Fundamentos de la Comunicación de Datos

Conceptos Básicos y Unidades de Medida

El bit es la unidad mínima de información en el sistema binario. Un conjunto de bytes es de ocho bits, utilizados para codificar caracteres.

Sistema Binario

El sistema binario se utiliza porque es más fácil construir circuitos que reconozcan solo dos estados (encendido/apagado).

Unidades de Velocidad de Transferencia

La unidad de velocidad de bits y transferencia es el bps (bits por segundo). Sus múltiplos son: kbps, Mbps y Gbps.

Unidad de Frecuencia (Hertzios)

El Hz (Hertzio) es la unidad de frecuencia derivada del SI (Sistema Internacional de Unidades). Se expresa en términos de ciclos por segundo, frecuencia de un evento periódico, oscilaciones (vibraciones) o rotaciones por segundo (s^-1 o 1/s). Uno de sus principales usos es para describir ondas sinusoidales (como la radio o el sonido). Sus múltiplos son: kHz, MHz, GHz, etc.

Magnitudes Continuas y Discretas

• Continua: La medida varía continuamente, por lo que entre dos valores existe una cantidad infinita de valores (ejemplo: el tiempo varía de forma continua).
• Discreta: El valor no es fraccionable; debe ser un número entero (ejemplo: nunca se puede decir que una persona es pequeña y la otra mitad, sino una persona).

Elementos Esenciales de la Comunicación

Los elementos que deben componer la comunicación son:

1. Mensaje: Lo que se quiere transmitir.
2. Transmisor: El que envía el mensaje.
3. Receptor: El que recibe el mensaje.
4. Medio: El medio físico a través del cual se envía el mensaje.

Medios Físicos y Transmisión de Señales

Métodos de Conexión de Red

Los equipos de red se pueden conectar mediante:

• Ondas de radio: A través del aire, el vacío, radio de microondas y vía satélite (transmisión directa).
• Medios metálicos (Señales eléctricas): Par trenzado y cable coaxial.
• Señales luminosas (Fibra óptica): A través de cable de fibra.

Nota: La calidad de los productos puede verse afectada por el ruido externo.

Señalización y Modulación

Tipos de Señal

• Analógica: La señal del circuito eléctrico puede variar continuamente entre dos valores.
• Digital: La señal cambia de forma discreta, manteniendo un nivel constante.

Modulación

La modulación consiste en transformar la señal digital a analógica para que pueda pasar a través de los medios de comunicación tradicionales (generalmente mediante un módem). Tipos de modulación: amplitud, frecuencia y fase.

Velocidad de Transmisión vs. Velocidad de Señalización

• Velocidad de transmisión (bps): Cantidad de bits transmitidos por unidad de tiempo (bits por segundo).
• Velocidad de señalización (Baud): Cantidad de señales por unidad de tiempo (cantidad de señales por segundo).

Modos de Transmisión y Concurrencia

• Punto a punto: No se comparte el medio físico entre las distintas estaciones (comunicación entre computadoras e impresoras).
• Multipunto (Broadcast): El transmisor envía mensajes múltiples al medio físico al que tienen acceso varias estaciones (red de área local que utiliza un bus común).

Concurrencia

• Serie: Se utiliza un solo medio físico de comunicación para la transmisión de señales.
• Paralelo: Se utilizan varios medios de comunicación al mismo tiempo para la transmisión de señales.

Dirección de la Comunicación

• Simple (Simplex): Una sola dirección; un dispositivo solo manda y el otro solo recibe.
• Half-duplex (Semicúplex): En ambas direcciones, pero solo una a la vez (uno recibe y escucha, luego contesta).
• Full-duplex (Dúplex completo): Comunicación en ambas direcciones al mismo tiempo.

Ritmo (Sincronización)

• Asincrónica: Para cada carácter enviado, se añaden dos señales para la sincronización: Inicio (Start) y Parada (Stop).
• Sincrónica: La sincronización se realiza para un bloque de caracteres a la vez.

La detección de errores se realiza mediante paridad por carácter y paridad de bloque combinado.

Características de los Medios Físicos

Par Trenzado

Una desventaja es la pérdida de energía y la interferencia externa. El cable está envuelto en espiral para reducir el ruido y mantener constantes las propiedades eléctricas a lo largo de su longitud.

Fibra Óptica

Tipos básicos de fibra óptica:

1. Multimodo de índice escalonado (Multimodo paso)
2. Multimodo de índice gradual (Gradual)
3. Monomodo

La fibra óptica no sufre interferencia electromagnética, ya que transfiere funciones mediante una señal de luz infrarroja a través de la frecuencia de funcionamiento del cable óptico (aproximadamente 10¹⁴ Hz).

Topologías de Red

Topología de Anillo (Ring)

Cuando una estación quiere transmitir, envía su mensaje al medio y este circula en un solo sentido hasta la estación de destino.

Ventajas

• Menor costo y menos cables.
• Mayor modularidad.
• No requiere una estación de control de la red.

Desventajas

• La paralización de un nodo o del medio físico paraliza toda la red.

Topología de Estrella (Star)

El nodo central (hub o switch) controla el funcionamiento de la red, uniendo el resto de los nodos. Varias comunicaciones pueden ocurrir simultáneamente.

Ventajas

• El fallo de un nodo y los medios para la conexión de este nodo al nodo central no comprometen el funcionamiento del resto de la red.

Desventajas

• Necesidad de vincular cada nodo a la estación central, lo que eleva el costo.
• Poca modularidad.
• La expansión está limitada por el nodo central.

Topología de Bus

Todas las estaciones están vinculadas a un medio común. Una estación que quiere transmitir envía su mensaje al entorno físico y solo la estación de destino lo intercepta.

Ventajas

• Menor costo y menos cables.
• Interfaces de estación simples.
• Mayor modularidad.
• No requiere una estación de control.

Desventajas

• Un fallo en cualquier sección del bus común causa la paralización de toda la red.

Arquitectura y Clasificación de Redes

Una Red de Computadoras es un conjunto de computadoras interconectadas mediante un entorno físico. La Arquitectura de Red define cómo están interconectados los nodos.

Tipos de Red por Cobertura

• Red de Área Local (LAN): Expansión para un espacio relativamente pequeño (desde pocos metros hasta kilómetros).
• Red de Área Metropolitana (MAN): Cubre un área mayor, con la magnitud de áreas metropolitanas (hasta unos 100 km).
• Red de Área Amplia (WAN): Red geográficamente distribuida que comparte recursos con comunidades dispersas en un área grande.

También existen las Líneas Privadas de Comunicación de Datos (LPDC).

Conmutación de Redes

La Conmutación es la asignación de recursos de red (medios, equipos, repetidores y estaciones intermedias) para permitir la comunicación entre estaciones conectadas.

Conmutación de Paquetes

La conmutación de paquetes es similar a la conmutación de mensajes en el hecho de que las estaciones intermedias reciben el mensaje y lo almacenan antes de transmitirlo a la siguiente estación. La diferencia clave es que el mensaje se divide en trozos pequeños de tamaño máximo preestablecido, llamados paquetes.

Diferencias entre Conmutación de Circuitos y Mensajes

• Conmutación de Circuitos: Antes de comenzar la transmisión de datos, es necesario establecer un camino único y dedicado entre el transmisor y el receptor final.
• Conmutación de Mensajes: No hay una conexión establecida previamente.

Métodos de Acceso al Medio

Clasificación General

Los métodos de acceso se dividen en tres tipos principales:

1. Por turnos (Polling/Token Passing)
2. Basados en reserva
3. Basados en contención

Descripción de los Tipos

• Por turnos (Round Robin): Uno a la vez, cada estación tiene la oportunidad de transmitir.
• Basados en reserva: El tiempo se divide en segmentos (franjas horarias o slots). Antes de transmitir, la estación debe reservar una franja horaria y usar esa longitud para enviar sus datos.
• Basados en contención: No se establece ningún orden (secuencia) de transmisión. Cuando una estación tiene datos, simplemente transmite.

Métodos Basados en Contención

Protocolo Aloha

El método Aloha fue desarrollado en 1970 para conectar terminales situadas en islas al centro de cómputo de la Universidad de Hawái. Aloha es una red de radio y radiodifusión por satélite, no una red local, que influyó en gran parte de los métodos de acceso basados en contención.

Detección de Colisión en Aloha: La estación transmisora envía el mensaje y espera un intervalo de tiempo. Si no recibe la confirmación, asume que hubo colisión y reenvía el mensaje.

Familia CSMA (Acceso Múltiple con Detección de Portadora)

La principal característica de los métodos CSMA es que las estaciones acceden al entorno físico y pueden detectar si hay alguna otra estación transmitiendo (mediante la vigilancia del medio físico), intentando así evitar la colisión.

Diferencia entre NP-CSMA y P-CSMA

• NP-CSMA (No Persistente): Si el medio está ocupado, la estación espera un intervalo de tiempo de duración aleatoria antes de intentar transmitir de nuevo.
• P-CSMA (Persistente): Si el medio está ocupado, la estación sigue vigilando el medio físico para determinar el final de la transmisión.

Ejemplos de Métodos de Acceso

• Basados en Contención: Aloha, CSMA y CSMA/CD.
• Basados en Reserva: Mapa de bits, CRMA e IFFO.

Acceso por Sondeo (Polling)

Existen diversas variaciones de este método para ajustarse a las características de la red o mejorar el rendimiento. Por ejemplo, en algunas implementaciones, la información de control puede pasar por un canal, mientras que los datos reales pasan por otro. En redes muy grandes, donde las estaciones transmiten con poca frecuencia, en lugar de responder directamente al controlador de la estación cuando no tienen nada que transmitir, la estación pasa el control directamente a la estación siguiente, hasta que una transmite, tras lo cual el controlador reasume su función.

Aloha vs. Aloha Ranurado (Slotted Aloha)

Para reducir el tiempo perdido debido a la colisión, el método Aloha Ranurado requiere que las terminales comiencen a transmitir de forma sincronizada. Para ello, las terminales son sincronizadas por la computadora central, que divide los intervalos de tiempo (slots) en partes iguales, haciendo que el segundo sea más eficiente que el primero.

Estándares de Red (IEEE)

Significado de 10BASE-T

La especificación 10BASE-T define:

• 10: Velocidad de transmisión de hasta 10 Mbps.
• BASE: Técnica de señal de banda base.
• T: Medio físico de cable de par trenzado.

El par trenzado (cable de teléfono normal) es de aproximadamente 0,5 mm de diámetro. La especificación 10BASE-T indica que la conexión entre las estaciones es de punto a punto full-duplex utilizando dos pares trenzados (uno para la transmisión y otro para la recepción). Para más estaciones, se utilizan concentradores (hubs con repetidores de puertos múltiples), que actúan como bus para la red.

Estándar IEEE 802.3 (Ethernet)

La norma IEEE 802.3 describe no solo el método de acceso (CSMA/CD) y el protocolo de la subcapa MAC, sino también el medio físico utilizado.

Estándar IEEE 802.4 (Token Bus)

Es un estándar para redes con topología de bus que utiliza señalización mediante Banda Ancha y el método de acceso Token Passing (paso de testigo). El estándar define varias combinaciones del entorno físico y técnica de modulación:

• Canal único de frecuencia y Phase Shift Keying (FSK de fase).
• Canal único continuo de Frequency Shift Keying y Phase Coherent Keying (FSK de fase coherente).
• Banda ancha y modulación de amplitud duobinaria multinivel (por cambio de fase con amplitud modulada duobinaria multinivel).
• Fibra óptica y modulación de intensidad (variación de la modulación de amplitud).