Capa física

La capa física és el nivell 1 dels set nivells del model OSI i s'encarrega de realitzar els serveis sol·licitats per la capa d'enllaç de dades.

El nivell físic contempla el maquinari de xarxa, el cablejat físic o una connexió Wi-Fi. També gestiona les especificacions elèctriques, el control de col·lisió i d'altres funcions de baix nivell.

Es considera com la capa de xarxa més bàsica, encarregant-se de la transmissió de bits. Les formes dels connectors elèctrics, quines freqüències cal fer servir i d'altres operacions de baix nivell són especificades en el nivell 1. Una analogia d'aquesta capa en una xarxa de correu física podria ser, per exemple, una especificació per a diversos tipus de paper i de tinta.

Les principals funcions i serveis realitzats per la capa física són:

• L'establiment i terminació d'una connexió a un medi de comunicació.
• La participació en el procés en el que els recursos de comunicació són compartits de manera efectiva entre múltiples usuaris (per exemple, resolució de contencions i control de flux).
• Conversió entre la representació de dades digitals en l'equip de l'usuari i els corresponents senyals transmesos sobre un canal de comunicació.

Exemples de protocols de Nivell 1 son: EIA estàndards: RS-232, RS-422, RS-423, RS-449, RS-485, ADSL, XDSI, T1, E1, 10BASE-T, 10BASE2, 10BASE5, 100BASE-TX, 100BASE-FX, 100BASE-T, 1000BASE-T, 1000BASE-SX són transports a nivell físic per a Ethernet, Electricitat, Ràdio

• http://es.wikipedia.org/wiki/Capa_f%C3%ADsica_de_Ethernet

Components bàsics de la telecomunicació

L'esquema bàsic de tota comunicació inclou un emissor, un receptor i un canal. En el cas de les telecomunicacions, l'emissor i el receptor es divideixen. L'emissor té una font, que és la que crea la informació i un transmissor, que és el que l'envia codificada pel canal. Per la seva banda, el receptor té un dispositiu receptor del senyal que descodifica el missatge i el lliura en la destinació.

La transmissió s'aconsegueix mitjançant la variació d'alguna propietat física del medi. Això genera un senyal que varia en funció del temps. Els senyals són observables i mesurables, de manera que poden ser captades pel receptor.

Senyals

A principis del segle XIX, Jean-Baptiste FOURIER va provar que qualsevol funció periòdica de comportament raonable es podia construir sumant una quantitat de sinus i cosinus. Aquest senyal consta d'una freqüència fonamental i d'uns harmònics. A partir del període, i coneixent les diferents amplituds dels pits o cosinus, es pot reconstruir la funció.

Aquests són alguns termes que cal conèixer en calcular senyals:

• Amplitud (A) és el màxim valor aconseguit per l'ona en un cicle.
• Freqüència és el nombre de cicles per unitat de temps. Es mesura en cicle / segon. Un hertzio és un cicle per segon.
• Freqüència angular és la velocitat de rotació del senyal, es mesura en radiants per segon.
• La fase, és el desplaçament relatiu del senyal respecte a un senyal de referència.

Dins dels senyals es poden distiguir les analògiques de les digitals. Un senyal analògica evoluciona de forma contínua en el temps. Un senyal digital presenta salts, prenent un conjunt discret de valors. Dins dels senyals digitals, poden distingir altres classificacions. En funció del nombre d'estats hi ha les senyals binaris si tenen dos estats o multinivell si poden prendre més de dos estats significatius d'energia.

Aquests senyals poden transmetre la informació segons les següents estratègies:

Tipus de transmisió

En funció de la naturalesa del senyal, es distingeix entre transmissió analògica o digital. A partir d'aquí, les transmissions es poden classificar segons aquests criteris:

• En funció del nombre de línies de comunicació, es distingeix entre transmissió en sèrie, si els bits són transmesos usant una sola línia, o transmissió en paral · lel si els bits s'envien en grups, per exemple de 8 bits.

• Segons la seva sincronisme es classifiquen en síncrones, si hi ha un rellotge comú per emissor o receptor, o asíncrona, si no hi ha rellotge comú i les pròpies dades han d'ajudar al sincronisme.

• Si una transmissió s'efectua en un sol sentit s'anomena simplex, si s'efectua en els dos sentits però no simultàniament semi-duplex i si va en els dos sentits simultàniament dúplex.

Pertorbacions

Totes aquestes transmissions, estan afectades per les pertorbacions. Les més significatives són l'atenuació, la distorsió, el retard i el soroll.

Cap transmissor pot deixar de perdre certa potència en transmetre senyals. Si tots els components del senyal de Fourier disminuïssin en la mateixa proporció, el senyal perdria amplitud, però no es distorsionaria. No obstant això, cada component disminueix en diferent grau, el que provoca distorsió. En general, les amplituds es transmeten sense una disminució fins a una certa freqüència mesura en Hz, les freqüències superiors a aquesta s'atenuen. El rang de freqüències que no provoquen distorsió s'anomena AMPLE DE BANDA. Aquest tall no és abrupte, per la qual cosa es considera ample de banda al rang des de 0 fins que l'amplitud és la meitat del seu valor original. L'ample de banda depèn de la construcció del mitjà de transmissió. De vegades s'apliquen filtres per limitar.

L'atenuació consisteix en la pèrdua d'amplitud del senyal. Es mesura en decibels. Com ja he explicat, l'atenuació és proporcional a la freqüència. I marca l'ample de banda, en fixar la freqüència límit per la qual el receptor pugui detectar el senyal.

El soroll pot ser:

• Tèrmic, si procedeix de l'agitació tèrmica dels electrons al conductor.
• Soroll de intermodulació, si feu senyals suma o diferència de les freqüències originals.
• Diafonia si es produeix un acoblament entre les línies.
• O soroll impulsiu, que són polsos de poca durada i gran amplitud.

D'altra banda, s'ha de tenir en compte distorsió de retard. Es produeix quan diferents freqüències d'una mateixa senyal es transmeten a diferents velocitats. Aquest problema s'atenua mitjançant equalitzadors.

Aquestes pertorbacions depenen de la construcció física del medi. Limiten, sobretot la velocitat. En l'últim subapartat explicaré com es mesura aquesta.

Velocitat de transferència

Es defineix com a velocitat de modulació al invers d'un interval unitari. Es mesura en bauds.

Vm = 1 / T bauds. Sent T l'interval unitari.

Per tant, la velocitat de modulació és el nombre d'intervals per segon.

La velocitat de transferència és el nombre de bits que es transmeten per la línia per segon. Es mesura en bits / segon o bps. La relació entre la velocitat de transferència i de modulació ve donada per:

Vt = Vm log2 N, on N és el nombre d'estats significatius.

En una línia de dos estats significatius, un baud és igual a 1 bps. Si el senyal té 4 estats significatius la velocitat de transferència és el doble de la de modulació.

Tenint en compte l'ample de banda. Es defineix la capacitat de canal com la velocitat màxima de transmissió en el límit del seu ample de banda. Però en la pràctica, no només cal tenir en compte l'ample de banda. SHANNON demostrar que el soroll provoca una TAXA DE DADES MÀXIMA. La seva llei diu que:

Màxim de bits / seg = H log2 (1 + S / N)

Sent H els hertz l'ample de banda, i S / N la la relació senyal-soroll o el quocient entre la potència del senyal i la del soroll. Aquest resultat segueix sent un límit màxim ideal i els sistemes reals rares vegades ho aconsegueixen.

Comunicació de dades

El primer que cal tenir en compte és com es van a codificar les dades per enviar pel canal. Això depèn del format en què estiguin aquestes dades i del format de transmissió utilitzat. Ja he esmentat les diferents naturaleses dels senyals: analògica i digital. Amb aquestes es presenten quatre possibilitats:

• Transmissió analògica de dades analògiques
• Transmissió analògica de dades digitals
• Transmissió digital de dades analògiques
• I Transmissió digital de dades digitals.

Aquestes quatre possibilitats presenten quatre estratègies diferents.

Modulació analògica

Encara que es tracti d'un senyal analògic per un mitjà analògic, cal modular. Això significa adaptar al medi, ja que pot no ser possible propagar en la seva banda de freqüències base, o es necessita compartir el medi multiplexando freqüències.

Es distingeixen tres senyals: la moduladora, que és la que conté el senyal que es vol enviar. La portadora, que s'encarrega de portar aquesta informació i el senyal portadora modulada, que és el resultat de la modulació. El modulador altera algun paràmetre del portador en funció de la moduladora. La modulació pot ser:

• En amplitud: o AM, consisteix en variar l'amplitud portadora amb el senyal moduladora.
• En freqüència: en FM es modifica la freqüència de la portadora en funció de la moduladora.
• En fase: o PM, el senyal moduladora desplaça la fase del senyal portadora.

Modulació Digital

Quan es necessita enviar dades digitals per un senyal analògic. És necessari l'ús d'un MÒDEM. Aquest utilitza un senyal portador sinusoïdal pura que es modula en funció del senyal digital. En amplitud ASK, freqüència FSK i fase PSK.

• En ASK es modifica l'amplitud en dos possibles valors.
• FSK modifica la freqüència. És una tècnica senzilla, però requereix un gran ample de banda.
• PSK codifica els valors binaris de manera que un 0 no canvia la fase i un 1 suposa un canvi de 180 º.

A més, es poden fer servir aquestes modulacions combinades.

Digitalització

De vegades és necessari representar dades analògiques mitjançant senyals digitals. Per a això cal fer un discretrización dels valors analògics. La digitalització té 3 fases fonamentals:

• El mostreig, que capta valors del senyal en intervals de temps, aquest ha de ser prou freqüent per no perdre massa qualitat.
• La quantificació consisteix a assignar un mateix valor a un interval de valors analògics. L'manera d'aconseguir-ho és assignar un valor mitjà als que es troben en un rang.
• La codificació. En ella s'estableixen els bits que representaran cada mostreig. Com més bits més precisa és el senyal.

Codificació

Finalment, les dades digitals per senyals digitals no necessiten modulació. Però s'han de codificar segons la codificació de banda base. Aquesta codificació fa que el senyal no transmeti seus bits de manera directa amb 0 volts per al 0 i 0,5 o 1 per al 1. Ja que condueix a ambigüitats. Una de les xarxes més usades, Ethernet, utilitza la codificació Manchester. En aquesta, cada període de bit es divideix en dos intervals iguals. Un bit a 1 s'envia amb el primer interval amb voltatge alt i el segon sota. Un 0 és al revés. Aquest esquema assegura una transició a la meitat d'un període. El desavantatge és que necessita dos polsos per un bit. També podeu utilitzar el Manchester diferencial, que es representa amb una transició per al 0 i sense transició per a l'1.

Dispositius de comunicació

Per fer efectiu l'intercanvi d'informació entre ordinadors, és necessari l'ús d'una sèrie de dispositius que adapten els senyals o gestionen el trànsit d'informació. Explicaré els més usats: mòdems, còdecs, multiplexors, concentradors, repetidors, ponts, routers, i commutadors.

El primer d'ells és el mòdem. Com he dit anteriorment, la seva funció és la de realitzar el procés de modulació / desmodulació d'un senyal digital en analògica. Aquest senyal es transmet per la línia telefònica. El mòdem, a més incorpora protocols per al control d'errors i compressió de dades. La ITU-T (unió internacional de telecomunicacions) recull les normes de funcionament dels mòdems en la sèrie V. El mòdem es connecta a la línia mitjançant un connector RJ-11

El següent dispositiu és el còdec en banda base, és un element molt simple que només codifica la informació digital sense fer cap modulació. S'usa per transmissions a gran velocitat, però es limita el seu ús a distàncies curtes.

Els multiplexors aconsegueixen enviar diverses transmissions combinades i viatjant al mateix temps. Es pot multiplexar segons diferents estreategias: Per divisió de freqüències o FDM, en ella, cada canal es transmet en una banda diferent de freqüència. Es deixen uns espais de salvaguarda gaps entre elles perquè no es solapin. L'ample de banda és la suma dels amples de banda dels canals més els gaps. S'utilitza per als senyals analògiques. El principal problema de FDM és el soroll per intermodulació. Una altra forma de multiplexar és mitjançant divisió de temps o TDM, a cada canal se li assigna un temps. La multiplexión estadística reconeix quan un canal està incativo i reparteix el temps per als altres. WDM o multiplexació per longitud d'ona s'usa en les transmissions per fibra òptica. És l'ampliació de FDM a les transmissions òptica.

Els dispositius concentradors són el centre d'una xarxa tipus estrella. La seva funció és propagar el trànsit que arriba a un dels ports als altres. Es denominen també Hubs.

Els repetidors simplement regeneren el senyal perquè arribi més lluny. Es col · loquen al mig del cable i la amplifiquen i ecualitzen.

Els ponts són dispositius que treballen en la capa d'enllaç de dades. Són usats per connectar segments de cable de xarxes d'àrea local. Treballa per paquets i pot direccionarlos. Un paquet li entra per un port i d'acord amb la direcció que indiqui l'envia pel port a què està connectat el destí.

Més avançats que els ponts estan els routers o encaminadors. Aquests poden connectar dues xarxes de diferent tipus. Són més selectius que els ponts i seleccionen de manera més intel·ligent la ruta. Per això utilitza les taules d'enrutament. Funcionen a la capa de xarxa.

Finalment, els commutadors o switch també treballen en la capa d'enllaç de dades i direccional els paquets. La diferència entre un commutador i un pont és que el commutador s'usa amb més freqüència per connectar ordinadors individuals i el pont per segments de xarxa amb diversos ordinadors.

Per finalitzar, convé repassar els diferents mitjans de transmissió. Existeixen dispositius com els esmentats anteriorment per a cada un dels mitjans. En primer lloc el cablejat. La xarxa telefònica utilitza un parell trenat de cables, la seva connector és el RJ-11. Per a les línies ethernet, es poden utilitzar quatre parells trenats en els cables UTP o UDP. Els seus connectors són els RJ-45. A més, per a majors distàncies i velocitats, es pot utilitzar el cable coaxial i el cable de fibra òptica. Quant a la transmissió sense cable es distingeix la transmissió per infrarojos de la transmissió per ràdio, com l'estàndard 802.11 o wifi, o el bluetooth.

Cableado estructurado

Al realitzar la planificació i instal·lació d'una xarxa d'àrea local una de les principals decisions de disseny, amb un cost relatiu elevat sobre l'import total de la xarxa, és l'elecció del sistema de cablejat.

Un sistema de cablejat dóna suport físic per a la transmissió dels senyals associades als sistemes de veu, telemàtics i de control existents en un edifici o conjunt d'edificis (campus). Per realitzar aquesta funció un sistema de cablejat inclou tots els cables, connectors, repartidors, mòduls necessaris, etc.

Tradicionalment, les empreses superposaven instal·lacions de forma anàrquica en funció del creixement de les necessitats informàtiques. Cada proveïdor d'equips realitzava la instal·lació de cables que més li convenia i aquesta no podia ser usada per altres fabricants, el que obligava al client a cablejar de nou cada vegada que afegia un nou servei o bé a recablejar tota la xarxa davant d'un canvi de sistema informàtic.

En començar la dècada dels 90 van aparèixer els primers sistemes de cablejat (estructurat) que perseguien els següents objectius:

• Integració de diferents serveis com veu, dades i vídeo, sobre el mateix sistema de cablejat.
• Possibilitat d'integració de serveis futurs.
• Independència dels sistemes a connectar.
• Supervisió centralitzada de tots els sistemes.
• Àrea de cobertura de fins a 3000m nombre d'usuaris entre 50 i 50000.
• Temps de vida de la instal · lació en un horitzó de 10 anys.
• Compatibilitat amb normes de construcció, normes elèctriques i de seguretat.

Així va néixer el primer sistema de cablejat de ATT, denominat PDS (premises Distribution System), el nom encara s'utilitza (erròniament) per parlar dels sistemes de cablejat en general.

Posteriorment van aparèixer dues normes o estàndards que són els que s'aconsella seguir a l'hora de planificar un sistema de cablejat estructurat:

• ANSI/EIA/TIA-568. 1991. D'àmbit USA.
• ISO / IEC 11801 "Generic Cabling for costumer premises". 1994. D'àmbit mundial.

Ambdues normes s'assemblen molt quant a especificació d'estructura, tipus de cables i elements d'interconnexió. De fet la segona es basa en la primera, però amb una diferència important: la norma ISO considera, a l'hora de certificar una instal·lació, no només els materials i l'estructura del sistema sinó també la pròpia qualitat de la instal·lació, marcant uns requeriments mínims per classe d'enllaç.

• Classe A: especificada fins a 100 Khz (100 Kbps).
• Classe B: especificada fins a 1 MHz (1 Mbps).
• Classe C: especificada fins a 16 MHz (16 Mbps).
• Classe D: especificada fins a 100 MHz (100 Mbps).
• Classe I: 250 MHz
• Classe F: 600 MHz

En aquest tema anem a estudiar primer els tipus de cable que s'utilitzen en xarxes d'ordinadors, posteriorment veurem l'estructura d'un sistema de cablejat modern, abordarem la problemàtica de les interferències i sorolls electromagnètics i, finalment es presentaran alguns esquemes concrets de cablejat que poden ser-nos útils en la nostra vida professional.

En el article del ethernet es parla del cable [[Capa d'enllaç de dades#Connectors_RJ-45 | UTP i STP i dels connectors RJ-45]

L'estesa de cable per a una xarxa d'àrea local té certa complexitat quan es tracta de cobrir àrees extenses com ara un edifici de diverses plantes. En aquest sentit cal tenir en compte les limitacions de disseny que imposa la tecnologia de xarxa d'àrea local que es vol implantar:

La segmentació del tràfic de xarxa. La longitud màxima de cada segment de xarxa. La quantitat de computadors per segment. La presència d'interferències electromagnètiques. La necessitat de xarxes locals virtuals. Etc

Salvant aquestes limitacions, la idea del cablejat estructurat és simple:

1) Estendre cables en cada planta de l'edifici per assolir tots els llocs de treball. 2) Interconnectar els cables de cada planta en un armari repartidor 3) Connectar els armaris de les plantes amb un armari central a l'edifici 4) En el cas d'haver diversos edificis, connectar tots a un equipament comú.

Aquesta divisió del treball es reflecteix que el cablejat estructurat està compost de diversos subsistemes: Sistema de cablejat vertebral. Sistema de cablejat horitzontal. Sortida d'àrea de treball. Quart o espai de telecomunicacions. Quart o espai d'equip. Quart o espai d'entrada de serveis. Administració, etiquetatge i proves. Sistema de posada a terra per a telecomunicacions.