Redes (9359). Curso Ingeniería Técnica en Informática de Sistemas (plan 2001)

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1 La fuente original de gran parte de las imágenes presentadas en esta lección son cortesía del texto docente Redes y Transmisión de Datos P. Gil, J. Pomares, F. Candelas. Servicio de Publicaciones Universidad de Alicante. Redes (9359). Curso Ingeniería Técnica en Informática de Sistemas (plan 2001) Pablo Gil Vázquez (Pablo.Gil@ua.es) Grupo de Innovación Educativa en Automática 2010 GITE IEA Redes (9359). Curso Ingeniería Técnica en Informática de Sistemas (plan 2001) BLOQUE I: INTRODUCCIÓN. Tema 1: Introducción a las redes de computadores. BLOQUE II. NIVEL FÍSICO. Tema 2: Transmisión de señales. Tema 3: Codificación de la información. Tema 4: Medios de transmisión. BLOQUE III. NIVEL DE ENLACE. Tema 5: Diseño del nivel de enlace y control de errores. Tema 6: Control de flujo en el nivel de enlace. Tema 7: Protocolos estandarizados del nivel de enlace. BLOQUE IV. NIVEL DE RED. Tema 8: Diseño del nivel de red. Tema 9: Encaminamiento y control de congestión del nivel de red. Pablo Gil Vázquez (Pablo.Gil@ua.es) Grupo de Innovación Educativa en Automática 2010 GITE IEA 1

2 Contenidos 1. Señales y tipos de señalización. 2. Banda Base. 3. Banda Modulada. 4. Multiplexación. 3 Señales y tipos de señalización Señalización: Especifica como se codifica o señala la información o datos en las señales transmitidas. Señal digital: Es una secuencia de pulsos de tensión discretos y discontinuos. Los datos binarios se transmiten codificando cada bit de datos en un pulso de la señal. Tipos de datos y señales. Datos digitales+señales digitales. Ej. Transmisor digital. Datos analógicos+señales digitales. Ej. CODEC. Datos digitales+señales analógicas. Ej. MODEM. Datos analógicos+señales analógicas. Ej. RTB 4 2

3 Señales y tipos de señalización Señales digitales: Representan datos mediante una secuencia de pulsos de tensión. Señal analógica Dato digital Transmisor digital Imagen cortesía de Comunicaciones y Redes de Computadores Williams Stallings. Ed. PrenticeHall. 6º Edición. Señal digital Señal digital 5 Señales y tipos de señalización Señales analógicas: Representan datos mediante una onda electromagnética que varía continuamente. Datos analógicos (ondas sonoras de voz) Datos digitales (pulsos de tensión binarios) RTB MODEM Señal analógica Señal analógica (modulada sobre una frecuencia portadora) Imagen cortesía de Comunicaciones y Redes de Computadores Williams Stallings. Ed. PrenticeHall. 6º Edición. 6 3

4 Señales y tipos de señalización Elemento de datos: Es la unidad más pequeña que representa un elemento de información a transmitir. Elemento de señal: Es la unidad más pequeña en duración de una señal digital que se transmite. Tipos de señalización/codificación: Banda Base: La información a transmitir se envía sin modificar por el medio físico. Se usa en distancias cortas y distorsiones pequeñas. Tipos: Binaria, Manchester, Manchester diferencial, etc. Banda Modulada: La información es adaptada para poder se transmitida por el medio físico. 7 Señales y tipos de señalización Elección de la técnica de codificación depende de: Del medio físico que se va a utilizar en la transmisión y de las especificaciones de éste. Factores que influyen en el intercambio de datos entre dispositivos como: Ancho de banda del medio, sincronización entre emisor y receptor, inmunidad al ruido y a las interferencias en el medio físico. Coste de complejidad de implementación de la técnica. Necesidad de incorporar mecanismos de detección de errores. 8 4

5 Contenidos 1. Señales y tipos de señalización. 2. Banda Base. 3. Banda Modulada. 4. Multiplexación. 9 Señalización Banda Base Tipos de codificación Banda Base: Binaria. Se asigna un valor de tensión a cada valor {0,1}. No hay sincronización (difícil detectar cuando empieza y acaba cada bit). Tipos de codificación binaria: NRZ y RZ. Manchester. La información se codifica en transiciones de nivel. Cada transición se presenta en mitad del intervalo de duración de un bit. Hay sincronización. La propia transición sirve como procedimiento de sincronización. Manchester diferencial. Los valores se asocian a cambios de transición. Inicialmente al principio del intervalo hay una transición 0->1 o 1->0. Un 1 se representa como un cambio de transición respecto al bit anterior. 10 5

6 Señalización Banda Base Tipos de codificación Binaria: Binaria NRZ (no retorno a cero): Se usan dos niveles de tensión distintos. Se transmite nivel alto para 1 y nivel bajo para 0. El nivel de tensión se mantiene constante durante la duración del bit. Unipolar {0,+V} ó { V,0} y Bipolar {-V,+V} Binaria RZ (retorno a cero): El nivel de tensión se mantiene constante durante la primera mitad del intervalo de tiempo que dura el bit. Puede ser unipolar o bipolar. 11 Señalización Banda Base Ejemplos NRZ Y RZ

7 Señalización Banda Base Ejemplos Manchester y Manchester diferencial Señalización Banda Base Más tipos de codificación Banda Base: mbnl. Tienen como objetivo incrementar el número de bits por baudio, es decir por elemento de señal. Se consigue un aumento en la velocidad de transmisión sin variar el ancho de banda. Esto es así, porque por cada baudio se están transmitiendo más bits y por lo tanto la tasa de bits a transmitir por un ciclo de señal. m es la longitud en bits del patrón de datos a enviar, B significa dato binario, n es la longitud en elementos de señal del patrón de señal codificado y L es el número de niveles de señal. Para implementar estas técnicas, se codifican bloques de datos de m bits de datos en n elementos de señal. Cuando L toma el valor 2 se sustituye por la letra B de binario, cuando toma el valor 3 por la letra T de ternario o de modo similar, cuando L=4 es sustituido por la Q de cuaternario. En estas técnicas, la asignación entre patrones de señal y patrones de datos se hace mediante el empleo de una tabla de codificación. 14 7

8 Señalización Banda Base Tipos de codificación mbnl: 2B1Q: Se trata de un mecanismo multinivel. Su nombre indica que codifica patrones de m=2 elementos de datos en un patrón de n=1 elemento de señal. Se emplea en las líneas xdsl 8B6T: Otro mecanismo multinivel es la codificación 8B6T. Su nombre indica que codifica patrones de m=8 elementos de datos en un patrón de n=6 elementos de señal. Se emplea en los medios físicos 100Base-4T de redes LAN. MLT-3: Es una codificación multilínea que codifica tres niveles de tensión, y emplea más de una línea para transmitir los datos. Esta codificación se emplea para enviar a 100Mbps por un cable de cobre convencional. 4B5B: Es una codificación de bloques que cambia 4 bits por bloques de 5 elementos de señal. Añade información redundante para asegurar el proceso de sincronización y detección de errores. HDB3: Es una codificación bipolar con sustitución de varios ceros consecutivos por una secuencia determinada de voltajes 15 Señalización Banda Base Ejemplos 2B1Q y 8B6T 16 8

9 Contenidos 1. Señales y tipos de señalización. 2. Banda Base. 3. Banda Modulada. 4. Multiplexación. 17 Señalización Banda Modulada La codificación banda modulada se emplea cuando la información tiene que ser adaptada para poder ser transmitida por un medio físico. Esto ocurre cuando los datos a transmitir y el medio que se emplea en la transmisión no soportan la misma naturaleza de señales. Por ejemplo, los datos tienen naturaleza digital, sin embargo el medio físico sólo soporta señales analógicas. Tipos de señales en el proceso de modulación Portadora: Es la señal que se va a transmitir y que debe ser modificada para codificarlos datos que se desea enviar. Moduladora: Es la señal que se emplea para modificar algún parámetro de la portadora, para que esta última pueda ser transmitida. Representa los datos digitales que se quieren hacer llegar al receptor. Modulada: Es la señal que se obtiene después de modificar la portadora. Esta es la señal que se transmite por el medio físico e incorpora la codificación de los datos digitales. 18 9

10 Señalización Banda Modulada Modulación analógica: Cuando se quiere transmitir por un medio analógico en cuyo caso se requiere de una señal portadora analógica. Modulación digital: Cuando se quiere transmitir por un medio digital en cuyo caso se requiere de una señal portadora digital.. Según el tipo de señal portadora y moduladora: 19 Señalización Banda Modulada Modulación ASK. Modulación analógica en amplitud. La amplitud de la señal portadora se modifica en función del valor de la señal moduladora. Los valores binarios se representan mediante dos amplitudes diferentes de la portadora. Ineficaz ya que es sensible a cambios de ganancia. Se usa en transmisión de datos digitales por fibras ópticas o en líneas telefónicas cuando la velocidad es <1200bps. Matemáticamente: u (t) = V sin(2πf t + ϕ) u p m (t) = c 2 + p a cos(2nπf t) + n= 1 n 0 b sin(2nπf t) n= 1 n

11 Señalización Banda Modulada Ejemplo de modulación ASK. 21 Señalización Banda Modulada Modulación FSK. Modulación analógica en frecuencia. La frecuencia de la señal portadora se modifica en función del valor de la señal moduladora. Menos sensible a errores que ASK. Se usa en transmisión de radio frecuencias entre 3-30Mhz, en redes LAN de cable coaxial y en líneas telefónicas full-duplex con velocidades <1200bps. Matemáticamente: u u u p1 p2 (t) = V sin(2πf (t) = V sin(2πf c u m(t) = + 2 M (t) = u m (t) u t + ϕ) t + ϕ) si '1' ó u a cos(2nπf t) + n= 1 n 0 p1 p1 p2 (t) + u si '0' ó u m' (t) u p2 p1 p2 (t) = 0 si '1' (t) = 0 si '0' n= 1 n 0 u (t) > u MFSK: Modulación de múltiples niveles. b sin(2nπf t) M M (t) = V sin(2πf (t) = V sin(2πf p1 p2 t + ϕ) si '1' t + ϕ) si '0' 22 11

12 Señalización Banda Modulada Ejemplo de Modulación FSK. 23 Señalización Banda Modulada Modulación PSK. Modulación analógica en fase. La fase de la señal portadora se modifica en función del valor de la señal moduladora. PSK diferencial: Cambios de fase en la señal modulada u M u (t) = Vsin(2πf t + ϕ p i= 1,2 c u m(t) = + a cos(2n f t) + n= 1 n π 0 2 u M (t) = Vsin(2πf pt + ϕ1) si '0' u M (t) = Vsin(2πf pt + ϕ2) si '1' p ) con ϕ = 0 y ϕ = QPSK, QAM: Modulación de múltiples niveles. 2 b sin(2nπf t) n= 1 n

13 Señalización Banda Modulada Ejemplo de Modulación PSK. 25 Señalización Banda Modulada Modulación QPSK. Modulación analógica en fase de cuadratura (Quadrature Phase Shift Keying). También se conoce como 4-PSK. Se emplean desplazamientos de fase de la señal portadora correspondientes a múltiplos de 90º. Se puede conseguir una utilización más eficaz del ancho de banda, si cada elemento de señalización representa a más de un bit. La fase de la señal portadora se modifica en función del valor de la señal moduladora. u (t) = Vsin(2πf t + ϕ p p i= 1..4 c u m (t) = + a cos(2n f t) + n= 1 n π 0 2 u M (t) = Vsin(2πf pt + 0) si '00' u M (t) = Vsin(2πf pt + 90) si '01' u M (t) = Vsin(2πf pt + 180) si '11' u M (t) = Vsin(2πf pt + 270) si '10' ) con ϕ = 0, ϕ = 90, ϕ = 180, ϕ = b sin(2nπf t) n= 1 n

14 Señalización Banda Modulada Ejemplo de Modulación QPSK. 27 Señalización Banda Modulada Modulación QAM. La modulación QAM (Quadrature Amplitude Modulation) es una variante de la modulación ASK y PSK. En este tipo de modulación se emplean distintas amplitudes y desplazamientos de fase de la señal portadora. Desplazamiento en fase y tiene en cuenta cambios en la amplitud. Se pueden usar 8 ángulos de fase para tener varias amplitudes. En un modem a bps se utilizan 12 ángulos de fase, cuatro de los cuales tienen dos posibles amplitudes. Existen numerosas variaciones posibles en la modulación QAM en función del número de niveles de señalización que se emplean. De ahí que se haya diseñado una herramienta gráfica, conocida como Diagrama de Fase. El diagrama de fase se usa para aumentar el número de niveles e indica la codificación de cada cambio de fase y amplitud

15 Señalización Banda Modulada Ejemplo de Diagramas de fase. Modulación 1bit/baudio Modulación QPSK Modulación QAM 29 Señalización Banda Modulada Comparación de Prestaciones en función del ancho de banda. Modulación ASK FSK PSK r : filtrado (0 < r < 1) f = f p2 f = f c Ancho de Banda p1 f c B T B B = (1 + r) T V t = 2 f + (1 + r) T V t 1+ r 1+ r = ( ) Vt = ( ) Vt n log V : velocidad de transmisión t B : ancho de banda T n : nº : nº de elementos de señalización 2 de bits codificados por elemento de señalización 30 15

16 Señalización Banda Modulada Modulación PCM. Modulación digital por código de pulsos. Objetivo: Transmitir información analógica a través de medios digitales con gran ancho de banda. Forma: señal de pulsos de igual amplitud, duración y posición en el tiempo. Se basa en el teorema de muestreo: Si una señal se muestrea a intervalos regulares de tiempo con una frecuencia mayor que el doble de la frecuencia más alta de la señal, las muestras obtenidas contienen toda la información de la señal original. Codificación: Todas las muestras llevan asignado un código digital. 31 Señalización Banda Modulada Modulación PCM (Pasos). Paso 1: Muestrear La señal moduladora a intervalos de periodo T m =1/2B. Paso 2: Cuantizar La señal moduladora divide su rango de valores en un conjunto discreto de niveles q, tomando un valor fijo de incremento. El valor muestreado se aproxima por el valor cuantificado más cercano. Paso 3: Codificar Cada nivel se codifica asignándole un código binario de n bits, siendo q=2 n La señal moduladora se sustituye por los pulsos codificados para cada nivel, donde V t =nf m 32 16

17 Señalización Banda Modulada Ejemplo de Modulación PCM: Pasos 1 y 2. Frecuencia máxima de muestreo en el medio fmax_ m = 2B Máximo nº de bits para la codificación n = max B B medio señal 33 Señalización Banda Modulada Ejemplo de Modulación PCM: Pasos 2 y 3. Frecuencia máxima de muestreo en el medio fmax_ m = 2B Máximo nº de bits para la codificación n = max B B medio señal 34 17

18 Señalización Banda Modulada Modulación PCM diferencial. Modulación digital por código de pulsos diferenciales. Varía del PCM en el modo de realizar la cuantización de la señal muestreada. El tipo de PCM diferencial más conocido es la DM ó modulación Delta. Ventajas: Aumenta la velocidad de transmisión. Puede emplear medios físicos que tienen limitada su cuantización a un nº de bits. Procedimiento de modulación: Se cuantifica la señal. Se codifica el incremento entre dos pulsos: 1 si decrece, 0 si crece. 35 Señalización Banda Modulada Ejemplo de Modulación PCM diferencial

19 Señalización Banda Modulada Modulación DM ó modulación delta. Ventajas: Reduce la información a transmitir. Precisa de ancho de banda más pequeños. Sencillez de implementación respecto a PCM. Inconvenientes: Imposibilidad de codificar señales constantes. Peor SNR para la misma velocidad de transmisión que PCM. Procedimiento de modulación: Se cuantifica la señal de entrada analógica aproximándola mediante una función escalera Se codifica el incremento entre dos pulsos como 1 Se codifica el decremento entre dos pulsos como 0 37 Señalización Banda Modulada Ejemplo de Modulación DM

20 Señalización Banda Modulada Modulación DM ó modulación delta. Amplitud de señal escalón Salida DM Entrada analógica Periodo de muestreo Ruido de sobrecarga en la pendiente Ruido de cuantización Función escalera Tiempo Imagen cortesía de Comunicaciones y Redes de Computadores Williams Stallings. Ed. PrenticeHall. 6º Edición. 39 Señalización Banda Modulada Modulación PCM por pulsos predictivos. Se basa en la interpolación de valores anteriores de la señal para predecir el siguiente valor que tomará. Se transmite la codificación de la diferencia entre el valor real y el predictivo en cada instante de muestreo. Ventajas: Mayor precisión en la transmisión de señales analógicas que la PCM diferencial. Aprovecha mejor el ancho de banda, ya que utiliza menos bits para codificar las diferencias. Mayor velocidad de transmisión

21 Contenidos 1. Señales y tipos de señalización. 2. Banda Base. 3. Banda Modulada. 4. Multiplexación. 41 Multiplexación Multiplexación Se usa para hacer eficiente la comunicación por líneas de alta velocidad. Se permite que varias fuentes de transmisión compartan una capacidad de transmisión superior. Es decir, permite establecer varios canales de datos en un único circuito de datos

22 Multiplexación Tipos de multiplexación (I) Por división de frecuencias, FDM (Frequency Division Multiplexing) Se usa con señales analógicas. Se asigna una banda de frecuencias a cada señal a transmitir por el medio. Se emplea cuando el rango de frecuencias del ancho de banda útil del medio supera el ancho de banda requerido por cada señal que se desea transmitir. Por división de tiempo, TDM (Time Division Multiplexing) Se usa con señales digitales o analógicas que transportan datos digitales. Se transmiten los datos de diversas fuentes mediante tramas repetitivas. Cada trama consta de un conjunto de ranuras temporales (porciones de tiempo), y se asigna a cada fuente una o más ranuras por trama. 43 Multiplexación Tipos de multiplexación (II) Por longitud de onda, WDM (Wave Division Multiplexing) Se usa con señales luminosas sobre un mismo enlace de fibra óptica. La técnica es conceptualmente similar a la FDM, consiste en combinar señales con frecuencias distintas. La diferencia es que en WDM las frecuencias de las señales son muy altas comparadas con las que se emplean en FDM. Por división de código, CDMA (Code Division Multiple Access) Es una técnica de multiplexación que consiste en transmitir varias señales por un mismo medio compartiendo frecuencias y tiempos, pero usando codificaciones distintas para cada señal. Las codificaciones se llevan a cabo empleando patrones de bits validos o códigos de línea. Se emplea en transmisiones inalámbricas (Wifi n, GSM, 3G, etc.)

23 Multiplexación Multiplexación FDM El ancho de banda útil del medio supera el ancho de banda requerido del canal. Cada señal se modula con una frecuencia portadora diferente. Las frecuencias portadoras están separadas de manera que las señales no se solapen. Reparte el ancho de banda del medio en ventanas de frecuencia donde introducir espectros a transmitir de forma simultanea B = B + B) n medio ( canal Asignación de canal, incluso si no hay datos. Ejemplo: La radio convencional, televisión por cable, televisión convencional, ADSL. 45 Multiplexación Multiplexación FDM Señal moduladora en banda base compuesta Multiplexación en transmisor Señal FDM Señal FDM Señal de banda base compuesta Demultiplexación en Receptor Imagen cortesía de Redes y Transmisión de Datos P. Gil, J. Pomares, F. Candelas. Servicio de Publicaciones Universidad de Alicante, variación de la proporcionada en Comunicaciones y Redes de Computadores Williams Stallings. Ed. PrenticeHall. 6º Edición (pág. 226)

24 Multiplexación Multiplexación TDM La velocidad de transmisión por el medio excede la velocidad de las señales digitales a transmitir. Mezcla temporal de varias señales digitales. El proceso de mezcla puede ser a nivel de bits o en bloques de octetos. Las ranuras temporales se asignan las distintas fuentes de manera estática (TDM síncrona) o dinámicamente (TDM estadística). 47 Multiplexación Multiplexación TDM síncrona Secuencia TDM Secuencia TDM modulada Ranura temporal: puede estar vacía u ocupada Imagen cortesía de Redes y Transmisión de Datos P. Gil, J. Pomares, F. Candelas. Servicio de Publicaciones Universidad de Alicante, variación de la proporcionada en Comunicaciones y Redes de Computadores Williams Stallings. Ed. PrenticeHall. 6º Edición (pág. 231)

25 Multiplexación Ejemplo real de trama Multiplexación TDM síncrona. Ranura temporal 1 Ranura temporal 0 1 trama = 193 bits; 125 µs Ranura temporal 2 Ranura temporal 1 1 trama = 256 bits; 125 µs Ranura temporal 2 Ranura temporal 24 Ejemplo: Se quieren multiplexar 24 canales, sabiendo que por cada canal se envía una trama de 8 bits y que se necesita 1 bit de limitador F para determinar cada remesa o envío, y que la codificación de las señales a enviar se realiza por PCM a una velocidad de 8000 muestras segundo. Canal de delimitación Igual al anterior pero usando 31 canales de multiplexación, y PCM de 8000 muestras segundo. Ranura temporal 31 Imagen cortesía de Redes y Transmisión de Datos P. Gil, J. Pomares, F. Candelas. Servicio de Publicaciones Universidad de Alicante, variación de la proporcionada en Comunicaciones y Redes de Computadores Williams Stallings. Ed. PrenticeHall. 6º Edición (pág. 238). 49 Multiplexación Tipos Multiplexación TDM síncrona Misma tasa de datos para los n dispositivos conectados. Estrategia: Emplear n ranuras de tiempo. De este modo, se asigna una ranura a cada dispositivo. Si la duración en tiempo de la trama de datos que componen los datos entremezclados es T, entonces la duración de cada ranura de tiempo será de T/n. Distinta tasa de datos para los n dispositivos conectados. Tasa de datos distinta en los dispositivos, pero la tasa de un dispositivo es múltiplo de la de otros. Estrategia: Asignación de múltiples ranuras o multiplexación multinivel. Tasa de datos distinta en los dispositivos, y esas tasas no correspondan a valores múltiplos enteros unos de otros. Estrategia: Inserción de pulsos también llamada inserción de bits

26 Multiplexación Ejemplos de estrategias en TDM síncrona (I) TDM Síncrono tantas ranuras como dispositivos TDM Síncrono Multinivel TDM Síncrono con Múltiples ranuras Imagen cortesía de Redes y Transmisión de Datos P. Gil, J. Pomares, F. Candelas. Servicio de Publicaciones Universidad de Alicante, variación de los ejemplos proporcionados en Transmisión de datos y redes de comunicaciones Behrouz A. Forouzan. Ed. Mc. Graw-Hill 4 º Edición (págs ). 51 Multiplexación Ejemplos de estrategias en TDM síncrona (II) TDM Síncrono con ranuras vacias TDM Estadística TDM Síncrono con Inserción de bits Imagen cortesía de Redes y Transmisión de Datos P. Gil, J. Pomares, F. Candelas. Servicio de Publicaciones Universidad de Alicante, variación de los ejemplos proporcionados en Transmisión de datos y redes de comunicaciones Behrouz A. Forouzan. Ed. Mc. Graw-Hill 4 º Edición (págs )

27 Multiplexación Comparación TDM síncrona & TDM estadística En una TDM síncrona se desaprovechan muchas de las ranuras temporales, asigna incluso sino se transmiten datos. La TDM estadística distribuye las ranuras de manera dinámica, basándose en la demanda. La velocidad de la línea multiplexada en TDM estadística es menor que la suma de las velocidades de las líneas de entrada