Fundamentos de la Capa Física en Redes: Transmisión y Señalización

Capa Física OSI

8.1 Objetivos de la Capa Física

El papel de la capa física OSI es codificar los dígitos binarios que representan las tramas de la capa de enlace de datos en señales, y transmitir y recibir estas señales a través del medio físico que conecta los dispositivos de la red. La entrega de la trama a través del medio local precisa de los siguientes elementos de la capa física:

• El medio físico y los conectores asociados.
• Una representación de los bits en el medio.
• La codificación de los datos y la información de control.
• La circuitería de transmisión y recepción en los dispositivos de la red.

Operativa de la Capa Física

• Medio cable de cobre: Señal de patrones de pulsos eléctricos.
• Medio cable de fibra óptica: Señal de pulsos de luz.
• Medio inalámbrico: Señal de patrones de transmisiones de radio.

Estándares de la Capa Física

La capa física define las especificaciones de hardware, incluyendo la circuitería electrónica, el medio y los conectores. Las siguientes son algunas de las organizaciones clave: ISO, IEEE, ANSI, ITU, EIA/TIA y las Autoridades nacionales de telecomunicación como la FCC.

Principios Fundamentales de la Capa Física

Los tres siguientes componentes de comunicación de la capa 1 son claves para la comprensión de cómo funciona la capa física: componentes físicos, codificación y señalización.

Los componentes físicos transportan el mensaje de una forma fiable y consistente, de manera que el receptor pueda obtener dicho mensaje del mismo modo en que fue enviado. La codificación es otra función principal de la capa física. Los bits procedentes de la trama encapsulada de la capa de enlace de datos tienen que ser agrupados, o codificados, en patrones reconocibles por los dispositivos de capa 1. Después de la transmisión, el dispositivo receptor de la capa 1 decodifica los patrones y pasa la trama hacia la capa de enlace de datos.

Otra función de la codificación es la información de control. La capa física inserta un código de control para especificar el comienzo y el final de las tramas. Este código es un patrón específico de unos y ceros que se añaden al final de cada trama codificada. La señalización es otra función clave de la capa física. El proceso de señalización es el encargado de determinar cómo representar el bit binario en un medio específico.

8.2 Señalización y Codificación Física: La Representación de Bits

Señalización de los Bits para el Medio

Existen varias formas de representar como una señal estos dígitos binarios en el medio físico. Cada método busca una manera de convertir un pulso de energía en una cantidad de tiempo concreta conocida como tiempo de bit. El tiempo de bit es el tiempo que necesita una NIC de capa 2 OSI para generar 1 bit de datos y enviarlo al medio como una señal. El tipo de señal existente dentro del tiempo de bit depende del método de señalización. La cantidad de tiempo real que consume un tiempo de bit depende de la velocidad de la NIC. Los diferentes métodos de señalización varían en la forma de representar los bits en el tiempo de bit. Las tres posibles variaciones de una señal que pueden representar bits codificados son amplitud, frecuencia y fase.

Sin Retorno a Cero

El método de señalización conocido como NRZ (Sin retorno a cero) muestrea el nivel de voltaje en el medio durante un tiempo de bit. El método define que el nivel de voltaje más alto representa el 1, mientras que el más bajo representa el 0. No tiene un voltaje cero constante, por lo que a veces se hace necesaria una señalización adicional para la sincronización con otros dispositivos. Estos requisitos limitan la eficacia de NRZ e incrementan el riesgo de distorsión si se presenta cualquier interferencia electromagnética.

Codificación Manchester

Es un método de señalización que examina un cambio en el voltaje en la mitad de un tiempo de bit. Un cambio desde un nivel bajo a otro alto en un tiempo de bit representa un 1, mientras que la misma operación pero desde un nivel alto a otro bajo indica un 0. Cuando existen bits repetidos, es decir, unos y ceros consecutivos, se producirá una transición en el borde del tiempo de bit, por lo que se producirá una subida o una bajada repetida en la mitad del tiempo de bit. La codificación Manchester es el estándar de señalización de Ethernet 10BASE-T.

Codificación: Agrupando los Bits

La codificación de señales agrupando los bits es el proceso de añadir patrones de señal para identificar transmisiones importantes. Un patrón de señal permite a los dispositivos trabajar de forma más eficaz, pues les permite ignorar aquello que no es importante y prestar atención a lo que sí lo es. Antes de que cada trama de capa 1 sea transmitida como señal, se codifica con patrones de señal que anuncian a los dispositivos receptores cuándo comienza y termina la trama y qué parte de la misma tiene datos que deben ser pasados a la capa 2 OSI.

Los grupos de código (otro método de codificación) pueden mejorar la eficiencia de la red y la fiabilidad de la señal. Los grupos de código cobran relevancia a velocidades de datos altas, donde las redes se hacen más vulnerables a los errores. Un grupo de código es un pequeño grupo de bits predefinido que representa a un grupo de bits de datos más grande. Estos grupos pueden mejorar el rendimiento en las redes en las siguientes cuatro áreas:

• Reducción del error a nivel de bit.
• Limitación de la energía efectiva transmitida en el medio.
• Ayuda a distinguir los bits de datos de los de control.
• Proporciona una mejor detección de errores en el medio.

Los grupos de código pueden mejorar las diferencias en una señal usando tres tipos de símbolos:

• Símbolos de datos (el dato enviado desde la capa física).
• Símbolos de control (los patrones de capa 1 que denotan el comienzo y el final de las tramas).
• Símbolos erróneos (patrones de bit no permitidos en el medio que pueden indicar un error en la trama).

El grupo 4B/5B es un ejemplo de un grupo de código simple. En esta técnica, 4 bits se agrupan en un símbolo que contiene 5 bits.

Capacidad de Transporte de Datos

Existen tres formas de analizar la velocidad de transferencia de los datos sobre un medio:

• Teóricamente, como ancho de banda.
• Prácticamente, como rendimiento.
• Cualitativamente, como capacidad de transferencia útil.

El ancho de banda es la capacidad de un medio de transportar datos en una cantidad de tiempo determinado. Su unidad de medida estándar son los bits por segundo (bps). El ancho de banda tiene en cuenta las propiedades físicas del medio y el método de señalización aplicado.

El rendimiento es la tasa de transferencia de datos actual sobre el medio en un periodo de tiempo. El rendimiento se mide en bps. Los factores que influyen en el rendimiento son la cantidad de tráfico, el tipo de tráfico y el número de dispositivos encontrados en la red.

La capacidad de transferencia útil es la tasa de transferencia de los bits de datos utilizables. La capacidad de transferencia útil es el rendimiento de datos menos los bits de sobrecarga del protocolo, las correcciones de errores y las peticiones de retransmisión.

8.3 Medio Físico: Conectando la Comunicación

Tipos de Medios Físicos: Medio de Cobre

El modo que más aceptación ha tenido para la transferencia de datos en redes locales es el cobre. El cobre conecta hosts con otros dispositivos como routers, switches y hubs dentro de una LAN. Este medio dispone de estándares para los siguientes temas: tipo de cableado de cobre empleado, ancho de banda de la comunicación, tipos de conectores usados, diagrama de pines y códigos de color de las conexiones del medio y la distancia máxima del medio.

El cobre es un medio efectivo porque conduce las señales eléctricas muy bien, aunque tiene sus limitaciones. Los datos que viajan por un cable de cobre lo hacen como pequeños pulsos de voltaje eléctrico. Este voltaje es bastante bajo y fácilmente distorsionable por interferencias externas y por la atenuación de la señal. La atenuación es la pérdida de energía en una señal cuando recorre largas distancias. Los valores de temporización y de voltaje de estas señales son susceptibles a las interferencias, o ruido, procedentes del exterior del sistema de comunicaciones. Estas señales no deseadas pueden distorsionar y corromper las señales de datos al ser transportadas por el medio de cobre.

Cable UTP (Par Trenzado sin Apantallar)

El medio de cobre más común en las redes es el cable UTP. En Ethernet, este cable consta de 8 hilos trenzados en 4 pares codificados por color y bobinados dentro de una cubierta de cable.

El trenzado en un cable UTP forma parte de su diseño. Como cada hilo del par transporta corriente en direcciones opuestas, el tenerlos muy juntos dentro del trenzado provocará que los campos magnéticos de ambos se anulen mutuamente. Esta interferencia magnética se conoce como crosstalk (diafonía). Los grupos de ingeniería TIA/EIA definen los siguientes estándares para las instalaciones de cable UTP: tipos de cable, longitudes del cable, conectores, terminación del cable y métodos para testar el cable. Existen varias categorías de cable UTP. Cada una de ellas indica un nivel de rendimiento de ancho de banda. El conector de cable UTP más común en los dispositivos LAN es el RJ-45.

Los hilos del cable insertados en el conector RJ-45 no siempre se ordenan de la misma forma. El orden de esos hilos en el conector, denominado diagrama de pines, varía según el lugar donde se coloque el cable dentro de la red. El orden de los hilos viene definido por los estándares TIA/EIA 568A y 568B.

Otros Tipos de Cable de Cobre

Uno de los primeros tipos de cable usados en las LANs fue el cable coaxial. Este cable, conocido también como coax, tiene un hilo único de cobre central recubierto y una malla de metal exterior que actúa tanto como circuito de tierra como de pantalla electromagnética para reducir las interferencias. La capa exterior es la camisa plástica del cable. HFC (Fibercoax híbrida) combina las propiedades eléctricas del coax y los beneficios de distancia y de ancho de banda del cable de fibra óptica. El cable STP (par trenzado apantallado) es una tecnología LAN que ha visto decaer su uso durante los últimos años. Fue un estándar en la red Token Ring de IBM, aunque su uso en redes Token Ring se ha visto desplazado por otras tecnologías Ethernet. Combina dos métodos de reducción de ruido: trenzando los pares de hilos dentro del cable para reducir las interferencias y después blindando el cable en una malla metálica.

Seguridad en el Medio de Cobre

Como el cobre transporta corriente eléctrica, existe un riesgo inherente al usarlo. Los estándares de cable y los códigos de edificación locales controlan estos problemas mediante armarios de cableado y especificaciones en cuanto a la longitud.

Otro peligro es la extralimitación del cable que se tiende entre edificios y entre plantas dentro de estos edificios. Es posible que un cable excesivamente largo que conecta dos áreas con distintas conexiones a tierra provoque un cortocircuito que dañe a un usuario.

Los materiales usados para fabricar algunos cables pueden tener peligro de incendiarse. Algunos edificios disponen de un espacio común para los conductos de aire y para el cableado, y si el fuego alcanza los cables, se podrían emitir gases tóxicos.

Fibra

El cable de fibra óptica emplea pulsos de luz a través de conductores de cristal para transportar los datos. El cable está diseñado para ser lo más puro posible y para permitir que las señales de luz fiables atraviesen el medio. Al igual que ocurre con el medio de cobre, los estándares y los niveles de rendimiento de la fibra están mejorando constantemente.

La fibra tiene algunas ventajas con respecto al cobre, aunque también es más complicada de instalar. La fibra dispone de un ancho de banda mayor y puede extenderse más lejos que el cable de cobre. Sin embargo, el alto coste del cable de fibra óptica y de sus conectores, junto a la preparación especial necesaria para instalarlo, limita su viabilidad a usos especiales.

El cable de fibra óptica empieza con un hilo de cristal, o de plástico especial, a través del cual viaja la señal luminosa. Alrededor del cristal está el revestimiento, un material especial que refleja la luz que se escapa del núcleo. En el extremo receptor, unos dispositivos llamados fotodiodos interpretan la señal de luz, decodifican el patrón de bits y envían la información a la capa de enlace de datos.

Medio Inalámbrico

El medio inalámbrico transporta señales de radio electromagnéticas que representan los datos binarios de la trama de enlace de datos. Las tecnologías inalámbricas transmiten y reciben señales a través de la atmósfera, lo que libera a los usuarios de tener que conectar cables de cobre o de fibra. Las áreas abiertas son las mejores para las conexiones inalámbricas. Dentro de los edificios se pueden producir interferencias debido a objetos físicos como muros, conductos de aire metálicos, suelos y maquinaria.

Aunque los métodos inalámbricos tienen ventajas, también tienen inconvenientes. Una conexión inalámbrica suele ser más lenta que otra por cable, y ya que el medio está abierto a cualquiera que cuente con uno de estos dispositivos, es más susceptible de sufrir brechas de seguridad que otros medios.

Los siguientes son cuatro estándares habituales:

• Estándar IEEE 802.11 (Wi-Fi)
• Estándar IEEE 802.15 WPAN (Red de Área Personal Inalámbrica)
• Estándar IEEE 802.16 WiMAX (Interoperabilidad Mundial para el Acceso por Microondas)
• GSM (Sistema Global para la Comunicación Móvil)

LANs Inalámbricas

Una LAN inalámbrica precisa de los siguientes dispositivos de red:

• AP (Punto de Acceso): concentra las señales inalámbricas de los usuarios y se conecta, habitualmente a través de cable de cobre, a una infraestructura de red basada en cable de cobre Ethernet.
• Adaptador NIC inalámbrico: proporciona capacidades de comunicación inalámbrica a cada host de la red.

El ahorro de costes y la facilidad de acceso son las mejores ventajas de las LANs inalámbricas, siendo la seguridad de la red su mayor punto negro.