Las comunicaciones suele ser el terreno más inexplorado para los adictos a la tecnología. La mayoría de los usuarios utilizamos servicios como Internet creyéndonos que todo lo que mandamos llega correctamente al receptor, sin llegar a preguntarnos cómo los ‘0’ y ‘1’ con los que trabajan los dispositivos se transmiten a través de toscos cables de cobre o fibra óptica.

Lo cierto es que, desde que un dispositivo recoge los datos que el usuario quiere mandar (mensajes de WhatsApp, correos electrónicos, etc), ocurren un sin fin de cosas “invisibles” para los usuarios. Estos datos (miles o millones de ‘0’ y ‘1’) sufren muchas transformaciones antes de mandarlos por los cables, tanto para que lleguen de forma correcta sin errores como para que se puedan transmitir por el cobre o la fibra (obviamente es imposible mandar los números ‘0’ y ‘1’ por un cable, más adelante explicaremos el por qué).

Cómo es prácticamente imposible abarcar todo el proceso de una comunicación, nos centraremos en entender lo suficiente como para ser capaces de responder a las siguientes preguntas: ¿Qué sucede con la información que introduzco a un dispositivo? ¿Cómo se prepara esa información para ser enviada por un cable?


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Todo lo digital son ‘0’ y ‘1’

Una de las ideas más importantes para entender todo lo relacionado con la tecnología es que toda la información que manejan los dispositivos digitales son números binarios, es decir, “palabras” de longitud variable compuestas exclusivamente de ‘0’ y ‘1’ (bits). Por ejemplo, cuando pulsamos la tecla ‘M’ en un teclado, el dispositivo lee el número 77 (según la codificación ASCII), almacenando en una memoria ese número en binario (01001101). Así pues, cuando necesite saber que tecla habíamos pulsado, irá a la memoria, leerá ‘01001101’ y sabrá que se corresponde con el carácter ‘M’.

Señal digital binaria.
Señal digital binaria.

La razón de por qué los dispositivos digitales trabajan solo con esos dos valores binarios es muy sencilla: se ha ido heredando este sistema binario desde los inicios de la computación, cuando se descubrió que dicho sistema era más fiable y sencillo que muchos otros (como por ejemplo el decimal), ya que el ‘1’ significaba tensión alta y el ‘0’ tensión nula o tierra.

Obviamente no todos los datos que introducimos a un ordenador se envían a través de Internet. Por ejemplo, un documento de texto que nosotros mismos generemos se guardará en el disco duro del ordenador. Pero si estamos utilizando algún servicio que utilice Internet, como por ejemplo WhatsApp, cada vez que mandemos un mensaje el dispositivo (ya sea un ordenador o un smartphone) enviará esos datos binarios rápidamente. La incógnita es la siguiente: Una vez obtenidos los datos binarios a enviar, ¿Cómo se preparan para llevarlos a través de un cable?

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La pila de protocolos

Uno de los conceptos más importantes de las comunicaciones son los protocolos de comunicación. Un protocolo de comunicación no es más que un estándar que explica cómo se debe realizar una comunicación paso a paso. Así, sea cual sea el dispositivo hacia el que va dirigido un mensaje, se garantizará la correcta recepción del mismo (ya que ambos dispositivos funcionarán de la misma manera).

El estándar más utilizado en Internet es el famoso modelo TCP/IP, que hace uso a su vez de los dos protocolos más usados hasta la fecha. Estos protocolos, entre otras muchas cosas, garantizan que los datos lleguen de forma correcta y al usuario adecuado. Como es obvio, eso solo se puede conseguir añadiendo más bits a los datos que se mandan (por ejemplo, añadiendo un bit que, en caso de haber un error en la transmisión, cambie y el receptor sepa que ha habido un error). Por lo que, entonces, podemos definir un protocolo como un conjunto de reglas que , entre otras cosas, añaden más bits a lo que queremos mandar para garantizar ciertos aspectos básicos en una comunicación.

En TCP/IP podemos definir lo que se conoce como una pila de protocolos, es decir, protocolos que se utilizan unos detrás de otros. Así pues, si nuestro mensaje a mandar son 7 bits como en el caso de la letra ‘M’, acabaremos mandando un mensaje de, por ejemplo, 100 bits.

Pila de protocolos del modelo TCP/IP.
Pila de protocolos del modelo TCP/IP.

La imagen de arriba son las capas que se utilizan (en cada una se usa un protocolo distinto) en la pila de protocolos TCP/IP. Los datos que genera el usuario comienzan en la capa de Aplicación, donde algún protocolo de aplicación se encargará de añadir bits al mensaje original (formando un nuevo mensaje) para dotarlo, por ejemplo, de más resistencia ante errores. Una vez se hayan añadido esos bits, el protocolo que se utilice en la capa de transporte (protocolo TCP o UDP) recibirá el nuevo mensaje formado anteriormente y añadirá más bits según el estándar.

Este razonamiento continúa hasta el pie de la imagen, es decir, hasta que el mensaje ha pasado por todos los protocolos de todas las capas. Finalmente, la capa de acceso a la red recibe el mensaje original con todos los bits añadidos (llamados cabeceras). La siguiente imagen resume perfectamente el proceso y el resultado final:

Encapsulación de un mensaje a través de la pila TCP/IP.
Encapsulación de un mensaje a través de la pila TCP/IP.

Los protocolos que se utilizan en cada capa de la arquitectura TCP/IP varían según el servicio que se quiera ofrecer. Por ejemplo, TCP es un protocolo muy bueno frente a errores en la transmisión, pero añade demasiado overhead (cabeceras que no son información del mensaje original), por lo que es más lento que UDP. UDP es otro protocolo que se puede utilizar en la capa de transporte y que sacrifica control de errores por velocidad. TCP se utiliza para navegar por páginas web (cuyo protocolo de aplicación es http/s) y UDP para peticiones que requieran más rapidez que seguridad (consultas a DNS, RIP, etc).

Ahora ya tenemos el mensaje original listo para ser enviado (junto con una gran cantidad de bits de control, etc). Aquí se encuentra la gran incógnita que un gran número de personas se han preguntado alguna vez: ¿Cómo mando a través de un cable esos datos binarios?

Transmisión de datos por una línea

Como es obvio, lo que se envía a través de un cable es tensión eléctrica y no ‘0’ o ‘1’. Es decir, hace falta hacer una conversión de bits a tensión eléctrica para que nuestro mensaje viaje a través de las líneas de transmisión.

¿Cómo pasamos de una señal digital a una analógica?
¿Cómo pasamos de una señal digital a una analógica?

El concepto más importante para entender esto es el de modulación. Hay muchos procesos previos a la modulación, como la cuantificación, codificación y otras operaciones matemáticas que nos permiten hacer más eficaz la transmisión del mensaje. Sin embargo, son procesos adicionales no necesarios en una comunicación.

La modulación consiste en transmitir una onda eléctrica de frecuencia variable a través de un medio de transmisión (par de cobre por ejemplo, cable cable que se usa en el ADSL). Esto se consigue gracias a los conversores digital/analógico, conversores que envían senos y cosenos, ondas sinusoidales cuya frecuencia (veces que varía) podemos cambiar según nuestras necesidades.

Por ejemplo, vamos a suponer que queremos mandar el símbolo ‘M’ del que hablábamos anteriormente. Su representación binaria es la secuencia ‘01001101’. Si modulamos en frecuencia (FSK), podríamos mandar cada bit en una onda (tensión alterna) de una frecuencia diferente. El bit ‘0’ con una frecuencia de 1Khz y el bit ‘1’ con 2Khz. Así, estaríamos convirtiendo los bits a ondas eléctricas que viajan por los “cables”.

En la imagen siguiente se puede apreciar como, para la tensión nula (que representa un cero), la onda que se envía es mucho mas suave que para el caso del ‘1’ (onda eléctrica mucho más rápida en variaciones).

Conversión de datos digitales a señal analógica con FSK.
Conversión de datos digitales a señal analógica con FSK.

Hay muchos tipos de técnicas de modulación, algunas más eficientes que otras. Por ejemplo, la famosa modulación FM consiste en variar la frecuencia de cada símbolo (“paquete” de bits) que mandas. Por el contrario, la modulación AM consiste en mandar ondas cuya amplitud varía según el símbolo (implica un gasto energético mucho mayor que en FM). Aunque el medio de transmisión sea el aire, el esquema que siguen los datos es parecido al anterior, pero incluyendo una antena como emisora.

La luz como vehículo de transmisión

Uno de los avances más importantes de los últimos tiempos en las comunicaciones es la fibra óptica. Todo el proceso que siguen los bits es similar al comentado anteriormente (ya que los protocolos no cambian). Lo que varía respecto a la transmisión por cobre es que, en vez de transmitir electricidad, transmitimos luz.

Los conversores digitales/analógicos los cambiamos por conversores digitales/ópticos. Estos conversores envían un potente haz de luz (gracias a un láser) a través de la fibra que avanza rebotando en las paredes de la misma hasta que llega a su destino. Esta es una de las causas por las cuales hay que tener cuidado al manipular la fibra óptica: cualquier perturbación que causemos en la fibra hará que el haz de luz se desvíe y no llegue correctamente al destino.

Trayectoria de la luz a través de la fibra óptica.
Trayectoria de la luz a través de la fibra óptica.

Uno de los problemas que hubo a la hora de desarrollar la fibra óptica fue la transmisión de varios usuarios a través del mismo cable. En el caso del cobre es muy sencillo, ya que basta con utilizar frecuencias diferentes para cada usuario que esté mandando información (es algo más complejo pero la idea principal es esa). Por el contrario, en la fibra óptica tenemos que mandar un haz de luz por usuario sobre el mismo cable.

La solución fue sencilla: el desarrollo de la fibra multimodo. Esta fibra permite que varios haz de luz viajen a lo largo de la fibra sin que se perturben entre ellos. Así, varios usuarios pueden aprovecharse del gran ancho de banda de la fibra.

Fibra multimodo y fibra monomodo.
Fibra multimodo y fibra monomodo.

Espero que, con estas ideas básicas, hayáis comprendido (al menos de forma superficial) cómo se transmiten los datos desde que un usuario los genera hasta que se viajan a través de los diferentes medios de transmisión. Si os ha quedado alguna duda, ¡No dudéis en preguntarla!

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