Ethernet y Fast Ethernet

Ethernet y Fast Ethernet

Redes de Altas prestacionesRedes de Altas prestaciones

© Ramón Villahermosa Jiménez

INDICEEthernet: 10 Mbps

Introducción.Implementaciones.El frame Ethernet. (Formato de Trama).Nivel de Enlace.Nivel Físico.Half-duplex Ethernet.Full-duplex Ethernet.Control de flujo, MAC Control en full-duplex Ethernet

INDICE

Fast Ethernet: 100 MbpsIntroducciónSubcapa MAC de Fast Ethernet. Nivel físico.Autonegociación. Implementación.

Bibliografía.Direcciones de interés



INTRODUCCIONEthernet es una especificación para redes de área local. Comprende el nivel físico y el nivel de enlace del modelo de referencia OSI. Se implementa en principio sobre una topología bus serie con mecanismo CSMA/CD para el acceso al medio.Fue desarrollado inicialmente por Xerox y ha sido la base para el desarrollo del estándar IEEE 802.3 que difiere ligeramente de la especificación Ethernet.Ethernet se ha en un estándar “de facto”.Se implementaba originalmente sobre cable coaxial, codificando la señal en banda base mediante el código Manchester. Sin embargo se han desarrollado especificaciones para que la red Ethernet se pueda implementar sobre otros soportes físicos: par trenzado, fibra óptico, etc… y soportando mayores velocidades de transmisión.

INTRODUCCION

INTRODUCCIONEthernet consta de cuatro elementos básicos:

El medio físico: compuesto por los cables y otros elementos de hardware, como conectores, utilizados para transportar la señal entre los computadores conectados a la red.Los componentes de señalización: dispositivos electrónicos estandarizados (transceivers) que envían y reciben señales sobre un canal Ethernet. El conjunto de reglas para acceder el medio: protocolo utilizado por la interfaz (tarjeta de red) que controla el acceso al medio y que le permite a los computadores acceder (utilizar) de forma compartida el canal Ethernet. Existen dos modos: half y full duplex.El frame (paquete) Ethernet: conjunto de bits organizados de forma estándar. El frame es utilizado para llevar los datos dentro del sistema Ethernet. También recibe el nombre de marco o trama



Implementaciones.El IEEE 802.3 define 2 categorías:

Banda base: Especifica una señal digital. (codificación Manchester). Existen 5 estándares distintos: 10Base5, 10Base2, 1Base-T, 1Base5 y 100Base-T.Banda ancha (broad): Especifica una señal analógica (codificación PSK). Existen una sola categoría 10Broad36.

Implementaciones.Especificaciones:

10Base5: Sistema original. Coaxial grueso. Transmisión banda base, 10Mbps y la máxima longitud del segmento es 500 m.10Base2: Coaxial delgado. 10 Mbps, transmisión banda base y la máxima longitud del segmento es de 185 m.1Base5: Par trenzado a 1 Mbps -que no fue muy popular-. Fue reemplazado por 10BaseT, pues tenía mejor desempeño.10Base-T: La “T” quiere decir “twisted”, par trenzado. Opera sobre dos pares de cableados categoría 3 o superior. 10Broad36: Diseñado para enviar señales 10 Mbps sobre un sistema de cable de banda amplia hasta una distancia de 3600 metros (actualmente reemplazado por sistema de fibra óptica).



Formato de trama. (802.3)El corazón del sistema Ethernet es el frame Ethernet utilizado para llevar datos entre los computadores. El “frame” consta de varios bits organizados en varios campos.

Preámbulo: 56 bits (7 bytes) de sincronización. (10101010)SFD: 1 byte, delimitador de inicio del frame (10101011)Destino: 6 bytes, dirección física del nodo destino (MAC address)Origen: 6 bytes, dirección del nodo origenLongitud: 2 bytes, cantidad de bytes en el campo de datosDatos: entre 46 y 1500 bytes, información de las capas superioresCRC: Información de detección de error.

Formato de trama.Entre la emisión de una trama y la siguiente:

Existe un período de tiempo en el que no se transmite nada, de duración equivalente a 12 bytes (por ejemplo 9,6 ns a 10 Mb/s).Su función es separar las tramas consecutivas entre sí. Este hueco entre tramas es el único mecanismo fiable para detectar cuando termina una trama, ya que el campo longitud puede no existir (dependiendo del estándar utilizado).También da un respiro al receptor, que puede necesitar un cierto tiempo al final de una trama para realizar diversas tareas de mantenimiento antes de volver a la escucha.

El estándar 802.3 establece que la trama (entendiendo por trama la parte que va desde dirección de destino hasta el checksum, ambos inclusive):

Longitud mínima de 64 bytes; en caso de que el campo datos sea 46 bytes.La longitud máxima de una trama 802.3 es 1518 bytes.

Formato de trama.(Ethernet V.2)

Fue propuesto inicialmente por Xerox y difiere ligeramente del formato Ethernet 802.3 propuesto posteriormente, por el comité IEEE 802.3.

Preambulo: se le añade el delimitador de inicio de tramaTipo: 2 bytes, especifica el protocolo de la capa superior que ha generado la trama (el de RED)

Ambos formatos de tramas pueden ser utilizados en un mismo sistema Ethernet.Un nodo sabe si el frame es Ethernet V2 ó IEEE 802.3 al revisar los dos bytesque siguen a la dirección origen. Si su valor es más que el hexadecimal 05DC(decimal 1500), entonces es un frame Ethernet V2. Si es menor se asume que ese campo representa la longitud de los datos.



Nivel de Enlace. (MAC)Ethernet es una especificación para redes de área local quecomprende el nivel físico y el nivel de enlace del modelo de referenciaOSI (tán solo la subcapa de MAC).

La subcapa MAC es la responsable de la operación de CSMA/CD. La subcapa MAC recibe las tramas de la subcapa LLC y las pasa a la capafísica para su codificación.

PROTOCOLO CSMA/CD: Portadora Sensible a acceso múltiple con detección de colisiones

Siempre que múltiples usuarios tienen accesso incontrolado a una única línea, existe el peligro de que las señales se solapen y se destruyen entre sí, se denominan colisiones. Por lo tanto una LAN necesita un mecanismo para coordinar el

tráfico, minimizar el número de colisiones. Este mecanismo de acceso al medio usado en una Ethernet se denomina CSMA/CD.

Protocolo CSMA/CD. (I)CSMA/CD funciona como una conversación alrededor de una mesa en un cuarto oscuro.Antes de hablar, cualquier participante debe escuchar por unos segundos para comprobar que nadie está hablando (Carrier Sense).Cuando esto ocurre -nadie habla-, cualquiera tiene oportunidad de hablar (MultipleAccess)Si dos personas comienzan a hablar en el mismo momento, se darán cuenta y dejarán de hablar (Collision Detection)

Protocolo CSMA/CD. (II)Traduciéndolo al mundo Ethernet, cada estación debe esperarhasta que no haya señal sobre el canal, entonces puede comenzar a transmitir.

Si otra interfaz (tarjeta de red) está transmitiendo habrá una señal sobre el canal, de tal forma, que las otras interfaces deben esperar un tiempo (equivalente a trasmitir 12 bytes) hasta que el señal termine, antes de poder transmitir

Es decir, no debe haber carrier durante 9.6 microsegundos en 10Mbps, 960 nanosegundos en 100 Mbps.

Este proceso recibe el nombre de Portadora Sensible.

Protocolo CSMA/CD. (III)Todas las interfaces Ethernet tienen la misma habilidad para enviar tramas sobre el medio. Ninguna tiene prioridad (Acceso Multiple)A la señal le toma un tiempo finito viajar desde un extremo del cable Ethernet al otro.

Dos interfaces pueden escuchar que el canal está libre y comenzar a transmitir simultáneamente (mientras trasmiten deben seguir escuchando)Cuando esto sucede, el sistema Ethernet tiene una forma de sensar la colisión de señales y detener la transmisión (Deteccion de Colisiones) e intentar transmitir después

Colisiones. (I)Si más de una estación intenta trasmitir sobre el canal Ethernet al mismo tiempo, se dice entonces que las señales colisionan.

Al detectar la colisión la estación enviará un mensaje denominado “jam” (32 bits) para “reforzar la colisión”.

Las estaciones son notificadas de este evento e inmediatamente “reprograman” dicha trasmisión utilizando un algoritmo especial de “retroceso exponencial binario truncado”

Cada una de las estaciones involucradas selecciona un intervalo de tiempo aleatorio, múltiplo del tiempo necesario para propagar 512 bits (51.2 microsegundos en 10Mbps ó 5.12 microsegundos en 100 Mbps), para “reprogramar” la trasmisión de la trama, evitando que hagan intentos de retransmisión simultáneos.

Colisiones. (II)Las colisiones son normales dentro del método de acceso al medio e indican que el protocolo CSMA/CD está funcionado como fue diseñado

Al conectar más computadores a la red, el tráfico aumenta y se presentarán más colisionesEl diseño del sistema permite que las colisiones se resuelvan en microsegundosUna colisión normal no implica perdida ni corrupción de datos... Cuando sucede una, la interface espera algunos microsegundos y retransmite automáticamente los datos.

Colisiones. (III)Sobre una red con tráfico intenso, una estación puede experimentar varias colisiones al intentar transmitir una trama (esto también es un comportamiento normal)

Colisiones repetidas para un intento de transmisión de un trama indican una red ocupada (congestionada). Un algoritmo especial (llamado retroceso exponencial binario truncado) permite a las estaciones ajustarse a las condiciones de tráfico de la red cambiando los tiempos de espera entre intentos de retransmisión.Y sólo después de 16 intentos consecutivos de retrasmisiónla trama es descartada (por sobrecarga del canal o porque el canal está “roto”)

Retroceso exponencial binario truncado.

Este algoritmo control de congestión hace los siguiente:Estima un tiempo de espera:

TiempoEspera <- Numero_Aleatorio*Ranura_Tiempo

DondeSlot_Time: es el tiempo para propagar 512 bits (51.2

microsegundos en 10Mbps ó 5.12 microsegundos)Numero_Aleatorio: es un número entero mayor o igual a cero y

menor que 2n

n = número de intentos de retrasmisión para las primeras 10 veces ó n=10 para los intentos número 11, 12, ... hasta 16

Después de 16 intentos el algoritmo reportará un error a las capas superiores y la trama es descartada.

Esquema CSMA/CD.



Nivel físico.El nivel físico se compone de cuatro subcapas: PLS, AUI, MAU y MDI.La subcapa PLS es común a todas las implementaciones. La subcapaAUI puede o no estar presente en algunas implementaciones. MAU y MDI son especificas para cada tipo de medio de transmisión.

Nivel físico.PLS (Subcapa física de Señalización)

Esta subcapa se encarga de codificar y decodificar los datos . La Ethernetde 10 Mbps utiliza una codificación Manchester con una tasa de datos de 10 Mbps.

AUI (Attachment Unit Interface)

Se trata de una especificación que define el interfaz intermedio, independiente de las subcapas PLS y MAU.

La idea era que si en un futuro se quería conectar la subcapa PLS con una subcapa MAU diferente (utilizando un medio diferente) no se tendría que cambiar la PLS.

Nivel físico.

Señales AUI: Se definen cuatro señales. Cada señal es transportada sobre cable par trenzado.

(1) Transmisión: La señal es transportada de la tarjeta de interfaz hacia el transceiver usando codificación Manchester. El voltaje varia desde +0.7 a -0.7 V(2) Recepción: La señal es transportada desde el transceiver hacia la tarjeta de interfaz usando codificación Manchester. El voltaje varía desde 0.7 a -0.7 V. (3) Colisión: Esta señal se envía desde el transceiver hacia la interfaz cuando se produce una colisión en la línea.(4) Tensión: La tensión del transceiver es proporcionada por la tarjeta de interfaz. La tensión es 12 V DC.

Nivel físico.MAU (Medium Attachment Unit, Transceiver)

Se trata de una subcapa que es dependiente del medio. Se encarga de crear las señales apropiadas para cada medio particular.

El tranceiver es un transmisor y un receptor, es decir, transmite y recibe señales del medio. También detecta colisiones.

MDI (Interfaz dependiente del medio)

Se trata de una pieza hardware que conecta el transceivercon el medio.



Half-duplex Ethernet.En una comunicación half-duplex se puede enviar y recibir datos pero no de forma simultanea.

En esta caso el mecanismo de control de acceso al medio esta basado en el protocolo CSMA/CD:

no requiere arbitraje central (las estaciones realizan conjuntamente la función de acceso para determinar el orden en que transmitirán).Las señales son transmitidas serialmente (1 bit a la vez) a un canal compartido. Para enviar datos, esperar a que este desocupado y transmitir los datos en una trama Ethernet.Después de cada transmisión todas las estaciones deben esperar la siguiente oportunidad de transmisión, para asegurar un acceso “justo” al canal.



Full-duplex Ethernet. (I)En full duplex el dispositivo puede envíar y recibir datos simultáneamente (en teoría ofrece el doble de ancho de banda).En full duplex:

No se comparte el segmento físico: sólo se interconectan dos dispositivos.Las dos estaciones deben ser capaces y estar configuradas para trabajar en full duplex.El medio debe tener trayectorias independientes para transmitir y recibir datos que operen de manera simultánea (no se utiliza CSMA/CD)

10BaseT, 10Base-FL, 100BaseTX, 100BaseFX, 1000Base-SX, 1000Base-LX, 1000Base-CX y 1000Base-T pueden usar full duplexEn fibra óptica, los enlaces full duplex pueden ser más largos que en half duplex.¡No existen repetidores full duplex!

Full-duplex Ethernet.Full duplex se utiliza para enlaces entre conmutadores o entre comutador y servidor. Se puede utilizar también en un enlace a un equipo de un usuario.Debe asegurarse que las dos estaciones estén configuradas para full duplex. Si una estación está full duplex y la otra half duplex se pueden presentar problemas de colisiones tardias.Cuando un segmento físico utiliza full duplex, el protocolo CSMA/CD queda deshabilitado y permitiendo utilizar mayores longitudes en los cables de F.O. Por ejemplo en 100Base-FX, que está limitado a 412 m en half duplexpuede llegar hasta 2 Km en full duplex. El aumento de longitud del cable en full duplex NO aplica para cable de cobre.



Control de flujo, Mac Control en Full-duplex.

Full duplex exige un mecanismo de control de flujo entre las estaciones (una estación puede enviar una mayor cantidad de datos que lo que la otra puede guardar en el buffer de su interface de red)Para ello se utiliza una especificación de un mecanismo de control de acceso al medio (MAC) “opcional” que permite, entre otras cosas, enviar un mensaje para control del flujo llamado PAUSE.Este comando se añade en una nueva subcapa, denominada MAC Control, añadida entre las subcapasLLC y MAC.En otras palabras, la capa de enlace queda ahora dividida en tres subcapas: LLC, MAC Control, MAC. La subcapa MAC control es opcional, lo cual que quiere decir su implementación es dejada en manos del fabricante.

Control de flujo, MAC Control en Full-duplex.

El sistema PAUSE de control de flujo sobre un enlace full duplex utiliza las tramas de control MAC para transportar los comandos PAUSE.

Control de flujo, MAC Control en Full-duplex.

Las tramas de control MAC se identifican porque el valor de tipo es 0x8808.Estas tramas tienen códigos de operación (opcodes) en el campo de datos. El tamaño de estas tramas se fija al mínimo establecido en el estándar (es decir 46 bytes de carga útil).El código de operación está en los dos primeros bytes del campo de datos.El opcode para el comando PAUSE es 0x0001.Sólo las estaciones configuradas para operación full duplex pueden enviar tramas PAUSE.Las tramas que envían el comando PAUSE llevan como dirección MAC destino 01:80:c2:00:00:01 (una dirección multicast). Esta dirección ha sido reservada para PAUSE.Además del opcode, el comando PAUSE lleva en dos bytesel tiempo que se desea se haga la pausa.

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INTRODUCCIONLa Fast-Ethernet es una versión de Ethernet con una tasa de datos de 100 Mbps. No hay ningún cambio con el formato de trama, ni con el método de acceso. Los únicos dos cambios en el nivel MAC son la tasa de datos y el dominio de colisión. La tasa de datos se incrementa en un factor de 10 y el dominio de colisión se disminuye en factor de 10. Además es full-duplex, en contraposición a Ethernet10Mbps.

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Fast Ethernet: 100 MbpsIntroducciónSubcapa MAC de Fast Ethernet.Nivel físico.Autonegociación. Implementación.


Subcapa MAC.La idea de evolución de Ethernet 10 Mbps a 100 Mbps se basa en mantener sin afectar la subcapa MAC. El método de acceso es el mismo (CSMA/CD) que en Ethernet 10 Mbps. Por supuesto, para Fast-Ethernet full-duplex, no hay necesidad de CSMA/CD. Sin embargo, las implementaciones mantienen CSMA/CD con el propósito de mantener la compatibilidad con Ethernet tradicional. El formato de la trama, la longitud mínima y máxima de la trama y el direccionamiento es el mismo que para Ethernet10 Mbps. Tan sólo existen cambios en el “ranura de tiempo” y en la longitud máxima de la red. (colision domain).

Subcapa MAC.Slot time y longitud max.

El “slot time” en Fast-Ethernet fue conservado en 512 bits para evitar cambios en la mínima longitud de la trama. Como lata tasa de transmisión 100 Mbps tardarán 5,12 microsegundos.Por lo tanto el “slot time” se reduce en un factor de 10, es decir, la colisión es detectada 10 veces más temprano.Tal como en Ethernet de 10 Mbps, hay una relación entre la máxima longitud de la red y el tiempo de la ranura.MaxLength = PropagationSpedd * (SlotTime/2) = 512 mconsiderar los retrasos en repetidores, interfaces y el tiempo necesario para enviar la secuencia “jam”. Esto quiere decir que la longitud se acorta tremendamente. De hecho, la máxima longitud de la red para Fast-Ethernet es menos de 250 m, cuál es solo el 48 % de lo calculado teóricamente.

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Nivel físico.La capa física está compuesta de cuatro subcapas: Reconcilition, MII,

PHY, y MDI. Reconciliation es común en todas las implementaciones. El PHY y MDI son dependiente del medio.

Nivel físico.Reconciliation

Sustituye la subcapa PLS en la Ethernet de 10Mbps. La codificación y descodificación es transladada a la subcapa PHY(transceiver) porque la codificación en Fast-Ethernet depende del medio.

Es responsable de realizar la conversión de la información en formato de 4 bits para el MII

MII (Interfaz Independiente del medio)

En el diseño de Fast Ethernet, la AUI fue reemplazada con la MII.

- Funciona tanto a 10 Mbps como a 100 Mbps. En otras palabras, es compatible con el AUI.-Presenta un camino paralelo (4 bits simultáneamente) de datos entre el subcapa PHY y Reconciliation. -Gestion de señal: Señal serie, ambas direcciones, sincronizacion la gestion de I/O.

Nivel físico.PHY (Transceiver)

En este caso el transceiver el que tiene la responsabilidad de la codificación y la decodificación, porque la codificación en Fast-Ethernet depende del medio

MDI (Interfaz Dependiente del medio)

Conecta el transceiver con el medio.

Se trata de una pieza hardware que es implementada especificamente.

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Autonegociación. (I)Permite que los dispositivos de red intercambien información sobre la forma en que pueden usar el medio, es decir que permite que los dispositivos se autoconfiguren. Como mínimo, la autonegociación debe permitir a los dispositivos con múltiples velocidades negociar la velocidad y buscar la mejor. La autonegociación, es opcional: incluso se puede deshabilitar en concentradores e interfaces de red si se desea (no existe norma, así que la implementación de full duplex depende del vendedor)También permite negociar el tipo de operación: Full duplex o half duplex.

Autonegociación. (II)

Cuando dos dispositivos tienen capacidad de autonegociación, ellos buscan el modo de desempeño más alto.El acuerdo tiene lugar con el siguiente orden de prioridades.

Autonegociación. (III)La autonegociación puede causar problemas en algunos casos. Por ejemplo, supongamos que conectamos mediante cableado categoría 3 dos equipos que soportan 100BASE-TX y 100BASE-T4; las señales de autonegociación, que tienen unos requerimientos ínfimos en cuanto a la calidad del cableado, se transmiten perfectamente en cableado categoría 3, pero no verifican o miden su categoría (ya que esto sería técnicamente muy costoso). Por tanto la negociación dará como resultado 100BASE-TX. Una conexión 100BASE-TX sobre cableado categoría 3 no funcionará o lo hará con muchísimos errores. En este caso será necesario configurar manualmente los equipos y forzar el uso de 100BASE-T4para que la red funcione correctamente. Afortunadamente esta situación se da raramente ya que muy pocos equipos implementan 100BASE-T4.

Autonegociación. (IV)

Bit TecnologíaA0 10BASE-TA1 10BASET, full duplexA2 100BASE-TXA3 100BASE-TX, full duplexA4 100BASE-T4A5 PAUSE (para control de flujo)A6 ReservadoA7 Reservado

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Fast Ethernet: 100 MbpsIntroducciónSubcapa MAC de Fast Ethernet. Nivel físico.Autonegociación.Implementación.


Implementaciones.

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Bibliografia.

Forouzan. Mac-Graw Hill. “Transmisión de datos y redes de comunicaciones”.Forouzan. Internacional Edition. “Local Area Networks”Stallings. Pretince Hall. “Comunicaciones y redes de computadores”.Tanenbaum. Pearson. “Redes de Computadoras”Ethernet: The Definitive Guide

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Direcciones.

http://ingteleco.iespana.eshttp://www.eui.upv.es/ineit-mucon/Applets/TutorialEthernet/http://www.consulintel.es/Html/Tutoriales/Lantronix/tutor_lantr.htmhttp://www.geocities.com/Paris/Arc/7824/Remodelacion/cursos.htmlhttp://www.bellereti.com/ethernet/ethernet.html

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