1. Introducción
La información constituye uno de los elementos fundamentales de cualquier sistema informático. Los sistemas digitales necesitan representar los datos mediante estructuras que puedan ser almacenadas, procesadas y transmitidas por dispositivos electrónicos.
Aunque para el usuario la información se presenta mediante textos, imágenes, sonidos, vídeos o documentos, internamente todos estos elementos deben transformarse en una representación que pueda ser procesada por un ordenador. En los sistemas digitales esta representación se basa fundamentalmente en el uso de bits, agrupados en diferentes estructuras de datos.
La representación de la información no puede separarse de su comunicación. Una vez codificados los datos, estos pueden ser transmitidos entre dispositivos mediante diferentes medios y protocolos de comunicación.
De esta forma, conceptos como codificación, sistemas de numeración, representación de caracteres, imágenes y sonido, compresión, señales, medios de transmisión, protocolos y redes están estrechamente relacionados.
El conocimiento de estos principios resulta fundamental para comprender el funcionamiento de los sistemas informáticos y de las redes de comunicación actuales.
En este tema se estudiarán los principales mecanismos utilizados para representar la información en los sistemas digitales y los procedimientos empleados para transmitirla entre sistemas.
2. Concepto de información y datos
Antes de estudiar su representación es necesario diferenciar dato e información.
Un dato es una representación de un hecho, objeto o fenómeno susceptible de ser procesada.
Por ejemplo:
25
puede representar una edad, una temperatura, una cantidad o cualquier otro valor dependiendo del contexto.
La información aparece cuando los datos son interpretados dentro de un contexto determinado.
En informática podemos establecer, de forma simplificada:
Datos → Procesamiento → Información
Los sistemas informáticos trabajan principalmente con datos que posteriormente son procesados para obtener información útil.
Los datos pueden adoptar diferentes formas:
- números;
- caracteres;
- textos;
- imágenes;
- sonidos;
- vídeos;
- instrucciones de programas;
- estructuras de datos.
El ordenador debe disponer de mecanismos para transformar todas estas formas de información a una representación que pueda manipular electrónicamente.
3. Representación digital de la información
Los ordenadores actuales son sistemas digitales. Utilizan fundamentalmente dos estados diferenciados para representar la información.
Estos estados se representan mediante:
0 y 1
La unidad mínima de información es el bit, término procedente de binary digit.
Un bit puede adoptar dos valores:
0 o 1
Los bits se agrupan para representar información más compleja.
La unidad tradicional formada por ocho bits es el byte u octeto:
1 byte = 8 bits
Con 8 bits pueden representarse:
2⁸ = 256
combinaciones diferentes.
Por ejemplo:
00000000
00000001
00000010
hasta:
11111111
Por tanto, un byte permite representar 256 valores diferentes.
4. Sistemas de numeración
La representación digital de la información se basa especialmente en el sistema binario, aunque otros sistemas de numeración tienen una gran importancia en informática.
4.1. Sistema decimal
Es el sistema utilizado habitualmente por las personas.
Tiene diez símbolos:
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Es un sistema posicional en base 10.
Por ejemplo:
583 = 5 × 10² + 8 × 10¹ + 3 × 10⁰
Por tanto:
583 = 500 + 80 + 3
4.2. Sistema binario
El sistema binario utiliza únicamente:
0 y 1
Es un sistema de base 2.
Por ejemplo:
1011₂
equivale a:
1 × 2³ + 0 × 2² + 1 × 2¹ + 1 × 2⁰
Por tanto:
8 + 0 + 2 + 1 = 11
Así:
1011₂ = 11₁₀
El sistema binario resulta especialmente adecuado para los sistemas electrónicos porque permite representar dos estados físicos diferenciados.
4.3. Sistema hexadecimal
El sistema hexadecimal utiliza 16 símbolos:
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F
Las letras representan:
- A = 10
- B = 11
- C = 12
- D = 13
- E = 14
- F = 15
Tiene una importancia especial porque cada dígito hexadecimal representa exactamente cuatro bits.
Por ejemplo:
1010 1111
puede representarse como:
AF
Esto facilita enormemente la lectura de valores binarios.
El hexadecimal aparece habitualmente en:
- direcciones de memoria;
- códigos de colores;
- direcciones MAC;
- representación de datos binarios;
- depuración de programas;
- protocolos de comunicación.
Por ejemplo, un color RGB puede representarse como:
#FF0000
que corresponde al rojo.
4.4. Sistema octal
El sistema octal utiliza ocho símbolos:
0 1 2 3 4 5 6 7
Cada dígito octal representa tres bits.
Aunque actualmente tiene menor presencia que el hexadecimal, todavía puede encontrarse en determinados sistemas informáticos, especialmente en sistemas Unix/Linux para representar permisos.
Por ejemplo:
755
es una representación habitual de permisos en sistemas Unix.
5. Representación de números
Los números enteros pueden representarse de diferentes formas.
En los sistemas informáticos es necesario distinguir entre números:
- sin signo;
- con signo.
5.1. Enteros sin signo
Si disponemos de n bits, podemos representar:
2ⁿ valores
Por ejemplo, con 8 bits:
0 ≤ x ≤ 255
Por tanto, con un byte podemos representar los valores comprendidos entre 0 y 255 cuando se utiliza una representación sin signo.
5.2. Complemento a dos
Una de las representaciones más utilizadas para números enteros con signo es el complemento a dos.
Con 8 bits, permite representar:
−128 ≤ x ≤ 127
Esta representación facilita las operaciones aritméticas mediante circuitos digitales.
Por ejemplo:
5 → 00000101
Para obtener −5 mediante complemento a dos:
Primero invertimos los bits:
00000101
se convierte en:
11111010
A continuación sumamos uno:
11111010 + 1 = 11111011
Por tanto:
11111011 = −5
6. Representación de números reales
Los números reales pueden representarse mediante diferentes técnicas.
Una de las más importantes es la representación en coma flotante.
Se utiliza una estructura basada en:
signo + exponente + mantisa
En el estándar IEEE 754 existen formatos ampliamente utilizados, como:
- precisión simple: 32 bits;
- precisión doble: 64 bits.
Conceptualmente, un número en coma flotante se representa mediante un signo, una mantisa y un exponente.
Esta representación permite trabajar con números muy grandes y muy pequeños.
Sin embargo, no todos los números reales pueden representarse exactamente, por lo que pueden producirse errores de precisión.
Por este motivo, en aplicaciones financieras y científicas es necesario seleccionar cuidadosamente el tipo de representación utilizado.
7. Representación de caracteres y textos
Los ordenadores también deben representar caracteres.
Para ello se utilizan codificaciones de caracteres.
7.1. ASCII
ASCII utiliza originalmente 7 bits para representar 128 caracteres.
Incluye:
- letras;
- números;
- signos de puntuación;
- caracteres de control.
Por ejemplo:
A = 65
B = 66
C = 67
En representación binaria:
A = 01000001
8. Unicode
ASCII resulta insuficiente para representar todos los alfabetos y sistemas de escritura existentes.
Por ello surge Unicode, cuyo objetivo es proporcionar una representación común para caracteres de múltiples idiomas.
Unicode permite representar:
- español;
- árabe;
- chino;
- japonés;
- cirílico;
- griego;
- símbolos matemáticos;
- emojis.
Entre sus principales codificaciones se encuentran:
- UTF-8;
- UTF-16;
- UTF-32.
Actualmente UTF-8 tiene una importancia especialmente relevante en Internet y en sistemas informáticos.
Una ventaja de UTF-8 es que mantiene compatibilidad con ASCII para los caracteres básicos.
9. Representación de imágenes
Una imagen digital puede representarse fundamentalmente mediante dos modelos:
- mapa de bits o raster;
- gráficos vectoriales.
9.1. Imágenes rasterizadas
Una imagen rasterizada está formada por una matriz de píxeles.
Por ejemplo:
● ● ● ●
● ● ● ●
● ● ● ●
Cada píxel almacena información sobre su color.
La calidad depende, entre otros factores, de:
- resolución;
- profundidad de color;
- formato;
- compresión.
Una imagen de:
1920 × 1080
contiene:
1920 × 1080 = 2.073.600 píxeles
9.2. Profundidad de color
La profundidad de color indica el número de bits utilizados para representar el color de un píxel.
Por ejemplo, con 24 bits:
- 8 bits → rojo;
- 8 bits → verde;
- 8 bits → azul.
Se dispone de:
2²⁴ = 16.777.216 colores diferentes
Este sistema se conoce habitualmente como RGB.
9.3. Formatos gráficos
Entre los formatos más conocidos encontramos:
- JPEG;
- PNG;
- GIF;
- WebP;
- SVG;
- TIFF.
JPEG utiliza compresión con pérdida y resulta especialmente apropiado para fotografías.
PNG permite compresión sin pérdida y admite transparencia.
SVG utiliza representación vectorial y resulta adecuado para gráficos que necesitan escalarse sin pérdida de calidad.
10. Representación del sonido
El sonido es una señal analógica. Para procesarlo digitalmente es necesario realizar una conversión de analógico a digital.
Este proceso implica principalmente:
- muestreo;
- cuantificación;
- codificación.
10.1. Muestreo
Consiste en medir la amplitud de la señal a intervalos regulares.
La frecuencia de muestreo indica cuántas muestras se toman por segundo.
Por ejemplo:
44.100 Hz
significa:
44.100 muestras por segundo
Es una frecuencia habitual en audio digital.
10.2. Cuantificación
Cada muestra obtenida debe asociarse a un valor digital.
Cuantos más bits se utilicen, mayor será la cantidad de niveles posibles.
Por ejemplo, con 16 bits:
2¹⁶ = 65.536 niveles
10.3. Codificación
Finalmente los valores obtenidos se representan mediante bits.
De esta manera:
Sonido analógico
↓
Muestreo
↓
Cuantificación
↓
Codificación
↓
Sonido digital
11. Representación del vídeo
El vídeo digital puede considerarse una sucesión de imágenes mostradas a una determinada frecuencia.
Por ejemplo:
25 fps
significa que se muestran 25 imágenes por segundo.
Además de las imágenes, normalmente se incorpora una pista de audio.
Los vídeos digitales pueden alcanzar tamaños muy elevados, por lo que utilizan técnicas de compresión.
Entre los estándares y tecnologías de compresión encontramos:
- H.264;
- H.265/HEVC;
- AV1;
- MPEG.
12. Compresión de la información
La compresión tiene como objetivo reducir el tamaño necesario para almacenar o transmitir información.
Puede clasificarse en:
12.1. Compresión sin pérdida
Permite recuperar exactamente la información original.
Ejemplos:
- ZIP;
- PNG;
- FLAC.
El proceso puede representarse:
Información original
↓
Compresión
↓
Información comprimida
↓
Descompresión
↓
Información original
12.2. Compresión con pérdida
Elimina parte de la información para conseguir una reducción mayor del tamaño.
Ejemplos:
- JPEG;
- MP3;
- determinados formatos de vídeo.
En este caso la información reconstruida no es necesariamente idéntica a la original.
La pérdida puede ser aceptable cuando la reducción de tamaño es prioritaria.
13. Comunicación de la información
La comunicación consiste en transferir información entre dos o más sistemas.
Un sistema básico de comunicación puede representarse como:
Emisor → Canal → Receptor
El proceso puede incluir:
Información
↓
Codificación
↓
Transmisión
↓
Recepción
↓
Decodificación
↓
Información
En una comunicación informática intervienen diferentes elementos:
- emisor;
- receptor;
- mensaje;
- medio de transmisión;
- protocolo;
- codificación;
- señales.
14. Señales analógicas y digitales
Una señal analógica puede tomar infinitos valores dentro de un intervalo.
Una señal digital utiliza valores discretos.
La digitalización permite procesar, almacenar y transmitir información mediante sistemas digitales.
Sin embargo, los sistemas digitales siguen interactuando con el mundo físico mediante señales eléctricas, ópticas o radioeléctricas.
15. Medios de transmisión
Los medios de transmisión pueden clasificarse en:
15.1. Medios guiados
La señal se transmite a través de un medio físico.
Par trenzado
Muy utilizado en redes Ethernet.
Tipos habituales:
- UTP;
- FTP;
- STP.
Cable coaxial
Utilizado históricamente en redes y actualmente en determinados sistemas de comunicaciones.
Fibra óptica
Utiliza pulsos de luz para transmitir información.
Presenta ventajas como:
- gran ancho de banda;
- baja atenuación;
- inmunidad frente a interferencias electromagnéticas;
- posibilidad de alcanzar grandes distancias.
16. Medios no guiados
La información se transmite mediante ondas electromagnéticas.
Entre las tecnologías más conocidas:
- Wi-Fi;
- Bluetooth;
- redes móviles;
- radio;
- enlaces por microondas;
- comunicaciones por satélite.
En estos sistemas resulta especialmente importante la utilización adecuada del espectro radioeléctrico.
17. Parámetros de la comunicación
Existen diversos parámetros que permiten caracterizar una comunicación.
Ancho de banda
Indica la capacidad disponible para transmitir información.
Velocidad de transmisión
Se expresa habitualmente en:
- bit/s;
- Kbit/s;
- Mbit/s;
- Gbit/s.
Latencia
Representa el tiempo que tarda la información en recorrer el sistema de comunicación.
Jitter
Es la variación en el tiempo de llegada de los paquetes.
Tiene especial importancia en:
- VoIP;
- videoconferencias;
- streaming;
- comunicaciones multimedia.
Tasa de error
Indica la proporción de información transmitida incorrectamente.
18. Modos de transmisión
Según la dirección de la comunicación podemos distinguir:
Simplex
La comunicación se produce en un único sentido.
A → B
Half-duplex
La comunicación puede producirse en ambos sentidos, pero no simultáneamente.
A → B
A ← B
Full-duplex
Ambos extremos pueden transmitir simultáneamente.
A ⇄ B
19. Conmutación de circuitos y de paquetes
Conmutación de circuitos
Se establece un circuito dedicado durante la comunicación.
Fue característica de las redes telefónicas tradicionales.
Conmutación de paquetes
La información se divide en paquetes que pueden atravesar la red.
Es el modelo utilizado fundamentalmente por Internet.
Por ejemplo:
Mensaje
↓
Paquete 1
Paquete 2
Paquete 3
Paquete 4
↓
Red
↓
Reensamblado
↓
Mensaje
Cada paquete contiene información de control necesaria para su entrega.
20. Protocolos de comunicación
Un protocolo es un conjunto de reglas que permite que diferentes sistemas puedan comunicarse.
Entre los protocolos y tecnologías más importantes encontramos:
- Ethernet;
- Wi-Fi;
- IP;
- TCP;
- UDP;
- HTTP;
- HTTPS;
- DNS;
- DHCP;
- SMTP;
- SSH.
Por ejemplo, cuando un usuario accede a una página web pueden intervenir diferentes protocolos:
Aplicación → HTTP/HTTPS
Transporte → TCP
Red → IP
Enlace → Ethernet/Wi-Fi
21. Modelo OSI
Para estudiar las comunicaciones se utiliza habitualmente el modelo OSI, formado por siete capas:
| Capa | Nombre | Ejemplos |
|---|---|---|
| 7 | Aplicación | HTTP, DNS, SMTP |
| 6 | Presentación | Codificación, cifrado |
| 5 | Sesión | Gestión de sesiones |
| 4 | Transporte | TCP, UDP |
| 3 | Red | IP |
| 2 | Enlace | Ethernet, Wi-Fi |
| 1 | Física | Cable, fibra, radio |
La división en capas permite separar responsabilidades y facilita el diseño y diagnóstico de las redes.
22. Modelo TCP/IP
Internet utiliza una arquitectura basada en TCP/IP.
Una representación habitual es:
Aplicación
↓
Transporte
↓
Internet
↓
Acceso a red
Entre los protocolos más relevantes encontramos:
HTTP
DNS
SMTP
SSH
↓
TCP / UDP
↓
IP
↓
Ethernet / Wi-Fi
Esta arquitectura permite que dispositivos y redes heterogéneas puedan comunicarse mediante protocolos comunes.
23. Detección y corrección de errores
Durante una transmisión pueden producirse errores debido a:
- interferencias;
- ruido;
- pérdidas de señal;
- problemas físicos;
- saturación;
- errores de hardware.
Para detectarlos pueden utilizarse técnicas como:
- bit de paridad;
- checksum;
- CRC.
En determinadas comunicaciones también se utilizan mecanismos de corrección de errores.
Otra técnica consiste en retransmitir la información cuando se detecta que un paquete no ha llegado correctamente.
24. Seguridad de la información durante la comunicación
La comunicación de información plantea también problemas relacionados con la seguridad.
Los principales objetivos de seguridad pueden resumirse mediante la triada CIA:
- Confidencialidad;
- Integridad;
- Disponibilidad.
La confidencialidad pretende evitar accesos no autorizados.
La integridad pretende garantizar que la información no haya sido modificada indebidamente.
La disponibilidad pretende garantizar que los sistemas y datos estén accesibles cuando sean necesarios.
Entre las técnicas utilizadas encontramos:
- cifrado;
- autenticación;
- firmas digitales;
- certificados digitales;
- protocolos seguros;
- control de acceso.
Por ejemplo, HTTPS utiliza mecanismos criptográficos para proteger las comunicaciones entre el cliente y el servidor.
25. La información en los sistemas actuales
La evolución tecnológica ha incrementado considerablemente la cantidad y variedad de información procesada.
Actualmente encontramos sistemas capaces de trabajar con:
- datos estructurados;
- documentos;
- imágenes;
- audio;
- vídeo;
- datos procedentes de sensores;
- dispositivos IoT;
- datos de localización;
- registros de sistemas;
- información generada por aplicaciones de inteligencia artificial.
Esto hace necesario combinar diferentes mecanismos de representación, almacenamiento, procesamiento y comunicación.
Un dispositivo IoT, por ejemplo, puede seguir un proceso como el siguiente:
Sensor
↓
Dato
↓
Conversión digital
↓
Procesamiento
↓
Codificación
↓
Wi-Fi / Bluetooth / red móvil
↓
Servidor
↓
Almacenamiento
↓
Aplicación
Este ejemplo muestra cómo la representación y la comunicación de la información están estrechamente relacionadas.
26. Aplicación educativa
Estos contenidos tienen una aplicación directa en la enseñanza de la informática.
En Formación Profesional pueden plantearse actividades prácticas relacionadas con:
- conversión entre sistemas de numeración;
- representación de caracteres;
- codificación UTF-8;
- análisis de imágenes digitales;
- cálculo del tamaño de archivos;
- compresión;
- configuración de redes;
- análisis de paquetes;
- direccionamiento IP;
- protocolos de comunicación;
- transmisión mediante Wi-Fi o Ethernet.
Por ejemplo, un ejercicio puede pedir calcular el tamaño aproximado de una imagen RGB de resolución 1920 × 1080 utilizando 24 bits por píxel.
El cálculo sería:
1920 × 1080 × 24 = 49.766.400 bits
Como un byte está formado por 8 bits:
49.766.400 ÷ 8 = 6.220.800 bytes
Por tanto, sin aplicar compresión, la imagen ocuparía aproximadamente:
5,93 MiB
Este tipo de actividad permite relacionar los conceptos teóricos con situaciones reales.
27. Evolución tecnológica
La representación y comunicación de la información han evolucionado desde los primeros sistemas de procesamiento digital hasta las actuales infraestructuras distribuidas.
Podemos identificar varias etapas:
Sistemas aislados
↓
Redes locales
↓
Internet
↓
Web
↓
Computación en la nube
↓
Internet de las cosas
↓
Sistemas distribuidos e inteligencia artificial
En cada etapa aumenta la cantidad de información que debe ser representada, almacenada, procesada y transmitida.
La aparición de redes de alta velocidad, fibra óptica, redes móviles avanzadas, dispositivos IoT y servicios cloud ha convertido la comunicación de información en un componente fundamental de prácticamente cualquier sistema informático.
28. Conclusión
La representación y comunicación de la información constituyen dos aspectos fundamentales de los sistemas informáticos.
La representación permite transformar diferentes tipos de información en estructuras que pueden ser procesadas por los sistemas digitales. Para ello se utilizan conceptos como el bit, el byte, los sistemas de numeración, las codificaciones de caracteres, la representación numérica, las imágenes digitales, el sonido y el vídeo.
Por otra parte, la comunicación permite transferir esa información entre dispositivos mediante señales, medios físicos o inalámbricos y protocolos de comunicación.
La evolución de las redes y de los sistemas distribuidos ha incrementado la importancia de estos conocimientos. Tecnologías como Internet, la computación en la nube, IoT y los sistemas de inteligencia artificial dependen de mecanismos eficientes para representar, procesar y transmitir grandes cantidades de información.
Por tanto, comprender estos fundamentos permite interpretar el funcionamiento de los sistemas informáticos actuales y proporciona una base sólida para el estudio posterior de las redes, los sistemas operativos, las bases de datos, la seguridad informática y el desarrollo de aplicaciones.
29. Esquema para memorizar
1. Introducción
↓
2. Información y datos
↓
3. Representación digital
- Bit y byte
- Binario
- Decimal
- Hexadecimal
- Octal
↓
4. Representación numérica
- Enteros
- Signo
- Complemento a dos
- Coma flotante
↓
5. Representación de caracteres
- ASCII
- Unicode
- UTF-8
↓
6. Representación multimedia
- Imagen
- Sonido
- Vídeo
↓
7. Compresión
- Sin pérdida
- Con pérdida
↓
8. Comunicación
- Emisor
- Receptor
- Canal
- Protocolo
↓
9. Señales
- Analógicas
- Digitales
↓
10. Medios de transmisión
- Cobre
- Fibra
- Inalámbricos
↓
11. Parámetros
- Ancho de banda
- Velocidad
- Latencia
- Jitter
- Errores
↓
12. Modos de transmisión
- Simplex
- Half-duplex
- Full-duplex
↓
13. Conmutación
- Circuitos
- Paquetes
↓
14. Protocolos
- OSI
- TCP/IP
↓
15. Errores
↓
16. Seguridad
↓
17. Aplicación educativa
↓
18. Evolución tecnológica
↓
19. Conclusión
Idea conductora para la exposición
Una buena forma de defender oralmente el tema es mantener una idea que conecte todos los apartados:
Toda información debe ser representada mediante una codificación adecuada para poder ser almacenada y procesada y, cuando necesita trasladarse entre sistemas, debe transmitirse mediante señales, medios y protocolos que permitan su correcta recepción.
Así se puede enlazar de forma natural:
binario → datos → texto → multimedia → codificación → compresión → señales → transmisión → protocolos → redes → seguridad → sistemas actuales.