La capa física es la primera capa de TCP y la 1 y 2 de OSI. Vamos a descubrir como fluye la información en este bloque. Investigaremos cómo funciona, qué tipos de cables y conectores existen, y cómo elegir la mejor opción para tus necesidades.
Propósito de la capa física
La capa física es una de las siete capas que conforman el modelo OSI (Open Systems Interconnection). Esta capa se encarga de la transmisión de datos a través de medios físicos, ya sea a través de conexiones inalámbricas o mediante cables. Las organizaciones encargadas de ella son IEEE, ISO, ANSI, EIA, TIA, ITU-T.
La conexión física
En el contexto de CCNA (Cisco Certified Network Associate), la capa física juega un papel fundamental en la creación de una red. Esto se debe a que CCNA se enfoca en la implementación y configuración de redes basadas en la tecnología de Cisco.
Una de sus principales tareas es establecer la conexión física entre los dispositivos de red. Esto se puede hacer mediante la conexión por cable al router inalámbrico (asegura que la señal de red inalámbrica sea suficientemente fuerte) o mediante la conexión por cable con una NIC Ethernet (asegura que la conexión sea rápida). En ambos casos, la capa física se asegura de que la conexión sea confiable y segura.
La capa física
La capa física es responsable de la transmisión de estas señales eléctricas a través del cable Ethernet. Esta capa convierte los bits de datos en señales eléctricas y las transmite a través del cable a una velocidad determinada, que puede ser de 10, 100, 1000 Mbps o más, según la tecnología utilizada.
En el siguiente diagrama, se muestra cómo los datos viajan a través de las diferentes capas del modelo TCP/IP para ser transmitidos desde un dispositivo emisor a un dispositivo receptor:
En el dispositivo receptor, el paquete Ethernet se recibe a través de la capa física y se procesa por la capa de enlace de datos. La capa de enlace de datos elimina su propio encabezado y entrega el paquete IP a la capa de red.
El diagrama muestra cómo los datos se transmiten a través de las diferentes capas del modelo TCP/IP, lo que demuestra la interacción entre Ethernet, IP, TCP y los datos en una red de computadoras.
Características de la capa física
Estándares de la capa física
La capa física cuenta con una serie de estándares que especifican cómo se deben transmitir las señales a través de los medios de transmisión. Estos estándares son importantes, ya que permiten que los dispositivos de diferentes fabricantes se comuniquen entre sí.
Uno de los estándares más importantes de la capa física es el Ethernet, el cual es el protocolo de red más utilizado en la actualidad. Ethernet se utiliza en redes locales (LAN) y define cómo se deben transmitir las señales a través de los cables de cobre y la fibra óptica.
Componentes físicos
La capa física utiliza una serie de componentes físicos para transmitir las señales a través de los medios de transmisión. Estos componentes incluyen cables, conectores, adaptadores y dispositivos de red.
Cada uno de estos componentes es importante para la transmisión de los datos y es necesario que sean de alta calidad para garantizar que la transmisión de los datos sea confiable y eficiente.
Codificación
Dicha capa también se encarga de la codificación de los datos. La codificación se refiere al proceso de convertir los datos en señales que puedan ser transmitidas a través de los medios de transmisión. La codificación puede ser analógica o digital.
En la codificación analógica, los datos se convierten en señales analógicas, que son ondas continuas que varían en amplitud, frecuencia y fase.
Por otro lado, en la codificación digital, los datos se convierten en señales digitales, que son secuencias de bits que se transmiten en intervalos regulares.
Señalización
Otra de sus funciones es la señalización, que es el proceso de enviar y recibir señales a través de los medios de transmisión. La señalización puede ser analógica o digital, dependiendo del medio de transmisión utilizado.
En la señalización analógica, las señales se transmiten como ondas continuas que varían en amplitud, frecuencia y fase. En la señalización digital, las señales se transmiten como pulsos discretos de voltaje o luz.
Ancho de banda
El ancho de banda se refiere a la cantidad de información que se puede transmitir a través de un medio de transmisión en un período de tiempo determinado. La capa física es responsable de determinar el ancho de banda de los medios de transmisión.
Terminología del ancho de banda
Algunos de los términos más comunes son:
- Bandwidth: no son los 300 megabits que me vende orange por ejemplo, sino que es la capacidad de un medio para transportar datos. Por tanto, tiene que ver con lo grande que es el medio (cable de cobre de 500m).
- Digital bandwidth: cantidad de datos que transportamos en una unidad de tiempo (b/s, kb/s, mb/s). Es lo que transporta el bandwidth. Esto es lo que nos venden. Normalmente será inferior al bandwidth para que pueda caber dentro del medio.
- Throughput: son bits por unidad de tiempo. Depende de otros factores como que haya más tráfico en la red (QoS), de la latencia de los dispositivos. Es la cantidad del ancho de banda digital cuando lo comparto con otros. Esto se debe a que no es lo mismo conectarse a un switch CISCO que a uno TPLink.
- Goodput: lo que nos llega a casa. Es el throughput al que le restamos el overhead (la sobrecarga) como los headers, ACKs y protocolos. Las tramas se encapsulan y para ello añadimos datos en las cabeceras. Lo que recibimos en casa si hacemos un Test de velocidad, lo que se mide es el Goodput. Entonces veremos menos bits de lo que compramos, pues los compramos en el apartado de digital bandwidth.
Cableado de cobre
Este tipo de cableado utiliza cobre como conductor y se utiliza para transmitir señales eléctricas a través de los medios de transmisión.
Características del cableado de cobre
- La información se transmite a través de pulsos eléctricos.
- El cobre afecta a la atenuación a tener en cuenta en cualquier medio. Es la medida en la que la señal pierde potencia en su transmisión. Esto quiere decir que no podemos poner un cable de cualquier medida. Por ejemplo, un cable de cobre de par trenzado no puede ir más de 100 metros, un coaxial de 10 base 2 no puede ir más de 185 metros.
- Afectados por dos tipos de interferencias (noises). Las EMI (Electromagnetic Interference) provocadas por un pulso electromagnético y las RFI (Radio Frequency Interference) que son frecuencias de radio que van por el aire y que se convierten en señales magnéticas. Las minimizamos con los cables FTP y STP.
- Hay que tener en cuenta que son más finos y se pueden incendiar. Para ello ahora todos los cables que se venden tiene que ser libres de alógenos (gases no tóxicos cuando se incendian).
Tipos de cableado de cobre
Tenemos cables con escudo electromagnético:
- FTP (Foiled Twisted Pair): son más baratos. Solo tienen un escudo que va bajo la capa d eplástico y con 4 cables trenzados dentro.
- STP (Shielded Twisted Pair): son más caros. Disponen de 5 protecciones, 1 externa y 1 por cada par de cables (4).
El conector de estos cables tiene una lámina metálica que va conectado a una roseta con una lámina metálica también. En su otro extremo se puede conectar un PC (en su toma de corriente tiene una toma de tierra) o un Switch (también conectado a una toma de tierra).
Ese escudo o malla electromagnética se tiene que conectar a la toma de tierra del edificio. De esta manera, el cable FTP o STP envía las señales parásitas a tierra. Si no tuvieses, las señales harían de antena, esto es, las magnificaría.
Cable coaxial
Se usan para instalaciones wireless. Algunas antenas se conectas a sus AP mediante estos cables (dentro del edificio los AP y fuera las antenas se conectan a ellos mediante cable coaxial).
Es más inmune al ruido (señales parásitas) y tienen más ancho de banda que el de cobre (185 metros). Ahora los AP se pueden poner directamente en el exterior y ya no hacen falta estos cables.
También se usan bastante en circuitos cerrados de TV (CCTV), donde las cámaras se conectan por cable coaxial a las grabadores de video.
Otro modo de empleo es en Internet por cable, es decir, la fibra llega hasta la entrada del edificio y quien paga se le da una acceso por cable coaxial.
Su medio es compartido (half-dúplex).
Composición:
- Cable central (núcleo).
- Una malla o tierra que cierran el circuito.
- Las dos anteriores no se pueden tocar y por tanto en medio hay una capa de aislante eléctrico o dieléctrico (plastic insulation).
- Conectores: BNC, N type, F type
Cableado UTP
Se compone de pares de cables trenzados no blindados y se utiliza para conectar dispositivos en redes de menor escala.
Propiedades del cableado UTP
Se usan en el 85% de las instalaciones de Ethernet hay este tipo de cables. En un CDP tendríamos STP. Utilizan un conector RJ-45.
Si hablamos de un conector es macho, si es una roseta, es hembra. Los machos vienen prefabricados, los conectores hembra hay que montarlas a mano.
Los cables UTP tienen 4 pares de cables codificados por colores. Cada pin del cable tiene su función. No podemos mezclar los colores a la hora de montar el mismo. Es mucho más barato que los que tienen escudo.
Son cables flexibles, de tamaño pequeño, fáciles de instalar y manejar. Cada 2 cables se genera una espiral para minimizar el efecto crosstalk. Cada cable del UTP genera interferencias el uno con el otro que tienen al lado. Para evitarlo se les trenza para generar ondas electromagnéticas de sentido opuesto y conseguir una señal plana.
Además, para evitar que haya un acoplamiento entre los pares de cables, la frecuencia de las trenzas entre un cable y otro va a ser diferente. No tienen el mismo número de trenzas los pares BN-N que BV-V, es diferente por metro lineal.
Podemos comprar cables de distinta categoría:
| Categoría de cable | Frecuencia máxima | Velocidad máxima | Ancho de banda | Distancia máxima |
|---|---|---|---|---|
| Cat 3 (telefonía, conector RT-11) | 16 MHz | 10 Mbps | 16 MHz | 100 metros |
| Cat 5 (redes Ethernet) | 100 MHz | 100 Mbps | 100 MHz | 100 metros |
| Cat 5e | 100 MHz | 1 Gbps | 100 MHz | 100 metros |
| Cat 6 | 250 MHz | 1 Gbps | 250 MHz | 100 metros |
| Cat 6a | 500 MHz | 10 Gbps | 500 MHz | 100 metros |
Conectores y estándares de cableado UTP
Utiliza conectores RJ-45 para conectarse a los dispositivos de la red. Estos conectores se utilizan en los cables UTP directos y cruzados. Cuenta con estándares que especifican cómo se deben construir los cables. El estándar más común es el TIA/EIA-568-B, el cual especifica cómo se deben construir los cables UTP directos y cruzados.
Cables UTP directos y cruzados
- Directos (Ethernet straight-through): cables paralelos. Si en un extremo el pin uno es el BN, en el otro extremo también tiene que ser el BN. Se usan para conectar un host con un switch y un switch con un router.
- Cruzados (Ethernet Crossover): ciertos pines se cruzan. Donde tenemos el 2 en un extremo, va al 3 en el otro y a la inversa. Si cruzamos B con A. Si el BN es el 1 en el A, en el B el BN es el pin 3 y así sucesivamente.
- Rollover: el pint uno con el 8 del otro extremo, el 2 con el 7, el 3 con el 6 y así. Es un cable azul para la consola exclusivo de CISCO.
En un entorno full-dúplex, los curzados emiten en un sitio y en otro reciben. Los directos solo emiten y el switch los ayuda a recibir.
Se puede dar el caso que conectes un switch con otro con un cable que no es. Puede que funcione pues lo cruza internamente gracias a un proceso de negociación llamado AUTO M-DIX.
Cableado de fibra óptica
El cableado de fibra óptica transmite señales de luz a través de los medios de transmisión.
El siguiente video muestra cómo se transmite la luz por un este medio. Es un haz de luz que circula por dentro del cable de fibra. Demuestra como si el cable se tuerce, la luz también y no sigue circulando de manera horizontal. Es por la reflexión de la luz, si choca contra un objeto, rebota.
Propiedades del cableado de fibra óptica
- Es más barato que el cobre.
- Es inmune a los ruidos (EMI/RFI).
- Nos permite largas distancias pues tiene menos atenuación que el de cobre. La fibra puede llegar hasta los 550 metros e incluso alcanzar kilómetros.
- Su ancho de banda es mayor gracias al descenso de la atenuación lo que nos ayuda a conseguir altas velocidades.
- Se utiliza para conectar dispositivos intermediarios (routers, switches). También end devices en un entorno CDP.
Tipos de medios de fibra
- Single-mode fiber (SMF / monomodo): son los amarillos. Tienen un límite de 50km con un ancho de banda de hasta 100 gbits/segundo.
- Core de 9 microns.
- Cladding de 125 microns.
- Menor dispersión (menos atenuación, más distancia).
- Un único haz de luz.
- Se utiliza láser para iluminar la fibra.
- Más caro.
- Multimodo: son los azules o naranjas. Límite de 550 metros y una ancho de banda de 10 gbits/segundo si el core es de 50 microns o 1gbits/segundo con el de 62,5.
- Más fáciles de hacer, instalar y más baratos.
- Mayor dispersión (más atenuación).
- Más de 1 haz de luz (rebotan).
- Se utilizan leds para ilumniar la fibra.
Uso del cableado de fibra óptica
Lo usan las enterprise networks, FTTH (fiber-to-the-home), long-haul networks (conectan ciudades), cables submarinos (más resistentes a las corrosiones). Debajo del mar la fibra tiene un extra de cable para poder cambiar las baterías y también debido a las placas tectónicas.
Conectores de fibra óptica
El cableado de fibra óptica utiliza conectores especiales para conectar las fibras ópticas a los dispositivos de la red. Los conectores más comunes son:
- Conector ST: son redondos de punta recta.
- Conector SC: son cuadrados. Se conectan a la parte delantera del patch panel de fibras.
- Conector LC (lucent connector): son los que más se usan.
Todos pueden ser:
- Single (half-dúplex): una punta en cada extremo. Mientras emitimos no podemos recibir si solo llega un conector.
- Dual (full-dúplex): emiten y reciben a la vez.
Podemos mezclarlos en los dos extremos: LC con LC, LC con SC, SC con SC o SC con ST.
Cables de conexión de fibra
Los cables de conexión de fibra se utilizan para conectar los dispositivos de red a los paneles de conexión en los centros de datos. Estos cables son cortos y se utilizan para conectar los dispositivos de red a los paneles de conexión.
Fibra versus cobre
La elección entre fibra y cobre depende de las necesidades específicas de la red. La fibra óptica es más rápida y más resistente a la interferencia electromagnética que el cobre, pero también es más cara.
El cobre es más económico y es adecuado para redes de menor escala, pero puede ser vulnerable a la interferencia electromagnética y puede tener limitaciones de distancia.
| Cable de cobre | Fibra óptica | |
|---|---|---|
| Velocidad de transmisión | Limitada a una velocidad de 1 Gbps o menos en distancias largas | Alta velocidad de transmisión, que puede llegar a decenas de Gbps en distancias largas |
| Ancho de banda | Limitado a un ancho de banda máximo de 100 MHz | Ancho de banda extremadamente alto, que puede llegar a cientos de terahertz |
| Interferencia electromagnética | Sensible a la interferencia electromagnética, lo que puede afectar la calidad de la señal | Inmune a la interferencia electromagnética |
| Distancia de transmisión | Limitada a una distancia de transmisión máxima de unos pocos cientos de metros | Distancia de transmisión máxima de varios kilómetros sin necesidad de repetidores |
| Tamaño y peso | Cables gruesos y pesados debido al diámetro del cobre | Cables delgados y ligeros debido a su estructura de fibra de vidrio |
| Seguridad | Puede ser interceptado con facilidad debido a la radiación electromagnética que emite | Difícil de interceptar debido a la naturaleza de la transmisión de luz |
Medios inalámbricos
Además de los medios de transmisión cableados, también existen medios inalámbricos que se utilizan en las redes de computadoras. Los medios inalámbricos utilizan ondas electromagnéticas para transmitir las señales a través del aire.
Propiedades de los medios inalámbricos
Los medios inalámbricos tienen varias propiedades importantes que los hacen adecuados para su uso en las redes de computadoras. Algunas de estas propiedades son:
- Son flexibles: los medios inalámbricos son flexibles y pueden utilizarse en entornos móviles.
- Son económicos: los medios inalámbricos son relativamente económicos en comparación con los medios cableados.
Tipos de medios inalámbricos
Existen varios tipos de medios inalámbricos que se utilizan en las redes de computadoras. Los más comunes son:
- LAN inalámbrica: las LAN inalámbricas se utilizan para conectar dispositivos de red en un área local utilizando ondas electromagnéticas.
- Wi-Fi (IEEE 802.11): el Wi-Fi es una tecnología de red inalámbrica que se utiliza para conectar dispositivos a una red local o a Internet.
- Bluetooth (IEEE 802.15): el Bluetooth es una tecnología de red inalámbrica que se utiliza para conectar dispositivos de corta distancia, como los teléfonos móviles y los auriculares.
- RFID: el RFID es una tecnología de red inalámbrica que se utiliza para identificar objetos a través de ondas electromagnéticas.
- WiMAX (IEEE 802.16): WISP WAN. Torre con antenas WIMAX para conectar sedes remotas donde hay otras antenas que se conectan a una LAN.
Anexos que no están en CISCO
Ondas electromagnéticas
Espectros: son frecuencias que utilizan las ondas. Por ejemplo, tenemos el espectro de lo audible, esto es, aquellas ondas que nuestro oído puede escuchar y llevar a nuestro cerebro para interpretar música, palabras, etc.
También tenemos el espectro de lo visible, es decir, lo que vemos. Desde el infrarrojo (que no lo vemos) hasta los violetas (los ultravioletas no los vemos). Esto significa que por debajo del espectro del rojo (la onda que genera el color rojo), nuestro ojo ya no es capaz de ver. Por tanto, las ondas electromagnéticas que generan el color violeta, es lo máximo que podemos ver.
Dentro de las ondas de radio (FM, AM, PM) tenemos las ondas y el espectro de las microondas.
El espectro de las microondas son ondas de alta frecuencia. ¿Por qué se llama al aparato de casa donde calentamos la comida así? Pues por que utiliza una de las frecuencias de las microondas. Este espectro va desde los 0.2 Ghz hasta los 170 Ghz.
A veces, dentro de un espectro, dividimos en bandas. Por ejemplo, la banda de wifi es la 2.4 Ghz y la de los AP es de 5 Ghz.
La frecuencia es la medida de cuántas veces en 1 segundo pasa la onda 2 veces por amplitud 0. Por ejemplo, si decimos que nuestra wifi está en el espectro de 2.4 Ghz, son 2.4 millones de veces por segundo que se repite la onda.
Normalmente las frecuencias son inversamente proporcionales al alcance de la onda, es decir, a mayor frecuencia tenemos menor atenuación y menos lejos llega la onda.
La wifi de 2.4 tiene más alcance que la de 5 Ghz. Para que la de 5 Ghz tenga el mismo alcance que la de 2.4, hay que aumentar la potencia de las antenas para que llegue igual de lejos.
Lo contrario de la frecuencia es el periodo. Esto es, cuánto tiempo lleva a una onda hacer un ciclo copleto (no un segundo). La medida de la frecuencia son los hercios (Hz).
Vamos a dibujar el movimiento oscilatorio o sinusoidal y que se repite en el tiempo. Ello nos indica la frecuencia, es decir, cuántas veces por segundo se repite.
Cableado horizontal
Imaginemos que nuestro PC está en una aula y su NIC se conecta a la Roseta. Vamos explicar en la siguiente imagen, paso a paso como podríamos lograr un cableado horizontal.
Instalación de fibra óptica Ethernet con 2 switches con Transceiver
Un Instituto tiene un cable de fibra que nos conecta con telefónica (SMF). Este cable va a un MPLS que genera múltiples VPNs con el exterior. Hay un conversor de fibra a cobre para inyectar en el MPLS. Del MPLS salen varios cobres a un switch mixto (hay varias conexiones de fibra (MMF) y de cobre).
En el rack hay un cable azul (MMF 50-125) que nos conecta al switch. Estos cables que conectan dispositivos se llaman Cableado Vertical.
Los patch panel están numerados para identificar la roseta en su parte trasera que se conecta con la parte trasera del patch panel (Cableado Horizontal).
La parte trasera del patch panel para a otro patch panel en su parte posterior al otro extremo del edifico mediante un latiguillo. Y en su parte delantera une el patch panel con el switch.
