Conocimientos previos de redes
 

1. La señal analógica

En primer lugar vamos a estudiar los parámetros básicos de una señal senoidal, muy utilizada en las ingenierías ( desde un alternador de una central eléctrica, hasta una señal WIFI de nuestra casa ).

En la señal  de la izquierda, tenemos:

• A representa  la amplitud de la señal, o el valor máximo que puede alcanzar a lo largo del tiempo. También se le conoce como Vp ( valor de pico )
• T es el periodo , que es el tiempo que tarda una onda en desarrollarse.
• La señal puede que no empiece desde cero, en cuyo caso se dice que está desfasada. A ese ángulo se le denomina desfase (Φ )
• Otro de los parámetros usados es la frecuencia de la señal, que es el número de ondas que se repiten en un segundo. Por ejemplo, si tenemos 10 ciclos en un segundo, tenemos 10 Hz, si tenemos 100 ciclos en un segundo, tenemos 100 Hz.
• Existe una relación entre lo que dura la señal ( periodo ) y la frecuencia. Esta relación viene dada por

Antes de entrar en materia, es conveniente conocer cómo se pasan las unidades de una escala a otra. El sistema siempre es el mismo y se aplica para todo tipo de magnitudes, como  la frecuencia, distancia, peso, etc.

En el caso de la frecuencia de una señal (  definida como  el número de veces que una onda se repite por segundo), tenemos que la  unida es el Hz,  con los siguientes múltiplos y submúltiplo

• Por encima  tenemos el Khz que son 1000 Kz  (  10 ³  Hz )
• El  Megahercio ( MHz )  corresponde a un millón de Hercios,  (10 ⁶  Hz )
• El  Gigahercios (GHZ ) es u billón de Hercios ( 10 ⁹  Hz)
• El  Terahercios (THz)  es un trillón de Hercios  (10 ¹²  Hz )

Para la frecuencia no se usan los submúltiplos, aunque se pueden definir de la misma forma que antes. Tenemos

• Mil veces mas pequeños es el milihercios  ( mHZ ) = 10 ^-3  Hz
• Un millón mas pequeño es el microhercios (μHz)  = 10 ^-6  Hz
• Si seguimos con el proceso tenemos el nanoHercios ( nHZ )  = 10 ^-9  Hz
• El picohercios  ( pHz) es mil veces mas chico que el anterior, o sea, 10 ^-12 Hz

De esta forma, ya podemos hacer algunos cambios de uno a otro. El proceso es muy sencillo, por ejemplo:

Actividad Pasar 6 Mhz a Herzios.

En ese caso, un MHz son 10 ⁶  Hz , o lo que es lo mismo, 1.000.000 Hz.  Como son 6 MHz, tenemos que multiplicar el 6 por el millón, lo que resulta en 6.000.000

Pasamos a realizar algunas actividades.

Actividad 1. Pasar a Hercios los siguientes valores

1. 23 KHz
2. 45,7 Hz
3. 356 mHz

Pasar a milihercios los siguientes valores

1. 467 Ghz
2. 87,34 Khz
3. 68000 pHz

Actividad 2 Si tenemos una señal de 400 Kz y le sumamos una señal de 2,5 Mhz, que resultado numérico  tenemos. Expresarlo en forma exponencial.

Actividad 3 . Calcular la frecuencia de una señal de cuyo periodo es 2 microsegundos y de otra de 45 milisegundos

Por otro lado, tenemos que si la señal senoidal es del tipo electromagnética, como lo son las ondas de radio o la luz, la velocidad de propagación de la misma es 3 x 10⁸ m/s.

Es una velocidad muy elevada, de tal magnitud, que una luz que se enciende en la luna, cuya distancia a la tierra es de 384.400 km, tarda en llegar :

* Aplicamos la ley de la velocidad, tenemos que v= e/t, donde e es el espacio y t el tiempo.

* Despejamos el tiempo de la expresión anterior, dando lugar a t = e/v. Sustituimos valores t = 384.400 km / 3 x 10⁸ m/s = 384.400 x 10³ / 300 x 10⁶ m/s = 1,28 Segundos

En la señal electromagnética senoidal, podemos aplicar la misma fórmula para conocer el espacio que recorre en un ciclo, dado que conocemos el tiempo que tarda en desarrollar ese ciclo (T) y su velocidad 3 x 10⁸ m/s. Sólo hay que sustituir los valores como hemos hecho en el caso anterior.

Al espacio que recorre la OE en un periodo T se llama longitud de onda, y se representa por la letra λ .

2. Sistema binario y decimal

Para representar un valor solemos hacerlo en el sistema decimal ( 3, 7, 4,567, etc ), pero las máquinas digitales funcionan con sistemas de numeración binario ( 0 y 1 ).

 

Actividad: Busca en  Internet  qué es ASCII y cómo se obtiene cada valor.

Vamos a ver cómo pasar de un sistema al otro y para ello tenemos que repasar el tema visto en 4º de la ESO sobre la introducción a la electrónica digital 

• Como actividad, pasar los números 68 y 104 al sistema binario y comprobar que la operación es correcta

 

 

3.  Señales analógicas y digitales.

La diferencia entre una y la otra radica en la forma y en los valores posibles que cada una puede tomar a lo largo del tiempo. En el caso de la analógica  «señal natural * «, los valores que puede tomar son infinitos, mientras que la digital ( dos dígitos ) puede tomar sólo dos valores ( 0 y 1 ). Para que ello sea posible, la transición entre un valor y otro tiene que ser lo más inmediata posible.

Reflexión. En la siguiente imagen tenemos 2 señales. La primera analógica y la segunda digital. Responde

1. ¿ Cuantos valores tenemos en la analógica ?
2. ¿ Cuantos valores tenemos en la digital ?
3. ¿ Se puede decir que la señal digital es binaria ?. ¿ Porqué ?
4. Si sólo puedes emplear el 0 y el 1 en el sistema binario, cuantas combinaciones necesitas para representar cada uno de los valores que se representan en la señal digital. Dibuja la señal y encima el número correspondiente

Codificación de analógico a Digital

• Antes hablamos de señal natural  refiriéndonos a la señal analógica. Apelo a este calificativo porque es la representación de cada  variable física en la naturaleza.
• El calor o las interferencias del entorno afectan al modo de trabajar de los componentes electrónicos. En estas circunstancias, las  valores quedan distorsionados y, por tanto,  no representar el valor que queremos. Ssería mejor que trabajasen de manera digital, ( dos valores ) de forma que para pasar de un valor a otro existe un gap importante ( pasa , por ejemplo, de 0 voltios a 5 voltios ).
• Lo anterior no lleva a la necesidad de  encontrar un valor digital para cada valor  analógico . Para ello, se muestrea la señal cada cierto tiempo ( frecuencia de muestreo ) y se asigna un valor de 0 y 1 a cada muestreo. En el ejemplo de la figura, para el primer muestreo se puede asignar el valor 000100, indicando el primer dígito que es un valor positivo, y los otros el valor en binario de la tensión. Para la segunda muestra negativa, se toma el valor 1 01011 . El primer valor significa que es negativo y el resto indica el valor de esa señal.
• 

 

Las etapas que tenemos en ese proceso son:

1º Muestreo. Se toman muestras cada cierto tiempo de la amplitud de onda. El número de valores que tomamos por segundo se denomina frecuencia de muestreo.
2º Cuantificación: Consiste en asignar un margen de valor de una señal analizada a un único nivel de salida. Por ejemplo, si tomamos dos valores de 7,12 y 7,19 y la cuantificación dice que las muestras entre 7,10 y 7,20 se asigna un mismo valor ( X ), las dos muestras van a tener el mismo valor digital
3º Codificación: la codificación consiste en traducir los valores cuantificados al código binario.
 Actividad 4  Tenemos un sensor de temperatura que toma valores entre 10 y 50 grados. Nuestro cliente necesita tomar datos cada 1 mS y tienen que ser codificados en binario usando 6 bits.

1º Qué frecuencia de muestreo debe tener nuestro sistema ?

2º Ajusta la cuantificación y realiza una tabla donde se indiquen los valores analógicos y sus correspondientes digitales. 

4. Baudios y  Bits por Segundo

Cuando pensamos en transmitir datos por una red digital, pensamos típicamente en términos de bits por segundo. En la primera de las imágenes, tenemos dos valores lógicos 0 y 1, que son representados por las tensiones 0 y 3 voltios.

Si tomamos 8 de esos valores , tendríamos un byte, ( por ejemplo , el 10010011 ). Cada byte va a poder representar un carácter como la letra a, la b, la c, etc ( Esto viene regido por varios standards, como el  ASCII )

En la primera imagen, cada pulso eléctrico enviado se denomina símbolo. En este primer caso, si definimos M como el número de valores posibles que el símbolo puede tomar, tenemos que M vale 2, llegando a la conclusión que los bits por segundos enviados son iguales a los símbolos por segundo ( Baudios )

Los valores lógicos “0” y “1” son representados por los valores 0 y 3 voltios.

En la 2º imagen, se diseña un sistema para que la tensión pueda tomar 4 valores diferentes  (-1.5v, 0v, +1.5v, +3v).  En este caso,  M=4, y la línea puede representar los valores lógicos asociados:

•  -1.5v = «00»
•   0v=»01″
•   +1.5v=»10″
•    +3v=»11″

Para el mismo reloj de trabajo, para los mismos baudios, hemos doblado la capacidad de información, dado que antes teníamos solo la posibilidad de transmitir un bit, pero ahora tenemos 2 bits para el mismo baudio.

5. Emisor , receptor y circuito

Sus nombres nos indican qué función tienen dentro de un sistema de comunicaciones.

El Emisor, como su nombre indica tiene la función de emitir una señal.

El Receptor la de recibir la señal

Y para que uno pueda enviar y otro recibir la señal, es necesario un circuito que  puede ser tangible ( por ejemplo, el  cable ) o no tangible (  por ejemplo, el aire ).

Dentro del circuito tenemos dos 3 formas de que los enlaces ( elementos del circuito ),  traten la señal.

1.  Si se  limitan a tomarla y propagarla en un sólo sentido ( del emisor al receptor ) se llama simplex.  Estamos hablando de una comunicación unidireccional
2. Si además de recibir puede emitir pero sólo una cosa a la vez ( o emite o recibe, dependiendo de la orden dada ) estamos hablando de un half-duplex
3. Cuando al comunicación es bi-direccional y cada enlace puede emitir y recibir a la vez, estamos en un sistema full-duplex

Actividad 5 . Buscar, al menos un ejemplo, de cada uno de los sistemas

6. Redes de comunicaciones.

Atendiendo a la extensión de la red , se pueden clasificar en

Redes PAN, una red pequeña para uso particular, como la que tenemos en nuestras casas

Redes LAN, redes locales de mayor magnitud, que suele centrarse en centros ( edificios )

Redes MAN, de mayor extensión, llegando a pueblos y grandes barrios

WAN, la más extensa posible, donde tenemos nuestra red de Internet

Por último, existe una red  ( Deep Web )  dedicada a asuntos ilegales. Es la parte oscura de la red y también del ser humano.

 

7. Multiplexores

Se llama multiplexor al sistema que posibilita transmitir varios canales de información desde dos puntos distantes, usando sólo un canal de comunicación.

Existen varios tipos de multiplexores. El primero que veremos es quizás el más sencillo, el multiplexor por tiempo, donde cada canal dispone de un tiempo para volcar datos en la otra parte del sistema de comunicaciones.

En la imagen tenemos un multiplexor utilizando la técnica del divisor de tiempo.

El 2º de ellos es el multiplexor por frecuencia , donde vamos a usar varias portadoras de diferentes frecuencias, las modulamos y las pasamos al canal.

Vemos algunos ejemplos de dos modulaciones

 

7.1 Modulación en Amplitud ( AM )

Quizás sea la modulación más sencilla de todas. En AM , modulamos en amplitud la señal del oscilador dando lugar a la señal modulada ( en el gráfico es la señal en rojo ) donde apreciamos que la amplitud de la señal AM varia según lo hace la señal de arriba ( marcada como Signal ) que contiene la información que nos interesa

Con la modulación hemos conseguido aumentar la frecuencia de la señal ( porque la roja tiene mas ciclos por segundo que la negra ) conservando la información que nos interesa ( el sonido, imagen, etc)

Fijaros que la señal roja sube o baja la amplitud según el dictado de la señal negra ( Signal )

7.2 Modulación en Frecuencia ( FM )

En el mismo grafico de antes, vemos una señal azul ( FM) donde ahora se conserva la amplitud de la señal, pero su frecuencia va cambiando al la vez que lo hace la amplitud de la señal moduladora ( Signal ).

En la modulación en frecuencia, la frecuencia de la onda portadora (azul ) es modulada por la señal que queremos transmitir ( signal en la imagen ). Añadimos otra imagen para ver cómo queda modulada la señal portadora por loa moduladora.

Volviendo a la multiplexión, vemos en la imagen siguiente este sistema:

  Bueno, no nos asustemos. Parece algo marciano, pero veremos los bloques uno a uno para entender mejor cómo funciona este circuito.

Si observamos la imagen superior, tenemos que existen tres osciladores de 12, 16 y 20 kHZ. Esas frecuencias son moduladas en «frecuencia» por las señales que queremos transmitir y que tienen un rango de 0,3 a 3,4 KHz.

Hemos representado las tres señales en color azul, verde y rojo. Vamos a ver los pasos que tiene la primera de las señales ( azul )

1. La señal puede variar entre 0,3 y 3,4 kHz. Llega al primer modulador M-1, donde se modula la señal que viene del oscilador F1
2. Una vez modulada, el valor máximo de la señal es 12000 Hz – 300 = 11700 = 11,7 Khz
3. El valor mínimo se calcula de la misma forma, dando lugar a 12000 – 3400  = 8600 Hz
4. Como la señal modulada está comprendida entre 8600 y 11700 Hz, ponemos un filtro de paso banda para que sólo esas frecuencias pasen.
5. Una vez que se recibe en el receptor, pasa al filtro F4, que es igual a F1
6. Se demodula en D-1 con la señal que llega ( azul ) y la señal de 12000 Hz de 0-4
7. La señal sale por el demultiplexor para obtener la señal de origen.

Una vez que se transmiten las tres señales por el cable se llega al sistema receptor, que las separa por tres filtros de paso banda para luego demodular y obtener la señal de origen.

Actividad 6. Buscar en Internet qué es un filtro, tipos de filtros y significado de los filtros que tenemos en el circuito. Además localizar los otros símbolos marcados como M y los marcados como O, indicando la función que tienen. Por último, buscar como se representa el ancho de banda de una señal. Una vez que se acabe de entender el multiplexor, tenemos que representar en un gráfico las señales con sus anchos de banda que pasan por el cable rojo ( Medio de transmisión ).

8. Topologías de red

Las topologías de red describen cómo se conectan los dispositivos entre sí y cómo se transmiten los datos de un nodo a otro.

La manera de conectar varios ordenadores es diversa con sus ventajas e inconvenientes. Veremos  las ideas generales con pros y contras de cada una

1º Red de malla completa

Esta topología no requiere de un nodo que centralice la información como ocurre con otras más como la topología en estrella, con la ventaja de una considerable reducción en los  fallos y de mantenimiento.

La red sencilla tienen un enrutamiento cable a cable, por lo cual, la rotura de un cable hace que los ordenadores que están conectados dejen de comunicarse.

Si se dispone de enrutamiento dinámico, damos lugar a un sistema  “autoenrutables”.  En este caso, la comunicación entre dos dispositivos de la red puede llevarse a cabo incluso  con cables rotos ( siempre que exista un camino alternativo  y, gracias al enrutamiento dinámico, la información se pueda re-dirigir por caminos alternativos.  El problema de esta red es que resultan  caras de instalar, debido a la cantidad de material necesario ( cables, repetidores, tarjetas de puertos, etc ) y la mano de obra requerida para su instalación

Actividad Intentar deducir la fórmula por la que el número de enlaces en una malla completa , dada por Cables = n ( n-1)/2, donde n es el número de ordenadores
 

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2º Red en bus común

La topología de bus es un tipo de red en el que cada dispositivo se conecta a un único cable que va de un extremo de la red al otro. En una topología de bus, los datos se transmiten en una sola dirección.
Ventajas
Se mantienen un diseño simple. Todos los dispositivos están conectados a un solo cable, por lo que no es necesario gestionar una compleja configuración topológica.
Redes baratas, porque se pueden ejecutar con un solo cable. En caso de que sea necesario añadir más dispositivos, puede simplemente unir su cable a otro cable.

Desventajas
Si el cable falla, toda la red se caerá. Una falla en el cable puede costar mucho tiempo a las organizaciones mientras intentan reanudar el servicio. Además, si tiene mucho tráfico de red, el rendimiento de su red disminuirá significativamente, ya que todos los datos viajarán a través de un solo cable.
También cabe destacar que las topologías de bus están limitadas en el sentido de que son semidúplex, lo que significa que los datos no pueden ser transmitidos en dos direcciones opuestas simultáneamente.

3º En la topología en anillo, los ordenadores se conectan entre sí en un  círculo. Cada dispositivo de la red tendrá dos vecinos.
 El primer nodo se conecta al último nodo para enlazar el bucle.
En esta topología,  los paquetes necesitan viajar a través de todos los nodos en el camino a su destino.

Dentro de esta topología, se elige un nodo para configurar la red y controlar  otros dispositivos.
Los anillos pueden ser unidireccional , donde los datos pueden "viajar"  en sentido horario o antihorario  por el anillo, o bidireccional ( los datos pueden ir en ambos sentidos)

En una topología en anillo unidireccional sólo hay una ruta entre dos nodos cualquiera y, por tanto,  se pueden ver interrumpidas por la falla de un solo enlace. Una avería del nodo o del cable podrían aislar cada equipo  conectado en la red de anillo.

Para solucionar este problema se recurre a sistemas bidireccionales , minimizando el daño dentro de la red, y quedando aislado sólo los equipos con errores

Ventajas
En las topologías en anillo, el riesgo de colisión de paquetes es muy bajo debido al uso de protocolos basados en tokens, que sólo permiten que una estación transmita datos en un momento dado. 

Desventajas
El fallo de un nodo puede hacer que toda la red quede fuera de servicio. NO  ocurre  en la  bidireccional.
Las topologías en anillo también plantean problemas de escalabilidad. El ancho de banda es compartido por todos los dispositivos de la red. Cuantos más dispositivos se añadan a una red, mayor será el retraso en la comunicación que experimente la red.
Un cambio  en una topología de anillo  supone apagar la red para hacer cambios en los nodos existentes o añadir nuevos nodos. Esto es un problema para los usuarios de la red

4º Topología  estrella.

Cada nodo de la red está conectado a un nodo central. Todos los dispositivos de la red están conectados directamente al nodo central e indirectamente a todos los demás nodos. La relación entre estos elementos es que el dispositivo de red central es un servidor y otros dispositivos son tratados como clientes. 
El nodo central tiene la responsabilidad de gestionar las transmisiones de datos a través de la red. 
El nodo central o hub también actúa como repetidor. En las topologías en estrella, los ordenadores se conectan con un cable coaxial, un par trenzado o un cable de fibra óptica.


Ventajas
Las topologías en estrella son las más utilizadas porque se puede gestionar toda la red desde una sola ubicación: el swich central.
Si un nodo ( por ejemplo un PC )  se cae, la red permanecerá operativa. Esto proporciona a las topologías en estrella una capa de protección contra fallos que no siempre están presentes en otras configuraciones de topología.
Se puede agregar nuevos equipos sin tener que desconectar la red como si se tratara de una topología en anillo.
 Requiere menos cables que otros tipos de topología.
La simplicidad del diseño  hace que sea mucho más fácil  la resolución de problemas.

Desventajas
Si el nodo central se cae, toda la red se cae.
Actividad 4. Tenemos un edificio de 4 plantas y 30 ordenadores por planta. Consideras que la topología de malla completa es la más adecuada. ¿ Porqué y en caso contrario, qué malla es la mas adecuada ?. Razona la respuesta.

9. Modelo OSI.

Cuando dos ordenadores, que normalmente tienen  hardware y software diferentes, tienen que comunicarse, es necesario establecer una serie de normas para que esa comunicación sea efectiva. Uno puede estar conectado con fibra y otro con un par de cables. Uno puede ser un Mac y otro windows, uno puede estar en Holanda y el otro en España y así una serie de cosas que hacen necesaria una serie de protocolos y funciones de comunicación para que Internet sea posible.

Tenemos este vídeo que nos puede aclarar un poco mas el tema

Vamos a hacer un resumen sobre las 7 capas que forman el modelo OSI ( resumen del contenido del libro ). Partimos de la idea de que éste modelo tiene como objetivo establecer las condiciones necesarias para que dos dispositivos lejanos se puedan comunicar. Las 7 capas son, a modo simplificado:

1. Capa Física.  Al igual que para comunicar dos puntos en el espacio real, necesitamos una carretera, una vía del tren, etc y en ellas se establecen unas normas de tráfico, la capa física tiene por finalidad la de establecer las condiciones  para que por un medio ( aire, cable .. ) se puedan transmitir los datos, y para ello, aparte de especificar como tienen que ser cables y conectores, nos dice como tienen que ser los 0 y 1 ( que valores eléctricos les corresponden ), sentido de la información, etc.

El Concentrador ( en inglés hub)  trabaja en la capa física (capa 1) del modelo OSI. Permite centralizar las conexiones de una red de ordenadores,  adquiriendo todas las peticiones de los dispositivos, tratarla y volver a mandarla de nuevo a todos los dispositivos ( sin tener en cuenta qué ordenador ha hecho la petición )

2. Capa de enlace de datos. Cuando mandamos una carta postal, el sobre tiene un destinatario y un remitente. Esto hace la capa de datos, añadir información a cada paquete de datos para que se sepa de donde viene y donde va. Además añade información de sincronización.

Un conmutador o switch opera en la capa 2 , permite la  interconexión de redes de computadores, con tratamiento exclusivo de petición - respuesta ( esto es, manda la respuesta sólo a quien ha realizado la petición ).

3. Capa de red.  Es el GPS del coche. Nos indica que camino es el optimo para enviar cada paquete de datos.

En esta capa, se producen 4 procesos , que son

Direccionamiento: La Capa de red debe proveer un mecanismo para direccionar los equipos que se quieren comunicar

Encapsulación. Se empaquetan los datos  (  información )  para su posterior  envío y, de esta manera, tener un sistema más eficaz.

Enrutamiento . El dispositivo encargado ( router )  tiene que  seleccionar las rutas y dirigir paquetes hacia su destino.

Desencapsulamiento . Cuando  el paquete llega al host destino, se procesa. El dispositivo de llegada (  host  ) examina la dirección de destino para comprobar que , efectivamente, este paquete viene al host adecuado. Luego se  produce el  desencapsulado en esta  capa de Red.

El router trabaja en la capa 3 del modelo OSI , ya que es capaz de enrutar el tráfico entre diferentes redes , incluso estando en ubicaciones geográficas diferentes.

4. Capa de transporte. Si queremos transportar un objeto muy grande, qué hacemos ?. Seccionarlo y mandarlo en varios paquetes ?. Pues eso es lo que hace esta capa. Se encarga de seccionar la información en el lado del emisor y ensamblarla en el receptor.

5. Capa de sesión. ¿ Cuando cierro el almacén ?. La información tiene un tiempo para transmitirla y no debemos cerrarla hasta que toda llegue a destino. Si se cierra por algún motivo, la capa de sesión se encarga de seguir recibiendo datos desde que cortó la conexión

6. Capa de presentación. Se encarga de traducir adecuadamente los datos cuando los dispositivos no son iguales, de esa forma nos aseguramos que se entiendan. Es como un traductor de lenguaje para que dos personas con  diferentes idiomas se puedan entender. Puede ir mas allá y encriptar los datos.

7 Capa de aplicación. Son los programas en sí que permiten al usuario acceder a la red