Ethernet

1 Principios Basicos de Ethernet

Descripción general

Ethernet es ahora la tecnología LAN dominante en el mundo. Ethernet no es una tecnología sino una familia de tecnologías LAN que se pueden entender mejor utilizando el modelo de referencia OSI. Todas las LAN deben afrontar el tema básico de cómo denominar a las estaciones individuales (nodos) y Ethernet no es la excepción. Las especificaciones de Ethernet admiten diferentes medios, anchos de banda y demás variaciones de la Capa 1 y 2. Sin embargo, el formato de trama básico y el esquema de direccionamiento es igual para todas las variedades de Ethernet.

Para que varias estaciones accedan a los medios físicos y a otros dispositivos de networking, se han inventado diversas estrategias para el control de acceso a los medios. Comprender la manera en que los dispositivos de red ganan acceso a los medios es esencial para comprender y detectar las fallas en el funcionamiento de toda la red.

Los estudiantes que completen este módulo deberán poder:

• Describir los principios básicos de la tecnología de Ethernet.
• Explicar las reglas de denominación de la tecnología de Ethernet.
• Definir cómo interactúan Ethernet y el modelo OSI.
• Describir el proceso de entramado de Ethernet y la estructura de la trama.
• Nombrar las denominaciones de los campos de Ethernet y su propósito.
• Identificar las características del CSMA/CD.
• Describir los aspectos claves de la temporización de Ethernet, espacio entre tramas y tiempo de postergación después de una colisión.
• Definir los errores y las colisiones de Ethernet.
• Explicar el concepto de auto-negociación en relación con la velocidad y el duplex.

1.1 Introducción a Ethernet

La mayor parte del tráfico en Internet se origina y termina en conexiones de Ethernet. Desde su comienzo en la década de 1970, Ethernet ha evolucionado para satisfacer la creciente demanda de LAN de alta velocidad. En el momento en que aparece un nuevo medio, como la fibra óptica, Ethernet se adapta para sacar ventaja de un ancho de banda superior y de un menor índice de errores que la fibra ofrece. Ahora, el mismo protocolo que transportaba datos a 3 Mbps en 1973 transporta datos a 10 Gbps.

El éxito de Ethernet se debe a los siguientes factores:

• Sencillez y facilidad de mantenimiento.
• Capacidad para incorporar nuevas tecnologías.
• Confiabilidad
• Bajo costo de instalación y de actualización.

Con la llegada de Gigabit Ethernet, lo que comenzó como una tecnología LAN ahora se extiende a distancias que hacen de Ethernet un estándar de red de área metropolitana (MAN) y red de área amplia (WAN).

La idea original de Ethernet nació del problema de permitir que dos o más host utilizaran el mismo medio y evitar que las señales interfirieran entre sí. El problema de acceso por varios usuarios a un medio compartido se estudió a principios de los 70 en la Universidad de Hawai. Se desarrolló un sistema llamado Alohanet para permitir que varias estaciones de las Islas de Hawai tuvieran acceso estructurado a la banda de radiofrecuencia compartida en la atmósfera. Más tarde, este trabajo sentó las bases para el método de acceso a Ethernet conocido como CSMA/CD.

La primera LAN del mundo fue la versión original de Ethernet. Robert Metcalfe y sus compañeros de Xerox la diseñaron hace más de treinta años. El primer estándar de Ethernet fue publicado por un consorcio formado por Digital Equipment Company, Intel y Xerox (DIX). Metcalfe quería que Ethernet fuera un estándar compartido a partir del cual todos se podían beneficiar, de modo que se lanzó como estándar abierto. Los primeros productos que se desarrollaron utilizando el estándar de Ethernet se vendieron a principios de la década de 1980. Ethernet transmitía a una velocidad de hasta 10 Mbps en cable coaxial grueso a una distancia de hasta 2 kilómetros (Km). Este tipo de cable coaxial se conocía como thicknet (red con cable grueso) y tenía el ancho aproximado de un dedo pequeño.

En 1985, el comité de estándares para Redes Metropolitanas y Locales del Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE) publicó los estándares para las LAN. Estos estándares comienzan con el número 802. El estándar para Ethernet es el 802.3. El IEEE quería asegurar que sus estándares fueran compatibles con el modelo OSI de la Organización Internacional de Estándares (ISO). Por eso, el estándar IEEE 802.3 debía cubrir las necesidades de la Capa 1 y de las porciones inferiores de la Capa 2 del modelo OSI. Como resultado, ciertas pequeñas modificaciones al estándar original de Ethernet se efectuaron en el 802.3.

Las diferencias entre los dos estándares fueron tan insignificantes que cualquier tarjeta de interfaz de la red de Ethernet (NIC) puede transmitir y recibir tanto tramas de Ethernet como de 802.3. Básicamente, Ethernet y IEEE 802.3 son un mismo estándar.

El ancho de banda de 10 Mbps de Ethernet era más que suficiente para los lentos computadores personales (PC) de los años 80. A principios de los 90, los PC se volvieron mucho más rápidos, los tamaños de los archivos aumentaron y se producían cuellos de botella en el flujo de los datos. La mayoría a causa de una baja disponibilidad del ancho de banda. En 1995, el IEEE anunció un estándar para la Ethernet de 100 Mbps. Más tarde siguieron los estándares para Ethernet de un gigabit por segundo (Gbps, mil millones de bits por segundo) en 1998 y 1999.

Todos los estándares son básicamente compatibles con el estándar original de Ethernet. Una trama de Ethernet puede partir desde una antigua NIC de 10 Mbps de cable coaxial de un PC, subir a un enlace de fibra de Ethernet de 10 Gbps y terminar en una NIC de 100 Mbps. Siempre que permanezca en redes de Ethernet, el paquete no cambia. Por este motivo, se considera que Ethernet es muy escalable. El ancho de banda de la red podría aumentarse muchas veces sin cambiar la tecnología base de Ethernet.

El estándar original de Ethernet ha sufrido una cantidad de enmiendas con el fin de administrar nuevos medios y mayores velocidades de transmisión. Estas enmiendas sirven de estándar para las tecnologías emergentes y para mantener la compatibilidad entre las variaciones de Ethernet.

1.2 Reglas del IEEE para la denominación de Ethernet

Ethernet no es una tecnología para networking, sino una familia de tecnologías para networking que incluye Legacy, Fast Ethernet y Gigabit Ethernet. Las velocidades de Ethernet pueden ser de 10, 100, 1000 ó 10000 Mbps. El formato básico de la trama y las subcapas del IEEE de las Capas OSI 1 y 2 siguen siendo los mismos para todas las formas de Ethernet.

Cuando es necesario expandir Ethernet para agregar un nuevo medio o capacidad, el IEEE publica un nuevo suplemento del estándar 802.3. Los nuevos suplementos reciben una designación de una o dos letras, como por ejemplo: 802.3u. También se asigna una descripción abreviada (identificador) al suplemento.

La descripción abreviada consta de:

• Un número que indica el número de Mbps que se transmiten.
• La palabra “base”, que indica que se utiliza la señalización banda base.
• Una o más letras del alfabeto que indican el tipo de medio utilizado (F = cable de fibra óptica, T = par trenzado de cobre no blindado).

Ethernet emplea señalización banda base, la cual utiliza todo el ancho de banda del medio de transmisión. La señal de datos se transmite directamente por el medio de transmisión. Ethernet utiliza la señalización bandabase, la cual usa la totalidad del ancho de banda del medio de transmisión. La data se transmite directamente sobre el medio de transmisión.

En la señalización banda ancha, la señal de datos nunca se transmite directamente sobre el medio. Ethernet usaba señalización de banda ancha en el estándar 10BROAD36. 10BROAD36 es el estándar IEEE para una red Ethernet 802.3 que usa cable coaxial grueso a 10 Mbps como medio de transmisión de banda ancha. 10BROAD36 se considera ahora obsoleto. Una señal analógica, o señal portadora, es modulada por la data, y la señal portadora modulada es transmitida. En la radio difusión y en la TV por cable se usa la señalización de banda ancha. Una señal analógica (señal portadora) es modulada por la data y se transmite la señal portadora modulada. Las estaciones de radio y la TV por cable utilizan la señalización banda ancha.

El IEEE no puede forzar a los fabricantes de equipamiento para networking a cumplir con todas las particularidades de ningún estándar. El IEEE espera que se logre lo siguiente:

• Proporcionar la información de ingeniería necesaria para fabricar dispositivos que cumplan con los estándares de Ethernet.
• Promover que los fabricantes introduzcan innovaciones.

1.3 Ethernet y el modelo OSI

Ethernet opera en dos áreas del modelo OSI, la mitad inferior de la capa de enlace de datos, conocida como subcapa MAC y la capa física.

Para mover datos entre una estación Ethernet y otra, a menudo, estos pasan a través de un repetidor. Todas las demás estaciones del mismo dominio de colisión ven el tráfico que pasa a través del repetidor. Un dominio de colisión es entonces un recurso compartido. Los problemas que se originan en una parte del dominio de colisión generalmente tienen impacto en todo el dominio.

Un repetidor es responsable de enviar todo el tráfico al resto de los puertos. El tráfico que el repetidor recibe nunca se envía al puerto por el cual lo recibe. Se enviará toda señal que el repetidor detecte. Si la señal se degrada por atenuación o ruido, el repetidor intenta reconstruirla y regenerarla.

Los estándares garantizan un mínimo ancho de banda y operabilidad especificando el máximo número de estaciones por segmento, la longitud máxima del mismo, el máximo número de repetidores entre estaciones, etc. Las estaciones separadas por repetidores se encuentran dentro del mismo domino de colisión. Las estaciones separadas por puentes o routers se encuentran en dominios de colisión diferentes.

La Figura relaciona una variedad de tecnologías Ethernet con la mitad inferior de la Capa 2 y con toda la Capa 1 del modelo OSI. Ethernet en la Capa 1 incluye las interfaces con los medios, señales, corrientes de bits que se transportan en los medios, componentes que transmiten la señal a los medios y las distintas topologías. La Capa 1 de Ethernet tiene un papel clave en la comunicación que se produce entre los dispositivos, pero cada una de estas funciones tiene limitaciones. La Capa 2 se ocupa de estas limitaciones.

Las subcapas de enlace de datos contribuyen significativamente a la compatibilidad de tecnología y comunicación con el computador. La subcapa MAC trata los componentes físicos que se utilizarán para comunicar la información. La subcapa de Control de Enlace Lógico (LLC) sigue siendo relativamente independiente del equipo físico que se utiliza en el proceso de comunicación.

La Figura relaciona una variedad de tecnologías Ethernet con la mitad inferior de la Capa 2 y con toda la Capa 1 del modelo OSI. Aunque hay otras variedades de Ethernet, las que se muestran son las de uso más difundido.

1.4 Denominación

Para permitir el envío local de las tramas en Ethernet, se debe contar con un sistema de direccionamiento, una forma de identificar los computadores y las interfaces de manera exclusiva. Ethernet utiliza direcciones MAC que tienen 48 bits de largo y se expresan como doce dígitos hexadecimales. Los primeros seis dígitos hexadecimales, que IEEE administra, identifican al fabricante o al vendedor. Esta porción de la dirección de MAC se conoce como Identificador Exclusivo Organizacional (OUI). Los seis dígitos hexadecimales restantes representan el número de serie de la interfaz u otro valor administrado por el proveedor mismo del equipo. Las direcciones MAC a veces se denominan direcciones grabadas (BIA) ya que estas direcciones se graban en la memoria de sólo lectura (ROM) y se copian en la memoria de acceso aleatorio (RAM) cuando se inicializa la NIC.

En la capa MAC de enlace de datos se agregan encabezados e información final a los datos de la capa superior. El encabezado y la información final contienen información de control destinada a la capa de enlace de datos en el sistema destino. Los datos de las entidades de las capas superiores se encapsulan dentro de la trama de la capa de enlace, entre el encabezado y el cierre, para luego ser enviada sobre la red.

La NIC utiliza la dirección MAC para evaluar si el mensaje se debe pasar o no a las capas superiores del modelo OSI. La NIC realiza esta evaluación sin utilizar tiempo de procesamiento de la CPU permitiendo mejores tiempos de comunicación en una red Ethernet.

En una red Ethernet, cuando un dispositivo envía datos, puede abrir una ruta de comunicación hacia el otro dispositivo utilizando la dirección MAC destino. El dispositivo origen adjunta un encabezado con la dirección MAC del destino y envía los datos a la red. A medida que estos datos viajan a través de los medios de red, la NIC de cada dispositivo de la red verifica si su dirección MAC coincide con la dirección destino física que transporta la trama de datos. Si no hay concordancia, la NIC descarta la trama de datos. Cuando los datos llegan al nodo destino, la NIC hace una copia y pasa la trama hacia las capas superiores del modelo OSI. En una red Ethernet, todos los nodos deben examinar el encabezado MAC aunque los nodos que están comunicando estén lado a lado.

Todos los dispositivos conectados a la LAN de Ethernet tienen interfaces con dirección MAC incluidas las estaciones de trabajo, impresoras, routers y switches.

1.5 Entramado de la Capa 2

Las corrientes de bits codificadas (datos) en medios físicos representan un logro tecnológico extraordinario, pero por sí solas no bastan para que las comunicaciones puedan llevarse a cabo. El entramado ayuda a obtener información esencial que, de otro modo, no se podría obtener solamente con las corrientes de bits codificadas: Entre los ejemplos de dicha información se incluye:

• Cuáles son los computadores que se comunican entre sí
• Cuándo comienza y cuándo termina la comunicación entre computadores individuales
• Proporciona un método para detectar los errores que se produjeron durante la comunicación.
• Quién tiene el turno para “hablar” en una “conversación” entre computadores

El entramado es el proceso de encapsulamiento de la Capa 2. Una trama es la unidad de datos del protocolo de la Capa 2.

Se podría utilizar un gráfico de voltaje en función de tiempo para visualizar los bits. Sin embargo, cuando se trabaja con grandes unidades de datos e información de control y direccionamiento, los gráficos de voltaje en función de tiempo pueden volverse excesivamente grandes y confusos. Otro tipo de diagrama que se puede utilizar es el diagrama de formato de trama, que se basa en los gráficos de voltaje en función de tiempo. Estos diagramas se leen de izquierda a derecha, como un gráfico de osciloscopio. Los diagramas de formato de trama muestran distintas agrupaciones de bits (campos), que ejecutan otras funciones.

Hay varios tipos distintos de tramas que se describen en diversos estándares. Una trama genérica tiene secciones denominadas campos, y cada campo está formado por bytes. Los nombres de los campos son los siguientes:

• Campo de inicio de trama
• Campo de dirección
• Campos de longitud/tipo
• Campo de datos
• Campo de secuencia de verificación de trama

Cuando los computadores se conectan a un medio físico, debe existir alguna forma de informar a los otros computadores cuando están próximos a enviar un trama. Las diversas tecnologías tienen distintas formas para hacerlo, pero todas las tramas, de cualquier tecnología, tienen una secuencia de señalización de inicio de bytes.

Todas las tramas contienen información de denominación como, por ejemplo, el nombre del computador origen (dirección MAC) y el nombre del computador destino (dirección MAC).

La mayoría de las tramas tienen algunos campos especializados. En algunas tecnologías, el campo “longitud” especifica la longitud exacta de una trama en bytes. Algunas tienen un campo “tipo”, que especifica el protocolo de Capa 3 que realiza la petición de envío.

La razón del envío de tramas es hacer que los datos de las capas superiores, especialmente los datos de aplicación del usuario, lleguen desde el origen hasta el destino.. El paquete de datos incluye el mensaje a ser enviado, o los datos de aplicación del usuario.Puede resultar necesario agregar bytes de relleno de modo que las tramas tengan una longitud mínima para los fines de temporización. Los bytes de control de enlace lógico (LLC) también se incluyen en el campo de datos de las tramas del estándar IEEE. La subcapa LLC toma los datos de protocolo de la red, un paquete IP, y agrega información de control para ayudar a entregar ese paquete IP al nodo de destino. La Capa 2 se comunica con las capas de nivel superior a través de LLC.

Todas las tramas y los bits, bytes y campos ubicados dentro de ellas, están suceptibles a errores de distintos orígenes. El campo de Secuencia de verificación de trama (FCS) contiene un número calculado por el nodo de origen en función de los datos de la trama. Entonces, esta FCS se agrega al final de la trama que se envía. Cuando el computador destino recibe la trama, se vuelve a calcular el número FCS y se compara con el número FCS que se incluye en la trama. Si los dos números son distintos, se da por sentado que se ha producido un error, se descarta la trama y se le puede pedir al origen que vuelva a realizar la transmisión. Debido a que la fuente no puede detectar que la trama ha sido descartada, se deben iniciar retransmisiones por un protocolo de capa superior orientado a conexión que provea control de flujo de datos. Usualmente se dan retransmisiones debido a que los protocolos, como TCP/IP, requieren que las estaciones envíen tramas de reconocimiento, ACK, dentro de un tiempo preestablecido.

Hay tres formas principales para calcular el número de Secuencia de verificación de trama:

• Verificación por redundancia cíclica (CRC): Realiza cálculos en los datos.
• Paridad bidimensional: Coloca a cada uno de los bytes en un arreglo bidimensional y realiza chequeos verticales y horizontales de redundancia sobre el mismo, creando así un byte extra, que resulta en un número par o impar de unos binarios.
• Checksum (suma de verificación) de Internet: Agrega los valores de todos los bits de datos para obtener una suma

El nodo que transmite los datos debe llamar la atención de otros dispositivos para iniciar una trama y para finalizar la trama. El campo de longitud implica el final y se considera que la trama termina después de la FCS. A veces hay una secuencia formal de bytes que se denomina delimitador de fin de trama.

1.6 Estructura de la trama de Ethernet

En la capa de enlace de datos, la estructura de la trama es casi idéntica para todas las velocidades de Ethernet desde 10 Mbps hasta 10000 Mbps. Sin embargo, en la capa física, casi todas las versiones de Ethernet son sustancialmente diferentes las unas de las otras, teniendo cada velocidad un juego distinto de reglas de diseño arquitectónico.

En la versión de Ethernet desarrollada por DIX antes de la adopción de la versión IEEE 802.3 de Ethernet, el Preámbulo y el Delimitador de Inicio de Trama (SFD) se combinaron en un solo campo, aunque el patrón binario era idéntico. El campo que se denomina Longitud/Tipo aparecía como sólo Longitud en las primeras versiones de IEEE y sólo como Tipo en la versión de DIX. Estos dos usos del campo se combinaron oficialmente en una versión posterior del IEEE, ya que el uso que ambos le daban al campo era común en toda la industria.

El campo Tipo de la Ethernet II se incorporó a la actual definición de trama del 802.3. El nodo receptor debe determinar cuál de los protocolos de capa superior está presente en una trama entrante examinando el campo Longitud/Tipo. Si el valor de los dos octetos es igual o mayor que el de 0×600 (hexadecimal), 1536 (decimal), entonces el contenido del campo de Data es codificado de acuerdo al protocolo indicado.

1.7 Campos de la trama de Ethernet

Algunos de los campos que se permiten o requieren en la Trama 802.3 de Ethernet son:

• Preámbulo
• Delimitador de inicio de trama.
• Dirección destino
• Dirección origen
• Longitud/Tipo
• Datos y relleno
• FCS
• Extensión

El Preámbulo es un patrón alternado de unos y ceros que se utiliza para la sincronización de los tiempos en implementaciones de 10 Mbps y menores de Ethernet. Las versiones más veloces de Ethernet son síncronas y esta información de temporización es redundante pero se retiene por cuestiones de compatibilidad.

Un Delimitador de Inicio de Trama es un campo de un octeto que marca el final de la información de temporización y contiene la secuencia de bits 10101011.

El campo de dirección destino contiene la dirección destino MAC. La dirección destino puede ser unicast, multicast o de broadcast.

El campo de dirección de origen contiene la dirección MAC de origen. La dirección origen generalmente es la dirección unicast del nodo de transmisión de Ethernet. Sin embargo, existe un número creciente de protocolos virtuales en uso que utilizan y a veces comparten una dirección MAC origen específica para identificar la entidad virtual.

El campo Longitud/Tipo admite dos usos diferentes. Si el valor es menor a 1536 decimal, 0×600 (hexadecimal), entonces el valor indica la longitud. La interpretación de la longitud se utiliza cuando la Capa LLC proporciona la identificación del protocolo. El valor del tipo especifica el protocolo de capa superior que recibe los datos una vez que se ha completado el procesamiento de Ethernet. La longitud indica la cantidad de bytes de datos que sigue este campo.

Los Campos de datos y de relleno, de ser necesario, pueden tener cualquier longitud, mientras que la trama no exceda el tamaño máximo permitido de trama. La unidad máxima de transmisión (MTU) para Ethernet es de 1500 octetos, de modo que los datos no deben superar dicho tamaño. El contenido de este campo no está especificado. Se inserta un relleno no especificado inmediatamente después de los datos del usuario cuando no hay suficientes datos de usuario para que la trama cumpla con la longitud mínima especificada. Ethernet requiere que cada trama tenga entre 64 y 1518 octetos de longitud.

Una FCS contiene un valor de verificación CRC de 4 bytes, creado por el dispositivo emisor y recalculado por el dispositivo receptor para verificar la existencia de tramas dañadas. Ya que la corrupción de un solo bit en cualquier punto desde el inicio de la dirección destino hasta el extremo del campo de FCS hará que la checksum (suma de verificación) sea diferente, la cobertura de la FCS se auto-incluye. No es posible distinguir la corrupción de la FCS en sí y la corrupción de cualquier campo previo que se utilizó en el cálculo.

2 Operación de Ethernet

2.1 Control de acceso al medio (MAC)

MAC se refiere a los protocolos que determinan cuál de los computadores de un entorno de medios compartidos (dominio de colisión) puede transmitir los datos. La subcapa MAC, junto con la subcapa LLC, constituyen la versión IEEE de la Capa 2 del modelo OSI. Tanto MAC como LLC son subcapas de la Capa 2. Hay dos categorías amplias de Control de acceso al medio: determinística (por turnos) y la no determinística (el que primero llega, primero se sirve).

Ejemplos de protocolos determinísticos son: el Token Ring y el FDDI. En una red Token Ring, los host individuales se disponen en forma de anillo y un token de datos especial se transmite por el anillo a cada host en secuencia. Cuando un host desea transmitir, retiene el token, transmite los datos por un tiempo limitado y luego envía el token al siguiente host del anillo. El Token Ring es un entorno sin colisiones ya que sólo un host es capaz de transmitir a la vez.

Los protocolos MAC no determinísticos utilizan el enfoque de “el primero que llega, el primero que se sirve”. CSMA/CD es un sistema sencillo. La NIC espera la ausencia de señal en el medio y comienza a transmitir. Si dos nodos transmiten al mismo tiempo, se produce una colisión y ningún nodo podrá transmitir.

Las tres tecnologías comunes de Capa 2 son Token Ring, FDDI y Ethernet. Las tres especifican aspectos de la Capa 2, LLC, denominación, entramado y MAC, así como también los componentes de señalización y de medios de Capa 1. Las tecnologías específicas para cada una son las siguientes:

• Ethernet: topología de bus lógica (el flujo de información tiene lugar en un bus lineal) y en estrella o en estrella extendida física (cableada en forma de estrella)
• Token Ring: topología lógica de anillo (en otras palabras, el flujo de información se controla en forma de anillo) y una topología física en estrella (en otras palabras, está cableada en forma de estrella)
• FDDI: topología lógica de anillo (el flujo de información se controla en un anillo) y topología física de anillo doble (cableada en forma de anillo doble)

2.2 Reglas de MAC y detección de la colisión/postergación de la retransmissión

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

En el método de acceso CSMA/CD, los dispositivos de networking que tienen datos para transmitir funcionan en el modo “escuchar antes de transmitir”. Esto significa que cuando un nodo desea enviar datos, primero debe determinar si los medios de networking están ocupados. Si el nodo determina que la red está ocupada, el nodo esperará un tiempo determinado al azar antes de reintentar. Si el nodo determina que el medio de networking no está ocupado, comenzará a transmitir y a escuchar. El nodo escucha para asegurarse que ninguna otra estación transmita al mismo tiempo. Una vez que ha terminado de transmitir los datos, el dispositivo vuelve al modo de escuchar.

Los dispositivos de networking detectan que se ha producido una colisión cuando aumenta la amplitud de la señal en los medios de networking.

Cuando se produce una colisión, cada nodo que se encuentra en transmisión continúa transmitiendo por poco tiempo a fin de asegurar que todos los dispositivos detecten la colisión. Una vez que todos los dispositivos la han detectado, se invoca el algoritmo de postergación y la transmisión se interrumpe. Los nodos interrumpen la transmisión por un período determinado al azar, que es diferente para cada dispositivo. Cuando caduca el período de retardo cada nodo puede intentar ganar acceso al medio de networking. Los dispositivos involucrados en la colisión no tienen prioridad para transmitir datos.

2.3 Temporización de Ethernet

Las reglas y especificaciones básicas para el adecuado funcionamiento de Ethernet no son particularmente complicadas aunque algunas de las implementaciones más veloces de la capa física así se están volviendo. A pesar de su sencillez básica, cuando se produce un problema en Ethernet, a menudo resulta difícil determinar el origen. Debido a la arquitectura común en bus de Ethernet, también descrita como punto único de falla distribuido, el alcance del problema a menudo abarca a todos los dispositivos del dominio de colisión. En los casos en que se utilizan repetidores, esto puede incluir dispositivos separados hasta por cuatro segmentos.

Cualquier estación de una red Ethernet que desee trasmitir un mensaje, primero “escucha” para asegurar que ninguna otra estación se encuentre transmitiendo. Si el cable está en silencio, la estación comienza a transmitir de inmediato. La señal eléctrica tarda un tiempo en transportarse por el cable (retardo) y cada repetidor subsiguiente introduce una pequeña cantidad de latencia en el envío de la trama desde un puerto al siguiente. Debido al retardo y a la latencia, es posible que más de una estación comience a transmitir a la vez o casi al mismo tiempo. Esto produce una colisión.

Si la estación conectada opera en full duplex entonces la estación puede enviar y recibir de forma simultánea y no se deberían producir colisiones. Las operaciones en full-duplex también cambian las consideraciones de temporización y eliminan el concepto de la ranura temporal. La operación en full-duplex permite diseños de arquitectura de redes más grandes ya que se elimina la restricción en la temporización para la detección de colisiones.

En el modo half duplex, si se asume que no se produce una colisión, la estación transmisora enviará 64 bits de información de sincronización de tiempos que se conoce como preámbulo. La estación transmisora entonces transmitirá la siguiente información:

• Información de las direcciones MAC destino y origen.
• Otra información relacionada con el encabezado.
• Los datos
• La checksum (FCS) utilizada para asegurar que no se haya dañado el mensaje durante la transmisión.

Las estaciones que reciben la trama recalculan la FCS para determinar si el mensaje entrante es válido y luego envían los mensajes válidos a la siguiente capa superior de la pila del protocolo.

Las versiones de 10 Mbps y más lentas de Ethernet son asíncronas. Asíncrona significa que cada estación receptora utiliza los ocho octetos de la información de temporización para sincronizar el circuito receptor con los datos entrantes y luego los descarta. Las implementaciones de 100 Mbps y de mayor velocidad de Ethernet son síncronas. Síncrona significa que la información de temporización no es necesaria, sin embargo, por razones de compatibilidad, el Preámbulo y la SFD (Delimitador de Inicio de Trama) están presentes.

Para todas las velocidades de transmisión de Ethernet de 1000 Mbps o menos, el estándar describe la razón por la cual una transmisión no puede ser menor que la ranura temporal. La ranura temporal de la Ethernet de 10 y 100 Mbps es de 512 tiempos de bit o 64 octetos. La ranura temporal de la Ethernet de 1000 Mbps es de 4096 tiempos de bit o 512 octetos. La ranura temporal se calcula en base de las longitudes máximas de cable para la arquitectura de red legal de mayor tamaño. Todos los tiempos de retardo de propagación del hardware se encuentran al máximo permisible y se utiliza una señal de congestión de 32 bits cuando se detectan colisiones.

La ranura temporal real calculada es apenas mayor que la cantidad de tiempo teórica necesaria para realizar una transmisión entre los puntos de máxima separación de un dominio de colisión, colisionar con otra transmisión en el último instante posible y luego permitir que los fragmentos de la colisión regresen a la estación transmisora y sean detectados. Para que el sistema funcione, la primera estación debe enterarse de la colisión antes de terminar de enviar la trama legal de menor tamaño. Para que una Ethernet de 1000 Mbps pueda operar en half duplex, se agregó un campo de extensión al enviar tramas pequeñas con el sólo fin de mantener ocupado al transmisor el tiempo suficiente para que vuelva el fragmento de colisión. Este campo sólo se incluye en los enlaces en half-duplex de 1000 Mbps y permite que las tramas de menor tamaño duren el tiempo suficiente para satisfacer los requisitos de la ranura temporal. La estación receptora descarta los bits de extensión.

En Ethernet de 10 Mbps, un bit en la capa MAC requiere de 100 nanosegundos (ns) para ser transmitido. A 100 Mbps el mismo bit requiere de 10 ns para ser transmitido y a 1000 Mbps sólo requiere 1 ns. A menudo, se utiliza una estimación aproximada de 20,3 cm (8 in) por nanosegundo para calcular el retardo de propagación a lo largo de un cable UTP. En 100 metros de UTP, esto significa que tarda menos de 5 tiempos de bit para que una señal de 10BASE-T se transporte a lo largo del cable.

Para que Ethernet CSMA/CD opere, la estación transmisora debe reconocer la colisión antes de completar la transmisión de una trama del tamaño mínimo. A 100 Mbps, la temporización del sistema apenas es capaz de funcionar con cables de 100 metros. A 1000 Mbps, ajustes especiales son necesarios ya que se suele transmitir una trama completa del tamaño mínimo antes de que el primer bit alcance el extremo de los primeros 100 metros de cable UTP. Por este motivo, no se permite half duplex en la Ethernet de 10 Gigabits.

2.4 Espacio entre las tramas y postergación

El espacio mínimo entre dos tramas que no han sufrido una colisión recibe el nombre de espacio entre tramas. Se mide desde el último bit del campo de la FCS de la primera trama hasta el primer bit del preámbulo de la segunda trama.

Una vez enviada la trama, todas las estaciones de Ethernet de 10 Mbps deben esperar un mínimo de 96 tiempos de bit (9,6 microsegundos) antes de que cualquier estación pueda transmitir, de manera legal, la siguiente trama. En versiones de Ethernet más veloces, el espacio sigue siendo el mismo, 96 tiempos de bit, pero el tiempo que se requiere para dicho intervalo se vuelve proporcionalmente más corto. Este intervalo se conoce como separación. El propósito del intervalo es permitir que las estaciones lentas tengan tiempo para procesar la trama anterior y prepararse para la siguiente trama.

Se espera que un repetidor regenere los 64 bits completos de información de temporización, que es el preámbulo y la SFD, al inicio de cualquier trama. Esto a pesar de la pérdida potencial de algunos de los bits iniciales del preámbulo, debido a una sincronización lenta. Debido a esta reintroducción forzada de los bits de temporización, cierta reducción menor de la separación entre las tramas no sólo es posible sino que también esperada. Algunos chipsets de Ethernet son sensibles a un acortamiento del espacio entre las tramas y comienzan a dejar de ver las tramas a medida que se reduce la separación. Con el aumento del poder de procesamiento en el escritorio, resultaría muy sencillo para un computador personal saturar un segmento de Ethernet con tráfico y comenzar a transmitir nuevamente antes de que se cumpla el tiempo de retardo del espacio entre las tramas.

Una vez producida la colisión y que todas las estaciones permitan que el cable quede inactivo (cada una espera que se cumpla el intervalo completo entre las tramas), entonces, las estaciones que sufrieron la colisión deben esperar un período adicional y cada vez potencialmente mayor antes de intentar la retransmisión de la trama que sufrió la colisión. El período de espera está intencionalmente diseñado para que sea aleatorio de modo que dos estaciones no demoren la misma cantidad de tiempo antes de efectuar la retransmisión, lo que causaría colisiones adicionales. Esto se logra en parte al aumentar el intervalo a partir del cual se selecciona el tiempo de retransmisión aleatorio cada vez que se efectúa un intento de retransmisión. El período de espera se mide en incrementos de la ranura temporal del parámetro.

Si la capa MAC no puede enviar la trama después de dieciséis intentos, abandona el intento y genera un error en la capa de red. Tal episodio es verdaderamente raro y suele suceder sólo cuando se producen cargas en la red muy pesadas o cuando se produce un problema físico en la red.

2.5 Manejo de los errores

El estado de error más común en redes Ethernet son las colisiones. Las colisiones son el mecanismo para resolver la contención del acceso a la red. Unas pocas colisiones proporcionan una forma simple y sin problemas, que usa pocos recursos, para que los nodos de la red arbitren la contención para el recurso de red. Cuando la contención de la red se vuelve demasiado grave, las colisiones se convierten en un impedimento significativo para la operación útil de la red.

Las colisiones producen una pérdida del ancho de banda de la red equivalente a la transmisión inicial y a la señal de congestión de la colisión. Esto es una demora en el consumo y afecta a todos los nodos de la red causando posiblemente una significativa reducción en su rendimiento.

La mayoría de las colisiones se producen cerca del comienzo de la trama, a menudo, antes de la SFD. Las colisiones que se producen antes de la SFD generalmente no se informan a las capas superiores, como si no se produjeran. Tan pronto como se detecta una colisión, las estaciones transmisoras envían una señal de congestión de 32 bits que la impone. Esto se hace de manera que se corrompen por completo los datos transmitidos y todas las estaciones tienen la posibilidad de detectar la colisión.

En la Figura dos estaciones escuchan para asegurarse de que el cable esté inactivo, luego transmiten. La Estación 1 pudo transmitir un porcentaje significativo de la trama antes de que la señal alcanzara el último segmento del cable. La Estación 2 no había recibido el primer bit de la transmisión antes de iniciar su propia transmisión y sólo pudo enviar algunos bits antes de que la NIC detectara la colisión. De inmediato, la Estación 2 interrumpió la transmisión actual, la sustituyó con la señal de congestión de 32 bits y cesó todas sus transmisiones. Durante la colisión y el evento de congestión que la Estación 2 experimentaba, los fragmentos de la colisión iban en ruta por el dominio de colisiones repetido hacia la Estación 1. La Estación 2 completó la transmisión de la señal de congestión de 32 bits y quedó en silencio antes de que la colisión se propagara hacia la Estación 1, que todavía no sabía de la misma y continuaba transmitiendo. Finalmente, cuando los fragmentos de la colisión llegaron a la Estación 1, ésta cortó la transmisión en curso y sustituyó con la señal de congestión de 32 bits el resto de la trama que estaba transmitiendo. Luego de enviar la señal de congestión de 32 bits, la Estación 1 dejó de transmitir.

Una señal de congestión puede estar compuesta por cualquier dato binario siempre que no forme una checksum apropiada para la porción de la trama ya transmitida. El patrón de datos que se observa con mayor frecuencia para una señal de congestión es simplemente un patrón de uno, cero, uno, cero que se repite, al igual que el Preámbulo. Cuando se observa con un analizador de protocolos, este patrón aparece como una secuencia repetida de A ó 5 hexadecimales. Los mensajes corrompidos, transmitidos de forma parcial, generalmente se conocen como fragmentos de colisión o runts. Las colisiones normales tienen menos de 64 octetos de largo y, por lo tanto, reprueban tanto la prueba de longitud mínima como la prueba de la checksum de FCS.

2.6 Tipos de colisiones

Por lo general, las colisiones se producen cuando dos o más estaciones de Ethernet transmiten al mismo tiempo dentro de un dominio de colisión. Una colisión simple es una colisión que se detecta al tratar de transmitir una trama, pero en el siguiente intento es posible transmitir la trama con éxito. Las colisiones múltiples indican que la misma trama colisionó una y otra vez antes de ser transmitida con éxito. Los resultados de las colisiones, los fragmentos de colisión, son tramas parciales o corrompidas de menos de 64 octetos y que tienen una FCS inválida. Los tres tipos de colisiones son:

• Locales
• Remotas
• Tardías

Para crear una colisión local en un cable coaxial (10BASE2 y 10BASE5), la señal viaja por el cable hasta que encuentra una señal que proviene de la otra estación. Entonces, las formas de onda se superponen cancelando algunas partes de la señal y reforzando o duplicando otras. La duplicación de la señal empuja el nivel de voltaje de la señal más allá del máximo permitido. Esta condición de exceso de voltaje es, entonces, detectada por todas las estaciones en el segmento local del cable como una colisión.

El inicio de la forma de onda en la Figura contiene datos normales codificados en Manchester. Unos pocos ciclos dentro de la muestra, la amplitud de onda se duplica. Este es el inicio de la colisión, donde las dos formas de onda se superponen. Justo antes de la finalización de la muestra, la amplitud se vuelve normal. Esto sucede cuando la primera estación que detecta la colisión deja de transmitir y cuando todavía se observa la señal de congestión proveniente de la segunda estación que ha sufrido la colisión.

En el cable UTP, como por ejemplo 10BASE-T, 100BASE-TX y 1000BASE-T, la colisión se detecta en el segmento local sólo cuando una estación detecta una señal en el par de recepción (RX) al mismo tiempo que está enviando una señal en el par de transmisión (TX). Como las dos señales se encuentran en pares diferentes, no se produce un cambio en la característica de la señal. Las colisiones se reconocen en UTP sólo cuando la estación opera en half duplex. La única diferencia funcional entre la operación en half duplex y full duplex en este aspecto es si es posible o no que los pares de transmisión y de recepción se utilicen al mismo tiempo. Si la estación no participa en la transmisión, no puede detectar una colisión local. Por otra parte, una falla en el cable, como por ejemplo una diafonía excesiva, puede hacer que una estación perciba su propia transmisión como si fuera una colisión local.

Las características de una colisión remota son una trama que mide menos que la longitud mínima, tiene una checksum de FCS inválida, pero no muestra el síntoma de colisión local del exceso de voltaje o actividad de transmisión/recepción simultánea. Este tipo de colisión generalmente es el resultado de colisiones que se producen en el extremo lejano de una conexión con repetidores. El repetidor no envía un estado de exceso de voltaje y no puede hacer que una estación tenga ambos pares de transmisión y de recepción activos al mismo tiempo. La estación tendría que estar transmitiendo para que ambos pares estén activos y esto constituiría una colisión local. En las redes de UTP este es el tipo más común de colisión que se observa.

No hay posibilidad de que se produzca una colisión normal o legal después de que las estaciones transmitan los primeros 64 octetos de datos. Las colisiones que se producen después de los primeros 64 octetos reciben el nombre de “colisiones tardías”. La diferencia más importante entre las colisiones tardías y las colisiones que se producen antes de los primeros 64 octetos radica en que la NIC de Ethernet retransmitirá de forma automática una trama que ha sufrido una colisión normal, pero no retransmitirá automáticamente una trama que ha sufrido una colisión tardía. En lo que respecta a la NIC, todo salió bien y las capas superiores de la pila del protocolo deben determinar si se perdió la trama. A diferencia de la retransmisión, una estación que detecta una colisión tardía la maneja de la misma forma que si fuera una colisión normal.

2.7 Errores de Ethernet

El conocimiento de los errores típicos es invaluable para entender tanto la operación como la detección de fallas de las redes Ethernet.

Las siguientes son las fuentes de error de Ethernet.

• Colisión o runt: Transmisión simultánea que se produce antes de haber transcurrido la ranura temporal.
• Colisión tardía: Transmisión simultánea que se produce después de haber transcurrido la ranura temporal.
• Errores de intervalo, trama larga, jabber: Transmisión excesiva o ilegalmente larga.
• Trama corta, fragmento de colisión o runt: Transmisión ilegalmente corta.
• Error de FCS: Transmisión dañada
• Error de alineamiento: Número insuficiente o excesivo de bits transmitidos.
• Error de intervalo: El número real y el informado de octetos en una trama no concuerda.
• Fantasma o jabber: Preámbulo inusualmente largo o evento de congestión.

Mientras las colisiones locales o remotas se consideran parte normal de la operación de Ethernet, las colisiones tardías son un error. La presencia de errores en una red siempre sugiere la necesidad de una mayor investigación. La gravedad del problema indica la urgencia de la detección de la falla relativa a los errores detectados. Algunos errores detectados en varios minutos u horas suele ser una prioridad baja. Miles detectados en pocos minutos sugieren que se requiere atención urgente.

El estándar 802.3, en varios lugares, define al jabber como una transmisión de al menos 20.000 a 50.000 tiempos de bit de duración. Sin embargo, la mayoría de las herramientas de diagnóstico informan de la presencia de jabber siempre que se detecta una transmisión que excede el tamaño máximo legal de la trama, que es considerablemente menor a 20.000 a 50.000 tiempos de bit. La mayoría de las referencias al jabber, realmente se deben llamar tramas largas.

Una trama larga es una trama de longitud mayor al tamaño máximo legal y que tiene en cuenta si la trama está rotulada o no. No toma en cuenta si la trama tiene una checksum de FCS válida o no. En general, este error significa que se detectó jabber en la red.

Una trama corta es una trama de longitud menor al tamaño mínimo legal de 64 octetos, con una secuencia de verificación de trama correcta. Algunos analizadores de protocolos y monitores de red llaman a estas tramas “runts”. Por lo general, la presencia de tramas cortas no significa que la red esté fallando.

El término runt es generalmente un término coloquial (en Inglés) impreciso que significa algo menor al tamaño legal de la trama. Puede referirse a las tramas cortas con una checksum de FCS válida aunque, en general, se refiere a los fragmentos de colisión.

2.8 FCS y más allá

Una trama recibida que tiene una Secuencia de verificación de trama incorrecta, también conocido como error de CRC o de checksum, difiere de la transmisión original en al menos un bit. En una trama con error de FCS, es probable que la información del encabezado sea correcta, pero la checksum que calcula la estación receptora no concuerda con la checksum que adjunta la estación transmisora al extremo de la trama. Por lo tanto, se descarta la trama.

Una gran cantidad de errores FCS provenientes de una sola estación indican, por lo general, una NIC defectuosa y/o falla o corrupción en los controladores del software, o un cable defectuoso que conecta esa estación a la red. Si los errores FCS están asociados con muchas estaciones, por lo general, pueden rastrearse a la presencia de un cableado defectuoso, una versión defectuosa del controlador de la NIC, un puerto de hub defectuoso o a ruido inducido en el sistema de cables.

Un mensaje que no termina en un límite de octeto se conoce como error de alineamiento. En lugar del número correcto de bits binarios que forman agrupaciones completas de octetos, hay bits adicionales que sobran (menos de ocho). Una trama así se trunca en el límite del octeto más cercano, y si la checksum de FCS falla, entonces, se informa un error de alineamiento. Esto es causado a menudo por controladores de software dañados, o una colisión, y con frecuencia viene acompañado por una falla de la checksum de FCS.

Una trama con un valor válido en el campo “longitud” pero que no concuerda con el número real de octetos contabilizados en el campo de datos de la trama recibida recibe el nombre de error de rango. Este error también aparece cuando el valor del campo de longitud es menor que el tamaño mínimo legal sin relleno para el campo de datos. Un error, similar, Fuera de rango, se informa cuando el valor del campo “longitud” indica que el tamaño de los datos es demasiado grande para ser legal.

Fluke Networks ha acuñado el término fantasma para referirse a la energía (ruido) que se detecta en el cable y que parece ser una trama, pero que carece de un SFD válido. Para ser considerada fantasma, la trama debe tener una longitud de al menos 72 octetos, incluyendo el preámbulo. De lo contrario, se clasifica como colisión remota. Debido a la naturaleza peculiar de los fantasmas, cabe notar que los resultados de las pruebas dependen en gran medida del lugar donde se efectuó la medición del segmento.

Las mallas a tierra y otros problemas de cableado son normalmente la causa de los fantasmas. La mayoría de las herramientas de monitoreo de la red no reconocen la existencia de fantasmas por la misma razón que no reconocen las colisiones de los preámbulos. Las herramientas confían completamente en lo que el chipset les dice. Los analizadores de protocolo basados en software, muchos analizadores de protocolos basados en hardware, las herramientas de diagnóstico manuales así como la mayoría de las sondas de monitoreo remoto (RMON) no informan de estos eventos.

2.9 Auto-negociación de Ethernet

Al crecer Ethernet de 10 a 100 y 1000 Mbps, fue necesario hacer que cada tecnología pudiera operar con las demás, al punto que las interfaces de 10, 100 y 1000 pudieran conectarse directamente. Se desarrolló un proceso que recibe el nombre de Auto-negociación de las velocidades en half duplex o en full duplex. Específicamente, en el momento en que se introdujo Fast Ethernet, el estándar incluía un método para configurar de forma automática una interfaz dada para que concordara con la velocidad y capacidades de la interfaz en el otro extremo del enlace. Este proceso define cómo las interfaces en los extremos del enlace pueden negociar de forma automática una configuración ofreciendo el mejor nivel de rendimiento común. Presenta la ventaja adicional de involucrar sólo la parte inferior de la capa física.

La 10BASE-T requirió que cada estación transmitiera un pulso de enlace aproximadamente cada 16 milisegundos, siempre que la estación no estuviera transmitiendo un mensaje. La Auto-Negociación adoptó esta señal y la redenominó Pulso de enlace normal (NLP). Cuando se envía una serie de NLP en un grupo con el propósito de Auto-Negociación, el grupo recibe el nombre de ráfaga de Pulso de enlace rápido (FLP). Cada ráfaga de FLP se envía a los mismos intervalos que un NLP y tiene como objetivo permitir que los antiguos dispositivos de 10BASE-T operen normalmente en caso de que reciban una ráfaga de FLP.

La Auto-Negociación se logra al transmitir una ráfaga de Pulsos de Enlace de 10BASE-T desde cada uno de los dos extremos del enlace. La ráfaga comunica las capacidades de la estación transmisora al otro extremo del enlace. Una vez que ambas estaciones han interpretado qué ofrece el otro extremo, ambas cambian a la configuración común de mayor rendimiento y establecen un enlace a dicha velocidad. Si algo interrumpe la comunicación y se pierde el enlace, los dos socios intentan conectarse nuevamente a la velocidad de la última negociación. Si esto falla o si ha pasado demasiado tiempo desde que se perdió el enlace, el proceso de Auto-Negociación comienza de nuevo. Es posible que se pierda el enlace debido a influencias externas tales como una falla en el cable o la emisión de una reconfiguración por uno de los socios.

2.10 Establecimiento del enlace y full duplex y half duplex

Los extremos del enlace pueden saltar el ofrecimiento de las configuraciones a las que pueden operar. Esto permite que el administrador de la red fuerce que los puertos operen a una velocidad seleccionada y a una configuración duplex, sin deshabilitar la Auto-Negociación.

La Auto-Negociación es optativa para la mayoría de las implementaciones de Ethernet. Gigabit Ethernet requiere de su implementación aunque el usuario puede deshabilitarla. Originalmente, la Auto-Negociación se definió para las implementaciones de UTP de Ethernet y se extendió para trabajar con otras implementaciones de fibra óptica.

Cuando una estación Auto-Negociadora realiza un primer intento de enlace, debe habilitarse a 100BASE-TX para que intente establecer un enlace de inmediato. Si la señalización de la 100BASE-TX está presente y la estación admite 100BASE-TX, intentará establecer un enlace sin negociación. Si la señalización produce el enlace o se transmiten las ráfagas de FLP, la estación procederá con dicha tecnología. Si el otro extremo del enlace no ofrece una ráfaga de FLP, pero a cambio, ofrece NLP, entonces el dispositivo supone automáticamente que es una estación 10BASE-T. Durante este intervalo inicial de prueba para otras tecnologías, la ruta de transmisión envía ráfagas de FLP. El estándar no permite la detección paralela de ninguna otra tecnología.

Si se establece un enlace a través de la detección paralela, se requiere una conexión en half duplex. Son dos los métodos para lograr un enlace en full-duplex. Uno es a través de un ciclo de Auto-Negociación completo y el otro es forzar administrativamente a que ambos extremos del enlace realicen una conexión en full duplex. Si se fuerza a un extremo del enlace a conectarse en full duplex, pero el otro extremo intenta Auto-Negociar, entonces seguramente se producirá una falta de concordancia en el duplex. Se producirán colisiones y errores en ese enlace. Además, si se fuerza a un extremo a una conexión en full duplex, el otro también debe ser forzado. La excepción es Ethernet de 10 Gigabits que no admite la conexión en half duplex.

Muchos proveedores implementan hardware de forma tal que va intentando los distintos estados posibles de forma cíclica. Transmite ráfagas de FLP para Auto-Negociar por unos momentos, luego se configura para la Fast Ethernet, intenta enlazarse por unos instantes y luego sólo escucha. Algunos proveedores no ofrecen ningún intento para enlazarse hasta que la interfaz primero escucha una ráfaga de FLP o algún otro esquema de señalización.

Son dos las modalidades de duplex, half y full. Para los medios compartidos, el modo half-duplex es obligatorio. Todas las implementaciones en cable coaxial son half-duplex por naturaleza y no pueden operar en full duplex. Las implementaciones en UTP y fibra pueden operar en half duplex. Las implementaciones de 10 Gbps se especifican sólo para full duplex.

En half duplex, sólo una estación puede transmitir a la vez. En las implementaciones en coaxial, una transmisión desde una segunda estación hará que las señales se superpongan y se corrompan. Como el UTP y la fibra, por lo general, transmiten por pares distintos, las señales no tienen oportunidad de superponerse o dañarse. Ethernet ha establecido las reglas de arbitraje para resolver los conflictos que surgen cuando más de una estación intenta transmitir al mismo tiempo. Se permite que dos estaciones de un enlace full-duplex punto a punto transmitan en cualquier momento, independientemente de si la otra estación está transmitiendo.

La Auto-Negociación evita la mayoría de las situaciones donde una estación de un enlace punto a punto transmite de acuerdo a las reglas de half-duplex y la otra de acuerdo a las reglas de full-duplex.

En el caso en que los socios del enlace sean capaces de compartir más de una tecnología en común, consulte la lista de la Figura . Esta lista se utiliza para determinar la tecnología se debe elegir entre las configuraciones ofrecidas.

Las implementaciones de Ethernet en fibra óptica no se incluyen en esta lista de resolución de prioridades porque la electrónica y la óptica de la interfaz no permiten una fácil configuración entre las implementaciones. Se supone que la configuración de la interfaz es fija. Si las dos interfaces pueden Auto-Negociar, entonces, ya utilizan la misma implementación de Ethernet. Sin embargo, todavía quedan varias opciones de configuración que tiene que determinarse, tales como el ajuste del duplex o cuál es la estación que actuará como Master a los fines de sincronización.

Resumen

Se debe haber obtenido una comprensión adecuada de los siguientes

puntos clave:

• Principios básicos de la tecnología de Ethernet.
• Reglas de denominación para la tecnología de Ethernet.
• Cómo interactúan Ethernet y el modelo OSI.
• Proceso de entramado de Ethernet y estructura de la trama.
• Denominaciones de los campos de Ethernet y su propósito.
• Características y función del CSMA/CD
• Temporización de Ethernet
• Espacio entre las tramas.
• Algoritmo de postergación y tiempo posterior a una colisión.
• Errores de Ethernet y colisiones.
• Auto-negociación en relación a la velocidad y duplex

3 Tecnologias de Ethernet

3.1 Descripción general

Ethernet ha sido la tecnología LAN de mayor éxito, en gran medida, debido a la simplicidad de su implementación, cuando se la compara con otras tecnologías. Ethernet también ha tenido éxito porque es una tecnología flexible que ha evolucionado para satisfacer las cambiantes necesidades y capacidades de los medios: Este módulo presenta los datos específicos de los tipos más importantes de Ethernet. El objetivo no es transmitir todos los hechos acerca de cada tipo de Ethernet sino desarrollar el sentido de lo que es común a todas las formas de 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.

En estas versiones más rápidas de Ethernet, el direccionamiento MAC, CSMA/CD y el formato de trama no han sufrido cambios respecto de versiones anteriores de Ethernet. Sin embargo, otros aspectos de la subcapa MAC, la capa física y el medio han cambiado. Las tarjetas de interfaz de red (NIC) con base de cobre capaces de operar a 10/100/1000 están ahora entre las más comunes. Los switches y los routers con puertos de Gigabit se están convirtiendo en el estándar para los armarios de cableado. El uso de la fibra óptica que admite Gigabit Ethernet se considera un estándar para el cableado backbone en la mayoría de las instalaciones nuevas.

Los estudiantes que completen este módulo deberán poder:

• Describir las similitudes y diferencias entre las Ethernet 10BASE5, 10BASE2 y 10BASE-T.
• Definir la codificación de Manchester.
• Nombrar los factores que afectan los límites de temporización de Ethernet.
• Nombrar los parámetros de cableado 10BASE-T.
• Describir las características y tipos principales de Ethernet de 100 Mbps.
• Describir la evolución de Ethernet.
• Explicar los métodos MAC, los formatos de trama y el proceso de transmisión de Gigabit Ethernet.
• Describir los usos de los medios y la codificación específicos en Gigabit Ethernet.
• Identificar las salidas de pin y el cableado, típicos de las distintas implementaciones de Gigabit Ethernet.
• Describir las similitudes y diferencias entre Gigabit Ethernet y Ethernet de 10 Gigabits.
• Describir las consideraciones arquitectónicas básicas de Gigabit Ethernet y Ethernet de 10 Gigabits.

3.2 Ethernet de 10-Mbps

Las Ethernet de 10BASE5, 10BASE2 y 10BASE-T se consideran implementaciones antiguas de Ethernet. Las cuatro características comunes de Ethernet antigua son los parámetros de temporización, el formato de trama, el proceso de transmisión y una regla básica de diseño.

En la figura se muestran los parámetros de operación para Ethernet de 10 Mbps. Ethernet de 10 Mbps y versiones mas lentas son asíncronas. Cada estación receptora usa ocho octetos de información de temporización para sincronizar sus circuitos receptores a la data que entra. Las 10BASE5, 10BASE2 y 10BASE-T todas comparten los mismos parámetros de temporización.Por ejemplo, 1 tiempo de bit a 10 Mbps = 100 nanosegundos = 0,1 µicrosegundos = 1 diez millonésima parte de un segundo.Esto significa que en una red Ethernet de 10 Mbps, 1 bit en la subcapa MAC requiere de 100 nseg para ser transmitido.

Para todas las velocidades de transmisión Ethernet igual o por debajo de 1000 Mbps, la transmisión no debe ser menor al margen de tiempo “Slot time”. El margen de tiempo es apenas mayor al tiempo, que en teoría, le tomaría a una transmisión desde un extremo de la red llegar hasta el otro extremo ubicado a la máxima distancia legal posible de un dominio de colisión Ethernet, colisionar con otra transmisión en el último instante posible, y regrasar al origen como fragmentos de la colisión para su detección.

El proceso de transmisión anterior de Ethernet es idéntico hasta la parte inferior de la capa física OSI. Los datos de la trama de Capa 2 se convierten de números hexadecimales a números binarios. A medida que la trama pasa de la subcapa MAC a la capa física, se llevan a cabo procesos adicionales antes de que los bits se trasladen desde la capa física al medio. Un proceso de importancia es la señal de error de calidad de señal (Signal Quality Error, SQE). La SQE es una transmisión del transceptor de respuesta al controlador para indicarle sobre la funcionabilidad de los circuitos de detección de colisiones. La SQE es conocida como “latido de corazón”. La señal SQE fue diseñada para corregir el problema en versiones anteriores de Ethernet, en las cuales el host desconocía si el transceptor estaba conectado. El SQE siempre se utiliza en half-duplex. Es posible utilizar el SQE en una operación en full-duplex pero no es necesario. El SQE está activo en la siguientes instancias:

• Dentro de los 4 a los 8 microsegundos después de una transmisión normal para indicar que se transmitió con éxito la trama saliente.
• Siempre que haya colisión en el medio.
• Siempre que haya una señal inadecuada en el medio, o las reflexiones causadas por un corto en el cable.
• Siempre que se haya interrumpido una transmisión.

Todas las formas de Ethernet de 10 Mbps toman octetos recibidos de la subcapa MAC y realizan un proceso denominado codificación de la línea. La codificación de la línea describe de qué manera los bits se transforman en señal en el cable. Las codificaciones más sencillas tienen una temporización y características eléctricas no recomendables. Por lo tanto, los códigos de línea se han diseñado para tener propiedades de transmisión recomendables. Esta forma de codificación utilizada en los sistemas de 10 Mbps se denomina codificación Manchester.

La codificación Manchester se basa en la dirección de la transición de borde en la mitad de la ventana de temporización para determinar el valor binario para dicho período de bits. La forma de la onda superior tiene un borde que cae, así se interpreta como 0. La segunda forma de onda muestra un borde ascendente que se interpreta como 1. En la tercera forma de onda, se da una secuencia binaria alternada. Con los datos binarios alternados, no hay necesidad de volver al nivel de voltaje previo. Como se puede observar en la tercera y cuarta forma de onda del gráfico, los valores binarios de bits están indicados por la dirección del cambio durante un período de bits dado. Los niveles de voltaje de la forma de la onda al comienzo o fin de cualquier período de bits no son factores al determinar valores binarios.

Ethernet antigua tiene características de arquitectura comunes. En general, las redes contienen varios tipos de medios. El estándar asegura que se mantenga la interoperabilidad. El diseño arquitectónico general es de suma importancia a la hora de implementar una red de medios mixtos. Resulta más fácil violar los límites máximos de retardo a medida que la red crece. Los límites de temporización se basan en parámetros tales como:

• La longitud del cable y su retardo de propagación.
• El retardo de los repetidores.
• El retardo de los transceptores.
• El acortamiento del intervalo entre las tramas.
• Los retardos dentro de la estación.

Ethernet de 10-Mbps opera dentro de los límites de temporización ofrecidos por una serie de no más de cinco segmentos, separados por no más de cuatro repetidores. Esto se conoce como la regla de 5–4−3. No se pueden conectar más de cuatro repetidores en serie entre dos estaciones lejanas. Además, no puede haber más de tres segmentos poblados entre dos estaciones lejanas.

3.3 10BASE5

El producto original para Ethernet del año 1980, 10BASE5 transmitía 10 Mbps a través de un solo cable bus coaxial grueso. 10BASE5 es importante porque fue el primer medio que se utilizó para Ethernet. 10BASE5 formaba parte del estándar original 802.3. El principal beneficio de 10BASE5 era su longitud. En la actualidad, puede hallarse en las instalaciones antiguas, pero no se recomienda para las instalaciones nuevas. Los sistemas 10BASE5 son económicos y no requieren de configuración, pero componentes básicos tales como las NIC son muy difíciles de encontrar así como el hecho de que es sensible a las reflexiones de señal en el cable. Los sistemas 10BASE5 también representan un único punto de falla.

10BASE5 hace uso de la codificación Manchester. Tiene un conductor central sólido. Cada uno de los cinco segmentos máximos de coaxial grueso puede medir hasta 500 m (1640,4 pies) de largo. El cable es grueso, pesado y difícil de instalar. Sin embargo, las limitaciones de distancia eran favorables y esto prolongó su uso en ciertas aplicaciones.

Debido a que el medio es un solo cable coaxial, solamente una estación puede transmitir al mismo tiempo, de lo contrario, se produce una colisión. Por lo tanto, 10BASE5 sólo transmite en half-duplex produciendo un máximo de 10 Mbps de transferencia de datos.

La Figura ilustra una posible configuración para un máximo dominio de colisión de punta a punta. Entre dos estaciones lejanas cualesquiera, sólo se permite que tres segmentos repetidos tengan estaciones conectadas, usando los otros dos segmentos repetidos solamente como segmentos de enlace para extender la red.

3.4 10BASE2

La tecnología 10BASE2 se introdujo en 1985. La instalación fue más sencilla debido a su menor tamaño y peso, y por su mayor flexibilidad. Todavía existen en redes de este tipo, como 10BASE5, la cual no es recomendable para la instalación de redes hoy en día. Tiene un costo bajo y carece de la necesidad de hubs. Además, las NIC son difíciles de conseguir para este medio.

10BASE2 usa la codificación Manchester también. Los computadores en la LAN se conectaban entre sí con una serie de tendidos de cable coaxial sin interrupciones. Se usaban conectores BNC para unir estos tendidos a un conector en forma de T en la NIC.

10BASE2 tiene un conductor central trenzado. Cada uno de los cinco segmentos máximos de cable coaxial delgado puede tener hasta 185 metros de longitud y cada estación se conecta directamente al conector BNC con forma de “T” del cable coaxial.

Sólo una estación puede transmitir a la vez, de lo contrario, se produce una colisión. 10BASE2 también usa half-duplex. La máxima velocidad de transmisión de 10BASE2 es de 10 Mbps.

Puede haber hasta 30 estaciones en cada segmento individual de 10BASE2. De los cinco segmentos consecutivos en serie que se encuentran entre dos estaciones lejanas, sólo tres pueden tener estaciones conectadas.

3.5 10BASE-T

10BASE-T fue introducido en 1990. 10BASE-T utilizaba cable de cobre (UTP) de par trenzado, no blindado de Categoría 3 que era más económico y más fácil de usar que el cable coaxial. Este cable se conectaba a un dispositivo de conexión central que contenía el bus compartido. Este dispositivo era un hub. Se encontraba en el centro de un conjunto de cables que partían hacia los PC, como los radios que parten desde el centro de una rueda. Esto se conoce como topología en estrella. Las distancias que los cables podían cubrir desde el hub y la ruta que se seguía al instalar los UTP comenzaron a utilizar, cada vez más, estrellas compuestas por estrellas: estructura que recibió el nombre de topología en estrella extendida. Al principio, 10BASE-T era un protocolo half-duplex pero más tarde se agregaron características de full-duplex. La explosión de popularidad de Ethernet desde mediados hasta fines de los 90 se produjo cuando Ethernet comenzó a dominar la tecnología de LAN.

10BASE-T usa la codificación Manchester también. Un cable UTP para 10BASE-T tiene un conductor sólido para cada hilo en un cable horizontal con una longitud máxima de 90 metros. El cable UTP utiliza conectores RJ-45 de ocho pins. Aunque el cable de Categoría 3 es apto para uso en redes de 10BASE-T, se recomienda que cualquier nueva instalación de cables se realice con cables de Categoría 5e o superior. Los cuatro pares de hilos deberían utilizarse ya sea con la disposición de salida de los pins del cable T568-A o bien la T568-B. Este tipo de instalación de cables admite el uso de protocolos múltiples sin necesidad de volver a cablear. La Figura muestra la disposición de la salida de los pins para una conexión 10BASE-T. El par transmisor del lado receptor se conecta al par receptor del dispositivo conectado.

Half duplex o full duplex es la elección de configuración. 10BASE-T transporta 10 Mbps de tráfico en modo half-duplex y 20 Mbps en modo full-duplex.

3.6 Cableado y arquitectura de 10BASE-T

Los enlaces de 10BASE-T generalmente consisten en una conexión entre la estación y un hub o switch. Los hubs son repetidores multipuertos y cuentan en el número límite de repetidores entre las estaciones lejanas. Los hubs no dividen los segmentos de la red en distintos dominios de colisión. Como los hubs o repetidores solamente extienden la longitud de una red dentro de un solo dominio de colisión, existe un límite respecto de cuántos hubs pueden ser utilizados en dicho segmento. Los puentes y los switches dividen un segmento en dominios de colisión individuales, dejando que las limitaciones de los medios determinen la distancia entre los switches. 10BASE-T limita la distancia entre los switches a 100 m (328 pies).

Aunque los hubs pueden estar enlazados, es recomendable evitar esta disposición. Esto contribuye a evitar que se exceda el límite de retardo máximo entre las estaciones lejanas. Cuando se requiera del uso de múltiples hubs, es recomendable organizarlos de forma jerárquica, para así crear una estructura en forma de árbol. Mejorará el rendimiento si pocos repetidores separan las estaciones.

La Figura muestra un ejemplo de arquitectura. Son aceptables todas las distancias entre las estaciones. Sin embargo, la distancia total desde un extremo de la red hasta el otro lleva la arquitectura al límite. El aspecto más importante a considerar es cómo mantener el retardo entre las estaciones lejanas al mínimo, independientemente de la arquitectura y los tipos de medios utilizados. Un retardo máximo más corto brinda un mejor rendimiento general.

Los enlaces de 10BASE-T pueden tener distancias sin repetición de hasta 100 m. Aunque esta pueda parecer una distancia larga, por lo general se ve maximizada al cablear un edificio real. Los hubs pueden solucionar el problema de la distancia pero permiten que se propaguen las colisiones. La introducción difundida de los switches ha hecho que la limitación de la distancia resulte menos importante. Siempre que las estaciones de trabajo se encuentren dentro de unos 100 m de distancia del switch, esta distancia de 100 m comienza nuevamente a partir del switch.

3.7 Ethernet de 100-Mbps

Ethernet de 100-Mbps también se conoce como Fast Ethernet (Ethernet Rápida). Las dos tecnologías que han adquirido relevancia son 100BASE-TX, que es un medio UTP de cobre y 100BASE-FX, que es un medio multimodo de fibra óptica.

Tres características comunes a 100BASE-TX y a 100BASE-FX son los parámetros de temporización, el formato de trama y algunas partes del proceso de transmisión. Tanto 100BASE-TX como 100BASE-FX comparten los parámetros de temporización. Tenga en cuenta que un tiempo de bit a 100-Mbps = 10 nseg = 0,01 microsegundos = 1 100-millonésima parte de un segundo.

El formato de trama de 100-Mbps es el mismo que el de la trama de 10-Mbps.

Fast Ethernet representa un aumento de 10 veces en la velocidad respecto de 10BASE-T. Debido al aumento de velocidad, se debe tener mayor cuidado porque los bits enviados se acortan en duración y se producen con mayor frecuencia. Estas señales de frecuencia más alta son más susceptibles al ruido. Para responder a estos problemas, Ethernet de 100-Mbps utiliza dos distintos pasos de codificación. La primera parte de la codificación utiliza una técnica denominada 4B/5B, la segunda parte es la codificación real de la línea específica para el cobre o la fibra.

3.8 100BASE-TX

En 1995, 100BASE-TX con un cable UTP Cat 5 fue el estándar que se convirtió en un éxito comercial.

Ethernet coaxial original utilizaba transmisión en half-duplex de modo que sólo un dispositivo podía transmitir a la vez. Sin embargo, en 1997, Ethernet se expandió para incluir capacidad de full duplex permitiendo que más de un PC transmitiera al mismo tiempo en una red. Cada vez más, los switches reemplazaban los hubs. Estos switches tenían la capacidad de transmitir en full duplex y de manejar rápidamente las tramas de Ethernet.

100BASE-TX usa codificación 4B/5B, que luego es mezclada y convertida a 3 niveles de transmisión multinivel o MLT-3. En el ejemplo, la ventana resaltada muestra cuatro ejemplos de forma de onda. La forma de la onda superior no presenta transición en el centro de la ventana de temporización. La ausencia de una transición indica que el binario 0 está presente. La segunda forma de onda presenta una transición en el centro de la ventana de temporización. La transición representa el binario 1. La tercera forma de onda muestra una secuencia binaria alternada. La ausencia de una transición binaria indica un binario 0 y la presencia de una transición indica un binario 1. Bordes ascendentes o descendentes indican unos. Cambios de señal muy pronunciados indican unos. Toda línea horizontal detectable en la señal indica un 0.

La Figura muestra la disposición de la salida de los pins para una conexión 100BASE-TX. Tenga en cuenta que existen dos diferentes rutas de transmisión-recepción. Esto es igual que en la configuración de 10BASE-T.

100BASE-TX transporta 100 Mbps de tráfico en modo half-duplex. En modo full-duplex, 100BASE-TX puede intercambiar 200 Mbps de tráfico. El concepto de full duplex se hace cada vez más importante a medida que aumentan las velocidades de Ethernet.

3.9 100BASE-FX

En el momento en que se introdujo Fast Ethernet con base de cobre, también se deseaba una versión en fibra. Una versión en fibra podría ser utilizada para aplicaciones con backbones, conexiones entre distintos pisos y edificios donde el cobre es menos aconsejable y también en entornos de gran ruido. Se introdujo 100BASE-FX para satisfacer esa necesidad. Sin embargo, nunca se adoptó con éxito la 100BASE-FX. Esto se debió a la oportuna introducción de los estándares de fibra y de cobre para Gigabit Ethernet. Los estándares para Gigabit Ethernet son, en estos momentos, la tecnología dominante en instalaciones de backbone, conexiones cruzadas de alta velocidad y necesidades generales de infraestructura.

La temporización, el formato de trama y la transmisión son todos comunes a ambas versiones de Fast Ethernet de 100 Mbps . 100BASE-FX también utiliza la codificación 4B/5B. En la Figura note la forma de onda resaltada en el ejemplo. La forma de onda superior no presenta transición, lo que indica la presencia de un binario 0. La segunda forma de la onda muestra una transición en el centro de la ventana de temporización. La transición representa el binario 1. En la tercera forma de onda hay una secuencia binaria alternada. En este ejemplo, resulta más obvio que la ausencia de una transición indica un binario 0 y la presencia de una transición, un binario 1.

La Figura resume un enlace y las salidas de pins para 100BASE-FX. El par de fibra con conectores ST o SC es el que se utiliza más comúnmente.

La transmisión a 200 Mbps es posible debido a las rutas individuales de Transmisión (Tx) y Recepción (Rx) de fibra óptica de 100BASE-FX.

3.10 Arquitectura de la Fast Ethernet

Los enlaces de Fast Ethernet generalmente consisten en una conexión entre la estación y el hub o switch. Los hubs se consideran repetidores multipuerto y los switches, puentes multipuerto. Estos están sujetos a la limitación de 100 m de distancia de los medios UTP.

Un repetidor Clase 1 puede introducir hasta 140 tiempos de bit de latencia. Todo repetidor que cambie entre una implementación de Ethernet y otra es un repetidor Clase 1. Un repetidor Clase II está restringido a menores retardos, 92 tiempos de bit, debido a que inmediatamente repite la señal entrante al resto de los puertos sin proceso de translación. Para lograr menor latencia, los repetidores Clase II deben conectarse a tipos de segmentos que usen la misma técnica de señalización.

Tal como sucede con las versiones de 10 Mbps, es posible modificar algunas de las reglas de arquitectura para las versiones de 100 Mbps. Sin embargo, no se permite casi ningún retardo adicional. La modificación de las reglas de arquitectura para 100BASE-TX no es recomendable. El cable para 100BASE-TX entre repetidores Clase II no puede superar los 5 metros. Con frecuencia se encuentran enlaces en Fast Ethernet que operan en half duplex. Sin embargo, no se recomienda el half duplex porque el esquema de señalización en sí es full duplex.

La Figura muestra las distancias de cable de la configuración arquitectónica. Los enlaces de 100BASE-TX pueden tener distancias sin repetición de hasta 100 m. El amplio uso de switches ha hecho que las limitaciones de distancia sean menos importantes. Como la mayoría de Fast Ethernet está conmutada, estos representan los límites prácticos entre los dispositivos.

4 Ethernet Gigabit y 10-Gigabit

4.1 Ethernet de 1000-Mbps

Los estándares para Ethernet de 1000-Mbps o Gigabit Ethernet representan la transmisión a través de medios ópticos y de cobre. El estándar para 1000BASE-X, IEEE 802.3z, especifica una conexión full duplex de 1 Gbps en fibra óptica.. El estándar para 1000BASE-T, IEEE 802.3ab, especifica el uso de cable de cobre balanceado de Categoría 5, o mejor.

Las 1000BASE-TX, 1000BASE-SX y 1000BASE-LX utilizan los mismos parámetros de temporización, como muestra la Figura . Utilizan un tiempo de bit de 1 nanosegundo (0,000000001 segundos) o 1 mil millonésima parte de un segundo. La trama de Gigabit Ethernet presenta el mismo formato que se utiliza en Ethernet de 10 y 100-Mbps. Según su implementación, Gigabit Ethernet puede hacer uso de distintos procesos para convertir las tramas a bits en el cable. La Figura muestra los formatos de trama para Ethernet.

Las diferencias entre Ethernet estándar, Fast Ethernet y Gigabit Ethernet se encuentran en la capa física. Debido a las mayores velocidades de estos estándares recientes, la menor duración de los tiempos de bit requiere una consideración especial. Como los bits ingresan al medio por menor tiempo y con mayor frecuencia, es fundamental la temporización. Esta transmisión a alta velocidad requiere de frecuencias cercanas a las limitaciones de ancho de banda para los medios de cobre. Esto hace que los bits sean más susceptibles al ruido en los medios de cobre.

Estos problemas requieren que Gigabit Ethernet utilice dos distintos pasos de codificación. La transmisión de datos se realiza de manera más eficiente utilizando códigos para representar el corriente binario de bits. Los datos codificados proporcionan sincronización, uso eficiente del ancho de banda y mejores características de la Relación entre Señal y Ruido.

En la capa física, los patrones de bits a partir de la capa MAC se convierten en símbolos. Los símbolos también pueden ser información de control tal como trama de inicio, trama de fin, condiciones de inactividad del medio. La trama se codifica en símbolos de control y símbolos de datos para aumentar la tasa de transferencia de la red.

Gigabit Ethernet (1000BASE-X) con base de fibra utiliza una codificación 8B/10B que es similar a la del concepto 4B/5B. Entonces le sigue la simple codificación de línea Sin Retorno a Cero (NRZ) de la luz en la fibra óptica. Este proceso de codificación más sencillo es posible debido a que el medio de la fibra puede transportar señales de mayor ancho de banda.

4.2 1000BASE-T

Al instalar Fast Ethernet para aumentar el ancho de banda de las estaciones de trabajo, se comenzaron a crear cuellos de botella corriente arriba en la red. 1000BASE-T (IEEE 802.3ab) se desarrolló para proporcionar ancho de banda adicional a fin de ayudar a aliviar estos cuellos de botella. Proporcionó mayor desempeño a dispositivos tales como backbones dentro de los edificios, enlaces entre los switches, servidores centrales y otras aplicaciones de armarios para cableado así como conexiones para estaciones de trabajo de nivel superior. Fast Ethernet se diseñó para funcionar en los cables de cobre Cat 5 existentes y esto requirió que dicho cable aprobara la verificación de la Cat 5e. La mayoría de los cables Cat 5 instalados pueden aprobar la certificación 5e si están correctamente terminados. Uno de los atributos más importantes del estándar para 1000BASE-T es que es interoperable con 10BASE-T y 100BASE-TX.

Como el cable Cat 5e puede transportar, de forma confiable, hasta 125 Mbps de tráfico, obtener 1000 Mbps (Gigabit) de ancho de banda fue un desafío de diseño. El primer paso para lograr una 1000BASE-T es utilizar los cuatro pares de hilos en lugar de los dos pares tradicionales utilizados para 10BASE-T y 100BASE-TX. Esto se logra mediante un sistema de circuitos complejo que permite las transmisiones full duplex en el mismo par de hilos. Esto proporciona 250 Mbps por par. Con los cuatro pares de hilos, proporciona los 1000 Mbps esperados. Como la información viaja simultáneamente a través de las cuatro rutas, el sistema de circuitos tiene que dividir las tramas en el transmisor y reensamblarlas en el receptor.

La codificación de 1000BASE-T con la codificación de línea 4D-PAM5 se utiliza en UTP de Cat 5e o superior.. Esto significa que la transmisión y recepción de los datos se produce en ambas direcciones en el mismo hilo a la vez. Como es de esperar, esto provoca una colisión permanente en los pares de hilos. Estas colisiones generan patrones de voltaje complejos. Mediante los complejos circuitos integrados que usan técnicas tales como la cancelación de eco, la Corrección del Error de Envío Capa 1 (FEC) y una prudente selección de los niveles de voltaje, el sistema logra una tasa de transferencia de 1Gigabit.

En los períodos de inactividad, son nueve los niveles de voltaje que se encuentran en el cable y durante los períodos de transmisión de datos son 17. Con este gran número de estados y con los efectos del ruido, la señal en el cable parece más analógica que digital. Como en el caso del analógico, el sistema es más susceptible al ruido debido a los problemas de cable y terminación.

Los datos que provienen de la estación transmisora se dividen cuidadosamente en cuatro corrientes paralelas; luego se codifican, se transmiten y se detectan en paralelo y finalmente se reensemblan en una sola corriente de bits recibida. La Figura representa la conexión full duplex simultánea en los cuatro pares de hilos. 1000BASE-T admite tanto las operaciones en half-duplex como las en full-duplex. El uso de 1000BASE-T en full-duplex está ampliamente difundido.

4.3 1000BASE-SX y LX

El estándar IEEE 802.3 recomienda Gigabit Ethernet en fibra como la tecnología de backbone de preferencia.

La temporización, el formato de trama y la transmisión son comunes a todas las versiones de 1000 Mbps. En la capa física, se definan dos esquemas de codificación de la señal. El esquema 8B/ 10B se utiliza para los medios de fibra óptica y de cobre blindado y la modulación de amplitud de pulso 5 (PAM5) se utiliza para los UTP.

1000BASE-X utiliza una codificación 8B/10B convertida en la codificación de línea sin retorno a cero (NRZ). La codificación NRZ depende del nivel de la señal encontrado en la ventana de temporización para determinar el valor binario para ese período de bits. A diferencia de la mayoría de los otros esquemas de codificación descriptos, este sistema de codificación va dirigido por los niveles en lugar de por los bordes. Es decir, determinar si un bit es un cero o un uno depende del nivel de la señal en vez del momento cuando la señal cambia de nivel.

Las señales NRZ son entonces pulsadas hacia la fibra utilizando fuentes de luz de onda corta o de onda larga. La onda corta utiliza un láser de 850 nm o una fuente LED en fibra óptica multimodo (1000BASE-SX). Es la más económica de las opciones pero cubre distancias más cortas. La fuente láser de 1310 nm de onda larga utiliza fibra óptica monomodo o multimodo (1000BASE-LX). Las fuentes de láser utilizadas con fibra monomodo pueden cubrir distancias de hasta 5000 metros. Debido al tiempo necesario para encender y apagar por completo el LED o el láser cada vez, la luz se pulsa utilizando alta y baja energía. La baja energía representa un cero lógico y la alta energía, un uno lógico.

El método de Control de Acceso a los Medios considera el enlace como si fuera de punto a punto. Como se utilizan distintas fibras para transmitir (Tx) y recibir (Rx) la conexión de por sí es de full duplex. Gigabit Ethernet permite un sólo repetidor entre dos estaciones. La Figura es un cuadro de comparación de medios de Ethernet 1000BASE

4.4 Arquitectura de Gigabit Ethernet

Las limitaciones de distancia de los enlaces full-duplex están restringidas sólo por el medio y no por el retardo de ida y vuelta. Como la mayor parte de Gigabit Ethernet está conmutada, los valores de las Figuras y son los límites prácticos entre los dispositivos. Las topologías de cadena de margaritas, de estrella y de estrella extendida están todas permitidas. El problema entonces yace en la topología lógica y el flujo de datos y no en las limitaciones de temporización o distancia.

Un cable UTP de 1000BASE-T es igual que un cable de una 10BASE-T o 100BASE-TX, excepto que el rendimiento del enlace debe cumplir con los requisitos de mayor calidad de ISO Clase D (2000) o de la Categoría 5e.

No es recomendable modificar las reglas de arquitectura de 1000BASE-T. A los 100 metros, 1000BASE-T opera cerca del límite de la capacidad de su hardware para recuperar la señal transmitida. Cualquier problema de cableado o de ruido ambiental podría dejar un cable, que en los demás aspectos cumple con los estándares, inoperable inclusive a distancias que se encuentran dentro de la especificación.

Se recomienda que todos los enlaces existentes entre una estación y un hub o switch estén configurados para Auto-Negociación para así permitir el mayor rendimiento conjunto. Esto evitará errores accidentales en la configuración de otros parámetros necesarios para una adecuada operación de Gigabit Ethernet.

4.5 10-Gigabit Ethernet

Se adaptó el IEEE 802.3ae para incluir la transmisión en full-duplex de 10 Gbps en cable de fibra óptica. Las similitudes básicas entre 802.3ae y 802.3, Ethernet original son notables. Esta Ethernet de 10-Gigabit (10GbE) está evolucionando no sólo para las LAN sino también para las MAN y las WAN.

Con un formato de trama y otras especificaciones de Capa 2 de Ethernet compatibles con estándares anteriores, 10GbE puede proporcionar mayores necesidades de ancho de banda que son interoperables con la infraestructura de red existente.

Un importante cambio conceptual en Ethernet surge con 10GbE. Por tradición, se considera que Ethernet es una tecnología de LAN, pero los estándares de la capa física de 10GbE permiten tanto una extensión de las distancias de hasta 40 km a través de una fibra monomodo como una compatibilidad con la red óptica síncrona (SONET) y con redes síncronas de jerarquía digital (SDH). La operación a una distancia de 40 km hace de 10GbE una tecnología MAN viable. La compatibilidad con las redes SONET/SDH que operan a velocidades de hasta OC-192 (9.584640 Gbps) hace de 10GbE una tecnología WAN viable. Es posible que 10GbE compita con la ATM en ciertas aplicaciones.

En resumen, ¿cómo se compara 10GbE con otras variedades de Ethernet?

• El formato de trama es el mismo, permitiendo así la interoperabilidad entre todos los tipos de tecnologías antiguas, fast, gigabit y 10 Gigabit, sin retramado o conversiones de protocolo.
• El tiempo de bit es ahora de 0,1 nanosegundos. Todas las demás variables de tiempo caen en su correspondiente lugar en la escala.
• Como sólo se utilizan conexiones de fibra en full-duplex, el CSMA/CD no es necesario.
• Las subcapas de IEEE 802.3 dentro de las Capas OSI 1 y 2 se preservan en su mayoría, con pocos agregados para dar lugar a enlaces en fibra de 40 km e interoperabilidad con las tecnologías SONET/SDH.
• Entonces, es posible crear redes de Ethernet flexibles, eficientes, confiables, a un costo de punta a punta relativamente bajo.
• El TCP/IP puede correr en redes LAN, MAN y WAN con un método de Transporte de Capa 2.

El estándar básico que rige el CSMA/CD es IEEE 802.3. Un suplemento al IEEE 802.3, titulado 802.3ae, rige la familia de las 10GbE. Como es típico para las nuevas tecnologías, se están considerando una variedad de implementaciones, que incluye:

• 10GBASE-SR: Para cubrir distancias cortas en fibra multimodo ya instalada, admite un rango de 26 m a 82 m.
• 10GBASE-LX4: Utiliza la multiplexación por división de longitud de onda (WDM), admite a un rango de 240 m a 300 m en fibra multimodo ya instalada y de 10 km en fibra monomodo.
• 10GBASE-LR y 10GBASE-ER: Admite entre 10 km y 40 km en fibra monomodo.
• 10GBASE-SW, 10GBASE-LW y 10GBASE-EW: Conocidas colectivamente como 10GBASE-W, su objetivo es trabajar con equipos WAN SONET/SDH para módulos de transporte síncrono (STM) OC-192.

La Fuerza de Tarea IEEE 802.3ae y la Alianza de Ethernet de 10 Gigabit (10 GEA) están trabajando para estandarizar estas tecnologías emergentes.

10-Gbps Ethernet (IEEE 802.3ae) se estandarizó en junio de 2002. Es un protocolo full-duplex que utiliza sólo fibra óptica como medio de transmisión. Las distancias máximas de transmisión dependen del tipo de fibra que se utiliza. Cuando se utiliza fibra monomodo como medio de transmisión, la distancia máxima de transmisión es de 40 kilómetros (25 millas). De algunas conversaciones recientes entre los miembros del IEEE, surge la posibilidad de estándares para una Ethernet de 40, 80 e inclusive 100 Gbps.

4.6 Arquitecturas de 10-Gigabit Ethernet

Tal como sucedió en el desarrollo de Gigabit Ethernet, el aumento en la velocidad llega con mayores requisitos. Una menor duración del tiempo de bit que resulta de una mayor velocidad requiere consideraciones especiales. En las transmisiones en 10 GbE, cada bit de datos dura 0,1 nanosegundos. Esto significa que habría 1000 bits de datos en GbE en el mismo tiempo de bit que un bit de datos en una corriente de datos en Ethernet de 10-Mbps. Debido a la corta duración del bit de datos de 10 GbE, a menudo resulta difícil separar un bit de datos del ruido. Las transmisiones de datos en 10 GbE dependen de la temporización exacta de bit para separar los datos de los efectos del ruido en la capa física. Este es el propósito de la sincronización.

En respuesta a estos problemas de la sincronización, el ancho de banda y la Relación entre Señal y Ruido, Ethernet de 10 Gigabits utiliza dos distintos pasos de codificación. Al utilizar códigos para representar los datos del usuario, la transmisión de datos se produce de manera más eficiente. Los datos codificados proporcionan sincronización, uso eficiente del ancho de banda y mejores características de la Relación entre Señal y Ruido.

Corrientes complejas de bits en serie se utilizan para todas las versiones de 10GbE excepto en 10GBASE-LX4, que utiliza la Amplia Multiplexión por División de Longitud de Onda (WWDM) para multiplexar corrientes de datos simultáneas de cuatro bits en cuatro longitudes de onda de luz lanzada a la fibra a la vez.

La Figura representa el caso particular del uso de cuatro fuentes láser de longitudes de onda apenas diferentes. Una vez recibida del medio, la corriente de señal óptica se desmultiplexa en cuatro distintas corrientes de señal óptica. Las cuatro corrientes de señal óptica entonces vuelven a convertirse en cuatro corrientes electrónicas de bits a medida que viajan, usando el proceso inverso a través de las subcapas hacia la capa MAC.

En la actualidad, la mayoría de los productos de 10GbE tienen forma de módulos, o tarjetas de línea, para agregar a los switches y a los routers de nivel superior. A medida que evolucionen las tecnologías de 10GbE, será posible esperar una creciente variedad de componentes para la transmisión de señales. A medida que evolucionen las tecnologías ópticas, se incorporarán mejores transmisores y receptores a estos productos, tomando ventaja adicional de la modularidad. Todas las variedades de 10GbE utilizan medios de fibra óptica. Los tipos de fibra incluyen fibra monomodo de 10µ y fibras multimodo de 50µ y 62.5µ. Admiten un rango de características de dispersión y de atenuación de la fibra, pero limitan las distancias de operación.

Aunque esta tecnología se limita a los medios de fibra óptica, algunas de las longitudes máximas para los cables son sorprendentemente cortas. No se ha definido ningún repetidor para Ethernet de 10 Gigabits ya que explícitamente no admite las conexiones half duplex.

Tal como sucede con las versiones de 10 Mbps, 100 Mbps y 1000 Mbps, es posible modificar levemente algunas de las reglas de arquitectura Los ajustes de arquitectura posibles están relacionados con la pérdida de la señal y distorsión a lo largo del medio. Debido a la dispersión de la señal y otros problemas, el pulso de luz se vuelve indescifrable más allá de ciertas distancias.

4.7 El futuro de Ethernet

Ethernet ha evolucionado desde las primeras tecnologías, a las Tecnologías Fast, a las de Gigabit y a las de Multi Gigabit?. Aunque otras tecnologías LAN todavía están instaladas (instalaciones antiguas), Ethernet domina las nuevas instalaciones de LAN. A tal punto que algunos llaman a Ethernet el “tono de marcación” de la LAN. Ethernet ha llegado a ser el estándar para las conexiones horizontales, verticales y entre edificios. Las versiones de Ethernet actualmente en desarrollo están borrando la diferencia entre las redes LAN, MAN y WAN.

Mientras que Ethernet de 1 Gigabit es muy fácil de hallar en el mercado, y cada vez es más fácil conseguir los productos de 10 Gigabits, el IEEE y la Alianza de Ethernet de 10 Gigabits se encuentran trabajando en estándares para 40, 100 e inclusive 160 Gbps. Las tecnologías que se adopten dependerán de un número de factores que incluyen la velocidad de maduración de las tecnologías y de los estándares, la velocidad de adopción por parte del mercado y el costo.

Se han presentando propuestas para esquemas de arbitraje de Ethernet que no sean CSMA/CD. El problema de las colisiones con las topologías físicas en bus de 10BASE5 y 10BASE2 y de los hubs de 10BASE-T y 100BASE-TX ya no es tan frecuente. El uso de UTP y de la fibra óptica con distintas rutas de Tx y Rx y los costos reducidos de los switches hacen que las conexiones a los medios en half-duplex y los medios únicos compartidos sean mucho menos importantes.

El futuro de los medios para networking tiene tres ramas:

1. Cobre (hasta 1000 Mbps, tal vez más)
2. Inalámbrico (se aproxima a los 100 Mbps, tal vez más)
3. Fibra óptica (en la actualidad a una velocidad de 10.000 Mbps y pronto superior)

Los medios de cobre e inalámbricos presentan ciertas limitaciones físicas y prácticas en cuanto a la frecuencia más alta con la se pueda transmitir una señal. Este no es un factor limitante para la fibra óptica en un futuro predecible. Las limitaciones de ancho de banda en la fibra óptica son extremadamente amplias y todavía no están amenazadas. En los sistemas de fibra, son la tecnología electrónica (por ejemplo los emisores y los detectores) y los procesos de fabricación de la fibra los que más limitan la velocidad. Los adelantos futuros de Ethernet probablemente estén dirigidos hacia las fuentes de luz láser y a la fibra óptica monomodo.

Cuando Ethernet era más lenta, en half-duplex, sujeta a colisiones y a un proceso “democrático” de prioridades, no se consideraba que tuviera las capacidades de Calidad de Servicio (QoS) necesarias para manejar cierto tipo de tráfico. Esto incluía por ejemplo la telefonía IP y el video multicast.

Las tecnologías de Ethernet de alta velocidad y full-duplex que ahora dominan el mercado están resultando ser suficientes a la hora de admitir aplicaciones intensivas inclusive las de QoS. Esto hace que las potenciales aplicaciones de Ethernet sean aún más amplias. Irónicamente, la capacidad de QoS de punta a punta ayudó a dar un empuje a ATM para escritorio y a la WAN a mediados de los 90, pero ahora es Ethernet y no ATM la que está realizando este objetivo.

Resumen

Se debe haber obtenido una comprensión adecuada de los siguientes puntos clave:

• Las similitudes y diferencias entre las Ethernet 10BASE5, 10BASE2 y 10BASE-T.
• La codificación Manchester
• Los factores que afectan los límites de temporización de Ethernet.
• Los parámetros de cableado 10BASE-T
• Las características y tipos principales de Ethernet de 100 Mbps
• La evolución de Ethernet
• Los métodos MAC, los formatos de trama y el proceso de transmisión de Gigabit Ethernet.
• Los usos de los medios y codificación específicos de Gigabit Ethernet.
• Las salidas de pin y el cableado típicos de las distintas implementaciones de Gigabit Ethernet.
• Las similitudes y diferencias entre Gigabit Ethernet y 10 Gigabit Ethernet.
• Las consideraciones arquitectónicas básicas de Gigabit Ethernet y 10 Gigabit Ethernet.

5 Conmutacion de Ethernet

Descripción general

Ethernet compartida funciona muy bien en circunstancias ideales. Cuando el número de dispositivos que intentan acceder a la red es bajo, el número de colisiones permanece dentro de los límites aceptables. Sin embargo, cuando el número de usuarios de la red aumenta, el mayor número de colisiones puede causar que el rendimiento sea intolerablemente malo. El puenteo se desarrolló para aliviar los problemas de rendimiento que surgieron con el aumento de las colisiones. La conmutación surgió del puenteo y se ha convertido en la tecnología clave de las LAN modernas de Ethernet.

Las colisiones y broadcasts son sucesos esperados en la networking moderna. Ellas, de hecho, están planeadas dentro del diseño de Ethernet y de las tecnologías de capa avanzadas. Sin embargo, cuando las colisiones y broadcasts ocurren en un número que se encuentra por encima del óptimo, el rendimiento de la red se ve afectado. El concepto de dominios de colisión y de broadcast trata las formas en que pueden diseñarse las redes para limitar los efectos negativos de las colisiones y broadcasts. Este módulo explora los efectos de las colisiones y broadcasts sobre el tráfico de red y luego describe cómo se utilizan los puentes y routers para segmentar las redes y mejorar el rendimiento.

Los estudiantes que completen este módulo deberán poder:

• Definir puenteo y conmutación.
• Definir y describir la tabla de memoria de contenido direccionable (Content Addressable Memory, CAM).
• Definir latencia.
• Describir los modos de conmutación de almacenamiento y envío y por método de corte.
• Explicar el protocolo Spanning Tree (Spanning Tree Protocol, STP).
• Definir colisiones, broadcasts y dominios de colisión y de broadcast.
• Identificar los dispositivos de las Capas 1, 2 y 3 utilizados para crear dominios de colisión y de broadcast.
• Discutir el flujo de datos y los problemas con broadcasts.
• Explicar la segmentación de la red y confeccionar una lista de los dispositivos utilizados en la creación de los segmentos.

5.1 Puenteo de Capa 2

A medida que se agregan más nodos al segmento físico de Ethernet, aumenta la contención de los medios. Ethernet es un medio compartido, lo que significa que sólo un nodo puede transmitir datos a la vez. Al agregar más nodos, se aumenta la demanda sobre el ancho de banda disponible y se impone una carga adicional sobre los medios. Cuando aumenta el número de nodos en un solo segmento, aumenta la probabilidad de que haya colisiones, y esto causa más retransmisiones. Una solución al problema es dividir un segmento grande en partes y separarlo en dominios de colisión aislados.

Para lograr esto, un puente guarda una tabla de direcciones MAC y sus puertos asociados. El puente luego envía o descarta tramas basándose en las entradas de su tabla. Los pasos siguientes ilustran el modo de operación de un puente:

• El puente se acaba de encender, por lo tanto la tabla de puenteo se encuentra vacía. El puente sólo espera el tráfico en ese segmento. Cuando detecta el tráfico, el puente lo procesa.
• El Host A está haciendo ping hacia el Host B. Como los datos se transmiten por todo el segmento del dominio de colisión, tanto el puente como el Host B procesan el paquete.
• El puente agrega la dirección origen de la trama a su tabla de puenteo. Como la dirección se encontraba en el campo de dirección origen y se recibió la trama en el Puerto 1, la trama debe estar asociada con el puerto 1 de la tabla.
• La dirección de destino de la trama se compara con la tabla de puenteo. Ya que la dirección no se encuentra en la tabla, aunque está en el mismo dominio de colisión, la trama se envía a otro segmento. La dirección del Host B no se registró aún ya que sólo se registra la dirección origen de una trama.
• El Host B procesa la petición del ping y transmite una repuesta ping de nuevo al Host A. El dato se transmite a lo largo de todo el dominio de colisión. Tanto el Host A como el puente reciben la trama y la procesan.
• El puente agrega la dirección origen de la trama a su tabla de puenteo. Debido a que la dirección de origen no estaba en la tabla de puenteo y se recibió en el puerto 1, la dirección origen de la trama debe estar asociada con el puerto 1 de la tabla. La dirección de destino de la trama se compara con la tabla de puenteo para verificar si su entrada está allí. Debido a que la dirección se encuentra en la tabla, se verifica la asignación del puerto. La dirección del Host A está asociada con el puente por el que la trama llegó, entonces la trama no se envía.
• El Host A ahora va a hacer ping hacia el Host C. Ya que los datos se transmiten en todo el segmento del dominio de colisión, tanto el puente como el Host B procesan la trama. El Host B descarta la trama porque no era el destino establecido.
• El puente agrega la dirección origen de la trama a su tabla de puenteo. Debido a que la dirección ya estaba registrada en la tabla de puenteo, simplemente se renueva.
• La dirección de destino de la trama se compara con la tabla de puenteo para verificar si su entrada está allí. Debido a que la dirección no se encuentra en la tabla, se envía la trama a otro segmento. La dirección del Host C no se registró aún, ya que sólo se registra la dirección origen de una trama.
• El Host C procesa la petición del ping y transmite una repuesta ping de nuevo al Host A. El dato se transmite a lo largo de todo el dominio de colisión. Tanto el Host D como el puente reciben la trama y la procesan. El Host D descarta la trama porque no era el destino establecido.
• El puente agrega la dirección origen de la trama a su tabla de puenteo. Ya que la dirección se encontraba en el campo de dirección origen y la trama se recibió en el Puerto 2, la trama debe estar asociada con el puerto 2 de la tabla.
• La dirección destino de la trama se compara con la tabla de puenteo para verificar si su entrada está allí. La dirección se encuentra en la tabla pero está asociada con el puerto 1, entonces la trama se envía al otro segmento.
• Cuando el Host D transmite datos, su dirección MAC también se registrará en la tabla de puenteo. Esta es la manera en que el puente controla el tráfico entre los dominios de colisión.

Estos son los pasos que utiliza el puente para enviar y descartar tramas que se reciben en cualquiera de sus puertos.

5.2 Conmutación a nivel de Capa 2

Por lo general, un puente sólo tiene dos puertos y divide un dominio de colisión en dos partes. Todas las decisiones que toma el puente se basan en un direccionamiento MAC o de Capa 2 y no afectan el direccionamiento lógico o de Capa 3. Así, un puente dividirá el dominio de colisión pero no tiene efecto sobre el dominio lógico o de broadcast. No importa cuántos puentes haya en la red, a menos que haya un dispositivo como por ejemplo un router que funciona en el direccionamiento de Capa 3, toda la red compartirá el mismo espacio de dirección lógica de broadcast. Un puente creará más dominios de colisión pero no agregará dominios de broadcast.

Un switch es básicamente un puente rápido multipuerto, que puede contener docenas de puertos. En vez de crear dos dominios de colisión, cada puerto crea su propio dominio de colisión. En una red de veinte nodos, existen veinte dominios de colisión si cada nodo está conectado a su propio puerto de switch. Si se incluye un puerto uplink, un switch crea veintiún dominios de colisión de un solo nodo. Un switch crea y mantiene de forma dinámica una tabla de memoria de contenido direccionable (Content Addressable Memory, CAM), que contiene toda la información MAC necesaria para cada puerto.

5.3 Operación de switches

Un switch es simplemente un puente con muchos puertos. Cuando sólo un nodo está conectado a un puerto de switch, el dominio de colisión en el medio compartido contiene sólo dos nodos. Los dos nodos en este segmento pequeño, o dominio de colisión, constan del puerto de switch y el host conectado a él. Estos segmentos físicos pequeños son llamados microsegmentos. Otra capacidad emerge cuando sólo dos nodos se conectan. En una red que utiliza cableado de par trenzado, un par se usa para llevar la señal transmitida de un nodo al otro. Un par diferente se usa para la señal de retorno o recibida. Es posible que las señales pasen a través de ambos pares de forma simultánea. La capacidad de comunicación en ambas direcciones al mismo tiempo se conoce como full duplex. La mayoría de los switch son capaces de admitir full duplex, como también lo son las tarjetas de interfaz de red (Network Interface Card, NIC) En el modo full duplex, no existe contención para los medios. Así, un dominio de colisión ya no existe. En teoría, el ancho de banda se duplica cuando se usa full duplex.

Además de la aparición de microprocesadores y memoria más rápidos, otros dos avances tecnológicos hicieron posible la aparición de los switch. La memoria de contenido direccionable (Content Addressable Memory, CAM) es una memoria que esencialmente funciona al revés en comparación con la memoria convencional. Ingresar datos a la memoria devolverá la dirección asociada. El uso de memoria CAM permite que un switch encuentre directamente el puerto que está asociado con la dirección MAC sin usar un algoritmo de búsqueda. Un circuito integrado de aplicación específica (Application Specific Integrated Circuit, ASIC) es un dispositivo formado de compuertas lógicas no dedicadas que pueden programarse para realizar funciones a velocidades lógicas. Las operaciones que antes se llevaban a cabo en software ahora pueden hacerse en hardware usando ASIC. El uso de estas tecnologías redujo enormemente los retardos causados por el procesamiento del software y permitió que un switch pueda mantenerse al ritmo de la demanda de los datos de muchos microsegmentos y velocidades de bits altas.

5.4 Latencia

La latencia es el retardo que se produce entre el tiempo en que una trama comienza a dejar el dispositivo origen y el tiempo en que la primera parte de la trama llega a su destino. Existe una gran variedad de condiciones que pueden causar retardos mientras la trama viaja desde su origen a su destino:

• Retardos de los medios causados por la velocidad limitada a la que las señales pueden viajar por los medios físicos.
• Retardos de circuito causados por los sistemas electrónicos que procesan la señal a lo largo de la ruta.
• Retardos de software causados por las decisiones que el software debe tomar para implementar la conmutación y los protocolos.
• Retardos causados por el contenido de la trama y en qué parte de la trama se pueden tomar las decisiones de conmutación. Por ejemplo, un dispositivo no puede enrutar una trama a su destino hasta que la dirección MAC destino haya sido leída.

5.5 Modos de conmutación

Cómo se conmuta una trama a su puerto de destino es una compensación entre la latencia y la confiabilidad. Un switch puede comenzar a transferir la trama tan pronto como recibe la dirección MAC destino. La conmutación en este punto se llama conmutación por el método de corte y da como resultado una latencia más baja en el switch. Sin embargo, no se puede verificar la existencia de errores. En el otro extremo, el switch puede recibir toda la trama antes de enviarla al puerto destino. Esto le da al software del switch la posibilidad de controlar la secuencia de verificación de trama (Frame Check Sequence, FCS) para asegurar que la trama se haya recibido de modo confiable antes de enviarla al destino. Si se descubre que la trama es inválida, se descarta en este switch en vez de hacerlo en el destino final. Ya que toda la trama se almacena antes de ser enviada, este modo se llama de almacenamiento y envío. El punto medio entre los modos de corte y de almacenamiento y envío es el modo libre de fragmentos. El modo libre de fragmentos lee los primeros 64 bytes, que incluye el encabezado de la trama, y la conmutación comienza antes de que se lea todo el campo de datos y la checksum. Este modo verifica la confiabilidad de direccionamiento y la información del protocolo de control de enlace lógico (Logical Link Control, LLC) para asegurar que el destino y manejo de los datos sean correctos.

Al usar conmutación por métodos de corte, tanto el puerto origen como el destino deben operar a la misma velocidad de bit para mantener intacta la trama. Esto se denomina conmutación síncrona. Si las velocidades de bit no son iguales, la trama debe almacenarse a una velocidad de bit determinada antes de ser enviada a otra velocidad de bit. Esto se conoce como conmutación asíncrona. En la conmutación asimétrica se debe usar el método de almacenamiento y envío.

Una conmutación asimétrica proporciona conexiones conmutadas entre puertos con distinto ancho de banda, tal como una combinación de puertos de 1000 Mbps y de 100 Mbps. La conmutación asimétrica ha sido optimizada para el flujo de tráfico cliente/servidor en el que muchos clientes se comunican con el servidor de forma simultánea, lo cual requiere mayor ancho de banda dedicado al puerto del servidor para evitar un cuello de botella en ese puerto.

5.6 Protocolo de Spanning Tree (árbol de extensión)

Cuando varios switch están ubicados en un árbol jerárquico sencillo, es poco probable que ocurran bucles de conmutación. Sin embargo, a menudo las redes conmutadas se diseñan con rutas redundantes para ofrecer más confiabilidad y tolerancia a fallas. Si bien se recomienda el uso de rutas redundantes, ellas pueden tener efectos colaterales indeseables. Los bucles de conmutación son uno de esos efectos. Los bucles de conmutación pueden ocurrir ya sea por diseño o por accidente, y pueden llevar tormentas de broadcast que rápidamente abrumen la red. Para contrarrestar la posibilidad de bucles, se proporcionan switches con un protocolo basado en los estándares llamado protocolo de spanning tree (Spanning Tree Protocol, STP). Cada switch en una LAN que usa STP envía un mensaje especial llamado unidades de datos del protocolo puente (Bridge Protocol Data Unit, BPDU) desde todos sus puertos para que los otros switches sepan de su existencia y elijan un puente raíz para la red. Los switches entonces usan un algoritmo spanning-tree (Spanning Tree Algorithm, STA) para resolver y desconectar las rutas redundantes.

Cada puerto de un switch que usa protocolo de spanning- tree se encuentra en uno de los cinco estados siguientes:

• Bloquear
• Escuchar
• Aprender
• Enviar
• Desactivar

El puerto pasa por estos cinco estados de la forma siguiente:

• De la inicialización al bloqueo
• De bloqueo a escucha o desactivado
• De escucha a aprendizaje o desactivado
• De aprendizaje a envío o desactivado
• De envío a desactivado

El resultado de la resolución y eliminación de bucles usando STP es la creación de un árbol jerárquico lógico sin bucles. Sin embargo, si se necesitan, las rutas alternativas están disponibles.

6 Dominios de colisión y de broadcast

6.1 Entorno de medios compartidos

Comprender los dominios de colisión requiere de la comprensión de lo que son las colisiones y cómo se originan. Para ayudar a explicar las colisiones, aquí se revisan los medios y topologías de Capa 1.

Algunas redes se conectan directamente y todos los hosts comparten la Capa 1. Aquí hay algunos ejemplos:

• Entorno de medios compartidos: Ocurre cuando varios hosts tienen acceso al mismo medio. Por ejemplo, si varios PC se encuentran conectados al mismo cable físico, a la misma fibra óptica entonces se dice que comparten el mismo entorno de medios.
• Entorno extendido de medios compartidos: Es un tipo especial de entorno de medios compartidos en el que los dispositivos de networking pueden ampliar el entorno de modo que pueda incluir accesos múltiples o distancias mayores de cableado.
• Entorno de red punto a punto: Se usa mucho en las conexiones de red de servicio de acceso telefónico y es la más común para el usuario hogareño. Se trata de un entorno de networking compartido en el que un dispositivo se conecta a un dispositivo solamente, como por ejemplo un computador al proveedor de servicios de Internet por cable módem y línea telefónica.

Es importante saber identificar un entorno de medios compartidos, debido a que las colisiones sólo ocurren en un entorno así. Un sistema de autopistas es un ejemplo de entorno compartido en el que las colisiones pueden ocurrir porque varios vehículos están utilizando las mismas rutas. A medida que más vehículos entran a las rutas, es probable que haya más colisiones. Una red de datos compartida se parece mucho a una autopista. Existen reglas para determinar quién tiene acceso a los medios de red, pero a veces las reglas simplemente no pueden manejar el volumen de tráfico, entonces se producen colisiones.

6.2 Dominios de colisión

Los dominios de colisión son los segmentos de red física conectados, donde pueden ocurrir colisiones. Las colisiones causan que la red sea ineficiente. Cada vez que ocurre una colisión en la red, se detienen todas las transmisiones por un período de tiempo. La duración de este período sin transmisión varía y depende de un algoritmo de postergación para cada dispositivo de la red.

Los tipos de dispositivos que interconectan los segmentos de medios definen los dominios de colisión. Estos dispositivos se clasifican en dispositivos OSI de Capa 1, 2 ó 3. Los dispositivos de Capa 1 no dividen los dominios de colisión; los dispositivos de Capa 2 y 3 sí lo hacen. La división o aumento del número de dominios de colisión con los dispositivos de Capa 2 y 3 se conoce también como segmentación.

Los dispositivos de Capa 1, tales como los repetidores y hubs, tienen la función primaria de extender los segmentos de cable de Ethernet Al extender la red se pueden agregar más hosts, Sin embargo, cada host que se agrega aumenta la cantidad de tráfico potencial en la red. Como los dispositivos de Capa 1 transmiten todo lo que se envía en los medios, cuanto mayor sea el tráfico transmitido en un dominio de colisión, mayor serán las posibilidades de colisión. El resultado final es el deterioro del rendimiento de la red, que será mayor si todos los computadores en esa red exigen anchos de banda elevados. En fin, al colocar dispositivos de Capa 1 se extienden los dominios de colisión, pero la longitud de una LAN puede verse sobrepasada y causar otros problemas de colisión.

La regla de los cuatro repetidores en Ethernet establece que no puede haber más de cuatro repetidores o hubs repetidores entre dos computadores en la red. Para asegurar que una red 10BASE-T con repetidores funcionará de forma adecuada, el cálculo del retardo del recorrido de ida y vuelta debe estar dentro de ciertos límites, de otro modo todas las estaciones de trabajo no podrán escuchar todas las colisiones en la red. La latencia del repetidor, el retardo de propagación y la latencia de la NIC contribuyen a la regla de 4 repetidores. Si se excede la regla de los cuatro repetidores, esto puede llevar a la violación del límite de retardo máximo. Cuando se supera este límite de retardo, la cantidad de colisiones tardías aumenta notablemente. Una colisión tardía es una colisión que se produce después de la transmisión de los primeros 64 bytes de la trama. Cuando se produce una colisión tardía, no se requiere que los conjuntos de chips en las NIC retransmitan de forma automática. Estas tramas de colisión tardía agregan un retardo denominado retardo de consumo. Con el aumento del retardo de consumo y la latencia, se deteriora el rendimiento de la red.

La regla 5–4−3–2−1 requiere que se cumpla con las siguientes pautas:

• Cinco segmentos de medios de red.
• Cuatro repetidores o hubs
• Tres segmentos de host de red
• Dos secciones de enlace (sin hosts)
• Un dominio de colisión grande

La regla 5–4−3–2−1 también explica cómo mantener el tiempo de retardo del recorrido de ida y vuelta en una red compartida dentro de los límites aceptables.

6.3 Segmentación

La historia de cómo Ethernet maneja las colisiones y los dominios de colisión se remonta a la investigación realizada en la Universidad de Hawai en 1970