de la frecuencia.
3.2.5 Señales compuestas
Una señal compuesta está hecha de muchas ondas seno simples.
Una onda seno de una sola frecuencia no es útil en las comunicaciones de datos; necesitamos
enviar una señal compuesta de muchas ondas senoidales simples.
Según el análisis de Fourier, cualquier señal compuesta es una combinación de ondas
senoidales simples con diferentes frecuencias, amplitudes y fases.
Señal compuesta periódica: Se descompone en un conjunto de ondas seno de frecuencias
discretas, frecuencias que tienen valores enteros.
Señal compuesta no periódica: Se descompone en un número infinito de ondas seno con
frecuencias continuas, frecuencias con valores reales.
La amplitud de la onda seno con frecuencia f es casi la misma que la amplitud pico de la señal
compuesta.
La amplitud de la onda sinusoidal con frecuencia 3f es un tercio de la de la primera, y la
amplitud de la onda seno con frecuencia 9f es una novena parte de la primera. La frecuencia
de la onda seno con frecuencia f es la misma que la de la señal compuesta; se llama la
frecuencia fundamental o primer armónico. La onda sinusoidal con frecuencia 3f tiene una
frecuencia de 3 veces la frecuencia fundamental; se llama el tercer armónico. La tercera onda
seno con frecuencia 9f tiene una frecuencia de 9 veces la frecuencia fundamental; se llama el
noveno armónico.
Onda no periódica, por ejemplo, voz humana en un micrófono. El número de frecuencias es
infinito, pero el rango es limitado, entre 0 y 4kHz
Es una curva continua, número infinito de frecuencias entre 0 y 4kHz.
3.2.6 Ancho de banda
El rango de frecuencias que contiene una señal compuesta es su ancho de banda.
El ancho de banda de una señal compuesta es la diferencia entre las frecuencias más altas y
bajas contenidas en esa señal.
3.3. SEÑALES DIGITALES
Además de representarse como una señal analógica, la información también se puede
representar mediante una señal digital.
1 = Voltaje positivo
0 = Voltaje negativo
Una señal digital puede tener más de dos niveles. En ese caso se puede enviar más de 1 bit por
nivel.
L niveles log2L bits
3.3.1 Tasa de bits
La mayoría de las señales digitales no son periódicas, por tanto, el periodo y frecuencia no son
características apropiadas. Para describirlas se usa tasa de bits, número de bits por segundo
(bps)
3.3.2 Intervalo de bit
Es la distancia que ocupa un bit en el medio de transmisión.
Intervalo de bit = velocidad de propagación x duración del bit
3.3.3 La señal digital como una señal analógica compuesta
Según Fourier, una señal digital es una señal analógica compuesta.
El ancho de banda es infinito, segmentos horizontales de la señal frecuencia cero, segmentos
verticales, cambio inmediato, frecuencia infinita. La señal va de frecuencia 0 a infinito.
Si la señal es periódica la señal descompuesta tiene un ancho de banda infinito, pero las
frecuencias son continuas.
3.3.4 Transmisión de señales digitales
Una señal digital es una señal analógica compuesta por un ancho de banda infinito.
Se puede transmitir usando transmisión en banda base o banda ancha (usando modulación)
Transmisión en banda base
Se envía una señal digital por un canal sin cambiar la señal digital a una analógica.
Requiere de un canal paso-baja, un canal con un ancho de banda que empieza en 0
Se usa si se tienen un medio dedicado con un único canal, por ejemplo, un cable que une dos
ordenadores, o que varios ordenadores están en un BUS, pero solo 2 se pueden comunicar a la
vez.
Canal paso-baja con ancho de banda amplio y limitado. Uno con ancho de banda infinito es
ideal, pero en la vida real no se pueden tener, solo nos podemos aproximar.
Caso 1: Canal paso-baja con ancho de banda amplio
Si se quiere conservar la forma de la señal digital se debe enviar el espectro completo.
Es posible entre CPU y memoria, pero no entre dos dispositivos.
Las amplitudes de las frecuencias en los extremos son tan pequeñas que se pueden ignorar.
Aunque la señal no es exacta a la original se puede deducir.
La transmisión en banda base de una señal digital que preserva su forma solo es posible en un
canal paso-baja con un ancho de banda infinito o muy grande.
Caso 2: Canal paso-baja de ancho de banda limitado
La señal digital se aproxima a una señal analógica.
El nivel de aproximación depende del ancho de banda.
Peor de los casos 1010101010…. ó 0101010101….
Primera Aproximación
Supongamos N bits, se necesita una señal de frecuencia N/2, 1 pico positivo, 0 pico negativo, 2
bits por ciclo.
Se necesitan más frecuencias para enviar otros patrones.
Patrón de 3 bits.
000 y 111 frecuencia 0 y fase 0 y 180 respectivamente
010 y 101 frecuencia N/2 y fase 180 y 0 respectivamente
Los otros casos 001, 011, 110, 100 frecuencia N/4 y fase 180, 270, 90 y 0
Ancho de banda N/2 – 0 = N/2
Mejor Aproximación
Para que la señal se parezca mas a la señal digital hay que añadir más armónicos.
Se puede incrementar el ancho de banda a 3N/2, 5N/2, 7N/2
En la transmisión en banda base el ancho de banda es proporcional la tasa de bits; para enviar
los bits más deprisa, se necesita más ancho de banda.
Transmisión en banda ancha (usando modulación)
Implica cambiar la señal digital a una señal analógica.
Permite usar un canal paso banda; canal que con ancho de banda que no empieza en 0. Este
tipo de canal está más disponible.
Si el canal disponible es un canal paso banda, no se puede enviarla señal digital directamente
al canal; convertiremos la señal digital en analógica antes de transmitir.
Ejemplo: Envío de datos a través de una línea telefónica.
3.4 DETERIORO DE LA TRANSMISIÓN
Atenuación, distorsión y ruido
3.4.1 Atenuación
Perdida de energía. Parte de la energía se convierte en calor. Para compensar se usan
amplificadores.
Decibelio
Para medir si una señal ha perdido potencia. Mide las potencias relativas de dos señales o de
una señal en dos puntos.
El dB es negativo la señal se ha atenuado, si positivo se ha amplificado.
Algunas veces el dB se define en términos del voltaje. Ya que la potencia es proporcional al
cuadrado del voltaje la fórmula es dB = 20 log10(V2/V1)
Se usan dB por que se pueden sumar o restar cuando se miden varios puntos.
dB= -3 +7 -3=+1
Algunas veces se usa para medir potencia en milivatios. En ese caso se indica dBm
dBm = 10 log10 Pm, donde Pm es la potencia en milivatios
3.4.2 Distorsión
La señal cambia su forma de onda. Ocurre en una señal compuesta. Cada señal tiene su
velocidad de propagación y su propio retraso. Las diferencias en los retrasos pueden crear un
desfase si el retraso no es el mismo que la duración de periodo. Por tanto, los componentes de
la señal tienen fases distintas a las que tenían en el emisor.
3.4.3 Ruido
Hay varios tipos, térmico, inducido, comunicaciones cruzadas y ruidos de impulsos.
Térmico: Movimiento aleatorio de electrones que crea una señal extra
Inducido: Fuentes externas como motores y electrodomésticos.
Cruces de comunicaciones: Efecto de un cable sobre otro.
Ruido de impulso: Es un pico, una señal con alta energía en un periodo de tiempo muy corto,
que viene de líneas de potencia, iluminación.
Relación Señal/Ruido (SNR)
Es la relación entre lo que se quiere (señal) y lo que no se quiere (ruido)
SNR alto menos corrompida, SNR bajo más corrompida.
Debido a que es la relación de dos potencias, se describe en dB. SNRdB = 10 log10 SNR
3.5 LÍMITES DE LA VELOCIDAD DE TRANSMISIÓN
Depende en Ancho de Banda, nivel de las señales y calidad del canal (ruido)
3.5.1 Canal sin ruido: tasa de bits de Nyquist
Tasa de Bits = 2 x ancho de banda x log2L L es el número de niveles de señal.
Teóricamente se puede incrementar el número de niveles para obtener mas tasa, pero implica
que el receptor soporte mas carga y debe ser mas sofisticado.
Incrementar los niveles de la señal puede reducir la fiabilidad del sistema.
3.5.2 Canal con ruido: capacidad de Shannon
No se puede tener un canal sin ruido. Capacidad = ancho de banda x log2 (1 + SNR)
En la fórmula no se menciona en número de niveles, lo que significa que no importa el número
de niveles, no se puede conseguir una velocidad mayor que la capacidad del canal. Por tanto,
se está definiendo una característica del canal, no el método de transmisión.
Cuando SNR es muy alta es casi igual a SNR. Se puede simplificar a C = B x SNRdB / 3
3.5.3 Usando ambos límites
Se usan ambos límites para encontrar los límites y los niveles de la señal.
Tenemos un canal con un ancho de banda de 1 MHz. La SNR de este canal es 63. ¿Cuáles son la
velocidad y el nivel de la señal apropiados?
Shannon para calcular el límite superior
C = B log2(1 + SNR) = 106 x log2(1 + 63) = 106 x log264 = 6 Mbps
Para mejorar rendimiento tomamos 4Mbps
Nyquist para hallar número de niveles
4 Mbps = 2 x 1 MHz x log2L --> L=4
La capacidad de Shannon nos da el límite superior; la fórmula de Nyquist nos dice cuántos
niveles de señal son necesarios.
3.6 RENDIMIENTO
3.6.1 Ancho de banda
Se usa en dos contextos, medir en Hercios, frecuencias que contiene una señal o que soporta
un canal, y en bits por segundo
Hay una relación entre los dos. Un incremento del ancho de banda en Hercios significa un
incremento en ancho de banda en bits por segundo. Esta relación depende de si se usa en
transmisión en banda base o en banda ancha/modulación.
3.6.2 Tasa de transferencia efectiva (throughput)
Es menor que el ancho de banda en bps del canal, por ejemplo un enlace puede soportar
1Mbps, pero los dispositivos solo soportan 200 Kbps
3.6.3 Latencia
Cuanto tarda un mensaje completo en llegar a su destinatario desde que el primer bit es
enviado.
Latencia = tiempo de propagación+ tiempo de transmisión + tiempo de cola + retardo de
proceso
Tiempo de propagación
Tiempo que necesario para que un bit llegue al destino. Tiempo de propagación =
distancia/velocidad de propagación
Tiempo de transmisión
Tiempo de transmisión = tamaño del mensaje / ancho de banda
Tiempo de cola
El tiempo necesario para que cada dispositivo intermedio mantenga el mensaje en espera
antes de que pueda procesarlo.
Cuando hay mucha carga de tráfico el tiempo de cola aumenta.
3.6.4 Producto ancho de banda-retardo
Es el número de bits que pueden llenar el canal
El ancho de banda y el retardo son dos medidas de rendimiento de un enlace.
Lo importante es el producto de las 2. Cuantos bits llenan el enlace. Ejemplo: 5 bps y 5s de
retardo significa que podemos tener en el enlace 25 bits.
Es importante si queremos enviar datos en ráfagas y esperar confirmación antes de enviar la
siguiente. Para usar la máxima capacidad del enlace el tamaño de cada ráfaga debe ser dos
veces el producto ancho de banda-retardo, full duplex (bidireccional)
3.6.5 Fluctuación del retardo (Jitter)
Distintos paquetes de datos llegan con distintos retardos y la aplicación que usa los datos es
sensible al tiempo (audio, video)
4. Transmisión digital
Datos digitales o analógicos transmitidos mediante señales digitales.
4.1 Conversión digital
Codificación de línea, codificación de bloques y aleatorización (scrambling)
Codificación de línea siempre necesaria, las otras dos pueden no serlo.
4.1.1 Codificación de línea
Se asume que lo datos están almacenados como secuencias de bits. La secuencia de línea
convierte una secuencia de bits en una señal digital.
Características
Elemento de señal frente a elemento de datos
Elemento de datos: entidad mas pequeña que representa una pieza de información. Bit. Es lo
que necesitamos enviar.
Elemento de señal: Es la unidad mas corta de una señal digital. Es lo que podemos enviar.
Un elemento de señal lleva elementos de datos. Los elementos de datos son transportados, los
elementos de señal son los portadores.
Tasa r número de elementos de datos por cada elemento de señal.
Tasa de datos frente a tasa de señales
Tasa de datos (tasa de bits): Elementos de datos(bits) enviados por segundo, bps
Tasa de señales (tasa de pulsos, de modulación o de baudios): número de elementos de señal
enviados por segundo, baudios.
Un objetivo es incrementar la tasa de datos (incrementa velocidad de transmisión) y reducir la
tasa de señales (reducir requisitos de ancho de banda).
Relación entre tasa de datos (N) y tasa de señales (S) S = N/r
El factor depende de r, pero también del patrón de datos, un patrón todo 1 o todo 0 puede
tener una tasa de señales diferente de un patrón donde se alternan 0 y 1
Para obtener una fórmula nos fijamos en el caso peor (máxima tasa de señales), medio y mejor
(mínima tasa de señales). Normalmente nos interesa el caso medio.
N: tasa de datos c: factor de caso S: tasa de señales r: factor de elementos de datos y señal
Ancho de banda
Aunque el ancho de banda real de una señal digital es infinito, el ancho de banda efectivo es
finito.
La tasa de baudios determina el ancho de banda requerido para una señal digital.
Mas cambios en la señal significa mas frecuencias en la señal
No solo se necesita saber el ancho de banda, también la frecuencia mínima/máxima, amplitud
e incluso fase. (Diagrama de ancho de banda)
Variaciones de la línea base
Receptor calcula la media de la potencia de la señal, se denomina línea base
La potencia de la señal se compara con esa línea base para determinar el valor del elemento
de datos.
Una larga secuencia de 0 o 1 puede provocar una deriva en la línea base (variaciones de la
línea base) y dificulta la decodificación correcta. Un buen esquema de codificación debe evitar
las variaciones de la línea base.
Componentes DC
Cuando un nivel de voltaje de una señal digital es constante durante bastante tiempo aparecen
frecuencias muy bajas cercanas a 0 denominadas componentes DC (corriente continua).
Generan problemas en sistemas que no pueden pasar frecuencias muy bajas, línea telefónica
mínimo 200Hz, o sistemas que usan acoplamiento eléctrico (mediante transformadores), por
ejemplo, líneas de larga distancia que usan varios transformadores para aislar eléctricamente
diferentes partes de la línea. Para estos sistemas se necesita un esquema sin componente DC
Auto sincronización
Para una correcta recepción los intervalos entre bits deben ser los mismos en ambos
extremos. Por ejemplo, el reloj es mas lento o mas rápido.
Una señal con auto sincronización incluye información sobre el tiempo en los datos
transportados, por ejemplo, mediante transiciones en la señal que alerten del comienzo, de la
mitad o el fin del pulso. Si el reloj no está sincronizado estos puntos puede reiniciarlo.
Detección de errores incorporada
Es deseable tener la capacidad de detectar algunos o todos los errores.
Inmunidad al ruido y las interferencias
Otra característica deseable
Complejidad
Un esquema complejo es más difícil de implementar. Por ejemplo, un esquema de 4 niveles de
señal es más difícil que uno de 2 niveles.
4.1.2 Esquemas de codificación de línea
Categorías
La última es Multitransición
Cada categoría tiene varios esquemas.
Esquema Unipolar
Todos los niveles de la señal se encuentran a un lado del eje del tiempo, o por encima o por
debajo.
NRZ (sin retorno a cero)
Tradicionalmente un esquema unipolar fue diseñado como NRZ.
Voltaje positivo es 1, voltaje 0 es un 0. Se llama NRZ por que la señal no retorna a 0 en la mitad
del bit.
Comparado con su contraparte polar es mas costoso. La potencia normalizada (potencia
necesaria para enviar un bit por unidad de resistencia) es el doble que polar NRZ, por lo que
casi no se usa.
Esquemas Polares
Los voltajes están a ambos lados del eje del tiempo. El voltaje para el bit 0 puede ser positivo y
para el 1 negativo.
NRZ (Sin retorno a cero)
Se utilizan dos niveles de voltajes.
Hay dos versiones
-
NRZ-L: El nivel de voltaje determina el valor del bit.
NZR-I: El cambio o falta de cambio determina el valor del bit, si no hay cambio en valor
del bit es 0, si hay cambio el valor es 1.
Variación de línea es un problema para ambas, pero para NRZ-L es el doble de severo. En NRZI solo es un problema si hay una larga secuencia de 0. Si se pudiese evitar una secuencia larga
de 0 la derivación de línea se evitaría.
Sincronización es un problema mas serio en NZR-L, una larga secuencia de 0 puede afectar a
ambos esquemas, una larga secuencia de 1 afecta solo a NZR-L
Otro problema con NZR-L es que un cambio repentino de polaridad mientras se usa un par
trenzado dará como resultado que los 0 se interpreten como 1 y los 1 como 0.
Ambos esquemas tienen N/2 baudios
Con retorno a cero (RZ)
Principal problema NRZ cuando relojes no están sincronizados, el receptor no sabe cuando
termina un bit y empieza otro.
Utiliza 3 valores, positivo, negativo y cero.
La señal no cambia entre bits sino durante el bit
Principal desventaja es que se requieren dos cambios para codificar un bit, por lo que necesita
mayor ancho de banda. Cambio de polaridad cambia 0 y 1. No hay problema de componente
DC. Complejo de implementar por tener 3 niveles. No se usa hoy en día.
Bifásica: Manchester y Manchester diferencial
En Manchester se combinan las ideas de RZ and NRZ-L. La duración del bit se divide en dos
mitades. El voltaje empieza en un bit y termina en otro. La transición en la mitad del bit
proporciona sincronización.
Manchester diferencial combina RZ y NRZ-I Siempre hay una transición en la mitad del bit,
pero el valor del siguiente bit se determina al comienzo del siguiente bit, si es 0 hay otra
transición, si es un 1, no hay transición.
Soluciona los problemas de NRZ-L y NRZ-I
La tasa de señales es el doble. El ancho de banda mínimo es el doble que el de NRZ
Esquemas bipolares
También llamada binaria multinivel.
Tres niveles de voltaje, positivo, negativo y cero. El nivel para un elemento de datos está en 0,
el nivel para otro elemento alterna entre negativo y positivo.
AMI y pseudoternaria
Bipolar con inversión de marca alternada AMI. Marca viene de telegrafía y significa 1. El voltaje
0 representa el 0. El 1 se representa alternando voltajes positivos y negativos.
Pseudoternaria: Variación de AMI, donde 1 se marca con voltaje 0 y el 0 alternando positivo y
negativo.
Se desarrolla como alternativa a NRZ. Tiene la misma tasa de señales. La concentración de
energía se concentra alrededor de la frecuencia N/2, no como en NZR que es alrededor de
frecuencia 0.
No tiene componente DC ya que larga secuencia de 1 voltaje alterna entre positivo y negativo
y en larga secuencias de 0, aunque el voltaje se mantiene constante, su amplitud es 0.
AMI se usa para comunicaciones de larga distancia. Tiene un problema de sincronización con
largas secuencias de 0.
Esquemas multinivel
En los esquemas mBnL, un patrón de m elementos de datos se codifica como un patrón de n
elementos de señal donde 2m <= Ln
Si el número de patrones de datos es menor que el de señales se puede diseñar un esquema
que detecte errores, sincronización.
El número de patrones de datos sea mayor que el número de patrones de señales no es
posible.
2B1Q
Tasa de señales N/4
Envía datos 2 veces más rápido que NRZ-L. El receptor deber discernir entre 4 niveles
diferentes por lo que es mas complejo, precio a pagar por la reducción de ancho de banda.
No hay patrones redundantes ya que 22=41
Se utiliza en tecnología DSL sobre líneas telefónicas.
8B6T
Se usa en 100BASE-4T
28=256 36=729 729-256 = 473 Elementos redundantes que proporcionan sincronización y
detección de errores. Parte de la redundancia se utiliza también para ofrecer equilibro DC.
Tasa de señales media teórica 𝑆 =
1
2
6
6
· 𝑁 · 8 en la práctica 𝑁 · 8
Cada patrón de señal tiene un peso de 0 o +1, esto significa que no hay un patrón con valor -1
Si dos grupos de peso +1 son consecutivos el segundo se envía invertido.
4D-PAM5
Utiliza 5 niveles de voltaje. El nivel 0 se utiliza para detección de errores. La señal se envía usan
4 cables. Si se considerase un solo cable sería equivalente a un 8B4Q
La peor tasa de señal sobre un solo cable es N · 4/8 o N/2 Se diseño para usar 4 cables por lo
que la tasa se puede reducir hasta N/8. Los 8 bits pueden enviarse simultáneamente con un
solo elemento de señal. Lo 4 elementos de señal forman un grupo que se envía
simultáneamente.
Se usa en LAN 1Gbps. Cada cable 125 Mbaudios
Transición multilínea: MLT-3
NRZ-I y Manchester diferencial se clasifican como esquemas de codificación incremental, pero
usan solo 2 reglas de transición. Si se tiene una señal con más de dos niveles se puede diseñar
un esquema con más reglas.
La transmisión multilínea, codificación de tres niveles (MLT-3), es un esquema que utiliza tres
niveles (+1, 0 y -V) y tres reglas de transición para moverse entre los niveles.
-
Si siguiente bit es 0 no hay transición
Si siguiente bit es 1 y nivel actual es distinto de 0 el siguiente nivel es 0
Si siguiente nivel es 1 y nivel actual es 0, el siguiente nivel es el opuesto al anterior
nivel distinto de 0.
A pesar de tener una tasa de señales igual que NRZ-I se reduce el ancho de banda ya que, en el
peor de los casos, secuencia de 1, el patrón de elementos se repite cada 4 bits, una señal
aperiódica se convierte en una señal periódica con un periodo que es 4 veces la duración del
bit, y una frecuencia ¼ la tasa de bits.
Útil para enviar datos a 100Mb en cables que no soportan más de 32MHz, por encima de esa
frecuencia crean emisiones electromagnéticas.