Cisco CCNA 9

Ethernet opera en la capa 1 y capa 2 aun que en realidad sólo se implementa en la mitad inferior de la capa de Enlace de datos, que se conoce como subcapa Control de acceso al medio (Media Access Control, MAC), y la capa física.

Ethernet en la Capa 1 implica señales, streams de bits que se transportan en los medios, componentes físicos que transmiten las señales a los medios y distintas topologías. La subcapa MAC se ocupa de los componentes físicos que se utilizarán para comunicar la información y prepara los datos para transmitirlos a través de los medios.

9.1.3. Control de enlace logico (LLC)

Ethernet separa las funciones de la capa de Enlace de datos en dos subcapas diferenciadas: la subcapa Control de enlace lógico (LLC) y la subcapa Control de acceso al medio (MAC).

El Control de enlace lógico (LLC) se encarga de:

• Establece la conexión con las capas superiores y la capa inferior (generalmente el hardware)

• Entrama el paquete de capa superior de la capa de red, añadiendo informacion de control para ayudar a la entrega de la trama.

• Identifica el protocolo de la capa de red

• Permananece relativamente independiente del equipo fisico

La utilización de dichas subcapas contribuye notablemente a la compatibilidad entre diversos dispositivos finales.

9.1.4 Envio de los Datos. Control de Acceso al Medio - MAC

La MAC es la subcapa inferior de Ethernet de la capa 2. El hardware implementa el Control de acceso al medio, generalmente en la Tarjeta de interfaz de red (NIC).

La subcapa MAC de Ethernet tiene dos responsabilidades principales:

1. Encapsulación de datos

La encapsulación de datos proporciona tres funciones principales:

• Delimitación de trama

• Direccionamiento

• Detección de errores

La capa MAC agrega un encabezado y un tráiler a la PDU de Capa 3. La utilización de tramas facilita la transmisión de bits a medida que se colocan en los medios y la agrupación de bits en el nodo receptor.

El proceso de entramado ofrece delimitadores importantes que se utilizan para identificar un grupo de bits que componen una trama. Este proceso ofrece una sincronización entre los nodos transmisores y receptores.

Cada encabezado Ethernet agregado a la trama contiene la dirección física (dirección MAC) que permite que la trama se envíe a un nodo de destino dentro de la red local.

Una función adicional de la encapsulación de datos es la detección de errores. Cada trama de Ethernet contiene un tráiler con una comprobación cíclica de redundancia (CRC) de los contenidos de la trama. Una vez que se recibe una trama, el nodo receptor crea una CRC para compararla con la de la trama. Si estos dos cálculos de CRC coinciden, puede asumirse que la trama se recibió sin errores.

1. Control de acceso al medio

La MAC controla la colocación de tramas en los medios y el retiro de tramas de los medios, es decir, se encarga de administrar el control de acceso al medio. Esto incluye el inicio de la transmisión de tramas y la recuperación por fallo de transmisión debido a colisiones.

• Topología lógica

La topología lógica subyacente de Ethernet es un bus de multiacceso. Esto significa que todos los nodos (dispositivos) en ese segmento de la red comparten el medio, es decir, que todos los nodos de ese segmento reciben todas las tramas transmitidas por cualquier nodo de dicho segmento.

Debido a que todos los nodos reciben todas las tramas, cada nodo debe determinar si debe aceptar y procesar una determinada trama.

El método de control de acceso a los medios para Ethernet clásica es el Acceso múltiple con detección de portadora con detección de colisiónes (CSMA/CD). Este método se describe más adelante en este capítulo.

9.1.5 Implementaciones fisicas de Ethernet

La mayor parte del tráfico en Internet se origina y termina en conexiones de Ethernet

El éxito de Ethernet se debe a los siguientes factores:

• Simplicidad y facilidad de mantenimiento

• Capacidad para incorporar nuevas tecnologías

• Confiabilidad

• Bajo costo de instalación y de actualización

Ya que se trata de una tecnología asociada con la capa física, Ethernet especifica e implementa los esquemas de codificación y decodificación que permiten el transporte de los bits de trama como señales a través de los medios. Los dispositivos Ethernet utilizan una gran variedad de especificaciones de cableado y conectores.

En las redes actuales, la Ethernet utiliza cables de cobre UTP y fibra óptica para interconectar dispositivos de red a través de dispositivos intermediarios como hubs y switches. Dada la diversidad de tipos de medios que Ethernet admite, la estructura de la trama de Ethernet permanece constante a través de todas sus implementaciones físicas. Es por esta razón que

puede evolucionar hasta cumplir con los requisitos de red actuales.

9.2.1 Ethernet Historica

Los cimientos de la tecnología Ethernet se fijaron por primera vez en 1970 mediante un programa llamado Alohanet. Alohanet era una red de radio digital diseñada para transmitir información por una frecuencia de radio compartida entre las Islas de Hawai.

La Ethernet se diseñó para aceptar múltiples computadoras que se interconectaban en una topología de bus compartida.

La primera versión de Ethernet incorporaba un método de acceso al medio conocido como Acceso múltiple por detección de portadora y detección de colisiones (CSMA/CD).

Las primeras versiones de Ethernet utilizaban cable coaxial para conectar computadoras en una topología de bus. Cada computadora se conectaba directamente al backbone. Estas primeras versiones de Ethernet se conocían como Thicknet (10BASE5 - cable coaxial gordo hasta 500 mts) y Thinnet (10BASE2 - Cable coaxial fino hasta 185 mts).

La capacidad de migrar la implementación original de Ethernet a las implementaciones de Ethernet actuales y futuras se basa en la estructura de la trama de Capa 2, que prácticamente no ha cambiado. Los medios físicos, el acceso al medio y el control del medio han evolucionado y continúan haciéndolo. Pero el encabezado y el tráiler de la trama de Ethernet han permanecido constantes en términos generales.

Los medios físicos originales de cable coaxial grueso y fino se reemplazaron por categorías iniciales de cables UTP. En comparación con los cables coaxiales, los cables UTP eran más fáciles de utilizar, más livianos y menos costosos.

9.2.2 Administracion de colisiones en Ethernet

Ethernet antigua

En redes 10BASE-T, el punto central del segmento de red era generalmente un hub. Esto creaba un medio compartido. Debido a que el medio era compartido, sólo una estación a la vez podía realizar una transmisión de manera exitosa. Este tipo de conexión se describe como comunicación half-duplex.

A medida que se agregaban más dispositivos a una red Ethernet, la cantidad de colisiones de tramas aumentaba notablemente. Durante los períodos de poca actividad de comunicación, las pocas colisiones que se producían se administraban mediante el CSMA/CD, con muy poco impacto en el rendimiento, en caso de que lo hubiera. Sin embargo, a medida que la cantidad de dispositivos y el consiguiente tráfico de datos aumenta, el incremento de las colisiones puede producir un impacto significativo en la experiencia del usuario.

Ethernet actual

Un desarrollo importante que mejoró el rendimiento de la LAN fue la introducción de los switches para reemplazar los hubs en redes basadas en Ethernet. Este desarrollo estaba estrechamente relacionado con el desarrollo de Ethernet 100BASE-TX. Los switches pueden controlar el flujo de datos mediante el aislamiento de cada uno de los puertos y el envío de una trama sólo al destino correspondiente (en caso de que se lo conozca) en vez del envío de todas las tramas a todos los dispositivos.

El switch reduce la cantidad de dispositivos que recibe cada trama, lo que a su vez disminuye o minimiza la posibilidad de colisiones. Esto, junto con la posterior introducción de las comunicaciones full-duplex (que tienen una conexión que puede transportar señales transmitidas y recibidas al mismo tiempo), permitió el desarrollo de Ethernet de 1 Gbps y más.

Ethernet más allá de la LAN

Las mayores distancias de cableado habilitadas por el uso de cables de fibra óptica en redes basadas en Ethernet disminuyeron las diferencias entre las LAN y las WAN. La Ethernet se limitaba originalmente a sistemas de cableado LAN dentro de un mismo edificio y después se extendió a sistemas entre edificios. Actualmente, puede aplicarse a través de toda una ciudad mediante lo que se conoce como Red de área metropolitana (MAN).

9.3.1. La Trama: Encapsulacion del paquete

La estructura de la trama de Ethernet agrega encabezados y tráilers a la PDU de Capa 3 para encapsular el mensaje que se envía.

Tanto el encabezado como el tráiler de Ethernet tienen varias secciones de información que el protocolo Ethernet utiliza. Cada sección de la trama se denomina campo.

Hay dos estilos de tramas de Ethernet: el IEEE 802.3 (original) y el IEEE 802.3 revisado (Ethernet).

Las diferencias entre los estilos de tramas son mínimas. La diferencia más significativa entre el IEEE 802.3 (original) y el IEEE 802.3 revisado es el agregado de un delimitador de inicio de trama (SFD) y un pequeño cambio en el campo Tipo que incluye la Longitud, tal como se muestra en la figura.

Longitud del campo en bytes

Tamaño de la trama de Ethernet

El estándar Ethernet original definió el tamaño mínimo de trama en 64 bytes y el tamaño máximo de trama en 1518 bytes. Esto incluye todos los bytes del campo Dirección MAC de destino a través del campo Secuencia de verificación de trama (FCS). Los campos Preámbulo y Delimitador de inicio de trama no se incluyen en la descripción del tamaño de una trama. El estándar IEEE 802.3ac, publicado en 1998, amplió el tamaño de trama máximo permitido a 1522 bytes. Se aumentó el tamaño de la trama para que se adapte a una tecnología denominada Red de área local virtual (VLAN).

Si el tamaño de una trama transmitida es menor que el mínimo o mayor que el máximo, el dispositivo receptor descarta la trama. Es posible que las tramas descartadas se originen en colisiones u otras señales no deseadas y, por lo tanto, se consideran no válidas.

Campos de la Trama de Ethernet

1. Campos Preámbulo y Delimitador de inicio de trama

Los campos Preámbulo (7 bytes) y Delimitador de inicio de trama (SFD) (1 byte) se utilizan para la sincronización entre los dispositivos de envío y de recepción.Básicamente, los primeros bytes le indican al receptor que se prepare para recibir una trama nueva.

1. Campo Dirección MAC de destino

El campo Dirección MAC de destino (6 bytes) es el identificador del receptor deseado. Como recordará, la Capa 2 utiliza esta dirección para ayudar a los dispositivos a determinar si la trama viene dirigida a ellos. La dirección de la trama se compara con la dirección MAC del dispositivo. Si coinciden, el dispositivo acepta la trama.

1. Campo Dirección MAC de origen

El campo Dirección MAC de origen (6 bytes) identifica la NIC o interfaz que origina la trama. Los switches también utilizan esta dirección para ampliar sus tablas de búsqueda.

1. Campo Longitud/Tipo

El campo Longitud/Tipo (2 bytes) define la longitud exacta del campo Datos de la trama. Esto se utiliza posteriormente como parte de la FCS para garantizar que el mensaje se reciba adecuadamente. En este campo debe ingresarse una longitud o un tipo. Sin embargo, sólo uno u otro podrá utilizarse en una determinada implementación. Si el objetivo del campo es designar un tipo, el campo Tipo describe qué protocolo se implementa.

El campo denominado Longitud/Tipo sólo aparecía como Longitud en las versiones anteriores del IEEE y sólo como Tipo en la versión DIX. Estos dos usos del campo se combinaron oficialmente en una versión posterior del IEEE, ya que ambos usos eran comunes. El campo Tipo de la Ethernet II se incorporó a la actual definición de trama del 802.3. La Ethernet II es el formato de trama de Ethernet que se utiliza en redes TCP/IP. Cuando un nodo recibe una trama, debe analizar el campo Longitud/Tipo para determinar qué protocolo de capa superior está presente. Si el valor de los dos octetos es equivalente a 0x0600 hexadecimal o 1536 decimal o mayor que éstos, los contenidos del campo Datos se codifican según el protocolo indicado.

1. Campos Datos y Relleno

Los campos Datos y Relleno (de 46 a 1500 bytes) contienen los datos encapsulados de una capa superior, que es una PDU de Capa 3 genérica .Todas las tramas deben tener al menos 64 bytes de longitud. Si se encapsula un paquete pequeño, el Pad se utiliza para aumentar el tamaño de la trama hasta alcanzar este tamaño mínimo.

1. Campo Secuencia de verificación de trama

El campo Secuencia de verificación de trama (FCS) (4 bytes) se utiliza para detectar errores en la trama. Utiliza una comprobación cíclica de redundancia (CRC

El dispositivo receptor recibe la trama y genera una CRC para detectar errores. Si los cálculos coinciden, significa que no se produjo ningún error. Los cálculos que no coinciden indican que los datos cambiaron y, por consiguiente, se descarta la trama.

9.3.2 La direccion Mac en Ethernet

Se creó un identificador para ayudar a determinar las direcciones de origen y destino dentro de una red Ethernet. La dirección MAC se agrega como parte de una PDU de Capa 2. Una dirección MAC de Ethernet es un valor binario de 48 bits expresado como 12 dígitos hexadecimales.

• Estructura de la dirección MAC

El IEEE le asigna a cada proveedor un código de 3 bytes, denominado Identificador único organizacional (OUI) y que es unico para cada proveedor.

La direccion MAC es dividida en 2 partes:

1. La OUI (Identificador Exclusivo de Organización

Que son los 3 bytes mas significativos y que es el numero que la IEEE a asignado de forma unaica a cada fabricante

1. Numero de serie

Esta representado por los 3 bytes de menor peso dentro de la direccion, e identifican un dispositivo dentro de un determinado fabricante.Una direccion MAC con un OUI no puede repetir la direccion del Numero de serie.

La dirección MAC se encuentra grabada en la ROM (Memoria de sólo lectura) de la NIC. Esto significa que la dirección se codifica en el chip de la ROM de manera permanente (el software no puede cambiarla).

Cuando el dispositivo de origen reenvía el mensaje a una red Ethernet, se adjunta la información del encabezado dentro de la dirección MAC. El dispositivo de origen envía los datos a través de la red. Cada NIC de la red visualiza la información para determinar si la dirección MAC coincide con su dirección física. Si no hay coincidencia, el dispositivo descarta la trama. Cuando la trama llega al destino donde la MAC de la NIC coincide con la MAC de destino de la trama, la NIC pasa la trama hasta las capas OSI (Interconexión de sistema abierto), donde se lleva a cabo el proceso de desencapsulación.

Direccionamiento

-La dirección de capa de red (Direccion logica) permite el envío del paquete a su destino.

-La dirección de capa de enlace de datos (direccion fisica MAC) permite el transporte del paquete utilizando los medios locales a través de cada segmento.

9.3.5 Ethernet Unicast, Multicast y Broadcast

En Ethernet se utilizan distintas direcciones MAC para la capa 2: comunicaciones unicast, multicast y broadcast.

1. Unicast

Una dirección MAC unicast es la dirección exclusiva que se utiliza cuando se envía una trama desde un dispositivo de transmisión único hacia un dispositivo de destino único.

El encabezado del paquete IP debe contener una dirección IP de destino y el encabezado de la trama de Ethernet también debe contener una dirección MAC de destino. La dirección IP y la dirección MAC se combinan para enviar datos a un host de destino específico.

1. Broadcast

Con broadcast, el paquete contiene una dirección IP de destino con todos unos (1) en la porción de host. Esta numeración en la dirección significa que todos los hosts de esa red local (dominio de broadcast) recibirán y procesarán el paquete.

Una dirección IP de broadcast para una red necesita un dirección MAC de broadcast correspondiente en la trama de Ethernet. En redes Ethernet, la dirección MAC de broadcast contiene 48 unos que se muestran como el hexadecimal FF-FF-FF-FF-FF-FF.

Este tipo de tramas lo utilizan protocolos como DHCP y ARP.

1. Multicast

Permiten a un dispositivo de origen enviar un paquete a un grupo de dispositivos.

Una dirección IP de grupo multicast se asigna a los dispositivos que pertenecen a un grupo multicast. El intervalo de direcciones multicast es de 224.0.0.0 a 239.255.255.255. Debido a que las direcciones multicast representan un grupo de direcciones (a veces denominado un grupo de hosts), sólo pueden utilizarse como el destino de un paquete.

La dirección MAC multicast es un valor especial que comienza con 01-00-5E en hexadecimal. El valor termina con la conversión de los 23 bits inferiores de la dirección IP del grupo multicast en los 6 caracteres hexadecimales restantes de la dirección de Ethernet. El bit restante en la dirección MAC es siempre "0".

Un ejemplo, es el 01-00-5E-00-00-0A. Cada caracter hexadecimal es 4 bits binarios.

9.4.1 Control de Acceso al Medio en Ethernet

En un entorno de medios compartidos, todos los dispositivos tienen acceso garantizado al medio, pero no tienen ninguna prioridad en dicho medio. Si más de un dispositivo realiza una transmisión simultáneamente, las señales físicas colisionan y la red debe recuperarse para que pueda continuar la comunicación.

Ethernet utiliza el acceso múltiple por detección de portadora y detección de colisiones (CSMA/CD) para detectar y manejar colisiones y para administrar la reanudación de las comunicaciones.

Cuando un dispositivo detecta que ninguna otra computadora está enviando una trama o una señal portadora, el dispositivo transmitirá en caso de que tenga algo para enviar.

1. Detección de portadora

En el método de acceso CSMA/CD, todos los dispositivos de red que tienen mensajes para enviar deben escuchar antes de transmitir,si un dispositivo detecta una señal de otro dispositivo, esperará durante un período especificado antes de intentar transmitir.

Cuando no se detecte tráfico, un dispositivo transmitirá su mensaje. Mientras se lleva a cabo la transmisión, el dispositivo continúa escuchando para detectar tráfico o colisiones en la LAN. Una vez que se envía el mensaje, el dispositivo regresa a su modo de escucha predeterminado.

1. Multiacceso

Como los medios son compartidos, puede ocurrir, que debido a la latencia 2 dispositivos transmitan a la vez, las señales se propagan por los medios hasta que se encuentran y se mezclan y el mensaje se destruye (colision de datos), pero la la señal sigue propagandose por los medios.

1. Detección de colisiones

La detección de una colisión es posible porque todos los dispositivos pueden detectar un aumento de la amplitud de la señal por encima del nivel normal.

Una vez detectada la colisión, todos los dispositivos transmisores continuarán transmitiendo para garantizar que todos los dispositivos de la red detecten la colisión.

1. Señal de congestión y postergación aleatoria

Cuando los dispositivos de transmisión detectan la colisión, envían una señal de congestión. Esta señal interferente se utiliza para notificar a los demás dispositivos sobre una colisión, de manera que éstos invocarán un algoritmo de postergación. Este algoritmo de postergación hace que todos los dispositivos dejen de transmitir durante un período aleatorio, lo que permite que las señales de colisión disminuyan. Una vez que finaliza el retraso asignado a un dispositivo, dicho dispositivo regresa al modo "escuchar antes de transmitir". El período de postergación aleatoria garantiza que los dispositivos involucrados en la colisión no intenten enviar su tráfico nuevamente al mismo tiempo, lo que provocaría que se repita todo el proceso.

Hub y dominios de colisiones

Los hubs, que también se conocen como repetidores multipuerto, retransmiten las señales de datos recibidas a todos los dispositivos conectados, excepto a aquél desde el cual se reciben las señales. Los hubs no desempeñan funciones de red tales como dirigir los datos según las direcciones.

Los hubs y los repetidores son dispositivos intermediarios que extienden la distancia que pueden alcanzar los cables de Ethernet. Debido a que los hubs operan en la capa física, ocupándose únicamente de las señales en los medios, pueden producirse colisiones entre los dispositivos que conectan y dentro de los mismos hubs.

Además, la utilización de hubs para proporcionar acceso a la red a una mayor cantidad de usuarios reduce el rendimiento para cada usuario, ya que debe compartirse la capacidad fija de los medios entre cada vez más dispositivos.

Dominio de colisiones o Segmento de Red

Los dispositivos conectados que tienen acceso a medios comunes a través de un hub o una serie de hubs conectados directamente.Por lo tanto, los hubs y repetidores tienen el efecto de aumentar el tamaño del dominio de colisiones. Es la zona de la red donde se ve la colision , en esta zona de la red se para la red, mientras que en el resto de dominios de colision la red sigue funcionando.

9.4.3 Temporizacion de Ethernet

1. Latencia

El es tiempo que requiere una señal electrica para propagarse de un dispositivo a otro. Cada dispositivo intermediario (hub o repetidor) en la ruta de la señal agrega latencia a medida que envía los bits desde un puerto al siguiente.

Este retardo acumulado aumenta la probabilidad de que se produzcan colisiones.

1. Temporización y sincronización

En modo half-duplex, si no se produce una colisión, el dispositivo emisor transmitirá 64 bits de información de sincronización de temporización, lo que se conoce como el Preámbulo. El dispositivo emisor transmitirá a continuación la trama completa.

La Ethernet con velocidades de transmisión (throughput) de 10 Mbps y menos es asíncrona. Una comunicación asíncrona en este contexto significa que cada dispositivo receptor utilizará los 8 bytes de información de temporización para sincronizar el circuito receptor con los datos entrantes y a continuación descartará los 8 bytes.

Las implementaciones de Ethernet con velocidades de transmisión (throughput) de

100 Mbps y más son síncronas (utilizan los cliclos del reloj para la sincronizacion). La comunicación síncrona significa que la información de temporización no es necesaria. Sin embargo, por razones de compatibilidad, los campos Preámbulo y Delimitador de inicio de trama (SFD) todavía están presentes.

1. Tiempo de bit

Es el tiempo que esta presente un bit (es el tiempo para que un bit pueda colocarse y detectarse en el medio).

En Ethernet de 10 Mbps, un bit requiere de 100 nanosegundos (ns) para ser transmitido.

A 100 Mbps, ese mismo bit requiere de 10 ns para ser transmitido.

Y a 1000 Mbps, sólo se requiere 1 ns para transmitir un bit.

A 1000 Mbps, ajustes especiales son necesarios porque 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 el modo half-duplex en la Ethernet de 10 Gigabits.

Estas consideraciones de temporización deben aplicarse al espacio entre las tramas y a los tiempos de postergación para asegurar que cuando un dispositivo transmita su próxima trama, se ha reducido al mínimo el riesgo de que se produzca una colisión.

1. Intervalo de tiempo

Es tl tiempo que le lleva a un impulso electrico recorrer la longitud de la distancia maxima teorica entre dos nodos.Tambien es el tiempo que espera un dispositivo antes de volver a transmitir despues de una colision.

En Ethernet half-duplex, donde los datos sólo pueden viajar en una dirección a la vez, el intervalo de tiempo se convierte en un parámetro importante para determinar cuántos dispositivos pueden compartir una red.

Para todas las velocidades de transmisión de Ethernet de o por debajo de 1000 Mbps, el estándar describe cómo una transmisión individual no puede ser menor que el intervalo de tiempo.

La determinación del intervalo de tiempo es una compensación entre la necesidad de reducir el impacto de la recuperación en caso de colisión (tiempos de postergación y retransmisión) y la necesidad de que las distancias de red sean lo suficientemente grandes como para adaptarse a tamaños razonables de red.

El compromiso fue elegir un diámetro de red máximo (2500 metros aproximadamente) para después establecer la longitud mínima de una trama que fuera suficiente como para garantizar la detección de todas las peores colisiones.

El intervalo de tiempo para Ethernet de 10 y 100 Mbps es de 512 tiempos de bit o 64 octetos. El intervalo de tiempo para Ethernet de 1000 Mbps es de 4096 tiempos de bit o 512 octetos.

• El intervalo de tiempo es un parámetro importante por las siguientes razones:

El intervalo de tiempo de 512 bits establece el tamaño mínimo de una trama de Ethernet en 64 bytes. Cualquier trama con menos de 64 bytes de longitud se considera un "fragmento de colisión" o "runt frame" y las estaciones receptoras la descartan automáticamente.

• El intervalo de tiempo determina un límite para el tamaño máximo de los segmentos

de una red. Si la red crece demasiado, pueden producirse colisiones tardías. La colisiones tardías se consideran una falla en la red, porque un dispositivo detecta la colisión demasiado tarde durante la transmisión de tramas y será manejada automáticamente mediante CSMA/CD.

El intervalo de tiempo real calculado 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. Ver la figura.

Para que el sistema funcione correctamente, el primer dispositivo debe estar al tanto de la colisión antes de que termine de enviar la trama legal de menor tamaño.

Para que una Ethernet de 1000 Mbps pueda operar en modo half-duplex, se agregó a la trama el campo de extensión cuando se envían tramas pequeñas, con el sólo fin de mantener ocupado al transmisor durante el tiempo que sea necesario para que vuelva un 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 del intervalo de tiempo. El dispositivo receptor descarta los bits de extensión.

9.4.4 Espacio entre tramas y postergacion

1. Espacio entre tramas y postergacion

Es el espacio minimo entre dos tramas que no hayan sufrido una colision, esto otorga al medio tiempo para estabilizarse antes de la transmisión de la trama anterior y tiempo a los dispositivos para que procesen la trama.Se mide desde el último bit del campo FCS de una trama hasta el primer bit del Preámbulo de la próxima trama.

Una vez enviada la trama, todos los dispositivos de una red Ethernet deben esperar un mínimo de 96 tiempos de bit antes de que cualquier dispositivo pueda transmitir la siguiente trama.

1. Señal de congestion

Tan pronto como se detecta una colisión, los dispositivos transmisores envían una señal de congestión de 32 bits que la impone. Esto garantiza que todos los dispositivos de la LAN detectarán la colisión.

Es importante que la señal de congestión no se detecte como una trama válida; de lo contrario, no podría identificarse la colisión.

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 longitud y, por lo tanto, reprueban tanto la prueba de longitud mínima como la FCS, lo que facilita su identificación.

1. Temporizacion de postergacion

Una vez producida la colisión y que todos los dispositivos permitan que el cable quede inactivo (cada uno espera que se cumpla el espacio completo entre tramas), los dispositivos cuyas transmisiones 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. El período de espera se mide en incrementos del intervalo de tiempo del parámetro.

Si la congestión en los medios provoca que la capa MAC no pueda enviar la trama después de 16 intentos, abandona el intento y genera un error en la capa de Red, aunque es raro que suceda esto.

9.5.1 Descripcion general de la capa fisica de Ethernet

Las diferencias que existen entre Ethernet estándar, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet y 10 Gigabit Ethernet tienen lugar en la capa física, generalmente denominada Ethernet PHY.

Actualmente, se definen cuatro velocidades de datos para el funcionamiento con cables de fibra óptica y de par trenzado:

• 10 Mbps - Ethernet 10Base-T

• 100 Mbps - Fast Ethernet

• 1000 Mbps - Gigabit Ethernet

• 10 Gbps - 10 Gigabit Ethernet

as principales implementaciones de 10 Mbps de Ethernet incluyen:

10BASE5 con cable coaxial Thicknet

10BASE2 con cable coaxial Thinnet

10BASE-T con cable de par trenzado no blindado Cat3/Cat5

Las primeras implementaciones de Ethernet, 10BASE5 y 10BASE2 utilizaban cable coaxial en un bus físico. Dichas implementaciones ya no se utilizan y los más recientes estándares 802.3 no las admiten.

1. Ethernet de 10 Mbps - 10BASE-T

La 10BASE-T utiliza la codificación Manchester para dos cables de par trenzado no blindado.

Utiliza el cableado Cat5 o superior , utiliza una topología en estrella física y puede tener hasta 100 metros de longitud antes de que requieran un hub o repetidor, puede admitir half-duplex y full-duplex

La 10BASE-T utiliza dos pares de cables de cuatro pares y finaliza en cada extremo con un conector RJ-45 de 8 pins. El par conectado a los pins 1 y 2 se utiliza para transmitir y el par conectado a los pins 3 y 6 se utiliza para recibir.

1. 100 Mbps - Fast Ethernet

• 100BASE-TX con UTP Cat5 o mayor

Utiliza la codificacion 4B5B, puede ir sobre dos hilos de cable de cobre de Cat 5 o superior, se conecta como estrella física, aunque a diferencia de la 10-BASE-T, las redes 100BASE-TX utilizan generalmente un switch en el centro de la estrella en vez de un hub. Según el medio puede ser half-duplex o full-duplex.

• 100BASE-FX con cable de fibra óptica

Utiliza la codificacion 4B5B, utiliza el medio de fibra óptica en vez de cobre UTP. Si bien los procedimientos de codificación, decodificación y recuperación de reloj son los mismos para ambos medios, la transmisión de señales es diferente: pulsos eléctricos en cobre y pulsos de luz en fibra óptica. Las implementaciones de fibra son conexiones punto a punto, es decir, se utilizan para interconectar dos dispositivos.

1. 1000 Mbps - Gigabit Ethernet

Los bits se vuelven mas susceptibles al ruido, la cuestion del rendimiento se basa en la velocidad de la interfaz NIC.A estas mayores velocidades, la codificación y decodificación de datos es más compleja, por eso utiliza dos distintos pasos de codificación. La transmisión de datos es más eficiente cuando se utilizan códigos para representar el stream binario de bits. La codificación de datos permite la sincronización, el uso eficiente del ancho de banda y características mejoradas de relación entre señal y ruido.

• Ethernet 1000BASE-T

A mayor velocidad mayor susceptibilidad al ruido.

La Ethernet 1000BASE-T brinda una transmisión full-duplex utilizando los cuatro pares de cable UTP Categoría 5 o superior. La Gigabit Ethernet por cables de cobre permite un aumento de 100 Mbps por par de cable a 125 Mbps por par de cable o 500 Mbps para los cuatro pares. Cada par de cable origina señales en full-duplex, lo que duplica los 500 Mbps a 1000 Mbps.

La 1000BASE-T utiliza codificación de línea 4D-PAM5 para obtener un throughput de datos de 1 Gbps. Este esquema de codificación permite señales de transmisión en cuatro pares de cables simultáneamente.

La 1000BASE-T permite la transmisión y recepción de datos en ambas direcciones (en el mismo cable y al mismo tiempo). Este flujo de tráfico crea colisiones permanentes en los pares de cables. Los circuitos híbridos que detectan las señales utilizan técnicas sofisticadas tales como la cancelación de eco, la corrección del error de envío de Capa 1 (FEC) y una prudente selección de los niveles de voltaje. Al utilizar dichas técnicas, el sistema alcanza un throughput de 1 Gigabit.

A diferencia de la mayoría de las señales digitales, en las que generalmente se encuentra un par de niveles de voltaje discretos, la 1000BASE-T utiliza muchos niveles de voltaje ( En una transmision se pueden encontrar hasta 17 niveles de voltaje en el cable)

• Ethernet 1000BASE-SX y 1000BASE-LX por fibra óptica

Las versiones de fibra óptica de la Gigabit Ethernet (1000BASE-SX y 1000BASE-LX) ofrecen las siguientes ventajas sobre el UTP: inmunidad al ruido, tamaño físico pequeño y distancias y ancho de banda aumentados y sin repeticiones, admiten la transmisión binaria full-duplex a 1250 Mbps en dos hebras de fibra óptica. La codificación de la transmisión se basa en el esquema de codificación 8B/10B. Debido al gasto de esta codificación, la velocidad de transferencia de datos sigue siendo 1000 Mbps. Las principales diferencias entre las versiones de fibra de 1000BASE-SX y 1000BASE-LX son los medios de enlace, los conectores y la longitud de onda de la señal óptica.

Ethernet de 10 Gigabits (10GbE) está evolucionando para poder utilizarse no sólo en LAN sino también en WAN y MAN.

9.6.1 Utilizacion del Hub (redes Antiguas)

En Ethernet clasica, se utilizaba hubs para interconectar nodos al segmento de LAN, como en ethern debido a que los hub no realizan ningun tipo de filtro (reembian todos los bits que le llegan a todos los dispositivos ).

En secciones anteriores, vimos cómo la Ethernet clásica utiliza medios compartidos y control de acceso al medio basado en contenciones esto origina a menudo grandes niveles de colisiones en la LAN. Las implementaciones de Ethernet con hubs se utilizan generalmente en la actualidad en LAN pequeñas o LAN con pocos requisitos de ancho de banda.

• Escalabilidad

En una red con hubs, existe un límite para la cantidad de ancho de banda que los dispositivos pueden compartir. Con cada dispositivo que se agrega al medio compartido, el ancho de banda promedio disponible para cada dispositivo disminuye.

• Latencia

La latencia de la red es la cantidad de tiempo que le lleva a una señal llegar a todos los destinos del medio. La latencia puede aumentar notablemente a medida que la distancia entre los nodos se extiende. La latencia también se ve afectada por un retardo de la señal en los medios, como así también por el retardo añadido por el procesamiento de las señales mediante hubs y repetidores. El aumento de la longitud de los medios o de la cantidad de hubs y repetidores conectados a un segmento origina una mayor latencia. A mayor latencia, mayor probabilidad de que los nodos no reciban las señales iniciales, lo que aumenta las colisiones presentes en la red.

• Falla de red

Debido a que comparte los medios, cualquier dispositivo de la red puede potencialmente ocasionar problemas para otros dispositivos. Si cualquier dispositivo conectado al hub genera tráfico perjudicial, puede verse impedida la comunicación de todos los dispositivos del medio.

• Colisiones

Cualquier parte de la red en donde los paquetes de dos o más nodos puedan interferir entre ellos se considera como un dominio de colisiones. Una red con una gran cantidad de nodos en el mismo segmento tiene un dominio de colisiones mayor y, generalmente, más tráfico. A medida que aumenta la cantidad de tráfico en la red, aumentan las posibilidades de colisión.

9.6.2 Utilizacion de los switch

Los switches permiten la segmentación de la LAN en distintos dominios de colisiones. Cada puerto de un switch representa un dominio de colisiones distinto y brinda un ancho de banda completo al nodo o a los nodos conectados a dicho puerto. Con una menor cantidad de nodos en cada dominio de colisiones, se produce un aumento en el ancho de banda promedio disponible para cada nodo y se reducen las colisiones.

En una LAN en la que se conecta un hub a un puerto de un switch, todavía existe un ancho de banda compartido, lo que puede producir colisiones dentro del entorno compartido del hub. Sin embargo, el switch aislará el segmento y limitará las colisiones para el tráfico entre los puertos del hub.

Los nodos se conectan directamente

En una LAN en la que todos los nodos están conectados directamente al switch, el throughput de la red aumenta notablemente. Las tres razones son:

Estas topologías físicas en estrella son esencialmente enlaces punto a punto.

a) Ancho de banda dedicado a cada puerto

Cada nodo dispone del ancho de banda de los medios completo en la conexión entre el nodo y el switch. Debido a que un hub replica las señales que recibe y las envía a todos los demás puertos, los hubs de Ethernet clásica forman un bus lógico. Esto significa que todos los nodos deben compartir el mismo ancho de banda para este bus. Con los switches, cada dispositivo tiene una conexión punto a punto dedicada entre el dispositivo y el switch, sin contención de medios.

b) Entorno libre de colisiones

Una conexión punto a punto dedicada a un switch también evita contenciones de medios entre dispositivos, lo que permite que un nodo funcione con pocas colisiones o ninguna colisión. En una red Ethernet clásica de tamaño moderado que utiliza hubs, aproximadamente entre el 40% y el 50% del ancho de banda se consume en la recuperación por colisiones. En una red Ethernet con switch, en la que prácticamente no hay colisiones, el gasto destinado a la recuperación por colisiones se elimina casi por completo. Esto le ofrece a la red con switches tasas de throughput significativamente mejoradas.

c) Funcionamiento full-duplex

La utilización de switches también le permite a una red funcionar como entorno de Ethernet full-duplex. Antes de que existieran los switches, la Ethernet sólo era half-duplex. Esto implicaba que en un momento dado un nodo podía transmitir o recibir.

Existen tres razones por las que los hubs siguen utilizándose: - Disponibilidad: los switches de LAN no se desarrollaron hasta comienzos de la década de 1990.

- Económicas. En un principio, los switches resultaban bastante costosos.

- Requisitos: Las primeras redes LAN eran redes simples diseñadas para intercambiar archivos y compartir impresoras sin grandes necesidades.

9.6.3 Switches Reenvio Selectivo

Los switches Ethernet reenvían selectivamente tramas individuales desde un puerto receptor hasta el puerto en el que esté conectado el nodo de destino. Este proceso de reenvío selectivo puede pensarse como la posibilidad de establecer una conexión punto a punto momentánea entre los nodos de transmisión y recepción. La conexión se establece sólo durante el tiempo suficiente como para enviar una sola trama. Durante este instante, los dos nodos tienen una conexión de ancho de banda completa entre ellos y representan una conexión lógica punto a punto.

Para ser más precisos en términos técnicos, esta conexión temporaria no se establece entre los dos nodos de manera simultánea. Básicamente, esto hace que la conexión entre los hosts sea una conexión punto a punto. De hecho, cualquier nodo que funcione en modo full-duplex puede transmitir en cualquier momento que tenga una trama, independientemente de la disponibilidad del nodo receptor. Esto sucede porque un switch LAN almacena una trama entrante en la memoria búfer y después la envía al puerto correspondiente cuando dicho puerto está inactivo. Este proceso se denomina almacenar y enviar.

Con la conmutación almacenar y enviar, el switch recibe la trama completa, controla el FSC en busca de errores y reenvía la trama al puerto indicado para el nodo de destino. Debido a que los nodos no deben esperar a que el medio esté inactivo, los nodos pueden enviar y recibir a la velocidad completa del medio sin pérdidas ocasionadas por colisiones o el gasto asociado con la administración de colisiones.

El reenvío se basa en la MAC de destino.

El switch mantiene una tabla, denominada tabla MAC que hace coincidir una dirección MAC de destino con el puerto utilizado para conectarse a un nodo. Para cada trama entrante, la dirección MAC de destino en el encabezado de la trama se compara con la lista de direcciones de la tabla MAC. Si se produce una coincidencia, el número de puerto de la tabla que se asoció con la dirección MAC se utiliza como puerto de salida para la trama.

La tabla MAC puede denominarse "tabla de switch" o"tabla del puente".

Funcionamiento del switch

Para lograr su fin, los switches LAN Ethernet realizan cinco operaciones básicas:

a) Aprendizaje

La tabla MAC debe llenarse con las direcciones MAC de los dispositivos conectados y sus puertos correspondientes. El proceso de aprendizaje permite que estos mapeos se adquieran dinámicamente durante el funcionamiento normal.

A medida que cada trama ingresa al switch, el switch analiza la dirección MAC de origen. Mediante un proceso de búsqueda, el switch determina si la tabla ya contiene una entrada para esa dirección MAC. Si no existe ninguna entrada, el switch crea una nueva entrada en la tabla MAC utilizando la dirección MAC de origen y asocia la dirección con el puerto en el que llegó la entrada. Ahora, el switch puede utilizar este mapeo para reenviar tramas a este nodo.

b) Actualización

Las entradas de la tabla MAC que se adquirieron mediante el proceso de Aprendizaje reciben una marca horaria. La marca horaria se utiliza como instrumento para eliminar las entradas antiguas de la tabla MAC. Después de que se crea una entrada en la tabla MAC, un proceso comienza una cuenta regresiva utilizando la marca horaria como el valor inicial. Una vez que el valor alcanza 0, la entrada de la tabla se actualizará la próxima vez que el switch reciba una trama de ese nodo en el mismo puerto.

c) Flooding

Si el switch no sabe a qué puerto enviar una trama porque la dirección MAC de destino no se encuentra en la tabla MAC, el switch envía la trama a todos los puertos, excepto al puerto en el que llegó la trama. El proceso que consiste en enviar una trama a todos los segmentos se denomina inundación. El switch no reenvía la trama al puerto en el que llegó la trama porque cualquier destino de ese segmento ya habrá recibido la trama. La inundación también se utiliza para tramas que se envían a la dirección MAC de broadcast.

d) Reenvío selectivo

El reenvío selectivo es el proceso por el cual se analiza la dirección MAC de destino de una trama y se la reenvía al puerto correspondiente. Ésta es la función principal del switch. Cuando una trama de un nodo llega al switch y el switch ya aprendió su dirección MAC, dicha dirección se hace coincidir con una entrada de la tabla MAC y la trama se reenvía al puerto correspondiente. En lugar de saturar la trama hacia todos los puertos, el switch envía la trama al nodo de destino a través del puerto indicado. Esta acción se denomina reenvío..

e) Filtrado

En algunos casos, la trama no se reenvía. Uno de los usos del filtrado ya se describió: un switch no reenvía una trama al mismo puerto en el que llega. El switch también descartará una trama corrupta. Si una trama no aprueba la verificación CRC, dicha trama se descarta. Otra razón por la que una trama se filtra es por motivos de seguridad. Un switch tiene configuraciones de seguridad para bloquear tramas hacia o desde direcciones MAC selectivas o puertos específicos.

9.7.1 El proceso ARP. Mapeo de direcciones IP a direcciones MAC

El protocolo ARP ofrece dos funciones básicas:

Resolución de direcciones IPv4 a direcciones MAC

Para que una trama se coloque en los medios de la LAN, debe contar con una dirección MAC de destino. Cuando se envía un paquete a la capa de Enlace de datos para que se lo encapsule en una trama, el nodo consulta una tabla en su memoria para encontrar la dirección de la capa de Enlace de datos que se mapea a la dirección IPv4 de destino. Esta tabla se denomina tabla ARP o caché ARP. La tabla ARP se almacena en la RAM del dispositivo.

Cada entrada de la tabla ARP tiene una dirección IP y una dirección MAC. La relación entre los dos valores se denomina mapa, que sirve para asociar una dirección IP la dirección MAC correspondiente.

Para comenzar el proceso, un nodo transmisor intenta localizar en la tabla ARP la dirección MAC mapeada a un destino IPv4. Si este mapa está almacenado en la tabla, el nodo utiliza la dirección MAC como la MAC de destino en la trama que encapsula el paquete IPv4. La trama se codifica entonces en los medios de la red.

Mantenimiento de una tabla ARP

La tabla ARP se mantiene dinámicamente. Existen dos maneras en las que un dispositivo puede reunir direcciones MAC.

- Monitorear el tráfico que se produce en el segmento de la red local. A medida que un nodo recibe tramas de los medios, puede registrar las direcciones IP y MAC de origen como mapeos en la tabla ARP.

- Emitir una solicitud de ARP. El ARP envía un broadcast de Capa 2 a todos los dispositivos de la LAN Ethernet. La trama contiene un paquete de solicitud de ARP con la dirección IP del host de destino. El nodo que recibe la trama y que identifica la dirección IP como si fuera la suya responde enviando un paquete de respuesta de ARP al emisor como una trama unicast. Esta respuesta se utiliza entonces para crear una entrada nueva en la tabla ARP.

Estas entradas dinámicas de la tabla MAC tienen una marca horaria similar a la de las entradas de la tabla MAC en los switches. Si un dispositivo no recibe una trama de un determinado dispositivo antes de que venza la marca horaria, la entrada para este dispositivo se elimina de la tabla ARP.

Además, pueden ingresarse entradas estáticas de mapas en una tabla ARP,estas caducan cuando pasa el tiempo y deben eliminarse en forma manual.

Creación de la trama

¿Qué hace un nodo cuando debe crear una trama y la caché ARP no contiene un mapa de una dirección IP hacia una dirección MAC de destino? Cuando el ARP recibe una solicitud para mapear una dirección IPv4 a una dirección MAC, busca el mapa almacenado en su tabla ARP. Si no encuentra la entrada, la encapsulación del paquete IPv4 no se realiza y los procesos de Capa 2 notifican al ARP que necesita un mapa.Los procesos ARP envían entonces un paquete de solicitud de ARP para descubrir la dirección MAC del dispositivo de destino de la red local. Si un dispositivo que recibe la solicitud tiene la dirección IP de destino, responde con una respuesta ARP. Se crea un mapa en la tabla ARP. Los paquetes para esa dirección IPv4 pueden ahora encapsularse en tramas.

Si ningún dispositivo responde a la solicitud de ARP, el paquete se descarta porque no puede crearse una trama. Esta falla de encapsulación se informa a las capas superiores del dispositivo.

Destinos fuera de la red local

Todas las tramas deben enviarse a un nodo de un segmento de la red local. Si el host IPv4 de destino se encuentra en la red local, la trama utilizará la dirección MAC de este dispositivo como la dirección MAC de destino.

Si el host IPv4 de destino no se encuentra en la red local, el nodo de origen necesita enviar la trama a la interfaz del router que es el gateway o el siguiente salto que se utiliza para llegar a dicho destino. El nodo de origen utilizará la dirección MAC del gateway como dirección de destino para las tramas que contengan un paquete IPv4 dirigido a hosts que se encuentren en otras redes.

La dirección de gateway de la interfaz del router se almacena en la configuración IPv4 de los hosts. Cuando un host crea un paquete para un destino, compara la dirección IP de destino con su propia dirección IP para determinar si las dos direcciones IP se encuentran en la misma red de Capa 3. Si el host receptor no se encuentra en la misma red, el origen utiliza el proceso de ARP para determinar una dirección MAC para la interfaz del router que sirve de gateway.

En caso de que la entrada de gateway no se encuentre en la tabla, el proceso de ARP normal enviará una solicitud de ARP para recuperar la dirección MAC asociada con la dirección IP de la interfaz del router.

Haga clic en los números de pasos que aparecen en la figura para ver el proceso que se utiliza para obtener la dirección MAC del gateway.

ARP proxy

Hay ocasiones en las que un host puede enviar una solicitud de ARP con el objetivo de mapear una dirección IPv4 fuera del alcance de la red local. En estos casos, el dispositivo envía solicitudes de ARP para direcciones IPv4 que no se encuentran en la red local en vez de solicitar la dirección MAC asociada a la dirección IPv4 del gateway. Para proporcionar una dirección MAC para estos hosts, una interfaz de router puede utilizar un ARP proxy para responder en nombre de estos hosts remotos. Esto significa que la caché de ARP del dispositivo solicitante contendrá la dirección MAC del gateway mapeada a cualquier dirección IP que no se encuentre en la red local. Con el proxy ARP, una interfaz de router actúa como si fuera el host con la dirección IPv4 solicitada por la solicitud de ARP. Al "simular" su identidad, el router acepta la responsabilidad de enrutar paquetes al destino "real".

Eliminacion de mapeados de direcciones

Para cada dispositivo, un temporizador de caché de ARP elimina las entradas ARP que no se hayan utilizado durante un período de tiempo especificado. Los tiempos difieren dependiendo del dispositivo y su sistema operativo. También se utilizan comandos para eliminar manualmente todas o algunas de las entradas de la tabla ARP. Después de eliminar una entrada, el proceso para enviar una solicitud de ARP y recibir una respuesta ARP debe ocurrir nuevamente para ingresar el mapa en la tabla ARP.

Sobrecarga en los medios

Todos los dispositivos de la red local reciben y procesan una solicitud de ARP debido a que es una trama de broadcast. En una red comercial típica, estos broadcasts tendrían probablemente un impacto mínimo en el rendimiento de la red. Sin embargo, si un gran número de dispositivos se encendiera y todos comenzaran a acceder a los servicios de la red al mismo tiempo, podría haber una disminución del rendimiento durante un período de tiempo breve.

Sin embargo, una vez que los dispositivos envían los broadcasts de ARP iniciales y que aprenden las direcciones MAC necesarias, se minimizará todo impacto en la red.

Seguridad

. La suplantación ARP o el envenenamiento ARP es una técnica que utiliza un atacante para introducir una asociación de direcciones MAC incorrecta en una red emitiendo solicitudes de ARP falsas. Un atacante falsifica la dirección MAC de un dispositivo y a continuación pueden enviarse tramas al destino equivocado.

La configuración manual de asociaciones ARP estáticas es una manera de evitar el ARP spoofing. Las direcciones MAC autorizadas pueden configurarse en algunos dispositivos de red para que limiten el acceso a la red para sólo los dispositivos indicados.