Capa Física OSI: Fundamentos, Estándares y Medios de Transmisión de Red

Capa Física (OSI): Fundamentos y Funcionamiento

La Capa Física del modelo OSI proporciona los medios de transporte para los bits que conforman la trama de la Capa de Enlace de Datos a través de los medios de red. El envío de tramas a través de medios de transmisión requiere los siguientes elementos clave de la Capa Física:

• Medios físicos y conectores asociados.
• Representación de los bits en los medios.
• Codificación de los datos y de la información de control.
• Sistemas de circuitos del receptor y transmisor en los dispositivos de red.

El objetivo principal de la Capa Física es crear la señal que representa los bits en cada trama.

Funcionamiento de la Capa Física

Los medios no transportan la trama como una única entidad; en su lugar, 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 óptica
• Inalámbrico

Para identificar una trama, la Capa Física codifica los bits en señales para un medio específico, permitiendo distinguir dónde termina una trama y dónde se inicia la siguiente.

Estándares de la Capa Física

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:

• ISO (Organización Internacional de Normalización)
• IEEE (Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos)
• ANSI (Instituto Nacional Estadounidense de Estándares)
• ITU (Unión Internacional de Telecomunicaciones)
• EIA/TIA (Asociación de Industrias Electrónicas / Asociación de la Industria de Telecomunicaciones)
• FCC (Comisión Federal de Comunicaciones)

Hardware y Tecnologías Clave de la Capa Física

Las tecnologías definidas por estas organizaciones abarcan cuatro áreas principales 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.

Principios Fundamentales de la Capa Física

La codificación es una manera de convertir un conjunto de bits en otro distinto. Se utiliza para mejorar la eficiencia energética o para distinguir patrones electrónicos. Además, existen códigos no permitidos que se emplean para la comprobación de errores.

Señalización de Datos

La Capa Física debe generar las señales inalámbricas, ópticas o eléctricas que representan los valores binarios "1" y "0" en los medios. El método de representación de bits se denomina método de señalización. Todas las comunicaciones, desde la red humana hasta su transmisión, se convierten en dígitos binarios que se transportan individualmente a través de los medios físicos. En las comunicaciones asíncronas, los datos y la señal de reloj se transmiten juntos. El reloj marca el ritmo al que deben fluir los datos. Para evitar desfases, el host receptor se sincroniza al recibir cada bit.

Métodos Comunes de Señalización

Los bits se representan en el medio al cambiar una o más de las siguientes características de una señal:

• Amplitud
• Frecuencia
• Fase

Señalización NRZ (No Retorno a Cero)

El método de señalización sin retorno a cero (NRZ) es un esquema simple donde el flujo de bits se transmite como una secuencia de valores de voltaje. Este método es adecuado principalmente para enlaces de datos de baja velocidad.

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 mediante transiciones de voltaje. La codificación Manchester es el método de señalización empleado por Ethernet 10BaseT.

Agrupación de Bits y Codificación Avanzada

Patrones de Señales

Los patrones de señales identifican el comienzo y el fin de una trama, funcionando como códigos de control.

Grupos de Códigos

Un grupo de códigos es una secuencia consecutiva de bits de código que se interpretan y asignan como patrones. Sus ventajas incluyen:

• Reducción del nivel de error en los bits.
• Limitación de la energía efectiva transmitida a los medios.
• Ayuda para distinguir los bits de datos de los bits de control.
• Mejoras en la detección de errores en los medios.

Reducción de Errores a Nivel de Bit

Se busca que haya un equilibrio en la secuencia de 1s y 0s, evitando cambios con muy baja frecuencia que podrían provocar errores en el reloj y desincronización.

Limitación de la Energía (Equilibrio DC)

El proceso de equilibrar la cantidad de bits '1' y '0' transmitidos se denomina equilibrio DC. Este método evita la acumulación excesiva de energía en los medios durante una transmisión.

Distinción entre Símbolos de Datos y Control

• Símbolos de datos: Representan los datos de la trama cuando esta se transmite a la Capa Física.
• Símbolos de control: Códigos especiales introducidos por la Capa Física que se utilizan para controlar la transmisión. Incluyen símbolos de fin de trama y de medios inactivos.
• Símbolos no válidos: Patrones de símbolos que no están permitidos en los medios. La recepción de un símbolo no válido indica un error de trama.

Mejoras en la Detección de Errores en los Medios

Además de los símbolos de datos y de control, los grupos de códigos incluyen símbolos inválidos. Si un nodo receptor detecta uno de estos patrones, la Capa Física puede determinar que se ha producido un error en la recepción de datos.

Capacidad de Transporte de Datos: Ancho de Banda, Rendimiento y Utilidad

Ancho de Banda

El ancho de banda es la cantidad máxima de información bruta que puede fluir de un lugar a otro en un período determinado de tiempo. Depende de:

• La tecnología utilizada.
• El medio físico por el cual se transmiten los datos.

Rendimiento (Throughput)

El rendimiento (throughput) es la medida de la transferencia real de información en función de la utilización de los medios. Las tecnologías utilizadas influyen significativamente en este valor, pudiendo aumentar o disminuir el rendimiento. En una red conectada por varios segmentos en serie, la red funciona a la velocidad del segmento o enlace más lento.

Capacidad de Transferencia Útil (Goodput)

La capacidad de transferencia útil (goodput) es la medida de los datos utilizables transferidos durante un período de tiempo determinado. Por lo tanto, es la medida de mayor interés para los usuarios de la red, ya que se refiere exclusivamente a los datos de usuario.

Medios de Cobre en la Capa Física

Interferencia de Señal Externa y su Minimización

Los tipos de cable con blindaje o trenzado de pares de alambre están diseñados para minimizar la degradación de las señales debido al ruido electrónico. Para minimizar las consecuencias de las interferencias, se recomienda:

• Selección del cable adecuado.
• Diseño de una infraestructura de cables optimizada.
• Utilización de técnicas de cableado apropiadas.

Cable de Par Trenzado No Blindado (UTP)

En el cable UTP, el campo electromagnético de ida es anulado por el de vuelta, eliminando la interferencia interna. Este efecto de cancelación también ayuda a evitar la interferencia proveniente de fuentes internas, conocida como crosstalk.

Estándares de Cableado UTP

Los estándares de cableado UTP definen aspectos como:

• Tipos de cables.
• Longitudes máximas de los cables.
• Tipos de conectores.
• Métodos de terminación de los cables.
• Procedimientos para realizar pruebas de cable.

Tipos Comunes de Cable UTP

El cableado UTP, con terminación en 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.