Red Ethernet


Introducción

Ethernet es la tecnología de red LAN más usada, resultando idónea para aquellos casos en los que se necesita una red local que deba transportar tráfico esporádico y ocasionalmente pesado a velocidades muy elevadas. Las redes Ethernet se implementan con una topología física de estrella y topología lógica de bus, y se caracterizan por su alto rendimiento a velocidades de 10-100 Mbps.

El origen de las redes Ethernet hay que buscarlo en la Universidad de Hawai, donde se desarrollo, en los años setenta, el Método de Acceso Múltiple con Detección de Portadora y Detección de Colisiones, CSMA/CD (Carrier Sense and Multiple Access with Collition Detection), utilizado actualmente por Ethernet.

Este método surgió ante la necesidad de implementar en las islas Hawai un sistema de comunicaciones basado en la transmisión de datos por radio, que se llamó Aloha, y permite que todos los dispositivos puedan acceder al mismo medio, aunque sólo puede existir un único emisor en cada instante. Con ello todos los sistemas pueden actuar como receptores de forma simultánea, pero la información debe ser transmitida por turnos.

El centro de investigaciones PARC (Palo Alto Research Center) de la Xerox Corporation desarrolló el primer sistema Ethernet experimental en los años 70, que posteriormente sirvió como base de la especificación 802.3 publicada en 1980 por el Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE).

En las redes Ethernet los hosts (ordenadores) pueden transmitir datos en cualquier momento. Antes de enviar los datos, escuchan el medio de transmisión para determinar si se encuentra en uso. Si lo está, entonces esperan. En caso contrario, los host comienzan a transmitir. En caso de que dos o más host empiecen a transmitir tramas a la vez se producirán encontronazos o choques entre tramas diferentes que quieren pasar por el mismo sitio a la vez. Este fenómeno se denomina colisión, y el lugar (porción de los medios de red) donde se producen colisiones se denomina dominio de colisiones.

Una colisión se produce pues cuando dos máquinas (ordenadores) escuchan para saber si hay tráfico de red, no lo detectan y, acto seguido transmiten de forma simultánea. En este caso, ambas transmisiones se dañan y las estaciones deben volver a transmitir más tarde.

Para intentar solventar esta pérdida de paquetes, las máquinas poseen mecanismos de detección de las colisiones y algoritmos de postergación (retraso) que determinan el momento en que aquellas que han enviado tramas que han sido destruidas por colisiones pueden volver a transmitirlas.

Existen dos especificaciones diferentes para un mismo tipo de red, Ethernet y IEEE 802.3. Ambas son redes de broadcast (tramas de difusión), lo que significa que cada máquina puede ver todas las tramas, aunque no sea el destinatario de las mismas. Cada máquina examina cada trama que circula por la red para determinar si está destinada a ella. De ser así, la trama pasa a las capas superiores para su adecuado procesamiento. En caso contrario, la trama es ignorada.

Ethernet proporciona servicios correspondientes a las capas física y de enlace de datos del modelo de referencia OSI, mientras que IEEE 802.3 especifica la capa física y la porción de acceso al canal de la capa de enlace de datos, pero no define ningún protocolo de Control de Enlace Lógico (LLC).

Ethernet es una tecnología de broadcast de medios compartidos. El método de acceso CSMA/CD que se usa en Ethernet ejecuta tres funciones:

  • Transmitir y recibir paquetes de datos.
  • Decodificar paquetes de datos y verificar que las direcciones sean válidas antes de transferirlos a las capas superiores del modelo OSI.
  • Detectar errores dentro de los paquetes de datos o en la red.

Tanto Ethernet como IEEE 802.3 se implementan a través de la tarjeta de red o por medio de circuitos en una placa dentro del host.

Formato de la trama Ethernet

Según hemos visto, los datos generados en la capa de aplicación pasan a la capa de transporte, que los divide en segmentos (paquetes de transaporte), porciones de datos aptas para su transporte por la red, y
luego van descendiendo pos las sucesivas capas hasta llegar a la capa física. Conforme los datos van bajando por la pila de capas, paso a paso cada protocolo o nivel le va añadiendo una serie de cabeceras y datos adicionales; necesarios para poder ser enviados a su destino correctamente. El resultado final es una serie de unidades de información denominadas tramas, que son las que viajan de un host a otro. A esto también se le conoce como empaquetamiento. Lo que se hace en realidad es agrupar un conjunto de bits usando la PDU de cada capa, siendo PDU (Packet Data Unit) o unidad fija con un tamaño minino y máximo. En la capa de transporte su PDU se conoce como paquete de transporte, en la capa de red se conoce como datagrama y en la de enlace trama.

La forma final de la trama obtenida, en redes Ethernet, es la siguiente:

tramaethernet

En este tipo de red, y usando el protocolo TCP/IP, que ya estudiaremos más adelante, el tamaño máximo de la trama de la capa de enlace es de 1,5 Kb (1500 bytes) y en la capa de red es de 64 Kb (64000 bytes).

campostramaethernet

  • Preámbulo: Patrón de unos y ceros que indica a los receptores que una trama es Ethernet o IEEE 802.3. La trama Ethernet incluye un byte adicional que es el equivalente al campo Inicio de Trama (SOF) de la trama IEEE 802.3. Son 7 bytes (56 bits) .Ej:
10101010 10101010 10101010 10101010 10101010 10101010 10101010
  • Inicio de trama (SOF): Byte delimitador de IEEE 802.3 que finaliza con dos bits 1 consecutivos, y que sirve para sincronizar las porciones de recepción de trama de todas los hosts de la red. Este campo se especifica explícitamente en Ethernet. Es un byte (8 bits). Ej: 10101011
  • Direcciones destino y origen: Incluye las direcciones físicas (MAC) únicas del emisor y del receptor. La dirección de origen siempre es una dirección única, mientras que la de destino puede ser de broadcast única (trama enviada a un solo host), de broadcast múltiple (trama enviada a un grupo) o de broadcast (trama enviada a todos los host). Suelen ser 6 bytes (48 bits).
  • Tipo (Ethernet): Especifica el protocolo de capa superior que recibe los datos una vez que se ha completado el
    procesamiento Ethernet. Suelen ser 2 bytes (16 bits).
  • Longitud (IEEE 802.3): Indica la cantidad de bytes de datos que sigue este campo. Suelen ser 2 bytes (16 bits).
  • Datos: Incluye los datos enviados en la trama. En las especificación IEEE 802.3, si los datos no son suficientes para completar una trama mínima de 64 bytes, se insertan bytes de relleno hasta completar ese tamaño (tamaño mínimo de trama). Por su parte, las especificaciones Ethernet versión 2 no especifican ningún relleno, Ethernet espera por lo menos 46 bytes de datos. Tiene un máximo de 1500 bytes (12000 bits).
  • Secuencia de verificación de trama (FCS): Contiene un valor de verificación CRC (Control de Redundancia Cíclica) de 4 bytes (32 bits), creado por el emisor y recalculado por el receptor para verificar la existencia de tramas dañadas.
Tipo (variante)
Tipo de cable
Codificación
Long. máxima
Topología
Tasa (baudios)
Ancho de banda
Conector
10 base 2/5 RG52 / RG58 Manchester 185/500 m Bus 10 mill 10 MHz BNC
10 base T UTP cat 3 Manchester 100 m Estrella 10 mill 10 MHz RJ45
100 base T4 UTP cat 3/5 PAM3-8B/6T 100 m Estrella 25 mill 25 MHz RJ45
100 base Tx UTP cat 5 MLT3-4B/5B 100 m Estrella 125 mill 31,25MHz RJ45
100 base Fx Fibra multimodo NRZI-4B/5B 2 Km Estrella 125 mill 62,5 MHz SC/ST
1000 base T UTP cat 5e/6 PAM5 100 m Estrella 125 mill 250 MHz RJ45
1000 base Sx Fibra multimodo NRZ-8B/10B 500 m Estrella 1250 mill 625 MHz SC
1000 base Lx Fibra monomodo NRZ-8B/10B 5/10 Km Estrella 1250 mill 625 MHz ST
10G base T UTP cat 6a / FTP cat 7 PAM16 100 m Estrella 625 mill 625 MHz

Manchester

La codificación Manchester, también denominada codificación bifase-L, es un método de codificación eléctrica de una señal binaria en el que en cada tiempo de bit hay una transición entre dos niveles de señal. O lo que es lo mismo, se utiliza el cambio de nivel en la intensidad (nivel de señal). Es una codificación autosincronizada, ya que en cada bit se puede obtener la señal de reloj, lo que hace posible una sincronización precisa del flujo de datos. Una desventaja es que consume el doble de ancho de banda que una transmisión asíncrona.La codificación Manchester se usa en muchos estándares de telecomunicaciones, como por ejemplo Ethernet.
Manchester_code

NRZ (No retorno a zero)

En telecomunicaciones, se denomina NRZ porque el voltaje no vuelve a cero entre bits consecutivos de valor uno
(1). Mediante la asignación de un nivel de tensión a cada símbolo se simplifica la tarea de codificar un mensaje. El valor 0 mA no se usa nunca.
NRZcode

NRZ-I (No se retorna a 0 y se invierte al transmitir el 1), es una variación del anterior NRZ. Al transmitir un 0 no se produce transición y en cambio al enviar un 1 se produce una transición a nivel positivo o negativo.

RZ (Retorno a zero)

Es un sistema de codificación usado en telecomunicaciones en el cual la señal que representa a cada bit retorna a cero en algún instante dentro del tiempo del intervalo de bit. Por tanto, las secuencias largas de “1” o de “0” ya no plantean problemas para la recuperación del reloj en el receptor. No es necesario enviar una señal de reloj adicional a los datos (sincronizar). Esta codificación tiene el problema de utilizar el doble de ancho de banda para conseguir transmitir la misma información que los códigos NRZ. Era muy utilizada para transmitir cuando no había voltaje, ya está en deshuso.
RZcode

MLT(n) (Multinivel)

Muy parecida a la codificación Manchester pero con varios niveles diferentes de intensidad.

PAM(n) (Amplitud de pulsos)

La modulación por amplitud de pulsos (Pulse Amplitude-Modulation) es la más sencilla de las modulaciones digitales. Consiste en cambiar la amplitud de una señal, de frecuencia fija, en función del símbolo a transmitir. Esto puede conseguirse con un amplificador de ganancia variable o seleccionando la señal de un banco de osciladores.

Se utiliza en el ADSL moderno y consiste en la modulación simultanea de frecuencia y amplitud de la señal. Si por ejemplo utilizacemos 5 niveles para la frecuencia y 4 para la amplitud, tendríamos 20 combinaciones posibles (se podrán transmitir 4 bits).

En la ADSL clásica, se usa un ancho de banda de 1,1 Mhz. Por lo tanto se subdividen en canales de 4,3 Khz, con lo que resultan unos 256 canales posibles.

6 canales (0 – 25 Khz) – Se utilizan para transmitir la voz.
26 canales (25 – 138 Khz) – Se utilizan para transmitir datos (bits).
224 canales (138 – 1100 Khz) – Se utilizan para recibir datos (bits).

Por cada uno de esos canales se pueden emitir/remitir unos 3000 elementos de señal/segundo, y cada elemento de señal puede transmitir 15 bits (32768 combinaciones).

Recordatorio

Hay que tener 3 criterios en cuenta a la hora de tender un cableado:

  • Durabilidad (que permanezca en el tiempo).
  • Flexible (permitir varios usos, o variados).
  • Mantenimiento (facilidad a la hora del mantenimiento integral).

Un punto muy importante a tener en cuenta en las interferencias de los cables es el eco. Para conseguir altas velocidades se requiere suprimir mucho el eco. La impedancia del cable debe ser la correcta para evitar en lo posible el eco. Lo ideal es que el emisor, el medio y el receptor tengan la misma impedancia. En los cables Ethernet la impedancia es de 100Ω, en la Token-ring es de 150Ω.

Otro punto a tener en cuenta es la latencia: tiempo que tarda en llegar la señal desde el origen a su destino. En
los típicos cables de cobre la velocidad es de 200.000 Km/seg.

f1-7

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