Fundamentos de la Capa Física en Redes: Codificación, Señalización y Ancho de Banda

Capa Física

Tareas

• Forma la trama de la capa de enlace de datos.
• Ve la trama como un grupo de bits sin estructura.
• Codifica bits como señales para transmitir por el medio.

Codificación y Señalización

Puede ser relativamente simple a muy baja velocidad si los bits son convertidos directamente a señales. A altas velocidades debe haber una codificación y luego una señalización donde los pulsos eléctricos o lumínicos pasan al cable de cobre o de fibra.

NRZ (No Retorno a Cero)

Un sistema de señalización muy simple: 1 es alto nivel de voltaje, 0 es bajo nivel de voltaje. El nivel de voltaje no retorna a cero en cada bit.

Problemas

• Una larga secuencia de unos o ceros puede desfasar en el tiempo a ambos nodos.
• Ineficiente por importantes pérdidas de potencia.
• Muy susceptible a interferencias.
• No se usa en Ethernet, aunque podría combinarse con una buena codificación.

Codificación Manchester

El nivel de voltaje cambia en el medio de cada bit. Voltaje en descenso significa 0, y en ascenso 1. Las transiciones entre periodos son ignoradas.

La transición importa, no el nivel de voltaje. Que el nivel de voltaje cambie en el medio de cada bit permite al equipo chequear su temporización. Ethernet de 10 Mbps usa Manchester en cables de cobre. No es muy eficiente a altas velocidades.

Dos Pasos

El Ethernet de 100 Mbps o mayor velocidad usa dos pasos: una codificación y una señalización. Los bits se agrupan y se codifican, por ejemplo: 0011 se podría agrupar y codificar en 10101 (4 bits a 5 bits, 4B/5B) de modo que cada posible patrón de 4 bits tendría su propio código. Esto agrega sobrecarga, pero tiene ventajas.

Ventajas de Agrupar y Codificar

• Los códigos de control como inicio o parada pueden tener códigos inconfundibles.
• La codificación puede proveer suficientes transiciones para ayudar a la temporización.
• Los códigos pueden balancear los 1s y 0s minimizando la cantidad de energía puesta en el sistema de transmisión.
• Mejora la detección de errores ya que se reconocen fácilmente códigos inválidos.

Ethernet de 100 Mbps en UTP

Ethernet de 100 Mbps usa primero la codificación 4B/5B, luego usa la señalización MLT-3 para poner una señal multinivel en el cable. 1 significa cambio, 0 significa sin cambio.

Ethernet de 100 Mbps en Fibra

Ethernet 100BaseFX usa primero 4B/5B, luego usa la codificación NRZI para poner pulsos de luz de un LED infrarrojo en una fibra multimodo. 1 significa cambio, 0 significa sin cambio.

Ethernet Gigabit UTP

Usa una codificación complicada seguida de un complejo esquema de modulación y señalización multinivel usando los 4 pares de cables UTP bidireccionalmente y simultáneamente.

Ancho de Banda Digital

Cantidad máxima de datos que puede fluir en un segmento de red en un tiempo dado. Determinado por las propiedades del medio y la tecnología usada para transmitir y detectar señales. La unidad básica es bits por segundo: 1 kbps = 1,000 bps, 1 Mbps = 1,000,000 bps, 1 Gbps = 1,000,000,000 bps.

Rendimiento y Capacidad Útil

Rendimiento es la tasa real de transferencia de bits en un tiempo dado. Varía con la cantidad y tipo de tráfico, los dispositivos usados, etc. Siempre es inferior al ancho de banda. La capacidad útil de transferencia mide los datos útiles transferidos en el tiempo, dejando de lado la sobrecarga de las cabeceras y trailers de control.