TEMA 2 ASPECTOS FÍSICOS DE LA TRANSMISIÓN DE DATOS.

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1 TEMA 2 ASPECTOS FÍSICOS DE LA TRANSMISIÓN DE DATOS

2 2 1. CONCEPTOS BÁSICOS: LA SEÑAL y SUS TIPOS SEÑAL: Es una entidad (de naturaleza diversa) que se manifiesta como alguna magnitud física, principalmente electromecánica, o mecánica, un voltaje eléctrico,... Ej: señal luminosa, eléctrica, acústica,… SEÑAL PERIÓDICA: Una señal es periódica cuando se repite cada cierto periodo de tiempo, denominado período y representado con la letra T. s(t) v -v t T A SEÑAL ANALÓGICA PERIÓDICA

3 3 s(t) v -v t T A SEÑAL DIGITAL PERIÓDICA donde: Amplitud (A): Máxima desviación vertical (el valor máximo alcanzado por la señal). Si la señal es eléctrica, sería el voltaje más alto alcanzado (V). Período (T): tiempo que tarda la señal en repetirse. Se mide en unidades de tiempo (s) Frecuencia (f): Es la inversa del período. Número de ciclos por unidad de tiempo. Se mide en Hertzios (Hz): f=1/T Fase (  ) o desfase: Es el desplazamiento de la señal en el tiempo, que puede variar dependiendo del origen de tiempos tomado para representar la función. Se mide en radianes (rad)

4 4 TIPOS DE SEÑALES: Una señal es analógica cuando puede tomar todos los posibles valores dentro de un determinado rango. Este concepto coincide con el concepto matemático de FUNCIÓN CONTINUA. A.ANALÓGICAS: Es ondulante Tiene un voltaje que varía continuamente en función del tiempo Es típica de los elementos de la naturaleza Se ha utilizado ampliamente en las telecomunicaciones durante más de 100 años

5 5 En la figura se ha representado una función f(t) en el dominio de tiempo t(eje horizontal). Como puede observarse la función toma todos los valores posibles entre un valor inferior “Vi” y uno superior “Vs”. No se produce saltos o discontinuidades. f(t) t Vs Vi B.DIGITALES: Una señal es digital cuando sólo puede tomar un conjunto finito de valores (normalmente dos). Este concepto coincide con el concepto matemático de FUNCIÓN DISCONTINUA.

6 6 En la figura se ha representado una señal digital con sólo 2 valores posibles: a y –a. La función tiene discontinuidades o saltos. No puede tomar ningún otro valor que no sea a o –a. -a a f(t) t

7 7 2. TIPOS DE TRANSMISIÓN Para que la información pueda transmitirse por un determinado medio (el aire, cables de cobre, etc.), es necesario convertir de alguna forma esos ceros y unos para que puedan viajar hasta el receptor y éste pueda interpretarlos correctamente. Las redes de datos cada vez dependen más de los sistemas digitales (binarios, de dos estados). El bloque básico de información es el dígito binario 1, denominado bit o pulso. Un bit, en un medio eléctrico, es la señal eléctrica que corresponde al 0 binario o al 1 binario. Esto puede ser tan sencillo como 0 voltios para el 0 binario y +5 voltios para el 1 binario. Esto es equivalente a decir que los circuitos de un ordenador interpretan un "1" cuando por la conexión correspondiente reciben corriente eléctrica (cuya tensión se aproxima a los +5 voltios), mientras que interpretan un "0" cuando no hay corriente. Este es el principio fundamental de la electrónica digital.

8 8 Normalmente suele considerarse que la transmisión de las señales por los cables suele ser perfecta, y la información se muestra como la figura 3.1. Sin embargo, en la realidad no ocurre así, debido fundamentalmente a la tecnología utilizada para fabricar los componentes. La figura 3.2 muestra una simulación de cómo podría transmitirse realmente esa señal, suponiendo que no existan interferencias. Esto implica que los circuitos digitales deben asignar rangos en vez de niveles de tensión exactos para poder interpretar correctamente la información. Por ejemplo, se considera un "1" a cualquier nivel de tensión comprendido entre 4V y 6V, mientras que se toma como "0" si está entre -1V y +1V.

9 9 En el caso de las señales ópticas, el 0 binario se codifica como una intensidad baja, o sin luz (oscuridad). El 1 binario se codifica como una intensidad luminosa alta (brillo). En el caso de las señales inalámbricas, el 0 binario podría ser una ráfaga breve de ondas; el 1 binario podría ser una ráfaga de ondas de mayor duración. En cualquier transmisión se debe tener en cuenta los siguientes parámetros que indicarán de qué tipo de transmisión estamos hablando: –Número de cables o lineas empleadas para realizar la transmisión (TRANSMISIÓN SERIE-PARALELO). –Intervalos de tiempo en los que el receptor toma la información recibida (TRANSMISIÓN SÍNCRONA-ASÍNCRONA). –Señales empleadas para representar la información (TRANSMISIÓN ANALÓGICA-DIGITAL). –Sentido de la transmisión (TRANSMISIÓN SIMPLES, SEMIDÚPLEX Y DÚPLEX).

10 10 2.1 Clasificación de la Transmisión según el nº de líneas usadas en la transmisión: TRANSMISIÓN EN SERIE Y PARALELO Un canal de comunicación puede estar formado por una única línea o por un conjunto de líneas de transmisión. Una transmisión en serie consiste en la utilización de un único cable por el cual circula toda la información a transmitir, además de información de control, en forma de una sucesión de datos digitales o analógicos (los datos se transmiten unos detrás de otros). Los bits se transmiten en cadena a una velocidad consensuada entre el emisor y receptor. Gráficamente: EMISOR RECEPTOR s(t) 10010011

11 11 Típicas transmisiones en serie son las que se producen en los puertos serie de los PCs, por ejemplo entre un Pc y un ratón; o entre un módem y la línea telefónica. Por su parte, la transmisión en paralelo consiste en utilizar varias líneas de comunicación, lo que permite que la información en forma de datos y control pueda circular a la vez de forma independiente. Así si tenemos 4 líneas pueden viajar a la vez 4 señales-datos (si estamos en datos digitales: 4 bits) a la vez. Gráficamente: t (unidades de tiempo) s(t) 12 3 4 5 6 7 8 9 Velocidad=1bps (1 baudio) EMISOR RECEPTOR s(t) 10010011

12 12 La ventaja principal de la transmisión en serie consiste en la reducción de costes al realizar la instalación del cableado, ya que éste es más barato y, cuanto mayor sea la distancia que separa a los equipos, mayor será el ahorro conseguido (en los casos en los que la distancia sea muy grande, el coste de utilizar cables paralelos se hace prohibitivo).

13 13 Como desventajas a la transmisión serie se encuentra, fundamentalmente, la limitación en la velocidad, debido a la utilización de un único canal por el que deben circular los datos además de la información de control. Además, es necesario utilizar algún tipo de señal que indique el tipo de datos enviados, su formato, etc., lo que conlleva una mayor carga en la transmisión. Un inconveniente importante de la transmisión de datos sobre un cable paralelo, sobre todo si es de una longitud considerable, reside en el hecho de que las señales que viajan a través de los diferentes hilos pueden sufrir un desfase importante (no llegan al destinatario todas a la vez), lo que requiere de dispositivos de control para garantizar la validez de la información cuando se lee en el extremo distante.

14 14 EJERCICIO: Supongamos que en un sistema de transmisión rudimentario se utilizan 4 dígitos binarios (0/1) para codificar símbolos y 2 dígitos binarios para señales de inicio de mensaje y fin de mensaje (no usa dígitos de control): Para implementar físicamente el sistema se utiliza: - un emisor: -fuente de alimentación de corriente continua a 4,5V más, -un dispositivo de control (un pulsador 0/1) - un receptor: diodo led de color verde Para la transmisión de mensajes, tanto el emisor como el receptor se han puesto de acuerdo en una serie de reglas o protocolos que incluyen: -el código de símbolo y señales de control -duración de 1seg para cada bit de información

15 15 Se pide: a)Representar gráficamente las señales s(t) en el dominio del tiempo (t) para enviar los siguientes mensajes: a.1) 0Ns1 a.2) 0Ks2 a.3) 0FFs3 a.4) No veo s4 b) ¿qué dificultades aprecias en este sistema de transmisión? c)¿cuántos símbolos se podrían codificar como máximo con 4 bits? SOLUCIÓN: a)

16 16 b) 1º) ¿Qué pasa si los relojes no están sincronizados? 2º) ¿Qué ocurre con los espacios en blanco que no están codificados?. Por ejemplo, en “NO VEO”. c) 24 = 16 símbolos posibles a codificar.

17 17 2.2 Clasificación de la Transmisión según los intervalos de tiempo en los que el receptor toma la información recibida: TRANSMISIÓN SÍNCRONA Y ASÍNCRONA Uno de los problemas que se plantean en la comunicación de dos estaciones es la sincronización. Cuando el emisor envía una serie de pulsos que representan los dígitos binarios, éstos pueden llegar al receptor con una amplitud diferente de la que se enviaron. En esas condiciones, el receptor no sabe cuántos "1" se han querido representar en un pulso de +5V de una anchura determinada. No ocurriría esto si el emisor enviara secuencias alternas de "0" y "1", de la forma "10101010". La figura 3.4 muestra este problema.

18 18 Otro problema adicional relacionado con la sincronización se produce cuando el receptor necesita que el emisor le indique de alguna forma que le está enviando datos. Si el emisor envía "0000", el receptor no sabrá si el emisor no ha enviado nada o está enviando varios ceros (ya que el voltaje del cable permanece a OV). Cada vez que se envía información, es necesario indicar al receptor, mediante alguna señal, que la información está disponible para su lectura. Además, también hay que decirle dónde finaliza el mensaje enviado, para que no tenga que seguir captando información innecesaria. Es decir, sincronizar el emisor y receptor, es poner de acuerdo a ambos sobre aspectos como: tiempo de duración de cada bit de información instante en que se inicia la transmisión instante en que se finaliza la transmisión Para sincronizar existen dos técnicas principales, de forma que según se use una u otra tendremos 2 tipos de transmisiones: transmisión síncrona y transmisón asíncrona.

19 19 TRANSMISIÓN ASÍNCRONA: En la transmisión asíncrona los datos se envían en bloques pequeños, normalmente carácter a carácter. Cada carácter suele tener una longitud entre 5 y 8 bits (dependiendo del código usado y del sistema de detección de errores). En este tipo de transmisión, la sincronización se produce en cada carácter (o palabra) transmitido, de forma que al siguiente carácter se resincroniza. Esta sincronización consiste en la utilización de una señal especial (uno o varios bits) que se sitúa al principio de cada carácter para indicar su comienzo, además de otra señal situada al final para indicar su finalización. Ejemplo: Mediante un determinado código, los caracteres A, B y C son:

20 20 –usamos un nuevo bit para detectar errores. Bit de paridad par. –Usamos un bit de arranque (start) a 0 –Usamos dos bit de parada y/o reposo a 1 (la duración de este bit puede ser arbitraria; se considera que la linea de transmisión está en reposo cuando tiene el valor lógico 1) Para enviar de forma asíncrona ABC, la secuencia enviada será: 111 0 10000010 11 0 01000010 11 0 11000011 11 Este tipo de transmisión es más sencillo y barata, pero requiere de 2 a 3 bits más por cada carácter, lo que reduce el rendimiento de la transmisión entendido éste como: % DE BITS DE DATOS QUE SE ENVÍAN EN RELACIÓN CON EL Nº DE BITS TOTALES ENVIADOS. (el rendimiento se calcula por cada carácter)

21 21 Así en el ejemplo de antes: 8 bits por carácter (incluido el de paridad) 1 bit arranque 2 bit parada 11 bits para cada carácter. Por tanto: (8 bits datos / 11 bits enviados) * 100=72,7% de rendimiento. Para mejorar el rendimiento se podría aumentar el tamaño del bloque enviado y enviar así los caracteres de 2 en 2. Así: 2*8=16 bits de datos en cada envio 1 bit arranque 2 bit parada 19 bits para cada envío. Por tanto: (16 bits datos / 19 bits enviados)* 100=84,2% de rendimiento. Se ha aumentado el rendimiento, pero la resincronización ahora se hace cada 2 caracteres, entonces puede haber más errores de lectura por mala sincronización. Este tipo de transmisión se utiliza para comunicaciones de baja velocidad

22 22 TRANSMISIÓN SÍNCRONA: LA TRANSMISIÓN SÍNCRONA (ejemplo 3.2) consiste en utilizar una señal periódica que indica los instantes en los que está accesible cada dígito. No utiliza señales de inicio y fin y, por lo tanto, resulta alrededor de un 20% más rápida que la asíncrona. Los bits se envían a una cadencia constante, sin separarlos en caracteres,…Esto exige que emisor y receptor sincronicen sus relojes correctamente para asegurar una duración constante del bit e igual en ambos extremos. Normalmente, el emisor envía al receptor la señal de sincronización junto con la señal de datos (en cables diferentes, por el mismo cable o incluso en la misma señal).

23 23 En estas transmisiones también se suelen usar unos caracteres especiales para evitar pérdidas de sincronía, pero se usan en menor medida que en la transmisión asíncrona. Según el protocolo de comunicaciones se añaden unos u otros caracteres.

24 24 2.3 Clasificación de la Transmisión según el tipo de señal transmitida: TRANSMISIÓN ANALÓGICA Y DIGITAL Una transmisión es analógica cuando usa señales analógicas (periódicas o no) y es digital cuando usa señales digitales (periódicas o no). Es posible la transmisión de datos digitales mediante señales analógicas (se verá en apartados posteriores), aunque es necesario realizar adaptaciones. El caso más común se encuentra en la transmisión de datos a través de la red telefónica analógica (RTC).

25 25 2.4 Clasificación de la Transmisión según el sentido de la transmisión: TRANSMISIÓN SIMPLEX, SEMIDÚPLEX Y DÚPLEX O FULL DÚPLEX La transmisión de datos utilizando un medio concreto puede realizarse en dos sentidos, de un extremo al otro. Dependiendo de esta característica, existen tres tipos de transmisión: –Simplex: La transmisión tiene lugar en un solo sentido y, si se desea transmitir en sentido contrario, será necesario poner otro cable. –Semidúplex: La transmisión puede tener lugar en ambos sentidos, pero no simultáneamente. Hay que utilizar señales de control para informar si el medio está ocupado o se puede transmitir. –Dúplex integral o full dúplex: La transmisión puede tener lugar en ambos sentidos al mismo tiempo siempre sobre el mismo cable. Un medio de transmisión formado por varios cables, la mitad de ellos utilizados para transmitir en un sentido y el resto en el otro, se considera simplex (cada uno de ellos por separado). Para que la comunicación se considere semidúplex o dúplex integral, es necesario que se realice en los dos sentidos sobre el mismo cable, o que se considere el grupo de cables completo.

26 26 3. MÉTODOS DE CONTROL DE ERRORES Por muchos medios que se pongan para que las transmisiones sean seguras, siempre hay una posibilidad de riesgo. En ocasiones, el problema no reside tanto en la posibilidad de errores en la transmisión, sino en detectar que efectivamente los hubo.

27 27 3.1 Dos problemas: la detección y la corrección Podemos aceptar que las comunicaciones, necesariamente, sean susceptibles de error, pero debemos exigir que, si lo hay, éste sea detectado. Otro asunto distinto es que, una vez detectado el error, se sepa corregirlo mediante técnicas sofisticadas de cálcu­lo o retransmisión de la información.

28 28 3.2 La detección del error: ¿cómo se hace? A lo largo de la historia de las comunicaciones han sido muchos los sistemas de detección de error que se han descubierto. Nosotros nos vamos a ceñir a los siguientes por la importancia que revisten en la mayor parte de las co­municaciones y, en especial, en las redes de área local. La paridad simple Consiste en añadir a los códigos de las tramas enviadas un bit que se obtiene calculando el nº de 1 que aparecen en total en la trama. Por ejemplo: Si tenemos la trama: 0101011 su bit de paridad par sería 0 porque hay un número par de unos (hay 4 unos). Fundamentalmente hay dos tipos de paridad simple: par e impar. Por ejemplo, si se desea transmitir la secuencia 0011011, el bit de paridad par, sería un 0, puesto que es par el número de unos que contiene la secuencia. A esto se le denomina paridad par

29 29 Resumiendo: el bit de paridad par de una secuencia se calcula contando el nº de unos. Así: –si el nº de 1 es par, entonces bit paridad=0 –si el nº de 1 es impar, entonces bit paridad=1 La paridad impar es semejante a la par: lo único que cambia es el valor del bit de paridad, vale lo contrario que en la paridad par. Así, en el ejemplo anterior tendríamos la siguiente transmisión (el bit que aparece entre paréntesis es el bit de paridad): Paridad par:0011011(0) Paridad impar: 0011011(1) Cuando una transmisión pierde un bit (se altera el valor del bit) este sistema de control de errores por pari­dad simple detecta el cambio. Pero sigamos con nuestro ejemplo. Si se altera, por ejemplo, el segundo 0 de la cadena de bits y estuviéramos utilizando la paridad par, la transmi­sión recibida hubiera sido: 01 11011(0). El receptor, a la llegada del mensaje, recalcula la pa­ridad. La paridad par del nuevo mensaje (0111011) es un 1, porque el número de unos es impar. Pero el mensaje recibido tiene paridad 0: hay una contradicción y, por tanto, una detección del error.

30 30 El sistema de paridad simple sólo es capaz de detectar los errores producidos en un número impar de bits de la cadena transmitida, si el número de errores es par, el sistema no detectará el error. La paridad de bloque La paridad de bloque es un caso especial de la paridad simple. También puede ser par o impar. Se trata de organizar la información por bloques, componiendo una tabla de m x n bits. A continuación, se extraen los bits de paridad por filas y por columnas. Por último, se envían por la línea de transmisión junto con los bits constitutivos del mensaje los bits de paridad calculados. Pongamos un ejemplo. Imaginemos que queremos transmitir la siguiente información: 00110, 01010, 11001, 11111. Expresamos por filas esta información como una tabla de 4 x 5 hits.

31 31 Ahora calculamos los bits de paridad por filas y columnas, y tendremos por tanto una nueva tabla de 5 x 6 bits donde hemos situado los bits de paridad horizontales y verticales: Los bits que aparecen en cursiva y subrayados son los bits de paridad. El bit marcado con X (bit de paridad cruzada) no es significativo para nuestro estudio. Estos bits constituyen la paridad de bloque o checksum. La secuencia transmitida sería la siguiente: 00110 0 01010 0 11001 1 11111 1 01010X Cuando el mensaje llega al receptor, éste reconstruye la tabla y comprueba que los códigos de paridad son correctos.

32 32 Veamos cómo se detecta el error. Imaginemos que el bit de la segunda fila y tercera columna altera su valor durante la transmisión, es decir, que la secuencia recibida será: 00110 0011100 11001 1 11111 1 01010X entonces, la tabla en el receptor quedará como: Al recalcular los códigos de paridad, el receptor detectará que no coinciden los bits de paridad de la segunda fila y de la tercera columna, que serán respectivamente 1 y 1, mientras que a él le han llegado 0 y O. Ya se ha detectado el error. Pero no sólo se ha detectado, sino que además se sabe dónde se ha producido: en la intersección entre la fila y la columna en que falló la paridad. Como un bit sólo puede valer 0 o 1, sabiendo que en ese punto de la tabla está el error, se puede corregir: si llegó 0, el bit original era 1; y si llegó 1, el bit original era 0. Ya tenemos un método que, para casos sencillos, no sólo es capaz de detectar el error sino también de corregirlo.

33 33 En el caso de que se pierdan varios bits en la secuencia, este método es capaz de detectarlos aunque no de corregirlos; por tanto, es más sensible que el método de la paridad simple. La redundancia cíclica Los códigos de detección de errores por redundancia cíclica o CRC están basados en las propiedades matemáticas de la división de polinomios. Seleccionando de un modo adecuado el polinomio-clave se llegan a detectar gran cantidad de errores posibles Incluso se podrían arbitrar mecanismos de autocorrección.

34 34 3.3 La corrección del error Una vez que se ha detectado la situación de error de un transmisión, nos planteamos el siguiente problema: ¿es posible la corrección del error?, y si es así, ¿en qué grado es posible esta corrección? Hay 2 modos posibles de corrección que son: corrección en el destinatario corrección de errores por retransmisión Corrección de errores en el destinatario El primer modo de corrección de errores consiste en dejar que el destinatario determine, a partir de la información redundante que ha recibido del emisor y del propio mensaje, los bits erróneos: aquellos que se han perdido. Un vez detectada su posición, la operación de corrección e inmediata: en esos bits erróneos se sustituyen los 0 por 1 y viceversa. A este método de corrección también se le llama «corrección de errores hacia delante». Ejemplo: la paridad de bloque es un método de corrección hacia delante.

35 35 Corrección de errores por retransmisión Somos conscientes de que es más fácil detectar el error que corregirlo, pues la operación de corrección requiere averiguar la posición de los bits erróneos. En gran parte de las comunicaciones actuales la corrección se hace por retransmisión del mensaje, es decir, cuando el receptor detecta una comunicación errónea, pide la retransmisión del mensaje. Esta técnica de recuperación de errores también se llama corrección de errores hacia atrás. Este método exige que la línea sea dúplex (o full dúplex) porque va a haber comunicación en ambos sentidos

36 36 Formas de implementar la corrección de errores por retransmisión: 1)Envío y espera Esta primera estrategia de corrección de errores por retransmisión implica que el emisor enviará bloques informativos al receptor secuencialmente de acuerdo con las siguientes reglas: El emisor envía un bloque de datos al receptor y se queda con una copia del mensaje hasta asegurarse de que la información llegó correctamente. Cuando el receptor recibe el primer bloque de datos, genera una señal de confirmación que envía al emisor en donde le indica si los datos llegaron o no en buen estado. Normalmente se intercambian el código ASCII (acknowledge), carácter utilizado como acuse de recibo afirmativo, para advertir que la transmisión tuvo éxito o el código (no acknowledge), utilizado como acuse de recibo negativo, para indicar que el bloque llegó con errores. Si el emisor recibe un, entiende que la información llegó bien a su destino y, entonces, libera la copia de los datos recién enviados, genera un nuevo bloque de datos y continúa con la transmisión. Sin embargo, si lo que le llegó fue un o transcurre el tiempo máximo permitido sin recibir una confirmación, interpreta que la información llegó erróneamente al destinatario, o no llegó, y procede a retransmitir el mismo bloque.

37 37 Esta técnica produce transmisiones muy seguras y fácilmente gobernables, pero tiene un inconveniente: se pueden producir retardos no deseados en las transmisiones, puesto que ningún bloque de datos será enviado sin recibir la confirmación de que el anterior ya se encuentra en su destino de un modo satisfactorio. Además las técni­cas de diálogo no simultáneas, como la que ahora nos ocupa, producen vacíos en la línea de transmisión, desperdiciando su capacidad. 2)Envío continuo El envío continuo es una técnica de transmisión que mejora sustancialmente el método de envío y espera. Sigue las siguientes reglas: Se fracciona el mensaje en bloques de datos o uni­dades de transmisión que han de numerarse unívo­camente. A continuación, el emisor envía secuencialmente y de modo continuo todos los bloques de datos. El receptor acepta cada uno de los bloques y comprueba si son o no erróneos. Cuando el receptor recibe un bloque erróneo, gene­ra un mensaje informando al emisor del número de bloque que le llegó con error, con el fin de que se lo retransmita; no debemos olvidar que es una técnica de corrección hacia atrás.

38 38 Ahora caben en el emisor dos posibilidades: A) que le retransmita sólo el bloque afectado por el error (rechazo selectivo en el envío continuo) o, B) que retransmita no sólo ese bloque sino todos los que le siguen (rechazo no selectivo o con vuelta atrás-N) por suponer que el resto de los bloques también habría llegado en mal estado. Se usa menos el rechazo selectivo porque implica tener una zona de memoria temporal donde el receptor debe ir almacenando las tramas correctas que recibe para luego ordenarlas y obtener el mensaje. Experimentalmente, se prueba que la técnica de envío y espera es aproximadamente un 20 por 100 menos eficaz que el método de envío continuo, por lo que en los protocolos más modernos se utiliza muy poco el de envío y espera.