5 Ethernet
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Antecedentes de Ethernet
• Es la tecnología de LAN más usada en la actualidad ;
implementada originalmente en XEROX en 1970
• En 1983 se publica como estándar ANSI/IEEE 802.3
• Utiliza las topologías físicas bus y estrella en banda base
(baseband)
• Existen varias tecnologías Ethernet que han evolucionado
desde la Ethernet original. Para nombrarlas se usan letras
y números
Antecedentes de Ethernet
• En 1973 cambió el nombre a Ethernet Por asociación con el “ether” que propagaba las ondas
electromagnéticas en el espacio; aunque Michelson y Morley en
1887 ya habían demostrado su NO existencia
• La tecnología fue liberada por Xerox para que cualquier
empresa la fabricara.
• Ethernet es ha en un estándar “de facto”.
• Ethernet es una especificación para redes de área local.
Comprende el nivel físico y el nivel de enlace del modelo
de referencia OSI.
Evolución de los estándares
Ethernet
• Xerox Palo Alto Research Center: Robert M. Metcalfe, 2.94
Mbps. (1972)
• DEC-Intel-Xerox (DIX Ethernet Statndard): Ethernet V1, 10
Mbps (1980)
• DEC-Intel-Xerox (DIX V2.0): Ethernet V2, 10 Mbps (1982)
• Novell-NetWare: Ethernet propietario (1983)
• Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE
802.3): 802.3 CSMA/CD, 10 Mbps (1985) -www.ieee.org-
• IEEE 802.3a-1985: cable coaxial delgado a 10 Mbps, IEEE
802.3c-1985 especificaciones de un repetidor 10 Mbps.
• IEEE 802.3d-1987: enlace de fibra óptica, 10 Mbps (hasta
1000 m de distancia)
Evolución de los estándares
Ethernet
• IEEE 802.3i-1990: par trenzado a 10 Mbps
• IEEE 802.3j-1993: enlace de fibra óptica, 10 Mbps (hasta
2000 m de distancia)
• IEEE 802.3u-1995: par trenzado a 100 Mbps (Fast
Ethernet) y autonegociación.
• IEEE 802.3x-1997: estándar para full duplex
• IEEE 802.3z-1998: estándar para 1000 Mbps (Gigabit
ethernet) sobre fibra óptica.
• IEEE 802.3ab-1999: Gigabit Ethernet sobre par trenzado
• IEEE 802.3ac-1998: extensión del tamaño del frame
Ethernet a 1522 bytes para incluir la etiqueta de VLAN
• IEEE 802.3ae-2002: Especificación para 10 GigaBit
Ethernet
Identificadores IEEE
La IEEE asignó identificadores a los diferentes
medios que puede utilizar Ethernet. Este
identificador consta de tres partes:
Comité IEEE 802
La capa de enlace de datos
La IEEE subdividió la capa de enlace de datos en dos
subcapas:
La subcapa LLC (Logical Link Control) o subcapa
de control de enlace lógico
La subcapa MAC (Media Access Control) o
subcapa de control de acceso al medio
IEEE 802 versus ISO
IEEE 802
La subcapa LLC Fue creada con el propósito de proporcionar a las capas
superiores (capa de red) una interfaz independiente de la tecnología
empleada en la capa de enlace de datos y en la capa física
La subcapa MAC Se encarga de la topología lógica de la red y del método de
acceso a ésta
Cada tecnología de red tiene una subcapa MAC diferente
En la subcapa MAC residen las direcciones MAC
El frame Ethernet
El corazón del sistema Ethernet es el frame Ethernet utilizado para llevar
datos entre los computadores.
El “frame” consta de varios bits organizados en varios campos.
Estos campos incluyen la dirección física de las interfaces Ethernet, un
campo variable de datos (entre 46 y 1500 bytes) y un campo de chequeo
de error.
Hay varios tipos de frames: Para 10 Mbps y 100 Mbps se tienen Ethernet
V2 (Frame DIX) e IEEE 802.3.
Ethernet
IEEE
802.3
El frame Ethernet
• Preámbulo: Para sincronizar los receptores (7 bytes 10101010).
• Delimitador del inicio de trama (SFD: Start Frame Delimiter): es el byte 10101011. Indica dónde realmente
inician los campos de información útil.
• Dirección destino (Destination Address): contiene la dirección MAC de la computadora destino(Media
Access Control).
• Dirección fuente (Source Address): La dirección MAC de la computadora que originó la trama.
• Tipo de trama o longitud (Type or Length): Para Ethernet este campo determina el tipo de trama que se
está enviando; para el campo de longitud, este valor indica el número de bytes del campo de información).
• Información: Aquí viajan los datos e información acerca del protocolo de comunicaciones que se está
usando.
• Campo de Relleno (pad) Si datos < 46, se añade campo de relleno hasta longitud mínima
• Secuencia de verificación de trama (FCS o CRC): Es un código de redundancia cíclica de 32 bits aplicado
a los cuatro campos anteriores
IEEE 802.3: Direcciones
Grupo=0 => dirección individual
Global=0 => dirección local
Código de fabricante obtenido del IEEE
Ej: a2-41-42-59-31-51
Dirección MAC
Longitud Trama Mínima
Velocidad Tx 10 Mbps
Long Máxima 2500 m
4 Repetidores
Para detectar la colisión en ambas
estaciones:
Mínima trama 51,2 microseg = 2 * Xp
64 octetos
Regla de Diseño 5-4-3-2-1 5 Segmentos
4 Repetidores
3 Segmentos con nodos
2 segmentos deinterconexión
1 dominio de colisión de hasta 1024 estaciones
con diámetro de 2500 m.
Longitud Trama Mínima
Si una estación intenta transmitir una trama muy corta, es concebible que ocurra una colisión,
pero la transmisión se completa antes de que la ráfaga de ruido llegue de regreso, en el
momento 2ô. El emisor entonces supondrá incorrectamente que la trama se envió con éxito.
Para evitar que esta situación ocurra, todas las tramas deberán tardar más de 2ô para
enviarse, de manera que la transmisión aún esté llevándose a cabo cuando la ráfaga de ruido
regrese al emisor. Para una LAN de 10 Mbps con una longitud máxima de 2500 metros y
cuatro repetidores (de la especificación 802.3), el tiempo de ida y vuelta (incluyendo el tiempo
de propagación a través de los cuatro repetidores) se ha determinado a aproximadamente 50
ìseg en el peor caso, incluyendo el tiempo para pasar a través de los repetidores, que con
certeza es diferente de cero. Por lo tanto, la trama mínima debe tomar por lo menos este
tiempo en transmitir. A 10 Mbps, un bit tarda 100 nseg, por lo que 500 bits es la trama más
pequeña que se garantiza funcionará. Para agregar algún margen de seguridad, este número
se redondeó a 512 bits o 64 bytes. Las tramas con menos de 64 bytes se rellenan con 64
bytes con el campo de Relleno.
A medida que aumente la velocidad de la red, la longitud mínima de la trama debe aumentar,
o la longitud máxima del cable debe disminuir, de manera proporcional. Para una LAN de
2500 metros operando a 1 Gbps, el tamaño mínimo de trama tendría que ser de 6400 bytes.
Como alternativa, el tamaño mínimo de trama podría ser de 640 bytes y la distancia máxima
entre dos estaciones de 250 metros.
Subcapas
Subcapa LLC: • Recibe/envía procesos con direcciones
SAP
• Permite establecer comunicaciones
orientadas y no orientadas a conexión
• Permite usar SNAP
Subcapa MAC: • Direcciones físicas origen y destino de
los nodos
• Garantiza tamaño mínimo del frame
MAC Frame
DSAP:1 byte, Destination Service Access Point. El Punto de acceso a
servicio destino, define el protocolo de nivel superior que usará LLC en
el destino
SSAP: 1 byte, Source Service Access Point. El Punto de acceso a
servicio origen, define el protocolo de nivel superior que usará LLC en el
origen
Control: 1 byte, datos de control (2 bytes si es orientada a conexión)
usado para el control de flujo y error.
Datos: Información de las capas superiores.
MAC Frame (Cont.)
Cómo funciona Ethernet
• No hay control central (cada computador opera independientemente)
• Las señales son transmitidas serialmente (un bit a la vez) a un canal
compartido
• Para enviar datos, la estación debe escuchar el canal, esperar a que
este desocupado y transmitir los datos en un frame Ethernet
• Después de cada transmisión todas las estaciones deben esperar la
siguiente oportunidad de transmisión, esto asegura un acceso “justo” al
canal
• El acceso al canal compartido está determinado por un mecanismo de
control de acceso al medio embebido en la interfaz (tarjeta de red)
Ethernet instalada en cada estación
• El mecanismo de control de acceso al medio está basado en un
sistema llamado CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with
Collition Detection)
Protocolo CSMA/CD
• Cada estación debe esperar hasta que no haya señal sobre el canal,
entonces puede comenzar a transmitir
• Si otra interfaz (tarjeta de red) está transmitiendo habrá una señal
sobre el canal, que es llamada carrier
• Todas las otras interfaces deben esperar un tiempo denominado IFG
(interframe gap de 96 bit times: tiempo que tomaría transmitir 96 bits)
hasta que el carrier termine, antes de poder transmitir Es decir, no debe haber carrier durante 9.6 microsegundos en 10Mbps, 960 nanosegundos en
100 Mbps ó 96 nanosegundos en Gigabit Ethernet.
• Este proceso recibe el nombre de Carrier Sense
• Todas las interfaces Ethernet tienen la misma habilidad para enviar
frames sobre el medio. Ninguna tiene prioridad (Multiple Access)
• A la señal le toma un tiempo finito viajar desde un extremo del cable
Ethernet al otro. Dos interfaces pueden escuchar que el canal está libre y comenzar a transmitir simultáneamente
(mientras trasmiten deben seguir escuchando)
Cuando esto sucede, el sistema Ethernet tiene una forma de sensar la colisión de señales y
detener la transmisión (Collision Detect) e intentar transmitir después
Transmisión de frames
Datos
para
enviar
¿tiene
60 bytes ó
más?
Rellene
hasta lograr
60 bytes
NO
SÍ
Calcule y
agregue
el CRC
¿Hay
Carrier?
Espera
96
bit times
SÍ
NO Transmitir
Datos
Escuchar
si hay
colisiones
¿Detecto
Colisión?
¿Fin de
los
Datos? Transmitir hasta que termine
NO
NO SÍ Fin.
Transmisión
OK
SÍ Envíe
un
Jam
¿Muchos
Intentos?
SÍ
Fin.
Demasiados
errores
Calcule tiempo de espera (backoff)
y espere
NO
Alguien está
usando el
medio
Recepción de frames
Frame
que llega
¿Es para
esta
estación?
NO
SÍ
¿tiene
al menos
512 bits?
SÍ
NO
Frame demasiado corto
Frame
descartado
¿CRC
válido?
SÍ
NO
Frame bueno
se pasa al protocolo de
la capa superior
¿Termina
alineado a
8 bits?
Error
de
CRC
SÍ
NO
Error
de
alineamiento
No se recibe más el frame
y se desocupa el buffer
Colisiones
• Si más de una estación intenta trasmitir sobre el canal Ethernet al
mismo tiempo, se dice entonces que las señales colisionan. • Al detectar la colisión la estación enviará un mensaje de jam (32 bits) para “reforzar la colisión”
• Las estaciones son notificadas de este evento e inmediatamente
“reprograman” dicha trasmisión utilizando un algoritmo especial de
“backoff” • Cada una de las estaciones involucradas selecciona un intervalo de tiempo aleatorio, múltiplo de
512 bit times, para “reprogramar” la trasmisión del frame, evitando que hagan intentos de
retransmisión simultáneos.
• Las colisiones son normales dentro del método de acceso al medio e
indican que el protocolo CSMA/CD está funcionado como fue diseñado • Infortunadamente, “colisión” no es el mejor nombre: algunas personas creen que son síntomas
de problemas
• Al conectar más computadores a la red, el tráfico aumenta y se presentarán más colisiones
• El diseño del sistema permite que las colisiones se resuelvan en microsegundos
• Una colisión normal no implica perdida ni corrupción de datos... Cuando sucede una, la interface
espera algunos microsegundos (Backoff_time) y retransmite automáticamente los datos.
Colisiones (Cont.)
• Sobre una red con tráfico intenso, una estación puede experimentar
varias colisiones al intentar transmitir un frame (esto también es un
comportamiento normal) • Colisiones repetidas para un intento de transmisión de un frame indican una red ocupada
(congestionada).
• Un algoritmo especial (llamado truncated binary exponential backoff) permite a las estaciones
ajustarse a las condiciones de tráfico de la red cambiando los tiempos de espera entre intentos
de retransmisión (backoff time)
• Sólo después de 16 intentos consecutivos de retrasmisión el frame es descartado (por
sobrecarga del canal o porque el canal está “roto”)
• Backoff exponencial binario truncado Este algoritmo (que, entre otras
cosas, es un algoritmo de control de congestión) estima un tiempo de
espera (BackoffTime) Slot_Time: es el tiempo para propagar 512 bits (51.2 microsegundos en 10Mbps ó 5.12
microsegundos en 100 Mbps. Gigabit Ethernet utiliza un Slot time de 4096 bits -512 bytes-) Numero_Aleatorio: es un número entero mayor o igual a cero y menor que 2n
n = número de intentos de retrasmisión para las primeras 10 veces ó n=10
• Después de 16 intentos el algoritmo reportará un error a las capas
superiores
Backoff exponencial binario truncado
Velocidades de transmisión
en Ethernet
• 10Mbps
• Ethernet original
• 100Mbps
• FastEthernet
• 1000Mbps
• GigabitEthernet
• 10000Mbps
• 10 GigabitEthernet
Tecnologías Ethernet
ETHERNET
10BASE5, 10BASE2, 10BASET
FAST ETHERNET (IEEE 802.3u, 1995)
100BASET4, 100BASETX, 100BASEFX
GIGABIT ETHERNET (IEEE 802.3z, 1998)
1000BASET, 1000BaseCX, 1000BaseSX/LX
Tipos de Ethernet a 10Mbps
Fast Ethernet
Estándar IEEE-802.3u de junio de 1995
Ventajas
•Alto rendimiento (100Mbps)
•Tecnología basada en estándares
•Migración sencilla
•Soporte
Tipos de Fast Ethernet
Fast Ethernet: Características
•Usa topología física estrella
•Longitud máxima de 100 metros por segmento de
cable UTP y de 500 metros con fibra multimodo
• Se pueden segmentar en dominios de colisión
múltiples por medio de conmutadores LAN, o
puentes
•Alternativas de cableado •100BaseTX (STP y UTP categoría 5, datos, usa dos pares)
•100BaseT4 (cuatro pares cat. 3, 4 o 5)
•100BaseFX (dos hilos de fibra multimodo)
Fast Ethernet: Compatibilidad
Autonegociación:
Los adaptadores o conmutadores
detectan la velocidad de
transmisión automáticamente y
utilizan en método más rápido
disponible
La negociación se hace utilizando
una ráfaga FLP (pulsos rápidos de
enlace), éstos son ignorados por
adaptadores 10BaseT; pero
respondidos por adaptadores
100BaseT
Fast Ethernet
OBJETIVOS
•Aumentar la velocidad de datos a 100 Mbps.
•Compatibilidad con la Ethernet estándar.
•Mantener las mismas direcciones de 48 bits.
•Mantener el mismo formato de trama.
•Mantener las mismas longitudes mínima y máxima para la trama.
Fast Ethernet: Subnivel MAC
•Se mantiene intacto el subnivel MAC
•Se abandona la topología de bus, manteniendo la topología de
estrella
•En la topología de estrella semiduplex, las estaciones se conectan a
través de un concentrador y el método de acceso sigue siendo
CSMA/CD
•En la topología de estrella dúplex, las estaciones se conectan a través
de un conmutador con buffers en cada puerto
•Autonegociación: •Característica nueva que permite a dos dispositivos negociar el
modo de velocidad de datos de la operación.
•Los objetivos son permitir: A dispositivos incompatibles conectarse entre sí.
A un dispositivo tener múltiples capacidades.
A una estación comprobar las capacidades del concentrador.
Gigabit Ethernet
El comité IEEE lo denomina 802.3z. El draft final fue aprobado en
1998.
Los objetivos se resumen como:
•Aumentar la velocidad de datos a 1 Gbps.
•Compatibilidad con la Ethernet estándar y Fast Ethernet.
•Mantener las mismas direcciones de 48 bits.
•Mantener el mismo formato de trama.
•Mantener las mismas longitudes mínima y máxima para la trama.
•Proporcionar autonegociación como la definida en Fast Ethernet.
•Foco en LAN Corporativas, redes de Campus, y Proveedores de Servicio donde
puedan ser utilizadas conjuntamente con redes 10Mbit/seg y 100Mbit/seg.
Gigabit Ethernet: Subnivel MAC
Se modifica el subnivel MAC accediendo al medio en modo dúplex o
semiduplex.
Duplex: •Hay un conmutador central conectado a todas las computadoras u
otros conmutadores.
•No existe colisión, por lo tanto la longitud del cable queda
determinada por la atenuación de la señal en cable.
Semiduplex: Usado por compatibilidad con las generaciones anteriores.
Usa un concentrador, que actúa como el cable común en el que
podría ocurrir una colisión.
Gigabit Ethernet: Nivel Físico
Topología:
•Si sólo hay dos estaciones, se pueden conectar punto a punto.
•En caso contrario, se conectan en estrella mediante un conmutador o
un concentrador en el centro.
•Otra configuración posible es conectar una jerarquía de estrellas.
Gigabit Ethernet: Distancias
Gigabit Ethernet
10 Gigabit Ethernet
El comité IEEE lo denomina 802.3ae.
Los objetivos se resumen como:
•Aumentar la velocidad de datos a 10 Gbps.
•Compatibilidad con la Ethernet estándar, Fast Ethernet y Ethernet Gigabit.
•Mantener las mismas direcciones de 48 bits.
•Mantener el mismo formato de trama.
•Mantener las mismas longitudes mínima y máxima para la trama.
•Permitir la interconexión de la LAN con redes MAN o WAN.
•Hacerla compatible con tecnologías como Frame Relay y ATM.
•Expandir el espacio de aplicación de Ethernet hacia esquemas WAN
•Desde el punto de vista económico: tiende a ser el paso a dar por los usuarios
que necesitan incorporar ancho de banda, de fácil incorporación a las redes
actuales, costos accesibles.
10 Gigabit Ethernet
Subnivel MAC:
Opera solo en modo dúplex.
A partir de que solamente utiliza tecnología Full-Duplex y
Fibra Óptica, no utiliza el protocolo CSMA/CD.
Nivel físico:
Diseñada para usar cable de fibra óptica de largas distancias.
Implementaciones más comunes:
10GBase-CX Cobre menos de 15m
10GBase-SX Fibra MM 100-300 m
10GBase-LX Fibra MM y SM 5-15 km
10GBase-EX Fibra SM 4 0-100 km
10 Gigabit Ethernet
10 Gigabit Ethernet
Tecnología
•1310nm a 2km-10km sobre fibra SM.
•1550nm para los 40km sobre fibra SM.
•850nm para distancias de 65m sobre fibra MM.
•2 versiones de WWDM: 1310nm sobre FO SM a 10km; 1310nm
sobre FO MM a300m.
Cisco 4948 10Gb Switch
48 puertos 10/100/1000 + 2 puertos 10Gb X2 ópticos.
• Wire-speed performance for 10/100/1000 connectivity and wire-speed 10 Gigabit
Ethernet uplinks
• 136-Gbps switching fabric with 102-Mpps forwarding rate for Layer 2 through 4
• Power-supply redundancy for nonstop operation
• 1+1 redundant hot-swappable internal AC or DC power supplies
• Access control lists (ACL)
• Secure Shell (SSH) Protocol versions 1 and 2
• Simple Network Management Protocol Version 3 (SNMPv3) for secure remote
access and network management
• Dedicated 10/100 console port and dedicated 10/100 management port
• Remote in-band management through SNMP
Resumen Ethernet
Bibliografía
• Internerkorking technologies Handbook – CISCO
• Multimedia Communications. Fred Halsall. Addison-Wesley.
• Fundamentals of LAN and WAN. Bob Harris. ADC. SCTE
• Tanenbaum, Andrew S.. Redes de Computadoras 3ª Ed. Pearson
• William Stallings. Comunicaciones y Redes de Ordenadores.
• IEEE 802. www.ieee802.org
•David G. Cunningham, William G. Lane: Gigabit Ethernet Networking
•Macmillan Technical Publishing, USA, 1999 ISBN: 1-57870-062-0
•Switched Ethernet http://jmazza.shillsdata.com/tech/ethernet/switched
•Ethernet and Fast Ethernet Guide http://www.ots.utexas.edu/ethernet
•100Base-T Migration Guide http://www.3com.com/nsc/100208.htm
•Desktop ATM vs. Fast Ethernet http://www.networking.ibm.com/atm/atm25fe.html
•Gigabit Ethernet Information (PAR, Drafts)
http://www.ots.utexas.edu:8080/ethernet/descript-gigabit-ieee.html
•Gigabit Ethernet Technical Overview http://www.nbase.com/notes/gigabit.htmll
•Forouzan. Mac-GrawHill. “Transmisión de datos y redes de comunicaciones”.
•Forouzan. InternacionalEdition. “Local Area Networks”
•Ethernet: TheDefinitiveGuide
