UD 2: Integration of Network Elements PDF

UD 2: Integración de los elementos de las redes Índice 1.1 Propósito de la capa física 1.1.1 La conexión física 1.1.2 La capa física 1.1.3 Compruebe su comprensión - Propósito de la capa física 1.2 Características de la capa física 1.2.1 Estándares de la capa física 1.2.2...

UD 2: Integración de los elementos de las redes Índice 1.1 Propósito de la capa física 1.1.1 La conexión física 1.1.2 La capa física 1.1.3 Compruebe su comprensión - Propósito de la capa física 1.2 Características de la capa física 1.2.1 Estándares de la capa física 1.2.2 Componentes físicos 1.2.3 Codificación 1.2.4 Ancho de banda 1.2.5 Terminología del ancho de banda 1.3 Cableado de cobre 1.3.1 Características del cableado de cobre 1.3.2 Tipos de cableado de cobre 1.3.3 Cable de par trenzado no blindado (UTP: Unshielded Twisted-Pair) 1.3.4 Cable de par trenzado blindado (STP: Shielded Twisted-Pair) 1.3.5 Cable coaxial 1.4 Cableado UTP 1.4.1 Propiedades del cableado UTP 1.4.2 Estándares de cableado UTP y conectores Conectores RJ-45 para UTP Socket RJ-45 para UTP 1.4.3 Cable UTP directo (Straight-through) y Cruzado (Crossover) 1.5 Cableado de fibra óptica 1.5.1 Propiedades del cableado de fibra óptica 1.5.2 Tipos de medios de fibra óptica 1.5.3 Uso del cableado de fibra óptica 1.5.4 Conectores de fibra óptica 1.5.5 Cables de conexión de fibra 1.5.6 Fibra versus cobre 1.6 Medios inalámbricos 1.6.1 Propiedades de los medios inalámbricos 1.6.2 Tipos de medios inalámbricos 1.6.3 LAN inalámbrica CCNAv7 Unidad Didáctica 2: Integración de los elementos de las redes 1/29 1.1 Propósito de la capa física 1.1.1 La conexión física Ya sea una conexión a una impresora local en el hogar o a un sitio web en otro país, para que se pueda producir cualquier comunicación de red se debe establecer antes una conexión a una red local. Una conexión física puede ser una conexión por cable o una conexión inalámbrica mediante ondas de radio (o luz no guiada, p. ej. comunicaciones ópticas inalámbricas en el espectro visible IEEE 802.15.7). El tipo de conexión física utilizada depende de la configuración de la red. Por ejemplo, en muchas oficinas corporativas, los empleados tienen PC de escritorio o portátiles que se conectan físicamente, mediante cables, a un switch compartido. Este tipo de configuración se denomina red cableada. Los datos se transmiten a través de un cable físico. Además de las conexiones por cable, muchas empresas también ofrecen conexiones inalámbricas para ordenadores portátiles, tablets y smartphones. En el caso de los dispositivos inalámbricos, los datos se transmiten mediante ondas de radio. A medida que las personas y las empresas descubren las ventajas de ofrecer servicios inalámbricos, el uso de la conectividad inalámbrica es cada vez más frecuente. Los dispositivos en una red inalámbrica deben estar conectados a un punto de acceso inalámbrico (AP: Access Point) o a un router inalámbrico como el de la figura. Al igual que una oficina corporativa, la mayoría de los hogares ofrecen conectividad cableada e inalámbrica a la red. La figura muestra un router doméstico y un ordenador portátil que se conectan por cable a la red de área local (LAN). CCNAv7 Unidad Didáctica 2: Integración de los elementos de las redes 2/29 Tarjetas de interfaz de red Las tarjetas de interfaz de red (NIC: Network Interface Card) conectan un dispositivo a la red. Las NIC Ethernet se utilizan para las conexiones por cable, como se muestra en la figura, mientras que las NIC de red de área local inalámbrica (WLAN) se utilizan para las conexiones inalámbricas. Los dispositivos para usuarios finales pueden incluir un tipo de NIC o ambos. Una impresora de red, por ejemplo, puede contar solo con una NIC Ethernet y, por lo tanto, se debe conectar a la red mediante un cable Ethernet. Otros dispositivos, como las tabletas y los teléfono inteligentes, pueden contener solo una NIC WLAN y deben utilizar una conexión inalámbrica. En términos de rendimiento, no todas las conexiones físicas son iguales a la hora de conectarse a una red. Por ejemplo, un dispositivo inalámbrico experimentará una merma en el rendimiento según la distancia al punto de acceso. A más distancia, más débil será la señal inalámbrica frente al ruido. Sin embargo, una conexión por cable no pierde velocidad con la distancia. 1.1.2 La capa física La capa física de OSI proporciona los medios para el transporte de los bits que conforman una trama de la capa de enlace de datos a través de los medios de red. Esta capa acepta una trama completa de la capa de enlace de datos y la codifica como una secuencia de señales que se transmiten en los medios locales. La capa física del nodo de destino recupera estas señales individuales de los medios, las restaura a sus representaciones en bits y pasa los bits a la capa de enlace de datos en forma de trama completa. CCNAv7 Unidad Didáctica 2: Integración de los elementos de las redes 3/29 1.2 Características de la capa física 1.2.1 Estándares de la capa física Los protocolos y las operaciones de las capas OSI superiores se llevan a cabo en software diseñado por ingenieros en software e informáticos. El grupo de trabajo de ingeniería de Internet (IETF) define los servicios y protocolos del conjunto TCP/IP. La capa física consta de circuitos electrónicos, medios y conectores desarrollados por ingenieros. Por lo tanto, es necesario que las principales organizaciones especializadas en ingeniería eléctrica y en comunicaciones definan los estándares que rigen este hardware. Existen muchas organizaciones internacionales y nacionales, organizaciones de regulación gubernamentales y empresas privadas que intervienen en el establecimiento y el mantenimiento de los estándares de la capa física. Por ejemplo, los siguientes organismos definen y rigen los estándares de hardware, medios, codificación y señalización de la capa física: Organización Internacional para la Estandarización (ISO) Asociación de las Industrias de las Telecomunicaciones/Aianza de Industrias Electrónicas (TIA/EIA) Unión Internacional de Telecomunicaciones (ITU) Instituto Nacional Estadounidense de Estándares (ANSI) Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE) Autoridades nacionales reguladoras de las telecomunicaciones, incluida la Federal Communication Commission (FCC) de los Estados Unidos y el Instituto Europeo de Estándares de Telecomunicaciones (ETSI) Además de estos, a menudo hay grupos de normas de cableado regionales como CSA (Asociación de Normas Canadienses), CENELEC (Comité Europeo de Normalización Electrotécnica) y JSA / JIS (Asociación de Normas Japonesas), que desarrollan especificaciones locales. CCNAv7 Unidad Didáctica 2: Integración de los elementos de las redes 4/29 1.2.2 Componentes físicos Los estándares de la capa física abarcan tres áreas funcionales: Componentes físicos Codificación Señalización Componentes físicos Los componentes físicos son los dispositivos electrónicos de hardware, medios y conectores que transmiten y transportan las señales para representar los bits. Todos los componentes de hardware, como NIC, interfaces y conectores, materiales y diseño de los cables, se especifican en los estándares asociados con la capa física. Los diversos puertos e interfaces de un router Cisco 1941 también son ejemplos de componentes físicos con conectores y diagramas de pines específicos derivados de los estándares. 1.2.3 Codificación La codificación, o codificación de línea, es un método que se utiliza para convertir una transmisión de bits de datos en un “código” predefinido. Los códigos son grupos de bits utilizados para ofrecer un patrón predecible que pueda reconocer tanto el emisor como el receptor. En el caso de las redes, la codificación es un patrón de voltaje o corriente utilizado para representar los bits; los 0 y los 1. Similar a la forma en que el código Morse codifica un mensaje con una serie de puntos y guiones. Por ejemplo, en la codificación Manchester los 0 se representan mediante una transición de voltaje de alto a bajo y los 1 se representan como una transición de voltaje de bajo a alto. La figura presenta un ejemplo de codificación Manchester. La transición se produce en el medio de cada período de bit. Esta codificación se utiliza en Ethernet 10 Mbps. Las velocidades más altas requieren codificaciones más complejas. A veces encontramos un nivel anterior de codificación (previo a la codificación de línea) como 4B/5B (Ehthernet 100BASE-TX) o 8B/10B (Ethernet 1000BASE-T) que convierte un grupo de 4 u 8 bits en grupos de 5 o 10 bits respectivamente para mejorar ciertas propiedades de la transmisión (mejorar la detección de errores, aumentar el número de cambios de la señal para mejorar la sincronización, etc.). Señalización La capa física debe generar las señales inalámbricas, ópticas o eléctricas que representan los “1” y los “0” en los medios. El método de representación de bits se denomina método de señalización. Los estándares de la capa física deben definir qué tipo de señal representa un “1” y qué tipo de señal representa un “0”. Esto puede ser tan simple como un cambio en el nivel de una CCNAv7 Unidad Didáctica 2: Integración de los elementos de las redes 5/29 señal eléctrica o de un pulso óptico. Por ejemplo, un pulso largo puede representar un 1, mientras que un pulso corto representa un 0. Esto es similar a la forma en que se utiliza el Código Morse para la comunicación. El Código Morse es otro método de señalización que utiliza la presencia o ausencia de una serie de tonos, luces o clics para enviar texto a través de cables telefónicos o entre barcos en el mar. Las figuras muestran señalización Existen muchas formas de transmitir señales. Un método habitual para enviar datos consiste en utilizar técnicas de modulación. La modulación es el proceso por el cual la característica de una onda (la señal o señal moduladora) modifica a otra onda (la señal portadora "carrier"). La figura muestra las técnicas analógicas de AM (modulación de amplitud) y FM (Modulación de Frecuencia) para enviar una señal analógica (señal moduladora) que modula a una señal portadora (carrier). CCNAv7 Unidad Didáctica 2: Integración de los elementos de las redes 6/29 Cuando se modula una portadora senoidal con una señal digital, los sistemas de modulación se denominan: ASK: Amplitude Shift Keying: Modulación por desplazamiento de amplitud FSK: Frequency Shift Keying: Modulación por desplazamiento de frecuencia PSK: Phase Shift Keying: Modulación por desplazamiento de fase QAM: Quadrature Amplitude Modulation: Modulación de amplitud en cuadratura. Es la combinación de ASK y PSK, y se utiliza, entre otros, en WiFi, ADSL y TDT. Modulación 16QAM En muchas ocasiones se habla de transmisión síncrona/asíncrona: Transmisión síncrona: se envía, por un canal independiente o unido a los datos, una señal de reloj, manteniendo una sincronización a nivel de bit durante todo el tiempo que dure la trama. Transmisión asíncrona: no se envía la señal de reloj, se produce una sincronización a nivel de byte, pudiendo enviarse cada byte con un tiempo de espera variable (ej. RS-232: Recommended Standard 232). TTL (puerto serie arduino/raspberry pi) RS-232 (puerto serie de PC-Consola de Cisco) 1.2.4 Ancho de banda Los diferentes medios físicos admiten la transferencia de bits a distintas velocidades. Por lo general, la transferencia de datos se analiza en términos de ancho de banda y rendimiento. El ancho de banda del medio de transmisión junto con la relación S/N determina la capacidad de un medio para transportar datos (https://es.wikipedia.org/wiki/Teorema_de_Shannon- Hartley). El ancho de banda digital mide la cantidad de datos que pueden fluir desde un lugar hacia otro en un período de tiempo determinado. El ancho de banda digital se miden en bits por segundo (bps o b/s) o en alguno de sus múltiplos. En ocasiones, el ancho de banda se piensa como la velocidad a la que viajan los bits, sin embargo, esto no es adecuado. Por ejemplo, en Ethernet de 10 Mbps y de 100 Mbps, los bits viajan a la velocidad de la electricidad (muy próximo a la velocidad de la luz); no hay que confundirlo con la velocidad de propagación. La velocidad máxima de modulación es 2xBW baudios; pero cada símbolo puede representar 1 o más bits, todo depende del número de niveles que podamos distinguir. CCNAv7 Unidad Didáctica 2: Integración de los elementos de las redes 7/29 Una combinación de factores determina el ancho de banda práctico de una red: Las propiedades de los medios físicos Las tecnologías seleccionadas para la señalización y la detección de señales de red Las propiedades de los medios físicos, las tecnologías actuales y las leyes de la física desempeñan una función al momento de determinar el ancho de banda disponible. La tabla muestra las unidades de medida comúnmente utilizadas para el ancho de banda. Unidad de ancho de banda Abreviatura Equivalencia Bits por segundo bps b/s 1 b/s = unidad fundamental (o básica) de ancho de banda Kilobits por segundo kbps kb/s 1 kb/s = 1000 bps = 10³ b/s Megabits por segundo Mbps Mb/s 1 Mb/s = 1000000 bps = 10⁶ b/s Gigabits por segundo Gbps Gb/s 1 Gb/s = 1000000000 bps= 10⁹ b/s Terabits por segundo Tbps Tb/s 1 Tb/s = 1000000000000 bps = 10¹² b/s En una internetwork o una red con múltiples segmentos, el rendimiento no puede ser más rápido que el enlace más lento de la ruta de origen a destino. Incluso si todos los segmentos o gran parte de ellos tienen un ancho de banda elevado, solo se necesita un segmento en la ruta con un rendimiento inferior para crear un cuello de botella en el rendimiento de toda la red. 1.2.5 Terminología del ancho de banda Los términos utilizados para medir la calidad del ancho de banda incluyen: Latencia Rendimiento Capacidad de transferencia útil Latencia El concepto de latencia se refiere a la cantidad de tiempo, desde que se empieza a transmitir, hasta que se empieza a recibir en el otro extremo. Es debido a las demoras que se producen en los distintos elementos de la red. CCNAv7 Unidad Didáctica 2: Integración de los elementos de las redes 8/29 Throughput (rendimiento o tasa de transferencia efectiva) El rendimiento es la medida de transferencia de bits efectiva a través de los medios durante un período de tiempo determinado. Es inferior al ancho de banda debido a que se tienen que enviar otros elementos como señales de sincronización, detección de errores, etc.; o esperas como el tiempo mínimo entre tramas. Por ejemplo en un cable de consola aunque se transmite a 9600bps, el rendimiento es inferior (1 bit de start, 1 de stop, bit de paridad y 8 bits de datos). Debido a diferentes factores, el rendimiento es inferior al ancho de banda especificado en las implementaciones de la capa física. Hay muchos factores que influyen en el rendimiento: La cantidad de tráfico El tipo de tráfico La latencia creada por la cantidad de dispositivos de red encontrados entre origen y destino Existen muchas pruebas de velocidad en línea que pueden revelar el rendimiento de una conexión a Internet. En la figura, se proporcionan resultados de ejemplo de una prueba de velocidad. Goodput (Capacidad de transferencia útil) Existe una tercera medición para evaluar la transferencia de datos utilizables, que se conoce como capacidad de transferencia útil (Goodput es la unión de las palabras Good y Throughput, y es el throughput medido en la capa de aplicación). La capacidad de transferencia útil es la medida de datos utilizables transferidos durante un período determinado. La capacidad de transferencia útil es el rendimiento menos la sobrecarga de tráfico para establecer sesiones, acuses de recibo, encapsulación y retransmisiones. La capacidad de transferencia útil siempre es menor que el throughput (rendimiento), que generalmente es menor que el ancho de banda. 1.3 Cableado de cobre 1.3.1 Características del cableado de cobre El cableado de cobre es el tipo de cableado más utilizado en las redes hoy en día. De hecho, el cableado de cobre no es solo un tipo de cable. Hay tres tipos diferentes de cableado de cobre que se utilizan cada uno en situaciones específicas. Las redes utilizan medios de cobre porque son económicos, fáciles de instalar y tienen baja resistencia a la corriente eléctrica. Sin embargo, los medios de cobre se ven limitados por la distancia y la interferencia de señales. CCNAv7 Unidad Didáctica 2: Integración de los elementos de las redes 9/29 Los datos se transmiten en cables de cobre como impulsos eléctricos. Un detector en la interfaz de red de un dispositivo de destino debe recibir una señal que pueda decodificarse exitosamente para que coincida con la señal enviada. No obstante, cuanto más lejos viaja una señal, más se deteriora (menos energía llega). Esto se denomina atenuación de señal. Por este motivo, todos los medios de cobre deben seguir limitaciones de distancia estrictas según lo especifican los estándares que los rigen. atenuación (dB) = 10 log10 (Psalida/Pentrada) una atenuación de 3dB (perder o restar 3dB) equivale a que la potencia se reduce a la mitad ( log 10 0.5 = -0.3); por lo tanto una señal de -43 dBm equivale a la mitad de potencia de una señal de - 40dBm. -40 dBm = 10 log10 (P mW) -> P mW = 10 - 40 /10 = 0,0001 mW = 100 nW -43 dBm = 10 log10 (P mW) -> P mW = 10 - 43 /10 = 0,000050119 mW = 50 nW Observar la cantidad de potencia que se recibe, en comparación con la potencia máxima de transmisión WiFi de 100mW (20dBm). Los valores de temporización y voltaje de los pulsos eléctricos también son vulnerables a las interferencias de dos fuentes: Interferencia electromagnética (EMI) o interferencia de radiofrecuencia (RFI): las señales de EMI y RFI pueden distorsionar y dañar las señales de datos que transportan los medios de cobre. Las posibles fuentes de EMI y RFI incluyen las ondas de radio y dispositivos electromagnéticos, como las luces fluorescentes o los motores eléctricos, como se muestra en la figura. Cruze o Crosstalk: se trata de una perturbación causada por los campos eléctricos o magnéticos de una señal de un hilo adyacente. En los circuitos telefónicos, el crosstalk puede provocar que se escuche parte de otra conversación de voz de un circuito adyacente. En especial, cuando una corriente eléctrica fluye por un hilo, crea un pequeño campo magnético circular alrededor de dicho hilo, que puede captar un hilo adyacente. La figura muestra como puede verse afectada la transmisión de datos por interferencias. Para contrarrestar los efectos negativos de la EMI y la RFI, algunos tipos de cables de cobre se empaquetan con un blindaje metálico y requieren una conexión a tierra adecuada. Para contrarrestar los efectos negativos del crosstalk, algunos tipos de cables de cobre tienen pares de hilos de circuitos opuestos trenzados que cancelan dicho tipo de interferencia en forma eficaz. CCNAv7 Unidad Didáctica 2: Integración de los elementos de las redes 10/29 La susceptibilidad de los cables de cobre al ruido electrónico también puede estar limitada por: La elección del tipo o la categoría de cable más adecuados a un entorno de red determinado. El diseño de una infraestructura de cables para evitar las fuentes de interferencia posibles y conocidas en la estructura del edificio. El uso de técnicas de cableado que incluyen el manejo y la terminación apropiados de los cables. 1.3.2 Tipos de cableado de cobre Existen tres tipos principales de medios de cobre que se utilizan en las redes: Par trenzado no blindado (UTP: Unshielded Twisted-Pair) Par trenzado blindado (STP: Shielded Twisted-Pair). Blindaje: es una cubierta como Coaxial el papel de plata. UTP FTP (Foiled Twisted-Pair) Coaxial El cable FTP (Foiled Twisted Pair) usa como blindaje una lámina de aluminio que protege al conjunto de pares frente al EMI y RFI. Nomenclatura de cables de par trenzado Industry abbreviations ISO/IEC 11801 designation Cable shielding Pair shielding UTP, TP U/UTP None None STP, ScTP, PiMF U/FTP None Foil FTP, STP, ScTP F/UTP Foil None STP, ScTP S/UTP Braiding None SFTP, S-FTP, STP SF/UTP Braiding and Foil None FFTP, STP F/FTP Foil Foil SSTP, SFTP, STP, STP PiMF S/FTP Braiding Foil SSTP, SFTP, STP SF/FTP Braiding and Foil Foil Braid: trenza -> S Foil: lámina -> F CCNAv7 Unidad Didáctica 2: Integración de los elementos de las redes 11/29 1.3.3 Cable de par trenzado no blindado (UTP: Unshielded Twisted-Pair) El cableado de par trenzado no blindado (UTP) es el medio de red más común. El cableado UTP, que se termina con conectores RJ-45, se utiliza para interconectar hosts de red con dispositivos intermediarios de red, como switches y routers. En las redes LAN, el cable UTP consta de cuatro pares de hilos codificados por colores que están trenzados entre sí y recubiertos con un revestimiento de plástico flexible que los protege contra daños físicos menores. El trenzado de los hilos ayuda a proteger contra las interferencias de señales de otros hilos (crosstalk). Como se muestra en la figura, los códigos por colores identifican los pares individuales con sus alambres y sirven de ayuda para la terminación de cables. CCNAv7 Unidad Didáctica 2: Integración de los elementos de las redes 12/29 1.3.4 Cable de par trenzado blindado (STP: Shielded Twisted- Pair) El par trenzado blindado (STP) proporciona una mejor protección contra ruido que el cableado UTP. Sin embargo, en comparación con el cable UTP, el cable STP es más costoso y difícil de instalar. Al igual que el cable UTP, el STP utiliza un conector RJ-45 blindado o RJ-49. El cable STP combina las técnicas de blindaje para contrarrestar la EMI y la RFI, y el trenzado de hilos para contrarrestar el crosstalk. Para obtener los máximos beneficios del blindaje, los cables STP se terminan con conectores de datos STP blindados especiales. Si el cable no se conecta a tierra correctamente, el blindaje puede actuar como antena y captar señales no deseadas. El cable STP que se muestra utiliza cuatro pares de hilos. Cada par está empaquetado con un blindaje de hoja metálica y, luego, el conjunto se empaqueta con una malla tejida o una hoja metálica. 1.3.5 Cable coaxial El cable coaxial obtiene su nombre del hecho de que hay dos conductores que comparten el mismo eje. Como se muestra en la figura. El cable coaxial consta de lo siguiente: Un conductor de cobre central para transmitir las señales eléctricas. Una capa de aislamiento plástico flexible que rodea al conductor de cobre. Sobre este material aislante, hay una malla de cobre tejida o una hoja metálica que actúa como segundo hilo en el circuito y como blindaje para el conductor interno. Este blindaje reduce la cantidad de interferencia electromagnética externa. La totalidad del cable está cubierta por un revestimiento (envoltura o cubierta exterior) para evitar daños físicos menores. CCNAv7 Unidad Didáctica 2: Integración de los elementos de las redes 13/29 Existen diferentes tipos de conectores para cable coaxial. Si bien el cable UTP reemplazó al cable coaxial en las instalaciones de Ethernet modernas, el cable coaxial tiene también los siguientes usos: Instalaciones inalámbricas: los cables coaxiales conectan antenas a los dispositivos inalámbricos. También transportan energía de radiofrecuencia (RF) entre las antenas y el equipo de radio. Instalaciones de Internet por cable: los proveedores de servicios de cable proporcionan conectividad a Internet a sus clientes reemplazando porciones del cable coaxial y elementos de amplificación por cables de fibra óptica. Sin embargo, el cableado en las instalaciones del cliente sigue siendo cable coaxial (Red HFC: Hybrid Fiber-Coaxial). Seguridad de los medios de cobre Los tres tipos de medios de cobre son vulnerables a peligros eléctricos y de incendio. El peligro de incendio existe porque el revestimiento y aislamiento de los cables pueden ser inflamables o producir emanaciones tóxicas cuando se calientan o se queman (salvo productos certificados LSZH LS0H "Low Smoke zero Halogen" o LSHF "Low Smoke Halogen Free"). Las organizaciones o autoridades edilicias pueden estipular estándares de seguridad relacionados para las instalaciones de hardware y cableado. Los peligros eléctricos son un problema potencial, dado que los hilos de cobre podrían conducir electricidad no deseada. Esto puede exponer al personal y el equipo a una variedad de peligros eléctricos. Por ejemplo, un dispositivo de red defectuoso podría conducir corriente al chasis de otros dispositivos de red. Además, el cableado de red podría representar niveles de voltaje no deseados cuando se utiliza para conectar dispositivos que incluyen fuentes de energía con diferentes potenciales de conexión a tierra. Estos casos son posibles cuando el cableado de cobre se utiliza para conectar redes en diferentes edificios o pisos que utilizan distintas instalaciones de energía. Finalmente, el cableado de cobre puede conducir los voltajes provocados por descargas eléctricas a los dispositivos de red. CCNAv7 Unidad Didáctica 2: Integración de los elementos de las redes 14/29 Como consecuencia, las corrientes y los voltajes no deseados pueden generar un daño a los dispositivos de red y a las PC conectadas o bien provocar lesiones al personal. Para prevenir situaciones potencialmente peligrosas y perjudiciales, es importante instalar correctamente el cableado de cobre según las especificaciones relevantes y los códigos de edificación. En la figura, se muestran prácticas de cableado adecuadas para evitar posibles peligros eléctricos y de incendio. 1.4 Cableado UTP 1.4.1 Propiedades del cableado UTP Cuando se utiliza como medio de red, el cableado de par trenzado no blindado (UTP) consta de cuatro pares de hilos codificados por colores que están trenzados entre sí y recubiertos con un revestimiento de plástico flexible. Su tamaño pequeño puede ser una ventaja durante la instalación. Los cables UTP no utilizan blindaje para contrarrestar los efectos de la EMI y la RFI. En cambio, los diseñadores de cables han limitado su efecto y el crosstalk por medio de los métodos siguientes: Anulación (o cancelación): los diseñadores ahora emparejan los hilos en un circuito. Cuando dos hilos en un circuito eléctrico están cerca, los campos magnéticos son CCNAv7 Unidad Didáctica 2: Integración de los elementos de las redes 15/29  exactamente opuestos entre sí. Por lo tanto, los dos campos magnéticos se anulan y también anulan cualquier señal de EMI y RFI externa al usar recepción diferencial. Cambio del número de vueltas por par de hilos: para mejorar aún más el efecto de anulación de los pares de hilos del circuito, los diseñadores cambian el número de vueltas de cada par de hilos en un cable. Los cables UTP deben seguir especificaciones precisas que rigen cuántas vueltas o trenzas se permiten por metro de cable. Observe en la figura que el par naranja y naranja/blanco está menos trenzado que el par azul y azul/blanco. Cada par coloreado se trenza una cantidad de veces distinta. Los cables UTP dependen exclusivamente del efecto de cancelación producido por los pares de hilos trenzados para limitar la degradación de la señal y proporcionar un autoblindaje eficaz de los pares de hilos. 1.4.2 Estándares de cableado UTP y conectores El cableado UTP cumple con los estándares establecidos en conjunto por la TIA/EIA. En particular, la TIA/EIA-568 estipula los estándares comerciales de cableado para las instalaciones LAN y es el estándar de mayor uso en entornos de cableado LAN. Algunos de los elementos definidos son: Tipos de cables Longitudes del cable Conectores Terminación de los cables Métodos para realizar pruebas de cable El Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE) define las características eléctricas del cableado de cobre. IEEE califica el cableado UTP según su rendimiento. Los cables se dividen en categorías según su capacidad para transportar datos a velocidades mayores. Por ejemplo, el cable de Categoría 5 (Cat5) se utiliza comúnmente en las instalaciones de FastEthernet 100BASE-TX. Otras categorías incluyen el cable de categoría 5 mejorada (Cat5e: Cat5 enhanced), la categoría 6 (Cat6) y la categoría 6a (Cat6 augmented). Los cables de categorías superiores se diseñan y fabrican para admitir velocidades superiores de transmisión de datos. A medida que se desarrollan y adoptan nuevas tecnologías Ethernet de velocidades en gigabits, Cat5e es el tipo de cable mínimamente CCNAv7 Unidad Didáctica 2: Integración de los elementos de las redes 16/29 aceptable en la actualidad. Cat6 es el tipo de cable recomendado para nuevas instalaciones edilicias. Algunos fabricantes producen cables que exceden las especificaciones de la categoría 6a de la TIA/EIA y los indican como cables de “categoría 7”. Cable de categoría 3: Originalmente para comunicaciones de voz sobre líneas de voz. Admiten comunicaciones Ethernet a 10 Mbps. Cable de categoría 5: Utilizado para la transmisión de datos. Los cables Cat5 admiten velocidades de 100 Mbps y pueden admitir velocidades de 1000 Mbps, pero esto no se recomienda. Los cables Cat5e admiten velocidades de 1000 Mbps. Cable de categoría 6: Utilizado para la transmisión de datos. Cuenta con un separador entre cada par de cables para permitir que funcione a velocidades más elevadas. Admite velocidades desde 1 Gbps hasta 10 Gbps, aunque esta última no se recomienda (longitud máxima: 55 m). Los cables Cat6a admiten velocidades de 10 Gbps con una distancia de 100m. Categoría 7: también soporta 10Gbps. Categoría 8: soporta 40Gbps. UTP Cat 5e UTP Cat 6 UTP Cat 6a Algunos fabricantes construyen cables que exceden las especificaciones TIA/EIA Categoría 6a y se refieren a ellos como de Categoría 7. El estándar 802.3bz, aprobado a finales de 2016, define los estándares multigigabit (hasta 100m) 2.5GBASE-T sobre cable Cat5e a 2,5Gbps y 5GBASE-T sobre cable Cat6 a 5Gbps. Pero hay equipos con interfaces 1Gbps/10Gbps que no soportan multigigabit (1, 2.5, 5 y 10 Gbps). CCNAv7 Unidad Didáctica 2: Integración de los elementos de las redes 17/29 Conectores RJ-45 para UTP Los cables UTP generalmente se terminan con un conector RJ-45. Este conector se utiliza para RDSI, Ethernet y otras especificaciones de capa física. El estándar TIA/EIA-568 describe las asignaciones de los códigos por colores de los hilos a la asignación de pines (diagrama de pines) de los cables Ethernet. Socket RJ-45 para UTP Como muestra la figura 1, el conector RJ-45 es el componente macho que está engarzado en el extremo del cable. El socket es el componente hembra en un dispositivo de red, una pared, una toma en el tabique divisorio de un cubículo o un panel de conexiones (panel de distribuidor o panel de parcheo, patch panel). Socket = roseta. Conectores RJ-45 para UTP Socket RJ-45 para UTP FTP / STP Cat 6 Cat6 Cat5/Cat5e En función de la categoría, cuesta más trabajo manejar los cables, pero se tiene más o menos velocidad. Cada vez que se realiza la terminación de un cableado de cobre, existe la posibilidad de que se pierda señal y de que se genere ruido. Cuando se realizan las terminaciones de manera incorrecta, cada cable representa una posible fuente de degradación del rendimiento de la capa física. Es fundamental que todas las terminaciones de medios de cobre sean de calidad para garantizar un funcionamiento óptimo con tecnologías de red actuales y futuras. La figura 2 muestra un ejemplo de un cable UTP mal terminado y un cable UTP bien terminado. CCNAv7 Unidad Didáctica 2: Integración de los elementos de las redes 18/29 1.4.3 Cable UTP directo (Straight-through) y Cruzado (Crossover) Según las diferentes situaciones, es posible que los cables UTP necesiten realizarse según diferentes convenciones de cableado. Esto significa que los hilos individuales del cable deben conectarse en diferente orden para distintos grupos de pines en los conectores RJ-45. A continuación se mencionan los principales tipos de cables que se obtienen al utilizar convenciones específicas de cableado: Cable directo Ethernet (Straigh-through): el tipo más común de cable de red. Por lo general, se utiliza para interconectar dispositivos no similares, p. ej. un host a un switch o un router a un switch. Cable cruzado Ethernet (Crossover): cable utilizado para interconectar dispositivos similares. Por ejemplo, un switch a un switch, un host a un host o un router a un router. Se consideran dispositivos similares PC y router; y también Hub y switch. Nota: El cable de consola (rollover) es exclusivo de Cisco usado para conectar el puerto serie de una estación de trabajo con el puerto de consola de un router o de un switch. La figura muestra los pares de hilos individuales para los estándares TIA-568A y TIA-568B. CCNAv7 Unidad Didáctica 2: Integración de los elementos de las redes 19/29 A para cable directo / B cables cruzados. Directo: para conectar dispositivos diferentes. Cruzado: conecta dos dispositivos iguales (hub con hub, router con router). En equipos antiguos, es posible que el mal uso de un cable cruzado o directo no dañe los dispositivos pero tampoco habría conectividad. Este es un error común de laboratorio. Si no se logra la conectividad, la primera medida es verificar que los cables de conexión entre los dispositivos sean correctos. En Ethernet y Fast Ethernet, en un PC se usan los pines 1,2 para transmitir y los pines 3,6 para recibir, por tanto un cable de conexión cruzada intercambia el par transmisor y el receptor. Gigabit Ethernet usa los 4 pares para transmitir y recibir simultáneamente. Un cable cruzado Gigabit intercambia también el par azul y el marrón. No obstante, salvo que sea estrictamente necesario, no se recomienda el uso de cables cruzados. 1.5 Cableado de fibra óptica 1.5.1 Propiedades del cableado de fibra óptica El cableado de fibra óptica es el otro tipo de cableado utilizado en las redes. Debido a que es algo más caro y difícil de conectorizar, no es tan comúnmente utilizado en los diversos tipos de cableado de cobre. Pero el cableado de fibra óptica tiene ciertas propiedades que lo convierten en la mejor opción en ciertas situaciones. El cable de fibra óptica transmite datos a distancias más largas y con anchos de banda más altos que cualquier otro medio de red. A diferencia de los cables de cobre, el cable de fibra óptica puede transmitir señales con menos atenuación y es totalmente inmune a las EMI y RFI. El cable de fibra óptica se utiliza para interconectar dispositivos de red. La fibra óptica es un hilo flexible, pero extremadamente delgado y transparente de vidrio muy puro, no mucho más grueso que un cabello humano. Los bits se codifican en la fibra como impulsos de luz. El cable de fibra óptica actúa como una guía de ondas, o una “tubería de luz”, para transmitir la luz entre los dos extremos con una pérdida mínima de la señal. Diseño de cables de medios de fibra óptica La fibra óptica se compone de dos tipos de vidrio (núcleo y cubierta) y un blindaje exterior de protección (revestimiento). Haga clic en cada componente de la figura para obtener más información. Si bien la fibra óptica es muy delgada y susceptible a dobleces muy marcados, las propiedades del vidrio del núcleo y de revestimiento la hacen muy fuerte. La fibra óptica es duradera y se usa en redes con condiciones ambientales adversas. Núcleo: El núcleo es el elemento que transmite la luz y se encuentra en el centro de la fibra óptica. Normalmente está hecho de silicio o vidrio. Los pulsos de luz se transmiten a través del núcleo de la fibra. CCNAv7 Unidad Didáctica 2: Integración de los elementos de las redes 20/29 Cubierta: Hecho de productos químicos levemente diferentes a los del núcleo, lo que disminuye su índice de refracción. Tiende a actuar como un espejo que refleja la luz hacia el núcleo de la fibra. Así, la luz permanece dentro del núcleo mientras viaja por la fibra. Búfer: Se utiliza para ayudar a proteger el núcleo y la cubierta (o revestimiento) contra cualquier daño. Material de refuerzo: Rodea el búfer, evita que el cable de fibra se estire cuando tiran de él. El material utilizado es, en general, el mismo material que se utiliza para fabricar los chalecos antibalas (kevlar o aramida). Envoltura: Generalmente, una envoltura de PVC que protege la fibra de la abrasión, los solventes y otros contaminantes. La composición de esta envoltura externa puede variar en función del uso del cable. 1.5.2 Tipos de medios de fibra óptica Los pulsos de luz que representan los datos transmitidos en forma de bits en los medios son generados por uno de los siguientes: Láseres Diodos emisores de luz (LED) Los dispositivos electrónicos semiconductores, denominados “fotodiodos”, detectan los pulsos de luz y los convierten en voltajes. La luz del láser transmitida a través del cableado de fibra óptica puede dañar el ojo humano. Se debe tener precaución y evitar mirar dentro del extremo de una fibra óptica activa, pues la luz emitida suele ser de una longitud de onda no visible. En general, los cables de fibra óptica pueden clasificarse en dos tipos: CCNAv7 Unidad Didáctica 2: Integración de los elementos de las redes 21/29  Fibra óptica monomodo (SMF: Single-Mode Fiber): consta de un núcleo muy pequeño y emplea tecnología láser cara para enviar un único haz de luz. Se usa mucho en situaciones de larga distancia que abarcan cientos de kilómetros, como aplicaciones de TV por cable y telefonía de larga distancia. Fibra óptica multimodo (MMF: Multi-Mode Fiber): consta de un núcleo más grande y utiliza emisores LED para enviar pulsos de luz. La luz entra a la fibra en diferentes ángulos. Se usa mucho en las redes LAN, debido a que se puede alimentar mediante LED de bajo costo. Proporciona un ancho de banda de hasta 10 Gbps a distancias de hasta 550 m, pero pueden alcanzar hasta 2km. CCNAv7 Unidad Didáctica 2: Integración de los elementos de las redes 22/29 Una de las diferencias destacadas entre MMF y SMF es la dispersión (temporal). La dispersión se refiere a la extensión de los pulsos de luz en el tiempo. A mayor dispersión, mayor pérdida de la intensidad de la señal. MMF tiene una mayor dispersión que SMF. Es por eso que MMF se usa sólo para cortas distancias (típicamente < 1km). Entre las fibras ópticas multimodo cabe diferenciar dos tipos: de salto de índice y de índice gradual (la más usada), en función de si el índice de refracción cambia de forma brusca o paulatinamente hasta el recubrimiento. La velocidad de la luz es mayor en las capas exteriores por lo que la dispersión (la anchura del pulso de salida) es menor que en la FO multimodo de salto de índice. Existen fibras ópticas construidas con materiales plásticos, llamadas fibras ópticas de plástico, POF (Plastic Optical Fiber). Su núcleo tiene un diámetro de 1mm. Como el plástico es menos transparente, tienen una atenuación aproximada de 1dB/m a 650 nm, por lo que se usan en cortas distancias (en automóviles, en oficinas) empleando un LED rojo como transmisor. Sus principales ventajas son su reducido coste, su fácil manejo y mayor robustez (las pérdidas debidas a su curvatura son muy bajas con radios de hasta 20mm, lo que facilita su instalación en paredes y lugares estrechos). Las figuras muestran un switch POF gigabit y toma de pared, que aprovecha la canalización de corriente para pasar el cable POF. https://shop.epages.de/epages/hom259.sf/en_US/?ObjectPath=/Shops/hom259/Categories/ OpticalSwitch CCNAv7 Unidad Didáctica 2: Integración de los elementos de las redes 23/29 1.5.3 Uso del cableado de fibra óptica En la actualidad, el cableado de fibra óptica se utiliza en cuatro tipos de industrias: Redes empresariales: la fibra óptica se utiliza para aplicaciones de cableado troncal (backbone) y para la interconexión de dispositivos de infraestructura. Fibre-to-the-Home (FTTH): la fibra hasta el hogar se utiliza para proporcionar servicios de banda ancha siempre activos a hogares y pequeñas empresas. (Fibre UK, Fiber US) Redes de larga distancia: utilizadas por proveedores de servicios para conectar países y ciudades. Redes de cable submarino: se utilizan para proporcionar soluciones confiables de alta velocidad y alta capacidad que puedan sobrevivir en entornos submarinos adversos a distancias transoceánicas. Entre en http://www.submarinecablemap.com/ para ver un mapa con las ubicaciones de cables submarinos. En este curso, nos centraremos en el uso de la fibra óptica en las redes empresariales. 1.5.4 Conectores de fibra óptica En las redes locales, se requieren dos fibras para realizar una operación full duplex ya que la luz sólo viaja en una dirección a través de la fibra óptica. En consecuencia, los cables de conexión de fibra óptica forman un haz de dos cables de fibra óptica, y su terminación incluye un par de conectores de fibra estándar. Algunos conectores de fibra óptica aceptan las fibras de transmisión y recepción en un único conector, conocido como “conector dúplex”, en la figura 1 se muestra un conector LC multimodo dúplex. CCNAv7 Unidad Didáctica 2: Integración de los elementos de las redes 24/29 Los cables de fibra óptica se deben proteger con un pequeño capuchón de plástico cuando no se utilizan. Los tres tipos de conectores de fibra óptica más populares: ST, SC y LC, tienen versiones SMF y MMF. Conector de punta recta (directa) (ST: stright tip): Uno de los primeros tipos de conectores utilizados. El conector se bloquea de manera segura con un mecanismo tipo bayoneta "enroscable/desenroscable". Conector suscriptor (SC: Subscriber Connector): en ocasiones, se denomina “conector cuadrado” o “conector estándar”. Es un conector LAN y WAN ampliamente adoptado que utiliza un mecanismo de inserción/extracción para asegurar la inserción correcta. Conector Lucent (LC: Lucent Connector): Una versión pequeña del conector SC. En ocasiones, denominado conector “pequeño” o “local”, cada vez adquiere mayor popularidad debido a su tamaño reducido. 1.5.5 Cables de conexión de fibra La figura muestra diversos cables de conexión comunes. El uso de colores distingue entre los cables de conexión monomodo y multimodo. El color amarillo corresponde a los cables de fibra óptica monomodo y el naranja y el aqua corresponde a los cables de fibra óptica multimodo. CCNAv7 Unidad Didáctica 2: Integración de los elementos de las redes 25/29 Prueba de cables de fibra óptica La terminación y el empalme del cableado de fibra óptica requieren equipo y capacitación especiales. La terminación incorrecta de los medios de fibra óptica produce una disminución en las distancias de señalización o un fallo total de transmisión. Tres tipos comunes de errores de empalme y terminación de fibra óptica son: Desalineación: los medios de fibra óptica no se alinean con precisión al unirlos. Separación de los extremos: no hay contacto completo de los medios en el empalme o la conexión. Acabado final: los extremos de los medios no se encuentran bien pulidos o puede tener suciedad en la terminación. Se puede realizar una prueba de campo rápida y sencilla que consiste en iluminar un extremo de la fibra con una linterna (o móvil) mientras se observa el otro extremo. Si la luz es visible, entonces la fibra es capaz de transmitir luz. Si bien esta prueba no garantiza el rendimiento, es una forma rápida y económica de detectar una fibra deteriorada. Se puede usar un Reflectómetro óptico de dominio de tiempo (OTDR), como el de la figura, para probar cada segmento del cable de fibra óptica. Este dispositivo introduce un impulso de luz de prueba en el cable y mide la retrodispersión y el reflejo de la luz detectados en función del tiempo. El OTDR calculará la distancia aproximada en la que se detectan estos fallos en toda la longitud del cable.pequeño 1.5.6 Fibra versus cobre La utilización de cables de fibra óptica ofrece muchas ventajas en comparación con los cables de cobre. La tabla destaca algunas diferencias. Actualmente, la mayor parte de los entornos empresariales usa la fibra óptica como cableado troncal para conexiones punto a punto con una gran cantidad de tráfico entre los servicios de distribución de datos y para la interconexión de los edificios en el caso de los campus compuestos CCNAv7 Unidad Didáctica 2: Integración de los elementos de las redes 26/29 por varios edificios. Ya que la fibra óptica no conduce electricidad y presenta una pérdida de señal baja, es ideal para estos usos. 1.6 Medios inalámbricos 1.6.1 Propiedades de los medios inalámbricos Los medios inalámbricos transportan señales electromagnéticas que representan los dígitos binarios de las comunicaciones de datos mediante frecuencias de radio y de microondas. Los medios inalámbricos proporcionan las mejores opciones de movilidad de todos los medios y la cantidad de dispositivos habilitados para tecnología inalámbrica sigue en aumento. La tecnología inalámbrica es ahora la principal forma en que los usuarios se conectan a las redes domésticas y empresariales. Estas son algunas de las limitaciones de la tecnología inalámbrica: Área de cobertura: las tecnologías inalámbricas funcionan bien en entornos abiertos. Sin embargo, ciertos materiales de construcción en edificios y estructuras, además del terreno local, limitan la cobertura efectiva. Interferencia: la tecnología inalámbrica también es vulnerable a la interferencia, y puede verse afectada por dispositivos comunes como teléfonos inalámbricos domésticos, algunos tipos de luces fluorescentes, hornos microondas y otras comunicaciones inalámbricas. Seguridad: la comunicación inalámbrica no requiere acceso a un hilo físico de un medio. Por lo tanto, dispositivos y usuarios sin autorización pueden tener acceso a la transmisión. La seguridad de la red es un elemento fundamental en la administración de redes inalámbricas. Medio compartido: WLAN opera en half-duplex, lo que significa que solo un dispositivo puede transmitir a la vez. El medio inalámbrico se comparte entre todos los usuarios inalámbricos. Cuantos más usuarios tenga la WLAN de forma simultánea, cada uno tendrá menos ancho de banda. Aunque la conectividad inalámbrica de escritorio está aumentado en popularidad, el cobre y la fibra óptica son los medios de capa física más populares para la implementación de dispositivos de red intermediarios, como routers y switches. 1.6.2 Tipos de medios inalámbricos Los estándares del IEEE y del sector de las telecomunicaciones sobre comunicaciones inalámbricas de datos abarcan la capas física y de enlace de datos. En cada uno de los estándares, las especificaciones de la capa física se aplican a áreas que incluyen: Codificación de señales de datos a señales de radio CCNAv7 Unidad Didáctica 2: Integración de los elementos de las redes 27/29  Frecuencia y potencia de la transmisión Requisitos de recepción y decodificación de señales Diseño y construcción de antenas Estos son los estándares inalámbricos: Estándar IEEE 802.11: Tecnología de red LAN inalámbrica (WLAN), comúnmente llamada Wi-Fi. Usa un protocolo por contención conocido como acceso múltiple por detección de portadora con prevención de colisiones (CSMA/CA). La NIC inalámbrica primero escucha antes de transmitir para determinar si el canal de radio está libre. Si otro dispositivo inalámbrico está transmitiendo, entonces la NIC espera hasta que el canal se libere. CSMA/CA se analiza más adelante. Wi-Fi (no es oficialmente la contracción de Wireless Fidelity) es una marca comercial de Wi-Fi Alliance. Wi-Fi se usa con dispositivos WLAN certificados basados en los estándares IEEE 802.11. La Wi-Fi Alliance ha redenominado las últimas tecnologías asignando números para que las personas no familiarizadas con los estándares puedan diferenciar las distintas versiones; así a los estándares 802.11n, 802.11ac y 802.11ax ( 802.11be en desarrollo) se le asocia WiFi 4, WiFi 5 y WiFi 6 (WiFi 7). Estándar IEEE 802.15: Estándar de red inalámbrica de área personal (WPAN), comúnmente denominada "Bluetooth", utiliza un proceso de emparejamiento de dispositivos para comunicarse a distancias de 1 a 100 metros. Dentro de este grupo de trabajo, también podemos considerar las redes de área corporal (BAN: Body Area Network) y las redes LPWAN (Low Power WAN) enfocadas a IoT (Internet of Things: Internet de las cosas). Estándar IEEE 802.15.4: conocido como Zigbee es una especificación utilizada para comunicaciones de baja velocidad de datos y baja potencia (larga duración de la batería). Se utiliza normalmente para entornos industriales e Internet de las cosas (IoT), tales como interruptores de luz inalámbricos y recopilación de datos de dispositivos médicos. Matter es un estándar de conectividad de código abierto para dispositivos domésticos inteligentes e IoT, cuyo objetivo es mejorar la interoperabilidad/compatibilidad entre distintos fabricantes y la seguridad. La versión 1.0 de la especificación se publicó el 4 de octubre de 2022. https://es.wikipedia.org/wiki/Matter_(estándar) CCNAv7 Unidad Didáctica 2: Integración de los elementos de las redes 28/29 Estándar IEEE 802.16: Estándar de red MAN inalámbrica (WMAN). Comúnmente conocida como Interoperabilidad mundial para el acceso por microondas (WiMAX: Worldwide Interoperability for Microwave Access), utiliza una topología punto a multipunto para proporcionar acceso de banda ancha inalámbrico. Nota: las comunicaciones por satélite, por datos móviles, y LiFi, exceden el ámbito del capítulo. 1.6.3 LAN inalámbrica En general, una LAN inalámbrica requiere los siguientes dispositivos de red: Punto de acceso inalámbrico (AP o WAP): concentra las señales inalámbricas de los usuarios y se conecta a la infraestructura de red cableada, como Ethernet. Los routers inalámbricos domésticos y de pequeñas empresas integran las funciones de router, switch y punto de acceso en un solo dispositivo. Adaptadores (NIC) inalámbricos: proporcionan capacidad de comunicación inalámbrica a cada host de la red. A medida que avanzaba la tecnología, surgieron una gran cantidad de estándares WLAN basados en Ethernet. Había que tener cuidado al comprar dispositivos inalámbricos para garantizar la interoperabilidad. Los beneficios de las tecnologías inalámbricas son el ahorro del costoso cableado y la ventaja de la movilidad del host. Los administradores de red necesitan desarrollar y aplicar procesos y políticas rigurosas de seguridad para proteger las WLAN del daño y el acceso no autorizado. CCNAv7 Unidad Didáctica 2: Integración de los elementos de las redes 29/29