Fundamentos de redes



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Dirección General de Educación Superior Tecnológica

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE SALINA CRUZ


UNIDAD 5:


ETHERNET

ACTIVIDAD:

REPORTE DEL CAPÍTULO 9



MATERIA:

FUNDAMENTOS DE REDES



DOCENTE:

MC. MÓNICA SUSANA ROMÁN NÁJERA



ALUMNO:

ZARATE LÓPEZ LEONARDO



SEMESTRE Y GRUPO:

5E


CARRERA:

INGENIERÍA EN TECNOLOGÍAS DE LA INFORMACIÓN Y DE LAS COMUNICACIONES



PUERTO DE SALINA CRUZ OAXACA, A 02 DE DICIEMBRE DEL 2014

CAPITULO 9

Ethernet

Hasta este punto del curso, cada capítulo se concentró en las diferentes funciones de cada una de las capas de los modelos OSI y de protocolo TCP/IP, y en cómo se utilizan los protocolos para lograr la comunicación de red. Estos análisis hacen referencia constantemente a diversos protocolos clave (TCP, UDP e IP), ya que brindan las bases sobre cómo funcionan actualmente desde la red más pequeña hasta la red más grande, la Internet.


9.1 Descripción general de Ethernet

9.1.1 Ethernet: estándares e implementación
Estándares de IEEE
La primera LAN (Red de área local) del mundo fue la versión original de Ethernet. Robert Metcalfe y sus compañeros de Xerox la diseñaron hace más de treinta años. El primer estándar de Ethernet fue publicado por un consorcio formado por Digital Equipment Corporation, Intel y Xerox (DIX). Metcalfe quería que Ethernet fuera un estándar compartido a partir del cual todos se podían beneficiar, de modo que se lanzó como estándar abierto.



9.1.2 Ethernet: Capa 1 y Capa 2
Ethernet opera a través de dos capas del modelo OSI. El modelo ofrece una referencia sobre con qué puede relacionarse Ethernet, pero en realidad se implementa sólo 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 Capa 1 de Ethernet tiene un papel clave en la comunicación que se produce entre los dispositivos, pero cada una de estas funciones tiene limitaciones.
Tal como lo muestra la figura, Ethernet en la Capa 2 se ocupa de estas limitaciones. Las subcapas de enlace de datos contribuyen significativamente a la compatibilidad de tecnología y la comunicación con la computadora.




9.1.3 Control de enlace lógico: Conexión con las capas superiores
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). Las funciones descritas en el modelo OSI para la capa de Enlace de datos se asignan a las subcapas LLC y MAC. La utilización de dichas subcapas contribuye notablemente a la compatibilidad entre diversos dispositivos finales.
Para Ethernet, el estándar IEEE 802.2 describe las funciones de la subcapa LLC y el estándar 802.3 describe las funciones de la subcapa MAC y de la capa física. El Control de enlace lógico se encarga de la comunicación entre las capas superiores y el software de red, y las capas inferiores, que generalmente es el hardware. La subcapa LLC toma los datos del protocolo de la red, que generalmente son un paquete IPv4, y agrega información de control para ayudar a entregar el paquete al nodo de destino. La Capa 2 establece la comunicación con las capas superiores a través del LLC.



9.1.4 MAC: envío de datos a los medios
El Control de acceso al medio (MAC) es la subcapa de Ethernet inferior de la capa de Enlace de datos. 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:


  • Encapsulación de datos

  • Control de Acceso al medio



Encapsulación de datos
La encapsulación de datos proporciona tres funciones principales:


  • Delimitación de trama

  • Direccionamiento

  • Detección de errores



Control de acceso al medio
La subcapa MAC controla la colocación de tramas en los medios y el retiro de tramas de los medios. Como su nombre lo indica, 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.



9.1.5 Implementaciones físicas de Ethernet
La mayor parte del tráfico en Internet se origina y termina en conexiones de Ethernet. Desde su inicio en la década de 1970, Ethernet ha evolucionado para satisfacer la creciente demanda de LAN de alta velocidad. Cuando se introdujo el medio de fibra óptica, Ethernet se adaptó a esta nueva tecnología para aprovechar el mayor ancho de banda y el menor índice de error que ofrece la fibra. Actualmente, el mismo protocolo que transportaba datos a 3 Mbps puede transportar datos a 10 Gbps.
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





9.2 Ethernet: comunicación a través de LAN

9.2.1 Ethernet histórica
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.
Alohanet obligaba a todas las estaciones a seguir un protocolo según el cual una transmisión no reconocida requería una retransmisión después de un período de espera breve. Las técnicas para utilizar un medio compartido de esta manera se aplicaron posteriormente a la tecnología cableada en forma de Ethernet.




9.2.2 Administración 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.

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.


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 La trama de Ethernet

9.3.1 La trama: encapsulación 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.




9.3.3 Numeración hexadecimal y direccionamiento
Numeración hexadecimal
El método hexadecimal ("Hex") es una manera conveniente de representar valores binarios. Así como el sistema de numeración decimal es un sistema de base diez y el binario es un sistema de base dos, el sistema hexadecimal es un sistema de base dieciséis.
El sistema de numeración de base 16 utiliza los números del 0 al 9 y las letras de la A a la F. La figura muestra los valores decimales, binarios y hexadecimales equivalentes para los binarios 0000 hasta 1111. Nos resulta más conveniente expresar un valor como un único dígito hexadecimal que como cuatro bits.

9.3.4 Otra capa de direccionamiento
Capa de Enlace de datos
El direccionamiento físico de la capa de Enlace de datos (Capa 2) de OSI, implementado como dirección MAC de Ethernet, se utiliza para transportar la trama a través de los medios locales. Si bien brindan una dirección host única, las direcciones físicas no son jerárquicas. Estas direcciones se asocian a un dispositivo en particular, independientemente de su ubicación o de la red a la que esté conectado.
Estas direcciones de Capa 2 no tienen ningún significado fuera de los medios de la red local. Es posible que un paquete deba atravesar una serie de tecnologías de conexión de datos diferentes en redes locales y de área amplia antes de llegar a su destino. Por lo tanto, un dispositivo de origen no tiene conocimiento de la tecnología utilizada en redes intermedias y de destino o de sus direcciones de Capa 2 y estructuras de trama.


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

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.
En el ejemplo que se muestra en la figura, un host con una dirección IP 192.168.1.5 (origen) solicita una página Web del servidor en la dirección IP 192.168.1.200.Para que se pueda enviar y recibir un paquete unicast, el encabezado del paquete IP debe contener una dirección IP de destino. Además, el encabezado de la trama de Ethernet también debe contener una dirección MAC de destino correspondiente. La dirección IP y la dirección MAC se combinan para enviar datos a un host de destino específico.


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.
Las colisiones representan el precio que debe pagar la Ethernet para obtener el bajo gasto relacionado con cada transmisión. La 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.
Debido a que todas las computadoras que utilizan Ethernet envían sus mensajes en el mismo medio, se utiliza un esquema de coordinación distribuida (CSMA) para detectar la actividad eléctrica en el cable.
Entonces, un dispositivo puede determinar cuándo puede transmitir. 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.

9.5.4 Ethernet: Opciones futuras

Se adaptó el estándar IEEE 802.3ae para incluir la transmisión en full-duplex de 10 Gbps en cable de fibra óptica. El estándar 802.3ae y los estándares 802.3 para la Ethernet original son muy similares. La Ethernet de 10 Gigabits (10GbE) está evolucionando para poder utilizarse no sólo en LAN sino también en WAN y MAN.


Debido a que el formato de trama y otras especificaciones de Ethernet de Capa 2 son compatibles con estándares anteriores, la 10GbE puede brindar un mayor ancho de banda para redes individuales que sea interoperable con la infraestructura de red existente. 10Gbps se puede comparar con otras variedades de Ethernet de este modo:


  • El formato de trama es el mismo, permitiendo así la interoperabilidad entre todos los tipos de tecnologías antiguas, fast, gigabit y 10 Gigabit Ethernet, sin la necesidad de retramado o conversiones de protocolo.




  • El tiempo de bit ahora es de 0,1 nanosegundos. Todas las demás variables de tiempo caen en su correspondiente lugar en la escala.




  • Ya que sólo se utilizan conexiones de fibra óptica full-duplex, no hay ningún tipo de contención de medios ni se necesita el CSMA/CD.




  • Se preserva la mayoría de las subcapas de 802.3 de IEEE dentro de las Capas OSI 1 y 2, con algunos pocos agregados para que se adapten a enlaces de fibra de 40 km y la posibilidad de interoperabilidad con otras tecnologías en fibra.

Con 10Gbps Ethernet es posible crear redes de Ethernet flexibles, eficientes, confiables, a un costo punto a punto relativamente bajo.


Futuras velocidades de Ethernet
Si bien la Ethernet de 1 Gigabit es muy fácil de hallar en el mercado y cada vez es más fácil conseguir los productos de 10 Gigabits, el IEEE y la Alianza de Ethernet de 10 Gigabits trabajan actualmente en estándares para 40, 100 e inclusive 160 Gbps. Las tecnologías que se adopten dependerán de un número de factores que incluyen la velocidad de maduración de las tecnologías y de los estándares, la velocidad de adopción por parte del mercado y el costo de los productos emergentes.


9.6 Hubs y switches

9.6.1 Ethernet antigua: Utilización de hubs
En secciones anteriores, vimos cómo la Ethernet clásica utiliza medios compartidos y control de acceso al medio basado en contenciones. La Ethernet clásica utiliza hubs para interconectar los nodos del segmento de LAN. Los hubs no realizan ningún tipo de filtro de tráfico. En cambio, el hub reenvía todos los bits a todos los dispositivos conectados al hub.
Esto obliga a todos los dispositivos de la LAN a compartir el ancho de banda de los medios. Además, esta implementación de Ethernet clásica origina a menudo grandes niveles de colisiones en la LAN. Debido a estos problemas de rendimiento, este tipo de LAN Ethernet tiene un uso limitado en las redes actuales.
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. Con cada aumento de la cantidad de dispositivos en los medios, el rendimiento se ve degradado.

Latencia
La latencia de la red es la cantidad de tiempo que le lleva a una señal llegar a todos los destinos del medio. Cada nodo de una red basada en hubs debe esperar una oportunidad de transmisión para evitar colisiones. 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.
Falla de red
Debido a que la Ethernet clásica 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. Este tráfico perjudicial puede deberse a una velocidad incorrecta o a los ajustes de full-duplex de la NIC.
Colisiones
Según el CSMA/CD, un nodo no debería enviar un paquete a menos que la red esté libre de tráfico. Si dos nodos envían paquetes al mismo tiempo, se produce una colisión y los paquetes se pierden. Entonces, ambos nodos envían una señal de congestión, esperan una cantidad de tiempo aleatoria y retransmiten sus paquetes.
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.





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