Ethernet

De Departamento de Informatica
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Ethernet (también conocido como estándar IEEE 802.3) es un estándar de transmisión de datos para redes de área local, el cuál se ha transformado en la tecnología para redes LAN cableadas predominante en la actualidad. En una configuración Ethernet, todos los equipos están conectados a la misma línea de transmisión y la comunicación se lleva a cabo mediante el protocolo CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detect), el cuál es un protocolo de acceso múltiple que permite a cada equipo transmitir tramas a través de la línea en cualquier momento, sin establecer una prioridad entre ellos. El éxito de Ethernet se ha debido a factores tales como: Sencillez y factibilidad de mantenimiento, capacidad para incorporar nuevas tecnologías, confiabilidad y su bajo costo en instalación y actualización, a diferencia de otras tecnologías LAN como por ejemplo Token Ring, FDDI y ATM, las cuales con el paso del tiempo fueron más lentas y costosas que Ethernet.

El término Ethernet incluye tres principales categorías:

  • 10 Mbps Ethernet e IEEE 802.3: Especificaciones LAN que operan a 10 Mbps sobre cable coaxial.
  • 100 Mbps Ethernet: Especificación LAN, también conocida como "FAST ETHERNET", que opera a 100 Mbps sobre cable par trenzado.
  • 1000 Mbps Ethernet: Especificación LAN, también conocida como Gigabit Ethernet, que opera a 1000 Mbps (1 Gbps) sobre fibra óptica y cable par trenzado

Contenido

Topología de una red Ethernet

1.1 Diseño original de Metcalfe de una red Ethernet.
1.2 Topología en estrella para Ethernet; los nodos están interconectados mediante un concetrador.

A mediados de la década de los 70 cuando fue creada la LAN Ethernet original por Bob Metcalfe y David Boggs (ver imagen 1.1), ésta utilizaba un bus coaxial para interconectar a los nodos. Este tipo de topología se caracteriza por tener a todos sus nodos conectados directamente a un enlace y donde no existe ninguna otra conexión entre nodos. Además, todas las tramas transmitidas desde un nodo a través del bus son visibles por los nodos restantes.

Posteriormente, las compañias comenzaron a reemplazar sus redes LAN por instalaciones Ethernet, gracias a su gran desempeño y bajo costo, utilizando topologías en estrella basadas en concentradores (hubs) (ver imagen 1.2). La topología estrella se destaca por poseer un nodo central donde toda la comunicación que se realice entre nodos conectados al nodo central, debe pasar por dicho punto. Un concentrador (nodo central), se encarga de transmitir la información que recibe desde un nodo y retransmite dicha información hacia los demás nodos por medio de sus interfaces. Es decir, cuando un concentrador recibe un bit por una de sus interfaces, envía una copia de dicho bit a cada una de sus demás interfaces).

Estructura de la trama Ethernet

Para permitir el envío local de las tramas (unidad de datos del protocolo de la capa 2) en Ethernet, se debe contar con un sistema de direccionamiento, una forma de identificar los computadores y las interfaces de manera exclusiva. Todos los dispositivos conectados a la LAN de Ethernet tienen interfaces con dirección MAC incluidas las estaciones de trabajo, impresoras, routers y switches. La trama de Ethernet ayuda a obtener información esencial para los envíos como:

  • Qué computadores se comunican entre sí.
  • Cuando comienza y cuando termina una comunicación.
  • Detencción de errores en la comunicación.
  • Quién tiene el turno para el envío de datos.

Formato de la trama

1.3 Estructura trama Ethernet.
  • Campos de datos (46 - 1.500 bytes): Este campo transporta el datagrama IP . El MTU de Ethernet es 1.500 bytes, si el datagrama excede este tamaño debe ser fragmentado ,

y el tamaño mínimo debe ser de 46 bytes.

  • Dirección de destino (6 bytes): Dirección MAC de destino de los datos.
  • Dirección de origen (6 bytes): Contiene la dirección MAC del adaptador que transmite la trama.
  • Comprobación de redundancia cíclica (CRC) (4 bytes): El propósito del campo CRC es permitir que el adaptador del receptor detecte los errores de bit de la trama.
  • Preámbulo (8 bytes): La trama Ethernet comienza con el campo preámbulo de 8 bytes. Cada uno de los siete primeros bytes tiene el valor 10101010 y el último byte tiene el valor 10101011, los primeros siete bytes sirven para despertar a los adaptadores de recepción y sincronizar sus relojes con el el reloj del emisor.


Ethernet utiliza la transmisión en banda base, es decir, el adaptador envía una señal digital directamente al canal de difusión. Muchas tecnologías Ethernet utilizan la codificación Manchester (ver imagen 1.4). Con la codificiación Manchester cada bit contiene una transición; un 1 indica una transición del nivel alto al nivel bajo, mientras que un 0 indica una transición del nivel bajo al nivel alto. La razón de utilizar esta codificación es que los relojes de los adaptadores no están perfectamente sincronizados y al incluir una transición a mitad de cada bit, el host receptor puede sincronizar su reloj con el emisor.

1.4 Codificación Manchester.

Servicios sin conexión no fiable

Todas las tecnologías Ethernet ofrecen un servicio sin conexión no fiable a la capa de red, esto principalmente cuando se realiza la comprobación CRC de la trama, ya que no envía ningún mensaje de reconocimiento cuando la trama es válida o un mensaje negativo cuando la comprobación CRC falla.
La ausencia de un transporte fiable hace que Ethernet sea una tecnología simple y barata, pero a su vez tambien significa que el flujo de datagramas pasados a la capa de red puede presentar "huecos", debido a que una trama que no pasa la comprobación CRC simplemente es descartada.

CSMA/CD, protocolo de acceso multiple

El CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) es un protocolo de acceso multiple ya obsoleto usado en su momento por ser bastante más eficiente que ALOHA y CSMA, su predecesor (que no contaba con detección de colisiones). CSMA/CD basa su funcionamiento en:

  • El adaptador puede comenzar a transmitir en cualquier momento.
  • Solo transmitirá si ningun otro adaptador esta transmitiendo: utiliza un mecanismo de sondeo de portadora.
  • A través de un mecanismo de detección de colisiones, el adaptador que está transmitiendo puede detectar si es que otro adaptador también lo esta haciendo. Si lo detecta aplicará un algoritmo para abortar el proceso (backoff) y emitirá una jam-signal que informa a los demás adaptadores que deben dejar de transmitir.
  • En caso de abortar, el adaptador esperará un intervalo aleatorio de tiempo antes de internar retransmitir.

Algoritmo CSMA/CD

Algoritmo CSMA/CD
  • El adaptador obtiene un mapa de la red, prepara una trama y la coloca en buffer.
  • ¿Está el canal inactivo (el adaptador no ha recibido intensidad de señal desde el canal durante 96 periodos)?
Si es así, el adaptador comienza a transmitir la trama. En caso contrario, espera a que el canal quede inactivo.
  • Durante la transmisión, el adaptador se mantiene esperando señales en el canal procedentes de otros adaptadores. Si las detecta se inicia el algoritmo de manejo de colisiones.
  • Reiniciar el contador de transmisiones y terminar la transmisión de tramas.

Algoritmo de manejo de colisiones

  • Enviar una señal de interferencia (jam signal) de 48 bits para que todos los receptores detecten la colision.
  • Incrementar el contador de retransmisión
  • Calcular un tiempo de espera exponencial (exponential backoff) antes del siguiente intento. Re-intentar una cantidad de veces acorde al numero máximo de intentos disponibles, si no se consigue transmitir, cancelar la transmision. En caso contrario volver al algoritmo principal.

Exponential backoff

Al retransmitir luego de la n-esima colisión calculamos el tiempo de espera exponencial T como:

T = k * 512 periodos de bit, con

K = random(0,1,2,3...2m − 1) donde m = min(n,10)


Eficiencia de Ethernet

Cuando solo un nodo transmite una trama es posible que esta transmisión se realice con la máxima velocidad del adaptador (los valores estándar son 10 o 100 Mbps o 1Gbps). Pero en un escenario normal, varios adaptadores están tratando de transmitir varias tramas a la vez. En esos casos el ancho de banda efecto se desploma, y definimos la eficiencia del canal como el tiempo durante el que pueden transmitirse las tramas sin que se produzcan colisiones:

Eficiencia = 1 / 1 + 5dprop / dtrans

donde dprop es el tiempo máximo que tarda la intensidad de señal en propagarse entre dos adaptadores y dtrans es el tiempo necesario para transmitir una trama ethernet de tamaño máximo.

Tecnologías Ethernet

Las modificaciones a Ethernet han resultado en significativos adelantos, desde la tecnología a 10 Mbps usada a principios de principios de los 80. El estándar de Ethernet de 10 Mbps no sufrió casi ningún cambio hasta 1995 cuando el IEEE anunció un estándar para Fast Ethernet de 100 Mbps. En los últimos años, un crecimiento aún más rápido en la velocidad de los medios ha generado la transición de Fast Ethernet (Ethernet Rápida) a Gigabit Ethernet (Ethernet de 1 Gigabit). Los estándares para Gigabit Ethernet sólo tardaron tres años en salir. Una versión de Ethernet aún más rápida, Ethernet de 10 Gigabits (10 Gigabit Ethernet) se halla fácilmente en el mercado e inclusive, versiones más rápidas están en desarrollo. Cada versión de Ethernet se identifica con un acrónimo, como por ejemplo 10BASE-T, 10BASE-2, 100BASE-T, 10GBASE-T, etc., donde cada parte del acrónimo tiene su significado. La primera parte del acrónimo hace referencia a la velocidad del estándar: 10,100,1000 o 10G para 10 Mbps, 100 Mbps, Gigabit y 10 Gbps. "Base" hace referencia a la tecnología banda base (es decir, método de transmisión en el que la capacidad de transporte de un medio se utiliza para transportar una sola señal digital). La parte final del acrónimo tiene relación con el medio físico, tales como cable coaxial, cable de cobre, fibra óptica, etc. Por ejemplo, la T hace referencia al cable de cobre de par trenzado.

Versiones de Ethernet

1.5 Versiones de Ethernet.

A través de los años, Ethernet ha ido evolucionando y se han desarrollado nuevas versiones que poseen características mejoradas en comparación a sus predecesoras. A continuación se describen algunas versiones de Ethernet:

  • 10Base-5: Conocido como Ethernet de cable grueso. 10 Mbps, de banda base. Puede ser identificado por su cable amarillo. Utiliza cable coaxial grueso; el 5 viene de la longitud máxima del segmento que son 500 m.
  • 10Base-2: Conocido como Ethernet de cable fino. 10 Mbps, banda base; Su distancia máxima por segmento es de 606 pies (185 m), aunque pueden utilizarse repetidores para aumentar esta distancia siempre que los datos no pasen por más de dos repetidores antes de alcanzar su destino.
  • 10Base-T: Estas líneas son mucho más económicas que las anteriores de cable coaxial. Pueden ser instaladas sobre los cableados telefónicos UTP ("Unshielded Twister Pairs") existentes, y utilizar los conectores telefónicos, lo que reduce enormemente el costo de instalación. Utiliza la codificación Manchester.
  • 100Base-FX: Fast Ethernet a 100 Mbps que utiliza fibra óptica. Longitud máxima del segmento 2000 metros.
  • 10GBase-T: Se refiere a conexiones de 10 Gbit por segundo (10.000 Mbps) con una longitud máxima entre Hubs o repetidores (segmento) de 100 metros.

Como se puede ver, las tecnologías Ethernet son muy diferentes a la tecnología Ethernet concebida originalmente por Metcalfe y Boggs; las velocidades se han incrementado, las tramas de Ethernet son transportadas por una amplia variedad de medios, etc. Pero hay algo que se ha mantenido en el tiempo sin ser alterado y es la estructura de la trama Ethernet.

Referencias

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