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1 Serial VS parallel

• Computers make use of relatively short parallel connections between interior components, but use a serial bus to convert signals for most external communications.
• With a serial connection, information is sent across one wire, one data bit at a time. The 9-pin serial connector on most PCs uses two loops of wire, one in each direction, for data communication, plus additional wires to control the flow of information. In any given direction, data is still flowing over a single wire.
• A parallel connection sends the bits over more wires simultaneously. In the case of the 25-pin parallel port on your PC, there are eight data-carrying wires to carry 8 bits simultaneously. Because there are eight wires to carry the data, the parallel link theoretically transfers data eight times faster than a serial connection. So based on this theory, a parallel connection sends a byte in the time a serial connection sends a bit.
• If parallel is faster than serial, is parallel more suitable for connecting to a WAN? In reality, it is often the case that serial links can be clocked considerably faster than parallel links, and they achieve a higher data rate, because of two factors that affect parallel communications: clock skew and crosstalk interference.
• In most cases, serial communications are considerably cheaper to implement. Serial communications use fewer wires, cheaper cables, and fewer connector pins.

2 Closk skew

In a parallel connection, it is wrong to assume that the 8 bits leaving the sender at the same time arrive at the receiver at the same time. Rather, some of the bits get there later than others. This is known as clock skew. Overcoming clock skew is not trivial. The receiving end must synchronize itself with the transmitter and then wait until all the bits have arrived. The process of reading, waiting, latching, waiting for clock signal, and transmitting the 8 bits adds time to the transmission. In parallel communications, a latch is a data storage system used to store information in sequential logic systems. The more wires you use and the farther the connection reaches, compounds the problem and adds delay. The need for clocking slows parallel transmission well below theoretical expectations.

This is not a factor with serial links, because most serial links do not need clocking. Serial connections require fewer wires and cables. They occupy less space and can be better isolated from interference from other wires and cables.

3 Mutual interference (crosstalk)

Parallel wires are physically bundled in a parallel cable, and signals can imprint themselves on each other. The possibility of crosstalk across the wires requires more processing, especially at higher frequencies. The serial buses on computers, including routers, compensate for crosstalk before transmitting the bits. Since serial cables have fewer wires, there is less crosstalk, and network devices transmit serial communications at higher, more efficient frequencies.

Serial cables can be longer than parallel cables, because there is much less interaction (crosstalk) among the conductors in the cable.

4 Modelos de transmisi’on

• A la hora de transmitir m’as de un bit de datos existen dos posibilidades: (1) enviar todos los bits a la vez utilizando tantos enlaces como bits o (2) enviar los bits uno detr’as de otro. En el primer caso hablamos de transmisi’on paralela porque muchos bits llegan hasta el receptor a la vez, en paralelo, mientras que en el segundo caso utilizamos el t’ermino transmisi’on serie para indicar que los bits llegan al receptor formando una hilera.
• La transmisi’on paralela presenta la ventaja de que si existen hasta N l’ineas de transmisi’on, el tiempo de transmisi’on serie se divide entre N, aunque necesita N enlaces. Por este motivo se utiliza en distancias cortas como son los buses de datos de las computadoras, impresoras, etc.
• La transmisi’on serie presenta la ventaja de que es N veces m’as barata en t’erminos de enlace y por esto se emplea cuando las distancias que separan el emisor y el receptor son grandes, o cuando simplemente s’olo existe un medio de transmisi’on (por ejemplo, un enlace por radio). En redes de computadoras, y en general, en cualquier red de transmisi’on de datos la forma m’as frecuente de transmisi’on es la serie.
• Cuando se trata de enviar grandes cantidades de bits es normal agruparlos en bloques que faciliten su transmisi’on. Aparecen as’i los conceptos de car’acter y trama de datos. Un car’acter suele tener un tamaño de 8 bits y una trama de datos suele estar formada por una secuencia de caracteres, aunque tambi’en podemos encontrarnos casos donde los caracteres sean s’olo de 7 bits y las tramas de una longitud arbitraria.
• Cuando los caracteres son transmitidos espor’adicamente y adem’as cada transmisi’on puede, a priori, realizarse en cualquier instante, se dice que la transmisi’on es as’incrona (por ejemplo, la transmisi’on que se realiza entre un teclado y la CPU). Sin embargo, cuando los caracteres se transmiten sin pausa (formando una trama de datos, como ocurre por ejemplo cuando leemos un bloque de disco) se habla de transmisi’on s’incrona de ese bloque de caracteres [2].

5 Señalizaciones bipolares

• Cuando se diseñan enlaces de transmisi’on de datos serie mediante cables el’ectricos, una de las principales mejoras que podemos realizar de cara a reducir el coste consiste en utilizar un ’unico hilo conductor en lugar de dos, como ocurre por ejemplo en el Tel’egrafo [3]. En este caso s’olo tenemos como tensi’on de referencia la tierra local, la t’ecnica para averiguar qu’e pulso es el que ha llegado (saber si se trata de un 0 o un 1) consiste en “estimar” la tensi’on de tierra que el emisor est’a utilizando, promediando el valor de la señal [4] que llega, ya que es bastante acertado suponer que durante la transmisi’on de grandes cantidades de datos, el n’umero de bits iguales a 1 va a ser aproximadamente igual al n’umero de bits iguales a 0.
• Si usamos una señal unipolar (que nunca se hace negativa), la media de la señal recibida es siempre mayor que la señal que llegar’ia al receptor en ausencia de datos (l’inea inactiva o señal de tierra) y esto es un problema porque no sabr’iamos con certeza el nivel de tierra.
• La señalizaci’on bipolar m’as simple se conoce como NRZL (Not Return to Zero Level) o señalizaci’on sin retorno a nivel cero. En la Figura

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  Figure 1: Señalizaci’on NRZL.

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  1 se muestra un ejemplo de señalizaci’on NRZL.

6 Sincronizaci’on

• Tanto para el caso de la transmisi’on serie como de la paralela, la determinaci’on del instante de tiempo en que cada bit es recibido es una cuesti’on fundamental para su reconocimiento correcto. Si revisamos la Secci’on ??, que muestra c’omo ser’ia la recepci’on de la componente de frecuencia fundamental de una señal digital en banda base que transporta la peor secuencia de bits transmitida a trav’es de un enlace sin ruido, apreciaremos que el mejor momento para medir el valor de la señal recibida es justo en la mitad de la recepci’on de cada bit.
• Para encontrar dichos instantes el emisor y el receptor utilizan sendos relojes. El del emisor indica cu’ando enviar el siguiente bit y el del receptor cu’ando medir el valor de la señal recibida. Ademas, para que la transmisi’on sea posible dichos relojes deben poseer la misma frecuencia, es decir, han de estar sincronizados.
• En una transmisi’on paralela el problema de la sincronizaci’on se resuelve enviando la señal producida por el reloj (la señal de reloj) a trav’es de una l’inea diferente, dedicada. En el caso de la transmisi’on serie esto no es posible, y se emplean dos t’ecnicas simult’aneamente: (1) el env’io previo de bits de sincronismo y (2) la utilizaci’on de señales que incorporan sincron’ia, es decir, que transportan junto con lo datos la informaci’on de sincronismo.
• Los bits de sincronismo (que pueden ser en realidad s’olo 1) anteceden a los bits de datos y sirven para que el receptor sincronice inicialmente su reloj. Por ejemplo, la Figura

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  Figure 2: Una transmisi’on serie.

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  2 muestra una señal digital que transporta un pulso de sincronismo [1] y 7 bits de datos (un car’acter). Tambi’en se muestra un bit de parada que representa el tiempo que la l’inea debe estar inactiva (sin transmitir datos).

7 Delimitaci’on de tramas

• El uso de bits de sincronismo plantea un problema evidente: ¿Qu’e hacer si aparecen dentro de los datos a transmitir? El receptor podr’ia interpretar que algunos bits de datos son bits de sincronismo, cuando esto no es as’i.
• Para evitar este problema existen b’asicamente dos t’ecnicas:
  1. El recuento de caracteres, que consiste en incluir al comienzo de cada trama un campo que indica cu’antos caracteres contiene la trama (v’ease la Figura

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     Figure 3: Recuento de caracteres para la delimitaci’on de tramas.

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     3). Aqu’i se puede apreciar adem’as que es posible usar la propia t’ecnica de recuento de caracteres para mantener constantemente sincronizados el emisor y el receptor: cuando no se transmiten datos se env’ian constantemente tramas vac’ias. ¹

     El principal inconveniente del recuento de caracteres radica en que es bastante sensible al ruido de transmisi’on puesto que una alteraci’on en un bit del campo que indica la longitud de la trama afecta a su longitud, lo que genera inmediatamente un error de delimitaci’on de trama. Para salir de esta situaci’on, el receptor debe buscar los bits de sincronizaci’on iniciales que preceden a toda trama de datos y recuperar as’i la sincronizaci’on. Un ejemplo de protocolo de transmisi’on s’incrona que utiliza el recuento de caracteres es el DDCMP (Digital Data Communication Message Protocol) [4].

  2. La Insercci’on de delimitadores que consiste en colocar delante y detr’as de la trama un(os) car’acter(es) especial(es) que identifique(n) el comienzo y fin de trama. Una de las t’ecnicas m’as simples (y usadas) para la delimitaci’on de tramas basada en la inserci’on de delimitadores es el relleno de caracteres (character stuffing en ingl’es) que se emplea en los protocolos serie s’incronos BISYNC (BInary SYNchronous Communication) y PPP (Point to Point Protocol) [4]. El car’acter que indica el comienzo de trama se denomina STX (Start of TeXt) y el que especifica el fin, ETX (End of TeXt). Hasta aqu’i todo perfecto, pero ¿qu’e ocurre si estos caracteres aparecen dentro de la trama de datos? Para evitar un error de delimitaci’on de trama el emisor inserta delante de cualquiera de estos caracteres otro car’acter especial llamado DLE (Data Link Escape) para indicar que la trama no acaba o comienza ah’i. Entonces, ¿qu’e ocurre si el car’acter DLE aparece dentro de la trama de datos? Para evitar que el receptor lo tome como un car’acter especial el emisor lo precede de otro DLE. De esta forma, el receptor siempre que recibe un DLE lo ignora como dato y no atiende al significado de delimitaci’on del siguiente car’acter; sea lo que sea se trata de datos. En la Figura

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     Figure 4: Ejemplos de relleno de caracteres.

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     4 se presenta unos ejemplos de relleno de caracteres.

     La principal desventaja del relleno de caracteres es que los datos deben organizarse en caracteres. Para evitar esta limitaci’on existe una t’ecnica semejante pero que delimita las tramas a nivel de bits. Por esto se llama relleno de bits o bit stuffing. Ejemplo, la t’ecnica de relleno que utiliza en el protocolo HDLC (High-level Data Link Control) [4]. Ejemplos en la Figura

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     Figure 5: Ejemplos de relleno de bits.

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     5. En HDLC, el comienzo y el fin de cada trama se delimita mediante la secuencia 0111 1110. Cuando esta aparece entre los datos, el emisor la rompe insertando un 0 antes del ’ultimo 1. En otras palabras, lo que el emisor hace es buscar y romper cualquier secuencia de m’as de 5 unos consecutivos. As’i, el receptor no tiene problema para delimitar la trama porque s’olo tiene que encontrar 6 unos consecutivos. De nuevo, ¿qu’e ocurre si la secuencia 0111 110 aparece en los datos? Como el receptor va a considerar el ’ultimo bit como un bit de relleno, el emisor lo precede de un bit a 0. As’i la recepci’on es correcta.

     El relleno de bits tiene dos grandes ventajas. La primera de ellas es que el overhead (exceso de datos redundantes) introducido por el protocolo de transmisi’on para delimitar las tramas es menor que para el caso del relleno de caracteres: el relleno genera s’olo un bit de redundancia frente a ocho. Sin embargo, la mayor ventaja proviene de que existe la seguridad de que en ning’un instante de la transmisi’on se emiten m’as de 6 unos consecutivos.

8 Señalizaciones auto-reloj

• Si los bits de sincronismo sirve para determinan cu’ando comienzan a recibirse bits, las señalizaciones auto-reloj se utilizan para estimar la duraci’on de los bits en las transmisiones serie, especialmente en las s’incronas.
• Si analizamos la señaliaci’on NRZL, podemos ver que los principales problemas para el receptor llegan cuando se reciben largas series de ceros o unos, porque mientras esto no sea as’i, la propia señalizaci’on indica cu’ando comienzan y acaban los bits.
• Para evitar esto existen b’asicamente dos t’ecnicas:
  1. Emplear señalizaciones diferenciales. Por ejemplo, la señalizaci’on NRZI (Not Return to Zero Inverted) o señalizaci’on sin retorno a nivel cero invertida (s’olo) cambia cuando enviamos un 1, lo que aumenta las posibilidades de sincronizaci’on durante la transmisi’on de las secuencias de 1’s. V’ease la Figura

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     Figure 6: Señalizaci’on NRZI.

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     6.

  2. Transmitir la señal de sincromismo (reloj) junto con los datos, cuando el ancho de banda disposible lo permita. Esto ocurre, por ejemplo, en la señalizaci’on Manchester donde se env’ia una transici’on +A →−A (donde A es el nivel m’aximo de amplitud de la señal) cada vez que transmitimos un 0 y una transici’on −A → +A para un 1. En la Figura

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     Figure 7: Señalizaci’on Manchester.

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     7 se presenta un ejemplo de señalizaci’on Manchester.

  3. Tambi’en existe una versi’on diferencial conocida como señalizaci’on Manchester diferencial (v’ease la Figura

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     Figure 8: Señalizaci’on Manchester diferencial.

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     8) donde una transici’on al principio del intervalo transmite un 0 y en la mitad del intervalo un 1.

• Finalmente, indicar que una señalizaci’on NRZI donde en lugar de bascular con los unos basculemos con los ceros, o una señalizaci’on AMI, son especialmente convenientes para ser utilizadas con el relleno de bits ya que los problemas de sincronizaci’on quedan autom’aticamente resueltos.

9 Señalizaciones resistentes a errores

• El ruido presente en el medio de transmisi’on puede alterar la recepci’on de la señal y para evitar esto en la medida de lo posible, se idearon señalizaciones que ayudan al receptor a percatarse de los errores. La idea, b’asicamente, consiste en que el ruido, cuando exista, genere elementos de señalizacion que no est’an permitidos, haciendo posible que el receptor se percate de ello y corriengo el correspondiente error. Ejemplos:
  1. Señalizaci’on con inversi’on de marca alternada o AMI (Alternate Mark Inversion). Utiliza la ausencia de señal para codificar un 0 y un nivel con polaridad alternante para señalizar un 1 [5]. Como puede verse, la media de la señal es cero y adem’as cada 1 aporta informaci’on de sincronismo. En AMI, para que un 0 se convierta en un 1, debe crearse un nivel de tensi’on suficiente y adem’as cambiar la polaridad respecto del 1 anterior. V’ease la Figura

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     Figure 9: Señalizaci’on AMI.

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     9.

  2. Señalizaci’on B8ZS. Semejante a AMI, pero evita la ausencia de transiciones (y por tanto, la desincronizaci’on). Cada secuencia 0000 0000 se sustituye por 000V B0VB donde una V significa “violaci’on de la polaridad” y una B significa “polaridad correcta” respecto de la polaridad anterior [5, 2]. En la Figura

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     Figure 10: Señalizaci’on B8ZS.

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     10 hay un ejemplo.

  3. Señalizaci’on HDB3. En este caso la secuencia 0000 se sustituye por B00V si el n’umero de unos desde la ’ultima sustituci’on es par, y por 000V si es impar [5, 2]. V’ease la Figura

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     Figure 11: Señalizaci’on HDB3.

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     11.

10 Agrupacin de bits

• En entornos muy propensos a errores se usan cdigos redundantes que tratan de superarlos. Adems, intentan que la probabilidad de se nalizar un cero sea la misma que la de un uno, para conseguir que la media de la se nal sea cero. Ejemplo:

  Codificacin 4B/5B

      Cdigo 4B | Smbolo 5B  
           0000 |      11110  
           0001 |      01001  
              : :          :  
           1111 |      11101  
       inactivo |      11111  
  inicio stream |      01101/10001  
     fin stream |      01101/00111  
          error |      00100  
       invlido |      0000/00001/.../11001

References