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Capa física del
modelo OSI

Aspectos básicos de networking: Capítulo 8

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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.


Servicios y protocolos de la capa física
 Los protocolos de la capa superior de OSI preparan los datos desde la red
humana para realizar la transmisión hacia su destino. La capa física controla
de qué manera se ubican los datos en los medios de comunicación.
 La función de la capa física de OSI es la de codificar en señales los dígitos
binarios que representan las tramas de la capa de Enlace de datos, además
de transmitir y recibir estas señales a través de los medios físicos (alambres
de cobre, fibra óptica o medio inalámbrico) que conectan los dispositivos de la
red.


 Esta capa acepta una trama completa desde la capa de Enlace de datos y lo
codifica como una secuencia de señales que se transmiten en los medios
locales. Un dispositivo final o un dispositivo intermedio recibe los bits
codificados que componen una trama.
 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.


 Los medios no transportan la trama como una única entidad. Los medios
transportan señales, una por vez, para representar los bits que conforman la
trama.
 Existen tres tipos básicos de medios de red en los cuales se representan los
datos:
– Cable de cobre
– Fibra
– Inalámbrico
 La presentación de los bits depende del tipo de medio. Para los medios de cable
de cobre, las señales son patrones de pulsos eléctricos. Para los medios de fibra,
las señales son patrones de luz. Para los medios inalámbricos, las señales son
patrones de transmisiones de radio.


 Al igual que otras tecnologías asociadas con la capa de Enlace de datos, 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 nacionales, como la Comisión Federal de
Comunicaciones (FCC) en EE.UU.


 Hardware y tecnologías de la Capa física
 Las tecnologías definidas por estas organizaciones incluyen cuatro áreas de
estándares de la capa física:
–Propiedades físicas y eléctricas de los medios
–Propiedades mecánicas (materiales, dimensiones, diagrama de pines) de los
conectores
–Representación de los bits por medio de las señales (codificación)
–Definición de las señales de la información de control
 Todos los componentes de hardware, como adaptadores de red (NIC, Tarjeta
de interfaz de red), interfaces y conectores, material y diseño de los cables, se
especifican en los estándares asociados con la capa física.


 Las tres funciones esenciales de la capa física son:
– Los componentes físicos: dispositivos electrónicos de hardware, medios y
conectores que transmiten y transportan las señales para representar los bits.
– Codificación de datos: método utilizado para convertir un stream de bits de
datos en un código predefinido. Los códigos son grupos de bits utilizados para
ofrecer un patrón predecible que pueda reconocer tanto el emisor como el receptor.
La utilización de patrones predecibles permite distinguir los bits de datos de los bits
de control y ofrece una mejor detección de errores en los medios.
– 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 y codificación de la capa física
 La transmisión de la trama a través de los medios se realiza mediante un stream
de bits enviados uno por vez. La capa física representa cada uno de los bits de
la trama como una señal.
 En la capa física del nodo receptor, las señales se vuelven a convertir en bits.
Luego se examinan los bits para los patrones de bits del comienzo y el final de
la trama con el objetivo de determinar si se ha recibido una trama completa.
Luego la capa física envía todos los bits de una trama a la capa de Enlace de
datos.
 El envío exitoso de bits requiere de algún método de sincronización entre el
transmisor y el receptor.


 Métodos de señalización
 Los bits se representan en el medio al cambiar una o más de las siguientes
características de una señal:
–Amplitud
–Frecuencia
–Fase
 El método de señalización utilizado debe ser compatible con un estándar para
que el receptor pueda detectar las señales y decodificarlas. El estándar incluye
un acuerdo entre el transmisor y el receptor sobre cómo representar los 1 y los
0. Si no existe un acuerdo de señalización, es decir, si se utilizan diferentes
estándares en cada extremo de la transmisión, la comunicación a través del
medio físico no se podrá llevar a cabo.


 Señalización NRZ
 Sin retorno a cero (NRZ). En NRZ, el stream de bits se transmite como una
secuencia de valores de voltaje, tal como se muestra en la figura.
 Un valor de bajo voltaje representa un 0 lógico y un valor de alto voltaje
representa un 1 lógico. El intervalo de voltaje depende del estándar específico de
capa física utilizado.


 Codificación Manchester
 En lugar de representar bits como impulsos de valores simples de voltaje, en el
esquema de codificación Manchester, los valores de bit se representan como
transiciones de voltaje.
 Por ejemplo, una transición desde un voltaje bajo a un voltaje alto representa un
valor de bit de 1. Una transición desde un voltaje alto a un voltaje bajo
representa un valor de bit de 0.


 La capa física del dispositivo de red debe ser capaz de detectar señales
legítimas de datos e ignorar señales aleatorias sin datos que también pueden
encontrarse en el medio físico. El stream de señales que se transmite necesita
iniciarse de tal forma que el receptor reconozca el comienzo y el final de la
trama.
 Patrones de señales: Una forma de detectar tramas es iniciar cada trama con un
patrón de señales que represente los bits que la capa física reconoce como
indicador del comienzo de una trama. Otro patrón de bits señalizará el final de la
trama.


 Los diferentes medios físicos admiten la transferencia de bits a distintas
velocidades. La transferencia de datos puede medirse de tres formas:
 Ancho de banda: La capacidad que posee un medio de transportar datos. Se mide
en kilobits por segundo (kbps) o megabits por segundo (Mbps).
 Rendimiento (throughput): es la medida de transferencia de bits a través de los
medios durante un período de tiempo determinado.
 Capacidad de transferencia útil: es la medida de datos utilizables transferidos
durante un período de tiempo determinado.


Características y usos de los medios de red
 Muchas organizaciones que establecen estándares han contribuido con la definición
de las propiedades mecánicas, eléctricas y físicas de los medios disponibles para
diferentes comunicaciones de datos. Estas especificaciones garantizan que los
cables y conectores funcionen según lo previsto mediante diferentes
implementaciones de la capa de Enlace de datos.
 Los estándares para los medios de cobre se definen según lo siguiente:
– Tipo de cableado de cobre utilizado.
– Ancho de banda de la comunicación.
– Tipo de conectores utilizados.
– Diagrama de pines y códigos de colores de las conexiones a los medios.
– Distancia máxima de los medios.


 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. El cableado utilizado para las comunicaciones de datos
generalmente consiste en una secuencia de alambres individuales de cobre que
forman circuitos que cumplen objetivos específicos de señalización.
 Otros tipos de cableado de cobre, conocidos como cables coaxiales, tienen un
conductor simple que circula por el centro del cable envuelto por el otro blindaje,
pero está aislado de éste. El tipo de medio de cobre elegido se especifica
mediante el estándar de la capa física necesario para enlazar las capas de Enlace
de datos de dos o más dispositivos de red.


 Interferencia de señal externa
 Los datos se transmiten en cables de cobre como impulsos eléctricos. Un
detector en la interfaz de red de un dispositivo de destino debe recibir una señal
que pueda decodificarse exitosamente para que coincida con la señal enviada.
 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.
 Los tipos de cable con blindaje o trenzado de pares de alambre están diseñados
para minimizar la degradación de señales debido al ruido electrónico.


 El cableado de par trenzado no blindado (UTP), como se utiliza en las LAN
Ethernet, consiste en cuatro pares de alambres codificados por color que han sido
trenzados y cubiertos por un revestimiento de plástico flexible.
 El trenzado cancela las señales no deseadas. Cuando dos alambres de un circuito
eléctrico se colocan uno cerca del otro, los campos electromagnéticos externos
crean la misma interferencia en cada alambre. Cuando esta interferencia común
se encuentra en los alambres del par trenzado, el receptor los procesa de la
misma manera pero en forma opuesta. Como resultado, las señales provocadas
por la interferencia electromagnética desde fuentes externas se cancelan de
manera efectiva.


 Este efecto de cancelación ayuda además a evitar la
interferencia proveniente de fuentes internas denominada
crosstalk. Crosstalk es la interferencia ocasionada por
campos magnéticos alrededor de los pares adyacentes de
alambres en un cable. Cuando la corriente eléctrica fluye a
través de un alambre, se crea un campo magnético circular
a su alrededor. Cuando la corriente fluye en direcciones
opuestas en los dos alambres de un par, los campos
magnéticos, como fuerzas equivalentes pero opuestas,
producen un efecto de cancelación mutua. Además, los
distintos pares de cables que se trenzan en el cable utilizan
una cantidad diferente de vueltas por metro para ayudar a
proteger el cable de la crosstalk entre los pares.


 Estándares de cableado UTP: 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
 Los cables se dividen en categorías según su capacidad para transportar datos
de ancho de banda a velocidades mayores. Por ejemplo, el cable de 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).


 Tipos de cable UTP: El cableado UTP, con una terminación de conectores RJ-45,
es un medio común basado en cobre para interconectar dispositivos de red, como
computadoras, y dispositivos intermedios, como routers y switches de red. Según
las diferentes situaciones, es posible que los cables UTP necesiten armarse
según las diferentes convenciones para los cableados. Esto significa que los
alambres individuales del cable deben conectarse en diferentes órdenes para
distintos grupos de pins en los conectores RJ-45.
–Cable directo de Ethernet
–Cruzado de Ethernet
–Consola


 Cable coaxial: consiste en un conductor de cobre rodeado de una capa de
aislante flexible. El coaxial es un tipo de cable importante que se utiliza en
tecnologías de acceso inalámbrico o por cable.
 Cable de par trenzado blindado (STP): STP utiliza dos pares de alambres que se
envuelven en una malla de cobre tejida o una hoja metálica. El cable STP cubre
todo el grupo de alambres dentro del cable al igual que los pares de alambres
individuales. STP ofrece una mejor protección contra el ruido que el cableado
UTP pero a un precio considerablemente superior.


 Peligro por electricidad
– Uno de los posibles problemas de los medios de cobre es que los alambres
de cobre pueden conducir la electricidad de manera no deseada.
 Peligros de incendio
– El revestimiento y aislamiento de los cables pueden ser inflamables o
producir emanaciones tóxicas cuando se calientan o se queman.


 El cableado de fibra óptica utiliza fibras de plástico o de vidrio para guiar los
impulsos de luz desde el origen hacia el destino. Los bits se codifican en la fibra
como impulsos de luz. El cableado de fibra óptica puede generar velocidades muy
superiores de ancho de banda para transmitir datos sin procesar.
 Este medio es inmune a la interferencia electromagnética y no conduce corriente
eléctrica no deseada cuando existe un problema de conexión a tierra. Las fibras
ópticas pueden utilizarse en longitudes mucho mayores que los medios de cobre
sin la necesidad de regenerar la señal, ya que son finas y tienen una pérdida de
señal relativamente baja.


 Los cables de fibra óptica pueden clasificarse en dos tipos: monomodo y
multimodo.
 La fibra óptica monomodo transporta un sólo rayo de luz, generalmente emitido
desde un láser. Este tipo de fibra puede transmitir impulsos ópticos en distancias
muy largas.
 La fibra óptica multimodo a menudo utiliza emisores LED que no generan una
única ola de luz coherente. En cambio, la luz de un LED ingresa a la fibra
multimodo en diferentes ángulos.


 Las tecnologías inalámbricas de comunicación de datos funcionan bien en
entornos abiertos. Sin embargo, existen determinados materiales de
construcción utilizados en edificios y estructuras, además del terreno local, que
limitan la cobertura efectiva. El medio inalámbrico también es susceptible a la
interferencia y puede distorsionarse por dispositivos comunes como teléfonos
inalámbricos domésticos, algunos tipos de luces fluorescentes, hornos
microondas y otras comunicaciones inalámbricas.
 Los dispositivos y usuarios que no están autorizados a ingresar a la red pueden
obtener acceso a la transmisión, ya que la cobertura de la comunicación
inalámbrica no requiere el acceso a una conexión física de los medios. Por lo
tanto, la seguridad de la red es el componente principal de la administración de
redes inalámbricas.


 Tipos de redes inalámbricas
 IEEE estándar 802.11: Comúnmente denominada Wi-Fi, se trata de una
tecnología LAN inalámbrica (Red de área local inalámbrica, WLAN)
 IEEE estándar 802.15: Red de área personal inalámbrica (WPAN) estándar,
comúnmente denominada "Bluetooth“
 IEEE estándar 802.16: Comúnmente conocida como WiMAX
 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.


 LAN inalámbrica
 Una implementación común de transmisión inalámbrica de datos permite a los
dispositivos conectarse en forma inalámbrica a través de una LAN. 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. Los dispositivos que operan conforme a este estándar no son
interoperables con los estándares 802.11b y 802.11g.
 IEEE 802.11b: opera en una banda de frecuencia de 2.4 GHz y ofrece velocidades
de hasta 11 Mbps.
 IEEE 802.11g: opera en una frecuencia de banda de 2.4 GHz y ofrece velocidades
de hasta 54 Mbps.
 IEEE 802.11n: el estándar IEEE 802.11n se encuentra actualmente en desarrollo.
El estándar propuesto 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.


 El conector RJ-45 definido por ISO 8877 se utiliza para diferentes especificaciones
de la capa física en las que se incluye Ethernet. Otra especificación, EIA-TIA 568,
describe los códigos de color de los cables para colocar pines a las asignaciones
(diagrama de pines) para el cable directo de Ethernet y para los cables de
conexión cruzada.


 Terminación correcta del conector
 Cada vez que se realiza la terminación de un cableado de cobre, existe la
posibilidad de que se pierda la señal y de que se genere ruido en el circuito de
comunicación. Las especificaciones de cableado de Ethernet en los lugares de
trabajo establecen cuáles son los cables necesarios para conectar una
computadora a un dispositivo intermediario de red activa. Cuando se realizan las
terminaciones de manera incorrecta, cada cable representa una posible fuente de
degradación del funcionamiento de la capa física. Es fundamental que todas las
terminaciones de medios de cobre sean de calidad superior para garantizar un
funcionamiento óptimo con tecnologías de red actuales y futuras.


 Conectores comunes de fibra óptica
 Punta Recta (ST) (comercializado por AT&T): un conector muy común estilo
Bayonet, ampliamente utilizado con fibra multimodo.
 Conector suscriptor (SC): conector que utiliza un mecanismo de doble efecto para
asegurar la inserción positiva. Este tipo de conector se utiliza ampliamente con
fibra monomodo.
 Conector Lucent (LC): un conector pequeño que está adquiriendo popularidad en
su uso con fibra monomodo; también admite la fibra multimodo.
 La terminación y el empalme del cableado de fibra óptica requiere de equipo y
capacitación especiales. La terminación incorrecta de los medios de fibra óptica
producen una disminución en las distancias de señalización o una falla total en la
transmisión.


Resumen


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