Juan Pueyo RED ETHERNET

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1 TEMA 03 RED ETHERNET Red Local Ethernet / Fue desarrollado por Bob Metcalfeen 1972 como parte de su tesis doctoral en Harvard y su posterior trabajo en Xerox. En 1982 fue normalizada por diversas empresas y se denominó Ethernet II o (DIX V2). Sirvió de base para la estandarización de la red por el IEEE como en el año Después ha ido evolucionando y se han estandarizado multitud de versiones hasta la fecha. La última versión conocida es la del año Tema 03 1

2 Modo de Transmisión Puede trabajar en banda ancha o banda base. Su uso en banda ancha está en desuso. La mayor velocidad alcanzada en banda ancha fue de 10Mbps. En banda base se pueden alcanzar velocidades de hasta 100 Gbps. En la actualidad, en el IEEE trabajan en la posibilidad de alcanzar velocidades superiores a los 250 Gbpsllegando incluso a 1 Tbps. 3 Topologías de Ethernet Utiliza topología lógica en bus. Mientras que la topología física puede ser: en bus (banda ancha). en estrella (banda base), donde el elemento central es un hub, switch o router. BUS ESTRELLA 4 Tema 03 2

3 Para banda ancha se utilizaba cable coaxial. Para banda base se utiliza: Cable coaxial de 50 Ohm (para interconectar concentradores). Par trenzado. Fibra óptica. Medios de Transmisión 5 Protocolo de Acceso al Medio (MAC) Utilizan CSMA/CD 1-persistente. Las estaciones escuchan el medio para la detección de portadora: Si el medio está libre transmiten. Si el medio está ocupado siguen a la escucha hasta que esté libre. Pueden transmitir inmediatamente pero siempre dejando un intervalo entre tramas de 9.6 µs. a 10 Mbps µs. a 100 Mbps µs. a 1 Gbps. 6 Tema 03 3

4 Protocolo de Acceso al Medio (MAC) Las estaciones detectan la colisión durante la transmisión (exceso de voltaje). Después de una colisión: Cortan la transmisión. Envían una señal de colisión de 32 bits (mensaje de jam). Esperan para volver a transmitir. La retransmisión se realiza después de un tiempo aleatorio según el algoritmo de backoffque se basa en el número de colisiones consecutivas. 7 Protocolo de Acceso al Medio (MAC) Algoritmo de backoff utilizado: Se obtiene un número aleatorio entre 0 y 2 n. Se multiplica por 51.2 µs. Hasta la décima colisión el valor de espera se duplica. Una vez alcanzada la décima colisión el valor de espera no aumenta por término medio. Si se alcanzan las 16 colisiones consecutivas se considera una situación de error y se pierde la trama. 8 Tema 03 4

5 Protocolo de Acceso al Medio (MAC) Esquema del Protocolo 9 Estándares para nivel físico Existen varios estándares para el nivel físico. Todos ellos se denominan siguiendo el patronxbasey, donde: Base hace referencia a la banda base. x es el número de bps que soporta el canal. Y es la longitud del cable en centenares de metros o el tipo de cable: T: par trenzado. F: fibra óptica. 10 Tema 03 5

6 Estándares para nivel físico Estándares para 10 Mbps: 10Base5 10Base2 10BaseT 10BaseF Medio Coaxial Grueso Coaxial Fino Par trenzado Fibra óptica Topología física Bus Bus Estrella Estrella Transmisión Banda base Banda base Banda base Banda base Velocidad 10 Mbps 10 Mbps 10 Mbps 10 Mbps Segmento máximo 500 m. 185 m. 100 m m. Nodos por red Red 10BaseT Utiliza una topología física en estrella con un concentrador (hubo switch) en el centro y las estaciones en los extremos. Utiliza par trenzado con conectores RJ Tema 03 6

7 Red 10BaseT El concentrador retransmite a todas las estaciones la información recibida de la estación emisora. Se pueden interconectar varios concentradores hasta un límite especificado en el estándar. La distancia máxima entre estación y concentrador es de 100m. Se pueden utilizar pares trenzados UTP, FTP, S-FTP y STP, donde sólo se utilizan dos pares, uno para cada sentido de transmisión. 13 Red 10BaseT La conexión entre concentradores se realiza con cable trenzado invertido, siempre y cuando el concentrador no lo haga internamente. La colisión es detectada por el concentrador al recibir señales de varias estaciones al mismo tiempo (en 10Base5 y 10Base2 se detectaba en el transceptor). 14 Tema 03 7

8 Red 10BaseF Este modelo es similar al anterior pero utilizando fibra óptica, lo que permite incrementar la distancia a m. Como la fibra es unidireccional, se necesitan dos fibras para cada conexión. 15 Codificación en Red Ethernet Codificación Bifase Manchester: Realiza una transición en mitad del bit de datos. 16 Tema 03 8

9 Codificación en Red Ethernet Codificación Bifase Manchester diferencial: Se combina la señal de reloj con los datos. Un 1 indica transición y 0 no. 17 Formato de las Tramas Ethernet Sección Long Datos Relleno FCS Bytes Preámbulo: se utiliza para detección de nueva trama y sincronización entre estaciones. SFD:es un delimitador para indicar que después de él se encuentran las direcciones. Su valor es direcciones MAC de destino y origen. Long: indica la longitud de la trama. 18 Tema 03 9

10 Formato de las Tramas Ethernet Sección Long Datos Relleno FCS Bytes Datos: si con los datos a enviar no se consigue que la trama tenga un mínimo de 64 bytes, se utiliza el campo de relleno, que introduce 0s hasta alcanzar los 64 bytes. El tamaño mínimo se fija tomando como velocidad de propagación Km/s. por lo que la distancia máxima entre estaciones en una red Ethernet de 10 Mbps es de 5120 metros. 19 Formato de las Tramas Ethernet Sección Long Datos Relleno FCS Bytes FrameCheckSecuence: campo para comprobación de errores en la transmisión. Incluye un código de 4 bytes obtenido mediante un algoritmo de CRC a partir de los datos enviados. El valor de FCS es calculado y almacenado en la trama por la estación emisora. La estación receptora calcula el FCS a partir de los datos recibidos. Si el valor de CRC obtenido no concuerda con el FCS de la trama, ésta se descarta. 20 Tema 03 10

11 Formato de las Direcciones Ethernet Las direcciones Ethernet se denominan direcciones MAC. Están formadas por 6 bytes: 3 bytes para identificar al fabricante. 3 bytes para el número de serie establecido por el fabricante. El número de direcciones posibles es 2 48 y se espera que no se agoten hasta el año Formato de las Direcciones Ethernet Tipos de direcciones: Direcciones individuales o unicast: Son únicas universalmente. Se utilizan como dirección de origen o dirección de destino cuando se envía a una sola estación. Direcciones de grupo o multicast: Son direcciones opcionales que se les puede asignar a una o varias estaciones de la misma red. Una misma estación puede tener varias direcciones multicast. Se utilizan únicamente como dirección de destino. 22 Tema 03 11

12 Formato de las Direcciones Ethernet Tipos de direcciones: Dirección de difusión o broadcast: Es una dirección virtual que tiene todos sus bits a 1. Las estaciones que reciben una trama cuya dirección de destino es la dirección de broadcasttienen que procesar la trama. 23 Fast Ethernet La red FastEthernet es una red Ethernet que transmite a 100 Mbps. con muy pocas diferencias: Nuevos estándares para el nivel físico. El nivel MAC es igual al de la red Ethernet de 10 Mbps. salvo que el tiempo mínimo entre tramas es de 0.96 µs. El cableado mínimo exigido por FastEthernet es UTP categoría 3, aunque con 4 pares. 24 Tema 03 12

13 Estándares para nivel físico Estándares de Fast Ethernet: Medio 100BaseTX 100BaseT4 100BaseFX 2 pares trenzados UTP Cat. 5 4 pares trenzados UTP Cat. 3 Fibra óptica (2 fibras) Transmisión Banda base Banda base Banda base Velocidad 100 Mbps 100 Mbps 100 Mbps Codificación 4B/5B + MLT-3 8B/6T 4B/5B + NRZI Full Duplex SI NO SI Segmento máximo 100 m. 100 m. 412 m. Nodos por red Red 100BaseT4 Es similar a la red 10BaseT con las siguientes diferencias: La velocidad se aumenta a 100 Mbps. La distancia máxima siguen siendo 100 metros. Utiliza 4 pares de cobre: 1 para enviar 1 para recibir 2 para enviar o recibir, lo que permite utilizar 3 cables para enviar o recibir. Se sustituye la codificación Manchester por la codificación 8B/6T, ya que Manchester exigía 200 Mhz para Fast Ethernet y sería necesario utilizar cables de categoría 6. No permite la modalidad de transmisión full-duplexdebido a que necesita tres pares para transmitir. 26 Tema 03 13

14 Codificación en Fast Ethernet Codificación 4B/5B: Es una codificación pura de datos como solución a la codificación Manchester. Cada octeto es dividido en grupos de 4 bits que se convierten en 5 bits a partir de una tabla, de manera que no existan muchos ceros o unos seguidos. Posteriormente los grupos de 5 bits se transmiten con NRZI o MLT-3. Tabla de conversión: Decimal 4b 5b Decimal 4b 5b A B C D E F Codificación en Fast Ethernet Codificación NRZ (Non return to zero): Es el sistema de codificación más simple, en el que el 1 se transforma en un valor positivo y el cero en negativo o viceversa. 28 Tema 03 14

15 Codificación en Fast Ethernet Codificación NRZI (Non return to zero inverted): En esta codificación, un 1 cambia la señal de estado mientras que un 0 no. 29 Codificación en Fast Ethernet Codificación MLT-3: Es una codificación de 3 niveles (+, 0, -) donde la señal sigue una secuencia periódica fija (+, 0, -, 0, +, 0, -, 0, ) Un 1 pasa al siguiente valor de la secuencia, mientras que un 0 mantiene la señal como está. 30 Tema 03 15

16 Codificación en Fast Ethernet Perdida de sincronización: Tanto en NRZI como en MLT-3 se puede producir pérdida de sincronización si se transmiten varios ceros seguidos. La utilización previa de 4B/5B garantiza que no se produzca dicha situación. 31 Codificación en Fast Ethernet Codificación 8B/6T: Esta codificación realiza la conversión de datos a señal al mismo tiempo que consigue eliminar la posibilidad de pérdida de sincronización por falta de transiciones. La codificación utiliza 3 niveles para la señal y cada octeto se transforma en 6 señales. 8 bits generan 256 grupos de bits diferentes. 6 señales de 3 niveles generan 729 grupos diferentes, por lo que se eligen aquellos que tengan menos 1s o 0s seguidos. Para transmitir a 100 Mbps sería necesario una frecuencia de 37.5 MHz mientras que un cable de categoría 3 soporta 16 MHz, de ahí que se sean necesarios 3 pares para cada sentido de la transmisión (37.5 MHz / 3 = 12.5 MHz). 32 Tema 03 16

17 Conectores en Fast Ethernet Conectores estandarizados para: 100BaseTX y 100BaseT4 RJ45 100BaseFX Conector SC Conector ST Conector MIC 33 GigabitEthernet Características de Gigabit Ethernet: Comienza su investigación en el año 1996 y fue estandarizada en el año 1998 como 802.3z. Posteriormente en 1999 se aprueba el estándar 802.3ab para Gigabit Ethernet utilizando par trenzado. Transmite a 1000 Mbps. Permite transmisiones half-duplex y full-duplex. Permite total compatibilidad con Ethernet y FastEthernet ya que: Tiene el mismo formato de trama. Utiliza el mismo protocolo de acceso al medio. 34 Tema 03 17

18 Estándares para nivel físico Estándares de Gigabit Ethernet: Medio 1000Base-CX 1000Base-LX 1000Base-SX 1000Base-T Twinaxialo 2 pares STP Fibra de nm Fibra multimodo de850 nm 4 pares de cobre UTP Cat. 5e Velocidad 1000 Mbps 1000 Mbps 1000 Mbps 1000 Mbps Codificación 8B/10B 8B/10B 8B/10B PAM-5 Full Duplex SI SI SI NO Segmento máximo 25 m 3000 m con fibra monomodoy 550 m con fibra multimodo Entre 260 y400 m, dependiendo de la fibra 100 m 35 Red 1000Base-T Es similar a la red 100BaseT con las siguientes diferencias: La velocidad se aumenta a 1000 Mbps. Utiliza 4 pares de cobre para enviar o recibir al mismo tiempo. Cada par transmite a 250 Mbps. Necesita cable UTP categoría 5e. Se sustituye la codificación 8B/6T por la codificación PAM5. 36 Tema 03 18

19 Red 1000Base-T Modificaciones frente a Ethernet y Fast Ethernet. Al aumentar la velocidad 10 veces frente a FastEthernet siguiendo el protocolo CSMA/CD, para garantizar la detección de colisión: Se puede reducir la distancia máxima entre estaciones hasta 10 metros (inviable) Se aumenta la longitud mínima de trama (posible) 37 Modificaciones en el Nivel MAC Para garantizar funcionamiento y compatibilidad con Ethernet y FastEthernet, es necesario modificar el nivel MAC: Se incrementa la trama mínima hasta 512 bytes. Se realiza añadiendo un nuevo campo de extensión después del campo FCS. Para apaliar la pérdida de ancho de banda por el aumento del tamaño, se permite la emisión de ráfagas de tramas hasta 8192 bytes, dejando 96 bits de espacio entre tramas y añadiendo la extensión a la primera trama de forma obligatorio. 38 Tema 03 19

20 Codificación en Gigabit Ethernet Codificación 8B/10B: Es una codificación similar a 4B/5B. Su implementación no tiene un coste elevado. Permite utilizar grupos de bits con suficientes transiciones para no perder el sincronismo Gigabit Ethernet Características de 10 Gigabit Ethernet (10GbE): Corresponde a la norma 802.3ae publicada en el año 2002 por el IEEE. Transmite a 10 Gbps. En su origen, sólo permite transmisiones full-duplexcon fibra óptica, por lo que no se utiliza CSMA/CD. Permite total compatibilidad con Ethernet, FastEthernet y Gigabit Ethernet. Mantiene el mismo formato de trama. En 2006 se publica la norma 802.3an para 10GbE para par trenzado (10GBASE-T). 40 Tema 03 20

21 Estándares para nivel físico Estándares de 10 Gigabit Ethernet: Medio 10GBASE-SR 10GBASE-LR 10GBASE-ER 10GBASE-T Fibra óptica multimodo Fibra óptica monomodo Fibra óptica monomodo Par trenzado UTP Cat6. Codificación 64B/66B 64B/66B 64B/66B PAM-16 Full Duplex SI SI SI SI Segmento máximo 300 m. 10 Km. 40 Km. 100m 41 Fibra MonomodoVS Multimodo En función del modo de refracción del haz de luz, se distinguen dos tipos de fibra óptica: Monomodo: Sólo utiliza un haz de luz Permite distancias muy grandes (100 Km) Utiliza láser como luz 42 Tema 03 21

22 Fibra MonomodoVS Multimodo Multimodo: Varios haces de luz comparten el medio con diferentes índices de refracción Sólo se pueden utilizar en distancias cortas (2 Km) Núcleo más grande que la fibra monomodo Utiliza LED como luz 43 Tema 03 22

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