Ethernet - IEEE 802.3
Ethernet es un estándar de redes de computadoras de área local que define aspectos relacionados con las tramas enviadas en la red, el tipo de cable utilizado y la señalización. Utiliza detección de onda portadora y detección de colisiones a través de CSMA/CD. Se conoce también con el estándar internacional IEEE 802.3, aunque existe una pequeña diferencia en cuanto a la nomenclatura de uno de los campos de la trama.
El formato utilizado para enviar tramas se representa de la siguiente forma:
•Preámbulo: Indica el inicio de la trama. La codificación de Manchester del patrón de bits produce una onda cuadrada de 10 MHz. durante 6.4 μseg. para permitir que el reloj del receptor se sincronice con el del emisor. Los últimos dos bits indican al receptor que está a punto de iniciar el resto de la trama. El último byte se llama delimitador de inicio de inicio de trama.
•Dirección de destino: el primer bit transmitido indica un bit 0 para direcciones ordinarias y 1 para direcciones de grupo.
•Dirección de origen: es globalmente única dado que la IEEE las asigna de manera central para asegurar que no haya dos estaciones en el mundo con la misma dirección. Se utilizan los primeros 3 bytes del campo de dirección para un OUI (Identificador Único Organizacional).
•Tipo o Longitud: indica al receptor qué hacer con la trama, es decir, a qué proceso darle la trama. Ej. un código de tipo 0x0800 indica IPv4. Dado que luego se decidió que
•Datos: hasta 1500 bytes.
•Relleno: para no causar problemas y colisiones (por trama corta), la trama mínima en Ethernet debe ser de por lo menos 64 bytes (contando todos sus campos). Si la porción la porción de datos de una trama es menor a 46 bytes, el campo relleno se utiliza para completar la trama al tamaño mínimo.
•Suma de Verificación: es un CRC de 32 bits cuya finalidad es detectar errores. Si hay un error, la trama se desecha.
•Tiempo mínimo: todas las tramas deberán tardar más de 2τ para enviarse. En una LAN de 10 Mbps con longitud máxima de 2500 metros y con cuatro repetidores, el tiempo de ida y vuelta es de 50 μseg en el peor de los casos.
Tras una colisión entre dos estaciones A y B, ocurre lo siguiente:
Nota:
Si no hay colisión, el emisor supone que la trama probablemente se entregó con éxito, dado que ni CSMA/CD ni Ethernet proveen confirmaciones de recepción. Esta elección es apropiada para los canales de cable de cobre y de fibra óptica que tienen tasas de error bajas. Cualquier error que ocurra debe entonces detectarse mediante la CRC y recuperarse en las capas superiores.
El hub permite agregar o quitar estaciones de manera sencilla y además facilita la detección de cables rotos y el mantenimiento. Por otro lado, se mantuvo el cableado existente de pares trenzados, por lo que rápidamente el uso del hub dominó en Ethernet. Como desventaja, la distancia máxima de cable del hub se redujo 100 metros. Además no se incrementa la capacidad dado que son lógicamente equivalentes al cable extenso individual de la Ethernet clásica. Producto de esto, cuantas más estaciones se agreguen, menor será la capacidad de cada una, y esto tarde o temprano lleva a la saturación de la LAN.
Debido a las limitaciones del hub, surge la Ethernet conmutada a través de la implementación de un conmutador denominado switch.
La diferencia del switch respecto al hub recae en su funcionamiento. Cuando llega una trama, el switch verifica las direcciones de Ethernet para ver cuál es el puerto de destino de esta y luego las reenvía a través de su parte posterior. Ninguno de los otros puertos se entera de la existencia de la trama.
Por otro lado, en un hub todas las estaciones están en el mismo dominio de colisión, en cambio en un switch, cada puerto es su propio dominio de colisión independiente. Esto hace que las colisiones sean imposibles y que no se necesite CSMA/CD, si el cable es full-duplex. Pero si el cable es half-dúplex, la estación y el puerto deben competir por la transmisión con CSMA/CD.
En resumen, en un switch:
El switch debe tener un bufer para que pueda poner temporalmente en cola una trama de entrada hasta que se pueda transmitir al puerto de salida (por si se envían dos tramas al mismo).
Uno de los problemas que surgió al implementarse la Fast Ethernet fue que aquellos que tenían implementado cable de par trenzado categoría 3, no podían transportar 100 Mbps a más de 100 metros. Por el contrario, lo que contaban con categoría 5 no tenían problemas y menos los de fibra óptica. De todos modos, se mantuvieron las tres posibilidades.
El esquema 100Base-T4, utilizaba una velocidad de señalización de 25 MHz, tan sólo un 25% más rápida que los 20 MHz de la Ethernet estándar. Para obtener 100 Mbps de los tres pares trenzados en la dirección de la transmisión, se utiliza un esquema bastante complejo y poco elegante, pero que da resultado.
El Ethernet 100Base-TX puede manejar velocidades de reloj de 125 MHz. Sólo se utilizan dos pares trenzados por estación, uno que va al hub y otro que viene de él. No se utiliza la codificación binaria directa ni la codificación Manchester. En cambio se utiliza la codificación 4B/5B. El sistema 100Base-TX es full-dúplex con 100 Mbps en cada par trenzado.
El 100Base-FX también es full-dúplex con 100 Mbps en cada dirección. En esta configuración, la distancia entre una estación y el switch puede ser de hasta 2 km.
Nota
Multidifusión: es el envío a un grupo de estaciones. Las direcciones de grupo permiten que varias estaciones escuchen en una sola dirección. Permite el manejo de grupos.
Difusión (broadcasting): cuando la trama sólo contiene bits 1 en el campo destino, se aceptan todas las estaciones que están en la red. No requiere manejo de grupos.
Al igual que Fast Ethernet, Gigabit Ethernet trabaja usa enlaces punto a punto y soporta dos modos diferentes de funcionamiento: modo full-dúplex (modo normal) y modo half-dúplex.
Cuando funciona con modo full-dúplex:
Cuando funciona con modo half-dúplex:
Para enviar bits por fibra, se pidió prestada la codificación 8B/10B conocida como Canal de fibra. Este esquema codifica 8 bits de datos en palabras codificadas de 10 bits que se envían a través del cable o la fibra, de aquí que se llame 8B/10B.
Para hacer que Ethernet opere a 1000 Mbps a través de cables categoría 5 se utilizó cuatro pares trenzados en el cable, cada par se utiliza en ambas direcciones al mismo tiempo mediante el uso de un procesamiento de señales digitales para separar las señales. En cada cable se utilizan cinco niveles de voltaje que transportan 2 bits para una señalización de 125 Msímbolos/seg.
Algunas características son:
-Todas las versiones de Ethernet de 10 gigabits soportan sólo la operación full-dúplex.
-CSMA/CD ya no forma parte del diseño
-Permite autonegociación.
Cables:
Bibliografía:
• Redes de Computadoras - Tanenbaum, 5ta Edición.
• Resúmenes universitarios propios de las clases.
El formato utilizado para enviar tramas se representa de la siguiente forma:
•Preámbulo: Indica el inicio de la trama. La codificación de Manchester del patrón de bits produce una onda cuadrada de 10 MHz. durante 6.4 μseg. para permitir que el reloj del receptor se sincronice con el del emisor. Los últimos dos bits indican al receptor que está a punto de iniciar el resto de la trama. El último byte se llama delimitador de inicio de inicio de trama.
•Dirección de destino: el primer bit transmitido indica un bit 0 para direcciones ordinarias y 1 para direcciones de grupo.
•Dirección de origen: es globalmente única dado que la IEEE las asigna de manera central para asegurar que no haya dos estaciones en el mundo con la misma dirección. Se utilizan los primeros 3 bytes del campo de dirección para un OUI (Identificador Único Organizacional).
•Tipo o Longitud: indica al receptor qué hacer con la trama, es decir, a qué proceso darle la trama. Ej. un código de tipo 0x0800 indica IPv4. Dado que luego se decidió que
•Datos: hasta 1500 bytes.
•Relleno: para no causar problemas y colisiones (por trama corta), la trama mínima en Ethernet debe ser de por lo menos 64 bytes (contando todos sus campos). Si la porción la porción de datos de una trama es menor a 46 bytes, el campo relleno se utiliza para completar la trama al tamaño mínimo.
•Suma de Verificación: es un CRC de 32 bits cuya finalidad es detectar errores. Si hay un error, la trama se desecha.
•Tiempo mínimo: todas las tramas deberán tardar más de 2τ para enviarse. En una LAN de 10 Mbps con longitud máxima de 2500 metros y con cuatro repetidores, el tiempo de ida y vuelta es de 50 μseg en el peor de los casos.
CSMA/CD con retroceso exponencial binario
La Ethernet clásica utiliza el algoritmo CSMA/CD persistente-1, esto significa que las estaciones detectan el medio cuando deben enviar una trama, y la envían cuando éste está inactivo. Monitorean el canal por si hay colisiones al momento en que envían. Si hay una colisión, abortan la transmisión con una señal de bloqueo corta y vuelven a transmitir después de un intervalo aleatorio. El tiempo del mismo se divide en ranuras discretas es de 51.2 μseg (2τ).Tras una colisión entre dos estaciones A y B, ocurre lo siguiente:
- Primera colisión: cada estación espera 0 o 1 tiempos de ranura al azar antes de intentarlo de nuevo.
- Segunda colisión: cada estación espera 0, 1, 2 o 3 tiempos de ranura al azar.
- Tercera colisión: cada estación espera 0 a 2^3-1 tiempos de ranura al azar.
- N colisiones: luego de una tercera colisión, se espera 0 a 2^n-1 tiempos de ranura al azar.
Nota:
- Al llegar a 10 colisiones el intervalo de aleatorización se congela en un máximo de 1023 ranuras, dado que el crecimiento del número es exponencial.
- Después de 16 colisiones, el controlador informa a la computadora que fracasó.
- Este algoritmo se denomina retroceso exponencial binario.
Si no hay colisión, el emisor supone que la trama probablemente se entregó con éxito, dado que ni CSMA/CD ni Ethernet proveen confirmaciones de recepción. Esta elección es apropiada para los canales de cable de cobre y de fibra óptica que tienen tasas de error bajas. Cualquier error que ocurra debe entonces detectarse mediante la CRC y recuperarse en las capas superiores.
Ethernet conmutada
Ethernet empezó a evolucionar y con ello cambió su patrón de cableado introduciendo el uso de hubs. Un hub es un concentrador que conecta de manera eléctrica todos los cables que llegan a él, como si estuvieran soldados en conjunto.El hub permite agregar o quitar estaciones de manera sencilla y además facilita la detección de cables rotos y el mantenimiento. Por otro lado, se mantuvo el cableado existente de pares trenzados, por lo que rápidamente el uso del hub dominó en Ethernet. Como desventaja, la distancia máxima de cable del hub se redujo 100 metros. Además no se incrementa la capacidad dado que son lógicamente equivalentes al cable extenso individual de la Ethernet clásica. Producto de esto, cuantas más estaciones se agreguen, menor será la capacidad de cada una, y esto tarde o temprano lleva a la saturación de la LAN.
Debido a las limitaciones del hub, surge la Ethernet conmutada a través de la implementación de un conmutador denominado switch.
La diferencia del switch respecto al hub recae en su funcionamiento. Cuando llega una trama, el switch verifica las direcciones de Ethernet para ver cuál es el puerto de destino de esta y luego las reenvía a través de su parte posterior. Ninguno de los otros puertos se entera de la existencia de la trama.
Por otro lado, en un hub todas las estaciones están en el mismo dominio de colisión, en cambio en un switch, cada puerto es su propio dominio de colisión independiente. Esto hace que las colisiones sean imposibles y que no se necesite CSMA/CD, si el cable es full-duplex. Pero si el cable es half-dúplex, la estación y el puerto deben competir por la transmisión con CSMA/CD.
En resumen, en un switch:
- no hay colisiones;
- la capacidad se utiliza con más eficiencia;
- se puede enviar varias tramas al mismo tiempo (por distintas estaciones);
- es más seguro, dado que en un hub cualquier computadora conectada puede ver el tráfico transmitido entre las otras. En el switch el tráfico se reenvía sólo a los puertos que está destinado.
El switch debe tener un bufer para que pueda poner temporalmente en cola una trama de entrada hasta que se pueda transmitir al puerto de salida (por si se envían dos tramas al mismo).
Fast Ethernet
Llegó un momento que los 10 Mbps de la Ethernet clásica dejaron de ser suficientes. Pero desde la IEEE se decidió mantener el estándar 802.3 agregando algunas modificaciones necesarias para mejorarlo, el cual se estableció 802.3u y fue denominado Fast Ethernet. Fue así que se mantuvieron todos los formatos, interfaces y reglas de procedimientos del 802.3 clásico, pero se redujo el tiempo de bits de 100 nseg a 10 nseg.Uno de los problemas que surgió al implementarse la Fast Ethernet fue que aquellos que tenían implementado cable de par trenzado categoría 3, no podían transportar 100 Mbps a más de 100 metros. Por el contrario, lo que contaban con categoría 5 no tenían problemas y menos los de fibra óptica. De todos modos, se mantuvieron las tres posibilidades.
El esquema 100Base-T4, utilizaba una velocidad de señalización de 25 MHz, tan sólo un 25% más rápida que los 20 MHz de la Ethernet estándar. Para obtener 100 Mbps de los tres pares trenzados en la dirección de la transmisión, se utiliza un esquema bastante complejo y poco elegante, pero que da resultado.
El Ethernet 100Base-TX puede manejar velocidades de reloj de 125 MHz. Sólo se utilizan dos pares trenzados por estación, uno que va al hub y otro que viene de él. No se utiliza la codificación binaria directa ni la codificación Manchester. En cambio se utiliza la codificación 4B/5B. El sistema 100Base-TX es full-dúplex con 100 Mbps en cada par trenzado.
El 100Base-FX también es full-dúplex con 100 Mbps en cada dirección. En esta configuración, la distancia entre una estación y el switch puede ser de hasta 2 km.
Gigabit Ethernet
Sabiendo que tarde o temprano se requeriría una Ethernet más rápida que la Fast Ethernet, la IEEE comenzó a trabajar en una modificación del estándar que luego sería el 802.3ab, conocido como Gigabit Ethernet. Manteniendo la compatibilidad y el formato de la Fast Ethernet, se buscó que Gigabit Ethernet tuviera un desempeño 10 veces mayor y que pudiera ofrecer servicio de datagramas sin confirmación de recepción con unidifusión y multidifusión.Nota
Multidifusión: es el envío a un grupo de estaciones. Las direcciones de grupo permiten que varias estaciones escuchen en una sola dirección. Permite el manejo de grupos.
Difusión (broadcasting): cuando la trama sólo contiene bits 1 en el campo destino, se aceptan todas las estaciones que están en la red. No requiere manejo de grupos.
Al igual que Fast Ethernet, Gigabit Ethernet trabaja usa enlaces punto a punto y soporta dos modos diferentes de funcionamiento: modo full-dúplex (modo normal) y modo half-dúplex.
Cuando funciona con modo full-dúplex:
- un switch central conectado a computadoras (o a otros switches);
- todas las líneas se almacenan en el búfer: cada computadora y switch pueden enviar tramas en cualquier momento;
- no hay contención: no se utiliza el protocolo CSMA/CD;
- la longitud máxima del cable se calcula en base a aspectos de la señal;
- se soportan transmisiones en 10, 100 y 1000 Mbps.
Cuando funciona con modo half-dúplex:
- un hub conecta a las computadoras;
- no se almacenan las tramas entrantes;
- puede haber colisiones: se requiere el protocolo CSMA/CD;
- la longitud máxima del cable es de 25 metros, más tarde ampliada a 200 metros, gracias a dos características fundamentales: la extensión de portadora y las ráfagas de trama;
Para enviar bits por fibra, se pidió prestada la codificación 8B/10B conocida como Canal de fibra. Este esquema codifica 8 bits de datos en palabras codificadas de 10 bits que se envían a través del cable o la fibra, de aquí que se llame 8B/10B.
Para hacer que Ethernet opere a 1000 Mbps a través de cables categoría 5 se utilizó cuatro pares trenzados en el cable, cada par se utiliza en ambas direcciones al mismo tiempo mediante el uso de un procesamiento de señales digitales para separar las señales. En cada cable se utilizan cinco niveles de voltaje que transportan 2 bits para una señalización de 125 Msímbolos/seg.
10 Gigabit Ethernet
Luego que Gigabit Ethernet se estandarizó, la IEEE comenzó a planificar la Ethernet de 10 gigabits, el cual llevaría estándares para fibra y cable de cobre blindado por primera vez en 2002 y 2004, seguidos de un estándar para par trenzado de cobre en 2006.Algunas características son:
-Todas las versiones de Ethernet de 10 gigabits soportan sólo la operación full-dúplex.
-CSMA/CD ya no forma parte del diseño
-Permite autonegociación.
Cables:
- 10GBase-ER utiliza la codificación 64B/66B.
- 10GBase-CX4 utiliza un cable con cuatro pares de cableado twinaxial de cobre. Cada par usa codificación 8B/10B y opera a 3.125 Gsímbolos/segundo para alcanzar 10 Gbps.
- 10GBase-T es la versión que usa cables UTP. Aunque requiere cableado categoría 6a, en distancias más cortas puede usar categorías más bajas (incluyendo la categoría 5) para reutilizar una parte del cableado ya instalado. Cada uno de los cuatro pares trenzados se utiliza para enviar 2500 Mbps en ambas direcciones. Para llegar a esta velocidad se utiliza una tasa de señalización de 800 Msímbolos/seg, con símbolos que usan 16 niveles de voltaje. Para producir los símbolos se mezclan los datos, se protegen con un código LDPC y se vuelven a codificar para corrección de errores.
Bibliografía:
• Redes de Computadoras - Tanenbaum, 5ta Edición.
• Resúmenes universitarios propios de las clases.
