Fundamentos de Ethernet IEEE 802.3: Funcionamiento y Protocolo CSMA/CD

Ethernet IEEE 802.3: Estándar de Redes LAN

El estándar Ethernet DIX (desarrollado por DEC, Intel y Xerox) es el estándar de redes de área local (LAN) más utilizado. Originalmente, este Ethernet experimental se patentó alcanzando una velocidad de 2,85 Mbps sobre cable coaxial en topología de bus. Posteriormente, el IEEE lo estandarizó bajo la denominación IEEE 802.3, definiendo un protocolo de acceso al medio por contienda conocido como CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection), utilizando señalización Manchester a 20 MHz.

Funcionamiento del protocolo CSMA/CD

En el protocolo CSMA/CD, las estaciones escuchan el medio antes de transmitir y continúan escuchando mientras transmiten para detectar posibles colisiones.

Reglas de CSMA/CD

• Medio libre: Se procede a la transmisión.
• Medio ocupado: La estación espera hasta que el medio esté libre para transmitir.
• Detección de colisión: Si se detecta una colisión durante la transmisión, la estación emite una señal de 32 bits (jam signal) para avisar al resto de los nodos y cesa la transmisión.
• Reintento: Para volver a transmitir, se espera un tiempo determinado dictado por la regla de Retroceso Exponencial Binario.

Retroceso Exponencial Binario y Ranura de Tiempo

Este mecanismo se basa en el concepto de ranura de tiempo (slot time), que corresponde al doble del tiempo que tarda una señal en recorrer la longitud máxima teórica entre dos nodos. El método de retransmisión sigue estas reglas:

1. Tras la 1ª colisión, se espera 0 o 1 ranura.
2. Tras i colisiones (donde i ≤ 10), se espera un número aleatorio de ranuras entre 0 y 2ⁱ-1.
3. Desde la 11ª a la 16ª colisión, se espera un máximo de 2¹⁰ ranuras.
4. Después de la 16ª colisión, se aborta la operación.

Detección de Colisiones

• Topología de bus: La colisión produce una señal de mayor tensión; por tanto, se detecta si la señal del cable es mayor que la señal presente con una única estación.
• Topología física en estrella (unidos por hub): Si hay actividad en más de un puerto a la vez, se considera que se ha producido una colisión.

Comparación de Tramas: DIX vs. 802.3

• DIX: Preambulo (8 bytes), Destino (6 bytes), Origen (6 bytes), Tipo (2 bytes), Datos (0-1500 bytes), Relleno (0-46 bytes), FCS (2 o 4 bytes).
• 802.3: Preambulo (7 bytes), SOF (1 byte), Destino, Origen, Longitud (2 bytes), Datos, Relleno, FCS (4 bytes).

Notas técnicas sobre los campos

• SOF (Start of Frame): Delimitador de comienzo de trama.
• Dirección de destino: Si comienza por 0 es unicast, si es 1 es multicast. El segundo bit indica si es global (0) o local (1). Si todos los bits son 1, es broadcast.
• Campos Tipo (DIX) o Longitud (802.3): Si el valor de 2 bytes es < 0x0600, se interpreta como campo de longitud; si es ≥ 0x0800, es campo de tipo (DIX).
• Relleno: Se utiliza para completar la trama cuando no alcanza los 64 bytes mínimos.
• FCS (Frame Check Sequence): Es un CRC de 32 bits calculado sobre todos los campos, excepto el preámbulo y el propio FCS.