CCNA Modulo 1 - Tecnologias Ethernet

Tecnologias Ethernet
 

El principio de transmisión

Todos los equipos de una red Ethernet están conectados a la misma línea de transmisión y la comunicación se lleva a cabo por medio de la utilización un protocolo denominado CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detectque significa que es un protocolo de acceso múltiple que monitorea la portadora: detección de portadora y detección de colisiones).
Con este protocolo cualquier equipo está autorizado a transmitir a través de la línea en cualquier momento y sin ninguna prioridad entre ellos. Esta comunicación se realiza de manera simple:

  • Cada equipo verifica que no haya ninguna comunicación en la línea antes de transmitir.
  • Si dos equipos transmiten simultáneamente, entonces se produce una colisión (o sea, varias tramas de datos se ubican en la línea al mismo tiempo).
  • Los dos equipos interrumpen su comunicación y esperan un período de tiempo aleatorio, luego una vez que el primero ha excedido el período de tiempo, puede volver a transmitir.

Este principio se basa en varias limitaciones:

  • Los paquetes de datos deben tener un tamaño máximo.
  • Debe existir un tiempo de espera entre dos transmisiones.

El tiempo de espera varía según la frecuencia de las colisiones:

  • Luego de la primera colisión, un equipo espera una unidad de tiempo.
  • Luego de la segunda colisión, un equipo espera dos unidades de tiempo.
  • Luego de la tercera colisión, un equipo espera cuatro unidades de tiempo.

Ethernet conmutada

La topología de Ethernet descripta hasta ahora ha sido la de Ethernet compartida (cualquier mensaje transmitido es escuchado por todos los equipos conectados y el ancho de banda disponible es compartido por todos los equipos).
Durante muchos años se ha dado un desarrollo importante: la Ethernet conmutada. 
La topología física sigue siendo la de una estrella pero está organizada alrededor de un conmutador. El conmutador usa mecanismos de filtrado y conmutación muy similares a los utilizados por las puertas de enlace donde se han utilizado estas técnicas por mucho tiempo.
Inspecciona las direcciones de origen y destino de los mensajes, genera una tabla que le permite saber qué equipo se conecta a qué puerto del conmutador (en general este proceso se hace por auto aprendizaje, es decir, de manera automática pero el administrador del conmutador puede realizar ajustes adicionales).
Al conocer el puerto receptor, el conmutador sólo transmitirá el mensaje al puerto adecuado mientras que los otros puertos permanecerán libres para otras transmisiones que pueden ser realizadas simultáneamente. 
Como resultado, cada intercambio puede llevarse a cabo a una velocidad nominal (mayor división de ancho de banda), sin colisiones y con un aumento considerable en el ancho de banda de la red (también a una velocidad nominal).
Con respecto a saber si todos los puertos de un conmutador pueden comunicarse al mismo sin perder los mensajes, eso es algo que depende de la calidad del conmutador (non blocking switch).
Dado que los conmutadores posibilitan evitar colisiones y que las tecnologías 10/100/1000 base T(X) cuentan con circuitos separados para la transmisión y la recepción (un par trenzado por dirección de transmisión), la mayoría de los conmutadores modernos permiten desactivar la detección y cambiar a modo full dúplex (bidireccional) en los puertos. De esta forma, los equipos pueden transmitir y recibir al mismo tiempo, lo que también contribuye al rendimiento de la red. 
El modo full dúplex es interesante, en especial, para los servidores que poseen muchos clientes.
Los conmutadores Ethernet modernos también detectan la velocidad de transmisión que cada equipo utiliza (autosensing) y si el equipo admite varias velocidades (10, 100 o 1000 megabits/seg.) comienza a negociar con él para seleccionar tanto una velocidad como el modo de transmisión: semi dúplex o full dúplex. Esto permite contar con un almacenamiento de equipos con distintos rendimientos (por ejemplo, un conjunto de equipos con varias configuraciones hardware).
Como el tráfico transmitido y recibido ya no se transmite a todos los puertos, se hace más difícil rastrear lo que está pasando. Esto contribuye a la seguridad general de la red, que es un tema de suma importancia en la actualidad.
Por último, el uso de conmutadores hace posible la construcción de redes geográficamente más grandes. En la Ethernet compartida, un mensaje debe poder esperar a cualquier otro equipo durante un período de tiempo específico (slot time) sin el cual el mecanismo de detección de colisiones (CSMA/CD) no funcione correctamente. 
Esto ya no se aplica en los conmutadores Ethernet. La distancia ya no es limitada, excepto por los límites técnicos del medio utilizado (fibra óptica o par trenzado, la potencia de la señal transmitida y la sensibilidad del receptor, etcétera).

Hardware comúnmente usado en una red Ethernet:

Los elementos de una red Ethernet son: Tarjeta de Red, repetidores, concentradores, puentes, los conmutadores, los nodos de red y el medio de interconexión. Los nodos de red pueden clasificarse en dos grandes grupos: Equipo Terminal de Datos (DTE) yEquipo de Comunicación de Datos (DCE)
Los DTE son dispositivos de red que generan lo que son el destino de los datos: como los PC, las estaciones de trabajo, los servidores de archivos, los servidores de impresión; todos son parte del grupo de las estaciones finales. 
Los DCE son los dispositivos de red intermediarios que reciben y retransmiten las tramas dentro de la red; pueden ser: ruteadores, conmutadores (switch), concentradores (hub), repetidores o interfaces de comunicación. P. ej.: un módem o una tarjeta de interface.
 

  • NIC, o Tarjeta de Interfaz de Red - permite que una computadora acceda a una red local. Cada tarjeta tiene una única dirección MAC que la identifica en la red. Una computadora conectada a una red se denomina nodo.
  • Repetidor o repeater - aumenta el alcance de una conexión física, recibiendo las señales y retransmitiéndolas, para evitar su degradación, a través del medio de transmisión, lográndose un alcance mayor. Usualmente se usa para unir dos áreas locales de igual tecnología y sólo tiene dos puertos. Opera en la capa física del modelo OSI.
  • Concentrador o hub - funciona como un repetidor pero permite la interconexión de múltiples nodos. Su funcionamiento es relativamente simple pues recibe una trama de ethernet, por uno de sus puertos, y la repite por todos sus puertos restantes sin ejecutar ningún proceso sobre las mismas. Opera en la capa física del modelo OSI.
  • Puente o bridge - interconecta segmentos de red haciendo el cambio de frames (tramas) entre las redes de acuerdo con una tabla de direcciones que le dice en qué segmento está ubicada una dirección MAC dada.
 
 
Conexiones en un switch Ethernet
  • Conmutador o Switch - funciona como el bridge, pero permite la interconexión de múltiples segmentos de red, funciona en velocidades más rápidas y es más sofisticado. Los switches pueden tener otras funcionalidades, como Redes virtuales , y permiten su configuración a través de la propia red. Funciona básicamente en la capa 2 del modelo OSI (enlace de datos). Por esto son capaces de procesar información de las tramas; su funcionalidad más importante es en las tablas de dirección. Por ej.: una computadora conectada al puerto 1 del conmutador envía una trama a otra computadora conectada al puerto 2; el switch recibe la trama y la transmite a todos sus puertos, excepto aquel por donde la recibió; la computadora 2 recibirá el mensaje y eventualmente lo responderá, generando tráfico en el sentido contrario; ahora el switchconocerá las direcciones MAC de las computadoras en el puerto 1 y 2; cuando reciba otra trama con dirección de destino de alguna de ellas, sólo transmitirá la trama a dicho puerto disminuyendo así el tráfico de la red y contribuyendo al buen funcionamiento de la misma.

Ethernet POWERLINK
(conocido también con el acrónimoEPL) es unprotocolode comunicación entiempo realbasado enhardwareestándarEthernet.
Su principio de funcionamiento hace que el POWERLINK sea apto paraaplicacionesdeautomatización industrialdonde varios elementos de control (autómatas, pantallas de operador, módulos deE/S, variadores de frecuencia,servocontroladores, módulos de seguridad, sensores etc.) tengan que comunicar entre ellos de forma rápida, isócrona y sobre todo precisa (es decir minimizando el tiempo delatenciade lared), garantizando desde luego que el proceso de comunicación sea fiable y repetitivo. POWERLINK no es un hardware, es unsoftwareque funciona sobre un hardware estándar.

Ethernet e IEEE 802.3 utilizan el protocolo CSMA/CD. El detalle de los campos es el siguiente:

Preámbulo.

1 Byte, es un delimitador consistente en la secuencia 10101010 repetida 7 veces. En el caso de un frame Ethernet el campo SOF indica que se procede a comenzar a recibir un frame. En el caso del frame IEEE 802.3 el campo Preámbulo tiene un byte más, que toma el valor 10101011 si se procederá a recibir un frame.

SOF.

(sólo en IEEE) 1 Byte delimitador del frame Ethernet terminado con dos bits en 1 consecutivos (10101011), que sirven para sincronizar las porciones de recepción de frames de los nodos.

Direcciones destino y origen.

6 Bytes para cada direcció, que corresponden a los identificadores de los nodos de una LAN. Los primeros 3 bytes de las direcciones son asignados por el IEEE a cada fabricante, y los tres últimos son especificados por el fabricante. La dirección de origen siempre es unicast, la destino puede ser uni, multi o broadcast. Estas son las llamadas direcciones MAC.

Tipo.

(sólo en Ethernet) 2 Bytes que identifican el protocolo de la capa superior que recibirá los datos una vez recibido el frame.

Largo.

(sólo en IEEE) 2 Bytes que especifican el número de bytes de datos que contiene el campo Datos que siguen a continuación en el frame.

Datos.

corresponde a los datos provenientes de las capas superiores. Un frame debe tener un tamaño mínimo de 64 bytes (a partir del campo dirección destino), por lo tanto, se utiliza un relleno si es que la situación lo requiere.

CRC.

4 Bytes, es una suma de verificación para asegurar que el frame llegó en buen estado.

Direcciones MAC.

Ethernet asigna direcciones globalmente únicas a cada dispositivo o interfaz de red. Para ello utiliza una dirección de seis bytes, de los cuales los tres primeros corresponden a una identificación del fabricante y los tres últimos al dispositivo. El estándar permite direcciones de 2 ó 6 bytes, aunque en la práctica sólo se utilizan las de 6 bytes. Además de utilizarse en otras redes 802 las direcciones MAC IEEE se emplean en redes locales no IEEE, como FDDI y Fibre Channel. Los dos primeros bits de los 48 que componen una dirección MAC IEEE tienen un significado especial:

  • El primer bit indica el ámbito del envío. Se contemplan tres posibilidades: envío unicast, multicast o broadcast. Si el primer bit está a 0 se trata de un envío unicast, si está en 1 es un envío multicast o broadcast. En caso de que toda la dirección esté con sus bits en 1 será un envío broadcast (dirección FF:FF:FF:FF:FF:FF), que deberá ser atendido por todos los nodos. Si es un frame multicast, tendrá en 1 el primer bit, viniendo especificado por el resto de la dirección el grupo multicast al que va dirigido. En un frame unicast el primer bit será 0, en cuyo caso el frame sólo deberá ser interpretado por el nodo al que va dirigido.
  • El segundo bit se utiliza para indicar si se trata de una dirección global (grabada por el fabricante en el hardware de la tarjeta) o si se trata de una dirección local, asignada por software a ese equipo. Las direcciones locales sólo pueden ser utilizadas dentro de la red, ya que en otras redes podrían estar duplicadas. En cambio las globales, dado que son únicas en todo el mundo, podrían utilizarse para enviar frames a cualquier nodo existente.

Fast Ethernet puede correr a través de la misma variedad de medios que 10BaseT: UTP, STP y fibra, pero no soporta cable coaxial. La especificación define tres tipos de medios con una subcapa física separada para cada tipo de medio: 100Base-TX, 100Base-T4, 100Base-FX. Ver tabla. 100Base-TX define la especificación a través de dos pares de categoría 5 de cable UTP o dos pares de tipo 1 de cable STP. 100Base-TX adopta el mecanismo de señalización full-duplex de FDDI (ANSI X3T9.5) para trabajar con la Ethernet MAC. Un par de cables es utilizado para transmitir, con codificación 4B/5B, y el otro par es utilizado para detectar colisiones y recibir datos. La especificación 100Base-T4 utiliza pares de categoria 3, 4 o 5 UTP. 100Base-T4 es half-duplex y usa tres pares para transmisión 100 Mbps y el cuarto par para detección de colisiones. A diferencia del anterior, utiliza el código ternario 8B6T. La capa física 100Base-FX define la especificación a través de dos hilos de fibra de 62.5/125 micras. Utiliza una fibra para la transmisión y la otra fibra para detección de colisiones y recepción. 

Auto-Negociación
La especificación IEEE 802.3u describe un proceso de negociación que permite a los dispositivos de red intercambiar información automáticamente sobre sus capacidades y desarrollar la configuración necesaria para operar juntos en su nivel común máximo. La auto-negociación es desarrollada utilizando Fast Link Pulse (FLP) Burst para identificar la tecnología más avanzada de capa física que puede ser utilizada por ambos dispositivos, como 10Base-T, 100Base-TX o 100Base-T4. Provee también una función de detección paralela que permite reconocer capas físicas half y full-duplex 10Base-T, half y full-duplex 100Base-TX, y 100Base-T4, aún si uno de los dispositivos conectados no ofrece capacidades de auto-negociación. El control de flujo puede ser implementado en base a enlaces o punto a punto y permite a todos los dispositivos presentes en el camino reducir la cantidad de datos que reciben. 

Gigabit Ethernet
Las redes Fast Ethernet se extendieron con una rapidez mayor que las expectativas más optimistas. Como consecuencia de esto los precios bajaron y su uso se popularizó hasta el punto de que se utiliza Fast Ethernet incluso en la conexión del usuario final. Para mantener un diseño coherente y equilibrado de una red se requieren velocidades superiores en el backbone. Este hecho, junto con la experiencia positiva de Fast Ethernet, animó al subcomité 802.3 a iniciar en 1995 otro grupo de trabajo que estudiara el aumento de velocidad de nuevo en un factor diez, creando Gigabit Ethernet, que el 29 de junio de 1998 produjo la aprobación del suplemento 802.3z. De forma análoga a lo hecho con Fast Ethernet, se pretendía poder utilizar los mismos medios físicos que en Fibre Channel: emisores láser con fibra óptica multimodo y monomodo, cable de pares trenzados apantallado y además cable UTP categoría 5. Se puede comentar también, que siguiendo con la tradición ya establecida de aumentar cada vez la velocidad en un factor diez, el IEEE aprobó en enero del 2000 la creación de un grupo de estudio (IEEE 802.3ae) de alta velocidad para la estandarización de Ethernet a 10 Gigabits. 

En Gigabit Ethernet existen cuatro especificaciones de medios físicos: 1000BASE-T (IEEE 802.3ae), 1000BASE-SX, 1000BASE-LX y 1000BASE-CX (las tres son IEEE 802.3z). Estos emplean código 8B/10B que ya se utilizaba en Fibre Channel, de donde deriva toda la capa física de 1000BASE-X. La transmisión de Gigabit Ethernet por cable UTP categoría 5 1000BASE-T se realiza de forma muy similar a 100BASE-T2, se utilizan 4 canales de 250 Mbps y se envían los datos en paralelo por los cuatro pares. En las anteriores especificaciones, el alcance de la fibra óptica viene limitado por la atenuación de la señal, pero en Gigabit Ethernet el alcance está limitado fundamentalmente por el efecto del retardo en modo diferencial. Este fenómeno consiste en que cuando el haz láser llega a la fibra, al ser ésta apreciablemente más ancha que el haz, éste genera haces de luz secundarios que van rebotando por las paredes al avanzar por la fibra. Este rebote no ocurre exactamente igual para todos los rayos, por lo que unos realizan un trayecto un poco más largo que otros, con lo que el pulso de luz se ensancha ligeramente. El ensanchamiento es mayor cuanto mayor es la distancia recorrida.

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