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Índice de contenidos

Introducción

Conceptos básicos

Conclusiones

Anexo Ejercicios

Lista de siglas / acrónimos

Bibliografía

Ficha de presentación autores







1. Introducción

Tanto los sistemas como las redes de comunicación constituyen la base sobre la que se sustenta Internet. Y es que para que Internet funcione, es preciso que estén operativos distintos medios y tecnologías como los canales físicos de comunicación, las técnicas de transmisión de datos, el control de errores y de flujo de datos, los protocolos que acuerdan cómo transmitir información de diferentes orígenes y destinos en los mismos circuitos así como la organización de los sistemas de acuerdo con determinadas topologías. El conocimiento de estos aspectos es, pues, fundamental para la comprensión de esta red que hoy día alcanza ya una dimensión global. Este libro ha sido escrito con el fin de apoyar el estudio de estos conceptos, que son de vital importancia para los ingenieros, especialistas y técnicos que desarrollan su actividad en el área de las tecnologías de la información y de las comunicaciones.

En este capítulo introductorio se comienza detallando la motivación y el ámbito de este libro. Luego se explican los objetivos, el enfoque utilizado para alcanzarlos y se identifica el público al que el libro se destina. Finalmente, se describe la organización del libro, presentando cada uno de sus capítulos así como la relación con otros libros de la serie “Redes de ordenadores”.

1.1 Motivación y ámbito

¿Cuáles son los componentes de los sistemas de comunicación? ¿Qué medios físicos de comunicación se emplean? ¿Cómo se transmiten/reciben los bits en una conexión o en una red? ¿Qué tipos de transmisión existen? ¿Qué es la velocidad de transmisión? ¿Cómo es posible detectar y recuperarse de los errores? ¿Cómo se controla la cantidad de datos en una conexión? ¿Cómo se interconectan los dispositivos en una red? ¿Cómo se pueden utilizar los circuitos y las redes para transmitir datos de múltiples usuarios a la vez? ¿Y qué tipos de redes hay? ¿Cómo se interconectan distintas redes para formar una red global? La respuesta a estas y otras cuestiones se presenta en este libro.

Hay diferentes tipos de redes, desde pequeñas redes domésticas conectando un pequeño número de dispositivos hasta redes de dimensión intercontinental para el transporte de grandes volúmenes de datos entre diferentes operadoras. Todas pueden caracterizarse haciendo referencia a un conjunto de aspectos fundamentales, que incluye medios físicos de transmisión, técnicas de transmisión de datos, mecanismos de control de errores y de flujo, componentes y topologías, conmutación y multiplexación de unidades de datos y, también, tasa de transmisión de bits (bit rate). La comprensión de los conceptos básicos subyacentes a dichos aspectos fundamentales es la motivación principal de este libro, cuyo ámbito no es otro que la transmisión, recepción y conmutación de datos en los sistemas de comunicación.

1.2 Objetivos y enfoque

El objetivo central de este libro es la presentación, el análisis y el estudio de los conceptos básicos de las redes de ordenadores. Se analiza pues el modelo de un sistema de comunicación, los medios físicos de transmisión, la transmisión de datos, la tasa binaria, el control de errores y de flujo, los componentes de una red, las topologías de red, la conmutación, la multiplexación y los distintos tipos de redes.

Al presentarse todos estos aspectos se proporciona una visión general de un conjunto de cuestiones que caracterizan a la vez que condicionan las redes de ordenadores actuales.

El enfoque utilizado en el libro se basa en dos pilares: un componente teórico y un componente práctico. En primer lugar, se explican los conceptos con la profundidad necesaria para su compresión, de manera que el lector perciba los problemas y sus respectivas soluciones. En segundo lugar, se incluyen varios ejercicios, organizados en preguntas de revisión y en problemas teórico-prácticos. En general, se presentan problemas con sus correspondientes soluciones y problemas planteados para que el lector pueda resolverlos de forma autónoma. Los objetivos de los primeros son los de facilitar el auto-estudio y preparar la ejecución posterior de los siguientes problemas propuestos.

Teniendo en cuenta los aspectos referidos anteriormente, se pueden identificar diferentes públicos objetivo. En primer lugar, este libro puede ser útil para aquellos profesores y estudiantes en los cursos de primer y segundo ciclos del plan Bolonia en el área de redes de ordenadores y/o redes de telecomunicación. El libro es también apropiado para los profesionales con responsabilidades en la instalación y administración de redes informáticas en empresas pequeñas, medianas y grandes, ya sea en el ámbito de los operadores de telecomunicaciones, en proveedores de servicios IP así como en la administración pública.

1.3 Organización del libro

Además del capítulo 1, donde se presentan las motivaciones, el ámbito, los objetivos y el público destinatario, el libro consta de un capítulo central que trata sobre los conceptos básicos de las redes de comunicación y de un capítulo de conclusión. Además de estos capítulos, que tienen un enfoque teórico, se incluye un anexo de carácter teórico-práctico, compuesto por preguntas y problemas, tanto resueltos como propuestos, que abarcan varios de los temas tratados en los capítulos precedentes. A continuación, describimos con detalle el contenido de los capítulos mencionados anteriormente.

El Capítulo 2 – titulado "Conceptos básicos" – presenta y explica los aspectos esenciales de las redes informáticas, en particular, los conceptos de modelo de un sistema de comunicación, los medios físicos de transmisión, los tipos de transmisión de datos, la tasa de transmisión, las técnicas de control de errores y control de flujo, los componentes y topologías de redes, la conmutación de circuitos, la conmutación de paquetes, la multiplexación y, por último, los tipos de redes.

El capítulo 3 es un capítulo de conclusión, que resume los diversos aspectos tratados en el libro y presenta las siguientes temáticas a estudiar.

El anexo está dedicado a la presentación de un conjunto de preguntas y de problemas teórico-prácticos, que resultan de los conceptos tratados en los capítulos anteriores. Se incluyen no sólo problemas resueltos, sino también problemas propuestos que pueden servir de base para el auto-estudio y/o clases teórico-prácticas. Los problemas resueltos se han elegido de modo que los problemas propuestos se puedan realizar de manera autónoma sin gran dificultad.

Este libro es el primero de una serie de libros dedicados a las “Redes de ordenadores” que se centran en temáticas complementarias, aunque los libros se pueden leer de forma independiente. El segundo libro – cuyo título es “Aspectos arquitecturales” – introduce al lector en diversos aspectos arquitecturales de Internet. Específicamente, presenta una visión general del modelo de referencia OSI de ISO y de la arquitectura TCP/IP. Además, se aborda la caracterización de las aplicaciones de redes de ordenadores, así como de aspectos de seguridad y de gestión de redes. El tercer libro se titula “Tecnologías” y analiza una amplia gama de tecnologías de red, desde las redes de usuario a las redes utilizadas por los operadores de telecomunicaciones. Los libros siguientes abordarán temáticas centrales en la arquitectura TCP/IP, como son el direccionamiento IPv4 e IPv6, el encaminamiento y sus protocolos, los protocolos de la capa de transporte, la calidad de servicio, los protocolos para soporte de aplicaciones multimedia y de tiempo real, así como las principales aplicaciones usadas actualmente.

Todos los libros disponen de una estructura similar por lo que cuentan con un anexo final de ejercicios que incluye preguntas y también problemas prácticos o teórico-prácticos.

2. Conceptos básicos

Comprender el funcionamiento de las redes de ordenadores requiere conocer una serie de conceptos básicos que clarifiquen cuestiones clave como, por ejemplo, cómo construir una red o, incluso, lo que necesitan tener las máquinas para poder conectarlas a una red. Además del problema de conectar los ordenadores entre sí, también es necesario entender otros aspectos entre los que destacan cómo procesar y transmitir la información en una red, cómo puede controlarse el flujo de datos, cómo se realiza una recuperación de errores, cómo medir la capacidad de transmisión de una red o qué tipos de redes existen. Este es el objetivo de este capítulo: proporcionar un breve resumen de los conceptos básicos y la terminología asociada a las redes de ordenadores, con un enfoque pragmático para que los lectores puedan comprenderlos rápidamente.

2.1 Modelo de un sistema de comunicación

La Figura 2.1 muestra el modelo básico de un sistema de comunicación, en el que pueden identificarse los siguientes componentes:

  • Sistema de origen: comprende una fuente de información y un transmisor. La fuente de información puede corresponder al programa utilizado para crear un mensaje de correo electrónico, mientras que el transmisor es el componente que transforma y codifica el mensaje de modo que se puede transmitir, por ejemplo, un módem, un adaptador de red o una antena;

  • Medio físico de transmisión: se trata del medio físico utilizado para transmitir el mensaje desde el sistema de origen al de destino, tal como un cable de par trenzado, una fibra óptica o una frecuencia de radio. Los diferentes tipos de medios físicos se abordarán en el apartado 2.2;

  • Sistema de destino: también incluye dos componentes. En primer lugar, se encuentra el receptor que recibe y decodifica los datos transmitidos a través del medio. A continuación, se halla el destino de la información. El receptor también se corresponde con un módem, un adaptador de red o una antena, mientras que el destino de la información es el programa que emplea dicha información.

Figura 2.1 – Modelo de un sistema de comunicación

La transmisión de datos entre ordenadores u otros sistemas digitales se puede clasificar atendiendo a distintos criterios. Entre otros parámetros, a la hora de caracterizar la transmisión de datos puede considerarse el número de bits transmitidos a la vez, los sentidos permitidos para la transmisión, el número de receptores implicados en la comunicación, la codificación y/o la modulación de señales o incluso la relación temporal entre los caracteres transmitidos. La Sección 2.3 aborda con detenimiento todos estos aspectos.

2.2 Medios físicos de transmisión

Los medios físicos de transmisión son un componente esencial de los sistemas de comunicación. De hecho, en gran medida, las prestaciones que ofrece una red van a estar limitadas por el medio de transmisión que soporte dicha estructura. En general, los medios de transmisión se pueden agrupar en tres familias principales: los conductores metálicos, las fibras ópticas y los medios de transmisión inalámbrica.

2.2.1 Conductores metálicos

Los conductores metálicos están constituidos por varios conjuntos de cables con buenas propiedades de conducción eléctrica. Habitualmente están hechos de aleaciones metálicas a base de cobre (aunque también se puede utilizar aluminio). Los conductores suelen estar separados por un material aislante construido de material termoplástico, PVC (cloruro de polivinilo) o de otro material sintético con propiedades similares y que permita el aislamiento eléctrico.

2.2.1.1 Cables simples

Los cables simples están constituidos por dos o más conductores, normalmente de cobre, rodeados de un material aislante (por lo general de color) y agrupados en un haz con un aislamiento exterior envolvente. Otra alternativa es que el haz se encuentre dispuesto en una faja (cable plano, flat cable). A su vez, pueden contar con una cinta o malla metálica de blindaje circundante exterior.

Este tipo de medio físico se utiliza a menudo para la transmisión a través de distancias cortas y puede soportar una velocidad del orden de cientos de kbps. Típicamente se utilizan para la conexión de ordenadores a periféricos, incluyendo la conexión de módems.

Además del ruido térmico (inherente a la conducción eléctrica) y de las interferencias externas, que pueden ser reducidas con un correcto blindaje, la transmisión de señales eléctricas en cables de cobre se ve, generalmente, afectada por un fenómeno electromagnético conocido como diafonía (cross talk). Este fenómeno, incluido en la categoría de las interferencias internas, se debe al acoplamiento capacitivo entre los conductores paralelos.

Como consecuencia de este acoplamiento, parte de la señal que va por un conductor perturba la transmisión que se está efectuando por otro cercano. Según el grado de perturbación, la comunicación se verá más o menos dañada, llegando en los casos extremos a ser imposible emplear los cables paralelos para la transmisión simultánea de datos. Para evitar estos casos, se fijan unos límites en cuanto a la velocidad de transmisión y la distancia máxima cubierta por este tipo de medios.

2.2.1.2 Cables de pares trenzados

Los cables de pares trenzados aseguran una protección contra interferencias muy superior a la que ofrecen los cables simples. En este tipo de medio de transmisión, los pares de conductores de cobre con aislamiento individual se envuelven alrededor de sí mismos, formando una trenza. Un cable de pares trenzados tiene habitualmente varios pares protegidos por un aislamiento exterior envolvente.

En términos electromagnéticos, la disposición helicoidal del conductor donde se transmite la señal eléctrica y el que se emplea como referencia en el mismo par trenzado hace que las interferencias afecten de manera similar a ambos. Como lo que aporta información es la diferencia de potencial entre los dos conductores, gracias al arrollamiento en forma de trenza se logra reducir considerablemente los efectos de la interferencia electromagnética (Electromagnetic Interference, EMI) en la recepción de la señal.

En los cables trenzados, tanto la reducción de los niveles de emisión de radiación electromagnética (Electromagnetic Radiation, EMR) como la protección de las señales frente la interferencia electromagnética (EMI) se puede mejorar mediante el uso de blindajes individuales para cada par o bien empleando una protección colectiva en la que se envuelven todos los pares. Los cables de par trenzado se designan de acuerdo con el tipo de blindaje que poseen. Normalmente se utilizan las siguientes designaciones:

  • Cable UTP (Unshielded Twisted Pair) – cables sin cualquier tipo de blindaje individual o colectivo;

  • Cable STP (Shielded Twisted Pair) – cables con blindaje exterior envolvente del conjunto de todos los pares y con un blindaje individual para cada par;

  • Cable S/UTP (Screened/Unshielded Twisted Pair) o ScTP (Screened Twisted Pair) – cables con blindaje exterior (screen) envolviendo todos los pares, pero sin blindaje individual.

2.2.1.3 Cables coaxiales

En los cables coaxiales las señales eléctricas se propagan a través de un conductor metálico, normalmente cobre o aluminio, instalado concéntricamente en relación con un blindaje exterior típicamente hecho de una malla de metal. El espacio entre el conductor central y el blindaje se llena con un dieléctrico (material aislante). El blindaje externo está recubierto a su vez por una funda de material aislante y protector.

Desde un punto de vista electromagnético, la geometría del cable coaxial asegura, incluso para frecuencias del orden de varios GHz, una efectiva limitación de las pérdidas provocadas tanto por radiación como por el efecto pelicular. Estas características hacen que los cables coaxiales se utilicen típicamente en la transmisión de señales a altas frecuencias, donde las limitaciones de los cables trenzados, debidas al efecto pelicular y la radiación, dificultan el uso de estos medios físicos de transmisión.

NOTA: ¿Qué es el efecto pelicular? En un cable de cobre, al aumentar la frecuencia de las señales transmitidas a través de él, la carga tiende a circular cerca de las paredes del cable. Al disminuirse el volumen por el que puede moverse la carga, la resistencia que ofrece el cable aumenta y, en consecuencia, se incrementa la atenuación que experimenta la señal que se está transmitiendo.

Se ilustran en la Figura 2.2 los principales medios de transmisión que utilizan conductores metálicos y que se han descrito en esta sección.

Figura 2.2 – Medios físicos de transmisión basados en conductores metálicos

2.2.2 Fibras ópticas

En los medios de transmisión anteriores hemos visto cómo se empleaba un flujo eléctrico para la codificación de la información. A diferencia de estos, en la fibra óptica se utiliza la codificación de un haz de luz. De acuerdo a la información a transmitir, se generan pulsos de luz por un dispositivo opto-electrónico, por lo general un LED (Light-Emitting Diode) o un emisor láser. La recuperación de la señal se lleva a cabo habitualmente por un foto-diodo o un foto-transistor.


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