2.1.2 Señalización y Codificación de la Capa Física
2.1.2 Señalización y Codificación de la Capa FísicaSeñalización Eventualmente, todas las comunicaciones desde la red humana se convierten en dígitos binarios que se transportan individualmente a través de los medios físicos. Si bien todos los bits que conforman una trama se presentan ante la capa física como una unidad, la transmisión de la trama a través de los medios se realiza mediante un stream de bits que se envían uno por vez. La capa Física representa cada uno de los bits de la trama como una señal. Cada señal ubicada en los medios cuenta con un plazo específico de tiempo para ocupar los medios. Esto se denomina tiempo de bit. Las señales se procesan mediante el dispositivo receptor y se vuelven a enviar para representarlas como bits. En la capa física del nodo receptor, las señales se vuelven a convertir en bits. Luego se examinan los bits para los patrones de bits del comienzo y el final de la trama con el objetivo de determinar si se ha recibido una trama completa. Luego la capa Física envía todos los bits de una trama a la capa de Enlace de datos. El envío exitoso de bits requiere de algún método de sincronización entre el transmisor y el receptor. Se deben examinar las señales que representan bits en momentos específicos durante el tiempo de bit, para determinar correctamente si la señal representa un "1" o un "0". La sincronización se logra mediante el uso de un reloj. En las LAN, cada extremo de la transmisión mantiene su propio reloj. Muchos métodos de señalización utilizan transiciones predecibles en la señal para proporcionar sincronización entre los relojes de los dispositivos receptores y transmisores. Métodos de Señalización Los bits se representan en el medio al cambiar una o más de las siguientes características de una señal:
La naturaleza de las señales reales que representan los bits en los medios dependerá del método de señalización que se utilice. Algunos métodos pueden utilizar un atributo de señal para representar un único 0 y utilizar otro atributo de señal para representar un único 1. Por ejemplo, con el método sin retorno a cero (NRZ), un 0 puede representarse mediante un nivel de voltaje en los medios durante el tiempo de bit y un 1 puede representarse mediante un voltaje diferente en los medios durante el tiempo de bit. También existen métodos de señalización que utilizan transiciones, o la ausencia de éstas, para indicar un nivel lógico. Por ejemplo, la codificación Manchester indica un 0 mediante una transición de alto a bajo voltaje en el medio del tiempo de bit. Para un 1, existe una transición de bajo a alto voltaje en el medio del tiempo de bit. El método de señalización utilizado debe ser compatible con un estándar para que el receptor pueda detectar las señales y decodificarlas. El estándar incluye un acuerdo entre el transmisor y el receptor sobre cómo representar los 1 y los 0. Si no existe un acuerdo de señalización, es decir, si se utilizan diferentes estándares en cada extremo de la transmisión, la comunicación a través del medio físico no se podrá llevar a cabo. Los métodos de señalización para representar bits en los medios pueden ser complejos. Observaremos dos de las técnicas más simples para ejemplificar el concepto.
Señalización NRZ Como primer ejemplo, examinaremos un método simple de señalización: sin retorno a cero (NRZ). En NRZ, el stream de bits se transmite como una secuencia de valores de voltaje, tal como se muestra en la figura. Un valor de bajo voltaje representa un 0 lógico y un valor de alto voltaje representa un 1 lógico. El intervalo de voltaje depende del estándar específico de capa Física utilizado. Este método simple de señalización sólo es adecuado para enlaces de datos de velocidad lenta. La señalización NRZ no utiliza el ancho de banda de manera eficiente y es susceptible a la interferencia electromagnética. Además, los límites entre bits individuales pueden perderse al transmitir en forma consecutiva secuencias largas de 1 ó 0. En dicho caso, no se detectan transiciones de voltaje en los medios. Por lo tanto, los nodos receptores no tienen una transición para utilizar al resincronizar tiempos de bit con el nodo transmisor.
Codificación Manchester En lugar de representar bits como impulsos de valores simples de voltaje, en el esquema de codificación Manchester, los valores de bit se representan como transiciones de voltaje. Por ejemplo, una transición desde un voltaje bajo a un voltaje alto representa un valor de bit de 1. Una transición desde un voltaje alto a un voltaje bajo representa un valor de bit de 0. Como se muestra en la figura, se debe realizar una transición de voltaje en la mitad de cada tiempo de bit. Esta transición puede utilizarse para asegurar que los tiempos de bit en los nodos receptores se encuentren sincronizados con el nodo transmisor. La transición en la mitad del tiempo de bit será en dirección ascendente o descendente para cada unidad de tiempo en la cual se transmite un bit. Para los valores de bit consecutivos, una transición en el límite del bit "configura" la transición adecuada de tiempo medio de bit que representa el valor del bit. Si bien no es lo suficientemente eficiente como para ser utilizada en velocidades de señalización superiores, la codificación Manchester constituye el método de señalización empleado por Ethernet 10BaseT (Ethernet se ejecuta a 10 megabits por segundo).
Codificación En la sección anterior, describimos el proceso de señalización según la forma en la que se representan los bits en los medios físicos. En esta sección, utilizamos la palabra codificación para representar una agrupación simbólica de bits antes de ser presentados a los medios. Al utilizar el paso de codificación antes de ubicar las señales en los medios, mejoramos la eficiencia mediante una transmisión de datos de mayor velocidad. A medida que utilizamos mayores velocidades en los medios, existe la posibilidad de que los datos se dañen. Al utilizar los grupos de codificación, podemos detectar errores de manera más eficiente. Además, a medida que aumenta la demanda de velocidades de datos, buscamos formas de representar más datos a través de los medios mediante la transmisión de menos bits. Los grupos de codificación proporcionan un método para realizar esta representación de datos. La capa física del dispositivo de red debe ser capaz de detectar señales legítimas de datos e ignorar señales aleatorias sin datos que también pueden encontrarse en el medio físico. El stream de señales que se transmite necesita iniciarse de tal forma que el receptor reconozca el comienzo y el final de la trama. Patrones de Señales Una forma de detectar tramas es iniciar cada trama con un patrón de señales que represente los bits que la capa física reconoce como indicador del comienzo de una trama. Otro patrón de bits señalizará el final de la trama. Los bits de señales que no se entraman de esta manera son ignorados por la capa física estándar que se utiliza. Los bits de datos válidos deben agruparse en una trama. De lo contrario, los bits de datos se recibirán sin ningún contexto para darle significado a las capas superiores del modelo de networking. La capa de enlace de datos, la capa física o ambas pueden proporcionar este método de tramado. La figura describe algunos de los objetivos de la señalización de patrones. Los patrones de señales pueden indicar: el comienzo, el final o el contenido de una trama. Estos patrones de señales pueden codificarse en bits. Los bits se interpretan como códigos. Los códigos indican la ubicación donde comienzan y finalizan las tramas.
Grupos de Códigos Las técnicas de codificación utilizan patrones de bits denominados símbolos. Es posible que la capa física utilice un conjunto de símbolos codificados, denominado grupos de códigos, para representar la información de control o los datos codificados. Un grupo de códigos es una secuencia consecutiva de bits de código que se interpretan y asignan como patrones de bits de datos. Por ejemplo, los bits de código 10101 podrían representar los bits de datos 0011. Como se muestra en la figura, los grupos de códigos a menudo se utilizan como una técnica de codificación intermediaria para tecnologías LAN de mayor velocidad. Este paso se realiza en la capa Física antes de generar señales de voltaje, impulsos de luz o radiofrecuencias. La transmisión de símbolos mejora la capacidad para detectar errores y la sincronización de los tiempos entre los dispositivos receptores y transmisores. Estas son consideraciones de importancia al admitir la transmisión de alta velocidad a través de los medios. Aunque el uso de grupos de códigos agrega sobrecarga en forma de bits extra para transmitir, mejoran la solidez de un enlace de comunicaciones. Esta característica se aplica especialmente a la transmisión de datos de mayor velocidad. Entre las ventajas de utilizar grupos de códigos se incluyen:
Reducción de los Errores en el Nivel de Bits Para detectar correctamente un bit individual como un 0 o un 1, el receptor debe saber cómo y cuándo probar la señal en los medios. Este paso requiere la sincronización de los tiempos entre el receptor y el transmisor. En muchas tecnologías de la capa Física, las transiciones en los medios se utilizan para esta sincronización. Si los patrones de bit que se transmiten en los medios no crean transiciones frecuentes, esta sincronización puede perderse y ocasionar un error binario individual. Los grupos de códigos se diseñan para que los símbolos obliguen la introducción de un amplio número de transacciones de bits en los medios para sincronizar estos tiempos. Esto se logra utilizando símbolos para asegurar que no se utilicen demasiados 1 ó 0 en forma consecutiva. Limitación de la Energía Transmitida En muchos grupos de códigos, los símbolos garantizan el equilibrio entre la cantidad de 1 y 0 en una secuencia de símbolos. El proceso de equilibrar la cantidad de números 1 y 0 transmitidos se denomina equilibrio DC. Este método evita que se incluyan cantidades excesivas de energía en los medios durante una transmisión. De esta manera, se reduce la interferencia generada desde los medios. En muchos métodos de señalización de medios, un nivel lógico, por ejemplo un 1, se representa mediante la presencia de energía que se envía a los medios, mientras que el nivel lógico opuesto, un 0, se representa como la ausencia de esta energía. La transmisión de una secuencia larga de números 1 podría recalentar el láser transmisor y los fotodiodos en el receptor, lo que podría causar elevados índices de error. Distinción entre Datos y Control Los grupos de códigos incluyen tres tipos de símbolos:
Todos los símbolos codificados en los medios son exclusivos. Los símbolos que representan datos que se envían a través de la red tienen diferentes patrones de bit de los símbolos utilizados para control. Estas diferencias permiten que la capa física en el nodo receptor identifique inmediatamente datos desde la información de control. Mejoras en la Detección de Errores en los Medios Además de los símbolos de datos y de control, los grupos de códigos incluyen símbolos inválidos. Éstos son los símbolos que pueden crear secuencias largas de 1 ó 0 en los medios. Por lo tanto, no son utilizados por el nodo transmisor. Si un nodo receptor recibe uno de estos patrones, la capa física puede determinar que se ha producido un error en la recepción de datos.
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