fundamentos de redes

2013 FUNDAMENTO DE REDES DE COMUNICACIONES

JOHAN SILVA CUEVA

FUNDAMENTO DE REDES DE COMUNICACIONES

CONTENIDO: 1.Fundamentos 1. Fundamentos de las comunicaciones. comunicaciones. 2.Redes 2. Redes de comunicaciones. comunicaciones. 3.Medios 3. Medios de Transmisión. Transmisión. 4.Métodos 4. Métodos de transmisión.

1. FUNDAMENTO DE LAS COMUNICACIONES. COMUNICACIONES. Comunicación significa transferencia de informaciones: hablar con alguien, leer un diario, recibir una una carta de un amigo o de un banco, llamar por teléfono a un médico o a la central de policía; todos estos ejemplos implican transmisión de un mensaje. En el caso de que la comunicación comunicación sea entre personas o sistemas que se encuentren distantes se habla de telecomunicación.

1.1

Elementos de un sistema de comunicación.

En toda comunicación existen tres elementos básicos (imprescindibles uno del otro) en un sistema de comunicación : el transmisor, el canal de transmisión y el receptor . Cada uno tiene una función característica. El Transmisor pasa el mensaje al canal en forma se señal. Para lograr una transmisión eficiente y efectiva, se deben desarrollar varias operaciones de procesamiento de la señal. La más común e importante es la modulación , un proceso que se distingue por el acoplamiento de la señal transmitida a las propiedades del canal, por medio de una onda portadora.

El Canal de Transmisión o medio es el enlace eléctrico entre el transmisor y el receptor, siendo el puente de unión entre la fuente y el destino. Este medio puede ser un par de alambres, un cable coaxial, el aire, etc. et c. Pero sin importar el tipo, todos los medios de transmisión se caracterizan por la atenuación , la disminución progresiva de la potencia potencia de la señal señal conforme conforme aumenta la distancia. DISEÑO DE REDES DE COMUNICACIÓN

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La función del Receptor  es extraer del c anal la señal deseada y entregarla al transductor de salida. Como las señales son frecuentemente muy débiles, como resultado de la atenuación, el receptor debe tener varias etapas de amplificación. En todo caso, la operación clave que ejecuta el receptor es la demodulación , el caso inverso del proceso de modulación del transmisor, con lo cual vuelve la señal a su forma original.

Fig. 1. Modelo genérico de un sistema de comunicación.

1.2

Principios de la teoría de las comunicaciones

El rol principal de las comunicaciones es mover información de un lugar a otro. Cuando el transmisor y el receptor están físicamente en la misma localidad, es relativamente fácil realizar esa función. Pero cuando el transmisor y el receptor están relativamente lejos uno del otro, y además queremos mover altos volúmenes de información en un per iodo corto de tiempo, entonces será necesario emplear una forma de comunicación maquina-máquina. El método más adecuado para la comunicación maquina- máquina es vía una señal generada electrónicamente. La razón del uso de la electrónica, es porque una señal puede ser generada, transmitida, y detectada. y por el hecho de que esta puede ser almacenada temporal o permanentemente; También porque pueden ser transmitidos grandes volúmenes de información dentro en un periodo corto de tiempo. El concepto básico de la teoría de comunicaciones es que una señal tiene al menos dos estados diferentes que pueden ser detectados. Los dos DISEÑO DE REDES DE COMUNICACIÓN

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estados representan un cero o un uno, encendido o apagado, etc. Tan pronto como los dos estados puedan ser detectados, la capacidad de mover información existe. Las combinaciones específicas de estados (las cuales son conocidas como códigos) pueden representar cualquier carácter alfabético o numérico, y podrán ser transmitido en forma pura de información desde las máquinas para interactuar con, o en forma representativa (el código) que permita el reconocimiento de la información por los humanos. Las telecomunicaciones y las redes son parte fundamental de la “explosión de información”, de hecho son el móvil, por lo cual es de suma importancia que los administradores de las empresas de hoy y del futuro entiendan los conceptos básicos que subyacen a estas tecnologías.

La comunicación de datos en un lenguaje cotidiano que consiste en la transmisión y recepción de información (señales) por medios electrónicos , en donde los datos son representados por medio de bits (representación mínima de los datos en una computadora).

Fig. 2. Estructura genérica de un sistema de comunicaciones.



La energía para transmitir datos puede ser eléctrica, ondas de radio, energía luminosa, etc



Cada tipo tendrá sus propiedades y requisitos de transmisión Podrá utilizar diferentes medios físicos de transmisión (cobre, aire, vidrio...)





  

 

El Transmisor necesita: Hardware especial para transformar datos en energía Una conexión hardware con el medio de transmisión utilizado

El Receptor necesita: Hardware especial para transformar energía en datos Una conexión hardware con el medio de transmisión utilizado

La siguiente lista enumera los componentes básicos utilizados en los sistemas de comunicaciones. DISEÑO DE REDES DE COMUNICACIÓN

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a) Fuente. Genera los datos a ser transmitidos. Ej. Una computadora y un b) c)

micrófono o una cámara. Transmisor. Convierte datos en señales transmitibles para enviar la señal (información) desde un punto a otro. Ej. Acces point, Estación de TV, modem. Canales de comunicación. Es el medio a través del cual viaja la información entre dos puntos , generalmente distantes. Ej. Línea telefónica, vía satélite, etc. Un aspecto importante de cada uno de los medios, es la velocidad de transmisión , la cual denota la cantidad de bits por segundo   que el medio puede transmitir, las unidades de medida son: Bps = bits por segundo Kbps = kilobits por segundo= 1,000 bits por segundo= 1x10 3  bits/seg Mbps= megabits por segundo = 1’000,000 bits por segundo = 1x10 6  bits/seg Gbps= gigabits por segundo= 1,000’000,000 bits por segundo = 1x10 9 

d) Receptor. Convierte la señal recibida en datos. Ej. Modem, antena. e) Destino. Recibe los datos que ingresar desde las etapas anteriores.

Fig. 3. Modelo básico de comunicaciones

2. REDES DE COMUNICACIONES Las Redes de Comunicaciones en la práctica son las diferentes formas de comunicación existentes en la actualidad como las Redes de datos, redes de TV, Redes de telefonía, Redes de computadores, etc. En éste Modulo nos dedicaremos analizar mas las redes de computadores compuestos por audio, texto e imágenes (datos). ¿Qué es una red de computadores?   Conjunto de nodos interconectados entre sí mediante un enlace utilizando protocolos de comunicaciones.

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Nodo: localización física de un proceso. Enlace (o medio físico):  vínculo entre dos nodos, a través del cual fluye la información.

Protocolo:  conjunto de reglas previamente establecidas que definen procedimientos para que 2 ó más procesos intercambien información.

Fig. 4. Diagrama de flujo de la comunicación de datos

¿Por qué usar las redes? 











Compartir recursos Fiabilidad de la información Ahorro de gastos en la transmisión t procesamiento de la información. Aplicaciones multimedia Comercio electrónico Gestión de la información.

Las redes de comunicación entre computadores constan de diversos elementos como:

Canal: Medio de transmisión al que se le acoplan un transmisor y un receptor y, por tanto, tiene asociado un sentido de transmisión   

Analógico: información suministrada al transmisor es analógica Digital: información suministrada al transmisor es digital El tipo de canal lo imponen los equipos, no el medio

Circuito: Canal en cada sentido de transmisión Enlace: Circuito con controladores de los equipos terminales de datos (camino de transmisión entre Tx y Rx)

Enlace directo:  Enlace en el que la señal se propaga sin usar dispositivos intermedios que no sean amplificadores o repetidores

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Configuración o enlace punto a punto : Enlace directo entre dos dispositivos que comparten un medio de transmisión

Configuración multipunto: El medio es compartido por más de 2 dispositivos A veces no es práctico que dos dispositivos de comunicaciones se comuniquen directamente mediante un enlace punto a punto. Esto es debido a alguna de las siguientes circunstancias: 



Los dispositivos están muy alejados separados por miles de kilómetros. Hay un conjunto de dispositivos que necesitan conectarse en instantes de tiempo diferentes. Ej. La telefonía mundial o un conjunto de computadores.

La solución a este problema de resuelve conectando cada dispositivo a una red de comunicación llamadas redes LAN o WAN.

Fig. 5. Modelo simplificado de redes.

3. MEDIOS DE TRANSMISIÓN Puesto que uno de los elementos de los sistemas de comunicación es el medio de transmisión; aquí detallaremos sobre estos elementos.

El concepto de medio de transmisión se simplifica como el camino físico entre el transmisor y receptor.

3.1. Modelos de transmisión Como se mencionó anteriormente para que exista comunicación entre dos puntos se requiere de un medio por donde se transmita la información o el mensaje. El modelo es “ Transmisor-Medio-Receptor”; el objetivo de la disposición de este sistema DISEÑO DE REDES DE COMUNICACIÓN

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es la compatibilidad de conexiones entre los componentes para asegurar una transmisión confiable de la información. Entre ellos tenemos:



Nivel de señal que sale del transmisor. Fidelidad de la señal a través del medio. Capacidad del receptor para recibir y decodificar la señal.

3.2.

Clasificación

 

Los medios de transmisión se clasifican por su forma de transmisión en guiados (cableados) y no guiados (sin cable). Los medios de transmisión se clasifican de acuerdo al siguiente esquema.

Fig. 6 . Clasificación de los medios de transmisión

3.2.1.- MEDIOS DE TRANSMISIÓN GUIADOS Se clasifican en: Cable de par trenzado Cable coaxial Cable de fibra óptica.   

1. CABLE DE PAR TRENZADO Consiste en un núcleo de cobre rodeado por un aislante. Son multipares. Los hilos se trenzan en espiral por pares, de forma que cada par se pueda utilizar para la transmisión de datos, lo que ayuda a reducir la diafonía entre pares (distinta torsión entre pares)

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Este medio de comunicación está relacionado con las líneas telefónicas y telegráficas. Para utilizar este medio se requiere de un módem, debido a que las señales que viajan a través de las líneas telefónicas o telegráficas son análogas y las de la computadora son digitales.

Se presenta en dos formas: 

Par Trenzado sin Apantallar (Unshielded Twisted Pair, UTP)

Fig.7. Cable de Par trenzado UTP

Son de varias Categorías según las Normas EIA/TIA 568A.

El concepto de categoría dentro de las normas EIA/TIA, se refiere a las diferentes velocidades que puede soportar el cableado estructurado en toda su extensión, es decir, cables y accesorios de conexión. •

Categoría 1.  Cable tradicional sin apantallar para teléfono;

adecuado para la transmisión de voz, pero no de datos • Categoría 2. Cable UTP para transmisión de datos hasta 4 Mbps. Contiene cuatro pares con los colores estándar: Par 1. Blanco/Azul ---- Azul Par 2. Blanco/Anaranjado ---- Anaranjado Par 3. Blanco/Verde ---- Verde Par 4. Blanco/Marrón ---- Marrón • Categoría 3. Cable UTP, cuatro pares con colores estándar y 10 rizos por metro para transmitir hasta 10 Mbps • Categoría 4. Cable UTP, cuatro pares con colores estándar para transmisión hasta 20 Mbps DISEÑO DE REDES DE COMUNICACIÓN

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•

Categoría 5. Cable UTP, cuatro pares con colores estándar para transmisión sobre 100 Mbps.

Utiliza el conector RJ-45, similar al empleado en telefonía Dentro de esta clasificación existe uno de especial atención como el de la categoría 5e que es dedicado especialmente para las redes de computadoras. •

Categoría 5e. Características.       



Categoría 6. Características.     



Impedancia de 100 Ohms Ancho de banda hasta 250 MHz Aprobada en Junio de 2002 Velocidad de transmisión hasta 1.000Mbps (1 Gbps) Diámetro externo de 5,89 mm

Categoría 6A. Características.      



Impedancia de 100 Ohms Ancho de banda hasta 100 MHz Transmisión full duplex hasta 100 Mbps Se especifica para esta categoría parámetros de transmisión más exigentes que los que aplicaban a la categoría 5 Diámetro externo de 4,95 mm

Impedancia de 100 Ohms Ancho de banda hasta 500 MHz Aprobada en Marzo de 2008 Velocidad de transmisión hasta 10.000Mbps (10 Gbps) (distancia variable de acuerdo a distintos factores: 35 a 90ms) Diámetro externo de 8,00 mm

Categoría 7. Características.     

Impedancia de 100 Ohms Ancho de banda hasta 600 MHz No Aprobada aún Velocidad de transmisión hasta 10.000Mbps (10 Gbps) (para distancia de 100 ms)

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

Par Trenzado Apantallado (Shielded Twisted Pair, STP) Consiste en un núcleo de cobre rodeado por un aislante y una pantalla metálica interna.

Fig.8. Cable de Par trenzado STP

Menor radiación y diafonía Más caro y menos flexible Ancho de banda hasta 300 MHz 

Par Trenzado con Pantalla Global (Foiled Twisted Pair, FTP) Tiene todas las ventajas y desventajas de cable UTP. La cubierta provee una protección más grande contra Interferencias Electromagnéticas (EMI) e Interferencias de radio frecuencia (RFI).

Fig.9. Cable de Par trenzado FTP

Incrementa el costo del cableado, pero es más barato que el STP. Máxima longitud de cable es 100m. Z = 100_ para Ethernet.

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2. CABLE COAXIAL. Se utiliza principalmente para comunicación de datos en distancias cortas, menores de los 15 kilómetros. El cable coaxial es útil en las redes locales (LAN), las cuales se encuentran en un área geográfica pequeña como pueden ser las instalaciones de un edificio. El cable coaxial permite transmitir datos a gran velocidad, es inmune al ruido y a la distorsión de las señales enviadas, y es uno de los medio menos costosos cuando se trata de comunicación de corta distancia. Consiste en un único conductor central rodeado por un aislante y una pantalla metálica interna.

Fig.10.

Cable Coaxial

CARACTERÍSTICAS.     

Menor radiación y diafonía Menos flexible de acuerdo al tipo. Ancho de banda hasta 1.000 MHz Mayores distancias que UTP No se usa en Redes

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3. CABLE DE FIBRA OPTICA Este medio es utilizado por las compañías telefónicas con el objetivo de sustituir los cables que se usan para la comunicación de larga distancia, también se utiliza para instalar redes locales privadas. La comunicación de datos por medio de fibras ópticas se realiza enviando pulsos de luz de la computadora fuente a la computadora destino. La comunicación por medio de fibras ópticas es costosa, por lo cual no se recomienda para distancias cortas. Cuando se desea transmitir información a larga distancia y además se requiere una alta velocidad, este medio resulta conveniente. Es un medio a través del cual se transmiten ondas de luz moduladas. Posee alta velocidades de transmisión.

Fig.10.

Cable de Fibra Óptica

CARACTERÍSTICAS. NO lo afectan las EMI y RFI. Es más costoso que el cable de Cu. Es más complicada su instalación. Se usa principalmente para instalaciones de backbone. Máxima longitud de cable: En Mono-modo: 3000 m. En Multi-modo: 2000 m.  

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INVESTIGAR: a) b) c) d)

Elementos de la fibra óptica. Funcionamiento de la fibra óptica. Tipos de Fibra Óptica (Mono Modo y MultiModo. Conectores más utilizados.

3.2.2.- MEDIOS DE TRANSMISIÓN NO GUIADOS Son los que utilizan el aire (espacio vacío) como medio para transmitir información; entre ellos tenemos:

1. Vía satélite. Es parecido a las microondas con la diferencia de que los satélites, además de utilizar estaciones terrestres, también cuentan con estaciones de órbitas. Las comunicaciones vía satélite permiten expandir las redes de comunicación de datos en forma sencilla. El uso de satélites puede presentar problemas de seguridad si la comunicación es interceptada.

Características.         

Tipo particular de transmisiones microondas en la que las estaciones son satélites que están orbitando la Tierra. Amplia cobertura. Rango en GHz. Para la comunicación se usan dos bandas de frecuencia: Canal ascendente: desde Tierra a satélite Canal descendente: desde satélite a Tierra Los satélites utilizan transpondedores Un transpondedor recibe una señal microondas desde la Tierra, la amplifica y la retransmite de regreso a una frecuencia diferente Satélites geoestacionarios (36.000km)

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Fig.11.

Esquema de Transmisión vía satélite.

2. Radio frecuencia (RF) u ondas de radio. Es el espacio vacío que se utiliza para la comunicación como medio. Además de usar las frecuencias normales de estaciones de AM y FM, utiliza onda corta o radiofrecuencias distancias cortas. Las principales aplicaciones de este medio son en telefonía celular y en redes locales sin cableado. Es susceptible de sufrir interferencias cuando se utilizan otros medios que involucren frecuencias. Las señales de radio son omnidireccionales (no necesaria alineación)   

Un emisor y uno o varios receptores Bandas de frecuencia: LF, MF, HF y VHF

Propiedades:     

Fáciles de generar Pueden viajar largas distancias Atraviesan paredes de edificios sin problemas Son absorbidas por la lluvia Sujetas a interferencia por motores y otros equipos eléctricos

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Sus propiedades dependen de la frecuencia: A bajas frecuencias cruzan bien los obstáculos, pero la potencia baja drásticamente con la distancia A altas frecuencias tienden a viajar en línea recta y rebotar en obstáculos Dependiendo de la frecuencia tienen 5 formas de propagarse: superficial, Troposférica, ionosférica, línea de visión y espacial

Su alcance depende de:    

Potencia de emisión Sensibilidad en el receptor Condiciones atmosféricas Relieve del terreno

Fig.12.

Esquema de Transmisión por Radio Frecuencia.

3. Microondas. Se utiliza para comunicar datos a larga distancia, poporciona velocidad y costos bajos.

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La comunicación mediante microondas es fácil de establecer, pero su uso presenta algunas desventajas debido a las condiciones del ambiente.

Características.          

Frecuencias muy altas: 1 -100 GHz Longitud de onda muy pequeña Es absorbida por la lluvia No atraviesa bien edificios Ondas más direccionales que las de radio Se utilizan antenas parabólicas Tx y Rx se tienen que “ver” Cuanto más altas son las antenas, más distancia puede cubrir: Con torres a 100 m de altura, las repetidoras pueden estar espaciadas 80Km No necesita derecho de paso

Fig.13.

Esquema de Transmisión por microondas

4. Infrarrojo. Este medio utiliza radiación electromagnética de longitud de onda que está entre las de radio y las de luz. Sus aplicaciones principales son redes locales sin cableado entre edificios. Transmisores y receptores que modulan luz infrarroja no coherente (no tiene una frecuencia única de luz sino que posee cierto ancho en el espectro)

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Características.    

Transmisor y receptor deben estar alineados No pueden atravesar paredes No necesita permisos o licencias de uso Es de corto alcance

INVESTIGAR: a) Atenuación, reflexión, refracción, difracción, dispersión. b) Espectro electromagnético. c) Banda de frecuencias.

TÉRMINOS UTILIZADOS Símbolo o elemento de señalización:   

Aquella parte de la señal que ocupa el intervalo más corto correspondiente a un código de señalización. Digital: un pulso de tensión de amplitud constante Analógico: un pulso de frecuencia, fase y amplitud constantes

Velocidad en símbolos (Vs) o velocidad de modulación (Vm):    

Es el número máximo de símbolos que se pueden transmitir en un segundo. Se calcula como: nº símbolos/1seg Se mide en baudios. Se asocia a la línea de transmisión

Velocidad de transmisión serie o régimen binario (Vt o R):    

Es el número máximo de elementos binarios que pueden transmitirse por unidad de tiempo. Se calcula como: nº de bits en un periodo/periodo Se mide en bps (bit/s). Se asocia al circuito de datos.

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NOTA: En el sistema digital predominan los unos (1) y los ceros (0) que son la mínima unidad de información para almacenamiento de datos llamado BIT.

Fig.14.

Equivalente de las unidades de medición.

4. MÉTODOS DE TRANSMISIÓN La información que se transmite entre el transmisor y receptor son señales convertidas mediante diversos procedimientos electrónicos e informáticos. Así la señal de voz (sonido) o imagen (video) que ingresa mediante un micrófono o cámara es convertida en señales eléctricas (voltajes y corrientes). Este procesamiento se realiza para almacenar, manipular, transformar y distribuir la información por medios electrónicos. El siguiente esquema muestra la transformación de una señal en un sistema de comunicaciones desde la fuente hasta el destino mediante diferentes bloques.

Fig.15.

Modelo simplificado de comunicaciones de datos

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Para comprender mejor necesitamos conocer la naturaleza de los datos y la propagación de la señal que lleva los datos; abordaremos diferentes temas de manera rápida.

4.1. Tipos de Señales. El mundo real esta rodeado de fenómenos físicos que luego necesitan procesarlos; entre los más comunes tenemos voz, imagen, video y texto. Sin embargo estos datos tienen una naturaleza única y se representa mediante señales analógicas y digitales.

Señales: a) Señal Analógica. Toma cualquier valor dentro de un intervalo de tiempo; es en realidad una onda electromagnética que varia continuamente. b) Señal Digital. Toma determinados valores posibles dentro de un intervalo; es la secuencia de pulsos discretos y continuos constituidos por niveles (1 y/o 0) de tensión (voltaje).

(b) Señal Discreta o digital

(a) Señal Continua o analógica

Fig.16.

Representación de la Señal Analógica y Digital.

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Durante la transmisión existen cuatro combinaciones de: señales y datos.

Dato analógico – Señal analógica  Si coincide el ancho de banda ambos, se envían los datos tal cual, si no, hay que modular los datos Dato digital – Señal analógica En Tx se modula la señal analógica para que lleve los datos digitales y en R se demodula (MODEM) Dato analógico – Señal digital  En Tx se codifican los datos analógicos en digitales y en Rx se decodifican (CODEC) Dato digital – Señal digital  Si se dispone de dos niveles de tensión, se envían los datos directamente. Si se dispone de más niveles se convierten antes de enviar. 

4.2. Tipos de transmisión Existen diferentes tipos de transmitir una señal entre el transmisor y el receptor.

a) Transmisiones sincrónicas y asincrónicas. El sincronismo es un procedimiento por el que un emisor y un receptor se ponen de acuerdo sobre el instante preciso en el que comienza o acaba la información que se ha puesto en el canal. Una transmisión es asincrónica cuando el proceso de sincronización entre el emisor y receptor se realiza en cada palabra de código transmitida.

b)

Transmisiones serie y paralelo. Se dice que una transmisión es serie cuando todas las señales se transmiten por una única línea de datos secuencialmente. La transmisión de los datos se efectúa en paralelo cuando se transmiten simultáneamente un grupo de bits, uno por cada línea del mismo canal.

c) Transmisiones analógicas y digitales. Si la señal es analógica es cuando la señal toma todos los valores posibles en un rango. Cuando las señales transmitidas son digitales, se dice que la transmisión es digital

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

Transmisión analógica. 

   



Transmisión de las señales analógicas independientemente de su contenido. Pueden ser datos analógicos o digitales. Se debilita con la distancia. Incluye amplificadores que inyectan energía a la señal. También amplifica el ruido.

Transmisión digital.  

     

Depende del contenido de la señal. La atenuación, el ruido y otros aspectos negativos pueden afectar a la integridad de los datos transmitidos. Se usan repetidores. El repetidor recibe una señal. Regenera el patrón de ceros y unos. Los retransmite. Se evita la atenuación. El ruido no es acumulativo.

Fig.16.

Tipos de transmisión.

4.3. Modulación. La modulación es la capacidad inherente de tomar la información digital (ondas cuadrada s) y modificar las frecuencias específicas de la señal portadora para que la información pueda ser transmitida de un punto a otro sin ningún problema. La demodulación es el proceso de regresar la in formación a su forma original. La transmisión electrónica no está limitada solo a líneas de grado de voz. También puede aplicarse a cualesquier otra frecuencia usando las mismas técnicas de modulación/demodulación sobre diferentes tipos de líneas, o DISEÑO DE REDES DE COMUNICACIÓN

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pulso s, estos representan las señales digitales que pueden también ser transmitidos sobre circuitos diseñados específicamente para su propagación.

INVESTIGAR: a) b) c) d)

Transmisión Simplex, Dúplex, full dúplex. Banda Base Tipos de Modulación. Técnicas de modulación.

Bibliografía:

1. Behrouz A. Forouzan. (2002). “Transmisión de datos y redes de comunicaciones”, 2ª edición, McGrawHill. 2. William Stallings. (2000). “Comunicaciones y Redes de Computadores”, 6ª edición, Prentice Hall. 3. James Truvole. (2000). “LAN wiring”, 2ª edición, MacGrawHill, 4. Andrew S. Tanenbaum. (1997). “Redes de Computadoras”, 3a edición, Prentice Hall. 5. ANSI/TIA-232-F (R2002). (1997). “Interface Between Data Terminal Equipment and Data Circuit-Terminating Equipment Employing Serial Binary Data Interchange”.

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