Unidad 1. Introducción a las Telecomunicaciones y Redes. Fundamentos de las comunicaciones de datos y Redes

Transcripción

1 Unidad 1. Introducción a las Telecomunicaciones y Redes. Fundamentos de las comunicaciones de datos y Redes Contenido Terminología de Redes y Aplicaciones Tipos de Datos y sus características Terminología de redes y comunicación de datos Tipos de Redes QoS de la Red QoS de la Aplicación Fundamentos de Comunicaciones Digitales Medios de Transmisión Métodos de Control de Transmisión Fundamentos de Protocolos Control de Errores RQ simple y continuo Control de Flujo, número de secuencia Arquitectura en capas, especificación de protocolos Capas de Protocolos Protocolo de Internet Terminología de Redes y Aplicaciones La mayoría de los usuarios acceden a Internet y sus aplicaciones de diversas formas: Redes Inalámbricas (wimax, 3g) Redes de Televisión por cable (CATV) Redes telefónicas públicas conmutadas (RTPC) Redes Privadas Empresariales Redes de Entretenimiento Tipos de Datos y sus Características Texto: Cadena de caracteres. Pueden ser texto sin formato (plaintext), texto formateado (richtext) o hipertexto Imagen: Matriz bidimensional de pixels. Pueden ser: Generadas por el computador o Digitalizadas Video: Secuencia de imágenes digitalizadas llamadas cuadros. Tasa de TV digital 162Mbps. Audio: Todas las señales de audio se generan de forma analógica. Deben convertirse a Digital con ADC. Tasa típica de 8kHz en 8bits = 64kbps. Calidad de CD 44,1 khzcon 16bits = 705,6kbps y 1,411Mbps para audio estéreo 1

2 Tipos de Datos y sus Características La tasa de bit requerida para video y audio excede la velocidad de transmisión del canal. Necesidad de Algoritmos de Compresión La secuencia de Datos puede ser (según el tipo de aplicación): Continua (streaming): tasa de bit del canal de comunicación debe ser compatible con la tasa de bit con la q se generan los datos Por Bloque (descarga): la tasa de bit del canal no tiene porqué ser constante. Terminología de Redes La trasnferenciadel flujo de datos asociado a una aplicación puede tener lugar de uno estos 5 modos: Simplex: en una sola dirección Semi-duplex(half-duplex): en ambas direcciónespero alternativamente. Pueden ser simétricos o asimétricos si la tasa de bit en ambas direcciones son iguales o no. Duplex: bidireccional simultáneo. Pueden ser simétricos o asimétricos. Difusión(broadcast): Ej: difusión de un programa de TV por cable Multidifusión(multicast): Parecido a la difusión pero los datos transmitidos por la fuente son recibidos por un subconjunto de dispositivos conectados a la red, llamados grupo multidifusión. Ej: video conferencia 2

3 Tipos de Redes Conmutación de circuitos: Antes de enviar ningún dato, el origen debe establecer una conexión a través de la red. Consta de conjunto interconectado de centrales de conmutación. La tasa de bit asociada a la conexión esta prefijada. Tasa de bit constante. Ej: Redes públicas de telefonía básica 3

4 Conmutación de paquetes: Pueden ser orientadas a conexión o sin conexión. Consta de un conjunto de conmutadores de paquetes. Tasa de bit variable En una red orientada a conexión, se debe establecer una conexión antes de enviar datos. La conexión se conoce como circuito virtual y utiliza solo una porción variable del ancho de banda de cada enlace 4

5 Terminología Red de conmutación de paquetes (orientada a conexión) se compone de PSEsinterconectados PSE(packetswitchingexchanges): conmutadores de paquetes. Cada PSE mantiene una tabla de VCI (identificador de VC) VC (virtual circuit) QoSde la Red Determina, de forma colectiva, la adecuación del canal para ser usado en una aplicación particular. 5

6 Red de conmutación de circuitos: la tasa de bit, la tasa promedio de bits erróneos (Bit Error Rate)(probabilidad de que un bit se corrompa durante la transmisión), el retardo de transmisión PB= 1 (1-P)N NxPsi NxPes menor que 1 Donde N es la cantidad de bits en un bloque, PB la probabilidad de que un bloque contenga un bit erróneo (suponiendo aletoriedad) y P es la probabilidad asociada al VER Ejemplo: 1.1 En la práctica, la mayoriade las redes, tanto de conmutacionde circuitos como de paquetes proporcionan un servicio no fiable, también llamado de máximo esfuerzo.esto significa q cualquier bloque q contenga errores será descartado dentro de la red, o en la interfaz de red en el destino Retardo de transmisión asociado a un canal: Se determina no sólo de la tasa de bit usada, sino tambienlos retardos en la interfaz del terminal (como retardo de los codecs), más el retardo de propagación de la señal digital Ejemplo 1.2 Red de conmutación de paquetes: Tamaño máximo del paquete, La tasa promedio de transferencia de paquetes La tasa promedio de paquetes erróneos, El retardo promedio de transferencia de paquetes El jitterdel caso peor, El retardo de transmisión QoS de la aplicación La tasa de bit o tasa promedio de transferencia de paquetes requerida, El máximo retardo de inicio, El máximo retardo entre extremos, La máxima variación del retardo o jitter, El máximo retardo de ida y vuelta Las redes de conmutación de circuitos, parecerían mas apropiadas para aplicaciones que conllevan la transferencia de un flujo de tasa de bit constante. Las redes de conmutación de paquetes serían más apropiadas para aplicaciones interactivas, sin conexión. Esto no significa q no puedan usarse tipos de redes alternativas. Por ejemplo para superar problemas de efectos de variación de retardo o jitter, se utilizan técnias de buffering 6

7 Fundamentos de Comunicación Digital El nivel de deterioro de la señal viene determinado por: El tipo de medio de transmisión La longitud del medio de transmisión, El ancho de banda del medio, La tasa de bit de los datos que se transmiten La señal de salida de la NIC se limita a variar entre dos niveles de voltaje (+V y V) a una tasa de determinada por la tasa de bit deseada. Este modo de transmisión se conoce como banda base En las RTB, la transmisión es de tipo analógica. Antes de trasmitir la señal generada por la NIC se convierte a analógica. Esto es una transmisión modulada 7

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9 Fundamentos de Comunicación Digital Tipos de Sincronización: Sincronización a nivel de bit Byte o carácter Block o frame Tipos de Transmisiónen banda base: Síncrona, o Asíncrona 9

10 Medios de Transmisión TwistedPair: UTP, STP. Desventaja:capacidadeléctricay skineffect Ventaja: bajo crosstalk Coaxial:Reducedesventajas de TP, perotiene frecuencia máxima limitada y por tanto tasa de bit limitada Optica:Ondasde luz tiene mayor ancho de banda que señal eléctrica, no tienen crosstalky es inmune a interferencia electromagnética Satélite: Los datos se modulan en un haz de microondas transmitidos en el espacio. Microondas terrestres: con enlace satelital el haz hace la mayor parte de su recorrido en el espacio libre. Sin embargo se pueden tener enlaces por trayectoria óptica (linearecta) a travesde la atmosfera hasta por encima de 50km Radio: Ondas de baja frecuencia. Se utiliza la transmisión modulada, y la telefonía móvil Codificación Manchester Método de codificación eléctrica de una señal binaria en el que en cada tiempo de bit hay una transición entre dos niveles de señal. Es una codificación autosincronizada, ya que en cada bit se puede obtener la señal de reloj, lo que hace posible una sincronización precisa del flujo de datos. Desventaja es que consume el doble de ancho de banda que una transmisión asíncrona. Hoy en día hay numerosas codificaciones (8B/10B) que logran el mismo resultado pero consumiendo menor ancho de banda que la codificación Manchester Manchester. Ventajas: La codificación Manchester es autosincronizada: provee una forma simple de codificar secuencias de bits, incluso cuando hay largas secuencias de periodos sin transiciones de nivel que puedan significar la pérdida de sincronización, o incluso errores en las secuencias de bits. Por ello es altamente fiable. Detección de retardos: directamente relacionado con la característica anterior, a primera vista podría parecer que un periodo de error de medio bit conduciría a una salida invertida en el extremo receptor, pero una consideración más cuidadosa revela que para datos típicos esto llevaría a violaciones de código. El hardware usado puede detectar esas violaciones de 10

11 código, y usar esta información para sincronizar adecuadamente en la interpretación correcta de los datos. Esta codificación también nos asegura que la componente continua de las señales es cero si se emplean valores positivos y negativos para representar los niveles de la señal, haciendo más fácil la regeneración de la señal, y evitando las pérdidas de energía de las señales. Manchester. Desventajas: Ancho de banda del doble de la señal de datos: una consecuencia de las transiciones para cada bit es que el requerimiento del ancho de banda para la codificación Manchester es el doble comparado en las comunicaciones asíncronas, y el espectro de la señal es considerablemente más ancho. La mayoría de los sistemas modernos de comunicación están hechos con protocolos con líneas de codificación que persiguen las mismas metas, pero optimizan mejor el ancho de banda, haciéndolo menor. 11

12 Medios de Transmisión Contenido - Guiados-cables / fibra óptica - No guiados-inalámbricos - Las características y la calidad de la señal están determinados por el medio y la señal * En medios no guiados: el ancho de banda producido por la antena es más importante * En medios guiados: el medio es más importante - Cuestiones críticas son la velocidad de transmisión y la distancia Factores de Diseño - Ancho de Banda: a mayor ancho de banda, mayor velocidad de transmisión - Dificultades en la transmisión. Ej: atenuación - Interferencia - Número de receptores en medios guiados: más receptores introduce mayor atenuación Espectro Electromagnético 12

13 Características de transmisión de medios Guiados Frequency Range Typical Attenuation Twisted pair 0 to 3.5 khz (with loading) khz Twisted pairs 0 to 1 MHz (multi-pair khz cables) Coaxial Cable 0 to 500 MHz 7 10 MHz Optical Fiber 186 to 370 THz 0.2 to 0.5 db/km Typical Delay Repeater Spacing 50 μs/km 2 km 5 μs/km 2 km 4 μs/km 1 to 9 km 5 μs/km 40 km Par Trenzado - En los medios de transmisión guiados, la capacidad de transmisión, en términos de velocidad o ancho de banda, dependen drásticamente de la distancia y de si el medio es punto a punto o multipunto Par Trenzado-Características de transmisión - Señal analógica: Amplificadorescada5km a 6km. - Señal digital: Se puede usar señal analógica o digital. Necesita repetidor cada 2 a 3 km - Distancia limitada - Ancho de Banda limitado (1MHz) - Velocidad de transmisión limitada (100MHz) - Susceptible a interferencias y ruido UTP vs STP - Unshielded Twisted Pair (UTP) Líneas telefónicas Es más económico Más fácil de instalar Sujeto a interferencias EM - Shielded Twisted Pair (STP) Cobertura de material q reduce interferencia Más caro Más difícil de manipular (grueso, pesado) Varias categorías ver EIA

14 Categorías de UTP Categoría 1. Hace referencia al cable telefónico UTP tradicional que resulta adecuado para transmitir voz, pero no datos. Categoría 2. Esta categoría certifica para transmisión de datos de hasta 4 megabits por segundo (mbps), Este cable consta de cuatro pares trenzados de hilo de cobre. Categoría 3. Esta categoría certifica para transmisión de datos de hasta 16 mbps. Este cable consta de cuatro pares trenzados de hilo de cobre con tres entrelazados por pie. Categoría 4. Esta categoría certifica para transmisión de datos de hasta 20 mbps. Este cable consta de cuatro pares trenzados de hilo de cobre. Categoría 5. Esta categoría certifica para transmisión de datos de hasta 100 mbps. Este cable consta de cuatro pares trenzados de hilo de cobre. Categoría 5a. También conocida como Categoría 5+ ó Cat5e. Ofrece mejores prestaciones que el estándar de Categoría 5. Para ello se deben cumplir especificaciones tales como una atenuación al ratio crosstalk (ARC) de 10 db a 155 Mhz y 4 pares para la comprobación del Power Sum NEXT. Este estándar todavía no está aprobado Nivel 7. Proporciona al menos el doble de ancho de banda que la Categoría 5 y la capacidad de soportar Gigabit Ethernet a 100 m. El ARC mínimo de 10 db debe alcanzarse a 200 Mhz y el cableado debe soportar pruebas de Power Sum NEXT, más estrictas que las de los cables de Categoría 5 Avanzada. Category 3 Class C Category 5 Class D Category 5 Class E Category 6 Class E Category 7 Class F Bandwidth 16 MHz 100 MHz 100 MHz 200 MHz 600 MHz Cable Type UTP UTP/FTP UTP/FTP UTP/FTP SSTP Link Cost (cat 5 1) FTP: cable de par trenzado con pantalla global (FTP, Foiled Twisted Pair). En este tipo de cable como en el UTP, sus pares no están apantallados, pero sí dispone de una apantalla global para mejorar su nivel de protección ante interferencias externas. SSTP Par trenzado blindado y apantallado: Cable formado por 4 pares trenzados apantallados individualmente en un trenzado común (cobre estañado) cubierto por forro de PVC. Este cable está destinado al tendido interior y es compatible con los conectores modulares tipo RJ-45. Paradiafonia (Near End Crosstalk): Emparejamiento de señales de un par a otro. - Ocurre cuando la señal transmitida que entra en un link se propaga al par de al lado que recibe señal Cable Coaxial 14

15 Cable Coaxial - Características de Transmisión - Soporta mayor frecuencia que los TP - Desempeño limitado por atenuación y ruido - Señales analógicas: * Amplificadores cada pocos km * Más cercanos para mayores frecuencias * Hasta 500MHz - Señales digitales * Un repetidorcada1km * Aún mas próximos para mayor velocidad de transmisión Twianaxial - Similar al Coaxial pero con dos conductores internos en lugar de uno - Fue implementado por IBM en las terminales para AS400 - Velocidad de transmisión de hasta 1Mbps hasta6 terminales - Longitudes de 1500m - Hoy en día se usa para conexiones a Storage de hasta 10Gbps FibraOptica 15

16 FibraOptica-Beneficios - Mayor capacidad - Velocidad de cientos de Gbps - Menor tamaño y peso - Menor atenuación - Aislado de electromagnetismos - Mayor distancia entre repetidores - Al menos decenas de kilómetros Fibra Óptica Características Transmisión - Usa reflexión interna para transmitir haz de luz - Efectivo para guiar señales de 1014a 1015Hz - Puede usar diferentes fuentes de luz - Light Emitting Diode (LED): Económico, suporta temperaturas extremas, dura más - Injection Laser Diode (ILD): Mas eficiente, mayor velocidad de datos - Relación entre longitud de onda, tipoy velocidad de transferencia soportada Fibra Óptica - Modos de Transmisión Frecuencias Utilizadas para Aplicaciones de Fibra Ver tabla Unidad1_MediosTransmision_Stallings.pdf pag

17 Transmisión Inalámbrica. Frecuencias - 2GHz a 40GHz Microondas Altamente direccional Punto a punto Satélites - 30MHz a 1GHz Omnidireccional Broadcast radio - 3x10 11 a 2x10 14 Infrarrojo Local Antenas - Conductor eléctrico utilizado para irradiar o decepcionar energía electromagnética - Antenas de transmisión Energía de radio frecuencia desde el transmisor Convertida a energía electromagnética por la Antena Irradiada al ambiente - Antena de recepción Energía electromagnética impacta en la antena Convertida a energía eléctrica de frecuencia de radio Se alimenta del receptor Es común el uso de la misma antena para emisión y recepción Antena - Ganancia - Es una Medida de direccionalidad de la antena - Energía emitida en una dirección particular versus la producida por una antena isotrópica. - Medida en decibeles (db) - Resulta en pérdida de energía en otra dirección - Área efectiva se relaciona al tamaño y forma: Relacionado a Ganancia Microondas Terrestres - Usada para telecomunicaciones de larga distancia - Y enlaces punto a puntos - Requiere menos repetidores pero línea de visión - Use antena parabólica para apuntar un haz de radio frecuencia a una antena receptora - Frecuencias de 1-40GHz - A mayor frecuencia, mayor tasa de transmisión de datos - La atenuación es el factor limitante: Distancia, lluvia - También susceptible a interferencia Microondas Satelitales - Satélite es una estación que retransmite - Recibe en una frecuencia, amplifica o repite señal y transmite en otra frecuencia 17

18 Eg. uplink GHz & downlink GHz - Suelen requerir orbita geo-estacionaria Altura de 35,784km Espaciadas Uso típico en Televisión Llamadas de larga distancia Redes privadas de negocios Posicionamiento global Enlace satelital punto a punto Enlace satelital de difusión 18

19 Ondas de Radio - Radio en 3kHz a 300GHz - Uso para emisión de radio, 30MHz -1GHz,: - Radio FM - Televisión UHF y VHF - Es omnidireccional - Necesita línea de visión - Sufre de interferencia multipath - Reflexionen el suelo, agua u otros objetos Infrarrojo - Modulan luz infrarroja no-coherente - Elimina problema de línea de visión o reflexion - No traspasa las paredes - No necesita licencias - Uso típico Control remoto TV Puertos IRD Propagación Inalámbrica Ondas Superficiales(GW) Propagación Inalámbrica Propagación Aérea(SW) 19

20 Propagación Inalámbrica Trayectoria visual Refracción - La velocidad de la onda electromagnética es una función de la densidad del material ~3 x 108m/s en el vacío, o menos en cualquier otro medio - Velocidad cambia al moverse de un medio a otro - Índice de refracciones: sen(incidencia)/sen(refracción) Varía con la longitud de onda - Se desvía gradualmente si la densidad del medio varía La densidad de la atmósfera disminuye con la altura Resulta en el reflejo de la señal hacia la tierra Por tanto el horizonte óptico y de radio difieren Transmisión en línea de visión - Pérdida en el espacio libre: Pérdida de señal con la distancia - Absorción atmosférica: Absorción de señal con vapor de agua y oxigeno - Multipath: Múltiples señales que se interfieren entre si por reflexión - Refracción: Desvío de la señal lejos del receptor Interferencia Multipath 20

21 Resumen - Medios de transmisión guiados y no guiados, y sus características - Frecuencia, espectro y ancho de banda - Señales digitales vs analógicas - Dificultades en la transmisión de datos 21

22 Transmisión de Datos Contenido - Conceptos y Terminología: Frecuencia, espectro y ancho de banda - Transmisión de datos analógicos y digitales Datos analógicos y digitales Señales analógicas y digitales Transmisión analógica y digital - Dificultades en la transmisión: Atenuación, Distorsión por retardo, Ruido - Capacidad del Canal Ancho de Banda de Nyquist Fórmula para la capacidad de Shannon Cociente Eb/N0 Conceptos y terminología - Señal analógica: Intensidad varía suavemente en el tiempo. - Señal digital: intensidad se mantiene constante durante un tiempo y luego cambia a otro valor constante - Señales periódicas: Aquellas que se repiten en el tiempo. s(t + T) = s(t) para toda t - La Frecuencia es la razón en ciclos por segundo o Hercios(Hz) a la que la señal se repite - Longitud de onda: distancia q ocupa un ciclo, o distancia entre dos puntos de igual fase en dos ciclos consecutivos 22

23 Fourier - Cualquier señal esta constituida por componentes sinusoidales de distintas frecuencias. - Por cada señal, hay una función s(t) en el dominio del tiempo que determina la amplitud en un instante dado. - Por cada señal, hay una función s(f) en el dominio de la frecuencia que determina las amplitudes de pico de las frecuencias constitutivas de la señal 23

24 Espectro Espectro de una señal es el conjunto de frecuencias que la constituyen Ancho de banda absoluto: anchura de espectro Ancho de banda efectivo o simplemente Ancho de banda: Banda en la q se concentra la mayor parte de la energía de la señal Relación entre espectro y ancho de banda Los componentes en frecuencia de una onda cuadrada de amplitudes A y A se pueden expresar como: La onda tiene un nro infinito de componentes de frecuencia y por tanto de ancho de banda infinito. Sin embargo, la amplitud pico de la componente k-esima, kf, es solamente 1/k. Por tanto la mayor parte de la energía esta contenida en los primeros componentes Ejemplo: la Onda de la fig 3.2b, supongamos q 0 binario se representa por un pulso positivo y un 1 por un pulso negativo. La forma de onda representa la secuencia binaria 0101 La duración del pulso es 1/(2f). Luego, la velocidad de transmisión es 2f bits por segundo. Ver Caso I II y III pag 67 (7ma ed) 24

25 Relación entre frecuencia y ancho de banda Si la velocidad de transmisión de la señal es W bps, entonces se puede obtener una muy buena representación con un ancho de banda de 2W Hz. No obstante, a menos que el ruido sea muy elevado, la secuencia de bits se puede recuperar con un acho de banda mucho menor Transmisión de datos analógicos y digitales - Dato: cualquier entidad q transporta información - Señales: representaciones eléctricas o electromagnéticas de los datos - Señalización: es el hecho de propagación física de las señales a través de un medio adecuado - Señalización digital: es más economica, menos susceptible a las interferencias de ruido. Desventaja es la atenuación 25

26 Atenuación En cualquier medio de transmisión la energía de la señal decae con la distancia. En medios guiados la reducción suele ser exponencial En medios no guiados es una función mas compleja de la distancia y dependiente de condiciones atmosféricas Es habitualmente una función de la frecuencia Se suele expresar como decibeles por unidad de longitud Es un problema menor para las señales digitales Distorsión por retardo Para una señal limitada en banda, la velocidad tiende a ser mayor cerca de la frecuencia central y disminuye al acercarse a los extremos de la banda Crítica en la transmisión de datos digitales Es un factor que limita la velocidad de transmisión máxima en un canal de transmisión Ruido 26

27 - Ruido térmico: se debe a agitación térmica de los electrones. Es función de la temperatura, y no se puede eliminar - En cualquier dispositivo o conductor, la cantidad de ruido térmico presente en un ancho de banda de 1 Hz es: N0=kT(W/Hz) N0 es densidad de potencia del ruido K constante de Boltzman T temperatura absoluta en grados Kelvin - Ruido intermodulación: Cuando señales de distintas frecuencias comparten el mismo medio de transmisión puede producirse ruido intermodulación. Es la aparición de señales a frecuencias que sean suma o diferencia de las dos frecuencias originales o múltiplos - Diafonía: Acoplamiento no deseado entre líneas - Ruido impulsivo: no continuo y constituido por picos irregulares de corta duración( fuente principal de error en medio digitales) Capacidad del canal - Es la velocidad máxima a la q puede trasmitir los datos un canal - 4 Conceptos relacionados: La velocidad de transmisión en bps El ancho de banda en Hz El Ruido en dbs La tasa de errores Ancho de banda de Nysquit - Para canal sin ruido. Entonces la limitación de velocidad de datos está impuesta por el ancho de banda de la señal. - Si la velocidad de transmisión de la señal es 2B entonces una señal con frecuencias no superiores a B es suficiente para transportar esta velocidad de trasmisión de señal, y viceversa - Dado un ancho de banda B, la mayor velocidad de trasmisión de señal q se puede obtener es 2B - Si las señales a transmitir son binarias, la velocidad de transmisión q se puede conseguir con B Hz es igual a 2B bps C = 2Blog2M Donde M es el nro de señales discretas Capacidad de Shannon La presencia de ruido puede corromper uno o mas bits. Si se aumenta la velocidad de transmisión, el bit se hace más corto, de tal manera que dado un patrón de ruido, éste afectará a un mayor número de bits SNRDB=10log10(potencia señal/potencia ruido) C=Blog2(1+SNR) Cociente Eb/N0 Cociente de la energía de la señal por bit entre la densidad de potencia del ruido por hercio E b =ST b Donde S es la potencia de la señal y Tb es el tiempo necesario para transmitir un bit. La velocidad de transmisión es: R=1/Tb Eb/N0 = (S/R)/N0 = S/kTR 27