Se debe dominar el aprendizaje básico de la red: una descripción general de la capa física de la red (versión completa)

Descripción general de la capa física

La capa física es una capa en una red informática, ubicada en la parte inferior del modelo OSI (Open Systems Interconnection), responsable de transmitir el flujo de bits sin procesar (bitstream) en un medio físico, como un cable, fibra óptica o canal inalámbrico. .

La tarea principal de la capa física es transmitir datos de un nodo a otro, asegurando la transmisión confiable de datos en el medio de transmisión.

Los siguientes son algunos conceptos importantes de la capa física:

1. Medio de transmisión

La capa física se ocupa de los medios de transmisión, incluidos cables (por ejemplo, par trenzado, cable coaxial), fibra óptica y canales inalámbricos (por ejemplo, ondas de radio, infrarrojos, etc.).

1.1 Par Trenzado

El par trenzado es un medio de transmisión ampliamente utilizado, dividido en par trenzado sin blindaje (UTP) y par trenzado blindado (STP). Reducen las interferencias electromagnéticas al torcer dos cables de cobre aislados. Los cables de par trenzado se utilizan para conexiones de redes de área local y amplia, como Ethernet.

1.2 Cable coaxial

Un cable coaxial consta de un conductor interior, aislamiento, blindaje metálico y cubierta exterior. Es ampliamente utilizado en transmisión de TV por cable, red de área local y acceso de banda ancha.

1.3 Fibra Óptica

La fibra óptica es un medio de transmisión con una velocidad de transmisión muy alta y una fuerte antiinterferencia. Transmite datos a través de señales ópticas, que se pueden dividir en fibra monomodo y fibra multimodo. Las fibras ópticas se utilizan en redes de banda ancha de alta velocidad, comunicaciones de larga distancia e interconexiones de centros de datos.

1.4 Canal inalámbrico

Un canal inalámbrico es un medio de transmisión a través de ondas de radio, microondas, rayos infrarrojos, etc. Las tecnologías de transmisión inalámbrica comunes incluyen Wi-Fi, Bluetooth, redes celulares (como 4G y 5G), etc. La transmisión inalámbrica es adecuada para aplicaciones como dispositivos móviles, comunicaciones móviles e Internet de las cosas.

1.5 Comunicación por línea eléctrica (PLC)

El PLC utiliza líneas eléctricas para transmitir señales de datos y puede realizar conexiones de red en hogares, oficinas, etc. sin cableado de red adicional.

1.6 Infrarrojos

El infrarrojo es una onda electromagnética que se puede utilizar para comunicaciones inalámbricas de corta distancia, como control remoto por infrarrojos, transmisión de datos por infrarrojos, etc.

1.7 Gekko Tsushin

La comunicación láser utiliza rayos láser para transmitir datos y generalmente se usa en conexiones de comunicación de alta velocidad y larga distancia, como la comunicación por satélite y la comunicación por fibra óptica.

2. Transmisión de señal

La señalización se refiere al proceso de transferir datos de un remitente a un receptor en un sistema de comunicación. Durante la transmisión de la señal, los datos digitales se convierten en una señal analógica (modulación), luego se transmiten en el medio de transmisión y, finalmente, la señal analógica se convierte nuevamente en datos digitales en el extremo receptor (demodulación).

2.1 Medio de transmisión

El medio de transmisión es el medio físico para la transmisión de señales analógicas, que pueden ser cables, fibras ópticas, canales inalámbricos, etc. Los diferentes medios de transmisión tienen diferentes características, como la distancia de transmisión, el ancho de banda, la atenuación de la señal y el ruido, etc.

2.2 Transmisión y difusión

Durante la transmisión, una señal analógica se propaga a través del medio de transmisión. Durante la transmisión, puede encontrar problemas como atenuación de la señal, distorsión e interferencias, que pueden afectar la calidad de la señal.

La transmisión de señales es un vínculo importante en el sistema de comunicación, lo que afecta la calidad y confiabilidad de la comunicación. La tecnología de modulación adecuada y la selección del medio de transmisión pueden garantizar que los datos no se pierdan durante la transmisión y que los datos originales puedan restaurarse con precisión en el extremo receptor. Diferentes tipos de sistemas y aplicaciones de comunicación pueden utilizar diferentes métodos de modulación y medios de transmisión para satisfacer necesidades de comunicación específicas.

3. Velocidad de transmisión

La velocidad de transmisión, también conocida como velocidad de bits (Bit Rate) o velocidad de datos, se refiere a la cantidad de bits (dígitos binarios) transmitidos por unidad de tiempo en la comunicación digital. Es un indicador para medir la velocidad de transmisión de datos, generalmente expresada en la cantidad de bits transmitidos por segundo, y la unidad es bps (bits por segundo). La velocidad de transmisión se utiliza para describir la velocidad de transmisión y la utilización del ancho de banda de los datos en el sistema de comunicación.
La velocidad de transmisión se ve afectada por muchos factores, incluido el método de modulación de la señal, las características del medio de transmisión, la tecnología de codificación y el diseño del sistema de comunicación. A continuación se muestran algunos conceptos comunes relacionados con la tasa de transferencia:

3.1 Tarifa Física

La velocidad física se refiere a la velocidad de transmisión bruta en un canal, generalmente en bits por segundo (bps). Depende del método de modulación y de las características del canal.

3.2 Tasa Efectiva

La tasa efectiva tiene en cuenta algunos gastos generales en el proceso de comunicación, como códigos de corrección de errores, sincronización de tramas, etc., y la cantidad real de bits de datos transmitidos puede ser ligeramente menor que la tasa física.

3.3 Tasa de símbolo

La velocidad de símbolo se refiere a la cantidad de símbolos transmitidos por unidad de tiempo, y un símbolo puede ser una combinación de varios bits. En algunos esquemas de modulación, un símbolo puede representar múltiples bits, por lo que la velocidad del símbolo puede diferir de la velocidad de transmisión.

3.4 Velocidad en baudios

La velocidad en baudios se refiere al número de cambios de señal por unidad de tiempo, que generalmente se usa en la modulación analógica. En las comunicaciones digitales, la velocidad en baudios y la velocidad de símbolos pueden ser iguales o estar relacionadas.

La velocidad de transmisión es uno de los parámetros importantes en el diseño de sistemas de comunicación. Las altas tasas de transferencia pueden soportar mayores volúmenes de transferencia de datos, pero también requieren un ancho de banda más amplio y una calidad de señal más fuerte. Diferentes aplicaciones y escenarios pueden requerir diferentes velocidades de transmisión, por lo que factores como el ancho de banda, la relación señal-ruido y la señal-interferencia deben considerarse de manera integral al diseñar un sistema de comunicación para lograr una transmisión de datos confiable y eficiente.

4. Modulación y demodulación

La modulación es el proceso de convertir datos digitales en una señal analógica, mientras que la demodulación es el proceso de convertir una señal analógica en datos digitales. Estos dos procesos son especialmente importantes en la transmisión analógica.

4.1 Modulación

La modulación es el proceso de convertir datos digitales en una señal analógica. Las señales digitales suelen ser discretas, mientras que las señales analógicas son continuas. El propósito de la modulación es mapear una señal digital a una señal analógica para su transmisión en un medio de transmisión.

4.2 Demodulación

La demodulación es el proceso de convertir una señal analógica en datos digitales. El receptor utiliza un demodulador para detectar cambios en la señal analógica y convertirla en una señal digital.

5. Codificación

La capa física puede codificar datos para mejorar la confiabilidad e inmunidad de la transmisión de datos. Los métodos de codificación comunes incluyen verificación de paridad, CRC (verificación de redundancia cíclica), etc.
Los siguientes son varios métodos de codificación comunes:

5.1 Paridad (Codificación de paridad)

La paridad es un método básico de detección de errores en el que se agrega un bit adicional (par o impar) a los datos para garantizar que el número total de bits en los datos sea par o impar. El receptor puede detectar errores de un solo bit basándose en el bit de paridad.

5.2 Verificación de redundancia cíclica (CRC, verificación de redundancia cíclica)

CRC es un método de detección de errores más sólido que genera datos redundantes agregando un polinomio a los datos. El receptor puede detectar errores basándose en los datos recibidos y el valor CRC adjunto.

5.3 Código Hamming (Código Hamming)

Un código Hamming es un código de corrección de errores que puede detectar y corregir errores de múltiples bits. Agrega bits redundantes a los datos para que cualquier error de un solo bit pueda detectarse y repararse.

5.4 Codificación de modulación

En las comunicaciones digitales, las técnicas de modulación generalmente implican mapear datos digitales a señales analógicas. Los diferentes métodos de modulación (como ASK, FSK, PSK) utilizan diferentes métodos de modulación de señal en la codificación y transmisión de datos.

5.5 Codificación de compresión de datos

La codificación de compresión de datos se utiliza para reducir la sobrecarga de almacenamiento y transmisión de datos. Convierte datos en códigos o símbolos más cortos para reducir la cantidad de datos transmitidos.

5.6 Codificación diferencial

La codificación diferencial codifica datos registrando cambios en los datos, en lugar de codificar directamente los datos en sí. Se utiliza habitualmente en codificación de audio y vídeo para reducir la redundancia entre fotogramas consecutivos.

6. Multiplexación de canales

La capa física implica la división y el uso compartido apropiados del medio de transmisión para permitir la transmisión simultánea entre múltiples dispositivos de comunicación. Las técnicas de multiplexación de canales comunes incluyen la multiplexación por división de frecuencia (FDM) y la multiplexación por división de tiempo (TDM).

6.1 Multiplexación por división de frecuencia (FDM)

En la multiplexación por división de frecuencia, a diferentes usuarios o dispositivos de comunicación se les asignan diferentes anchos de banda de frecuencia para la comunicación. Cada usuario transmite datos utilizando diferentes subbandas de frecuencia, que no se superponen en el espectro de frecuencia. FDM se utiliza a menudo en comunicaciones inalámbricas y por cable, como estaciones de radio, señales de televisión, Ethernet, etc.

6.2 Multiplexación por división de tiempo (TDM)

En la multiplexación por división de tiempo, diferentes usuarios o dispositivos de comunicación comparten canales según intervalos de tiempo. Cada usuario transmite datos en diferentes períodos de tiempo y los intervalos de tiempo se cambian a su vez. TDM se utiliza comúnmente en sistemas telefónicos digitales, redes de sensores, etc.

La ventaja de la tecnología de multiplexación de canales es que puede admitir múltiples conexiones de comunicación al mismo tiempo, mejorando así la utilización del espectro, reduciendo los costos de comunicación y mejorando la eficiencia de la comunicación.

En aplicaciones prácticas, la multiplexación por división de frecuencia y la multiplexación por división de tiempo también se pueden combinar para formar una tecnología de multiplexación de canales más flexible, como la multiplexación por división de tiempo de frecuencia (multiplexación por división de tiempo de frecuencia, FTDM) o la multiplexación por división de código (multiplexación por división de código, CDM), etc. .

7. Distancia de transmisión y pérdida.

La capa física debe considerar las características del medio de transmisión, como la distancia de transmisión, la atenuación de la señal y el ruido, para garantizar la confiabilidad de los datos durante la transmisión.

7.1 Distancia de transmisión

La distancia de transmisión se refiere a la distancia que se propaga la señal en el medio de transmisión, generalmente en metros (m) o kilómetros (km) como unidad. La distancia de transmisión afecta directamente la intensidad y la calidad de la señal, y la transmisión a larga distancia puede enfrentar atenuación de la señal y otros desafíos.

7.2 Atenuación de la señal

La atenuación de la señal se refiere al fenómeno de que la señal se debilita gradualmente durante la transmisión. En un medio de transmisión, la señal se atenúa, lo que resulta en una disminución gradual de la intensidad de la señal. La atenuación de la señal suele estar determinada por las características del medio de transmisión y la distancia de transmisión.

7.3 Pérdida de transmisión y relación señal-ruido (SNR)

La pérdida de transmisión se refiere a la pérdida total de una señal durante la transmisión, incluida la atenuación y otros factores. La relación señal-ruido se refiere a la relación entre la intensidad de la señal y la intensidad del ruido de fondo. Una relación señal-ruido más baja puede provocar distorsión de la señal y errores de decodificación.

7.4 Técnicas de compensación de pérdidas

En algunos casos, se pueden utilizar técnicas de compensación para combatir la pérdida de transmisión, como códigos de precodificación, ecualización y corrección de errores en reenvío.

Al diseñar e implementar un sistema de comunicación, es necesario considerar plenamente la influencia de la distancia y las pérdidas de transmisión. La selección razonable de medios de transmisión, el uso de tecnología de amplificación de señal adecuada y la reducción de la relación señal-ruido pueden ayudar a superar los desafíos en el proceso de transmisión de señales y garantizar una transmisión estable de señales a diferentes distancias y entornos.

8. Topología física

La capa física implica el diseño físico y el modo de conexión de la red, como la topología en estrella, la topología de bus, la topología de anillo, etc.

Los siguientes son algunos tipos comunes de topologías físicas:

8.1 Topología en estrella

En una topología en estrella, todos los dispositivos están conectados a un dispositivo central, generalmente un conmutador o concentrador. Esta topología ayuda a simplificar la conectividad y el mantenimiento, pero si falla un dispositivo central, toda la red puede verse afectada.

8.2 Topología del bus

En una topología de bus, todos los dispositivos están conectados a una línea principal compartida (bus). Esta topología es relativamente simple, pero si falla la línea principal, toda la red puede verse interrumpida.

8.3 Topología de anillo

En la topología de anillo, los dispositivos están conectados en forma de anillo y cada dispositivo está conectado a dos dispositivos antes y después de él. Aunque esta topología es poco común, puede proporcionar rutas redundantes para aumentar la confiabilidad.

8.4 Topología de árbol

Una topología de árbol es una combinación de topologías de estrella y bus y normalmente consta de varias estrellas conectadas entre sí. Esta topología puede proporcionar cierta redundancia y escalabilidad.

8.5 Topología de malla

En una topología de malla, cada dispositivo está conectado directamente a otros dispositivos, formando una red interconectada compleja. Esta topología es altamente redundante y confiable, pero puede resultar compleja de mantener y administrar.

8.6 Topología híbrida

Una topología híbrida combina múltiples topologías juntas. Por ejemplo, una red grande podría utilizar una topología en estrella en el centro de datos y una topología de bus en las sucursales.

La elección de una topología física adecuada depende del tamaño de la red, las necesidades de rendimiento, los requisitos de confiabilidad y las restricciones presupuestarias. Además, con el continuo desarrollo de la tecnología, como las redes inalámbricas, la computación en la nube, etc., el concepto de topología física también evoluciona constantemente. Al diseñar una red, se debe prestar especial atención a la topología física para satisfacer necesidades específicas.

9. Conectores y enchufes

Los conectores y enchufes son piezas físicas que se utilizan para conectar diferentes dispositivos, cables o componentes. Desempeñan un papel vital en los sistemas electrónicos, eléctricos, de comunicación e informáticos, permitiendo que varios dispositivos se comuniquen entre sí y transfieran datos y energía. A continuación se muestran algunos tipos de conectores y enchufes comunes:

9.1 Conectores y enchufes USB

Los conectores y enchufes de Universal Serial Bus (USB) se utilizan para conectar computadoras, periféricos, dispositivos móviles, etc. Los conectores USB vienen en varios tamaños, incluidos USB-A, USB-B, Micro USB, Mini USB y USB-C.

9.2 Conector y enchufe RJ45

Los conectores y enchufes RJ45 se utilizan comúnmente en conexiones de red Ethernet, como conexiones de red de área local (LAN) y cables de red. Se utilizan comúnmente para conectar dispositivos como computadoras, enrutadores, conmutadores, etc.

La cabeza de cristal RJ45 es un conector que se utiliza para conectar cables Ethernet (Ethernet), generalmente utilizados en redes de área local (LAN) y redes de área amplia (WAN). Al instalar y mantener la red, es muy importante hacer correctamente el cabezal de cristal RJ45 para garantizar una conexión de red estable y una transmisión de datos de alta velocidad.

9.2.1 Estándar T568A

: El estándar T568A es un estándar de disposición de secuencia de líneas para conectores de cristal RJ45. Según el estándar T568A, la secuencia de líneas del conector RJ45 es la siguiente:

Pin 1: 白绿
Pin 2: 绿
Pin 3: 白橙
Pin 4: 蓝
Pin 5: 白蓝
Pin 6: 橙
Pin 7: 白棕
Pin 8: 棕

9.2.2 Estándar T568B

El estándar T568B es otro estándar de secuencia de línea de conector de cristal RJ45 de uso común. Según el estándar T568B, la secuencia de líneas del conector RJ45 es la siguiente:

Pin 1: 白橙
Pin 2: 橙
Pin 3: 白绿
Pin 4: 蓝
Pin 5: 白蓝
Pin 6: 绿
Pin 7: 白棕
Pin 8: 棕

Ambos estándares son comunes en aplicaciones prácticas. En una red, para garantizar la coherencia de la conexión, normalmente se selecciona un estándar para la producción del cabezal de cristal RJ45. Además, existe un método para realizar un mapa de cables llamado "Crossover" o "crossover", que se utiliza para conectar dos computadoras.

9.3 Conector y enchufe HDMI

Los conectores y enchufes de interfaz multimedia de alta definición (HDMI) se utilizan para transmitir señales de audio y vídeo entre televisores, monitores, proyectores y más de alta definición.

9.4 Conectores y enchufes de audio

Los conectores y enchufes de audio se utilizan para conectar equipos de audio como parlantes, auriculares, micrófonos y sistemas de sonido. Los conectores de audio comunes incluyen enchufes estéreo de 3,5 mm (1/8").

Conector y enchufe 9.5 VGA

Los conectores y enchufes Video Graphics Array (VGA) se utilizan para conectar computadoras a monitores, especialmente monitores CRT, que eran más comunes en el pasado.

9.6 Conector y enchufe DisplayPort

Los conectores y enchufes DisplayPort se utilizan para conectar computadoras, monitores y otros dispositivos multimedia, y admiten transmisión de audio y video de alta resolución.

9.7 Conector y enchufe de alimentación

Los conectores y enchufes de alimentación se utilizan para conectar equipos electrónicos a una fuente de alimentación. Vienen en varios tamaños y formas y se utilizan en diferentes tipos de dispositivos como portátiles, ordenadores de sobremesa, dispositivos móviles, etc.

9.8 SC, LC, ST y otros conectores de fibra óptica

Estos conectores se utilizan para conectar cables de fibra óptica para transmitir señales de comunicación y datos de alta velocidad. En la actualidad, la corriente principal es la interfaz de fibra óptica tipo LC.

Cables planos y enchufes

Los cables planos y los enchufes se suelen utilizar para conectar dispositivos electrónicos internos, como discos duros dentro de ordenadores, placas base, etc.

Conectores y enchufes de sensores

En automatización, medición y control, varios sensores a menudo requieren tipos específicos de conectores y enchufes.

Resumir

La capa física es la capa básica en una red informática, responsable de transferir datos de un lugar a otro garantizando al mismo tiempo la "confiabilidad" e "integridad" de los datos durante la transmisión. Implica una variedad de tecnologías y conceptos para lograr la transmisión eficiente de datos en medios físicos.

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