La Capa Física (IV)
por Luciano Moreno, del departamento de diseño web de BJS Software.

Estudio de las señales.-

Las señales, en su desplazamiento a lo largo de los medios de red, se ven afectadas por diferentes fenómenos físicos que pueden afectar de forma importante a la calidad de las mismas, llegando incluso a hacerlas ininteligibles, con lo que la información transmitida en ellas queda inservible. Vamos a estudiar a continuación cuáles son estos factores.

Propagación de una señal en red.-

Cuando una tarjeta de red emite señales en forma de voltaje eléctrico o pulsos luminosos, ese pulso rectangular, formado por ondas, se desplaza, o se propaga, a través del medio físico (cableado, dispositivos de red, etc.). Propagación significa que un bloque de energía, que representa 1 bit, se desplaza desde un lugar hacia otro. La velocidad a la cual se propaga depende del material que se usa en el medio, de la estructura del medio y de la frecuencia de los pulsos.

El tiempo que tarda el bit en desplazarse desde un extremo a otro del medio y nuevamente en regresar se denomina tiempo de ida y vuelta, RTT. Suponiendo que no se producen más demoras, el tiempo que tarda el bit en desplazarse a través del medio hacia el extremo más lejano es RTT/2.

El hecho de que el bit tarda poco tiempo en desplazarse a través del medio normalmente no produce problemas en la red. Sin embargo, con las velocidades de transmisión de datos de las redes actuales, que están en constante crecimiento, a veces se debe tener en cuenta la cantidad de tiempo que tarda la señal en desplazarse.

Existen dos situaciones extremas que se deben tener en cuenta:

1. Si el tiempo de propagación del bit es demasiado corto, es posible que se deba reducir la velocidad de transmisión, para que el resto del equipamiento de networking pueda alcanzar y leer el bit. Otra solución posible es el almacenamiento temporal de los bits de información en una memoria intermedia, procedimiento conocido como buffering, de tal forma que los dispositivos de red leerán los bits de esta memoria, y no directamente del medio, con lo que su procesamiento será correcto.

2. Si el tiempo de propagación es demasiado largo, se debe evaluar cómo manejará esta demora el resto de la red, ya que todo el funcionamiento de la misma se verá afectado de forma negativa, obteniéndose rendimientos por debajo de los esperados.

Atenuación.-

Atenuación es la pérdida de la fuerza de la señal, debida generalmente a la pérdida de amplitud a medida que la energía pasa desde la señal hacia el cable. La selección cuidadosa de los materiales, (por ej., utilizando cobre en lugar de carbono, y la geometría (la forma y el posicionamiento de los cables) puede disminuir la atenuación eléctrica, aunque no se puede evitar que se produzca alguna pérdida, ya que en todo circuito hay siempre una cierta resistencia eléctrica.

La atenuación también se produce en las señales ópticas, ya que la fibra óptica absorbe y dispersa parte de la energía luminosa a medida que el pulso luminoso se desplaza a través de la fibra. Esto se puede reducir considerablemente al determinar la longitud de onda, o el color, de la luz seleccionada. Esto también se puede reducir dependiendo de si usa fibra de monomodo o fibra multimodo, y según el tipo de vidrio que se utilice para la fibra.

Igualmente, este fenómeno ocurre en el caso de ondas de radio y microondas, ya que éstas son absorbidas y dispersadas por moléculas específicas de la atmósfera.

La atenuación puede afectar a una red dado que limita la longitud del cableado que se puede usar en la construcción de la red. Si el cable es demasiado largo o demasiado atenuante, un bit que se envía desde el origen puede parecer un bit cero para el momento en que llega al destino.

Este problema se puede solucionar seleccionando estructuras de red que estén diseñadas para soportar bajas cantidades de atenuación. Una de las formas que existen para resolver el problema es cambiar el medio (cableado de más calidad, fibras ópticas más avanzadas, emisiones de radio a frecuencias específicas). Otra de las formas es utilizar repetidores y hubs, dispositivos de red concebidos para ampliar y retemporizar las señales.

Reflexión.-

Se entiende por reflexión un "rebote" de la señal, producido generalmente cuando los pulsos de voltaje tropiezan con una discontinuidad en su camino. Esta energía reflejada puede interferir con otros bits que circulan por el medio, produciendo una interferencia negativa que puede llegar a debilitar, e incluso destruir, la información transmitida.

La reflexión también se produce en el caso de las señales ópticas. Las señales ópticas reflejan si tropiezan con alguna discontinuidad en el vidrio (medio), como en el caso de un conector enchufado a un dispositivo. Este efecto se puede apreciar de noche, al mirar a través de una ventana. Usted puede ver su reflejo en una ventana aunque la ventana no es un espejo. Parte de la luz que se refleja desde su cuerpo se refleja en la ventana. Este fenómeno también se produce en el caso de las ondas de radio y las microondas, ya que detectan distintas capas en la atmósfera.

Esto puede provocar problemas en la red. Para un óptimo desempeño de la red, es importante que los medios de la red tengan una impedancia específica para que concuerden con los componentes eléctricos de las tarjetas NIC. A menos que los medios de red tengan la impedancia correcta, la señal experimentará cierta reflexión y se creará interferencia. Luego se pueden producir múltiples pulsos reflejados. Ya sea que el sistema sea eléctrico, óptico o inalámbrico, la falta de acople en la impedancia puede provocar reflexiones. Si se refleja suficiente energía, el sistema binario de dos estados se puede confundir debido a toda la energía adicional que se genera a su alrededor. Esto se puede solucionar asegurándose de que la impendencia de todos los componentes de networking esté cuidadosamnete acoplada.

Ruido.-

Entendemos por ruido todas aquellas adiciones no deseadas a las señales que transportan información por los medios de red, ya sean de voltaje, ópticas o electromagnéticas.

Ninguna señal eléctrica se produce sin ruido; sin embargo, lo importante es mantener la relación señal/ruido (S/N) lo más alta posible. Demasiado ruido puede corromper un bit, haciendo que un 1 binario se transforme en un 0 binario, o un 0 en un 1, destruyendo con ello el mensaje original.

Una de las causas más comunes de ruido es aquella producida por la interacción de las señales que viajan por los diferentes hilos de un cable, fenómeno conocido con el nombre de diafonía. Cuando dos hilos están colocados uno muy cerca del otro y no están trenzados, la energía de un hilo puede trasladarse al hilo adyacente y viceversa. Esto puede provocar ruido en ambos extremos de un cable terminado. La diafonía se puede controlar mediante el cumplimiento estricto de los procedimientos de terminación estándar y el uso de cables de par trenzado de buena calidad.

Otro tipo de ruido muy común en redes es el ruido térmico, debido al movimiento aleatorio de los electrones en los hilos de los cables. No hay nada que se pueda hacer con respecto al ruido térmico, salvo suministrar a las señales una amplitud lo suficientemente grande como para que esto no tenga importancia. No se puede evitar pués, pero por lo general es relativamente insignificante en comparación con las señales, por lo que su efecto no es muy perjudicial.

No ocurre lo mismo con los ruidos de la línea de alimentación de CA y de la conexión a tierra de referencia, que son problemas cruciales en la comunicación en redes.

El ruido de la línea de alimentación de CA se origina debido a los campos eléctricos y magnéticos producidos por la corriente alterna que circula por el cableado de alimentación común en casas, empresas, etc. Como consecuencia, dentro de estos edificios, el ruido de la línea de alimentación de CA se encuentra en todo el entorno. Si no es tratado correctamente, el ruido de la línea de alimentación puede representar un gran problema para una red.

Por su parte, es normal que el chasis de un dispositivo informático sirva como la conexión a tierra de referencia de señal y como conexión a tierra de la línea de alimentación de CA. Esto puede y suele producir interferencias en el sistema de datos, conocidas como ruido de la conexión a tierra de referencia, que pueden resultar difícil de detectar y rastrear. Lo ideal es que la conexión a tierra de referencia de señal se encuentre completamente aislada de la conexión a tierra eléctrica. El aislamiento mantendría la fuga de electricidad de CA y los picos de voltaje fuera de la conexión a tierra de referencia de señal. Pero normalmente los instaladores eléctricos no toman en consideración la longitud de los cables neutros y de conexión a tierra que llegan a cada tomacorriente eléctrico, con lo que, cuando estos cables son largos, pueden actuar como una antena para el ruido eléctrico.

Para evitar el problema de la conexión a tierra de referencia de señal/CA es importante trabajar en estrecha relación con el instalador eléctrico y con la compañía de electricidad, con objeto de obtener la mejor y más corta conexión a tierra eléctrica. Una forma de hacerlo es investigar los costos de instalar un transformador único dedicado a su área de instalación de LAN, ya que así se puede controlar la conexión de otros dispositivos al circuito de alimentación. Restringiendo la forma y el lugar en que se conectan los dispositivos tales como motores o calentadores eléctricos con alto consumo de corriente podremos eliminar una gran parte del ruido eléctrico generado por ellos.

Al trabajar con el instalador eléctrico, deberíamos solicitar la instalación para cada área de oficina de paneles separados de distribución de electricidad, también conocidos como disyuntores. Dado que los cables neutros y de conexión a tierra de cada tomacorriente se juntan en el disyuntor, al tomar esta medida aumentarán las posibilidades de acortar la longitud de la conexión a tierra de señal. Si bien el instalar paneles individuales de distribución de electricidad para cada grupo de computadoras aumentará el costo primario del cableado eléctrico, esto reducirá la longitud de los cables de conexión a tierra y limitará varios tipos de ruido eléctrico que enmascaran las señales.

Otra causa común de ruidos en una red son las fuentes externas de pulsos eléctricos, que pueden afectar seriamente a la calidad de las señales eléctricas del cable, y que incluyen los sistemas de iluminación, los motores eléctricos y los sistemas de radio. Estos tipos de interferencia se denominan interferencia electromagnética (EMI) e interferencia de la radiofrecuencia (RFI). 

Cada hilo dentro de un cable puede actuar como una antena. Cuando esto sucede, el hilo efectivamente absorbe las señales eléctricas de los demás hilos y de las fuentes eléctricas ubicadas fuera del cable. Si el ruido eléctrico resultante alcanza un nivel lo suficientemente alto, puede tornarse difícil para las tarjetas de red discriminar el ruido de la señal de datos, con lo que tendrán dificulatades para interpretar correctamente el flujo de bits que representan las señales. Este problema es especialmente importante porque la mayoría de las LAN utilizan frecuencias en la región de frecuencia de 1-100 megahertz (MHz), que es donde las señales de la radio FM, las señales de televisión y muchos otros aparatos tienen también sus frecuencias operativas.

Hay varias formas de limitar la interferencia electromagnética y la interferencia de radiofrecuencia. Una forma consiste en aumentar el tamaño de los cables conductores. Otra forma sería mejorar el tipo de aislador empleado. Sin embargo, estos métodos aumentan el tamaño y el costo de los cables, sin mejorar demasiado la calidad. Por lo tanto es más común que los diseñadores de redes especifiquen un cable de buena calidad y que brinden especificaciones para la longitud máxima recomendada para los cables que conectan los nodos.

Otras técnicas más exitosas son el blindaje y la cancelación. En el caso de un cable que utiliza blindaje, una malla o un papel metálico recubre cada par de hilos o grupo de pares de hilos. Este blindaje actúa como barrera contra las señales de interferencia. Sin embargo, al igual que el uso de conductores de mayor tamaño, el uso de revestimientos de malla o papel metálico aumenta el diámetro del cable y en consecuencia también aumentan los costos. Por lo tanto, la cancelación es la técnica más comúnmente empleada para proteger los cables de las interferencias indeseables.

Cuando la corriente eléctrica fluye a través de un cable, crea un pequeño campo magnético circular a su alrededor.  La dirección de estas líneas de fuerza magnética se determina por la dirección en la cual fluye la corriente a lo largo del cable. Si dos cables forman parte del mismo circuito eléctrico, los electrones fluyen desde la fuente de voltaje negativo hacia el destino a lo largo de un cable. Luego los electrones fluyen desde el destino hacia la fuente de voltaje positivo a lo largo del otro cable. Cuando dos cables de un circuito eléctrico se colocan uno cerca del otro, los campos magnéticos de un cable son el opuesto exacto del otro. Así, los dos campos magnéticos se cancelan entre sí. También cancelarán cualquier otro campo magnético externo. El hecho de trenzar los cables puede mejorar el efecto de cancelación. Si se usa la cancelación en combinación con cables trenzados, los diseñadores de cables pueden brindar un método efectivo para proporcionar un autoblindaje para los pares de hilos dentro de los medios de la red.

Los sistemas que utilizan fibra óptica e inalámbricos experimentan alguna de estas formas de ruido pero son inmunes a otras. Por ejemplo, la fibra óptica es inmune a la diafonía y al ruido de la línea de alimentación de CA/de la conexión a tierra de referencia, y los sistemas inalámbricos son particularmente propensos a la interferencia electromagnética/interferencia de la radiofrecuencia.

Dispersión, fluctuación de fase y latencia.-

Aunque la dispersión, la fluctuación de fase y la latencia en realidad son tres cosas distintas, se agrupan debido a que las tres afectan lo mismo: la temporización del bit. Puede parecer carente de importancia este factor, pero en redes en las que se mueven millones de bits por el medio físico el elemento tiempo es fundamental para una buena comunicación. 

Se produce dispersión cuando una señal se ensancha con el tiempo, y generalmente produce debido a los tipos de medios involucrados. 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. En el cableado de cobre la dispersión se puede solucionar a través de un diseño conveniente, limitando las longitudes de los cables y detectando cuál es la impedancia adecuada. En el caso de la fibra óptica, la dispersión se puede controlar usando luz láser con una longitud de onda muy específica. En el caso de comunicaciones inalámbricas, la dispersión se puede reducir al mínimo a través de las frecuencias que se usan para realizar la transmisión.

Todos los sistemas digitales están cronometrados, lo que significa que los pulsos de reloj son lo que controlan todo, y en el caso concreto de las transmisiones en red, son los que hacen que la tarjeta de red envíe los bits. Si el reloj del host origen no está sincronizado con el host destino, lo que es muy probable, se producirá una fluctuación de fase de temporización, que originará que los bits lleguen un poco antes o un poco más tarde de lo esperado. La fluctuación de fase se puede solucionar mediante una serie de complicadas sincronizaciones de reloj, incluyendo sincronizaciones de hardware y software, o de protocolo.

La latencia, también denominada demora, consiste en el retraso temporal que experimenta una señal en su viaje por los medios físicos, y tiene dos causas principales. Para trasladarse a una determinada distancia, un bit tarda al menos una pequeña cantidad de tiempo, cantidad que se puede ver aumentada si el bit atraviesa cualquier dispositivo, los transistores y los dispositivos electrónicos provocan una mayor latencia. La solución para el problema de la latencia es el uso cuidadoso de los dispositivos de red, estrategias de codificación y protocolos de capa.

Las redes modernas normalmente funcionan a velocidades desde 1 Mbps-155 Mbps y superiores. Muy pronto funcionarán a 1 Gbps o mil millones de bits por segundo. Si los bits se diseminan por dispersión, los 1 se pueden confundir con los 0 y los 0 con los 1. Si hay grupos de bits que se enrutan de forma distinta y no se presta atención a la temporización, la fluctuación de fase puede provocar errores cuando el computador que los recibe trata de volver a unir los paquetes en un mensaje. Si hay grupos de bits que se demoran, los dispositivos de red y los otros host destino pueden verse perdidos al recibir miles de millones de bits por segundo.

Colisiones.-

Una colisión se produce cuando dos bits de dos computadores distintos que intentan comunicarse se encuentran simultáneamente en un medio compartido. En el caso de medios de cobre, se suman los voltajes de los dos dígitos binarios y provocan un tercer nivel de voltaje. Como el sistema binario sólo entiende dos niveles de voltaje, los bits se "destruyen", al dejar de tener sentido la información que transportan. 

El área dentro de la red donde los paquetes se originan y colisionan, se denomina dominio de colisión, e incluye todos los entornos de medios compartidos.

Ethernet permite que sólo un paquete de datos por vez pueda acceder al cable, por lo que si más de un nodo intenta transmitir simultáneamente, se produce una colisión y se dañan los datos de cada uno de los dispositivos. Se intenta paliar este efecto administrando los turnos para transmitir en el medio compartido cuando se produce una comunicación entre hosts. En algunos casos, las colisiones son parte normal del funcionamiento de una red. Sin embargo, un exceso de colisiones puede hacer que la red sea más lenta o pueden detenerla por completo. Por lo tanto, una gran parte del diseño de una red se refiere a la forma de reducir al mínimo y localizar las colisiones.

Hay muchas formas de abordar las colisiones. Una de estas formas es detectarlas y simplemente tener un conjunto de normas para abordar el problema cuando se produce, como en el caso de Ethernet. Otra de las formas de abordar el problema es impedir las colisiones permitiendo que sólo un computador de un entorno de medios compartidos pueda transmitir a la vez. Esto requiere que el computador tenga un patrón de bits especial denominado token para transmitir, como en el caso de Token-Ring y FDDI.

Por último, se pueden limitar las colisiones segmentando la red, dividiéndola en varias porciones mediante el uso de swichts, de tal forma que a cada segmento de la red sólo accedan directamente los host pertenecientes al mismo. Con esto se consigue limitar el número de señales que en un momento dado pueden estar circulando por el medio físico.