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Capa física del
modelo OSI

Aspectos básicos de networking: Capítulo 8

Elaboradas por: Mendoza Vazquez Raymundo

© 2007 Cisco Systems, Inc. Todos los derechos reservados. Cisco Public 1

Objetivos
 Explicar la función de los protocolos y los servicios de la
capa física en el soporte de las comunicaciones a través
de las redes de datos.
- Describir la función de las señales utilizadas para representar
bits como una trama mientras se transporta la trama a través
de los medios locales.

 Describir el propósito de la señalización y la codificación
de la capa física según cómo se utilizan en las redes.
 Identificar las características básicas de los medios de
red inalámbricos, de fibra óptica y de cobre.
 Describir las formas en que se utilizan comúnmente los
medios de red inalámbricos, de fibra óptica y de cobre.


Objetivo
Funcionamiento
Estándares
Principios fundamentales

LA CAPA FÍSICA: SEÑALES
DE COMUNICACIÓN


Capa Física: Objetivo

La Capa Física de OSI proporciona los medios de transporte para los bits que
conforman la trama de la capa de Enlace de datos a través de los los medios de
red.
El objetivo de la Capa Física es crear la señal eléctrica, óptica o de microondas que
representa a los bits en cada trama.

Capa Física: Objetivo
El envío de tramas a través de medios de transmisión requiere los siguientes
elementos de la capa física:
– Medios físicos y conectores asociados.
– Una representación de los bits en los medios.
– Codificación de los datos y de la información de control.
– Sistema de circuitos del receptor y transmisor en los dispositivos de red.

Conectores

Transmisión
binaria

Especificación
de cables


Capa Física: Funcionamiento
 La capa física codifica los bits para un medio específico.
 Indican inicio y fin de trama


Capa Física: Estándares
La capa física esta compuesta por conectores, medios y circuitos electrónicos
basados en estándares.
Las tecnologías de la capa física se definen por diferentes organizaciones, tales
como:
 La Organización Internacional para la
Estandarización (ISO)

 El Instituto de Ingenieros Eléctricos y
Electrónicos (IEEE)

 El Instituto Nacional Estadounidense
de Estándares (ANSI)

 La Unión Internacional de
Telecomunicaciones (ITU)

 La Asociación de Industrias
Electrónicas/Asociación de la Industria
de las Telecomunicaciones (EIA/TIA)

 Autoridades de las telecomunicaciones El grupo de trabajo de ingeniería de Internet
nacionales, como la Comisión Federal (IETF) define los servicios y protocolos del
de Comunicaciones (FCC) en EE.UU. conjunto TCP/IP en las RFC.

Capa Física: Estándares

Las tecnologías definidas por
estas organizaciones incluyen
cuatro áreas de estándares de la
capa física:

1) Propiedades físicas y
eléctricas de los medios

2) Propiedades mecánicas
(materiales, dimensiones,
diagrama de pines) de los
conectores

3) Representación de los bits
por medio de las señales
(codificación)

4) Definición de las señales
de la información de control


Principios fundamentales de la capa física

Las tres funciones esenciales de la capa física son:
I. Los componentes físicos: Son los dispositivos electrónicos de hardware, medios y
conectores que transmiten y transportan las señales para representar los bits.
II. Codificación de datos: Es un método utilizado para convertir un stream de bits de
datos en un código predefinido.
III. Señalización: La capa física debe generar las señales inalámbricas, ópticas o
eléctricas que representan el "1" y el "0" en los medios. El método de
representación de bits se denomina método de señalización.


Señalización de bits para los medios
Codificación. Agrupación de bits
Capacidad para transportar datos

SEÑALIZACIÓN Y
CODIFICACIÓN FÍSICA



 Los bits se representan en el medio al cambiar una o más
de las siguientes características de una señal:
–Amplitud
–Frecuencia
–Fase

 Métodos
–Sin retorno a cero (NRZ)
–Manchester


En el método simple de señalización
sin retorno a cero (NRZ) el stream de
bits se transmite como una
secuencia de valores de voltaje

Valor bajo de voltiaje = 0 lógico
Valor alto de voltaje = 1 lógico.

Características NRZ
– Sólo es adecuado para enlaces de datos
de velocidad lenta.
– No utiliza el ancho de banda de manera
eficiente y es susceptible a la interferencia
electromagnética.
– Los límites entre bits individuales pueden
perderse al transmitir en forma consecutiva
secuencias largas de 1 ó 0. (no se detectan
transiciones de voltaje en los medios). 12
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El esquema de codificación Manchester
representa los bits como como transiciones
de voltaje.

Transición de voltaje bajo a alto = 0 lógico
Transición de voltaje anto a bajo = 1 lógico

Si bien no es lo suficientemente eficiente
como para ser utilizada en velocidades de
señalización superiores, la codificación
Manchester constituye el método de
señalización empleado por Ethernet
10BaseT (Ethernet se ejecuta a 10 megabits
por segundo).


Codificación: Agrupación de bits



Grupos de códigos es un conjunto de símbolos codificados para representar la
información de control o datos codificados.
Un grupo de códigos es una secuencia consecutiva de bits de código que se
interpretan y asignan como patrones de bits de datos.
Por ejemplo, los bits de código 10101 pueden representar los bits de datos 0011.
Entre las ventajas de utilizar grupos de códigos se incluyen:
i. Reducción del nivel de error en los bits
ii. Limitación de la energía efectiva transmitida a los medios
iii. Ayuda para distinguir los bits de datos de los bits de control
iv. Mejoras en la detección de errores en los medios

i. Reducción del nivel de error en los bits.
Obligan a los símbolos a la introducción de un amplio número de transacciones de bits en los medios
para sincronizar estos tiempos (no se utilizan demasiados 1 ó 0 en forma consecutiva)

ii. Limitación de la energía efectiva transmitida a los medios.
El proceso de equilibrar la cantidad de números 1 y 0 transmitidos se denomina equilibrio DC. Este
método evita que se incluyan cantidades excesivas de energía en los medios durante una
transmisión.

iii. Ayuda para distinguir los bits de datos de los bits de control
Símbolos de datos: Símbolos que representan los datos de la trama cuando ésta se transmite a la
capa física.
Símbolos de control: Códigos especiales introducidos por la capa física que se utiliza para controlar
la transmisión. Entre ellos se incluyen los símbolos de fin de la trama y de medios inactivos.
Símbolos no válidos: Símbolos cuyos patrones no están permitidos en los medios. El receptor de un
símbolo no válido indica un error de trama.

iv. Mejoras en la detección de errores en los medios
i. Símbolos no válidos. Si un nodo receptor recibe uno de estos patrones, la capa física puede
determinar que se ha producido un error en la recepción de datos.


Los diferentes medios físicos admiten la transferencia de bits a distintas
velocidades. La transferencia de datos puede medirse de tres formas:
1) Ancho de banda
o Mide la cantidad de información que puede fluir desde un lugar hacia otro en un período de
tiempo determinado.
o Generalmente se mide en kilobits por segundo (kbps) o megabits por segundo (Mbps).
o En una red se determina mediante una combinación de factores: las propiedades de las
tecnologías y los medios físicos elegidos para señalizar y detectar señales de red.


2) Rendimiento
• Es la medida de transferencia de bits a través de los medios durante un período de tiempo
determinado.
• El rendimiento generalmente no coincide con el ancho de banda especificado en las
implementaciones de la capa física, como Ethernet.
• Muchos factores influyen en el. Rendimiento:
– La cantidad y el tipo de tráfico
– La cantidad de dispositivos de red
• En Ethernet el rendimiento de cada nodo se degrada a medida que aumenta el uso de los
medios.
• 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.


3) Capacidad de transferencia útil

 Es la medida de datos utilizables
transferidos durante un período de
tiempo determinado.

 Por ejemplo:

Considere dos hosts en una LAN que
transfiere un archivo.

El ancho de banda de la LAN es de 100 Mbps.

Debido al uso compartido y al encabezado de
los medios, el rendimiento entre los equipos es
solamente de 60 mbps.

Con una sobrecarga del proceso de
encapsulación de stack TCP/IP, la velocidad
real de los datos recibidos por la computadora
de destino, es decir la capacidad de
transferencia útil, es sólo de 40 Mbps.


Tipos de medios físicos
Medios de cobre
Cable de par trenzado no blindado (UTP)
Otros cables de cobre
Seguridad de los medios de cobre
Medios de fibra
Medios inalámbricos
Conectores de medios

MEDIOS FÍSICOS: CONEXIÓN
DE LA COMUNICACIÓN


Tipos de medios físicos
La capa física se ocupa de la señalización y los medios de red.

Esta capa produce la representación y agrupación de bits en voltajes, radiofrecuencia e impulsos
de luz.


Medios de Cobre

El medio más utilizado para las comunicaciones de datos es el cableado que utiliza alambres
de cobre para señalizar bits de control y datos entre los dispositivos de red.

2 tipos de cableado de cobre:

I. Par trenzado: es una secuencia de alambres individuales de cobre que forman
circuitos que cumplen objetivos específicos de señalización.

II. Cables coaxiales: tienen un conductor simple que circula por el centro del cable
envuelto por el otro blindaje, pero está aislado de éste.


Medios de Cobre

Interferencia de señal externa
Los valores de voltaje y sincronización en estas señales son susceptibles a la interferencia o
"ruido" generado fuera del sistema de comunicaciones.
Estas señales no deseadas pueden distorsionar y corromper las señales de datos que se
transportan a través de los medios de cobre.
Las ondas de radio y los dispositivos electromagnéticos como luces fluorescentes, motores
eléctricos y otros dispositivos representan una posible fuente de ruido.

Cable de par trenzado UTP
 Consiste en cuatro pares de alambres codificados por color que han sido trenzados y cubiertos por un
revestimiento de plástico flexible.
 Los códigos de color identifican los pares individuales con sus alambres y sirven de ayuda para la terminación
de cables.
 El trenzado cancela las señales no deseadas.
 Crosstalk es la interferencia ocasionada por campos magnéticos alrededor de los pares
adyacentes de alambres en un cable.


El cableado UTP que se encuentra comúnmente en el trabajo, las escuelas y los hogares
cumple con los estándares estipulados en conjunto por la Asociación de las Industrias de las
Telecomunicaciones (TIA) y la Asociación de Industrias Electrónicas (EIA).

TIA/EIA-568A 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 de los cables
– 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 de ancho
de banda a velocidades mayores.
– Categoría 5 (Cat5) se utiliza comúnmente en las
instalaciones de FastEthernet 100BASE-TX.
– Otras categorías incluyen el cable de Categoría 5 mejorado
(Cat5e) y el de Categoría 6 (Cat6).


Otros tipos de cables
El coaxial es un tipo de cable importante que se utiliza
en tecnologías de acceso inalámbrico o por cable.
El cable de pares trenzados blindado (STP).
Estos cables se utilizan para colocar antenas en los cubre todo el grupo de alambres dentro del
dispositivos inalámbricos. cable al igual que los pares de alambres
individuales.
También transportan energía de radiofrecuencia (RF)
entre las antenas y el equipo de radio. STP ofrece una mejor protección contra el
ruido que el cableado UTP pero a un precio
Es el medio de uso más frecuente para transportar considerablemente superior.
señales elevadas de radiofrecuencia mediante
cableado, especialmente señales de televisión por
cable.


Características y usos de los medios de
red
Tipo de cable Equipo 1 Equipo 2
Cruzado Computadora (host) Computadora
Computadora Router
Hub Hub
Switch Switch
Switch Hub
Directo Computadora Hub
Router Hub

Computadora Switch
Router Switch
Transpuesto Administración de Router o switch
equipos

Todo equipo con una ip es un host

Que configuración de cable debe
utilizarse?


Seguridad en los medios de cobre


Fibra Óptica
Es mas costoso
Resiste interferencia electromagnética (EMI) e interferencia de
radio frecuencia (RFI)
La terminación y empalme de infraestructura es más difícil
Se debe manejar con muchos cuidados


Fibra Óptica
Los láseres o diodos de emisión de luz (LED) generan impulsos de luz que se utilizan para
representar los datos transmitidos como bits en los medios.
Los dispositivos electrónicos semiconductores, denominados fotodiodos, detectan los
impulsos de luz y los convierten en voltajes que pueden reconstruirse en tramas de datos.

En términos generales, los cables de fibra óptica pueden clasificarse en dos tipos:
monomodo y multimodo.


Medios Inalámbricos
 Las ondas de radio utilizan el ambiente como medio
(inalambricos).
–IEEE 802.11a, 802.11b,802.11g, 802.11n
 Los medios inalámbricos proporcionan mayor movilidad al host



Los cuatro estándares comunes
de comunicación de datos que se
aplican a los medios inalámbricos
son:

– IEEE estándar 802.11: Comúnmente denominada Wi-Fi, se trata de una tecnología LAN inalámbrica (Red
de área local inalámbrica, WLAN) que utiliza una contención o sistema no determinista con un proceso de
acceso a los medios de Acceso múltiple con detección de portadora/Prevención de colisiones (CSMA/CA).
– IEEE estándar 802.15: Red de área personal inalámbrica (WPAN) estándar, comúnmente denominada
"Bluetooth", utiliza un proceso de emparejamiento de dispositivos para comunicarse a través de una
distancia de 1 a 100 metros.
– IEEE estándar 802.16: Comúnmente conocida como WiMAX (Interoperabilidad mundial para el acceso por
microondas), utiliza una topología punto a multipunto para proporcionar un acceso de ancho de banda
inalámbrico.
– Sistema global para comunicaciones móviles (GSM): Incluye las especificaciones de la capa física que
habilitan la implementación del protocolo Servicio general de radio por paquetes (GPRS) de capa 2 para
proporcionar la transferencia de datos a través de redes de telefonía celular móvil.


En general, una LAN inalámbrica requiere los
siguientes dispositivos de red:
– Punto de acceso inalámbrico (AP): Concentra las
señales inalámbricas de los usuarios y se conecta,
generalmente a través de un cable de cobre, a la
infraestructura de red existente basada en cobre, como
Ethernet.
– Adaptadores NIC inalámbricos: Proporcionan capacidad
de comunicación inalámbrica a cada host de la red.

Los estándares incluyen:

IEEE 802.11a: opera en una banda de frecuencia de 5 GHz y ofrece velocidades de hasta 54 Mbps. Posee un área de cobertura
menor y es menos efectivo al penetrar estructuras edilicias ya que opera en frecuencias superiores. Los dispositivos que operan
conforme a este estándar no son interoperables con los estándares 802.11b y 802.11g descritos a continuación.

IEEE 802.11b: opera en una banda de frecuencia de 2.4 GHz y ofrece velocidades de hasta 11 Mbps. Los dispositivos que
implementan este estándar tienen un mayor alcance y pueden penetrar mejor las estructuras edilicias que los dispositivos basados
en 802.11a.

IEEE 802.11g: opera en una frecuencia de banda de 2.4 GHz y ofrece velocidades de hasta 54 Mbps. Por lo tanto, los dispositivos
que implementan este estándar operan en la misma radiofrecuencia y tienen un alcance de hasta 802.11b pero con un ancho de
banda de 802.11a.

IEEE 802.11n. Define la frecuencia de 2.4 Ghz o 5 GHz. La velocidad típica de transmisión de datos que se espera es de 100 Mbps
a 210 Mbps con un alcance de distancia de hasta 70 metros.

Conectores de medios
 Los estándares de capa física establecen dimensiones
mecánicas de conectores y propiedades eléctricas.
 Reflector óptico de dominio de tiempo (OTDR) permite
probar cada segmento del cable de fibra óptica.


Conectores de fibra óptica

Monomodo Multimodo
LC LC

SC LC
duplex

ST

El conector LC duplex admite la tecnología Ethernet con full duplex


Resumen


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