Ethernet

Ethernet es un estándar de redes de área local para computadores con acceso al medio por contienda CSMA/CD. CSMA/CD (Acceso Múltiple por Detección de Portadora con Detección de Colisiones), es una técnica usada en redes Ethernet para mejorar sus prestaciones. El nombre viene del concepto físico de ether. Ethernet define las características de cableado y señalización de nivel físico y los formatos de tramas de datos del nivel de enlace de datos del modelo OSI.

La Ethernet se tomó como base para la redacción del estándar internacional IEEE 802.3. Usualmente se toman Ethernet e IEEE 802.3 como sinónimos. Ambas se diferencian en uno de los campos de la trama de datos. Las tramas Ethernet e IEEE 802.3 pueden coexistir en la misma red.

Versiones de 802.3

Estándar Ethernet Fecha Descripción

• Ethernet experimental 1972 (patentado en 1978) 2,85 Mbit/s sobre cable coaxial en topología de bus.

• Ethernet II (DIX v2.0) 1982 10 Mbit/s sobre coaxial fino (thinnet) - La trama tiene un campo de tipo de paquete.

El protocolo IP usa este formato de trama sobre cualquier medio.

• IEEE 802.3 1983 10BASE5 10 Mbit/s sobre coaxial grueso (thicknet). Longitud máxima del segmento 500 metros - Igual que DIX salvo que el campo de Tipo se substituye por la longitud.

• 802.3a 1985 10BASE2 10 Mbit/s sobre coaxial fino (thinnet o cheapernet). Longitud máxima del segmento 185 m

• 802.3b 1985 10BROAD36

• 802.3c 1985 Especificación de repetidores de 10 Mbit/s

• 802.3d 1987 FOIRL (Fiber-Optic Inter-Repeater Link) enlace de fibra óptica entre repetidores.

• 802.3e 1987 1BASE5 o StarLAN

• 802.3i 1990 10BASE-T 10 Mbit/s sobre par trenzado no apantallado (UTP). Longitud máxima del segmento 100 metros.

• 802.3j 1993 10BASE-F 10 Mbit/s sobre fibra óptica. Longitud máxima del segmento 1000 metros.

• 802.3u 1995 100BASE-TX, 100BASE-T4, 100BASE-FX Fast Ethernet a 100 Mbit/s con auto-negociación de velocidad.

• 802.3x 1997 Full Duplex (Transmisión y recepción simultáneos) y control de flujo.

• 802.3y 1998 100BASE-T2 100 Mbit/s sobre par trenzado no apantallado(UTP). Longitud máxima del segmento

100 metros

• 802.3z 1998 1000BASE-X Ethernet de 1 Gbit/s sobre fibra óptica.

• 802.3ab 1999 1000BASE-T Ethernet de 1 Gbit/s sobre par trenzado no apantallado

• 802.3ac 1998 Extensión de la trama máxima a 1522 bytes (para permitir las "Q-tag") Las Q-tag incluyen información para *802.1Q VLAN y manejan prioridades según el estandar 802.1p.

• 802.3ad 2000 Agregación de enlaces paralelos (Trunking).

• 802.3ae 2003 Ethernet a 10 Gbit/s; 10GBASE-SR, 10GBASE-LR

• IEEE 802.3af 2003 Alimentación sobre Ethernet (PoE).

• 802.3ah 2004 Ethernet en la última milla.

• 802.3ak 2004 10GBASE-CX4 Ethernet a 10 Gbit/s sobre cable bi-axial.

• 802.3an 2006 10GBASE-T Ethernet a 10 Gbit/s sobre par trenzado no apantallado (UTP)

• 802.3ap en proceso (draf) Ethernet de 1 y 10 Gbit/s sobre circuito impreso.

• 802.3aq en proceso (draf) 10GBASE-LRM Ethernet a 10 Gbit/s sobre fibra óptica multimodo.

• 802.3ar en proceso (draf) Gestión de Congestión

• 802.3as en proceso (draf) Extensión de la trama

Formato de la trama Ethernet

La trama es lo que se conoce también por el nombre de "frame".

• El primer campo es el preámbulo que indica el inicio de la trama y tienen el objeto de que el dispositivo que lo recibe detecte una nueva trama y se sincronice.

• El delimitador de inicio de trama indica que el frame empieza a partir de él.

• Los campos de MAC (o dirección) de destino y origen indican las direcciones físicas del dispositivo al que van dirigidos los datos y del dispositivo origen de los datos, respectivamente.

• La etiqueta es un campo opcional que indica la pertenencia a una

VLAN o prioridad en IEEE P802.1p [1]

Estructura de la Payload en Ethernet y protocolos

IP y TCP (indica el gráfico)

• Ethernetype indica con que protocolo están encapsulados los datos que contiene la Payload, en caso de que se usase un protocolo de capa superior.

• La Payload es donde van todos los datos y, en el caso correspondiente, cabeceras de otros protocolos de capas superiores (Según Modelo OSI, vease Protocolos en informática) que pudieran formatear a los datos que se tramiten (IP, TCP, etc). Tiene un mínimo de 46 Bytes (o 42 si es la versión 802.1Q) hasta un máximo de 1500

Bytes.

• La secuencia de comprobación es un campo de 4 bytes que contiene un valor de verificación CRC (Control de redundancia cíclica). El emisor calcula el CRC de toda la trama, desde el campo destino al campo CRC suponiendo que vale 0. El receptor lo recalcula, si el valor calculado es 0 la trama es válida.

• El gap de final de trama son 12 bytes vacíos con el objetivo de espaciado entre tramas.

Estructura de la trama de 802.3 Ethernet

Preambulo Delimitador de

inicio de trama

MAC de

destino

MAC

de

origen

802.1Q

Etiqueta(opcional)Ethertype

[2] (

Ethernet II [3]

) o

longitud

(IEEE 802.3)

Payload Secuencia de

comprobación [4]

(32-bit CRC)

Gap

entre

frames[5]

7 Bytes 1 Byte 6 Byte 6 Bytes (4 Bytes) 2 Bytes De 46 (o

42) hasta

1500 Bytes

4 Bytes 12 Bytes

64– 1522 Bytes

72– 1530 Bytes

84– 1542 Bytes

Tecnología y velocidad de Ethernet

Hace ya mucho tiempo que Ethernet consiguió situarse como el principal protocolo del nivel de enlace. Ethernet

10Base2 consiguió, ya en la década de los 90s, una gran aceptación en el sector. Hoy por hoy, 10Base2 se considera como una "tecnología de legado" respecto a 100BaseT. Hoy los fabricantes ya han desarrollado adaptadores capaces de trabajar tanto con la tecnología 10baseT como la 100BaseT y esto ayuda a una mejor adaptación y transición.

Las tecnologías Ethernet que existen se diferencian en estos conceptos: Velocidad de transmisión

- Velocidad a la que transmite la tecnología. Tipo de cable

- Tecnología del nivel físico que usa la tecnología. Longitud máxima

- Distancia máxima que puede haber entre dos nodos adyacentes (sin estaciones repetidoras). Topología

- Determina la forma física de la red. Bus si se usan conectores T (hoy sólo usados con las tecnologías más antiguas) y estrella si se usan hubs (estrella de difusión) o switches (estrella conmutada).

A continuación se especifican los anteriores conceptos en las tecnologías más importantes:

Tecnología Velocidad de

transmisión

Tipo de cable Distancia

máxima

Topología

10Base2 10 Mbps Coaxial 185 m Bus (Conector T)

10BaseT 10 Mbps Par Trenzado 100 m Estrella (Hub o Switch)

10BaseF 10 Mbps Fibra óptica 2000 m Estrella (Hub o Switch)

100BaseT4 100Mbps Par Trenzado (categoría 3UTP) 100 m Estrella. Half Duplex (hub) y Full Duplex

(switch)

100BaseTX 100Mbps Par Trenzado (categoría 5UTP) 100 m Estrella. Half Duplex (hub) y Full Duplex

(switch)

100BaseFX 100Mbps Fibra óptica 2000 m No permite el uso de hubs

1000BaseT 1000Mbps 4 pares trenzado (categoría 5e ó

6UTP )

100 m Estrella. Full Duplex (switch)

1000BaseSX 1000Mbps Fibra óptica (multimodo) 550 m Estrella. Full Duplex (switch)

1000BaseLX 1000Mbps Fibra óptica (monomodo) 5000 m Estrella. Full Duplex (switch)

Hardware comúnmente usado en una red Ethernet

Los elementos de una red Ethernet son: tarjeta de red, repetidores, concentradores, puentes, los conmutadores, los nodos de red y el medio de interconexión. Los nodos de red pueden clasificarse en dos grandes grupos: equipo terminal de datos (DTE) y equipo de comunicación de datos (DCE).

Los DTE son dispositivos de red que generan el destino de los datos: los PC, routers, las estaciones de trabajo, los servidores de archivos, los servidores de impresión; todos son parte del grupo de las estaciones finales. Los DCE son los dispositivos de red intermediarios que reciben y retransmiten las tramas dentro de la red; pueden ser: conmutadores (switch), concentradores (hub), repetidores o interfaces de comunicación. Por ejemplo: un módem o una tarjeta de interfaz.

• NIC, o Tarjeta de Interfaz de Red - permite que una computadora acceda a una red local. Cada tarjeta tiene una

única dirección MAC que la identifica en la red. Una computadora conectada a una red se denomina nodo.

• Repetidor o repeater - aumenta el alcance de una conexión física, recibiendo las señales y retransmitiéndolas, para evitar su degradación, a través del medio de transmisión, lográndose un alcance mayor. Usualmente se usa para unir dos áreas locales de igual tecnología y sólo tiene dos puertos. Opera en la capa física del modelo OSI.

• Concentrador o hub - funciona como un repetidor pero permite la interconexión de múltiples nodos. Su funcionamiento es relativamente simple pues recibe una trama de ethernet, por uno de sus puertos, y la repite por todos sus puertos restantes sin ejecutar ningún proceso sobre las mismas. Opera en la capa física del modelo OSI.

• Puente o bridge - interconecta segmentos de red haciendo el cambio de frames (tramas) entre las redes de acuerdo con una tabla de direcciones que le dice en qué segmento está ubicada una dirección MAC dada. Se diseñan para uso entre LAN's que usan protocolos idénticos en la capa física y MAC (de acceso al medio). Aunque existen bridges más sofisticados que permiten la conversión de formatos MAC diferentes (Ethernet-Token Ring por ejemplo).

• Conmutador o Switch - funciona como el bridge, pero permite la interconexión de múltiples segmentos de red, funciona en velocidades más rápidas y es más sofisticado. Los switches pueden tener otras funcionalidades, como Redes virtuales, y permiten su configuración a través de la propia red. Funciona básicamente en la capa 2 del modelo OSI (enlace de datos). Por esto son capaces de procesar información de las tramas; su funcionalidad más importante es en las tablas de dirección. Por ejemplo, una computadora conectada al puerto 1 del conmutador envía una trama a otra computadora conectada al puerto 2; el switch recibe la trama y la transmite a todos sus puertos, excepto aquel por donde la recibió; la computadora 2 recibirá el mensaje y eventualmente lo responderá, generando tráfico en el sentido contrario; ahora el switch conocerá las direcciones MAC de las computadoras en el puerto 1 y 2; cuando reciba otra trama con dirección de destino de alguna de ellas, sólo transmitirá la trama a dicho puerto disminuyendo así el tráfico de la red y contribuyendo al buen funcionamiento de la misma.

Conexiones de un switch Ethernet

Presente y futuro de Ethernet

Ethernet se planteó en un principio como un protocolo destinado a cubrir las necesidades de las redes LAN. A partir de 2001 Ethernet alcanzó los 10 Gbps lo que dio mucha más popularidad a la tecnología. Dentro del sector se planteaba a ATM como la total encargada de los niveles superiores de la red, pero el estándar 802.3ae (Ethernet Gigabit 10) se ha situado en una buena posición para extenderse al nivel WAN.

802.3 Z

Gigabit Ethernet

Conocida también conocida como GigaE, es una ampliación del estándar Ethernet (concretamente la versión 802.3ab y 802.3z del IEEE) que consigue una capacidad de transmisión de 1 gigabit por segundo, correspondientes a unos 1000 megabits por segundo de rendimiento contra unos 100 de Fast Ethernet (También llamado 100BASE-TX).

Características y prestaciones

Gigabit Ethernet surge como consecuencia de la presión competitiva de ATM por conquistar el mercado LAN y como una extensión natural de las normas Ethernet 802.3 de 10 y 100 Mbit/s. que prometen tanto en modo semi-dúplex como dúplex, un ancho de banda de 1 Gbit/s. En modo semi-dúplex, el estándar Gigabit Ethernet conserva con mínimos cambios el método de acceso CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Colision Detection) típico de Ethernet. Los cambios son:

Ráfaga de tramas.

Extensión de portadoras.

En cuanto a las dimensiones de red, no hay límites respecto a extensión física o número de nodos. Al igual que sus predecesores, Gigabit Ethernet soporta diferentes medios físicos, con distintos valores máximos de distancia. El IEEE 802.3 Higher Speed Study Group ha identificado tres objetivos específicos de distancia de conexión: conexión de fibra óptica multimodo con una longitud máxima de 500 m; conexión de fibra óptica monomodo con una longitud máxima de dos kilómetros; y una conexión basada en cobre con una longitud de al menos 25 m. Además, se está trabajando para soportar distancias de al menos 100 m en cableado UTP de categoría 5. Es una tecnología aplicada a los mejores montajes de las redes LAN a nivel mundial. Hay que tener una cierta precaución con los protocolos que aplica pero de resto es quizás la mejor de las tecnologías aplicadas a las redes en general.

Estándares 1000BASE-X (802.3z)

Estándares con codificación 8B10B, 1250 Mbaudios.

1000BASE-SX

Fibra Multimodo (MMF).

Laser 850 nm.

Distancia < 550 m.

1000BASE-LX

Fibra Multimodo (MMF) y Fibra Monomodo (SMF).

Laser 1310 nm.

Distancia < 10 km.

1000BASE-EX

Fibra SMF.

Laser 1310 nm.

Distancia < 40 Km.

1000BASE-ZX

Fibra SMF.

Laser 1550 nm.

Distancia < 80 km.

1000BASE-CX

Cable STP (2 pares).

Distancia < 25 m.

Interés por el estándar Gigabit

La incorporación de viejos miembros a la Gigabit Ethernet Alliance no paró de crecer desde su creación en el mes de mayo de 1996, bajo el impulso de firmas como 3Com, Sun Microsystems, Bay Networks, Cisco Systems, UB Networks, Intel y Compaq. El rápido crecimiento de la alianza demostró que tanto las grandes como las pequeñas compañías creían en Gigabit Ethernet como una tecnología LAN clave.

El gran interés por la nueva propuesta Ethernet se debe a su simplicidad, fiabilidad, compatibilidad hacia atrás y costes.

Gigabit Ethernet en la práctica

El principal atractivo de Gigabit Ethernet reside precisamente, en basarse en una tecnología tan convencional como Ethernet. Hasta la fecha, el debate sobre Gigabit Ethernet se ha centrado por lo general en sus aspectos técnicos, como la extensión de portadora (carrier extension) o interrupt coalescense, olvidándose de otras cuestiones más prácticas. Como es lógico, de nada sirve la tecnología sin una estrategia capaz de adaptarla y ponerla en marcha.

En primer lugar, parece claro que la tecnología Gigabit Ethernet puede ser utilizada de tres formas distintas: para conectar conmutadores entre sí, para conectar servidores a concentradores y para conectar estaciones finales a concentradores. Los tres tipos de conexión se describen en el orden en el que se supone que seguirán los administradores de redes y que, curiosamente, sigue el sentido inverso al del despliegue de Ethernet convencional.

Por distintos motivos el nivel de aceptación de las tres clases de conexión difieren significativamente. Es seguro que la de conmutadores entre sí, ya disponible, tendrá un gran éxito, pues cada vez más los administradores de redes necesitan disponer de mayores velocidades entre esos dispositivos. Las conexiones de servidor a conmutador se utilizarán en ciertos entornos de alto nivel, pero serán innecesarias en la mayoría de los casos. Y es posible que la de estación final a concentrador nunca llegue a ser popular: son nuevas las dificultades técnicas que supone crear redes compartidas de 1 Gbit/s.

803.2U

Fast Ethernet o Ethernet de alta velocidad es el nombre de una serie de estándares de IEEE de redes Ethernet de 100 Mbps (megabits por segundo). El nombre Ethernet viene del concepto físico de ether. En su momento el prefijo fast se le agregó para diferenciarla de la versión original Ethernet de 10 Mbps.

Debido al incremento de la capacidad de almacenamiento y en el poder de procesamiento, los Pc’s actuales tienen la posibilidad de manejar gráficos de gran calidad y aplicaciones multimedia complejas. Cuando estos ficheros son almacenados y compartidos en una red, las transferencias de un cliente a otro producen un gran uso de los recursos de la red.

Las redes tradicionales operaban entre 4 y 16 Mbps. Más del 40 % de todos los Pc’s están conectados a Ethernet. Tradicionalmente Ethernet trabajaba a 10 Mbps. A estas velocidades,dado que las compañías producen grandes ficheros, pueden tener grandes demoras cuando envían los ficheros a través de la red. Estos retrasos producen la necesidad de mayor velocidad en las redes.

Fast Ethernet no es hoy por hoy la más rápida de las versiones de Ethernet, siendo actualmente Gigabit Ethernet y 10 Gigabit Ethernet las más veloces.

Características Generales

Un adaptador de fast Ethernet puede ser dividido lógicamente en una parte de control de acceso al medio (MAC; media access controller), que se ocupa de las cuestiones de disponibilidad y una zona de capa física (PHY; physical).

La capa MAC se comunica con la física mediante una interfaz de 4 bits a 25 MHz de forma paralela síncrona, conocida como MII.

La interfaz MII puede tener una conexión externa, pero lo normal es hacer su conexión mediante ICs en el adaptador de red.

La interfaz MII establece como tasa máxima de bits de datos una velocidad de 100Mbit/s para todas las versiones de fast Ethernet.

Se puede observar que actualmente en redes reales la cantidad de datos que se envían por señal esta por debajo de este máximo teórico. Esto es debido a que se añadan cabeceras y colas en cada paquete para detectar posibles errores, a que ocasionalmente se puedan “perder paquetes” debido al ruido, o al tiempo de espera necesario para que cada paquete sea recibido por el otro terminal.

Soporte

Fast ethernet puede trabajar sobre fibra óptica y sobre cable de cobre. Cada modo de trabajar tiene unos estándares específicos adaptados a la situación requerida:

COBRE

100BASE-TX

100BASE-T4

100BASE-T2

FIBRA ÓPTICA

100BASE-FX

100BASE-SX

100BASE-BX

Estándares para cobreDependiendo del tipo de estándar utilizado, el tipo de cable pertenecerá a una categoría diferente con unas características determinadas que siguen la siguiente tabla: 100BASE-T es un estándar de Fast Ethernet que utiliza un par de cobre trenzado. Podemos encontrar las siguientes categorías de este estándar:

100BASE-TX (100 Mbit/s sobre 2 pares de cobre trenzado de categoría 5 o superior)

100BASE-T4 (100 Mbit/s sobre 4 pares de cobre trenzado de categoría 3 o superior)

100BASE-T2 (100 Mbit/s sobre 2 pares de cobre trenzado de categoría 3 o superior

La longitud de segmento de cable para un estándar de tipo 100Base-T está limitada a 100 metros. Esto está recogido en el estándar IEEE 802.3 (aprobado en 1995)

100BASE-TX

El estándar más común dentro de este tipo de Ethernet es 100BaseTX, y es soportado por la mayoría del hardware Ethernet que se produce actualmente.

Utiliza 2 pares de cobre trenzado de categoría 5 o superior (un cable de categoría 5 contiene 4 pares, por lo que puede soportar 2 enlaces 100BASE-TX).

En una configuración típica de 100Base-TX se utiliza un par de cables trenzados en cada dirección (full-duplex).

La configuración de una red 100Base-TX es muy similar a una de tipo 10Base-T. Cuando utilizamos este estándar para crear una red de área local, los componentes de la red (ordenadores, impresoras, etc) suelen estar conectados a un switch o un hub, creando una red con topología de estrella. Alternativamente, es posible conectar dos componentes directamente usando cable cruzado.

En cuanto al tipo de codificación, utiliza la 4B5B.

100BASE-T4

Fue una de las primeras implementaciones de Fast Ethernet. Se requiere de cuatro pares de cable trenzado, pero estos pueden ser de categoría 3 en lugar categoría 5 que es la exigida por TX, permitiendo amortizar instalaciones antiguas. De los cuatro pares, un par esta reservado para transmitir, otro para recibir, y los dos conmutan a envío/recepción de modo que la comunicación siempre se establece simultáneamente a través de 3 pares.

En cuanto al tipo de codificación, utiliza la 8B6T.

100BASE-T2

En este estándar los datos se transmiten sobre dos pares de cobre, 4 bits por símbolo. En primer lugar, un símbolo de 4 bits se amplia en dos símbolos de 3 bits cada uno mediante un procedimiento complicado de codificación basado en un registro lineal de retroalimentación (ver el estándar para obtener más información). Esto es necesario para aplanar el ancho de banda y el espectro de la señal.

El mapa de bits original que representa al código, no es constante en el tiempo y tiene un largo periodo (se podría decir que aparece con una frecuencia aleatoria).

En cuanto al tipo de codificación, utiliza la PAM-5.

Estándares para Fibra ÓpticaLa versión sobre fibra óptica de estos estandars consigue una velocidad superior, así como abarcar mayor superficie sin necesidad de repetidores.

100BASE-FX

Es una versión de Fast Ethernet sobre fibra óptica. Utiliza un tipo de luz 1300 (NIR; nm near- infrared) que es transmitida a través de dos líneas de fibra óptica multimodo (MMF), una para recepción (RX) y la otra para transmitir (TX).

Para estos casos, la longitud máxima que abarca es de 400 metros para las conexiones half-duplex (para asegurar la detección de colisiones) o 2 kilómetros para full-duplex sobre fibra óptica multimodo (en comparación con los 100 metros sobre cable de cobre).

En cuanto al tipo de codificación utilizada, 100BASE-FX utiliza la misma codificación 4B5B y NRZI que usaba 100BASE-TX.

100BASE-SX

Utiliza dos líneas multimodo de fibra óptica para recibir y transmitir. Se trata de una alternativa de menor coste que 100BASE-FX, ya que usa una longitud de onda más corta, que es mucho menos costoso que la longitud de onda larga utilizada en 100BASE-FX. 100BASE-SX puede trabajar a distancias de hasta 300 metros.

100BASE-SX

Utiliza la misma longitud de onda que la versión de fibra óptica 10BASE-FL. Debido a la corta longitud de onda utilizada (850 nm), se necesitan componentes ópticos menos costosos (LEDs en lugar de láseres), lo que hace que sea una opción atractiva para aquellos que actualicen de 10BASE-FL y los que no exigen largas distancias.

100BASE-BX

Trabaja a través de una sola línea de fibra óptica (a diferencia de 100BASE-FX, que utiliza un par de fibras). Debido a que contamos con una solo línea, se utiliza un multiplexor que divide la señal en dos longitudes diferentes de onda, una para transmitir, y otra para recibir.

Ventajas de Fast Ethernet

Fast Ethernet está basada en el estándar Ethernet por lo que es compatible con cualquier red Ethernet, independientemente del tipo que sea, ya que los adaptadores de red (las tarjetas de red) automáticamente ajustan su velocidad al adaptador más lento, de forma que todos los equipos puedan estar conectados (aunque a costa de perder velocidad).

Puede ser instalada en la mayoría de las redes actuales casi sin cambios en la infraestructura de la red.

Finalmente, Fast Ethernet tiene un bajo coste y es la solución más adoptada de las disponibles en el mercado.