Capa física y NIC

Introducción a la capa física

• La capa física transporta bits a través de los medios de red.
• Toma una trama completa de la capa de enlace de datos y la entrega en formato de bits al medio físico.
• Los bits se codifican como una serie de señales que se transmiten a los medios locales.
• Es el último paso en el proceso de encapsulación.
• El dispositivo siguiente en la ruta recibe los bits, vuelve a encapsular el marco, y decide qué hacer.

El papel de la CPU y la NIC

• La CPU crea las PDUs de las capas 6 a la 3 y las entrega a la NIC.
• La NIC del ordenador se encarga de los últimos pasos, a partir de la capa 2, mediante hardware sin intervención de la CPU.
• La NIC se encarga tanto de encapsulación como de desencapsulación de la capa 1 y 2.

Nivel físico (OSI)

• En este nivel se definen las características mecánicas, eléctricas y funcionales para activar, mantener y desactivar las conexiones físicas de la transmisión.
• Las siguientes funciones se llevan a cabo:
  • Definición de las características físicas de las interfaces con el medio de transmisión.
  • Definición de las características del medio de transmisión.
  • Codificación de datos digitales.
  • Configuración de la línea.
  • Topología física.
  • Modo de transmisión.
  • Velocidad de transmisión.

Funciones del nivel 1

• Definición de las características físicas de las interfaces con el medio de transmisión.
• Especificaciones eléctricas, mecánicas y funcionales de los conectores.
• Definición de las características del medio de transmisión.
• Se definen las características físicas y mecánicas de los medios guiados.
• Codificación de datos digitales.
• Se representa los 0s y 1s en señales eléctricas que puedan ser transmitidas por el medio.
• La configuración de la línea se refiere a la forma en la que se conectan los dispositivos al medio, puede ser punto a punto o multipunto.
• La topología física es la forma en la que están conectados los dispositivos de una red entre sí.
• El modo de transmisión puede ser simplex, half-dúplex o full-dúplex.
• La velocidad de transmisión es la tasa de bits de la comunicación.

Capa física y señales de comunicación

• El emisor envía sus tramas en bits codificadas en señales eléctricas sin preocuparse de cómo serán transmitidas.
• Cada dispositivo retransmite el mensaje codificándolo de acuerdo al medio al que se encuentre conectado (fibra óptica, UTP o STP o medios inalámbricos).
• El objetivo de la capa física es proporcionar los medios de transporte para los bits.
• Los elementos de la capa física son:
• Medios físicos y conectores asociados.
• Una representación de los bits en los medios.
• Codificación de los datos y de la información de control.
• Sistema de circuitos del receptor y transmisor en los dispositivos de red.
• El tipo de señal depende del tipo de medio.
  • Patrones de pulsos eléctricos.
  • Patrones de luz.
  • Patrones de transmisiones de radio.
• La capa física ayuda a reconocer el comienzo y el final de la trama.

Estándares de la capa física

• Como el resto de las capas, la capa física se rige por estándares que establecen las características del hardware.
• Los estándares definidos por organizaciones son:
  • ISO (International Organization for Standardization)
  • IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers)
  • ANSI (American National Standards Institute)
  • ITU (International Telecommunication Union)
  • ΕΙΑ/ΤΙΑ (Electronics Industries Association/ Telecommunications Industry Association)
  • FCC (Federal Communications Commission)
• En estos estándares se definen:
  • Propiedades físicas y eléctricas de los medios.
  • Propiedades mecánicas (materiales, dimensiones, diagrama de pines) de los conectores.
  • Representación de los bits mediante señales (codificación).
  • Definición de las señales de la información de control.

Codificación

• Es el método que se utiliza para convertir un stream de bits de datos en un código.
• Así como proporcionar códigos de control para identificar el comienzo y el final de una trama.

Señalización

• Es el método de representación de bits.
• Define cómo se representa el 1 y el 0 en los medios.
• Se requiere sincronización entre los relojes del emisor y el receptor.
• Para lograr la sincronización, se utiliza el delimitador de inicio de trama.
• Existen múltiples métodos de señalización para representar los 0s y 1s de la señal.
• La señalización es la forma en la que se representan los bits en los medios físicos.
• La codificación es la forma en la que se agrupan simbólicamente los bits antes de ser presentados a los medios.
• Los grupos de bits permiten detectar errores de manera más eficiente.
• El inconveniente de codificación es la sobrecarga en forma de bits extra.
• Las ventajas de la codificación son la reducción de errores y la ayuda para distinguir los bits de datos de los bits de control.

Grupo de códigos simple 4B/5B

• Transforma 4 bits de datos en 5 bits para la transmisión.
• Divide cada byte en dos cuartetos y se convierte cada uno en un código de 5 bits.
• Esta codificación permite un flujo real de datos de 125 Mbps.

Codificación 1000Base-T IEEE 802.3ab

• Se divide cada grupo de 8 bits en cuatro grupos de 2 bits (8B1Q4).
• 5 niveles de señal se etiquetan como -2, -1, 0, +1, +2.
• Los niveles se mapean sobre -1 V, -0.5 V, 0 V, +0.5 V, +1 V.
• 5 niveles, 4 cables, se obtienen 625 posibles valores.
• 512 valores son data y 113 de control de señal.
• Los 8 bits codificados se reparten entre los 4 pares, resultando 2 bits por par y símbolo.
• Cada cable debe transportar 250 Mbps para llegar al total de 1G bps.
• Cada par transmite los símbolos a 125 M símbolos por segundo.
• El reloj interno es de 125 MHz.
• Se obtiene un flujo real de datos de 1000 Mbps.

Capacidad para transportar los datos

• Diferentes formas de medir la transferencia de datos:
  • Ancho de banda.
  • Rendimiento.
  • Capacidad de transferencia útil.
• El ancho de banda es la capacidad que posee un medio de transportar datos, y es el parámetro que indica la cantidad de información que puede fluir desde un lugar hacia otro.
• Se mide en bits por segundo (bps).
• Bajada: referencia a la transferencia de información desde Internet hacia nuestro ordenador o red.
• Subida: referencia a la transferencia de información desde nuestro ordenador o red hacia Internet.
• La fibra óptica tiene un gran ancho de banda, que permite transmitir mucha más información que con un cable de pares trenzados o un cable coaxial.
• El rendimiento es la medida de transferencia de bits a través de los medios durante un periodo de tiempo determinado (velocidad de transmisión).
• En el rendimiento influye la cantidad y tipo de tráfico y la cantidad de dispositivos de red
• La capacidad de transferencia útil es la medida de datos utilizables transferidos durante un periodo de tiempo determinado.
• La velocidad de transmisión de datos es el rendimiento real de la red.
• La capacidad de transferencia útil es una medida de la transferencia de datos utilizables una vez que se ha eliminado el tráfico de encabezado de protocolo.

Unidades de ancho de banda y su equivalencia

• Bits por segundo (bps): 1 bps es la unidad fundamental de ancho de banda.
• Kilobits por segundo (kbps): 1 kbps = 1000 bps = 10^3 bps
• Megabits por segundo (Mbps): 1 Mbps = 1000000 bps = 10^6 bps
• Gigabits por segundo (Gbps): 1 Gbps = 1000000000 bps = 10^9 bps
• Terabits por segundo (Tbps): 1 Tbps = 1000000000000 bps = 10^12 bps

Verificación del canal

• Todo canal de comunicaciones está sujeto a perturbaciones
• Las perturbaciones son acciones, internas o externas, que alteran una señal.
• A continuación se mencionan perturbaciones comunes
  • Atenuación: pérdida de potencia de la señal con la distancia, requiere concentradores y repetidores.
  • Distorsión de retardo: velocidad de propagación de las ondas varía con la frecuencia, se contrarresta con ecualización.
  • Ruido: perturbación no deseada que se adiciona a la señal de envío, puede ser EMI/RFI, diafonía o ruido térmico.

Medios físicos: conexión de la comunicación

• Los estándares definidos por organizaciones definen las propiedades mecánicas, eléctricas y físicas de los medios
• Cable físico (redes alámbricas)
• Radiación electromagnética (redes inalámbricas)
• Hay dos tipos de cables físicos: metálicos (generalmente de cobre) y de fibra óptica (elaborados de vidrio o plástico).
• Un cable de par trenzado es el tipo de cable de red más usual para interconectar los dispositivos en red LAN.
• Los cables de fibra óptica están hechos de vidrio o plástico con un ancho de banda muy amplio y se utiliza en las redes backbone.

Cable de par trenzado

• Se utiliza en la mayoría de las redes locales actuales.
• Contienen un par de hilos de cobre de medio milímetro de diámetro.
• En las redes locales se utiliza cable de cuatro pares.
• Los pares están trenzados entre sí formando una doble hélice, por lo que se le suele denominar cable de pares trenzados o TP (Twisted Pair).
• La forma en la que se trenzan estos cables ayuda a reducir la interferencia electromagnética (EMI).
• Se utilizan en distancias cortas y en largas sufren atenuación.
• Para la transmisión en dos sentidos se utilizan 2 pares.
• El grosor de los hilos varía, al igual que el número de vueltas o trenzados por pulgada
• Usan el conector RJ45 y RJ49 y la conexión hembra o jack se ubica en los dispositivos de red.
• En función de si tiene o no un recubrimiento metálico (apantallamiento) para disminuir las interferencias, existen los siguientes tipos:
  • UTP (Unshielded Twisted Pair).
  • STP (Shielded Twisted Pair).
  • S/STP (Screened Shielded Twisted Pair).
  • FTP (Foil Shielded Twisted Pair).
• Los cables UTP son no recubiertos, sin protección global ni protección y sensibles a las interferencias.
• Los cables STP contienen una malla conductora (aluminio) en cada par, gran inmunidad al ruido y pueden estar protegidos cada par o todos los cables.
• Los cables S/STP son par trenzado apantallado individualmente con malla global y la pantalla global está hecha de material trenzado.
• Los cables FTP contienen pares trenzados totalmente apantallados con una pantalla conductora global de aluminio y tienen mejor protección que los cables UTP y suelen ser más baratos que los STP.
• La leyenda que va antes de la / determina el apantallamiento general y la leyenda despues de la / determina el apantallamiento de los pares individuales.
• Por otro lado, los cables se dividen en categorías que determinan la calidad del cable, que determinan el número de pares, el número de vueltas por metro, los materiales utilizados y los estándares de cableado estructurado.

Cable de par trenzado y categorías

• Categoría 6: Velocidades de 1 Gbps, pudiendo alcanzar 10 Gbps en condiciones favorables en distancias menores a 55 m.
• Categoría 6A: Velocidades de 10 Gbps a los 100 m.
• Categoría 7: Utiliza cables SSTP. Se pueden alcanzar velocidades de 10 Gbps a los 100 m.
• Categoría 7A: Se alcanzan velocidades de 10 Gigabit a los 100 m.
• La organización TIA/EIA define dos esquemas de cableado: T568A y T568B
• Cada esquema de cableado define el diagrama de pines o el orden de las conexiones de cable en el extremo del mismo.
• En cualquier instalación de red, se debe seleccionar y seguir uno de los dos esquemas de cableado.
• Hay dos tipos de cables:
  • Directos.
  • Cruzados
• Los cables directos son los más comunes, asignan el mismo tipo de estándar en ambos extremo y se utilizan para conectar dispositivos diferentes.
• Los cables cruzados utilizan diferentes esquemas de cableado en ambos extremos que se utilizan para conectar dispositivos similares.

Cable de fibra óptica

• Transmite datos mediante pulsos de luz.
• Es de uso amplio en entornos empresariales y centros de datos.
• Admite gran ancho de banda y alta velocidad.
• Está elaborada de vidrio y plástico.
• Inmunes a la EMI (interferencia electromagnética)
• Adecuados para la instalación en entornos donde la interferencia es un problema.
• Cada circuito de fibra óptica requiere dos cables.
  • Uno para la transmisión de datos.
  • Uno para la recepción de datos.
• Tipos de cables de fibra óptica:
  • Monomodo.
  • Multimodo.

Construcción de cable fibra óptica

Los componentes del cable con

• Envoltura: protege la fibra de la abrasión.
• Material de refuerzo: rodea el material amortiguador.
• Búfer: protege al núcleo y el revestimiento.
• Cubierta: actúa como un espejo que refleja la luz hacia el núcleo de la fibra.
• Núcleo: transmite la luz.

Cables de fibra óptica multimodo

• La luz puede viajar por múltiples rutas en la fibra.
• El núcleo de una fibra multimodo tiene un índice de refracción superior que el revestimiento.
• La fuente de luz usada normalmente es un LED (Diodo emisor de luz).
• Cada rayo de luz sigue un camino separado a través del núcleo multimodo.
• Es adecuado para aplicaciones de corta distancia de hasta 2 km.
• Presenta un núcleo mayor que el cable monomodo permitiendo mayor dispersión y pérdida de señal.

Cables de fibra óptica monomodo

• La luz viaja por un único camino.
• La fuente de luz es un láser LED, más costoso y intenso que los LED comunes.
• Permite la transmisión de datos a velocidades mayores y distancias más extensas de hasta 400km
• Se utilizan para el cableado de backbone incluso para la interconexión de varios NOC.
• Presenta menos dispersión.
• Los backbone son las conexiones troncales de Internet.
• Conectores para fibra óptica:
  • SC (Straight Connection): conector de inserción directa utilizado normalmente en conmutadores Ethernet de tipo Gigabit.
  • ST (Straight Tip): conector semejante al SC que requiere un giro al insertar.