Tema 4. Tecnología Ethernet.
4.1 Descripción General de Ethernet.
Es un estándar de redes de área local para computadores con acceso al medio por detección de la onda portadora y con detección de colisiones (CSMA/CD). Ethernet define las características de cableado y señalización de nivel físico y los formatos de tramas de datos del nivel de enlace de datos del modelo OSI.
Ethernet se tomó como base para la redacción del estándar internacional IEEE 802.3, siendo usualmente tomados como sinónimos. Se diferencian en uno de los campos de la trama de datos. Sin embargo, las tramas Ethernet e IEEE 802.3 pueden coexistir en la misma red.
4.1.1 Estándares e Implementación.
El primer estándar de Ethernet fue publicado por un
consorcio formado por Digital Equipment Corporation, Intel y Xerox (DIX).
Metcalfe quería que Ethernet fuera un estándar compartido a partir del cual
todos se podían beneficiar, de modo que se lanzó como estándar abierto. Los
primeros productos que se desarrollaron a partir del estándar de Ethernet se
vendieron a principios de la década de 1980.
En 1985, el comité de estándares para Redes Metropolitanas y
Locales del Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE) publicó los
estándares para las LAN. Estos estándares comienzan con el número 802. El
estándar para Ethernet es el 802.3. El IEEE quería asegurar que sus estándares
fueran compatibles con los del modelo OSI de la Organización Internacional para
la Estandarización (ISO). Para garantizar la compatibilidad, los estándares
IEEE 802.3debían cubrir las necesidades de la Capa 1 y de las porciones
inferiores de la Capa 2 del modelo OSI. Como resultado, ciertas pequeñas
modificaciones al estándar original de Ethernet se efectuaron en el 802.3.
4.1.2 Capa 1 y Capa 2.
Ethernet opera a través de dos capas del modelo OSI. El modelo ofrece una referencia sobre con qué puede relacionarse Ethernet, pero en realidad se implementa sólo en la mitad inferior de la capa de Enlace de datos, que se conoce como subcapa Control de acceso al medio (Media Access Control, MAC), y la capa física. Ethernet en la Capa 1 implica señales, streams de bits que se transportan en los medios, componentes físicos que transmiten las señales a los medios y distintas topologías.
La Capa 1 de Ethernet tiene un papel clave en la comunicación
que se produce entre los dispositivos, pero cada una de estas funciones tiene
limitaciones. Tal como lo muestra la figura, Ethernet en la Capa 2 se ocupa de
estas limitaciones.
4.1.3 Control de Enlace Lógico: Conexión con las Capas Superiores.
4.1.4 MAC: Envío de Datos a los Medios.
La subcapa MAC controla la colocación de tramas en los
medios y el retiro de tramas de los medios. Como su nombre lo indica, se
encarga de administrar el control de acceso al medio. Esto incluye el inicio de
la transmisión de tramas y la recuperación por fallo de transmisión debido a
colisiones.
Topología lógica.
La topología lógica subyacente de Ethernet es un bus de
multiacceso. Esto significa que todos los nodos (dispositivos)en ese segmento
de la red comparten el medio. Esto significa además que todos los nodos de ese
segmento reciben todas las tramas transmitidas por cualquier nodo de dicho
segmento. Debido a que todos los nodos reciben todas las tramas, cada nodo debe
determinar si debe aceptar y procesar una determinada trama. Esto requiere
analizar el direccionamiento en la trama provisto por la dirección MAC. Ethernet ofrece un método para determinar cómo
comparten los nodos el acceso al medio. El método de control de acceso a los
medios para Ethernet clásica es el Acceso múltiple con detección de portadora
con detección de colisiones (CSMA/CD).
4.1.5 Implementaciones Físicas de Ethernet.
La mayor parte del tráfico en Internet se origina y termina
en conexiones de Ethernet. Desde su inicio en la década de1970, Ethernet ha
evolucionado para satisfacer la creciente demanda de LAN de alta velocidad.
Cuando se introdujo el medio de fibra óptica, Ethernet se adaptó a esta nueva
tecnología para aprovechar el mayor ancho de banda y el menor índice de error
que ofrece la fibra. Actualmente, el mismo protocolo que transportaba datos a 3
Mbps puede transportar datos a 10 Gbps. El éxito de Ethernet se debe a los
siguientes factores:
- Simplicidad y facilidad de mantenimiento
- Capacidad para incorporar nuevas tecnologías
- Confiabilidad
Ethernet permanece constante a través de todas sus implementaciones físicas. Es por esta razón que puede evolucionar hasta cumplir con los requisitos de red actuales.
4.1.6 Ethernet: Comunicación a través de LAN.
4.1.6.1 Comunicación a través de LAN.
Las técnicas para utilizar un medio compartido de esta manera se aplicaron posteriormente a la tecnología cableada en forma de Ethernet. La Ethernet se diseñó para aceptar múltiples computadoras que se interconectaban en una topología de bus compartida.
La primera versión de Ethernet incorporaba un método de
acceso al medio conocido como Acceso múltiple por detección de portadora y
detección de colisiones (CSMA/CD). El CSMA/CD administraba los problemas que se
originaban cuando múltiples dispositivos intentaban comunicarse en un medio
físico compartido.
1.1.6.2 Ethernet Histórica.
Las primeras versiones de Ethernet utilizaban cable coaxial para conectar computadoras en una topología de bus. Cada computadora se conectaba directamente al backbone. Estas primeras versiones de Ethernet se conocían como Thicknet (10BASE5) y Thinnet (10BASE2). La 10BASE5, o Thicknet, utilizaba un cable coaxial grueso que permitía lograr distancias de cableado de hasta 500metros antes de que la señal requiriera un repetidor.
La 10BASE2, o Thinnet, utilizaba un cable coaxial fino que tenía un diámetro menor y era más flexible que la Thicknet y permitía alcanzar distancias de cableado de 185 metros.
La capacidad de migrar la implementación original de Ethernet a las implementaciones de Ethernet actuales y futuras se basa en la estructura de la trama de Capa 2, que prácticamente no ha cambiado. Los medios físicos, el acceso al medio y el control del medio han evolucionado y continúan haciéndolo. Pero el encabezado y el tráiler de la trama de Ethernet han permanecido constantes en términos generales.
Las primeras implementaciones de Ethernet se utilizaron en entornos LAN de bajo ancho de banda en los que el acceso a los medios compartidos se administraba mediante CSMA y, posteriormente, mediante CSMA/CD. Además de ser una topología de bus lógica de la capa de Enlace de datos, Ethernet también utilizaba una topología de bus física. Esta topología se volvió más problemática a medida que las LAN crecieron y que los servicios LAN demandaron más infraestructura.
Los medios físicos originales de cable coaxial grueso y fino se reemplazaron por categorías iniciales de cables UTP. En comparación con los cables coaxiales, los cables UTP eran más fáciles de utilizar, más livianos y menos costosos.
La topología física también se cambió por una topología en
estrella utilizando hubs. Los hubs concentran las conexiones. En otras
palabras, toman un grupo de nodos y permiten que la red los trate como una sola
unidad. Cuando una trama llega a un puerto, se lo copia a los demás puertos
para que todos los segmentos de la LAN reciban la trama. La utilización del hubs
en esta topología de bus aumentó la confiabilidad de la red, ya que permite que
cualquier cable falle sin provocar una interrupción en toda la red. Sin
embargo, la repetición de la trama a los demás puertos no solucionó el problema
de las colisiones. Más adelante en este capítulo se verá cómo se manejaron las
cuestiones relacionadas con colisiones en Ethernet mediante la introducción de switch
en la red.
4.1.6.3 Administración de colisiones Ethernet.
4.2 Trama Ethernet.
4.2.1 Encapsulación del Paquete.
La estructura de la trama de Ethernet agrega encabezados y tráiler a la PDU de Capa 3 para encapsular el mensaje que se envía.
Tanto el encabezado como el tráiler de Ethernet tienen varias secciones de información que el protocolo Ethernet utiliza. Cada sección de la trama se denomina campo. Hay dos estilos de tramas de Ethernet: el IEEE 802.3 (original) y el IEEE 802.3 revisado (Ethernet).
Las diferencias entre los estilos de tramas son mínimas. La
diferencia más significativa entre el IEEE 802.3 (original) y el IEEE 802.3
revisado es el agregado de un delimitador de inicio de trama (SFD) y un pequeño
cambio en el campo Tipo que incluye la Longitud, tal como se muestra en la
figura.
4.2.2 La Dirección MAC de Ethernet.
El valor de la dirección MAC es el resultado directo de las normas implementadas por el IEEE para proveedores con el objetivo de garantizar direcciones únicas para cada dispositivo Ethernet. Las normas establecidas por el IEEE obligan a los proveedores de dispositivos Ethernet a registrarse en el IEEE. El IEEE le asigna a cada proveedor un código de 3 bytes, denominado Identificador único organizacional (OUI).
El IEEE obliga a los proveedores a respetar dos normas
simples:
Todas las direcciones MAC asignadas a una NIC u otro
dispositivo Ethernet deben utilizar el OUI que se le asignó a dicho proveedor
como los 3 primeros bytes.
Se les debe asignar un valor exclusivo a todas las direcciones MAC con el mismo OUI (Identificador exclusivo de organización) (código del fabricante o número de serie) en los últimos 3 bytes.
La dirección MAC se suele denominar dirección grabada (BIA) porque se encuentra grabada en la ROM (Memoria de sólo lectura) de la NIC. Esto significa que la dirección se codifica en el chip de la ROM de manera permanente (el software no puede cambiarla).
Sin embargo, cuando se inicia el equipo la NIC copia la dirección a la RAM (Memoria de acceso aleatorio). Cuando se examinan tramas se utiliza la dirección que se encuentra en la RAM como dirección de origen para compararla con la dirección de destino. La NIC utiliza la dirección MAC para determinar si un mensaje debe pasarse a las capas superiores para procesarlo.
Dispositivos de red
Cuando el dispositivo de origen reenvía el mensaje a una red Ethernet, se adjunta la información del encabezado dentro de la dirección MAC. El dispositivo de origen envía los datos a través de la red. Cada NIC de la red visualiza la información para determinar si la dirección MAC coincide con su dirección física. Si no hay coincidencia, el dispositivo descarta la trama. Cuando la trama llega al destino donde la MAC de la NIC coincide con la MAC de destino de la trama, la NIC pasa la trama hasta las capas OSI (Interconexión de sistema abierto), donde se lleva a cabo el proceso de desencapsulación.
Todos los dispositivos conectados a una LAN Ethernet tienen
interfaces con direcciones MAC. Diferentes fabricantes de hardware y software
pueden representar las direcciones MAC en distintos formatos hexadecimales. Los
formatos de las direcciones pueden ser similares a 00-05-9A-3C-78-00,
00:05:9A:3C:78:00 ó 0005.9A3C.7800. Las direcciones MAC se asignan a estaciones
de trabajo, servidores, impresoras, switch y routers (cualquier dispositivo
que pueda originar o recibir datos en la red).
4.2.3 Numeración hexadecimal y direccionamiento.
4.2.4. Otra capa de direccionamiento.
La dirección de red ayuda al router a identificar una ruta
dentro de la nube de red, el router utiliza esta dirección de red para
identificar la red destino de un paquete dentro de la red. los protocolos de
red utilizan algún tipo de dirección de host o nodo. Para algunos protocolos de
capa de red, el administrador de la red asigna direcciones de red de acuerdo
con un plan de direccionamiento de red por defecto.
La función de capa de red es encontrar la mejor ruta a
través de la red, se utiliza dos métodos de direccionamiento: direccionamiento
plano y direccionamiento jerárquico. Un esquema de direccionamiento plano
asigna a un dispositivo la siguiente dirección disponible.
Capa de Enlace de
datos
El direccionamiento físico de la capa de Enlace de datos (Capa 2) de OS, Si bien brindan una dirección host única, las direcciones físicas no son jerárquicas. Estas direcciones se asocian a un dispositivo en particular, independientemente de su ubicación o de la red.
Capa de Red
Las direcciones de capa de Red (Capa 3), como por ejemplo,
las direcciones IPv4, brindan el direccionamiento general y local que se
comprende tanto en el origen como en el destino.
4.2.5. Control de acceso al medio.
Es el conjunto de mecanismos y protocolos por los que varios
"interlocutores" (dispositivos en una red, como ordenadores,
teléfonos móviles, etc.) se ponen de acuerdo para compartir un medio de
transmisión común. Las siglas inglesas MAC (de Medium Access Control, la traducción
inglesa del término) se emplean en la familia de estándares IEEE 802 para
definir la subcapa de control de acceso al medio.
Algunas funciones de la subcapa MAC son:
Agregar la dirección MAC del nodo fuente y del nodo destino
en cada una de las tramas que se transmiten.
Al recibir en destino debe determinar el inicio y el final
de una trama de datos dentro de una cadena de bits recibidos por la capa
física.
Efectuar detección y, si procede, corrección de errores de
transmisión.
4.2.5.1. CSMA/CD: el proceso
El protocolo CSMA/CD se subdivide en varios pasos:
Detección de portadora.
En el método de acceso CSMA/CD, todos los dispositivos de
red que tienen mensajes para enviar deben escuchar antes de transmitir.
Multiacceso
Si la distancia existente entre los dispositivos es tal que
la latencia de las señales de un dispositivo denota que un segundo dispositivo
no detecta las señales, el segundo dispositivo puede comenzar también a
transmitir.
Detección de colisiones.
Cuando un dispositivo está en modo de escucha, puede
detectar una colisión en el medio compartid. Una vez que se produce una
colisión, los demás dispositivos que se encuentren en modo de escucha, detectarán
el aumento de la amplitud de la señal.
Señal de congestión y postergación aleatoria.
Cuando los dispositivos de transmisión detectan la colisión,
envían una señal de congestión. Esta señal interferente se utiliza para
notificar a los demás dispositivos sobre una colisión, de manera que éstos
invocarán un algoritmo de postergación. Este algoritmo de postergación hace que
todos los dispositivos dejen de transmitir durante un período aleatorio.
4.2.5.2. Temporización de Ethernet.
El intervalo de tiempo para Ethernet de 10 y 100 Mbps es de
512 tiempos de bit o 64 octetos. El intervalo de tiempo para Ethernet de 1000
Mbps es de 4096 tiempos de bit o 512 octetos, El intervalo de tiempo garantiza
que si está por producirse una colisión, se detectará dentro de los primeros
512 bits.
Información de las direcciones MAC destino y origen.
• Otra información relacionada con el encabezado.
• Los datos.
• La checksum (FCS) utilizada para asegurar que no se haya
dañado el mensaje durante la transmisión.
En Ethernet de 10 Mbps, un bit en la capa MAC requiere de
100 nanosegundos (ns) para ser transmitido. A 100 Mbps, ese mismo bit requiere
de 10 ns para ser transmitido. Y a 1000 Mbps, sólo se requiere 1 ns para
transmitir un bit. A menudo, se utiliza una estimación aproximada de 20,3
centímetros (8 pulgadas) por nanosegundo para calcular el retardo de
propagación en un cable UTP.
4.2.5.3. Espacio entre tramas y postergación
El espacio mínimo entre dos tramas que no han sufrido una
colisión recibe el nombre de espacio entre tramas. Se mide desde el último bit
del campo de la FCS de la primera trama hasta el primer bit del preámbulo de la
segunda trama, Una vez enviada la trama, todas las estaciones de Ethernet de 10
Mbps deben esperar un mínimo de 96 tiempos de bit (9,6 microsegundos) antes de
que cualquier estación pueda transmitir, de manera legal, la siguiente trama.
En versiones de Ethernet más veloces, el espacio sigue siendo el mismo.
Temporización de postergación
Una vez producida la colisión y que todos los dispositivos
permitan que el cable quede inactivo (cada uno espera que se cumpla el espacio
completo entre tramas), los dispositivos cuyas transmisiones sufrieron la
colisión deben esperar un período adicional.
4.3. Protocolo de resolución de direcciones.
En red de computadoras, el protocolo de resolución de
direcciones (ARP, del inglés Address Resolution Protocol) es un protocolo de
comunicaciones de la capa de enlace de datos,1 responsable de encontrar la
dirección de hardware (Ethernet MAC) que corresponde a una determinada
dirección IP.
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