Evolución de Ethernet Damien Mottais Escuela Técnica Superior de Ingeniería-ICAI. Universidad Pontificia Comillas. Asignatura: Comunicaciones Industriales Avanzadas. Curso 2009-2010 RESUMEN En este trabajo, se tratará de la evolución de Ethernet, desde los primeros pasos hasta su posible futuro. También, se explicará qué es el protocolo en el que se basa Ethernet, los componentes los más utilizados y las aplicaciones principales. 1. Introducción Hoy en día, Ethernet es el tipo de red el más utilizado en el mundo. En menos de 30 años, la velocidad de Ethernet ha pasado de 2,94Mbps a 10 Gbps. En continuación en este documento, se intentará explicar las razones de su éxito pasado y presente. 2. Cronología 2.1- Premisas En 1970, en Hawái, fue desarrollado un sistema para comunicar por radio entre las diferentes islas. El protocolo era muy sencillo: - Cualquiera estación puede transmitir un paquete en cualquier momento, indicando la dirección de destino - Una vez el paquete enviado, la estación que lo envió espera una pequeña respuesta del receptor diciendo que ha recibido el paquete. Esta respuesta se llama ACK (para acknowledgment ) - Todas las estaciones siempre están escuchando y leyendo las direcciones de destino de todos los paquetes. Si la destinación de un paquete corresponde con una estación, ésta comprueba el CRC del paquete. Si está correcto el CRC, la estación envía el ACK - Después de un tiempo definido, si el ACK no está recibido por el transmisor, la estación emite de nuevo el paquete Figura 1. La red AlohaNet
Este protocolo tenía un problema mayor: cuando 2 o más estaciones intentaban comunicar al mismo tiempo, se producían interferencias y los mensajes no podían llegar a destino. Esto creaba una situación de colisión. A causa de estas colisiones, el rendimiento máximo al que podía AlohaNet era de un 18%. 2.2- Robert Metcalfe y la primera red Ethernet En 1973, Robert Bob Metcalfe estudió el protocolo de AlohaNet para su tesis de doctorado y creó, con su equipo, un nuevo protocolo para mejora el de AlohaNet: el CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection). La meta de este protocolo es de evitar al máximo las colisiones. La diferencia principal con el protocolo de AlohaNet es que todos los equipos escuchan el medio y se detectan las colisiones. A continuación se presenta un esquema del protocolo CSMA, que es muy parecido al de AlohaNet: Figura 2. El protocolo CSMA 1. Escuchar el medio para comprobar si cualquiera otra estación está emitiendo 2. Si el medio está libre, transmitir inmediatamente y esperar el ACK 3. Si el medio no está libre, ir al paso 1 4. La estación que recibe comprueba el CRC, y si está correcto, envía el ACK 5. Después de un tiempo definido, si el ACK no está recibido por el transmisor, ir al paso 1 6. Si el transmisor recibe el ACK, la operación es un éxito. Con el CSMA solo, dos estaciones seguían pudiendo emitir al mismo tiempo, creando una colisión. No se podía quitar definitivamente las colisiones pero se podía intentar minimizar sus efectos reduciendo sus duraciones. Para conseguir este objetivo, se creó el CD (Collision Detection): una estación que estaba emitiendo un mensaje continuaba escuchar el medio y podía detener la transmisión tan pronto como una colisión fue detectada. El rendimiento de este protocolo es de un 80%. En 1976 se creó en los laboratorios de Xerox, en Palo Alto, California, la primera red Ethernet de 100 ordenadores con una velocidad de 2,94 Mbps (era basada en el tiempo de bit de los ordenadores Alto). En 1976, Robert Metcalfe presentó Ethernet en una conferencia durante la que dibujó lo que queda como el primer dibujo conocido de Ethernet:
Figura 3. Principio de Ethernet En la realidad, este dibujo se puede representar así: Figura 4. Componentes de Ethernet 2.3- Estandarización IEEE 802.3 Ethernet 10 Mbps Al principio de los años 1980, Digital Equipment Corporation (DEC), Intel, y Xerox se juntaron para desarrollar el Ethernet. En 1980 crearon el estándar DIX v1.0 y en 1082, el estándar DIX v2.0. Luego, en 1983, el IEEE creó el primer estándar internacional IEEE 802.3, definiendo un Ethernet con una velocidad de 10 Mbps. En la figura 5 se presentan las diferencias entre el modelo OSI y el modelo IEEE 802.3: Modelo OSI Modelo 802.3 LLC Enlace MAC Físico PHY Figura 5. Diferencias entre el modelo OSI y el modelo IEEE 802.3
Vemos que en el modelo IEEE 802.3, la capa de enlace está dividida en 2 partes distintas. El formato de trama el más utilizado es la trama de tipo II: Figura 6. Trama de Ethernet de tipo II Esta trama está compuesta de una cabeza que contiene las direcciones MAC de los equipos, de los datos, y del CRC. Por razones de mejora de detección de colisión, la longitud mínima de trama es de 64 octetos. El cableado que se puede utilizar para el Ethernet 10 Mbps es el cable coaxial, el cable con par trenzado, y la fibra óptica. 2.4- Fast Ethernet 100 Mbps En 1995, más de 20 años después la creación del protocolo CSMA/CD, se pudo notar la primera gran evolución de Ethernet: la estandarización del Ethernet con una velocidad de 100 Mbps, el Fast Ethernet. Para conseguir esta velocidad, el tiempo de bit fue dividido por 10, lo que provocó un ancho de banda multiplicado por 10, pasando de 10 a 100 Mbps. La compatibilidad entre las redes Ethernet de 10 Mbps ya existentes y las nuevas de Fast Ethernet era asegurada por el hecho que solo cambiaba la capa física, no la capa de enlace, y gracias a la autoconfiguración de los equipos. Ésta permite mejorar la velocidad de la red: el switch central escucha todo el sistema para ver la configuración y la velocidad de los dispositivos conectados para enviar los paquetes con la mayor velocidad disponible. Cuando se diseña una red Ethernet, se puede elegir entre muchos dispositivos para la capa física. En la figura siguiente se presentan los principales sub-estándares utilizados: 100 Base T4 - cable 802.3-100 Mbps 100 Base TX - cable 100 Base X 100 Base FX - fibra Figura 7. Estándares de Fast Ethernet Con el Fast Ethernet podemos notar una utilización más intensiva del Full Duplex. Esta topología tiene la ventaja de eliminar las colisiones. El formato de trama es el mismo que el del Ethernet 10 Mbps, lo que contribuye también a garantizar una compatibilidad entre 10 y 100 Mbps.
2.5- Gigabit Ethernet 1000 Mbps En 1998, la necesidad de diseñar redes mas grandes llevó a la estandarización del Ethernet 1000 Mbps, llamado Gigabit Ethernet, con el estándar 802.3z. Para mantener un alto nivel de detección de colisiones, se necesitaba cambiar la longitud mínima de las tramas, pasando de 64 octetos a 512 octetos. El cableado más común utilizado al nivel horizontal (entre las plantas) es el cable (si es de categoría 5 o más) o la fibra óptica, y al nivel vertical (entre los servidores), se debe utilizar la fibra óptica. 2.6-10 Gigabit Ethernet 10 Gbps En 2002 se estandarizó la última versión de Ethernet: el 10 Gigabit Ethernet, con una velocidad de 10 Gbps. Esta versión se usa mucho para las redes metropolitanas (MAN), las WAN (Wide Area Network), y los grandes centros de datos y de servidores. En 10 Gigabit Ethernet se utiliza sólo el Full Duplex para evitar las colisiones y casi sólo fibra óptica. Los cables que se pueden utilizar son muy costosos y poco frecuentes. Esta versión de Ethernet es totalmente compatible y tiene el mismo formato de trama que el Gigabit Ethernet. 2.7- Futuro de Ethernet Un grupo de fabricantes quiere sobreponer trabajos en SONET (protocolo) y STM-256/OC-768 (especificación de velocidad) para crear un 40 Gigabit Ethernet, cuando muchos otros fabricantes creen que sería mejor mantener los múltiples de 10 para crear un 100 Gigabit Ethernet. Este 100 Gigabit Ethernet es hoy en día (Mayo 2010) en fase de estandarización con el estándar IEEE 802.3ba. 3. Comparativo general y razones del éxito Topología utilizada Al principio, se utilizaba un bus tradicional con segmentos (cada segmento podía soportar hasta 100 estaciones) interconectados mediante repetidores. Durante los años 1980 se empezó la segmentación de la red para mejorar el tráfico y reducir las colisiones. Razones del éxito Desde el principio, Ethernet tuvo un éxito muy grande. Este éxito es debido a varias características de la red: tiene una simplicidad muy grande, ofrece altas prestaciones con un bajo coste, y existe una autocompatibilidad hacia atrás todas las velocidades modificando solamente la capa física. Ventaja de mantener el CSMA/CD Cuando nació el Fast Ethernet, más de 20 años después la invención del protocolo CSMA/CD, se podía preguntarse por qué mantener CSMA/CD? En realidad, los fabricantes no eran muy dispuestos a cambiar de protocolo principalmente porque tiene un bajo coste de implementación, y es compatible con componentes de redes ya existentes.
Comparativo general Denominación Sigla Cableado Velocidad Alcance Ethernet Estándar Fast Ethernet Gigabit Ethernet 10 Gigabit Ethernet 10Base2 10Base5 10BaseT 100BaseTX 100BaseFX 1000BaseT 1000BaseLX 1000BaseSX 10GBaseSR 10GBaseER Coaxial, par trenzado 10 Mbps 100 500 m Par trenzado, fibra óptica 100 Mbps 100 m 2 km Doble par trenzado, fibra óptica 1000 Mbps 100 m 10 km Fibra óptica 10 Gbps 500 m 40 km 4. Conclusiones La gran ventaja que tenía Ethernet cuando nació fue de tener un protocolo bastante sencillo y de tener un bajo coste de implementación. La instalación de Ethernet en una empresa era mucho más sencilla que la instalación de sus principales competidores (Token Ring, Token Bus, ). Gracias a esta característica, Ethernet tuvo un éxito inmediato y sigue teniendo este éxito. En un próximo futuro, veremos la aparición del 100 Gigabit Ethernet, que permitirá diseñar redes aún más grandes y conectar las grandes metrópolis del mundo de una manera aún más rápida y eficiente. Referencias Todas las referencias paginas internet han sido revisadas por última vez el 30 de Mayo de 2010. [1] http://www.commentcamarche.net/contents/technologies/ethernet.php3 [2] http://www.lcc.uma.es/~eat/services/fast_eth/fast_eth.htm [3] http://www.trendcomms.com/multimedia/training/broadband%20networks/web/main/ethernet/the me/chapter1/enetintroduction.html [4] http://www.httr.ups-tlse.fr/pedagogie/cours/lan/ethernet/index.htm [5] http://en.wikipedia.org/wiki/ethernet [6] http://computer.howstuffworks.com/ethernet.htm/printable