Conmutación de Redes: Mensajes vs. Paquetes

En las redes de computadoras, la forma en que se envían los datos de un punto a otro es fundamental. Dos métodos principales son la conmutación de mensajes y la conmutación de paquetes.

Conmutación de Mensajes

Este método se asemeja al servicio de correos convencional. El mensaje completo, formado por cadenas de bits, se envía de un nodo a otro. Las características principales son:

• Nodos inteligentes: Cuentan con memorias para recibir, almacenar y reencaminar mensajes completos.
• Velocidad variable: La velocidad de cada nodo puede ser diferente.
• Saturación: La saturación de los mensajes y las líneas dependerá de la velocidad de los nodos y de su capacidad de almacenamiento.
• Transmisión: Se busca la máxima velocidad de transmisión posible por la línea.

Conmutación de Paquetes

Este enfoque se basa en la división de los mensajes en trozos más pequeños, llamados paquetes. Combina características de la conmutación de circuitos y de mensajes.

• Transmisión por fragmentos: Transmite paquetes de nodo a nodo, no la totalidad del mensaje de una sola vez.
• Eficiencia en errores: Si hay algún error en la transmisión, solo se reenvía el paquete dañado, no el mensaje completo.
• Menor retardo: Generalmente, ofrece un menor retardo, lo que facilita la comunicación en tiempo real.

Datagramas

Un datagrama es un tipo de conmutación de paquetes donde cada paquete se trata de forma independiente. Los paquetes pueden ser enviados en cualquier orden y seguir rutas diferentes. Por ello, deben llevar un número de orden para que el receptor pueda reconstruir el mensaje original. En cada nodo, se debe repetir el proceso de encaminamiento para cada paquete.

Ejercicio Práctico: Cálculo de Retardo en Red

Enunciado del Problema

Tenemos una red de conmutación de paquetes por datagramas. Queremos calcular el retardo medio que obtendremos entre Irún y Guernica. Para ello, el nodo de San Sebastián ha elegido la ruta Irún – San Sebastián – Bilbao – Guernica. La velocidad de todas las líneas se considera fija, de 9800 bps, y la capacidad de almacenamiento de cada nodo también es fija. En la figura (no incluida aquí) se refleja el número de paquetes que envían las redes de cada localidad. Cada uno de estos paquetes tiene una longitud de 32 bits.

Resolución del Cálculo

A continuación, se presentan los cálculos para determinar el retardo:

* a) ts = 32 * 8 / 9800 = 0.026 s
* Isan.s = 4 * 0.026 = 0.104 mensajes
* Ib = 6 * 0.026 = 0.156 mensajes
* Ig = 8 * 0.026 = 0.208 mensajes
* Tc = 0.026 * (0.468 / (1 - 0.408)) = 0.022 s
* T = tc + ts = 0.026 + 0.022 = 0.048 s

Nota: Los valores numéricos (4, 6, 8, 0.468, 0.408) provendrían de los datos específicos del problema y la topología de la red.

Transmisión de Datos y Periféricos

Conexión de un Módem: ¿Puerto Serie o Paralelo?

Pregunta: Algunos de los periféricos de los ordenadores se conectan a él a través del puerto serie o paralelo. ¿A cuál de estos puertos se conectaría un módem y por qué?

Respuesta: Un módem se conectaría al puerto serie. La razón es que el puerto serie está diseñado para enviar información bit a bit a larga distancia, que es precisamente la función de un módem en una línea telefónica o similar.

Sincronización en la Transmisión de Datos

Pregunta: Para transmitir la información 11001101, haz un esquema que represente cómo se realiza la sincronización entre los dos ETCD (Equipo Terminal de Circuito de Datos, o DCE) que intervienen en una comunicación a larga distancia, suponiendo dos casos posibles: síncrona y asíncrona.

Nota: Se asume que ETD se refiere al Equipo Terminal de Datos (DTE) y ETCD al Equipo de Comunicación de Datos (DCE).

Transmisión Síncrona

En la transmisión síncrona, se envía una señal de reloj compartida junto con los datos para mantener sincronizados al emisor y al receptor. Se transmiten grandes bloques de datos.

Esquema: ETD1 -> ETCD1 -> Línea de transmisión -> ETCD2 -> ETD2

Cadena de bits: |-| - |_|_| - |-| - |_| - |

Una ventaja es que, cuanto mayor sea el mensaje, mayor será la velocidad de transmisión efectiva, ya que no hay bits extra de inicio/parada por cada carácter.

Transmisión Asíncrona

En la transmisión asíncrona, cada carácter (o pequeño bloque de datos) se enmarca con un bit de inicio (start) y uno o más bits de parada (stop). No se requiere una señal de reloj compartida.

Esquema: CLK/Start | - | - | _ | _ | - | - | _ | - | Stop

La cadena de bits de inicio y parada informa previamente al receptor sobre la llegada y el fin de cada carácter, permitiendo la sincronización a nivel de carácter.

Tipos de Transmisión para una Impresora

Pregunta: La comunicación entre un ordenador y su impresora, dependiendo del sentido de transferencia de los datos, ¿qué tipo o tipos de transmisión puede utilizar?

Respuesta: Puede utilizar tanto Half-Duplex como Full-Duplex. Aunque la función principal es recibir datos del ordenador para imprimir (Simplex), las impresoras modernas envían información de estado de vuelta al ordenador (nivel de tinta, atascos de papel, etc.). Por tanto, la comunicación es bidireccional. Si el intercambio de datos no es simultáneo, es Half-Duplex; si puede serlo, es Full-Duplex.

Cálculo de Velocidad de Modulación y Transmisión

Pregunta: Queremos realizar una comunicación entre dos ETCD usando transmisión asíncrona y síncrona. Calcula con los siguientes datos la velocidad de modulación y la velocidad de transmisión serie asíncrona…

Fórmulas clave:

• Velocidad de Modulación (Baudios): Vm = 1 / Ts (donde Ts es la duración de un símbolo o bit).
• Velocidad de Transmisión (bps): Vs = Vm * log₂(Q) (donde Q es el número de estados o símbolos diferentes que podemos obtener).

Detección y Corrección de Errores

Método de Detección de Errores VRC

Pregunta: Utilizando el código de detección de errores VRC (Verificación de Redundancia Vertical), explica en qué consiste este método y razona de qué manera podría el receptor detectar un error cuando el transmisor envía los siguientes 4 caracteres: C1=00011, C2=11101, C3=10101, C4=00110.

Explicación del método:

El método VRC, también conocido como comprobación de paridad, se utiliza cuando la comunicación se realiza tratando los mensajes en paquetes, bloques o tramos. Consiste en que, cada vez que se manda un bloque de datos, el emisor añade un conjunto de bits de redundancia (el VRC) al final. Este VRC se calcula realizando una suma binaria (XOR) de los bits en cada columna del bloque de datos. El acarreo de la última suma se desprecia.

Resolución del ejemplo:

Los 4 caracteres, más el VRC calculado, formarían un paquete. El receptor realizaría la misma suma de las columnas de los datos recibidos y compararía su resultado con el VRC recibido para detectar errores.

Cálculo del VRC (resultado de la suma XOR de las columnas): 10011.

Distancia de Hamming

a) ¿Definición de Distancia de Hamming?

La distancia de Hamming entre dos palabras de código de la misma longitud es el número de posiciones en las que los bits correspondientes son diferentes. Para determinarla, los equipos realizan una operación XOR entre las dos palabras de código y cuentan el número de bits con valor ‘1’ en el resultado. Este número de unos será la distancia de Hamming.

La distancia mínima de Hamming de un código es la distancia más pequeña entre cualquier par de palabras de código distintas dentro de ese código.

b) ¿Cuál es la distancia de Hamming del código?

Pregunta: Si tenemos un código compuesto por 5 palabras de código que representan las 5 vocales, como el siguiente:

• A: 00000010
• E: 11111111
• I: 00001111
• O: 11110000
• U: 11100011

Respuesta:

Se calcula la distancia entre todos los pares posibles:

• d(A,E) = 7
• d(A,I) = 3
• d(A,O) = 5
• d(A,U) = 4
• d(E,I) = 4
• d(E,O) = 4
• d(E,U) = 3
• d(I,O) = 8
• d(I,U) = 5
• d(O,U) = 3

La distancia mínima de Hamming del código es el valor más pequeño de todas las distancias calculadas, que es 3. Con una distancia mínima de 3, el código puede detectar hasta 2 errores (d_min – 1) y corregir 1 error ((d_min – 1) / 2).

Modulación de Señales

¿Por qué es Necesario Modular una Señal?

Pregunta: ¿Por qué tenemos que modular la señal que recibe el módem del ordenador para realizar una comunicación a distancia?

Respuesta: La modulación es necesaria para adaptar la señal digital (generada por el ordenador) a las características del canal de transmisión analógico (como una línea telefónica) por el cual se va a transmitir. Permite que la información viaje eficientemente a largas distancias.

Ventajas y Desventajas de Tipos de Modulación

Pregunta: ¿Cuáles son las ventajas y desventajas de cada una de las modulaciones mencionadas?

• ASK (Amplitude-Shift Keying): Muy sensible al ruido eléctrico, por lo que no es muy utilizada en la transmisión de datos.
• FSK (Frequency-Shift Keying): Utiliza diferentes frecuencias. A mayor frecuencia, los cambios entre 0 y 1 son más rápidos.
• PSK (Phase-Shift Keying): Permite representar más bits por símbolo que FSK, aumentando la eficiencia.
• QAM-16 (Quadrature Amplitude Modulation): Es una técnica avanzada y eficiente. Combina variaciones de amplitud y fase, consiguiendo velocidades de transmisión mayores con un ancho de banda menor que PSK.
• FM (Frequency Modulation – Analógica): Más inmune a perturbaciones y ruido que la modulación de amplitud (AM).
• PM (Phase Modulation – Analógica): Poco usada en sistemas analógicos, ya que cuesta detectar las pequeñas variaciones de fase.

Fases de la Modulación por Impulsos Codificados (PCM)

Pregunta: ¿Cuáles son las tres fases que sigue una modulación PCM?

La modulación PCM es un procedimiento para convertir una señal analógica en una secuencia de bits digital. Sus tres fases son:

1. Muestreo: Se toman muestras de la señal analógica continua (en voltaje) a intervalos de tiempo regulares y cortos.
2. Cuantificación: Se asignan valores discretos de una escala finita a la amplitud de cada una de las muestras obtenidas.
3. Codificación: Los valores discretos de amplitud se representan utilizando un código binario adecuado, generando la señal digital final.

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