Redes de Computadores Capa Física

Redes de Computadores
Capa Física
Escuela de Ingeniería Civil en Informática Universidad de Valparaíso, Chile http://informatica.uv.cl
01/09/2014
Problema
Cómo conectar un nodo a una red
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Transmisión de Datos
Conceptos de señales
Señal Análoga
Señal Digital
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Transmisión de Datos
Conceptos de señales
Toda señal s(t) periódica (p.e. digital), de período T, se puede representar como:
∞
∞
1
s(t) = c + ∑ an sin ( 2π nf ⋅t ) + ∑ bn cos ( 2π nf ⋅t )
2
n=1
n=1
f: Frecuencia Fundamental. f=T-­‐1
an y bn: amplitudes de la armónica n.
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Transmisión de Datos
Conceptos de señales
+
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Transmisión de Datos
Conceptos de señales
Representación
temporal
Representación
dominio de
frecuencia
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Transmisión de Datos
Conceptos de señales
BW
e(t)
s(t)
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Transmisión de Datos
Perturbaciones en la transmisión
Atenuación
Pérdida de la fuerza de la señal P.e.:cuando los cables superan una longitud máxima, absorción de la energía en ondas electromagnéQcas, etc. Limita las extensiones de una red Problemas se pueden superar con disposiQvos como repeQdores Se mide en dB (decibeles1). A frecuencia constante:
GdB
⎛ Ps ⎞
= 10 log ⎜ ⎟ [ dB ]
⎝P⎠
e
1Apéndice
Potencia de Salida
Potencia de Entrada
3B del libro “Comunicaciones y Redes de Computadores”, Stallings
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Transmisión de Datos
Perturbaciones en la transmisión
⎛ Ps ⎞
Obs: Ps < Pe G<0
Atenuación
GdB = 10 log ⎜ ⎟
Attenuation vs.
⎝ P ⎠frequency
e
Ejemplo de atenuación para un cable de red Xpico
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Transmisión de Datos
Perturbaciones en la transmisión
Atenuación
GdB
⎛ Ps ⎞
= 10 log ⎜ ⎟
⎝P⎠
Obs: Ps < Pe G<0
e
Ejemplos de atenuación y retardo.
10
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Transmisión de Datos
Perturbaciones en la transmisión
Reflexión
Se produce cuando los bits “tropiezan” con una disconQnuidad. Caso Eléctrico: Problemas de Impedancia. Cada ÓpQco: Problemas con empalmes.
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Transmisión de Datos
Perturbaciones en la transmisión
Ruidos
Adiciones no deseadas a las señales. Toda señal eléctrica Qene ruido lo importante es mantener la relación de potencia señal/ruido (S/N) lo más alta posible.
⎛ S⎞
SNRdB = 10 log ⎜ ⎟ [ dB ]
⎝ N⎠
Potencia de
la señal de interés
Potencia del
ruido
En otras palabras, cada bit recibe señales adicionales no deseadas desde varias fuentes. Redes de Computadores – Ingeniería Civil Informática 12
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Transmisión de Datos
Perturbaciones en la transmisión
Ruidos
Térmico No se puede eliminar. Uniformemente distribuido en el espectro de frecuencias Ruido Blanco. En un Ancho de Banda BW, la potencia de ruido térmico es:
N = k ⋅ T ⋅ BW [W ]
⎡J⎤
k = 1, 3803 ⋅10 −23 ⎢ ⎥ Contante de Boltzmann
⎣K ⎦
T : Temperatura en grados Kelvin [K]
BW : Ancho de Banda en [Hz]
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Transmisión de Datos
Perturbaciones en la transmisión
Near-end crosstalk (NEXT)
loss
Ruidos
Near-­‐end crosTalk (NEXT)vs.
NEXT
loss
frequency (pair A)
• Crosstalk:
– Time-varying currents in one wire tend to induce timevarying currents in nearby wires.
• When the coupling is between a local transmitter an
a local receiver, it is referred to as NEXT.
• NEXT increases the additive noise at the receiver an
degrades the signal-to-noise ratio (SNR).
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Transmisión de Datos
Perturbaciones en la transmisión
Ruidos
Distorsión por retardo (dispersión) La señal se ensancha con el Qempo. v prop = v prop ( f )
!
Si es muy grave, un bit puede comenzar a interferir con el bit siguiente y confundirlo con los bits que se encuentran antes y después de él. Redes de Computadores – Ingeniería Civil Informática 15
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Transmisión de Datos
Perturbaciones en la transmisión
Colisiones
Dos bits de dos computadores disQntos que intentan comunicarse se encuentran simultáneamente en un medio comparQdo. Caso de medios de cobre: se suman los voltajes de los dos dígitos binarios y provocan un tercer nivel de voltaje èBits “se destruyen”.
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Transmisión de Datos
Perturbaciones en la transmisión
Colisiones
Las colisiones son parte normal del funcionamiento de una red de medio comparQdo (P.e. Ethernet, wireless) Un exceso de colisiones puede hacer que la red sea “más lenta” o pueden no permiQr la transmisión de datos. !
Por lo tanto, una gran parte del diseño de una red se refiere a la forma de reducir al mínimo y localizar las colisiones. Redes de Computadores – Ingeniería Civil Informática 17
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Transmisión de Datos
Capacidad de Canal
Capacidad de canal
BW del medio de transmisión [Hz]
Nivel de Ruido
Tasa de errores
Velocidad de transmisión de Datos
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Transmisión de Datos
Capacidad de Canal
Capacidad de canal
BW del medio de transmisión [Hz]
Nivel de Ruido
Tasa de errores
No lo veremos
en forma explícita
Velocidad de transmisión de Datos
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Transmisión de Datos
Capacidad de Canal
Ancho de Banda de Nyquist. (no considera ruido en el medio)
C [ bps ] = 2 ⋅ BW ⋅ log 2 M
M: niveles de discreQzación. BW: Ancho de Banda del medio [Hz].
Ancho de Banda de Shannon (restricQvo)
C [ bps ] = BW ⋅ log 2 (1 + SNR )
S
SNR =
N
SNRdB = 10 log ( SNR )[ dB ]
S: Potencia de la señal [W]. N: Potencia del ruido [W]. BW: Ancho de Banda del medio [Hz].
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Transmisión de Datos
Capacidad de Canal
Niveles de discreQzación (ejemplo)
4 niveles
Transmisión 101101001001:
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Transmisión de Datos
Capacidad de Canal
Canal de comunicación entre 3[MHz] y 4[MHz]. SNRdB=24[dB]
BW = 4[MHz] − 3[MHz] = 1[MHz]
SNRdB = 24[dB] = 10 log ( SNR ) ⇒ SNR = 251
BW teórico del canal:
C = BW ⋅ log 2 (1 + SNR ) ≈ 8[Mbps]
¿Cuántos niveles de codificación se necesitan para alcanzar los 8[Mbps] teóricos?
C = 2 ⋅ BW ⋅ log 2 M ⇒ M = 16 niveles
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Transmisión de Datos
Capacidad de Canal
Comparación entre categorías de cables STP y UTP
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Transmisión de Datos
Capacidad de Canal
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