Sección 8. Arquitectura de Red Ethernet

Arquitectura de red ETHERNET

Las arquitecturas de red proveen diferentes medios para resolver un problema común (mover datos rápida y eficientemente sobre el medio de la red). La arquitectura de red en particular que se esté usando (e.g. Ethernet), no sólo defiirá la topología de la red, sino también define como el medio de comunicación es accesado por los nodos. Existen varias arquitecturas de red disponibles, tales como Ethernet (Xerox, Intel y DEC), Token Ring (IBM), FDDI, AppleTalk (Apple computers), ; todas con una estrategia diferente para mover la información en la red. A continuación describiremos la arquitectura más popular en la actualidad, ETHERNET.

El termino "Ethernet" se refiere a la familia de implementaciones de Redes de Área Local (LAN, Local Area Network) que incluye tres principales categorias:

• • 10 Mbps Ethernet e IEEE 802.3: Especificaciones LAN que operan a 10 Mbps sobre cable coaxial

• • 100 Mbps Ethernet: Especificación LAN, también conocida como "FAST ETHERNET", que opera a 100 Mbps sobre cable par trenzado.

1000 Mbps Ethernet: Especificación LAN, también conocida como Gigabit Ethernet, que opera a 1000 Mbps (1 Gbps) sobre fibra óptica y cable par trenzado

El diagrama fue dibujado por el Dr. Robert M. Metcalfe en 1976

Ethernet ha sobrevivido con respecto a otras tecnologias [e.g. Token Ring] debido su flexibilidad y su relativa simplicidad para implementar y entender.

Una parte importante del diseño e instalación de una red es la selección del medio Ethernet apropiado. Existen 4 tipos de medios utilizados hoy en día: Cable coaxial grueso en 10Base5, cable coaxial en 10Base2, UTP en 10BaseT y fibra óptica en 10BaseFL (Fiber Optic Inter-Repeater Link)

Los esquemas más populares son 10BaseT y 100BaseTx, los cuales utilizan cable par trenzado UTP. Este es similar al cable telefónico y viene en una variedad de grados o categorias. La mayor categoria ofrece el mejor desempeño. el nivel 5 es la categoría mas alta.

Para aplicaciones especializadas, la fibra óptica 10BaseFL, es el medio ideal. La fibra óptica es más cara, pero permite más inmunidad a la interferencia y al ruido. La fibra óptica es utilizada comúnmente en aplicaciones entre-edificios para aislar el equipo de red del daño eléctrico causado por los rayos. Debido a que no conduce electricidad, el cable de fibra puede ser útil en áreas donde grandes cantidades de interferencia electromagnetica esta presente, tal como el el piso de una fabrica. El estándar Ethernet le permite a la fibra óptica alcanzar hasta 2 kilometros de cobertura, haciendo a la fibra óptica el medio Ethernet perfecto para conectar nodos y edificios, en donde se podría mediante el cobre.

10 Mbps Ethernet e IEEE 802.3

Ethernet es una especificación LAN de "banda base" inventada Bob Metcalfe [fundador de 3com] y David Boggs en 1973 mientras trabajaban en por Xerox PARC (Palo Alto Research Center) que opera a

10 Mbps utilizando un protocolo de acceso múltiple al medio conocido como CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collition Detect) sobre un cable coaxial. Ethernet fue creado en Xerox en los 70s, pero el término es usualmente referido para todas las LAN CSMA/CD. Ethernet fue diseñado para satisfacer los requerimientos de redes con alto tráfico ocasional y esporádico. La especificación IEEE 802.3 fue desarrollada en 1980 basada sobre la tecnología original Ethernet. La versión 2.0 de Ethernet fue desarrollada conjuntamente por DEC (Digital Equipment Corporation), Intel, y Xerox y es compatible con el estándar IEEE 802.3.

El estándar IEEE 802.3 provee una gran variedad de opciones de cableado, una de las cuales es una especificación referida como 10Base5. Esta especificación es la más cercana a Ethernet. El cable de conexión es referido como una unidad de interface de conexión o simplemente como AUI (Attachment Unit Interface), y el dispositivo de conexión de red es llamado como unidad de interconexión al medio (MAU, Media Attachment Unit), en vez de un transceptor (transceiver).

100 Mbps Ethernet

100 Mbps Ethernet (conocido comúnmente como Fast Ethernet) es una tecnologia LAN de alta velocidad que ofrece más ancho de banda a los usuarios y dispositivos de la red, especificado en el estándar IEEE 802.3u .

Existen tres tipos de Fast Ethernet:

• 100BaseTX usado con cable CAT 5 UTP

1000 Mbps Ethernet

Gigabit Ethernet (1000 Mbps Ethernet) es una extensión del estándar IEEE 802.3. Gigabit Ethernet está construído sobre el mismo protocolo de Fast Ethernet pero incrementa la velocidad en 10 veces sobre Fast Ethernet.

En 1999, la IEEE probó la especificación 802.3ab, también conocida como 1000BaseT, que define Gigabit Ethernet (GE) corriendo sobre cable de cobre, es decir Gigabit Ethernet puede correr sobre el cable de cobre categoriáa 5, pero también corre sobre fibra óptica monomodo y multimodo.

Convenciones utilizadas en los estándares Ethernet

Existe una convensión utilizada en los estándares Ethernet, y está denotada por tres partes. Por ejemplo, 10BaseT, 10 se refiere a la velocidad en Mbps; Base, debido a que se transmite en bandabase (sin modular) y T se refiere la medio, en este caso par trenzado.

Ejemplos:

Toda la información que se transporta a través de una LAN se hace en BANDABASE, es decir las señales no se modulan. Como NO se modulan, la propagación de las señales a través de una LAN se ve limitada en cobertura, menos de 100 metros. Si se modularan las señales en una LAN, la cobertura sería mucho mayor.....pero los dispositivos de interfaz de red [e.g. una tarjeta de red] saldrian mas caros, debido a que tienen que implementar un modulador y demodulador. Por este motivo, se decidio que la información a través de una LAN fuera en banda base, y gracias a esto los dispositivos son mas económicos. Una tarjeta de red Ethernet OEM llega a costar en el mercado menos de 10 dólares.

• 100BaseFX usado con fibra óptica
• 100BaseT4 el cual utiliza dos cables extras para usarse con cable UTP CAT 3.
  • Velocidades: 10, 100, 1000 Mbps
  • Medios: 2,5 = coaxial; T = par trenzado y F = fibra óptica
• 10Base5 = 10 Mbps, bandabase, coaxial grueso (thick) a 500 metros
• 10Base2 = 10 Mbps, bandabase, coaxial delgado (thin) a 185 metros
• 100BaseTX = 100 Mbps, bandabase, par trenzado UTP
• 100BaseFX = 100 Mbps, bandabase, par de fibra óptica
• 1000BaseCX = 1000 Mbps, bandabase, par trenzado STP a 25 metros
• 1000BaseT = 1000 Mbps, bandabase, par trenzado UTP Cat 5, 4 pares, 100 metros
• 1000BaseSX = 1000 Mbps, bandabase, par de fibra óptica multimodo, 260 metros (Short Wavelenth fiber)
• 1000BaseLX = 1000 Mbps, bandabase, par de fibra óptica monomodo, 3-10 Km (Large Wavelenth fiber)

La estructura del protocolo ETHERNET/802.3 es como sigue:

PREÁMBULO: (64 bits)
El paquete comienza con secuencia de 1s y 0s alternados [hasta completar 56 bits (802.3) o 62 bits (Ethernet)] conocido como preámbulo. El preámbulo provee una frecuencia única sobre la red de 5 MHz al comienzo de cada paquete, lo cual permite al receptor bloquear los bits entrantes. El preámbulo es utilizado sólo por el codificador/decodificador Manchester para bloquear la trama de bits recibidos y permitir la codificación de los datos. El preámbulo recibido en la red no es pasado a través del la MAC (Medium Access Control) hacia el sistema de host. Sin embargo la MAC es responsable para la generación de preámbulos para paquetes transmitidos.

La secuencia del preámbulo es seguida por el SFD (Start Frame Delimiter) que corresponde a 10101011 para completar los 8 bits restantes en el paquete 802.3, en el caso del paquete ethernet se agregaran dos bits con dos 1s (11) que corresponde al SYNCH. En ambos casos para completar los 64 bits que tiene el preámbulo.

DIRECCIÓN DESTINO: (6 bytes)
La dirección destino (DD) es de 48 bits (6 bytes) de tamaño, el cual se transmite primero el bit menos significativo. La DD es utilizada por la MAC receptora, para determinar si el paquete entrante es direccionado a un nodo en particular. Si el nodo receptor detecta una correspondencia entre su dirección y la dirección dentro de la DD, intentará recibir el paquete. Los otros nodos, los cuales no detectan una correspondencia, ignorarán el resto del paquete.

Existen tres tipos de direcciones destino soportadas:

• 1.-Individual (física): El campo DD contiene una dirección únicae individual asignada a un nodo en la red.

• 2.- Multicast (lógica): Si el primer bit (el menos significativo) del campo DA es asignado, esto denota que una Dirección de Grupo está siendo usada. El "grupo" de nodos que serán direccionados son determinados por las funciones de las capas superiores, pero en general el intento es transmitir un mensaje a un subconjunto similar lógicamente de nodos en la red —por instancia, todos los dispositivos de impresión.

3.-Broadcast: esta es una forma especial de multicast, donde el campo DD son puros 1s. La dirección todos 1s es reservada para la función broadcast y todos los dispositivos MAC en la red deberán ser capaces de recibir el mensaje broadcast.

La estructura de la dirección destino es como sigue:

DIRECCIÓN FUENTE: (6 bytes)
La dirección fuente (DF) es de 48 bits (6 bytes) de tamaño, el cual se transmite primero el bit menos significativo (en forma canónica). el campo DF es proveído por la MAC transmisora, la cual inserta su propia dirección única en este campo al transmitirse la trama, indicando que fue la estación originadora. Un MAC en el receptor no es requerido para tomar acción basado en el campo DF. Los formatos de direcciones tipo broadcast y multicast son ilegales en el campo DF.

La estructura de la dirección fuente es como sigue:

LONGITUD/TIPO: (2 bytes)
El campo Longitud(802.3)/Tipo(Ethernet) de 2 bytes va seguido del campo DF. La elección de escoger Longitud o tipo es dependiente si la trama es 802.3 o Ethernet. El byte de más alto orden de campo Longitud/Tipo es transmitido primero, con el bit menos significativo de cada byte transmitido primero.

DATOS: (46 - 1500 bytes)
Este campo contiene los datos (información ítil) a ser transferida cuyo tamaño varia de 56 a 1500 bytes.

Formato canónico de direcciones (del campo DD, DF)

Los dispositivos que utilizan el protocolo Ethernet/802.3 (así como el 802.4, token bus) transmiten los bytes en el orden del bit menos significativo primero, mientras que 802.5 (token ring) y FDDI utilizan la convención del bit más significante primero. Este hecho confunde cuando se trata de una direccion individual o direccion multicast en los campos de DD. Por lo tanto una dirección multicast sobre una red Ethernet puede no parecer una dirección multicast en una red FDDI o Token Ring. Esto ha permitido una considerable confusión ,problemas de interoperatibilidad y mas complicaciones en dispositivos como puentes, enrutadores y switches, los cuales tienen que convertir entre estas dos convenciones. El formato canónico es usado como un intento para reducir esta confusión, el cual asume una notación hexadecimal y ordenados del bit menos significativo primero. Por ejemplo, la dirección c2-34-56-78-9a-bc no es una dirección multicast, debido a que el bit menos significativo del primer byte (c2, 1100 0010) es 0 (Tabla 2)

El la tabla 2 se muestra el formato canónico para la dirección c2-34-56-78-9a-bc pero cuando se transmite primero el bit mas significativo. Como puede observarse, nada mas se voltea cada octeto.