Unidad 1 Comunicación Industrial.
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I.M. Luis Ángel Martínez Cabrera
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1.1 1.2 1.3 1.3.1 1.3.2 1.3.3 1.3.4 1.3.5 1.4 1.5 2
Definición y principios de la Comunicación de datos. Funciones de un sistema de comunicación industrial Modos de transmisión. Modos de dialogo. Simplex Half Duplex Duplex Perturbaciones en la transmisión Detección y corrección de errores Modelo OSI I.M. Luis Ángel Martínez Cabrera
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Antecedentes Históricos Las redes de datos surgieron como resultado de las aplicaciones informáticas creadas para las empresas. Sin embargo, en el momento en que
se
escribieron
estas
aplicaciones,
las
empresas
poseían
computadores que eran dispositivos independientes que operaban de forma individual, sin comunicarse con los demás computadores. Muy
pronto se puso de manifiesto que esta no era una forma eficiente ni rentable para operar en el medio empresarial. Las empresas necesitaban una solución que resolviera con éxito las tres preguntas siguientes: 1. cómo evitar la duplicación de equipos informáticos y de otros recursos 2. cómo comunicarse con eficiencia 3. cómo configurar y administrar una red
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Las empresas se dieron cuenta de que podrían ahorrar mucho dinero y aumentar la productividad con la tecnología de redes. Empezaron agregando redes y expandiendo las redes existentes casi tan rápidamente como se producía la introducción de nuevas tecnologías y productos de red. Como resultado, a principios de los 80’s se produjo una tremenda expansión de redes. Sin embargo, el temprano desarrollo de las redes resultaba caótico en varios aspectos.
Ilustración 1. Evolución de las redes (1 y 2)
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A
mediados
de
la
década
del
80,
comenzaron
a
presentarse los primeros problemas emergentes de este crecimiento desordenado. Muchas de las tecnologías de red
que
habían
emergido
se
habían
creado
con
implementaciones de hardware y software distintas. Por lo tanto, muchas de las nuevas tecnologías no eran compatibles entre sí. Se tornó cada vez más difícil la
comunicación
entre
redes
que
usaban
distintas
especificaciones.
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Una de las primeras soluciones a estos problemas fue la creación de redes de área local (LAN). Como permitían conectar
todas
las
estaciones
de
trabajo,
dispositivos
periféricos, terminales y otros dispositivos ubicados dentro de un mismo edificio, las LAN permitieron que las empresas utilizaran
la
tecnología
informática
para
compartir
de
manera eficiente archivos e impresoras.
Ilustración 2. Evolución de las redes (3 y 4)
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La
historia
de
las
redes
informática
es
compleja;
participaron en ella muchas personas de todo el mundo a lo largo de los últimos 35 años. Presentamos aquí una versión simplificada de la evolución de la Internet. Los procesos de
creación y comercialización son mucho más complicados, pero es útil analizar el desarrollo fundamental.
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En la década de 1940, los computadores eran enormes dispositivos electromecánicos que eran propensos a sufrir fallas. En 1947, la invención del transistor semiconductor permitió la creación de computadores más pequeños y confiables.
En
la
década
de
1950
los
computadores
mainframe, que funcionaban con programas en tarjetas perforadas, comenzaron a ser utilizados habitualmente por las grandes instituciones. A fines de esta década, se creó el circuito integrado, que combinaba muchos y, en la actualidad, millones de transistores en un pequeño semiconductor. En la década
de
1960,
los
mainframes con
terminales eran
comunes, y los circuitos integrados comenzaron a ser utilizados de forma generalizada. 8
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Hacia fines de la década de 1960 y durante la década de 1970, se inventaron computadores más pequeños, denominados minicomputadores.
Sin
embargo,
estos
minicomputadores
seguían siendo muy voluminosos en comparación con los estándares modernos. En 1977, la Apple Computer Company presentó
el
microcomputador,
computador personal. En 1981
conocido
también
como
IBM presentó su primer
computador personal. El equipo Mac, de uso sencillo, el PC IBM de arquitectura abierta y la posterior micro miniaturización de los circuitos integrados, dieron como resultado el uso difundido de los computadores personales en hogares y empresas.
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A
mediados
de
la
década
de
1980
los
usuarios
con
computadores autónomos comenzaron a usar módems para conectarse con otros computadores y compartir archivos. Estas comunicaciones se denominaban comunicaciones puntoa-punto o de acceso telefónico. El concepto se expandió a través del uso de computadores que funcionaban como punto central de comunicación en una conexión de acceso telefónico. Estos computadores se denominaron tableros de boletín. Los usuarios se conectaban a los tableros de boletín, donde
depositaban y levantaban mensajes, además de cargar y descargar archivos. La desventaja de este tipo de sistema era que había poca comunicación directa, y únicamente con
quienes conocían el tablero de boletín.
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Otra limitación era la necesidad de un módem por cada conexión al computador del tablero de boletín. Si cinco personas se conectaban simultáneamente, hacían falta cinco módems conectados a cinco líneas telefónicas diferentes. A medida que crecía el número de usuarios interesados, el sistema no pudo soportar la demanda. Imagine, por ejemplo, que 500 personas quisieran conectarse de forma simultánea. A partir de la década de 1960 y durante las décadas de 1970, 1980 y 1990, el Departamento de Defensa de Estados Unidos (DoD) desarrolló redes de área amplia (WAN) de gran extensión y alta confiabilidad, para uso
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militar y científico. Esta tecnología era diferente de la
comunicación boletín.
punto-a-punto
Permitía
la
usada
interconexión
por de
los redes
tableros de
de
varios
computadores mediante diferentes rutas. La red en sí
determinaba la forma de transferir datos de un computador a otro. En lugar de poder comunicarse con un solo computador a la vez, se podía acceder a varios computadores mediante la
misma conexión. La WAN del DoD finalmente se convirtió en la Internet. (Cisco, 2006)
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Los
métodos
que
utilizamos
para
compartir
ideas
e
información están en constante cambio y evolución. Mientras la red humana estuvo limitada a conversaciones cara a cara, el
avance de los medios ha ampliado el alcance de nuestras comunicaciones. Desde la prensa escrita hasta la televisión, cada nuevo desarrollo ha mejorado la comunicación.
Al
igual
que
con
cada
avance
en
la
tecnología
de
comunicación, la creación e interconexión de redes de datos sólidas tiene un profundo efecto.
Ilustración 3. Redes que respaldan la forma en que vivimos. Fuente (Cisco System, 2008)
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Importancia de las redes Es quizás el agente de cambio actualmente más significativo del mundo, ya que ayuda a crear un mundo en el cual las fronteras
nacionales,
las
distancias
geográficas
y
las
limitaciones físicas son menos relevantes y presentan cada vez menos obstáculos. La creación de comunidades en línea para el intercambio de ideas e información tiene el potencial de aumentar las oportunidades de productividad en todo el planeta. Debido a que Internet conecta a las personas y promueve la comunicación sin límites, presenta la plataforma donde ejecutar negocios, tratar emergencias, informar a las personas y respaldar la educación, las ciencias y el gobierno.
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Ilustración 4. Compartiendo recursos a través de redes. (Cisco System, 2008)
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Objetivo 1 Las redes en general, consisten en "compartir recursos", y uno de su objetivo es hacer que todos los programas, datos y equipo estén disponibles para cualquiera de la red que así lo solicite, sin importar la localización física del recurso y del usuario. En otras palabras, el hecho de que el usuario se encuentre a 1000 kilómetros de distancia de los datos, no debe evitar que este los pueda utilizar como si fueran originados localmente.
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Objetivo 2
Consiste en proporcionar una alta fiabilidad, al contar con fuentes alternativas de suministro. Por ejemplo todos los archivos podrían duplicarse en dos o tres máquinas, de tal
manera que si una de ellas no se encuentra disponible, podría utilizarse una de las otras copias. Además, la presencia de múltiples CPU significa que si una de ellas deja
de funcionar, las otras pueden ser capaces de encargarse de su trabajo, aunque se tenga un rendimiento global menor.
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Objetivo 3
Otro es el ahorro económico. Los ordenadores pequeños tienen una mejor relación costo / rendimiento, comparada con la ofrecida por las máquinas grandes. Estas son, a
grandes rasgos, diez veces más rápidas que el más rápido de los microprocesadores, pero su costo es miles de veces mayor.
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Objetivo 4 El establecimiento de una red de ordenadores, es que puede proporcionar un
poderoso medio
de comunicación
entre
personas que se encuentran muy alejadas entre sí. Con el ejemplo de una red es relativamente fácil para dos o más personas que viven en lugares separados, escribir informes juntos. Cuando un autor hace un cambio inmediato, en lugar de esperar varios días para recibirlos por carta. Esta rapidez
hace que la cooperación entre grupos de individuos que se encuentran alejados, y que anteriormente había sido imposible de establecer, pueda realizarse ahora.
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Componentes de una red “El diagrama muestra los elementos de una red típica, incluyendo dispositivos, medios y servicios unidos por reglas,
que
trabajan
en
forma
conjunta
para
enviar
mensajes. Utilizamos la palabra mensajes como un término que abarca las páginas Web, los e-mails, los mensajes instantáneos, las llamadas telefónicas y otras formas de comunicación aprenderemos dispositivos,
permitidas acerca medios
por
Internet.
de
una
y
servicios
En
variedad que
este
de
curso,
mensajes,
permiten
la
comunicación de esos mensajes. Aprenderemos además sobre las reglas o protocolos que unen a estos elementos de red.” (Cisco System, 2008) 20
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Dispositivos Para comenzar a entender la solidez y complejidad de las redes interconectadas que forman Internet, es necesario empezar por lo más básico. Tomemos el ejemplo del envío de mensajes
de
texto
con
un
programa
de
mensajería
instantánea en una computadora. Cuando pensamos en utilizar servicios de red, generalmente pensamos en utilizar una computadora para acceder a ellos. Pero una computadora es sólo un tipo de dispositivo que puede enviar y recibir mensajes por una red. Muchos otros tipos de dispositivos pueden conectarse a la red para participar en servicios de red.
Entre
esos
dispositivos
se
encuentran
teléfonos,
cámaras, sistemas de música, impresoras y consolas de juegos. 22
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Intermedios Además de los dispositivos finales con los cuales la gente está familiarizada, las redes dependen de dispositivos intermediarios para proporcionar conectividad y para trabajar detrás de escena y garantizar que los datos fluyan a través de la red. Estos dispositivos conectan los hosts individuales a la red y pueden conectar varias redes individuales para formar una interconexión de redes. Los siguientes son ejemplos de dispositivos de red intermediarios: • Dispositivos de acceso a la red (hubs, switches y puntos de acceso inalámbricos), • Dispositivos de internetworking (routers), • Servidores de comunicación y módems, y • Dispositivos de seguridad (firewalls).
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Finales Los dispositivos de red con los que la gente está más familiarizada se
denominan dispositivos finales. Estos dispositivos constituyen la interfaz entre la red humana y la red de comunicación subyacente. Algunos ejemplos de dispositivos finales son:
•
Computadoras (estaciones de trabajo, computadoras portátiles, servidores de archivos, servidores Web)
•
Impresoras de red
•
Teléfonos VoIP
•
Cámaras de seguridad
•
Dispositivos
móviles
de
mano
(como
escáneres
de
barras
inalámbricos, asistentes digitales personales (PDA))
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Medios de transmisión La codificación de señal que se debe realizar para que el mensaje sea transmitido es diferente para cada tipo de medio. En los hilos metálicos, los datos se codifican dentro de impulsos eléctricos que coinciden con patrones específicos. Las transmisiones por fibra óptica dependen de pulsos de luz, dentro de intervalos de luz visible o infrarroja. En las transmisiones inalámbricas, los patrones de ondas electromagnéticas muestran los distintos valores de bits. Los diferentes tipos de medios de red tienen diferentes características y beneficios. No todos los medios de red tienen las mismas características ni son adecuados para el mismo fin. Los criterios para elegir un medio de red son: • La distancia en la cual el medio puede transportar exitosamente una señal, • El ambiente en el cual se instalará el medio, • La cantidad de datos y la velocidad a la que se deben transmitir, y • El costo del medio y de la instalación.
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Clasificación de las redes La taxonomía de las redes de computadoras puede ser analizada desde la abstracción de su arquitectura hasta sus fundamentos tecnológicos, lo que nos conlleva a una división, como la que a continuación se explica.
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Tipos de conexión Se refiere a la forma en que dos o más dispositivos que se conectan a un enlace para lograr la comunicación. Hay dos
configuraciones
de
línea
posibles:
punto
a
punto
y
multipunto. (Forouzan, 2007)
Punto a Punto: Se dice que una red es punto a punto, cuando en una conexión guiada se proporciona un enlace directo entre dos
dispositivos que comparten el medio, sin la intervención de un tercer dispositivo. (Stallings, 2004)
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Multipunto: Es una configuración guiada, donde el mismo medio es compartido por más de dos dispositivos. (Stallings, 2004) Flujo de datos: Es el sentido en que la información puede viajar a través de un medio de transmisión. Simplex: La comunicación simplex se caracteriza por que el enlace solo puede trasmitir en una sola dirección; un ejemplo claro de dispositivo simplex es el televisor. Semiduplex: El flujo de información dúplex tiene la característica de que el enlace puede tanto transmitir como recibir información pero de forma alternada, tal como lo hacen los radios de banda civil o el walkie talkie.
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Full-duplex: Esta transmisión al igual que la semiduplex transporta
información en ambos sentidos, pero posee la ventaja de realizarlo al mismo tiempo, como fluyen los autos en una carretera de doble circulación.
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Técnicas de Transmisión Básicamente se dividen en dos, mismas que a continuación se detallan. Banda Base: En este tipo de redes la señal se transmite sin ser modulada, conllevando dicha afirmación a que el tipo de señal utilizada es digital, por lo que se ocupa todo el ancho de banda disponible del enlace cada vez que se lleva a cabo una transmisión. Banda Ancha: Las redes de este tipo utilizan señales analógicas moduladas, por lo que el medio de transmisión, que por lo general es un cable coaxial, puede ser dividido mediante técnicas de multiplexación por división de frecuencia (FDM) en grupos de canales de banda más estrecha. (García Tomás, Ferrando Girón, & Piattini Velthuis, 2001)
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Cobertura Es el área que puede cubrir cada una de las redes de esta clasificación PAN: Son Redes de área personal, que no exceden de los 10 metros de cobertura, ejemplo de este tipo de redes, son las que se realizan a través de dispositivos con bluetooth.
LAN: La cobertura de las redes de área local va aproximadamente de los 11 metros a 1 kilómetro, mismo que puede estar en un campus conformado por varios edificios o en un edificio de varios pisos; en esta clasificación de redes, las corporaciones proveen su propia infraestructura de funcionamiento.
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MAN: Es una red híbrida entre las redes local y de área amplia, puede conectar dos o más redes locales en una misma ciudad, por lo que su cobertura en promedio va de 1 a 99 kilómetros. WAN: Normalmente son usadas para conectar redes locales que se encuentran conectadas por distancias muy separadas. Mientras que en las redes locales las empresas proveen su propia infraestructura, en las redes WAN se deben arrendar a empresa especializadas, tales como las compañías de telefonía.
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Topologías de redes “El término topología física se refiere a la forma en que está diseñada la red. Dos o más dispositivos se conectan a un
enlace; dos o más enlaces forman una topología. La topología de una red es la representación geométrica de la relación entre todos los enlaces y los dispositivos que los
enlazan entre sí. Hay cuatro posibles topologías básicas: Malla, Estrella, Bus y Anillo.” (Forouzan, 2007, pág. 9)
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Malla: En esta topología cada dispositivo se encuentra conectado con todos los demás de esa red, por lo que si un paquete pierde un enlace, tiene otras opciones para llegar a su destino. Estrella: La característica principal de esta topología es que posee un dispositivo de red que conecta todos los nodos de la red, por lo que si uno falla, el funcionamiento de la misma no se ve afectado. Bus: Esta topología fue de las primeras en uso, pues las redes iniciales trabajaban con cable coaxial y la conexión era serial, “una tras otra” como las series navideñas, de tal forma que si un nodo fallaba, la red dejaba de funcionar. Anillo: “Consiste en una seria de repetidores conectados entre sí mediante un único enlace de transmisión unidireccional formando un camino cerrado”. (García Tomás, Ferrando Girón, & Piattini Velthuis, 2001, pág. 37) 35
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Iconos representativos de algunas topologías
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