Curso Gratis de Redes – Capitulo 10 – Capa 1 Física

por | Ene 12, 2024 | Redes | 1 Comentario

Bienvenidos a este Curso Gratis de Redes – Capitulo 10 – Capa 1 Física. En este fascinante viaje, exploraremos los cimientos físicos que permiten la comunicación digital. Desde cables hasta señales, descubriremos cómo la seguridad en la Capa 1 es esencial para el resguardo integral de las redes.

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El modelo OSI

Es un estándar que debe hacer posible la conexión entre dos dispositivos finales en una red, independientemente del software o hardware que utilicen ambas partes. El modelo OSI, que se viene desarrollando desde los años 70 y se presentó por primera vez en 1983, consta de un total de siete capas, todas ellas dirigidas a áreas de trabajo diferentes, pero que se apoyan unas en otras e interactúan entre sí hasta cierto punto. Las siete capas en orden ascendente son las siguientes:

Lee los demás capítulos acerca del modelo OSI

  1. Capa física (Physical Layer)
  2. Capa de enlace (Data Link Layer)
  3. Capa de red (Network Layer)
  4. Capa de transporte (Transport Layer)
  5. Capa de sesión (Session Layer)
  6. Capa de presentación (Presentation Layer)
  7. Capa de aplicación (Application Layer)

Capa física

Esta capa incluye el equipo físico implicado en la transferencia de datos, tal como los cables y los conmutadores de red. Esta también es la capa donde los datos se convierten en una secuencia de bits, es decir, una cadena de unos y ceros. La capa física de ambos dispositivos también debe estar de acuerdo en cuanto a una convención de señal para que los 1 puedan distinguirse de los 0 en ambos dispositivos.

¿Qué funciones desempeña la capa física?

La tarea principal de la capa física es la conexión física entre dos unidades dentro de una red. La capa física se encarga de establecer e interrumpir la conexión y supervisa su funcionamiento durante la transmisión de información. El elemento más importante de esta transmisión son los bits como unidad más pequeña de información.

Además de la transmisión propiamente dicha, el physical layer también regula la estructura de los bits, su valor y sus distintos métodos de transmisión. Los datos se transmiten bit a bit, se procesan, se consolidan y se cambian si es necesario. Durante el proceso, la capa física no distingue entre los bits de información y los bits de control y no corrige errores.

La capa física se limita a establecer la conexión física, a transmitir todos los datos como un flujo en forma de bits y a garantizar la correcta desconexión al final de la transmisión. Además, el physical layer asume algunas funciones administrativas.

Las preguntas a las que responde la capa física incluyen la representación física de los dígitos binarios 1 y 0, que puede ser, por ejemplo, eléctrica, electromagnética, óptica o acústica. La capa física comprueba en qué dirección va la transmisión. Las características de los enchufes y cables, la asignación de clavijas y las variables físicas como la intensidad de corriente y la tensión también son relevantes para la capa física.

¿Qué servicios presta la capa física?

La capa física proporciona información a las demás capas para permitir una conexión fluida. La información puede ser, por ejemplo, en forma de señales de radio, señales luminosas o señales eléctricas. La elección del hardware adecuado para una red y la decisión del tipo de red adecuado también están estrechamente relacionados con la capa física.

Los parámetros que se definen en la capa física también influyen en las demás capas. Entre ellos, la elección del medio de transmisión, la función de cada línea, la velocidad de transmisión y el ya mencionado sentido de transmisión, que puede ser simplex (en una dirección), half duplex (alternando entre ambas direcciones) o full duplex (simultáneamente en ambas direcciones).

¿Qué componentes corresponden al physical layer?

Son varios los componentes de hardware que garantizan el cumplimiento de las especificaciones de la capa física. A grandes rasgos, los componentes se pueden dividir en pasivos y activos, por lo que algunos de ellos también pueden tener una influencia directa en la siguiente capa. El siguiente hardware forma parte de los componentes pasivos:

  • Resistencias de terminación
  • Antenas
  • Tomas de corriente
  • Cables
  • Conectores
  • Conectores en T

Entre los componentes activos de la capa física se encuentran los siguientes:

  • Hubs
  • Tarjetas de red
  • Repetidores
  • Transceptores
  • Amplificadores

¿Qué tecnologías se fundamentan en la capa física?

Son muchas las tecnologías que ofrecen una capa física y funcionan según los principios del modelo OSI. Entre ellas se encuentran las siguientes:

  • 1-Wire: un protocolo de comunicaciones en serie (transmisión y recepción) que también puede utilizarse como fuente de alimentación.
  • Bluetooth: el estándar del sector para la transmisión de datos a corta distancia.
  • DSL: varios estándares de capa física para la transferencia de datos a través de líneas de cobre a altas velocidades de transmisión.
  • E-carrier: sistema de portadora para la transmisión digital simultánea de diferentes llamadas telefónicas.
  • Ethernet: la transmisión de datos por cable dentro de una red de área local (LAN, Local Area Network).
  • FireWire: una antigua interfaz en serie con una alta velocidad de transmisión de datos.
  • GMS: una norma estandarizada de radiocomunicación móvil para redes de radiocomunicación móvil digital.
  • IEEE 802.15.4: un estándar para la transmisión en redes WPAN.
  • IrDA: asociación de empresas para la normalización de receptores de infrarrojos.
  • ISDN: norma internacional para las redes de telecomunicaciones digitales.
  • PCI Express: norma para conectar dispositivos periféricos a un procesador principal.
  • SONET/SDH: una técnica de multiplexación para la transmisión síncrona mediante fibra óptica.
  • USB: sistema de transferencia de datos entre ordenadores y dispositivos externos.
  • Wifi: dispositivos y redes WLAN según la norma IEEE 802.11.
  • X10: un protocolo para la automatización de edificios mediante señales de conmutación.

Profundisemos más para entender la capa física

Se consideran los aspectos mecánicos, eléctricos y los medios de transmisión; por ejemplo: cables, tipologías, calidad, conectores, etcétera. Lo importante es que define el vínculo existente entre un dispositivo y un medio de transmisión.

En esta capa se encuentra todo lo físico, el hardware (componentes eléctricos, electrónicos, electromecánicos y mecánicos) cables, electricidad, etc. Se refiere a las transformaciones que se le hacen a la secuencia de bits para trasmitirlos de un lugar a otro.

Los Campos de la Trama Ethernet

Ethernet es la tecnología comúnmente utilizada en redes de área local. Los dispositivos acceden a la red LAN Ethernet con una Tarjeta de interfaz de red (NIC) Ethernet. Cada NIC Ethernet tiene una dirección única integrada en forma permanente en la tarjeta que se conoce como dirección de Control de acceso al medio (MAC). La dirección MAC tanto para el origen como para el destino son campos en una trama de Ethernet.

Encapsulación

Cuando envía una carta, la persona que la escribe utiliza un formato aceptado para asegurarse de que la carta se entregue y de que el destinatario la comprenda. De la misma manera, un mensaje que se envía a través de una red de computadoras sigue reglas de formato específicas para que pueda ser entregado y procesado. El proceso que consiste en colocar un formato de mensaje (la carta) dentro de otro formato de mensaje (el sobre) se denomina encapsulamiento.

Cuando el destinatario revierte este proceso y quita la carta del sobre se produce el desencapsulamiento del mensaje. De la misma manera en la que una carta se encapsula en un sobre para la entrega, los mensajes de las computadoras también deben encapsularse. Cada mensaje de computadora se encapsula en un formato específico, llamado trama, antes de enviarse a través de la red.

Una trama actúa como un sobre: proporciona la dirección del destino y la dirección del host de origen. El formato y el contenido de una trama están determinados por el tipo de mensaje que se envía y el canal que se utiliza para enviarlo. Los mensajes que no tienen el formato correcto no se pueden enviar al host de destino o no pueden ser procesados por éste.

Analogía:

Un ejemplo común de requerir el formato correcto en las comunicaciones humanas es cuando se envía una carta. El sobre tiene la dirección del emisor y la del receptor, cada una escrita en el lugar adecuado del sobre. Si la dirección de destino y el formato no son correctos, la carta no se entrega. El proceso que consiste en colocar un formato de mensaje (la carta) dentro de otro formato de mensaje (el sobre) se denomina encapsulamiento. Cuando el destinatario revierte este proceso y quita la carta del sobre se produce el desencapsulamiento del mensaje.

Red:

Semejante a enviar una carta, un mensaje que se envía a través de una red de computadoras sigue reglas de formato específicas para que pueda ser entregado y procesado. El Protocolo de Internet (IP) es un protocolo con una función similar a la del ejemplo sobre. En la figura, los campos del paquete de Protocolo de Internet versión 6 (IPv6) identifican el origen del paquete y su destino. IP es responsable de enviar un mensaje desde el origen del mensaje al destino a través de una o más redes.

Comunicación de la Capa de Acceso

En una red Ethernet local, una NIC solo acepta una trama si la dirección de destino es la dirección MAC de difusión o si corresponde a la dirección MAC de la NIC. Sin embargo, la mayoría de las aplicaciones de la red utiliza la dirección IP lógica de destino para identificar la ubicación de los servidores y los clientes. En la figura se ilustra el problema que surge si el host emisor solo tiene la dirección IP lógica del host de destino. ¿Cómo hace el host emisor para determinar qué dirección MAC de destino debe incluir en la trama? El host emisor puede utilizar un protocolo IPv4 llamado Protocolo de Resolución de Direcciones (Address Resolution Protocol, ARP) para detectar la dirección MAC de cualquier host en la misma red local. IPv6 usa un método similar conocido como Detección de Vecinos.

Protocolo de Resolución de Direcciones – ARP

ARP utiliza un proceso de tres pasos para determinar y almacenar la dirección MAC de un host que se encuentre en la red local cuando se conoce solo la dirección IPv4 del host:

  1. El host emisor crea una trama dirigida a una dirección MAC de difusión y la envía. En la trama hay un mensaje con la dirección IPv4 del host de destino que se desea encontrar.
  2. Cada host de la red recibe la trama de difusión y compara la dirección IPv4 del mensaje con su dirección IPv4 configurada. El host con la dirección IPv4 coincidente envía su dirección MAC como respuesta al host emisor original.
  3. El host emisor recibe el mensaje y almacena la información de la dirección MAC y la dirección IPv4 en una tabla, denominada tabla ARP.

Una vez que el host emisor tiene la dirección MAC del host de destino en su tabla ARP, puede enviar tramas directamente al destino sin realizar una solicitud ARP. Como los mensajes ARP dependen de tramas de difusión para entregar las solicitudes, todos los hosts de la red local IPv4 deben estar en el mismo dominio de difusión.

Funcionamiento  y alcance de Internet

Internet es una gran red internacional de computadoras… una red de redes, permite compartir recursos, establecer una comunicación inmediata con cualquier parte del mundo para obtener información sobre un tema que nos interesa.

Internet es pública, contributiva, independiente y accesible para numerosos usuarios alrededor de todo el mundo.  se distingue de otras, ya que utiliza un conjunto de protocolos TCP/IP (protocolo de control de transmisión/protocolo de Internet).

La world wide web no es lo mismo que Internet. La WWW es un sistema de distribución de documentos de hipertexto o hipermedios interconectados y accesibles a través de Internet Redes LAN (red de área local o local area network):  su extensión dependerá de si son utilizadas en el mismo ambiente o edificio o entre ambientes en proximidad.

Redes WAN (red de área extendida o wide area network):  redes más amplias, en donde ya trasciende la proximidad, es decir que se encuentran conectadas entre países y ciudades.  la conexión que existe entre redes cumple con la naturaleza por la cual fue creada Internet, en donde se encuentra conectada a un sinfín de redes independientes, que tienen como fin el de transferir y compartir información.

Hardware utilizado en capa Física

  • Switch: es un dispositivo que recibe la señal y físicamente la envía por cable. Es un dispositivo de capa 2.
  • NIC (Network Interface Card): Tarjeta de red se conecta a la tarjeta madre del computador, teléfono, otro y le proporciona los puertos y toda la parte física de circuitos y algoritmos que tiene.
  • Cable de Cobre: Lleva impulsos eléctricos.
  • Cable de Fibra Óptica: lleva impulsos de luz, emite 1 y 0 en forma de luz. No suele tener interferencia.

Métodos Comunes de Transmisión de Datos

Una vez transformados los datos a una serie de bits, se los debe convertir en señales para poder enviarlos a través de los medios de red hasta su destino. El concepto de medios se refiere al medio físico en el cual se transmiten las señales. Algunos ejemplos de medios son: cable de cobre, cable de fibra óptica y ondas electromagnéticas por el aire.

Una señal está compuesta por patrones eléctricos u ópticos que se transmiten de un dispositivo conectado a otro. Estos patrones representan los bits digitales (es decir, los datos) y el recorrido a través de los medios desde el origen hasta el destino como una serie de pulsos de electricidad, de pulsos de luz o de ondas de radio. Las señales se pueden convertir muchas veces antes de llegar finalmente al destino, ya que el medio correspondiente cambia entre el origen y el destino.

Tres tipos de medios

Los datos se transmiten a través de una red en los medios. El medio proporciona el canal por el cual viaja el mensaje desde el origen hasta el destino. Las redes modernas utilizan principalmente tres tipos de medios:

  • Hilos metálicos dentro de cables – Los datos se codifican en impulsos eléctricos. Señales eléctricas – La transmisión se realiza representando los datos como pulsos eléctricos que viajan por un cable de cobre.
  • Fibras de vidrio o plástico (cable de fibra óptica) – Los datos se codifican como pulsos de luz. Señales ópticas – La transmisión se realiza convirtiendo las señales eléctricas en pulsos de luz.
  • Transmisión inalámbrica – Los datos se codifican a través de la modulación de frecuencias específicas de ondas electromagnéticas. Señales inalámbricas – La transmisión se realiza por medio de ondas infrarrojas, de microondas o de radio por el aire

Los cuatro criterios principales para elegir los medios de red son:

  • ¿Cuál es la distancia máxima en la que el medio puede transportar una señal exitosamente?
  • ¿Cuál es el entorno en el que se instalarán los medios?
  • ¿Cuál es la cantidad de datos y a qué velocidad deben transmitirse?
  • ¿Cuál es el costo del medio y de la instalación?

En la mayoría de los hogares y las pequeñas empresas, las señales de red se transmiten a través de cables de cobre o de conexiones inalámbricas con capacidad Wi-Fi. En las redes más grandes se utilizan cables de fibra óptica para transportar señales en forma confiable a mayores distancias.

Ancho de Banda

Para transmitir una película o jugar online se necesitan conexiones confiables y rápidas. Para admitir estas aplicaciones “de gran ancho de banda”, las redes tienen que tener la capacidad de transmitir y recibir bits a gran velocidad. Los diferentes medios físicos admiten la transferencia de bits a distintas velocidades. La velocidad de transferencia de datos se analiza en términos de ancho de banda y rendimiento. El ancho de banda es la capacidad de un medio para transportar datos. El ancho de banda digital mide la cantidad de datos que pueden fluir desde un lugar hacia otro en un período de tiempo determinado y se mide con la cantidad de bits que (en teoría) puede enviarse a través de los medios en un segundo. Las medidas comunes son las siguientes:

  • Miles de bits por segundo (Kbps)
  • Millones de bits por segundo (Mbps)
  • Miles de millones de bits por segundo (Gbps)

Las propiedades de los medios físicos, las tecnologías actuales y las leyes de la física desempeñan una función al momento de determinar el ancho de banda disponible. En la tabla, se muestran las unidades de medida comúnmente utilizadas para el ancho de banda.

Rendimiento

Al igual que el ancho de banda, el rendimiento es la medida de la transferencia de bits por los medios durante un período determinado. Sin embargo, debido a diferentes factores, el rendimiento generalmente no coincide con el ancho de banda especificado. Muchos factores influyen en el rendimiento, incluidos los siguientes:

  • La cantidad de datos que se envían y reciben por la conexión
  • Los tipos de datos que se transmiten
  • La latencia creada por la cantidad de dispositivos de red encontrados entre origen y destino

El concepto de latencia se refiere a la cantidad de tiempo, incluidas las demoras, que les toma a los datos transferirse desde un punto determinado hasta otro. Las mediciones de rendimiento no consideran la validez ni la utilidad de los bits que se transmiten y reciben. Muchos mensajes recibidos a través de la red no están destinados a aplicaciones de usuario específicas. Un ejemplo serían los mensajes de control de la red que regulan el tráfico y corrigen errores.

En una internetwork o una red con múltiples segmentos, el rendimiento no puede ser más rápido que el enlace más lento de la ruta desde el dispositivo de origen hasta el de destino. Incluso si todos los segmentos o gran parte de ellos tienen un ancho de banda elevado, solo se necesita un segmento en la ruta con un ancho de banda inferior para disminuir el rendimiento de toda la red. Existen muchas pruebas de velocidad en línea que pueden revelar el rendimiento de una conexión a Internet.

Componentes, tipos y conexiones de red – Clientes y Servidores

Infraestructura de red

El trayecto que toma un mensaje desde el origen al destino puede ser tan simple como un solo cable que conecta una computadora con otra o tan complejo como una red que, literalmente, abarca todo el planeta. Esta infraestructura de red es la plataforma que da soporte a la red. Proporciona el canal estable y confiable por el cual se producen las comunicaciones. La infraestructura de red contiene tres categorías de componentes de hardware, como se muestra en la figura:

  • Dispositivos finales
  • Dispositivos intermedios
  • Medios de red

Los dispositivos y los medios son los elementos físicos o hardware de la red. Por lo general, el hardware está compuesto por los componentes visibles de la plataforma de red, como una PC portátil, una PC, un switch, un router, un punto de acceso inalámbrico o el cableado que se utiliza para conectar estos dispositivos. A veces, puede que algunos componentes no sean visibles. En el caso de los medios inalámbricos, los mensajes se transmiten a través del aire mediante radio frecuencias invisibles u ondas infrarrojas.

Haga una lista de los componentes de la infraestructura de red instalados en su red doméstica. Incluya los cables o puntos de acceso inalámbrico que proporcionan sus conexiones de red.

Dispositivos finales

Los dispositivos de red con los que las personas están más familiarizadas se denominan “dispositivos finales” o “hosts”. Estos dispositivos forman la interfaz entre los usuarios y la red de comunicación subyacente.

Algunos ejemplos de dispositivos finales son:

  • Computadoras (estaciones de trabajo, PC portátiles, servidores de archivos, servidores web)
  • Impresoras de red
  • TV
  • Teléfonos y equipo de teleconferencias
  • Cámaras de seguridad
  • Dispositivos móviles (como smartphones, tablets, lectores inalámbricos de tarjetas, y escáneres de códigos de barras)

Un dispositivo final (o host) es el origen o el destino de un mensaje transmitido a través de la red, tal como se muestra en la animación. Para identificar los hosts de forma exclusiva, se usan direcciones. Cuando un host inicia la comunicación, utiliza la dirección del host de destino para especificar a dónde se debe enviar el mensaje. A medida que lleguen nuevas tecnologías al mercado, cada vez más funciones del hogar dependerán de una red para proporcionar conectividad y control.

Componentes de una Red Doméstica

Además de un enrutador integrado, muchos tipos diferentes de dispositivos podrían conectarse a una red doméstica, tal como se indica en la figura. Estos son algunos ejemplos:

  • Computadoras de escritorio
  • Sistemas de juegos
  • Sistemas de televisores inteligentes
  • Impresoras
  • Escáneres
  • Cámaras de seguridad
  • Teléfonos
  • Dispositivos de control del clima

A medida que lleguen nuevas tecnologías al mercado, cada vez más funciones del hogar dependerán de una red para proporcionar conectividad y control.

Enrutadores de Red Domésticos Típicos

Los enrutadores domésticos y de pequeñas empresas suelen tener dos tipos de puertos principales:

Puertos Ethernet: Estos puertos se conectan a la parte del conmutador interno del enrutador. Estos puertos generalmente están etiquetados como “Ethernet” o “LAN”. Todos los dispositivos conectados a los puertos del conmutador están en la misma red local.

Puerto de Internet: Este puerto se utiliza para conectar el dispositivo a otra red. El puerto de Internet conecta el enrutador a una red diferente a la de los puertos Ethernet. Este puerto a menudo se utiliza para conectarse al cable módem o módem DSL para acceder a Internet.

Además de los puertos cableados, muchos enrutadores domésticos incluyen una antena de radio y un punto de acceso inalámbrico integrado. De manera predeterminada, los dispositivos inalámbricos están en la misma red local que los que están conectados físicamente en los puertos de switch de la red LAN. El puerto de Internet es el único puerto que está en una red diferente en la configuración predeterminada.

Los datos de Internet viajan desde la red a un módem y luego se envían desde un router a su dispositivo. El proceso funciona igual a la inversa.

Tecnologías para Redes Cableadas

El protocolo cableado implementado más comúnmente es el protocolo Ethernet. Ethernet utiliza un conjunto de protocolos que permiten que los dispositivos de red se comuniquen a través de una conexión LAN cableada. Una LAN Ethernet puede conectar dispositivos con muchos tipos diferentes de medios de cableado. Los dispositivos conectados directamente utilizan un cable de conexión Ethernet, generalmente de par trenzado no blindado.

Cableado UTP

Estos cables se pueden comprar con los conectores RJ-45 ya instalados, y vienen en diversas longitudes. En las viviendas más modernas es posible que ya haya tomas Ethernet cableadas en las paredes. En el caso de viviendas que no tengan cableado UTP, se pueden utilizar otras tecnologías, como las líneas eléctricas, para distribuir conectividad cableada por los distintos espacios.

Cable categoría 5e

La categoría 5e es el cableado más común utilizado en una LAN. El cable consta de cuatro pares de hilos trenzados para reducir la interferencia eléctrica. La tecnología Ethernet generalmente usa cables de par trenzado para interconectar dispositivos. Debido a que Ethernet es la base de la mayoría de las redes locales, el par trenzado es el tipo de cableado de red más común.

En par trenzado, los cables se agrupan en pares y se trenzan para reducir la interferencia. Los pares de cables están coloreados para que pueda identificar el mismo cable en cada extremo. Por lo general, en cada par, uno de los cables es de color sólido y su compañero es con rayas del mismo color sobre un fondo blanco.

Cable Coaxial

Tiene un alambre interno rodeado por una capa aislante tubular, que luego está rodeada por un blindaje conductor tubular. La mayoría de los cables coaxiales también tienen un revestimiento aislante externo. Fue uno de los primeros tipos de cable utilizados para el tendido de redes, es como los cables de cobre que utilizan las compañías de TV.

También se utiliza para conectar los diversos componentes que forman los sistemas de comunicación satelitales. Tiene un único núcleo de cobre rígido que conduce la señal. Este núcleo suele estar rodeado por una capa aisladora, un blindaje metálico trenzado y una funda protectora. Se utiliza como línea de transmisión de alta frecuencia para transportar señales de banda ancha.


Coaxial tv cables

Cable de Fibra Óptica

puede ser de vidrio o de plástico con un diámetro similar al de un cabello humano y puede transmitir información digital a velocidades muy rápidas a través de grandes distancias. Tienen un ancho de banda muy alto, lo que les permite transportar grandes cantidades de datos.

.

Dado que usan luz en lugar de electricidad, la interferencia eléctrica no afecta la señal. Se utiliza en redes troncales, entornos de grandes empresas y grandes centros de datos. También es muy utilizada por las compañías de telefonía.

Al concluir este capítulo dedicado a la Capa 1 Física, hemos sumergido nuestras mentes en los aspectos tangibles de la comunicación digital. La seguridad en el acceso a red no solo implica cables y conexiones, sino también la protección contra amenazas físicas y electrónicas. Ahora estás equipado para fortalecer la primera línea de defensa en la arquitectura de tu red.

Lee nuestra Guía Completa:

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1 Comentario

  1. Manuel Alejandro Lemus blanco
    Manuel Alejandro Lemus blanco el 20 enero, 2024 a las 6:09 pm

    Quiero aprender y con ganas de ilustrar mi mente

    Responder

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