Tema 2. Introducción a las redes de computadores.

Transcripción

1 Tema 2. Introducción a las redes de computadores. 1. Introducción y conceptos. Para ser transmitidos, los datos deben ser convertidos a señales electromagnéticas. El éxito en la transmisión de datos depende de: Calidad de la señal (onda electromagnética) que se transmite Características del medio de transmisión Respecto a la señal a transmitir y la calidad de la misma Información: Bit: unidad de información más pequeña que puede ser transmitida o procesada por un circuito: 1 (presencia de pulso eléctrico) ó 0 (ausencia de pulso eléctrico). Bps: cantidad de estados discretos (0 ó 1) por segundo que puede adoptar una línea. Baudio: cantidad de estados discretos por segundo que puede adoptar una línea. En función de los voltajes puede corresponderse a n bps. Información: conjunto de bits que agrupan datos e información de control. Señal: soporte de la información viajando por el medio. Ruido: otra señal presente en el medio que afecta a la información introducida. Portadora: señal que no contiene información (tono continuo) que mezclada con otra que si contiene información genera una señal adecuada para viajar por un determinado canal. Modular: modificar una portadora para que transmita información (transmisión analógica de señales digitales). Codificar: adaptar señales, analógicas o digitales, a los sistemas de transmisión digital. Onda sinusoidal: Forma más fundamental de una señal analógica periódica. Conceptos: Hertzio: expresa la frecuencia de una onda electromagnética Amplitud (A): valor máximo de la señal en el tiempo, se mide en voltios Frecuencia (f): número de veces que la señal se repite en un determinado período, se mide en hertzios o ciclos/segundo Período (T): tiempo que transcurre entre dos repeticiones consecutivas de la señal Fase (Φ): describe la posición de la forma de onda relativa al instante de tiempo 0 Longitud de onda (λ): distancia entre dos posiciones idénticas (dos máximos o mínimos consecutivos). Una onda seno queda perfectamente definida mediante la fase, amplitud y frecuencia.

2 Dos ondas con la misma fase y frecuencia y distinta amplitud: Dos ondas con la misma amplitud y fase, y distinta frecuencia: Tres ondas con la misma amplitud y frecuencia, y distinta fase: Ejemplo: con una frecuencia de 2 Mhz asumiendo que en cada Mhz se representa un bit, cúal es la velocidad de transmisión? T = 1/f = 0,5 μsg En cada 0,5 μsg se presentan 2 Mhz cada 0,25 μsg se presenta 1 bit

3 Cada μsg se presentan 4 bits Cada sg se presentan 4 Mbps Conceptos en el dominio de frecuencia: Espectro: conjunto de frecuencias que constituyen una señal. Ancho de banda: rango de frecuencias contenido en una señal compuesta. o Ancho de banda absoluto: ancho de banda del espectro. o Ancho de banda (efectivo): banda de frecuencias donde se concentra una señal. Conceptos en el dominio de tiempo: Señal continua: su intensidad varía suavemente en el tiempo (analógica). Si su frecuencia es cero la señal es corriente continua. Señal discreta: se mantiene durante un período y luego adopta otro valor (digital). Señal periódica: se basa en un patrón que se repite a lo largo del tiempo. Señal no periódica: no sigue ningún patrón preestablecido. Según tasa de información: Isócrona: velocidad constante (tv). Anisócrona: velocidad no constante (de pc a impresora). Gráfica del dominio del tiempo y la frecuencia para una onda seno. Onda compuesta: Una onda seno de frecuencia única no es útil para transmitir datos.

4 Es necesario usar una señal compuesta: señal formada por múltiples ondas seno. Según el Análisis de Fourier, cualquier señal compuesta es realmente una combinación de ondas simples con distintas frecuencias, amplitudes y fases. Gráfica del dominio del tiempo y la frecuencia para tres ondas seno.

5 Una señal compuesta periódica: Descomposición de una señal compuesta aperiódica en los dominios de tiempo y frecuencia. Ancho de banda de señales compuestas periódicas y aperiódicas. Interfaz: Interfaz físico: punto de acceso al medio físico (ej. modem). Interfaz lógico: librerías de control del interfaz físico.

6 Tipo de medio: Guiados: limitado a un medio físico: fibra, coaxial, etc. No guiados: no limitado a un medio físico: aire. Tipo de enlace: Enlace directo: señal directa de emisor a receptor sin elementos intermedios (exceptuando repetidores y amplificadores). Punto a punto: el medio es compartido por dos dispositivos. Multipunto: el medio es compartido por n dispositivos. Sentido en la transmisión: Simplex: en un único sentido. Half-duplex: en dos sentidos pero no simultáneamente (walkies). Full-duplex: en dos sentidos y simultáneamente (teléfono). Tipo de transmisión: Serie: se envían los bits uno a uno por una determinada vía. Paralelo: se envían n bits a través de n vías simultáneamente. Forma de transmisión: Síncrona: existe sincronización continua entre emisor y receptor. Asíncrona: no es continua, se restablece cada vez que se transmite. Canal: vía de comunicación establecida sobre un medio físico: Ideal: sin ruido. No ideal: con ruido. Modo de transmisión: Banda base: una sola portadora en el medio físico (un solo canal). Banda ancha: múltiples portadoras en el medio físico (varios canales simultáneos). Por titularidad: Propietarios: sistemas como par trenzado, coaxial, fibra, radio, microondas, etc. Alquilados: sistemas como RTC, RDSI, ATM, xdsl, etc. 2. Transmisión de datos. Deterioro de la transmisión. Las señales viajan a través de medios de transmisión no perfectos. Las imperfecciones pueden causar deterioros en las señales. Esto significa que la señal al principio y al final del medio es distinta. Lo que se ha enviado no es lo recibido. Habitualmente ocurren tres tipos de deterioro: Atenuación: desgaste de la señal debido a la distancia entre nodos Distorsión de retardo: variación de la velocidad de propagación en el medio Ruido: interferencias introducidas por el sistema de transmisión (acoples, descargas eléctricas, etc.)

7 Atenuación. Distorsión. Ruido. Límites de la velocidad de datos. Una consideración importante en la transmisión de datos es lo rápido que se pueden enviar por un canal, en bits por segundo. La velocidad de datos depende de tres factores: El ancho de banda disponible. Los niveles de señal que se usan. La calidad del canal (nivel de ruido). Se han desarrollado dos fórmulas teóricas para calcular la tasa de datos: Nyquist para un canal sin ruido. Shannon para un canal ruidoso.

8 En 1924 Nyquist estableció la capacidad máxima de transmisión de un canal ideal (donde no existe ruido): C bps = 2 H log2 V donde: H: ancho de banda. V: número de estados o niveles discretos en la línea (en binario = 2). Para un canal no ideal, Shanon estableció: C bps = 2 H log2 (1+S/N) donde: S/N: coeficiente señal/ruido (30 db en la RTB) Ejemplo: en una línea telefónica con un ancho de banda de hz la capacidad máxima es de bps: C bps = 6000 log2 (31) = bps Nota: loga b = c -> ac = b 3. Transmisión analógica y digital. Dato: entidad capaz de transportar información. Analógicos: continuos y toman valores continuos (voz humana). Digitales: tienen estados discretos y toman valores discretos (almacenamiento memoria pc como 0 s y 1 s). Señal: representación eléctrica o electromagnética de los datos. Analógicas: onda electromagnética que varía continuamente (continua). Digitales: secuencia de pulsos de tensión (discreta). Transmisión: propagación y proceso de señales: Analógica: los datos se transmiten modulando una señal continua de frecuencia constante (portadora). Digital: la señal original (datos) se codifica en una señal digital Se tiende a comunicación digital debido a: o Tecnología digital: las tecnologías LSI (large scale integration) y VLSI (very large scale integration) han reducido el tamaño y coste de la circuitería digital. o Integridad: el uso de repetidores no acumula ruidos como los amplificadores analógicos. o o Seguridad y privacidad: uso de técnicas de encriptación. Integración: todas las señales (voz, vídeo y datos) tienen la misma forma y por tanto el mismo proceso.

9 Normalmente, se usan señales analógicas para representar datos analógicos, y señales digitales para representar datos digitales. Los datos digitales se pueden representar mediante señales analógicas: Modems. Los datos analógicos se pueden representar mediante señales digitales: Compact Disc. Existen cuatro posibilidades de codificación/modulación: Datos digitales, señales digitales. Datos digitales, señales analógicas. Datos analógicos, señales digitales. Datos analógicos, señales analógicas. Datos digitales, señales digitales. Señales digitales: Secuencia de pulsos de tensión discretos y discontinuos. Cada pulso es un elemento de señal. Los datos binarios se transmiten codificando cada bit de datos en cada elemento de señal. Aspectos a considerar en las técnicas de codificación: Espectro de la señal: es importante concentrar la frecuencia en la parte central del ancho de banda (diferencia entre frecuencia máxima y mínima) para evitar distorsiones, interferencias, etc. Sincronización: determinar el principio y el fin de cada bit. Detección de errores: si existe un sistema de detección de errores, la codificación será más eficaz. Inmunidad a ruidos e interferencias: comportamiento ante presencia de ruido. Coste: de la lógica digital. Sistemas de codificación más comunes: NRZ-L (no retorno a cero): 0 = nivel alto. 1 = nivel bajo. Manchester: 0 = transición de alto a bajo en mitad del intervalo (inicia en alto). 1 = transición de bajo a alto en mitad del intervalo (inicia en bajo). Manchester Diferencial: 0 = transición al principio y mitad del intervalo. 1 = transición a mitad del intervalo.

10 Datos digitales, señales analógicas. La modulación afecta a la amplitud, frecuencia y fase de la señal portadora. Las técnicas de modulación se basan por tanto en: Datos analógicos, señales digitales. Se basa en la digitalización: conversión de datos analógicos a datos digitales. Los datos digitales se transmiten como señales digitales usando alguna de las técnicas de codificación (NRZ-L). La conversión de datos analógicos en señales digitales se realiza mediante un codec. Técnicas de digitalización: Modulación por codificación de impulsos (PCM). Modulación delta (DM).

11 Datos analógicos, señales analógicas. La modulación en este caso está orienta a: Conseguir una transmisión más efectiva mediante una frecuencia mayor. Utilizar la multiplexación por división de frecuencias.

12 Las técnicas más utilizadas son: Modulación en amplitud (AM). Modulación en frecuencia (FM). Modulación en fase (PM). 4. Modos de transmisión: asíncrono y síncrono. La transmisión de datos binarios por un enlace se puede llevar a cabo en: Modo paralelo: se envían varios bits con cada pulso de reloj. Modo serie: se envía un bit en cada pulso de reloj. Transmisión paralela: Los datos binarios se pueden organizar en grupos de n bits cada uno. Agrupando los datos se pueden enviar n bits al mismo tiempo por n líneas. Ventaja: la velocidad. Desventaja: el coste. Se limita a distancias cortas. Transmisión serie: Un bit sigue a otro, un solo canal de comunicación. Tres modos: o Asíncrona. o Síncrona. o Isócrona.

13 En la transmisión es importante la temporización, la velocidad de transmisión, la duración y la separación entre bits. Los problemas de temporización requieren un mecanismo para sincronizar al transmisor y al receptor. Efecto de la falta de sincronización:

14 Ejemplo: En una transmisión digital, el reloj del receptor es un 0,1 por ciento más rápido que el reloj del emisor. Cuántos bits extra por segundo recibe el receptor si la tasa de datos es de 1 kbps? Cuántos, si la tasa de datos es de 1 Mbps? Solución: A 1 kbps, el receptor recibe 1001 bps en lugar de 1000 bps. A 1 Mbps, el receptor recibe bps en lugar de bps. Transmisión asíncrona. Se denomina así porque la temporización de la señal no es importante. Consiste en agrupar el flujo de bits en bytes. Cada grupo, usualmente 8 bits, se envía por el enlace como una unidad. El emisor gestiona cada grupo independientemente, sin tener en cuenta ninguna temporización. Sin sincronización, el receptor no puede predecir cuándo va a llegar el grupo siguiente. Para identificar un nuevo grupo se añade un bit de comienzo y un bit de parada. En el caso de la codificación NRZ el envío consiste en: Bit comienzo: 0 Carácter: de 5 a 8 bits. Bit paridad (par ó impar), por ejemplo usando paridad par. o Si el número de bits a 1 es par: 0 o Si el número de bits a 1 es impar: 1 Bit parada o reposo: 1 Inconveniente: 2 ó 3 bits suplementarios por carácter: un 20% más de bits transmitidos. Si se transmite en bloques de bits, el error de temporización es mayor.

15 Transmisión síncrona. Consiste en la transmisión de bloques de bits. Formas de sincronización: La señal de reloj viaja en una línea independiente (pulsos de corta duración). La señalización se incluye en la señal de datos (manchester y manchester diferencial en codificación digital; portadora para señalización analógica). Adicionalmente el receptor ha de conocer el principio y fin de cada bloque de datos: Preámbulo. Final. El formato de la trama consiste en: preámbulo+control+información+control+final. Para bloques de datos suficientemente grandes es más eficiente que la transmisión asíncrona: HDLC (nivel 2) incorpora 48 bits de señalización (preámbulo+control+final). o Para transmitir un bloque de 1000 caracteres, el número total de bits a transmitir es de 8048 bits. o Los bits suplementarios suponen un 0,6% (48/8048). o En transmisión asíncrona sería de hasta un 30% suponiendo 7 bits/carácter y bit de paridad. 5. Multiplexación. Multiplexar: conjunto de técnicas que permiten el transporte simultáneo de múltiples señales a través de un único enlace de datos. Se logra más velocidad, menor coste de transmisión y menor cantidad de equipos emisores y receptores La tecnología actual incluye medios de gran ancho de banda. Su capacidad sobrepasa las necesidades medias para transmitir una señal. En un sistema multiplexado, n líneas comparten el ancho de banda de un enlace. Las técnicas más utilizadas son: Multiplexación por división de frecuencia (FDM): señales analógicas (usada en radio y televisión). Multiplexación por división de tiempo (TDM): señales digitales.

16 o TDM Sincrona: usada en transmisión de voz y datos. o TDM Estadística. Multiplexación por división de longitud de onda (WDM): señales analógicas. Multiplexación por división de frecuencias. Transmite una señal analógica que ha de ser modulada a la frecuencia correspondiente Se usa si el ancho de banda útil del medio es mayor que el ancho de banda de las señales a transmitir: Cada señal se modula con una frecuencia portadora diferente. Las frecuencias portadoras están suficientemente separadas para que no se solapen los anchos de banda. Ejemplos: TV convencional y por cable (500 Mhz, 6 Mhz por canal TV). Problemas: Diafonía: solapamiento de espectros de señales. Ruido de intermodulación: amplificación en grandes distancias ( pisar otros canales ).

17 Multiplexación por división de tiempo. Técnica de multiplexación digital. Viable cuando la velocidad de transmisión del medio es superior a la suma de las velocidades de las señales digitales a transmitir. En lugar de compartir una porción de ancho de banda como en FDM, se comparte tiempo. Cada conexión ocupa una porción de tiempo en el enlace. TDM Síncrona. Los datos de cada conexión de entrada se dividen en unidades. Cada unidad ocupa una ranura temporal. Una unidad puedes ser un bit, un carácter o un bloque de datos. Las ranuras de tiempo se agrupan en tramas. Una trama consta de un ciclo completo de ranuras de tiempo, una ranura dedicada a cada dispositivo emisor. En TDM Síncrona las ranuras se preasignan a las fuentes y ello implica que viajen ranuras vacías: desaprovechamiento del canal (secuencia de ranuras dedicadas a una fuente). TDM Estadística. Soluciona el problema de desaprovechamiento del canal: el multiplexor reserva dinámicamente y bajo demanda las ranuras. El número de ranuras en cada trama es menor que el número de líneas de entrada.

18 En TDM síncrona una ranura de salida es ocupada totalmente por datos, en la TDM estadística una ranura necesita transportar datos así como la dirección destino. Multiplexación por división de longitud de onda. Se diseñó para utilizar la capacidad de alta tasa de datos de la fibra óptica. Haz de luz constituido por multitud de colores (longitudes de onda). La idea es la misma que en FDM con la diferencia de que se combinan señales ópticas. Necesita de multiplexores ópticos. Una aplicación es la red SONET (red WAN usada para transporte entre WAN). 6. Conmutación. Una red es un conjunto de dispositivos conectados. Cuando hay múltiples dispositivos, existe un problema para conectarlos y establecer una comunicación uno a uno. Solución: Conmutación. Red Conmutada: consta de una serie de nodos interconectados, conmutadores: Dispositivos capaces de crear conexiones temporales entre dos o más dispositivos enlazados al conmutador. Cada conmutador se conecta con n nodos y/o m terminales. Los conmutadores posibilitan más de un camino de comunicación. Métodos de conmutación habituales: Conmutación de circuitos. Conmutación de paquetes. o Basadas en circuitos virtuales. o Basadas en datagramas. Conmutación de circuitos. Una red de conmutación de circuitos está formada por un conjunto de conmutadores conectados por enlaces físicos, en el que cada enlace se divide en n canales.

19 Una conexión entre dos estaciones es un camino dedicado formado por uno o más enlaces. Cada conexión sólo utiliza un canal dedicado en cada enlace. Cada enlace se divide en n canales usando multiplexación FDM o TDM. Fases de la comunicación: Establecimiento de circuito: reserva un circuito en cada enlace, la combinación de circuitos define el camino dedicado. Transmisión de datos. Desconexión: se liberan los circuitos. Importante: La conmutación de circuitos tiene lugar a nivel físico. Las estaciones deben hacer una reserva de los recursos a utilizar durante la comunicación antes de comenzar la comunicación (fase de establecimiento). La transferencia de datos no se realiza en paquetes (a nivel físico), los datos son un flujo continuo. No existe direccionamiento durante la transferencia de datos, si extremo a extremo. Características: Uso ineficaz de la red: los recursos se asignan de forma dedicada durante la conexión. Retardo mínimo. Aplicación fundamental: tráfico de voz Redes de datagramas. En una red de conmutación de paquetes, no hay reserva de recursos; los recursos se asignan bajo demanda. El mensaje necesita ser divido en paquetes de tamaño fijo o variable. Dicho tamaño viene determinado por la red y el protocolo que la gobierna. No hay reserva de recursos para un paquete, los recursos se asignan bajo demanda (política: primero en llegar primero en ser servido). En una red de datagramas, cada paquete se trata de forma independiente de los otros. Al paquete se le denomina datagrama. La conmutación de datagramas tiene lugar a nivel de red. Los conmutadores en una red de datagramas se denominan encaminadores. Denominadas también redes no orientadas a conexión.

20 El conmutador utiliza una tabla de encaminamiento que se basa en la dirección destino. Las tablas de encaminamiento son dinámicas y se actualizan periódicamente. La dirección destino en la cabecera de un paquete es la misma durante todo el recorrido del paquete. Características: Eficiencia: los recursos se asignan cuando los paquetes tienen que transferirse (más eficiente que conmutación de circuitos). Retardo: cada paquete puede experimentar una espera en un conmutador antes de ser reenviado. Funcionamiento: La información se fragmenta en paquetes que contienen: o Información de control. o Datos. Los nodos reciben los paquetes, los almacenan, los examinan y los envían. Internet usa un enfoque basado en datagramas para la conmutación a nivel de red. Redes de circuitos virtuales. Mezcla entre una red de conmutación de circuitos y una red de datagramas Se establece un circuito (fases conmutación de circuitos). Los recursos pueden asignarse en la fase de establecimiento (cc) o bajo demanda (d). Los datos se dividen en paquetes y cada paquete lleva un dirección en la cabecera (d) pero esta hace referencia sólo al siguiente conmutador Todos los paquetes siguen el mismo camino (cc). Una red de circuitos virtuales se implementa en el nivel de enlace de datos.

21 En una red de circuitos virtuales hay dos tipos de direccionamiento involucrados: Global: única en el ámbito de la red, identifica origen y destino. Local (identificador de circuito virtual): sólo tiene ámbito local, se utiliza en una trama entre dos conmutadores. Fases de la comunicación: Establecimiento: origen y destino usan sus direcciones globales para ayudar a los conmutadores a construir las entradas de la tabla para la conexión. Transferencia de datos. Liberación: origen y destino informan a los conmutadores para borrar la entrada correspondiente. Todos los paquetes que pertenecen al mismo origen y destino viajan por el mismo camino; pero los paquetes pueden llegar al destino con diferentes retardos si la asignación de recursos se realiza bajo demanda. La conmutación en el nivel de enlace de datos de una WAN conmutada (Frame Relay, ATM) normalmente se implementa usando técnicas de circuitos virtuales. 7. Medios de transmisión. Medio de Transmisión: camino físico entre emisor y receptor: Tipos: Guiados: proporcionan un conductor físico. o Par trenzado. o Coaxial.

22 o Fibra óptica. No guiados (inalámbricos): transportan ondas electromagnéticas sin usar un conductor. o Físico. o Ondas de radio. o Microondas. o Infrarrojos. Se busca que la distancia y la velocidad de transmisión sean lo más grandes posibles, y en ello influyen: Ancho de banda: teóricamente a más ancho de banda, más velocidad. Atenuación: el desgaste de la señal limita la distancia. Interferencias, distorsión y ruidos: o Ruido térmico: agitación de los electrones. o Ruido intermodulación: aparición frecuencias combinadas. o Diafonía: acoplamiento líneas transmisión. o Impulsos: perturbaciones externas (rayos, descargas, etc). Número de receptores: cada receptor aporta atenuación y distorsión de señal. Guiados. Par trenzado: Enlace local. Par de hilos en trenza. o Reducen interferencias entre cables. o Reducen interferencias externas (afectan a los dos cables igual y se anulan). Mayor velocidad a menor distancia. Apantallado: recubiertos pantalla metálica para reducir interferencias. Teléfono, LAN. Coaxial: Cubre mayores distancias. Dos conductores: conductor cilindro externo que rodea a un cable conductor opera en mayor rango de frecuencias. Aplicaciones: o Distribución tv. o Telefonía larga distancia. o Conexión periféricos corta distancia. o LAN. Fibra: Señales de luz. La señal luminosa es fácil de aislar y se reducen interferencias. Larga distancia, bucle de abonado. Inalámbricos. Se basa en antenas: Omnidireccionales: radiación en 360 o. Direccionales: con un pequeño ángulo de apertura. En función de los rangos de frecuencias, se pueden clasificar en:

23 Microondas: o De 2 Ghz a 40 Ghz. o Antenas parabólicas direccionales. o Aplicaciones de larga distancia (televisión y telefonía). Ondas de radio: o De 30 Mhz a 1 Ghz. o Antenas omnidireccionales. o Aplicación: teléfonos móviles, redes satélite, redes inalámbricas. Infrarrojos: o De 3x1011 Hz a 2x1014 Hz. o Mediante transceivers alineados -> no hay problemas de interferencias. o Comunicación de corto alcance.