Fundamentos de Redes: Medios de Transmisión, Codificación, Topologías y Estándares Ethernet

Medios de Transmisión

Los medios de transmisión constituyen el soporte físico o electromagnético por el cual viaja la información entre emisor y receptor.

Medios Cableados (Transmisión de Señales Eléctricas)

• Balanceados: Constan de 2 conductores. Si hay interferencia exterior, esta afecta a ambos por igual y se cancela al realizar la diferencia en el receptor.
• No balanceados: La señal de referencia es compartida; si sufre interferencia externa, el receptor capta la señal modificada.
• Cable de Par Trenzado: Generalmente consta de 4 pares de hilos de cobre trenzados entre sí para reducir el acoplamiento cruzado y las interferencias:
  • UTP (Unshielded Twisted Pair): Sin blindaje exterior; trenzado por parejas. Común en redes de datos locales.
  • FTP (Foiled Twisted Pair): 4 pares trenzados rodeados por una lámina o malla metálica global.
  • STP (Shielded Twisted Pair): Apantallamiento individual para cada par y blindaje global para la totalidad del cable.
• Cable Coaxial (Analógico y Digital): Compuesto por un núcleo central conductor (cobre), recubrimiento aislante (dieléctrico de plástico), malla metálica exterior y cubierta protectora (plástico para interior o material resistente para exterior). Históricamente utilizado en sistemas no balanceados y balanceados.

Fibra Óptica (Transmisión de Impulsos de Luz)

• Multimodo: Adecuada para distancias cortas. Posee un diámetro de núcleo de 50 o 62,5 µm y un recubrimiento de 125 µm. Utiliza un núcleo de vidrio/plástico con recubrimiento dieléctrico. La luz viaja mediante múltiples reflexiones internas, permitiendo el paso de varios modos luminosos a la vez. Presenta problemas de dispersión modal y atenuación superior.
• Monomodo: Admite un único modo de luz a través de un núcleo muy reducido (aproximadamente 5 a 9 µm). Brinda mayor longitud de onda y gran ancho de banda. No padece de dispersión modal relevante, ofrece mínimas pérdidas y un rendimiento significativamente mayor para distancias largas.

Transmisión Inalámbrica (Por el Aire)

• Láser: Proporciona velocidades elevadas (históricamente hasta 1 Gbps o superior), pero requiere línea de visión directa y es vulnerable a condiciones meteorológicas.
• Infrarrojos: Empleado en distancias cortas sin obstáculos intermedios.
• Radiofrecuencia / Microondas: A mayor frecuencia, mayor capacidad de transmisión y ancho de banda disponible.

Codificación de Señales

Técnicas empleadas para transformar secuencias binarias en señales físicas adecuadas para el medio de transmisión:

• Comunicación TTL: Los niveles lógicos son 1 → 5 V y 0 → 0 V. Genera una componente continua significativa si hay cadenas largas del mismo bit.
• NRZ-L (Non-Return to Zero Level - Simétrico): 1 → +V, 0 → -V.
• NRZ-I (Non-Return to Zero Inverted - Diferencial): Se produce una transición si el bit actual es diferente de la condición base, o se mantiene el nivel: $S_i = S_{i-1} ightarrow 0$; $S_i eq S_{i-1} ightarrow 1$.
• Manchester (Ethernet 10 Mbps): Incorpora una transición en el centro de cada intervalo de bit que asegura la sincronización, pero consume el doble de ancho de banda. Una transición de alto a bajo representa típicamente '1' y de bajo a alto representa '0'.
• Manchester Diferencial: La presencia o ausencia de una transición al inicio del intervalo de bit determina el valor lógico ($S_i = S_{i-1} ightarrow 0$; $S_i eq S_{i-1} ightarrow 1$), manteniendo siempre una transición intermedia de sincronismo.
• MLT-3 (Multilevel Transmit 3): Codificación de tres niveles (+V, 0, -V). Conmuta entre niveles con un '1' y permanece igual con un '0'. Aprovecha eficientemente el ancho de banda en estándares de alta velocidad como Fast Ethernet y transmisiones avanzadas.

Topologías de Red

• Estrella: Conexión punto a punto de cada nodo a un concentrador o conmutador central. Ofrece disponibilidad total y facilita el aislamiento de averías. Admite multiplexación por división de tiempo o frecuencia.
• Estrella Extendida: Red central en estrella interconectada con estrellas secundarias para abarcar distancias mayores.
• Anillo: Enlaces punto a punto formando un bucle cerrado unidireccional o bidireccional. Cada estación regenera y retransmite la señal hacia la siguiente.
• Árbol: Estructura jerárquica con nodo raíz y ramificaciones. La información enviada a un nivel no necesariamente tiene que propagarse a toda la infraestructura.
• Bus: Medio físico compartido (difusión). Requiere una longitud de cable mínima, aunque la rotura del bus invalida la red completa y genera colisiones.
• Malla Completa: Cada nodo dispone de conexiones punto a punto dedicadas con todos los demás. Máxima redundancia y disponibilidad de ancho de banda, pero con un coste elevado en cableado e interfaces.

Técnicas de Modulación Digital

Permiten la transmisión de señales digitales a través de canales analógicos mediante una portadora continua.

• Tiempo de símbolo ($T_s$): Intervalo temporal asignado a cada símbolo. Depende del ancho de banda disponible.
• Régimen binario ($V_{tx}$): Número de bits transmitidos por unidad de tiempo: $$V_{tx} = rac{ ext{n.º bits por símbolo}}{T_s}$$
• Tipos de detección:
  • Coherente: El receptor conoce la frecuencia y fase de la portadora de referencia.
  • No coherente: El receptor no requiere sincronización exacta de fase con la portadora.

Esquemas de Modulación

• ASK (Amplitude Shift Keying): Modulación en amplitud. La frecuencia y la fase permanecen constantes mientras la amplitud varía según el dato binario:
  $$S_i(t) = rac{2 E_i(t)}{T_s}^{1/2} imes ext{cos}( heta t + heta)$$
• PSK (Phase Shift Keying): Modulación por desplazamiento de fase. La amplitud y la frecuencia son constantes; la información radica en el ángulo de desfase:
  $$S_i(t) = rac{2 E_i(t)}{T_s}^{1/2} imes ext{cos} heta t + rac{2 heta i}{M} heta$$
• FSK (Frequency Shift Keying): Modulación por desplazamiento de frecuencia. La amplitud y la fase inicial se mantienen constantes, mientras que la frecuencia angular $ heta$ varía según los niveles digitales:
  $$S_i(t) = rac{2 E_i(t)}{T_s}^{1/2} imes ext{cos}( heta_i t + heta)$$
• QAM (Quadrature Amplitude Modulation): Modulación combinada en fase y amplitud, variando simultáneamente la amplitud y el ángulo de fase de la portadora:
  $$S_i(t) = rac{2 E_i(t)}{T_s}^{1/2} imes ext{cos}( heta t + heta_i(t))$$

Estándares de Redes Ethernet

La nomenclatura Ethernet define: velocidad en Mbps/Gbps, método de señalización (Baseband/Broadband) y medio o distancia máxima.

Ethernet Estándar (10 Mbps)

Fast Ethernet (100 Mbps)

Gigabit Ethernet (1 Gbps)

10 Gigabit Ethernet (10 Gbps)