Mitjans físics de transmissió

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) encara que el valor que s'utilitza és la impedància.

Els tipus principals de medis físics són:

• El cablatge de coure.

• El cablatge de fibra òptica.

• La mateixa atmosfera, usada en transmissions sense cable, mitjançant radiofreqüències, satèl·lits, etc.

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 troncal o Backbone és la part del cablatge que actua com a ruta principal per al trànsit de la xarxa o l’encamina a altres xarxes.

Cablatge de coure

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 o ScTP.

• Cable de parells trenats no blindats UTP.

Cable coaxial

Esquema d’un cable coaxial

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.

Connector d’un cable coaxial BNC

L’estructura del cable coaxial consta d’un fil de coure central embolcallat per un aïllament de plàstic. L’aïllant està voltat per una malla trenada, i aquesta coberta per un revestiment exterior aïllant. Les característiques generals del cable coaxial són:

• Velocitat i taxa de transferència 10-100-1000 Mbps.

• Cost: econòmic.

• Longitud màxima del cable: 500 metres.

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 10BASE5 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.

Cable de parell trenat

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.

L’estructura d’un cable de parell trenat és la d’un cable de comunicacions flexible, que conté parells de fils de coure aïllats per un embolcall plàstic i enrotllats entre ells per evitar les interferències electromagnètiques i recoberts per un plàstic aïllant. Els models comercials més utilitzats i normalitzats són els següents:

Cable de parells trenats no blindats UTP.

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.

Esquema de cable blindat UTP

El cable UTP s'organitza en categories que certifiquen que el cable compleix un requisits de qualitat i indiquen l'amplada de banda màxima que admeten.

El cable UTP categoria 5 té una velocitat de transmissió de 100 Mbps. Moltes instal·lacions antigues Ethernet encara empren aquesta categoria i no és difícil trobar-ne cables, connectors i rosetes. En una instal·lació moderna s'hauria de posar almenys cable UTP de categoria 6 o fibra òptica.

El cable de parells trenats no blindats UTP és més sensible al soroll elèctric i la interferència que altres tipus de medis de networking. La distància màxima recomanada entre repetidors és de 100 m, i el seu rendiment és de 10,100,1000 i 10000 Mbps. Amb l'aprovació de 2.5G/5GBASE-T el setembre de 2016 les velocitats de 2500Mbps (amb cable CAT 5e) i 5000 Mbps (amb cable de CAT6) es faran possibles.

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. 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.

Connectors per cable de parells trenats

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 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 la roseta de la paret o al patch panel del rack, 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 o grimpadora d'impacte. Vegeu un exemple en la imatge. El mateix connector es pot instal·lar en superfície, o «enracar» en un armari de comunicacions.

Els connectors també funcionen amb categories, les mateixes que el cable. L'amplada de banda resultant serà la menor entre cable i connector

Per centralitzar els diferents connectors RJ-45, s’utilitzen uns dispositius especials, denominats taulers de connexió o patch panels. Vénen proveïts de dotze, vint-i-quatre o quaranta-vuit ports i normalment es munten en un bastidor o rack. 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.

En les xarxes LAN Ethernet normalment tots els cablatges horitzontals es realitzen mitjançant cable UTP i connectors RJ45. 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.

Armari de comunicacions o rack

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)

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 equip(ordinador) a un commutador o un commutador a un router.

Esquema de connexió directa

• Connexió encreuada (cross-over). S’utilitza per connectar dos elements del mateix tipus. Serveix per connectar 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.

Esquema de connexió encreuada

A simple vista, un cable creuat i un cable directe no es diferencien en res, la qual cosa ha portar i porta a molts problemes per la confusió que provoca. Si teniu cables dels dos tipus, hauríeu de tenir un criteri per distingir-los (com pot ser el color). Actualment, es tendeix a emprar poc els cables creuats, ja que els commutadors actuals es poden interconnectar amb cables directes amb Auto-MDIX cosa que els hubs no permetien.

Auto Medium Dependent Interface Crossover (Auto-MDIX). Un port de xarxa solia utilitzar bé MDI per a connexions "directes", bé MDIX per a connexions "creuades". En general, les targetes de xarxa de les estacions fan servir MDI, i els commutadors fan servir MDIX perquè els cables de coure coincideixin. Tradicionalment, si volíem interconnectar els ports de dos dispositius MDI-MDI o MDIX-MDIX havíem de fer servir un cable creuat construït a aquest efecte, però gràcies a l'Auto-MDIX, molts dispositius de xarxa entre els quals es troben la gran majoria de les targetes de xarxa presents a portàtils/sobretaules/servidors són capaços de "creuar-se" automàticament, el que elimina la necessitat del cable creuat. Si la nostra targeta (i el seu driver) el suporten, podrem usar els cables directes de tota la vida per connectar dos equips directament entre si.

Estàndards EIA/TIA 568A i 568B

Hi ha dues maneres de distribuir els parell trenats en el connectors: una distribució és la 568A i l'altre 568B. Les dues funcionen igual, perfectament, però s'ha de tenir clar quin dels dos esquemes es fan servir.

Un cable que en els dos terminals tengui la mateixa distribució (per exemple, als dos llocs 568B) serà un cable directe. Mentre que un cable que tingui diferents distribucions, és a dir, en un terminal 568A i en l'altre 568B, serà un cable creuat.

Principals problemes dels cables UTP

Diafonia (crosstalk) El senyal elèctric transmès per un parell indueix corrents en els altres parells. El senyal induït en cables veïns es propaga en ambdues direccions.

Atenuació. Qualsevol senyal en propagar-se per un mitjà de transmissió perd potència.

L'atenuació es pot compensar amb un emissor més potent o un receptor més sensible. La diafonia imposa una limitació en l'ús d'aquestes tècniques A mesura que augmenta la freqüència, l'atenuació i la diafonia augmenten. Per a un cable donat hi ha una freqüència a la qual la intensitat de la diafonia és comparable a la de la pròpia senyal → aquesta és la freqüència màxima aprofitable d'un cable i fixa el seu ample de banda

Cablatge de fibra òptica

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.

Cable de fibra òptica

Un cable de fibra òptica 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.

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 pot variar enormement (40km). Per més informació consultau https://en.wikipedia.org/wiki/10_Gigabit_Ethernet .

Actualment s’utilitza per al troncal de la xarxa.

El cable de fibra òptica té dos modes: monomode i multimode.

Connector de fibra òptica

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.

Fibra monomode i multimode

Avís- La intensitat del làser fa que sigui perillós mirar directament una fibra òptica: per exemple, pot causar ferides als ulls.

La fibra multimode

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. Transmeten unes quantes ones de llum alhora el que provoca que pateixin el fenomen conegut com d**ispersió modal** (és un mecanisme de distorsió degut a què el senyal que es transmet en el temps no és la mateixa per a tots els modes).

La dispersió modal

Comunicació sense fils

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.

Hi ha diversos medis de transmissió sense fils, capaços de transmetre paquets per la xarxa:

• Ones de ràdio.

• Infraroges.

• Microones.

Totes aquestes tecnologies transmeten els senyals per l’aire.

Les diferències estan reflectides en la taula 1.3. 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.

Taula 1.3. Avantatges i desavantatges de les diferents tecnologies sense fils

Ones de ràdio

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).

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, mesurada en hertzs.

Ones infraroges

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 16Mbps en comunicacions unidireccionals, i fins a 1Mbps 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.

Microones

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 10Mbps. 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.

WLANs

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.

Una WLAN (xarxa local sense fils) és una extensió d’una xarxa cablada estàndard LAN i complementària d’aquesta i que en determinats contextos en pot arribar a ser una alternativa. 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. 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.

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.

La 802.11g funciona en el rang 2,4 a 54Mb/s

La norma 802.11n funciona en les freqüències 2'4GHz i 5GHz i la seva velocitat depèn del nombre d'antenes, oferint 150Mb/s per antena fins a un màxim teòric de 4 antenes (600Mbps) però comercialment només es troben dispositius d'un màxim de 3 antenes (450Mbps)

La última norma, la 802.11ac funciona en la freqüència 5GHz i la seva velocitat arriba a 1’3Gb.

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.

Qualsevol persona que faci una volta per a una botiga local d'ordinadors veurà un munt de dispositius que s'adhereixen a l’estàndard 802.11 (xarxa sense fil). Hi ha pocs dubtes sobre la popularitat del wireless. Fa l'efecte, però, que aquesta popularitat del 802.11 està empenyent a les xarxes de cable a l'oblit. Qui sap si algun dia serà així però la manca de fiabilitat de les xarxes sense fils i la seva lenta velocitat (en comparació amb Gigabit Ethernet) fa que siguin ben difícils d'utilitzar en un xarxa mitjana que requereixi una alta fiabilitat i velocitat. El wireless té molt sentit a les llars, a la cafeteria local i en oficines que no requereixen alta velocitat i fiabilitat, però qualsevol xarxa que no es pot permetre una alta latència, baixa velocitat o possibles intrusions seguirà utilitzant cables.

PAN's

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 fixes i mòbils, com són ara ordinadors portàtils, telèfons mòbils, ordinadors de butxaca (PDA) i altres dispositius similars, sense utilitzar cables. Entorn d’aquesta tecnologia es creen petites xarxes sense fils que permeten, per exemple, la sincronització de dades entre dispositius

Xarxa d’àrea personal (PAN)

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’1Mb/s, tot i que en la versió 2 pot arribar fins a 3 Mb/s.

Capa física de xarxes d’àrea extensa (WAN)

Per interconnectar una xarxa amb altres xarxes remotes, o bé dispositius remots entre si, cal utilitzar els serveis d’una xarxa d’àrea extensa WAN. 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, però també es pot utilitzar la infraestructura de la TV per cable, els satèl·lits, el 3G i altres.

Exercicis

• En les xarxes d'àrea local, quin és cablatge més emprat? Per quin ús es reserva, principalment, la fibra òptica?

• Quines avantatges té el cable coaxial enfront del cable de parell trenat?

• Pensa algunes situacions on convé emprar cablatge STP enlloc de UTP.

• En què es diferencia la fibra monomode de la multimode?

• Què és el Bluejacking?

• Es vol establir un sistema de comunicació sense fils. Indica en cada un d'aquests casos quina o quines són les millors opcions. Justifica la teva resposta:

  • Comunicar un vaixell amb una base científica a l'Antàrtida.

  • Comunicar un ratolí amb l'ordinador

  • Comunicar una petita flota pesquera de 3 vaixells

• Cerca a internet la velocitat i la freqüència de les normes IEEE 802.11g, 802.11n i 802.11ac