La Ethernet se tomó como base para la redacción del estándar internacional IEEE 802.3. Usualmente se toman Ethernet e IEEE 802.3 como sinónimos. Ambas se diferencian en uno de los campos de la trama de datos. Las tramas Ethernet e IEEE 802.3 pueden coexistir en la misma red.
Tecnología Ethernet
Ethernet es el nombre que se le ha dado a una popular tecnología LAN de conmutación de paquetes inventada por Xerox PARC a principios de los años setenta. Xerox Corporation, Intel Corporation y Digital Equipment Corporation estandarizaron Ethernet en 1978; IEEE liberó una versión compatible del estándar utilizando el número 802.3. Ethernet se ha vuelto una tecnología LAN popular; muchas compañías, medianas o grandes, utilizan Ethernet. Dado que Ethernet es muy popular existen muchas variantes; analizaremos el diseño original primero y después cubriremos algunas variantes. Cada cable Ethernet tiene aproximadamente ½ pulgada de diámetro y mide hasta 500 m de largo. Se añade una resistencia entre el centro del cable y el blindaje en cada extremo del cable para prevenir la reflexión de señales eléctricas.
Figura 1
El diseño original de Ethernet utilizaba cable coaxial como el mostrado en la figura 1. Llamado ether, el cable por sí mismo es completamente pasivo; todos los componentes electrónicos activos que hacen que la red funcione están asociados con las computadoras que se comunican en la red.
La conexión entre una computadora y un cable coaxial Ethernet requiere de un dispositivo de hardware llamado transceptor. Físicamente la conexión entre un transceptor y el cable Ethernet requiere de una pequeña perforación a la capa exterior del cable. Los técnicos con frecuencia utilizan el término tap para describir la conexión entre un transceptor Ethernet y el cable. Por lo general, una pequeña aguja de metal montada en el transceptor atraviesa la perforación y proporciona el contacto eléctrico con el centro del cable y el blindaje trenzado. Algunos fabricantes de conectores hacen que el cable se corte y se inserte una ‘T’.
Cada conexión a una red Ethernet tiene dos componentes electrónicos mayores. Un transceptor es conectado al centro del cable y al blindaje trenzado del cable, por medio del cual recibe y envía señales por el cable ether. Una interfaz anfitrión o adaptador anfitrión se conecta dentro del bus de la computadora (por ejemplo, en una tarjeta madre) y se conecta con el transceptor.
Un transceptor es una pequeña pieza de hardware que por lo común se encuentra físicamente junto al cable ether. Además del hardware análogo que envía y controla las señales eléctricas en el cable ether, un transceptor contiene circuitería digital que permite la comunicación con una computadora digital. El transceptor, cuando el cable ether está en uso, puede recibir y traducir señales eléctricas analógicas hacia o desde un formato digital en el cable ether. Un cable llamado Attachment Unit Interface (AUI) conecta el transceptor con la tarjeta del adapatador en una computadora anfitrión. Informalmente llamado cable transceptor, el cable AUI contiene muchos cables. Los cables transportan la potencia eléctrica necesaria para operar el transceptor, las señales de control para la operación del transceptor y el contenido de los paquetes que se están enviando o recibiendo.
Cada interfaz de anfitrión controla la operación de un transceptor de acuerdo a las intrucciones que recibe del software de la computadora. Para el software del sistema operativo, la interfaz aparece como un dispositivo de entrada/salida que acepta instrucciones de transferencia de datos básicas desde la computadora, controla la transferencia del transceptor e interrumpe el proceso cuando éste ha concluido, finalmente reporta la información de estado. Aun cuando el transceptor es un simple dispositivo de hardware, la interfaz de anfitrión puede ser compleja (por ejemplo, puede contener un microprocesador utilizado para controlar la transferencia entre la memoria de la computadora y el cable ether).
En la práctica las organizaciones que utilizan Ethernet original en el ambiente de una oficina convencional extienden el cable Ethernet por el techo de las habitaciones e instalan una conexión para cada oficina conectándola de este modo con el cable. La figura 2 ilustra el esquema de cableado físico resultante.
Figura 2
Ethernet de cable delgado
Varios componentes de la tecnología Ethernet original tenían propiedades indeseables. Por ejemplo, un transceptor contenía componentes electrónicos, su costo no era insignificante. Además, ya que el transceptor estaba localizado en el cable y no en la computadora, estos podían ser difíciles de accesar o remplazar. El cable coaxial que forma el ether puede también ser difícil de instalar. En particular, para proporcionar la máxima protección contra la interferencia eléctrica el cable contiene un blindaje pesado que hace que el cable sea difícil de doblar. Por último un cable AUI también es grueso y difícil de doblar.
Para reducir costos en el caso de ambientes como el de las oficinas, en donde no existe mucha interferencia eléctrica, los ingenieros desarrollaron una alternativa al esquema de cableado Ethernet. Llamada thin wire Ethernet o thinnet, el cable coaxial alternativo es más delgado, menos caro y más flexible. Sin embargo, un cable delgado Ethernet tiene algunas desventajas. Dado que no proporciona mucha protección contra la interferencia eléctrica, el cable delgado Ethernet no puede ser colocado junto a un equipo eléctrico potente, como podría suceder en el caso de una fábrica. Además, el cable delgado Ethernet cubre distancias algo más cortas y soporta un menor número de conexiones de computadoras por red que el cable grueso Ethernet.
Para reducir aún más los costos del cable delgado Ethernet, los ingenieros remplazaron el costoso transceptor con circuitería digital de alta velocidad especial y proporcionaron una conexión directa desde una computadora hasta el cable ether. De esta forma, en el esquema de cable delgado, una computadora contiene tanto la interfaz de anfitrión como la circuitería necesaria para conectar la computadora con el cable. Los fabricantes de pequeñas computadoras y estaciones de trabajo encontraron el esquema del cable delgado Ethernet especialmente atractivo, debido a que podían integrar el hardware de Ethernet en una sola tarjeta de computadora y hacer las conexiones necesarias de manera directa en la parte posterior de la computadora.
Como el cable delgado Ethernet conecta directamente una computadora con otra, el esquema de cableado trabaja bien cuando muchas computadoras ocupan una sola habitación. El cable delgado conecta en forma directa una computadora con otra. Para añadir una nueva computadora sólo es necesario enlazarla con la cadena. En la figura 3 se ilustra la conexión utilizada en el esquema de cable delgado Ethernet.
Figura 3
El esquema de cable delgado Ethernet está diseñado para conectarse y desconectarse fácilmente. El esquema de cable delgado utiliza conectores BNC, los cuales no requieren de herramientas para conectar una computadora con el cable. Así, un usuario puede conectar una computadora al cable delgado Ethernet sin ayuda de un técnico. Por supuesto, permitir que el usuario manipule el cable ether tiene sus desventajas: si un usuario desconecta el cable ether, esto provocará que todas las máquinas en el ether queden incomunicadas. En muchos casos, sin embargo, las ventajas superan las desventajas.
Ethernet de par trenzado
Los avances en la tecnología han hecho posible contruir redes Ethernet que no necesitan del blindaje eléctrico de un cable coaxial. LLamada twisted pair ethernet (Ethernet de par trenzado), esta tecnología permite que una computadora accese a una red Ethernet mediante un par de cables de cobre convencionales sin blindaje, similares a los cables utilizados para conectar los teléfonos. La ventaja de usar cables de par trenzado es que reducen mucho los costos y protegen a otras computadoras conectadas a la red de los riesgos que se podrían derivar de que un usuario desconecte una computadora. En algunos casos, la tecnología de de par trenzado hace posible que una organización instale una red Ethernet a partir del cableado telefónico existente sin tener que añadir cables nuevos.
Conocido con el nombre técnico de 10base-T, el esquema de cableado de par trenzado conecata cada computadora con un hub (concentrador) Ethernet como se muestra en la figura 4.
Figura 4
El concentrador es un dispositivo electrónico que simula la señal en un cable Ethernet. Físicamente, un concentrador consiste en una pequeña caja que por lo general se aloja en un gabinete para cableado; la conexión entre un concentrador y una computadora debe tener una longitud menor a 100 m. Un concentrador requiere de alimentación eléctrica y puede permitir que el personal autorizado monitoree y controle la operación de la red. Para la interfaz anfitrión, en una computadora, la conexión hacia un concentrador parece operar de la misma forma que la conexión hacia un transceptor. Esto es, un concentrador Ethernet proporciona la misma capacidad de comunicación que un Ethernet delgado o grueso; los concentradores sólo ofrecen una alternativa al esquema de cableado.
Esquemas de cableado múltiples y adaptadores
Una conexión Ethernet de cable grueso requiere de un conector AUI, una conexión para Ethernet de cable delgado requiere de un conector BNC y una conexión para 10base-T requiere de un conector RJ45 que recuerda a los conectores modulares utilizados en los teléfonos. Muchos productos Ethernet permiten que cada usuario selecciones el esquema de cableado. Por ejemplo, las tarjetas adaptadoras para computadoras personales con frecuencia cuentan con los 3 conectores como se muestra en la figura 5. Dado que sólo un conector puede usarse a la vez, una computadora que cuenta con un adaptador determinado puede cambiarse de un esquema de cableado a otro con facilidad.
Figura 5
Propiedades de una red Ethernet
La red Ethernet es una tecnología de bus de difusión de 10 Mbps que se conoce como 'entrega con el mejor esfuerzo' y un control de acceso distribuido. Es un bus debido a que todas las estaciones comparten un sólo canal de comunicación, es de difusión porque todos los transceptores reciben todas las transmisiones. El método utilizado para dirigir paquetes de una estación a otra únicamente o al subconjunto de todas las estaciones se analizará más adelante. Por ahora, es suficiente con entender que los transceptores no distinguen las transmisiones -- transfieren todos los paquetes del cable a la interfaz anfitrión, la cual selecciona los paquetes que la computadora debe recibir y filtra todos los demás--. Las redes Ethernet cuentan con un mecanismo llamado entrega con el mejor esfuerzo debido a que el hardware no proporciona información al emisor acerca de si el paquete ha sido recibido. Por ejemplo, si la máquina de destino es apagada, los paquetes enviados se perderán y el emisor no será notificado. Más adelante veremos cómo el protocolo TCP/IP se adapta al hardware de entrega con el mejor esfuerzo.
El control de acceso en las redes Ethernet es distribuido porque, a difencia de algunas tecnologías de red, Ethernet no tiene la autoridad central para garantizar el acceso. El esquema de acceso de Ethernet es conocido como Carrier Sense Multiple Access with Collision Detect (CSMA/CD). Es un CSMA debido a que varias máquinas pueden accesar la red Ethernet de manera simultánea y cada máquina determina si el cable ether está disponible al verificar si está presente una onda portadora. Cuando una interfaz anfitrión tiene un paquete para transmitir verifica el cable ether para comprobar si un mensaje se está transmitiendo (por ejemplo, verificando si existe una portadora). Cuando no se comprueba la presencia de una transmisión, la interfaz de anfitrión comienza a transmitir. Cada transmisión está limitada en duración (dado que hay un tamaño máximo para los paquetes). Además, el hardware debe respetar un tiempo mínimo de inactividad entre transmisiones, esto significa que no se dará el caso de que un par de computadoras que se comuniquen puedan utilizar la red sin que otras máquinas tengan la oportunidad de accesarla.
Recuperación y detección de colisiones
Cuando un transceptor comienza a transmitir, la señal no alcanza todas las partes de la red de manera simultánea. En lugar de ello, la señal viaja a lo largo del cable a una velocidad aproximada al 80% de la velocidad de la luz. De esta forma, es posible que dos transceptores perciban que la red está desocupada y comiencen a transmitir en forma simultánea. Cuando las dos señales eléctricas se cruzan, se produce una perturbación y ninguna de las dos señales será significativa. Este tipo de incidentes se conoce como colisiones.
El manejo de colisiones en Ethernet se resuelve de manera ingeniosa. Cada transceptor monitorea el cable mientras está transmitiendo para explorar si hay alguna señal eléctrica exterior que interfiera con su transmisión. Técnicamente, el monitoreo se conoce como detección de colisiones (CD), esto hace de Ethernet una red CSMA/CD. Cuando se detecta una colisión, la interfaz de anfitrión aborta la transmisión y espera a que la actividad disminuya, luego intenta de nuevo transmitir. Se debe tener mucho cuidado pues de otra forma la red podría caer en una situación en la que todos los transceptores se ocuparían de intentar transmitir y todas las trasnmisiones producirían colisiones. Para ayudar a evitar este tipo de situaciones, las redes Ethernet utilizan un procedimiento de retroceso exponencial binario mediante el cual el emisor espera un lapso aleatorio, después de la primera colisión esperará el doble de tiempo para intentar transmitir de nuevo, si de nuevo se produce una colisión esperará cuatro veces el lapso inicial antes de realiza un tercer intento y así sucesivamente. El retroceso exponencial evita que se pueda producir un congestionamiento intenso cuando estaciones diferentes tratan de transmitir en forma simultánea. En caso de que se de un congestionamiento, existe una alta probabilidad de que dos estaciones seleccionen retrocesos aleatorios muy cercanos. Así, la probabilidad de que se produzca otra colisión es alta. Al duplicar el retardo aleatorio, la estrategia de retroceso exponencial distribuye con rapidez los intentos de las estaciones para retransmitir en un intervalo de tiempo razonablemente largo, haciendo que la probabilidad de que se produzcan nuevas colisiones sea muy pequeña.
Capacidad de las redes Ethernet
El estándar Ethernet se define en 10 Mbps, lo cual significa que los datos pueden transmitirse por el cable a razón de 10 millones de bits por segundo. A pesar de que una computadora puede generar datos a la velocidad de la red Ethernet, la velocidad de la red no debe pensarse como la velocidad a la que dos computadoras pueden intercambiar datos. La velocidad de la red debe pensarse como una medida de la capacidad del tráfico total de la red. Pensemos en una red como en una carretera que conecta varias ciudades y pensemos en los paquetes como en coches en la carretera. Un ancho de banda alto hace posible transferir cargas de tráfico pesadas, mientras que un ancho de banda bajo significa que la carretera no puede transportar mucho tráfico. Una red Ethernet a 10 Mbps, por ejemplo, puede soportar unas cuantas computadoras que generan cargas pesadas o muchas computadoras que generan cargas ligeras.
Direccionamiento de hardware Ethernet
Las redes Ethernet definen un esquema de direccionamiento de 48 bits. Cada computadora conectada a una red Ethernet es asignada a un número único de 48 bits conocido como dirección Ethernet. Para asignar una dirección, los fabricantes de hardware de Ethernet adquieren bloques de direcciones Ethernet y las asignan en secuencia conforme fabrican el hardware de interfaz Ethernet. De esta manera no existen dos unidades de hardware de interfaz que tengan la misma dirección Ethernet.
Por lo general, las direcciones Ethernet se fijan en las máquinas en el hardware de interfaz de anfitrión de forma que se puedan leer. Debido a que el direccionamiento Ethernet se da entre dispositivos de hardware, a estos se les llama a veces direccionamientos o direcciones físicas. Tómese en cuenta la siguiente propiedad importante de las direcciones físicas Ethernet:
Las direcciones físicas están asociadas con el hardware de interfaz Ethernet; cambiar el hardware de interfaz a una máquina nueva o reemplazar el hardware de interfaz que ha fallado provocará cambios en la dirección física de la máquina.
Conociendo la dirección física Ethernet se pueden hacer cambios con facilidad porque los niveles superiores del software de red están diseñados para adaptarse a estos cambios.
El hardware de interfaz anfitrión examina los paquetes y determina qué paquetes deben enviarse al anfitrión. Debe recordarse que cada interfaz recibe una copia de todos los paquetes aun cuando estén direccionados hacia otras máquinas. La interfaz de anfitrión utiliza el campo de dirección de destino de un paquete como filtro. La interfaz ignora los paquetes que esté direccionados hacia otra máquinas y selecciona sólo los paquetes direccionados hacia el anfitrión. El mecanismo de direccionamiento y filtrado de hardware es necesario para prevenir que una computadora sea abrumada con la entrada de datos. Aun cuando el procesador central de la computadora podría realizar la verificación, ésta se realiza en la interfaz de anfitrión haciendo que el tráfico en la red Ethernet sea un proceso menos lento en todas las computadoras.
Una dirección Ethernet de 48 bits puede hacer más que especificar una sóla computadora destino. Una dirección puede ser alguno de los tres tipos siguientes:
- La dirección física de una interfaz de red (dirección de unidifusión).
- La dirección de publidifusión de la red.
- Una dirección de multidifusión
Convencionalmente, la dirección de difusión se reserva para envíos simultáneos a todas las estaciones. Las direcciones de multidifusión proporcionan una forma limitada de difusión en la cual un subconjunto de computadoras en una red acuerda recibir una dirección de multidifusión dada. El conjunto de computadoras participantes se conoce como grupo de multidifusión. Para unirse a un grupo de multidifusión, una computadora debe instruir a la interfaz anfitrión para aceptar las direcciones de multidifusión del grupo. La ventaja de la multidifusión reside en la capacidad para limitar la difusión: todas las computadoras en un grupo de multidifusión pueden ser alcanzadas con un solo paquete de transmisión, pero las computadoras que eligen no participar en un grupo de multidifusión en particular no recibirán los paquetes enviados al grupo.
Para adaptarse al direccionamiento de multidifusión y difusión, el hardware de interfaz Ethernet debe reconocer más que la dirección física. Una interfaz anfitrión por lo general acepta hasta dos clases de paquete: los direccionados a la dirección física de la interfaz (esto es, unidifusión) y las direcciones hacia la dirección de difusión de la red. Algunos tipos de interfaz pueden programarse para reconocer direcciones de multidifusión o para alternar entre direcciones físicas. Cuando el sistema operativo comienza a trabajar, éste inicia la interfaz Ethernet, haciendo que se reconozca un conjunto de direcciones. La interfaz entonces examina el campo de direcciones de destino en cada paquete, pasando hacia el anfitrión sólo las transmisiones destinadas a una de las direcciones específicas.
Formato de la trama Ethernet
La red Ethernet podría pensarse como una conexión de niveles enlazados entre máquinas. De esta manera, la información transmitida podría tener el aspecto de una trama. La trama Ethernet es de una longitud variable pero no es menor a 64 octetos ni rebasa los 1518 octetos (encabezado, datos y CRC). Como en todas las redes de conmutación de paquetes, cada trama Ethernet contiene un campo con la información de la dirección de destino. La figura 6 muestra que la trama Ethernet contiene la dirección física de la fuente y también la dirección física del destino.
Figura 6
Además de la información para identificar la fuente y el destino, cada trama transmitida a través de Ethernet contiene un preámbulo, un campo de tipo, un campo de datos y una Cyclic Redundancy Check (verificación por redundancia cíclica o CRC, por sus siglas en inglés). El preámbulo consiste en 64 bits que alternan ceros y unos para ayudar a la sincronización de los nodos de recepción. El CRC de 32 bits ayuda a la interfaz a detectar los errores de transmisión: el emisor computa el CRC como una función de los datos de la trama y el receptor computa de nuevo el CRC para verificar que el paquete se ha recibido intacto.
El campo de tipo de trama contiene un entero de 16 bits que identifica el tipo de datos que se están transfiriendo en la trama. Desde el punto de vista de Internet, el campo de tipo de trama es esencial porque significa que las tramas de Ethernet se autoidentifican. Cuando una trama llega a una máquina dada, el sistema operativo utiliza el tipo de trama para determinar que módulo de software de protocolo se utilizará para procesar la trama. La mayor ventaja de que las tramas se autoidentifiquen es que éstas permiten que múltiples protocolos se utilicen juntos en una sola máquina y sea posible entremezclar diferentes protocolos en una sola red física sin interferencia. Por ejemplo, uno podría tener un programa de aplicación que utiliza protocolos de Internet, mientras otro utiliza un protocolo experimental local. El sistema operativo utiliza el campo de tipo de una trama entrante para decidir cómo procesar el contenido. Veremos que los protocolos TCP/IP utilizan tramas Ethernet autoidentificables para hacer una selección entre varios protocolos.
Configuración del cable RJ-45
Según la norma T568B y como se muestra en la figura, el orden de cables de acuerdo a los colores es el siguiente:
- Blanco naranja
- Naranja
- Blanco verde
- Azul
- Blanco azul
- Verde
- Blanco café
- Café
Según la norma T568A y como se muestra en la figura, el orden de cables de acuerdo a los colores es el siguiente:
- Blanco verde
- Verde
- Blanco naranja
- Azul
- Blanco azul
- Naranja
- Blanco café
- Café
Si se quiere construir un cable que vaya de una computadora a un concentrador, se usa una sola configuración en ambos extremos. Si se quiere contruir un cable que vaya de un concentrador a otro o de una computadora a otra, se usan ambas configuraciones, una en cada extremo (lo que se conoce como cable cruzado).
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