COMPONENTES FÍSICOS DE LAS REDES DE COMPUTADORES by Juan Carlos Taborda Taborda

COMPONENTES FÍSICOS DE LAS REDES DE COMPUTADORES. MARCO TEORICO • Señales análogas En la representación analógica, una cantidad se denota por medio de otra que es directamente proporcional a la primera. Un ejemplo de esto es el velocímetro de un automóvil, en el cual la deflexión de la aguja es proporcional a la velocidad a que se desplaza el auto. La posición angular de la aguja representa el valor de la velocidad del coche y la aguja sigue cualquier cambio que ocurra conforme el automóvil acelera o desacelera. Otro ejemplo es el termostato común de una habitación, en el cual la flexión de la banda bimetálica es proporcional a la temperatura del cuarto. A medida que la temperatura varía, la curvatura de la banda cambia proporcionalmente. Todavía se puede hallar otro ejemplo de una cantidad analógica en el micrófono de audio. En este dispositivo se genera un voltaje de salida en proporción a la amplitud de las ondas sonoras que chocan contra el micrófono. Las variaciones en el voltaje de salida se apegan a las mismas alteraciones que el sonido de entrada, Las cantidades analógicas como las que se citaron antes tienen una característica importante: pueden variar gradualmente sobre un intervalo continuo de valores. La velocidad del automóvil puede tener cualquier valor entre cero y, por decir algo, 100 km/h. En forma análoga, la salida del micrófono podría encontrarse en cualquier nivel dentro de un intervalo de cero a 10 mV (por ejemplo, l mV, 2.3724 mV, 9.9999 mV

Onda análoga. • Señales digitales En la representación digital las cantidades se denotan no por cantidades proporcionales, sino por símbolos denominados dígitos. Para poner un ejemplo, consideremos el reloj digital (o cronómetro digital), el cual da la hora en forma de dígitos decimales que representan horas y minutos (y algunas veces segundos),

Como se sabe la hora varía continuamente, pero la lectura del cronómetro digital no cambia de esta misma manera; en su lugar, varía en etapas de uno por minuto (o por segundo). En otras palabras, esta representación digital de la hora varía en etapas discretas, en comparación con la representación analógica de la hora que da un reloj de pulso, donde la lectura del cuadrante varía continuamente. ON(1) OFF(0) ONDA DIGITAL • Ondas electromagnéticas Las ondas, o 'disturbios', se dan en un medio invisible llamado el campo de fuerza eléctrico. Para entender las fuerzas eléctricas tenemos que aprender algo sobre las partículas cargadas, como los electrones y los protones. Sin estas partículas cargadas no puede haber campos de fuerza eléctrica y por tanto no hay ondas electromagnéticas. Las únicas ondas que no requieren un medio material para su propagación son las ondas electromagnéticas; en ese caso las oscilaciones corresponden a variaciones en la intensidad de campos magnéticos y eléctricos. La naturaleza de onda de la luz origina que los diferentes colores se reflejen de forma diferente por una superficie, generando finas rayas paralelas --a esto se debe el que un disco compacto láser (para uso musical o para ordenador) brille en todos los colores del arco iris. Las filas ordenadas de los átomos en un cristal también forman líneas paralelas pero mucho menos espaciadas y resultan tener el mismo efecto sobre los rayos X, mostrando que los rayos X, al igual que la luz, también son ondas electromagnéticas, pero con una longitud de onda mucho más corta. Se encontró posteriormente que los haces de electrones en un campo magnético, dentro de un tubo de vacío, podían hacerse inestables y emitir ondas más largas que la luz: el tubo magnetrón donde ocurría esto fue un dispositivo de radar de alto secreto durante la II Guerra Mundial e hizo posible posteriormente la fabricación del horno microondas. Las ondas electromagnéticas lideran la radio y la televisión y la enorme industria electrónica.

• Distorsión En un sistema de potencia ideal, el voltaje que abastece a los equipos de los clientes, y la corriente de carga resultante son perfectas sinusoides. En la práctica, sin embargo, las condiciones nunca son ideales, tan así que estas formas de onda se encuentran frecuentemente muy deformadas. Esta diferencia con la perfecta sinusoide se expresa comúnmente desde el punto de vista de la distorsión armónica de las formas de onda del voltaje y de la corriente La distorsión de la sinusoide fundamental, generalmente ocurre en múltiplos de la frecuencia fundamental. Así sobre un sistema de potencia de 60 Hz, la onda armónica tiene una frecuencia expresada por:

donde n es un entero. La figura 1 ilustra la onda senoidal a la frecuencia fundamental (60 Hz) y su 2do, 3ro, 4to, y 5to armónicos.

Figura 1. La Onda Senoidal a la Frecuencia Fundamental (60 Hz) y Armónicos: 2do (120 Hz); 3ro (180 Hz); 4to (240 Hz); y 5to (300 Hz). La Figura 2 muestra como una onda deformada puede ser descompuesta en sus componentes armónicas. La onda deformada se compone de la fundamental combinada con las componentes armónicas de 3er y 5to orden.

Figura 2. La Onda Deformada Compuesta por la Superposición de una Fundamental a 60 Hz y Menores Armónicos de Tercer y Quinto Orden.

MEDIOS DE TRANSMISIÓN INALÁMBRICOS •

Infrarrojo Las redes de luz infrarroja están limitadas por el espacio y casi generalmente la utilizan redes en las que las estaciones se encuentran en un solo cuarto o piso, algunas compañías que tienen sus oficinas en varios edificios realizan la comunicación colocando los receptores/emisores en las ventanas de los edificios. Las transmisiones de radio frecuencia tienen una desventaja: que los países están tratando de ponerse de acuerdo en cuanto a las bandas que cada uno puede utilizar, al momento de realizar este trabajo ya se han reunido varios países para tratar de organizarse en cuanto a que frecuencias pueden utilizar cada uno. La transmisión Infrarroja no tiene este inconveniente por lo tanto es actualmente una alternativa para las Redes Inalámbricas. El principio de la comunicación de datos es una tecnología que se ha estudiado desde los 70´s, Hewlett-Packard desarrolló su calculadora HP-41 que utilizaba un transmisor infrarrojo para enviar la información a una impresora térmica portátil, actualmente esta tecnología es la que utilizan los controles remotos de las televisiones o aparatos eléctricos que se usan en el hogar. El mismo principio se usa para la comunicación de Redes, se utiliza un "transreceptor" que envía un haz de Luz Infrarroja, hacia otro que la recibe. La transmisión de luz se codifica y decodifica en el envío y recepción en un protocolo de red existente. Uno de los pioneros en esta área es Richard Allen, que fundó Photonics Corp., en 1985 y desarrolló un "Transreceptor Infrarrojo". Las primeros transreceptores dirigían el haz infrarrojo de luz a una superficie pasiva, generalmente el techo, donde otro transreceptor recibía la señal. Se pueden instalar varias estaciones en una sola habitación utilizando un área pasiva para cada transreceptor. La FIG 1.1 muestra un transreceptor. En la actualidad Photonics a desarrollado una versión AppleTalk/LocalTalk del transreceptor que opera a 230 Kbps. El sistema tiene un rango de 200 mts. Además la tecnología se ha mejorado utilizando un transreceptor que difunde el haz en todo el cuarto y es recogido mediante otros transreceptores. El grupo de trabajo de Red Inalámbrica IEEE 802.11 está trabajando en una capa estándar MAC para Redes Infrarrojas.

FIG 1.1 •

Radio Enlaces

Las Redes Inalámbricas de Radio Frecuencia, la FCC permitió la operación sin licencia de dispositivos que utilizan 1 Watt de energía o menos, en tres bandas de frecuencia: 902 a 928 MHz, 2,400 a 2,483.5 MHz y 5,725 a 5,850 Mhz. Estas bandas de frecuencia, llamadas bandas ISM, estaban anteriormente limitadas a instrumentos científicos, médicos e industriales. Esta banda, a diferencia de la ARDIS y MOBITEX, está abierta para cualquiera. Para minimizar la interferencia, las regulaciones de FCC estipulan que una técnica de señal de transmisión llamada spread-spectrum modulation, la cual tiene potencia de transmisión máxima de 1 Watt. Deberá ser utilizada en la banda ISM. Esta técnica a sido utilizada en aplicaciones militares. La idea es tomar una señal de banda convencional y distribuir su energía en un dominio más amplio de frecuencia. Así, la densidad promedio de energía es menor en el espectro equivalente de la señal original. En aplicaciones militares el objetivo es reducir la densidad de energía abajo del nivel de ruido ambiental de tal manera que la señal no sea detectable. La idea en las redes es que la señal sea transmitida y recibida con un mínimo de interferencia. Existen dos técnicas para distribuir la señal convencional en un espectro de propagación equivalente:

La secuencia directa: En este método el flujo de bits de entrada se multiplica por una señal de frecuencia mayor, basada en una función de propagación determinada. El flujo de datos original puede ser entonces recobrado en el

extremo receptor correlacionándolo con la función de propagación conocida. Este método requiere un procesador de señal digital para correlacionar la señal de entrada. o El salto de frecuencia: Este método es una técnica en la cual los dispositivos receptores y emisores se mueven sincrónicamente en un patrón determinado de una frecuencia a otra, brincando ambos al mismo tiempo y en la misma frecuencia predeterminada. Como en el método de secuencia directa, los datos deben ser reconstruidos en base del patrón de salto de frecuencia. Este método es viable para las redes inalámbricas, pero la asignación actual de las bandas ISM no es adecuada, debido a la competencia con otros dispositivos, como por ejemplo las bandas de 2.4 y 5.8 Mhz que son utilizadas por hornos de Microondas.

CONECTORIZACIÓN •

RJ45

Este conector se utiliza para enlazar los computadores y demás periféricos a las redes.

Normativa 568-A (ISDN) Pin Par Conector # # 1 1 2 3 4 5 6 7 8

3 Blanco Verde 3 Verde 2 Blanco Naranja 1 Azul 1 Blanco Azul 2 Naranja 4 Blanco Marrón 4 Marrón

Normativa 568-B (AT&T)

Función Conector 10/100 2 Base-T Transmite Blanco Verde Recibe Verde Transmite Blanco Naranja Telefonía Azul Telefonía Blanco Azul Recibe Naranja Respaldo Blanco Marrón Respaldo Marrón

Sí Si Si No No Si No No

Pin Par Conector 1 Conector # # 2 2 Blanco/Naranja 1- Blanco 1 Naranja 2 Naranja 22 Naranja 3 Blanco Verde 3- Blanco 3 Verde 4 1 Azul 4- Azul 1 Blanco Azul 5- Blanco 5 Azul 6 3 Verde 6- Verde 4 Blanco Marrón 7- Blanco 7 Marrón 8 4 Marrón 8- Marrón

• RJ11 Este conector muy parecido al RJ45, con la diferencia de tamaño y número de pines, muy utilizado para conectar teléfonos, fax y otros equipos de comunicación.

CONCEPTOS BASICOS •

carga eléctrica

Ya que un electrón es una unidad de carga muy pequeña, para medirlo se utiliza una unidad más grande denominada coulomb. Un coulomb corresponde a 6.24 trillones de electrones (6.24 x1012). A la velocidad de flujo de la carga eléctrica se le conoce como corriente eléctrica (intensidad [I]). En fenómenos eléctricos la carga es análoga al volumen de líquido (litros) que fluye por una tubería y la corriente es equiparable a la velocidad de flujo (cantidad de litros por minuto) en dicha tubería. El flujo de la carga puede trasladarse por medio de electrones (corriente eléctrica) o por iones (corriente iónica). El flujo de corriente en metales se da a través de un flujo de electrones. Un electrolito es aquella sustancia que conduce corriente por flujo iónico. •

corriente eléctrica

La unidad básica de la corriente eléctrica (I) es el ampere (A). Un ampere se define como la velocidad de flujo de una carga (Q) de un coulomb, por segundo. Así se expresa esta unidad para el consumo de algunos equipos eléctricos grandes o de celdas electrolíticas industriales a diferencia de los circuitos electrónicos transistorizados o las técnicas electroquímicas, en los cuales se emplean comúnmente dos submúltiplos de esta unidad que son el miliampere ( A: 0.001 A) y el microampere ( A: 0.000001 A). Resumiendo, podemos decir que: 1 ampere = 1 coulomb/segundo A = Q/seg. De lo anterior se deduce que la cantidad total de electricidad (Q), en coulombs, que pasa por cualquier punto de un circuito eléctrico es el producto de la corriente (I), en amperes, y el tiempo (t) en segundos: coulombs = amperes x segundos Q = It.

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energía eléctrica

Originada por la existencia de cargas eléctricas y por la interacción de las mismas. Cuando una carga eléctrica se encuentra estacionaria, o estática, produce fuerzas eléctricas sobre las otras cargas situadas en su misma región del espacio; cuando está en movimiento, produce además efectos magnéticos. Los efectos eléctricos y magnéticos dependen de la posición y movimiento relativos de las partículas con carga. Medición de los parámetros: El instrumento más usado para medir las cantidades eléctricas es el Multímetro o Tester, el cual puede tomar medidas de voltaje, corriente y resistencia. Existen cuatro grandes secciones, las cuales corresponden al Voltaje, la Resistencia y la corriente. Para el voltaje se muestran dos apartados: V= (VDC), que corresponde al voltaje DC o voltaje de corriente continua (directa). Todos los voltajes que salen de la fuente del PC son de este tipo. o V~ (VAC), que corresponde al voltaje AC o voltaje de Corriente Alterna. El cable de potencia (cable de conexión al toma que traen la mayoría de los electrodomésticos) que ingresa a la fuente del PC es de este tipo ( 120 Vac). o Medir resistencia directamente sobre los componentes de la mainboard puede ser engañoso, ya que si medimos entre los puntos extremos de una resistencia, y el multímetro nos muestra 3340 Ω, pero el valor real (teórico o de fabrica) es 10000 Ω, no necesariamente es un defecto o un malfuncionamiento de ésta; el valor extraño de la resistencia se debe a que en la mainboard la resistencia hace parte uno o varios circuitos electrónicos y al intentar tomar la medida sobre los extremos de la resistencia estamos midiendo también la resistencia de los componentes del circuito que se encuentren en paralelo con ella (por esto el valor más pequeño). o

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Diferencia de potencial

Cuando una corriente eléctrica fluye a través de un alambre conductor, se dice que lo hace porque existe una diferencia de potencial entre los dos extremos del alambre. La diferencia de potencial entre dos puntos se define como el trabajo efectuado (que se mide en joules), cuando un coulomb de electricidad se mueve de un punto al otro. A la unidad con que se mide la diferencia de potencial se le llama volt y se define como sigue: dos puntos tienen una diferencia de potencial de 1 volt cuando se realiza un trabajo de 1 joule por cada coulomb de electricidad que transita de un punto al otro; por lo tanto volt = joule/coulomb por lo tanto, V = J/Q •

Corriente eléctrica

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Resistencia eléctrica

Es la oposición que ofrece un material al paso de los electrones ( la corriente eléctrica). Cuando el material tiene muchos electrones libres, como es el caso de los metales, permite el paso de los electrones con facilidad y se le llama conductor. La resistencia es la oposición que presentan los cuerpos al paso de la corriente eléctrica. Se mide en ohmios. La oposición que presentan los cuerpos se debe a que los electrones al moverse en el interior de los átomos rozan produciendo choques que desprenden energía en forma de calor. Cuanto mayor es el número de choques, mayor es la resistencia que presenta el material. La resistencia depende de tres factores: • •

La sección del elemento conductor (a mayor sección menor resistencia) La longitud del mismo (a mayor longitud, mayor resistencia)

La naturaleza del conductor, sabemos que hay materiales que dejan pasar muy bien la corriente y otros que no. La característica que define la mayor o menor oposición del material al paso de la corriente es la resistividad.

Estos tres factores se relacionan con la resistencia mediante la siguiente ecuación:

La resistencia eléctrica se mide en ohmios, en honor a Georg Simon Ohm (17871854), que desarrolló los principios agrupados en la ley de Ohm.

A los materiales que presentan baja resistencia eléctrica se les llama buenos conductores eléctricos. A su vez, a aquellos que poseen alta resistencia eléctrica se les denomina malos conductores eléctricos. •

Potencia eléctrica

A menos que lo haga un superconductor, una carga que se desplaza en un circuito gasta energía. Esto puede dar por resultado el calentamiento del circuito o el movimiento de un motor. La razón de conversión de energía eléctrica en otra forma, como energía mecánica, calor o luz, se llama potencia eléctrica. La potencia eléctrica es igual al producto de la corriente por el voltaje. Potencia eléctrica = corriente x voltaje Si el voltaje se expresa en volts y la corriente eléctrica en amperes, entonces la potencia queda expresada en watts. Así pues, en términos de unidades: 1 watt = (1 ampere) x (1 volt) El trabajo desarrollado en la unidad de tiempo es la potencia P, entonces P = W/t = U*I. Potencia=IV Unidad: Wattios

TIPOS DE INSTALACION INSTALACIÓN ELÉCTRICA:

Cable de potencia: Conduce 120 Vac.

INSTALACIÓN LOGICA:

Cable lógico: Conduce los datos de la red.

Cómo Funciona un Módem La computadora consiste en un dispositivo digital que funciona al encender y apagar interruptores electrónicos. Las líneas telefónicas, de lo contrario, son dispositivos análogos que envían señales como un corriente continuo. El módem tiene que unir el espacio entre estos dos tipos de dispositivos. Debe enviar los datos digitales de la computadora a través de líneas telefónicas análogas. Logra esto modulando los datos digitales para convertirlos en una señal análoga; es decir, el módem varía la frecuencia de la señal digital para formar una señal análoga continua. Y cuando el módem recibe señales análogas a través de la línea telefónica, hace el opuesto: demodula, o quita las frecuencias variadas de, la onda análoga para convertirlas en impulsos digitales. De estas dos funciones, MODulación y DEModulación, surgió el nombre del módem. Existen distintos sistemas de modular una señal analógica para que transporte información digital. En la siguiente figura se muestran los dos métodos más sencillos la modulación de amplitud (a) y la modulación de frecuencia (b).

Otros mecanismos como la modulación de fase o los métodos combinados permiten transportar mas información por el mismo canal.