BASE TEÓRICA DE LA COMUNICACIÓN DE DATOS Mediante la variación de algunas propiedades físicas, como voltaje o corriente, es posible transmitir información a través de cables. SEÑALES DE ANCHO DE BANDA Ninguna instalación transmisora puede transmitir señales sin perder cierta potencia en el proceso. Si todos los componentes de Fourier disminuyeran en la misma proporción, la señal resultante se reduciría en amplitud, pero no se distorsionaría. Desafortunadamente todas las instalaciones de transmisión disminuyen los distintos componentes de Fourier en diferente grado lo que provoca distorsión. Por lo general, las amplitudes se transmiten sin ninguna disminución desde 0 hasta cierta frecuencia, y todas las frecuencias que se encuentren por encima de esa frecuencia de corte serán atenuadas. Ancho de Banda Se conoce como ancho de banda al rango de frecuencias que se transmiten sin atenuarse con fuerza. El ancho de banda es una propiedad física del medio de transmisión y por lo general depende de la construcción, grosor y longitud de dicho medio. MEDIOS DE TRANSMISIÓN El propósito de la capa física es transportar un flujo de datos puro de una máquina a otra. Es posible utilizar varios medios físicos para la transmisión real. Los medios se clasifican en términos generales en dos: Medios de transmisión guiados Medios de transmisión inalámbricos MEDIOS DE TRANSMISIÓN GUIADOS Dentro de los medios guiados encontramos el cable coaxial o la fibra óptica entre otros. Medios Magnéticos Una de las formas mas comunes para transportar datos de una computadora a otra es almacenarlos en cintas magnéticas o medios extraíbles, transportar físicamente la cinta o medio extraíble a la maquina destino y leer dichos datos ahí. Este medio tiene como desventaja el hecho que llegar de una maquina a otra implicaría tardar días o hasta meses para lograrlo ya que transportar esas cintas requiere el uso de medios de transporte como automóvil o avión lo que implica un retrazo en el envío. La ventaja de este medio radica en el hecho que la capacidad de almacenamiento puede llegar a cubrir los terabits lo que haría que la cantidad de información que se enviara fuera muy elevada. Par Trenzado Para muchas aplicaciones se necesita de una conexión en línea. Uno de los medios de transmisión mas viejo y común es el cable de par trenzado el cual consta de dos cables de cobre aislado los cuales se trenzan, esto se hace porque dos alambres paralelos constituyen una antena simple. La aplicación mas común de este cable es para el sistema telefónico. La distancia que se puede recorrer con estos cables es de varios kilómetros sin necesidad de amplificar las señales, para distancias mayores se requieren repetidores. Cuando muchos cables de par trenzado recorren de manera paralela distancias considerables se suelen atar en haces y se cubren con una envoltura protectora. Si los cables no estuvieran trenzados podrían sufrir interferencias. Los cables de par trenzado se pueden utilizar tanto para transmisión digital como para analógica. El ancho de banda depende del grosor del cable y de la distancia que se recorre. Existen varios tipos de cable de par trenzado: Par Trenzado de Categoría 3: consiste en dos alambres aislados que se trenzan de manera delicada. Cuatro de estos pares se agrupan por lo regular en una envoltura de plástico para su protección Par Trenzado de Categoría 5: son similares a los de categoría 3 pero con mas vueltas en su trenzado, lo que produce una menor diafonía y una señal de mejor calidad a distancias mas largas, esto las hace mas adecuadas para una comunicación mas rápida entre computadoras. Cable Coaxial Es otro medio de comunicación común, este cable tiene un mejor blindaje que el par trenzado así que puede abarcar tramos mas largos a velocidades mayores. Hay dos clases de cable coaxial: el cable de 50 ohms, el cual se utiliza para la transmisión digital y el cable de 75 ohms, el cual se utiliza comúnmente para la transmisión analógica y de televisión por cable. Un cable coaxial esta formado por un alambre de cobre rígido como núcleo, rodeado por un material aislante. El aislante esta forrado con un conductor cilíndrico, que con frecuencia es una malla de tejido fuertemente trenzada. El conductor externo se cubre con una envoltura protectora de plástico. La construcción y el blindaje del cable coaxial le confieren una buena combinación de ancho de banda alto y excelente inmunidad al ruido. Es ancho de banda posible depende de la calidad y longitud del cable y de la relación señal a ruido de la señal de datos. Los cables coaxiales solían ser ampliamente utilizados en el sistema telefónico para las líneas de larga distancia, pero eso en la actualidad ha sido remplazado por la fibra óptica. Sin embargo el cable coaxial aun se utiliza en la televisión por cable y en las redes de área metropolitana. Fibra Óptica Un sistema de transmisión óptico tiene tres componentes: la fuente de luz, el medio de transmisión y el detector, un pulso de luz indica un bit 1 y la ausencia de luz indica un bit 0. el medio de transmisión es una fibra de vidrio ultradelgada. El detector genera un pulso eléctrico cuando la luz incide en él. Al agregar una fuente de luz en un extremo de una fibra óptica y un detector en el otro, se tiene un sistema de transmisión de datos unidireccional que acepta una señal eléctrica, la convierte y transmite mediante pulsos de luz y luego reconvierte la salida a una señal eléctrica en el extremo receptor. Los cables de fibra óptica son similares a los coaxiales, excepto por el trenzado. Al centro se encuentra el núcleo de vidrio a través del cual se propaga la luz. El núcleo esta rodeado por un revestimiento de vidrio como índice de refracción menor que el del núcleo, con el fin de mantener toda la luz en este último. A continuación está una cubierta plástica delgada para proteger el revestimiento. Las fibras por lo general se agrupan en haces protegidas por una funda exterior. Las cubiertas de fibras terrestres por lo general se colocan en el suelo a un metro de la superficie. Cerca de la costa, las cubiertas de fibras transoceánicas se entierran en zanjas mediante una especie de arado marino. En las aguas profundas, simplemente se colocan en el fondo. La fibra óptica se puede utilizar en las LAN’s, así como en transmisiones de largo alcance, aunque conectarse a ellas es un tanto complicado. Ventajas de la Fibra Óptica contra el Cable Coaxial La fibra óptica maneja anchos de banda mayores que el cable coaxial La fibra óptica utiliza repetidores cada 50 Km. aproximadamente; los cables coaxiales necesitan repetidores cada 5 Km. aproximadamente. Las sobrecargas de energía, interferencias o los cortes al suministro de la energía no afectan a la fibra óptica Las fibras ópticas no tienen fugas de luz y es difícil intervenirlas o conectarse a ellas. Desventajas de la Fibra Óptica Dado que es una tecnología poco conocida requiere habilidades que casi no tienen los ingenieros para su instalación. Las fibras pueden dañarse con facilidad al doblarse Dado que la transmisión es unidireccional es necesario tener dos fibras para una conexión bidireccional. Las fibras son muy costosas. MEDIOS DE TRANSMISIÓN INALÁMBRICOS Radiotransmisión Las ondas de radio son fáciles de generar, pueden viajar distancias largas y penetrar edificios sin problemas, y por ello su uso está muy generalizado en la comunicación, tanto en interiores como en exteriores. Las ondas de radio son omnidireccionales, es decir, que viajan en todas direcciones a partir de la fuente, por lo que no es necesario que el transmisor y el receptor se encuentren físicamente alineados. Las propiedades de las ondas de radio dependen de la frecuencia. A bajas frecuencias, esas ondas cruzan bien casi cualquier obstáculo, pero la potencia se reduce de manera drástica a medida que se aleja de la fuente. A frecuencias altas, las ondas de radio tienden a viajar en línea recta y a rebotar en los obstáculos. También son absorbidas por la lluvia. En todas las frecuencias, las ondas de radio están sujetas a interferencia por los motores y otros equipos eléctricos. Microondas Por encima de los 100 MHz las ondas viajan en línea recta y, por lo tanto, se pueden enfocar en un haz estrecho. Concentrar toda la energía en un haz pequeño con una antena parabólica produce una relación señal a ruido mucho mas alta, pero las antena transmisora y receptora deben estar bien alineadas entre sí. Esta direccionalidad entre varios transmisores alineados en una fila se comuniquen sin interferencia con varios receptores en fila, siempre y cuando se sigan algunas reglas de espaciado. Ya que las microondas viajan en línea recta, si las torres están muy separadas, partes de la Tierra estorbarán. Como consecuencia se necesitan repetidores periódicos. Cuanto mas altas sean las torres mas separadas pueden estar. A diferencia de las ondas de radio a frecuencias mas bajas, las microondas no atraviesan bien los edificios, aun cuando el haz puede estar bien enfocado en el transmisor, hay cierta divergencia en el espacio. Las ondas diferidas pueden llegar fuera de fase con la onda directa y cancelar así la señal. Este efecto se llama desvanecimiento por múltiples trayectorias y por lo regular ese es un problema serio que depende del clima y de la frecuencia. Para evitar un caos total, hay acuerdos nacionales e internacionales acerca de quien utiliza cuáles frecuencias. Los gobiernos nacionales asignan frecuencias para radio (AM y FM), televisión, teléfonos móviles, compañías de teléfono, policía, marina, navegación, milicia, gobierno y otros usuarios. En Estados Unidos quien hace esas asignaciones es la FCC (Comisión Federal de Comunicaciones). Ondas Infrarrojas Las ondas infrarrojas se utilizan para las comunicaciones de corto alcance. Todos los controles remotos de los aparatos eléctricos (televisión, radio, etc) utilizan comunicaciones infrarrojas. Estos controles son relativamente direccionales, económicos y fáciles de construir, pero tienen un inconveniente no atraviesan los objetos sólidos. El hecho de que las ondas infrarrojas no atraviesen bien las paredes sólidas también es una ventaja, es decir, que un sistema infrarrojo en un cuarto de un edificio no interferirá con un sistema similar en cuartos adyacentes. Por esta razón, la seguridad de estos sistemas contra el espionaje es mejor que la de los sistemas de radio. Láser (transmisión por ondas de luz) La señalización óptica sin guías se ha utilizado durante siglos. Una aplicación moderna del láser es conectar las LAN de dos edificios por medio del láser montados en sus azoteas. La señalización óptica coherente con láser es unidireccional, de modo que cada edificio necesita su propio láser y su propio fotodetector. Este esquema ofrece un ancho de banda muy elevado y un costo muy bajo. Es relativamente fácil de instalar y no requiere de licencias de la FCC. Una desventaja es que los rayos láser no pueden penetrar la lluvia ni la niebla densa, pero normalmente funciona bien en días soleados. SATELITES DE COMUNICACIONES En la década de 1950 y principios de 1960, hubo intentos por establecer sistemas de comunicación mediante el rebote de señales sobre globos climáticos. Por desgracia las señales que se recibían eran demasiado débiles para darles un uso práctico. Progresos posteriores en el campo de las comunicaciones por el cielo tuvieron que esperar hasta que se lanzó el primer satélite de comunicaciones. La principal diferencia entre un satélite artificial y uno real es que el primero puede amplificar las señales antes de mandarlas de regreso. Los satélites de comunicaciones tienen algunas propiedades interesantes que los hacen atractivos para muchas aplicaciones. Un satélite de comunicaciones se puede considerar como un enorme repetidor de microondas en el cielo. Contiene numerosos transpondedores, cada uno de los cuales se encarga de una parte de la frecuencia, amplifica la señal entrante y la retransmite en otra frecuencia para evitar interferencia con la señal entrante. Los haces pueden ser amplios y cubrir una porción sustancial de la superficie de la Tierra, o estrechos y abarcar algunos cientos de kilómetros de diámetro. Entre mas alto este el satélite, mas largo es el periodo. Cerca de la superficie de la Tierra, el periodo es de aproximadamente 90 minutos. En consecuencia, los satélites con órbitas bajas desaparecen de la vista con mayor rapidez, aunque algunos de ellos son necesarios para proporcionar una cobertura continua. A una altitud de cerca de 35,800 Km, el periodo es de 24 horas. A 384,000 Km, el periodo es de cerca de un mes. Satélites geoestacionarios La invención del transistor cambió las cosas para los satélites; el primer satélite de comunicaciones artificial Telstar, fue lanzado en julio de 1962. Desde entonces los satélites de comunicaciones se han convertido en un negocio multimillonario. Con frecuencia a estos satélites que vuelan a grandes alturas se les llama satélites GEO (Órbita Terrestre Geoestacionaria). Con la tecnología actual, es poco aconsejable utilizar satélites geoestacionarios espaciados a menos de dos grados en el plano ecuatorial de 360 grados para evitar interferencia, es decir, que solo puede haber 180 de estos satélites a la vez en el cielo, sin embargo, cada transpondedor puede utilizar múltiples frecuencias y polarizaciones para incrementar el ancho de banda disponible. Los satélites modernos pueden ser bastante grandes, pesar hasta 4000 Kg. Y consumir varios kilowatts de electricidad producida por paneles solares. La gravedad del Sol, la Luna y los planetas tiende a desplazar a los satélites de sus órbitas y orientaciones asignadas, efecto contrarrestado por los motores turbo integrados en los satélites. Los primeros satélites geoestacionarios tenían un solo haz espacial que iluminaba cerca de un tercio de la superficie de la Tierra al cual se le conoce como huella. Con la considerable reducción del precio, tamaño, requerimientos de energía, de los componentes microelectrónicos se ha vuelto posible una estrategia de difusión mucho mas refinada. Cada satélite está equipado con múltiples antenas y transpondedores. Cada haz descendiente se puede concentrar en un área geográfica pequeña, de tal forma que es posible llevar a cabo simultáneamente una gran cantidad de transmisiones desde y hacia el satélite. Satélite de Orbita Terrestre Media Los satélites MEO (Orbita Terrestre Media) se encuentran a altitudes mucho mas bajas, estos satélites se desplazan lentamente y tardan alrededor de seis horas para dar vuelta a la Tierra. Puesto que son menores que los GEO, tienen una huella mas pequeña y se requieren de transmisores menos potentes para alcanzarlos. Satélite de Orbita Terrestre Baja En una amplitud mas baja encontramos los satélites LEO (Orbita Terrestre Baja) debido a la rapidez de su movimiento se requieren grandes cantidades de ellos para conformar un sistema completo. Como los satélites se encuentran tan cercanos a la Tierra, las estaciones terrestre no necesitan mucha potencia, y el retardo del viaje de ida y vuelta es de tan solo algunos milisegundos. TRANSMISIÓN ANALÓGICA La transmisión analógica dominó en sus inicios la industria de las telecomunicaciones. Las señales se transmitían haciendo que alguna magnitud física como por ejemplo el voltaje variara en forma continua en función del tiempo. A pesar de la llegada de la transmisión digital aun encontramos transmisiones analógicas importantes y muy utilizadas, el ejemplo mas conocido es el sistema telefónico. RED TELEFÓNICA PÚBLICA CONMUTADA Cuando dos computadoras propiedad de la misma empresa u organización, localizadas cerca una de la otra, necesitan comunicarse, es fácil conectarlas mediante un cable. Las LAN’s funcionan de esta manera. Sin embargo cuando las distancias son considerables los costos de tener cables privados son muy elevados. Además, en casi todos los países del mundo también es ilegal el enlace de líneas de transmisión privadas a través o por debajo de una propiedad pública. En consecuencia, los diseñadores de redes dependen de las instalaciones de telecomunicaciones existentes. Estas instalaciones, en especial la PSTN(Red Telefónica Pública Conmutada) fueron diseñadas hace muchos años, con un propósito completamente diferente: transmitir la voz humana en una forma mas o menos reconocible. Su aplicabilidad en las comunicaciones de computadora a computadora es muy limitada, pero esta situación esta cambiando rápidamente con la introducción de la fibra óptica y la tecnología digital. El sistema telefónico esta ampliamente relacionado con las computadoras y la comunicación entre ellas. Estructura del sistema telefónico Tan pronto como Alexander Graham Bell patentó el teléfono en 1876, hubo una gran demanda por su nuevo invento. El mercado inicial era solo para la venta de teléfonos, los cuales se vendían por pares. Dado los problemas para comunicar mas de dos teléfonos entre si Bell formó la Bell Telephone Company, la cual abrió su primera oficina de conmutación en 1878. La compañía colocó un cable en la casa u oficina de cada cliente. Para realizar una llamada, el cliente debía dar vueltas a una manivela en el teléfono que producía un sonido en la oficina de la compañía de teléfonos con el que se atraía la atención de un operador, el cual conectaba manualmente a quien llamaba el receptor. Muy pronto surgieron por todas partes oficinas de conmutación del Bell System y la gente quiso hacer llamadas de larga distancia entre ciudades, de modo que Bell System empezó a conectar las oficinas de conmutación. Para 1980, las tres partes principales del sistema telefónico ya estaban en su lugar: Oficinas de conmutación Cables entre los clientes y las oficinas de conmutación (en esa época ya se utilizaba el par trenzado) Conexiones de larga distancia entre las oficinas de conmutación Para las telecomunicaciones se usan diversos medios de transmisión. En nuestros días, los circuitos locales utilizan los pares trenzados; en las oficinas de conmutación se usan ampliamente cables coaxiales, microondas y en especial fibra óptica. En el pasado, la transmisión en todo sistema telefónico era analógica, con la señal de voz real transmitida como voltaje eléctrico entre la fuente y el destino. Actualmente todos los conmutadores son digitales y el circuito local queda como el único elemento de tecnología analógica del sistema. Existe preferencia por la transmisión digital porque en ésta no es necesario reproducir exactamente una forma de onda analógica después de que ha pasado por muchos amplificadores en una llamada larga. CONMUTACIÓN Y MULTIPLEXACIÓN TIPOS DE CONMUTACIÓN La comunicación entre un origen y un destino habitualmente pasa por nodos intermedios que se encargan de encauzar el tráfico. Por ejemplo, en las llamadas telefónicas los nodos intermedios son las centralitas telefónicas y en las conexiones a Internet, los routers o encaminadores. Dependiendo de la utilización de estos nodos intermedios, se distingue entre conmutación de circuitos, de mensajes y de paquetes. Conmutación de circuitos Se establece un camino físico entre el origen y el destino durante el tiempo que dure la transmisión de datos. Este camino es exclusivo para los dos extremos de la comunicación: no se comparte con otros usuarios (ancho de banda fijo). Las comunicaciones a través de líneas telefónicas analógicas (RTB) o digitales (RDSI) funcionan mediante conmutación de circuitos. Conmutación de mensajes Un mensaje que se transmite de esta manera va pasando desde un nodo al siguiente, liberando el tramo anterior en cada paso para que otros puedan utilizarlo y esperando a que el siguiente tramo esté libre para transmitirlo. Esto implica que el camino origen-destino es utilizado de forma simultánea por distintos mensajes. Sin embargo, éste método no es muy útil en la práctica ya que los nodos intermedios necesitarían una elevada memoria temporal para almacenar los mensajes completos. En la vida real podemos compararlo con el correo postal. Conmutación de paquetes La conmutación de paquetes es la que realmente se utiliza cuando hablamos de redes. Los mensajes se fragmentan en paquetes y cada uno de ellos se envía de forma independiente desde el origen al destino. De esta manera, los nodos (routers) no necesitan una gran memoria temporal y el tráfico por la red es más fluido. Nos encontramos aquí con una serie de problemas añadidos: la pérdida de un paquete provocará que se descarte el mensaje completo; además, como los paquetes pueden seguir rutas distintas puede darse el caso de que lleguen desordenados al destino. Esta es la forma de transmisión que se utiliza en Internet: los fragmentos de un mensaje van pasando a través de distintas redes hasta llegar al destino. TIPOS DE MULTIPLEXACIÓN La multiplexación es la transmisión simultánea de varios canales de información separados en el mismo circuito de comunicación sin interferirse entre sí. Para la comunicación de voz, esto significa dos o más canales de voz en una sola portadora. Para los sistemas telefónicos significa muchos canales en un sólo par de cables o en una sola línea de transmisión coaxial. La transmisión simultánea puede llevarse a cabo por división de tiempo o por división de frecuencia. Multiplexación por división de tiempo La multiplexación por división de tiempo (MDT) es un medio de transmitir dos o más canales de información en el mismo circuito de comunicación utilizando la técnica de tiempo compartido. Se adapta bien a las señales binarias que consisten en impulsos que representan un dígito binario 1 o 0. Estos impulsos pueden ser de muy corta duración y sin embargo, son capaces de transportar la información deseada; por tanto, muchos de ellos pueden comprimirse en el tiempo disponible de un canal digital. La señal original puede ser una onda analógica que se convierte en forma binaria para su transmisión, como las señales de voz de una red telefónica, o puede estar ya en forma digital, como los de un equipo de datos o un ordenador. La parte de preparación de la señal y modulación del sistema se denomina multiplexor (MUX), y la parte de desmodulación se llama desmultiplexor (DE-MUX). En el MUX, un conmutador sincronizado (interruptor electromecánico) conecta secuencialmente un impulso de sincronización, seguido por cada canal de información, con la salida. La combinación de este grupo de impulsos se denomina cuadro. El impulso de sincronización se utiliza para mantener la transmisor y la receptor sincronizados, es decir, para mantener en fase el sincronizador del receptor con el del transmisor. El DEMUX, dirige impulsos de sincronización hacia el sincronizador del receptor, y el muestreo de información envía los impulsos hasta sus canales correctos para su posterior análisis. Multiplexación por división de frecuencia Al igual que la MDT, la multiplexación por división de frecuencia (MDF) se utiliza para transmitir varios canales de información simultáneamente en el mismo canal de comunicación. Sin embargo, a diferencia de la MDT, la MDF no utiliza modulación por impulsos. En MDF, el espectro de frecuencias representado por el ancho de banda disponible de un canal se divide en porciones de ancho de banda más pequeños, para cada una de las diversas fuentes de señales asignadas a cada porción. Explicado de forma sencilla, la diferencia entre los dos sistemas es ésta: En MDF, cada canal ocupa continuamente una pequeña fracción del espectro de frecuencias transmitido; en MDT, cada canal ocupa todo el espectro de frecuencias durante sólo una fracción de tiempo. COMUNICACIÓN SIMPLEX, HALF-DUPLEX Y FULL-DUPLEX Simplex En una comunicación simplex existe un solo canal unidireccional: el origen puede transmitir al destino pero el destino no puede comunicarse con el origen. Por ejemplo, la radio y la televisión. Half-duplex En una comunicación half-duplex existe un solo canal que puede transmitir en los dos sentidos pero no simultáneamente: las estaciones se tienen que turnar. Esto es lo que ocurre con las emisoras de radioaficionados. Full-duplex En una comunicación full-duplex existen dos canales, uno para cada sentido: ambas estaciones pueden transmitir y recibir a la vez. Por ejemplo, el teléfono.