Transmissió de dades

Hi ha diferents tipus de senyals que representen informació, els senyals digitals i els senyals analògics.

Un valor discret és aquell que es pot representar per un conjunt de valors de dos estats, per exemple, l’interruptor de la llum només pot prendre dos valors o estats: obert o tancat, o el mateix llum: encès o apagat. Un senyal digital es transmet habitualment com un senyal per polsos.

Fins fa poc temps, les transmissions de ràdio, televisió i telèfon s’envia ven per l’aire o els cables utilitzant ones electromagnètiques. Aquestes ones s’anomenen analògiques perquè tenen la mateixa forma que les ones de llum i so produïdes pels transmissors, de la mateixa manera que canvia la llum o el so, el senyal elèctric que transporta la transmissió també canvia proporcionalment. És a dir, els senyals electromagnètics són anàlegs a les variacions de llum o de so que representen.

El terme amplada de banda serveix per descriure tant la capacitat de les LAN com de les WAN (taula).

L’amplada de banda és un element molt important a les xarxes, molt semblant a la importància de l’amplada d’una canonada d’aigua, o a la quantitat de carrils d’una carretera. En els tres casos, l’amplada és finita: una canonada té l’amplada del tub i si no canviem el tub, no tenim més amplada. Si una carretera té dos carrils, només poden passar dos cotxes a la vegada, i si es vol que passin tres cotxes, cal fer-hi obres i construir-ne un altre. L’amplada de banda també és finita.

Quan es parla de rendiment d’una xarxa ens referim a l’amplada de banda, calculada en un moment determinat i utilitzant una ruta concreta en baixar un arxiu específic. El rendiment sempre té un valor més petit que l’amplada de banda digital, cosa que és deguda als tipus de dispositius de xarxes emprats, als tipus de dades que es transfereixen, a la topologia de la xarxa, a la quantitat d’usuaris, als tipus d’ordinadors i servidors i als factors elèctrics i climàtics.

En dissenyar una xarxa, és molt important tenir en compte l’amplada de banda de cada medi físic (que es detallen en la taula), ja que la rapidesa màxima d’una xarxa depèn del mitjà utilitzat.

Una vegada creats els senyals que ens permeten la transmissió de la informació, cal un mitjà físic perquè els senyals es desplacin des de l’emissor fins al receptor. Aquest mitjà físic pot ser de diferent naturalesa, i la xarxa resultant es classificarà d’acord amb aquesta.

Els materials a través dels quals flueix el corrent presenten diferents graus d’oposició –o resistència– al moviment dels electrons. El grau de resistència depèn de la composició química dels materials: aquells que presenten molt poca o cap resistència s’anomenen conductors, mentre que aquells que no deixen que el corrent flueixi o el restringeix s’anomenen aïllants. Amb la lletra R representem la resistència. La unitat que mesura la resistència és l’ohm (Ω).

A la figura podem veure el significat de cada part del nom del cable.

Generalment, en xarxes XAL, s’usa cablatge de coure, en les seves diferents modalitats, per a la unió d’elements de xarxa, i es reserva l’ús de cablatge de fibra òptica per a la unió de nodes principals (backbone).

El cablatge de coure és el mitjà més comú d’unió entre dispositius en xarxes locals. S’usen dos tipus de cable de coure: el cable coaxial i el cable de parells trenats. Dins d’aquests dos tipus, tenim la divisió següent:

• Cable coaxial
• Cable de parells trenats blindats STP.
• Cable de parells trenats blindats ScTP.
• Cable de parells trenats no blindats UTP.

Podem trobar dues varietats de cable coaxial en el mercat: prim i gruixut. Els connectors per al cable coaxial s’anomenen BNC, que són els que apareixen a la figura.

Per a les XAL, el cable coaxial ofereix diversos avantatges: es poden realitzar esteses entre nodes de xarxa a distàncies més grans que amb altres tipus de cables (uns cinc-cents metres), sense que calgui utilitzar tants repetidors; és més econòmic que el cable de fibra òptica; i la tecnologia és summament coneguda. Malgrat que s’ha usat durant molts anys per a tota mena de comunicacions de dades, avui en dia ha deixat pas a la fibra òptica.

El cable de diàmetre més gran cable coaxial gruixut o RG-8 es denomina 10 BASE5 i es va especificar per usar-lo com a cable de backbone d’Ethernet perquè les característiques de longitud de transmissió i limitació del soroll són millors.

A causa del seu diàmetre, aquest tipus de cable pot ser massa rígid per poder-se instal·lar amb facilitat en algunes situacions. La regla pràctica és: com més difícil és instal·lar els mitjans de xarxa, més cara resulta la instal·lació.

El cable coaxial està marcat amb les característiques tècniques del cable cada 2,5 metres: per tant, si els dispositius es connecten a una distància més petita que la indicada es poden produir errors. La impedància d’aquest cable és de 50 ohms, per la qual cosa els segments del cable han de tenir una càrrega de 50 ohms als extrems.

El cable coaxial prim o RG-58A/U anomenat 10BASE2 té una impedància de 50 ohms, pot suportar una velocitat de xarxa de 10 Mbps i pot tenir una llargada de 200 metres.

Podem trobar diferents models de cable de parells de fils trenats en el mercat. Els connectors s’anomenen RJ-45. Va ser aprovat per l’IEEE el 1990 per interconnectar ordinadors, i avui és el mitjà de transmissió més emprat.

Els models comercials més utilitzats i normalitzats són els següents:

1. Cable de parells trenats blindats STP. Com es mostra a la figura, està format per una capa exterior plàstica aïllant que recobreix una malla metàl·lica, la malla recobreix les capes interiors de paper metàl·lic, dins de les quals se situen normalment quatre parells de cables, trenats per parells, amb revestiments plàstics de diferents colors per a la seva identificació. Combina les tècniques de blindatge, cancel·lació i trenat de cables. Segons les especificacions d’ús de les instal·lacions de xarxa Ethernet, STP proporciona resistència contra la interferència electromagnètica i de la radiofreqüència sense augmentar significativament el pes o mida del cable. És un cable de 150 ohms.

A diferència del cable coaxial, el blindatge en l’STP no forma part del circuit de dades i, per tant, el cable ha d’estar connectat al terra pels dos extrems.

Normalment, els instal·ladors connecten STP a terra a l’armari per al cablatge i el concentrador, encara que això no sempre és fàcil de fer, especialment si els instal·ladors intenten usar plafons de connexió antics que no es van dissenyar per a cable STP. Si la connexió al terra no està ben realitzada, l’STP es pot transformar en una font de problemes, ja que permet que el blindatge actuï com si fos una antena, absorbint els senyals elèctrics dels altres fils del cable i de les fonts de soroll elèctric que provenen de l’exterior del cable.

No és possible realitzar esteses de cable STP tan llargues com amb altres mitjans de networking (com, per exemple, cable coaxial) sense repetir el senyal: la longitud màxima de cable recomanada és d’uns 100 metres, i el seu rendiment sol ser de 10-100 Mbps.

2. Cable de parells trenats blindats ScTP. Com es mostra a la figura el cable ScTP consisteix bàsicament en cable UTP embolcallat en un blindatge de paper metàl·lic. També se l’anomena UTP apantallat. És un cable de 100 ohms. Al igual que el cable STP, ha d’estar connectat al terra pels dos extrems per tal d’evitar problemes de soroll, ja que el blindatge podria actuar com a antena i recollir senyals no volguts.

El blindatge evita que les ones electromagnètiques externes produeixin soroll als cables de dades i minimitza la irradiació de les ones electromagnètiques internes, que podrien fer soroll en altres dispositius.

3. Cable de parells trenats no blindats UTP. Com es mostra a la figura està format per quatre parells de fils, trenats per parells, i revestits d’un aïllant plàstic de colors per identificar-los. És el cable més emprat, pel seu baix cost i facilitat d’instal·lació. Es coneix com a 10 BASE-T.

El cable UTP categoria 5 té una velocitat de transmissió de 100 Mgbs. Quan s’usa com a mitjà de networking, el cable UTP té quatre parells de fils de coure de calibre 22 o 24. L’UTP i té una impedància de 100 ohms. Quan s’instal·la el cable UTP amb un connector RJ, les fonts potencials de soroll de la xarxa es redueixen enormement i pràcticament es garanteix una connexió sòlida i de bona qualitat.

No obstant això, el cable de parells trenats no blindats UTP és més sensible al soroll elèctric i la interferència que altres tipus de medis de networking. A més, tot i que abans el cable UTP es considerava més lent per transmetre dades que altres tipus de cables, avui dia ja no és així. De fet, en l’actualitat, es considera que el cable UTP és el més ràpid entre els medis basats en coure. La distància màxima recomanada entre repetidors és de 100 m, i el seu rendiment és de 10-100 Mbps.

Per connectar el cable UTP als diferents dispositius de xarxa, s’usen uns connectors especials, denominats RJ-45 (registered jack - 45), molt semblants als connectors típics del cablatge telefònic casolà.

Aquest connector redueix el soroll, la reflexió i els problemes d’estabilitat mecànica i s’assembla a l’endoll telefònic, amb la diferència que té vuit conductors en lloc de quatre. Es considera un component de networking passiu, ja que només serveix de camí conductor entre els quatre parells de cable trenat de categoria 5 i les potes de l’endoll RJ-45. D’altra banda, s’entén com un component de la capa 1, més que no pas un dispositiu, atès que serveix només de camí conductor per a bits.

Els endolls o connectors RJ-45 s’insereixen en receptacles o jacks RJ-45. Els receptacles RJ-45 tenen vuit conductors, que s’ajusten als del connector RJ-45. A l’altre costat del receptacle RJ-45 hi ha un bloc d’inserció on els fils individuals se separen i s’introdueixen en ranures mitjançant una eina similar a una forquilla denominada eina de punció. Vulgarment se’ls anomena RJ-45 femella. Vegeu un exemple en la imatge. El mateix connector es pot instal·lar en superfície, o enracar en un armari de comunicacions com es mostra a la figura.

Per centralitzar els diferents connectors RJ-45, s’utilitzen uns dispositius especials, denominats taulers de connexió. A la figura es mostra un exemple de tauler de connexió.

Vénen proveïts de dotze, vint-i-quatre o quaranta-vuit ports i normalment estan muntats en un bastidor. Les parts davanteres són receptacles RJ-45 i les parts del darrere són blocs de punció que proporcionen connectivitat o camins conductors. En el mercat se’n poden trobar per peces soltes. L’instal·lador els haurà de muntar endoll per endoll i connectar-hi el cable; una vegada fet això, només cal connectar-hi el cable amb l’eina de punció.

1. Connexions amb cable UTP amb els connectors RJ-45. En les xarxes LAN Ethernet 10BASET (i superiors), normalment tots els cablatges horitzontals (com el que apareix a la figura) es realitzen mitjançant cable UTP i connectors RJ-45. Ara bé, depenent de l’ús concret que es donarà al cable d’unió, aquest pot adoptar diverses configuracions que definiran les connexions entre els diferents pius dels connectors RJ-45 inicial i final del cable.

Els connectors no sempre es connecten de la mateixa manera al cable. Segons el que vulguem connectar, tindrem diferents tipus de cables:

• Cable de connexió directa (straight through).
• Cable de connexió encreuada (cross-over)
• Cable de consola o transposat (roll-over)

A continuació veureu com s’ha de connectar el connector RJ-45 al fil per obtenir un tipus de cable o un altre.

Com que el que canvia són les posicions dels fils de colors, els esquemes i imatges estan fets tenint en compte que agafem el connector RJ-45 per la part davantera verticalment i amb els pins a la part superior.

• Connexió directa (straight trough). Aquest tipus de connexió s’usa en cables que han de connectar un element (ordinador) a una xarxa Ethernet 10BASET. Generalment, un extrem del cable (terminal A) es connecta al receptacle de la targeta de xarxa de l’ordinador (host), mentre que l’altre extrem (terminal B) es connecta a un commutador, com es veu a la figura.

• Connexió encreuada (cross-over). S’utilitza per connectar dos elements directament dos ordinadors, dos commutadors o dos concentradors– i es considera part del cablatge vertical o backbone. El cable d’interconnexió encreuada significa que el segon i el tercer parell en un extrem del cable es troben invertits a l’extrem oposat, com es representa a la figura.

• Connexió de consola (roll-over) transposada. El cable de consola s’utilitza per connectar una estació de treball o terminal no intel·ligent al port de consola de la part posterior de l’encaminador o del commutador amb la finalitat de poder configurar. Aquest tipus de cable té els dos connectors RJ-45: normalment cal endollar un dels connectors a un adaptador de terminal RJ-45 –a DB9 o DB25–, el qual converteix l’RJ-45 en un connector D femella de nou o vint-i-cinc pins que es pot connectar a un port en sèrie com de l’ordinador. En aquesta connexió tots els cables van invertits de posició, com si es reflectissin en un mirall, i el seu esquema és que apareix a la figura.

A vegades també es pot necessitar un adaptador per convertir un terminal DB9 a DB25 o viceversa, com el que es mostra a la figura.

El cable de fibra òptica pot conduir transmissions de llum modulades. Si es compara amb altres mitjans de xarxes, és més car; no obstant això, no és susceptible a la interferència electromagnètica i ofereix velocitats de dades més altes que qualsevol dels altres tipus. El cable de fibra òptica no transporta impulsos elèctrics –com fan els cables de coure–, sinó que transporta polsos de llum, originats per dispositius de díodes emissors de llum LED o per un làser.

Com es veu a la figura està compost per dues fibres embolcallades per revestiments separats. Si s’observa una secció transversal d’aquest cable, veurem que cada fibra òptica es troba envoltada per capes de material amortidor protector –normalment un material plàstic com Kevlar– i un revestiment extern.

El revestiment exterior protegeix tot el cable i generalment és de plàstic i compleix amb els codis aplicables d’incendi i construcció. El propòsit del Kevlar és brindar més amortiment i protecció a les fràgils fibres de vidre que tenen el diàmetre d’un cabell. Sempre que els codis requereixin que els cables de fibra òptica hagin d’estar sota terra, a vegades s’inclou un filferro d’acer inoxidable com a reforç.

Les parts que guien la llum en una fibra òptica es denominen nucli i revestiment. El nucli és generalment un vidre d’alta puresa amb un alt índex de refracció. Quan el vidre del nucli està recobert per una capa de revestiment de vidre o de plàstic amb un índex de refracció a sota, la llum es captura al nucli de la fibra. Aquest procés es denomina reflexió interna total i permet que la fibra òptica actuï com un “tub de llum”, guiant la llum a través d’enormes distàncies, fins i tot quan ha de travessar colzes.

La longitud màxima de cable recomanada entre nodes és de 2.000 metres i el seu rendiment és alt. Actualment s’utilitza per al troncal de la xarxa.

La fibra monomode s’utilitza principalment per a comunicacions llargues, el diàmetre del nucli central és de 8 a 10 mm i el diàmetre del revestiment de 125 mm. El diàmetre del nucli és molt més petit que el de les fibres multimode, per la qual cosa solament es transmet una ona de llum a la vegada a cada fibra. La font lluminosa en la comunicació per fibra monomode és el làser.

La distància de transmissió no és tan gran com en les fibres monomode, ja que l’amplada de banda disponible és més petita i la font de llum, més dèbil. La font de llum de les fibres multimode és un LED.

La comparació entre fibra monomode i multimode també es pot apreciar a la figura.

Es basen en la transmissió d’ones electromagnètiques, que poden recórrer el buit de l’espai exterior i medis com l’aire, però no és necessari un medi físic, característica que fa que siguin un medi molt versàtil per al desenvolupament de xarxes.

L’aplicació més comuna de les comunicacions de dades sense fils correspon als usuaris mòbils: per exemple, és una solució per als usuaris mòbils que necessiten estar permanentment en xarxa, o per a aquells usuaris de zones geogràficament aïllades on instal·lar cable és econòmicament impossible.

Totes aquestes tecnologies transmeten els senyals per l’aire. Un exemple d’ús de les transmissió per aire es veu a la figura. Les diferències estan reflectides en la taula. L’avantatge de la comunicació sense fil és que no necessita la instal·lació de cablatge, però també té una sèrie d’inconvenients: hi pot haver interferències amb altres senyals, que utilitzen el mateix medi de transmissió, i també es veuen afectades pel sol, canvis ionosfèrics i pertorbacions atmosfèriques.

Una comunicació sense fils consisteix en la tramesa i recepció d’electrons o fotons en forma d’ones electromagnètiques.

Són ones fàcils de generar, capaces de cobrir llargues distàncies, travessen les parets sense dificultat, i a partir de l’emissor es propaguen a totes les direccions (depenen del tipus d’antena).

Les ones de ràdio tenen polarització, poden ser reflectides, refractades, crear interferència, etc. Cent anys després del seu descobriment, les ones de ràdio formen part essencial de la nostra societat.

Igual que podem distingir diferents tipus de llum –els colors–, hi ha diferents tipus d’ones de ràdio. Les diferents classes d’ones de ràdio es caracteritzen per la seva freqüència, (com és representada a la figura) mesurada en hertzs. Aquest tipus de transmissió és més adequat per a transmissions directes que per a transmissions a grans distàncies, atès que les ones tenen una longitud molt curta i baixa penetració. Un senyal d’una sola freqüència i de baixa potència d’1 a 10 watts pot transmetre d’1 a 10 Mbps.

Són ones per a distàncies curtes. Utilitzen aquest tipus d’ones els comandaments a distància de televisió o vídeo, i els ordinadors portàtils acostumen a portar un port de comunicacions infraroges. Poden emetre en una sola direcció o en totes direccions, utilitzant un díode LED per transmetre i un fotodíode per rebre.

La velocitat de transmissió de dades solament arriba fins a 16 Mbps en comunicacions unidireccionals, i fins a 1 Mbps en comunicacions omnidireccionals.

Aquestes ones no travessen cossos, cosa que es pot considerar una seguretat, i per a fer-les servir no és necessari tenir llicència.

Aquest tipus d’ones permeten fer transmissions terrestres i entre satèl·lits. Emeten en una freqüència entre 1 i 10 Ghz i generen velocitats de transmissió de 10 Mbps.

A diferència de les ones de ràdio, les microones no travessen bé els obstacles, però quan emeten a més de 1.000 Hz o ho fan en línia recta, es poden enfocar, i concentren l’energia en una antena parabòlica. Per tant, és qüestió de col·locar antenes repetidores si necessitem fer comunicacions a grans distàncies.

Quan es transmet entre satèl·lits, hi ha un retard en les aplicacions amb tramesa i recepció de dades que pot deixar de fer operativa la transmissió.

Per portar fins a l’extrem la idea de la mobilitat en els terminals de xarxa, només calia deslligar-los de la connexió amb cable. Això ha comportat que molts dispositius portàtils disposin de sistemes receptors emissors que utilitzen la tecnologia sense fils i crear els enllaços adequats per a les xarxes LAN sense fils o WLAN.

Alguns avantatges de les xarxes WLAN són els següents:

• Flexibilitat quant a ubicació dels terminals.
• Mobilitat dels terminals sense perjudici de la connectivitat.
• Estalvi en la instal·lació, en suprimir el cablatge pels terminals, juntament amb l’abaratiment progressiu del material de connectivitat sense fils.
• Facilitat d’instal·lació.
• Augment de l’accés; amb les xarxes sense fils es pot arribar a llocs on és difícil o costós d’arribar amb sistemes cablats.

Els sistemes basats en la ràdio són els que permeten el concepte de les xarxes sense fils.

En la implementació de les xarxes sense fils, perquè un terminal de xarxa es pugui connectar a la resta de la xarxa, cal que hi hagi un dispositiu que connecti aquesta xarxa amb els terminals; aquest dispositiu s’anomena punt d’accés, que no és cap altra cosa que un dispositiu que, connectat a la xarxa, distribueix per difusió el senyal de ràdio (figura).

Els punts d’accés tenen un abast limitat; per tant, per cobrir una determinada àrea és possible que calgui més d’un punt d’accés.

Aquesta tecnologia també s’utilitza per connectar com a troncals dos edificis veïns o més. La norma més utilitzada per les xarxes sense fils és la norma IEEE 802.11 en les revisions a, b, g i n. Aquesta norma va propiciar una aliança de companyies que es va anomenar “aliança Wi-Fi” coneguda àmpliament com a Wi-Fi (wireless fidelity). Actualment és la tècnica més estesa en l’ús de les xarxes locals sense fils. La norma 802.11a és un estàndard que funciona en un rang de freqüències de 5 GHz a una velocitat de dades màxima de 54 Mb/s. La norma 802.11b funciona en el rang de 2,4 GHz amb una velocitat d’11 Mb/s.

L’abast d’un punt d’accés Wi-Fi pot arribar fins als 300 metres, però les parets, les interferències i la disposició dels equips fan que l’abast amb un rendiment acceptable arribi als 100 metres.

Hi ha, però, un altre tipus de xarxes sense fils d’abast curt, les anomenades xarxes d’àrea personal (PAN, personal area network) en què es pretén facilitar les comunicacions entre equipaments fixos i mòbils, com són ara ordinadors portàtils, telèfons mòbils, ordinadors de butxaca (PDA) i altres dispositius similars, sense utilitzar cables.

Entorn d’aquesta tecnologia en què no cal un punt d’accés, atès que cada dispositiu es connecta amb altres directament amb una relació entre iguals (peer-to-peer), es creen petites xarxes sense fils que permeten, per exemple, la sincronització de dades entre dispositius (figura).

Encara que per a aquest tipus de xarxes també s’utilitza la comunicació infraroja, la tecnologia més emprada en aquestes xarxes personals és l’anomenada Bluetooth, que és una especificació oberta de la indústria en què hi ha força companyies implicades, actualment sota l’estàndard 802.15, i que defineix tres classes de potència, de la qual depèn l’abast d’aquests tipus de dispositius. Així, el de la classe 1, el menys potent, d’1 mW, abasta fins a un metre; el de classe 2, de 2,5 mW, fins a 10 metres; i el de la classe 3, de 100 mW, pot arribar fins als 100 metres però amb un augment considerable del consum. Bluetooth treballa a 2,45 GHz i la velocitat màxima de transmissió és d’1 Mb/s, tot i que en la versió 2 pot arribar fins a 3 Mb/s.

Els serveis, els mètodes de connexió i les normes de cablatge d’una xarxa WAN són diferents que els equivalents per a les LAN.

Hi ha molts models físics de transport de dades per les xarxes d’àrea extensa, depenent de la distància, la velocitat o fins i tot del tipus de servei.

Les xarxes d’àrea local s’han basat normalment en l’ús de les infraestructures pertanyents a xarxes anteriors, com pot ser la xarxa telefònica. Tot i així, en augmentar el trànsit de dades, també les xarxes de telefonia han evolucionat per adaptar els seus medis a la nova realitat.