Introducción a Ethernet

Ethernet es la tecnología LAN más popular, porque permite un buen equilibrio entre velocidad (10 Mbit/seg o más), bajo costo, facilidad de instalación, amplia aceptación en el mercado y compatibilidad con virtualmente todos los protocolos de red.

Ethernet fue desarrollada por la empresa Xerox durante los años 70, y fue definida posteriormente como IEEE Standard 802.3. El nombre «Ether-net» proviene de «red en el éter», haciendo una analogía entre el cable de la red que lleva bits a todos los dispositivos conectados, con el «éter» que (hace alrededor de 1 siglo) se pensaba que permitía la propagación de las ondas electromagnéticas en el espacio.

Ethernet utiliza una técnica de acceso denominada CSMA/CD (Carrier Sense and Multiple Access with Collision Detection) o «Detección de Portadora con Acceso Múltiple y Detección de Colisiones», la que permite que todos los dispositivos puedan comunicarse por el mismo medio, aunque sólo puede existir un único emisor en cada instante.

• Si varios dispositivos intentan transmitir en el mismo instante se detecta una colisión, y cada uno de ellos vuelve a intentar la transmisión transcurrido un pequeño intervalo de tiempo aleatorio. Todos los equipos pueden acceder a cada uno de los paquetes que se envían, aunque un equipo sólo debe prestar atención a aquellos que van dirigidos a él mismo.
• Ethernet es compatible con muchos protocolos de red, tales como IPX (para Novell NetWare), TCP/IP (para UNIX, Linux, Windows y otros sistemas operativos), NetBIOS/NetBEUI (para redes de Microsoft) y otros. Aunque cada protocolo es diferente, pueden compartir el mismo cableado físico.

Otros tipos de LAN

• Token Ring: Desarrollada por IBM; usa un testigo que viaja de PC en PC en una topología de anillo.
• ATM: (Asynchronous Transfer Mode); usado para conectar 2 o más redes LAN.
• LocalTalk: Desarrollada por Apple para los computadores Macintosh.

Ethernet interconecta la mayoría de los computadores de la Facultad de Ing. PUCV.

Protocolo Ethernet

En las redes Ethernet se envían los datos en unidades denominadas frames (tramas), las cuales tienen el siguiente formato:

Encabezado Ethernet

El encabezado básico Ethernet (existen algunas variantes) contiene los siguientes campos:

• Preámbulo: 7 bytes, usados para sincronizar el emisor con el receptor.
• Delimitador de inicio de trama: Señaliza el inicio de la trama; 1 byte (10101011).
• Dirección de destino: Dirección del adaptador de red (o tarjeta de red) que recibe el mensaje, asignada por el fabricante. Se conoce generalmente como dirección MAC (Media Access Control). Está formada por 6 bytes (48 bits), lo que permite disponer de 2⁴⁸ = 281 * 10¹² direcciones diferentes.
• Dirección de origen: Dirección del adaptador de red que origina el mensaje.
• Longitud: Número de bytes que componen la trama Ethernet completa (2 bytes).
• Campo Datos: Contiene la información enviada, incluyendo los encabezados de los protocolos usados (TCP, UDP, IP, etc.).
• Campo Detección de Errores: (32 bits) Se sitúa al final de la trama, y se calcula a partir de todos los bits de la trama. Si se detecta un error, la trama se descarta.

Protocolo ARP

ARP (Address Resolution Protocol) o «Protocolo de Resolución de Direcciones» es un protocolo usado para encontrar la dirección física (MAC) de un equipo en una red Ethernet.

Cada equipo cuenta con una tabla que relaciona la dirección IP y la dirección física de otros equipos situados en la misma red.

Si el equipo de destino no se encuentra en la tabla de direcciones, se utiliza el mensaje ARP de petición. Este mensaje contiene una solicitud de la dirección física de un sistema a partir de su dirección IP, y es enviado como broadcast (difusión) a todos los equipos en la red.

• Cuando el equipo con el que se quiere establecer comunicación analiza este mensaje y comprueba que la dirección IP corresponde a la suya, envía de regreso el mensaje ARP de respuesta, el cual contiene la dirección física que se estaba buscando. El equipo que solicitó la información recibe entonces el mensaje de respuesta y añade la dirección a su tabla de direcciones para referencia futura.

Topologías de LAN

El diseño físico de una red se conoce como su topología.

En las primeras redes Ethernet se tendía un cable coaxial grueso llamado Thicknet y se conectaban los equipos directamente al mismo. El cable Thicknet era la red troncal.

Un segmento de cable coaxial grueso podía tener hasta 500 metros de longitud y un máximo de 100 nodos conectados. La distancia mínima entre las conexiones era de 2.5 metros.

El cable coaxial grueso no se cortaba para conectar nuevos nodos, sino que se perforaba con un dispositivo comúnmente denominado «vampiro».

Conectar equipos directamente a la red troncal dio lugar a una topología denominada de bus, en la cual los dispositivos se conectaban a un único cable.

Posteriormente se introdujo un tipo de cable coaxial más fino, denominado Thinnet, que era más barato y fácil de instalar, ya que era más flexible, y las conexiones se realizaban con adaptadores BNC tipo T.

Un segmento de cable coaxial fino podía tener hasta 185 metros de longitud y un máximo de 30 nodos conectados. La distancia mínima entre las conexiones era de 0.5 metros.

La topología tipo bus implementada con cable coaxial presentaba 2 defectos importantes:

• El cable coaxial requería que las conexiones estuviesen separadas por una distancia mínima, lo que dificultaba la conexión de equipos cercanos.
• El cable coaxial obligaba a unir las tierras de seguridad de los equipos, lo que podía provocar cortocircuitos si un usuario insertaba el enchufe de la línea de 220 V desplazado, conectando el contacto central del enchufe macho (tierra de seguridad) con la fase del enchufe hembra. A pesar de que puede ser difícil insertar un enchufe normal de esa forma, se logra fácilmente con un triple.

Hoy en día, la mayoría de los equipos se conectan mediante cables de par trenzado a concentradores (hubs), conmutadores (switches) o enrutadores (routers). Estos aparatos ofrecen más opciones a los administradores de red, tanto en el diseño físico como en el diseño lógico de las redes, ya que los equipos se conectan en una topología en estrella, lo que permite agregar equipos sin tener que hacer cambios en la red troncal.

• Los adaptadores de red utilizados con el cable de par trenzado proporcionan aislación galvánica entre los equipos, eliminando el riesgo de cortocircuito descrito anteriormente.
• Si se conectan muchos equipos a un mismo segmento Ethernet, se crea congestión, ya que sólo 1 equipo puede transmitir en un instante dado. Se dice que los equipos situados en un mismo segmento están en un mismo «dominio de colisión«.
• La topología en estrella facilita la segmentación de la red, proceso que consiste en dividir la red en segmentos independientes, los cuales se interconectan mediante aparatos que analizan las tramas, y sólo dejan pasar aquellas que van dirigidas a equipos situados en otros segmentos.

Cableado

Como se explicó anteriormente, las primeras LAN funcionaban sobre cables coaxiales Thicknet, y posteriormente, Thinnet. Actualmente se utilizan cables de par trenzado y fibra óptica.

Par Trenzado

A finales de los 80 se introdujeron los concentradores o hubs, que interconectaban los equipos utilizando topología en estrella mediante un nuevo tipo de cable, llamado par trenzado, más barato y fácil de instalar.

A pesar de que el par trenzado tiene un límite operativo de sólo 100 metros, se puede extender usando hubs, hasta un máximo de 4. Por ejemplo, un espacio de oficinas de 300 metros de largo puede ser cableado con par trenzado intercalando 2 hubs.

El cable de par trenzado puede tener o no blindaje, lo que da origen a 2 tipos de cable:

• UTP (Unshielded Twisted-Pair): Par trenzado sin blindaje, utilizado en la mayoría de las redes.
• STP (Shielded Twisted-Pair): Par trenzado blindado, utilizado en ambientes industriales o donde se espera interferencia electromagnética. El blindaje es caro, engruesa el cable y lo hace más rígido, complicando su instalación.

Existen varias categorías diferentes de cable de par trenzado, las cuales permiten velocidades de 10 MBit/seg, 100 MBit/s (Fast Ethernet), e incluso, 1 GBit/s.

El conector usado en el cable UTP es el RJ-45, una versión mayor del conector telefónico típico.

Fibra Óptica

El cable de fibra óptica consiste de un núcleo central de fibra transparente, rodeada por varias capas de material protector tal como Teflón o PVC, y fibras de kevlar para darle resistencia a la elongación.

El cable de fibra óptica es más caro que el cable de par trenzado, pero presenta varias ventajas técnicas:

• La longitud del cable puede ser mucho mayor. (La Facultad de Ingeniería de la PUCV está conectada con la Casa Central por medio de fibra óptica, a una velocidad de 1 GBit/seg).
• Es inmune a la humedad.
• Es inmune a la interferencia electromagnética.
• Proporciona aislación galvánica.

La mayoría de las redes grandes actuales usan una combinación de fibra óptica y de par trenzado.

• El par trenzado se usa para conectar los equipos a los switches y a los routers.
• La fibra óptica se usa para crear los troncales, o para interconectar edificios.

Equipos: Repetidores y Hubs

Como una señal se debilita al viajar por un cable, puede ser necesario reforzarla.

En las primeras redes Ethernet, construidas con cable coaxial, se usaban repetidores cuando la longitud de los cables excedía el máximo permitido.

El repetidor amplifica la señal y la retransmite.

La función del repetidor se amplió posteriormente a dispositivos con más de 2 puertas, denominados «hubs«.

Los hubs (concentradores) son repetidores con varias puertas; toman cualquier señal entrante y la repiten en todas las puertas. Los hubs son los equipos más básicos requeridos para construir redes con topología en estrella.

Los hubs operan en la capa 1 (capa Física) del modelo OSI. Los usuarios conectados a un hub comparten la misma red Ethernet, compitiendo por el acceso a ella. Están en un mismo «dominio de colisión«, y sólo consiguen una fracción del ancho de banda disponible.

Debido al abaratamiento de la tecnología, los hubs han sido desplazados por los switches.

Puentes y Switches

Cuando el número de equipos conectado a los segmentos Ethernet comenzó a aumentar, creando congestión, se introdujeron los puentes (bridges).

Cuando una trama es recibida por un puente, éste compara el segmento origen con el segmento destino. Si ambos segmentos son iguales, la trama es ignorada; si los segmentos son diferentes, la trama cruza el puente.

Adicionalmente, los puentes no remiten las tramas con errores, evitando su circulación por la red.

El filtrado y la regeneración de las tramas remitidas permite dividir una red en dominios de colisión separados, disminuyendo la congestión.

La mayoría de los puentes aprenden, construyendo una tabla con la dirección simbólica (número IP) y la dirección física (Ethernet) de los equipos a medida que procesan tramas.

Los switch o conmutadores son una ampliación del concepto de puentes. Si es conveniente unir 2 redes a través de un puente, ¿por qué no desarrollar un dispositivo que pueda unir entre sí 4, 10 o más redes? Eso es lo que hace un switch.

Los switches operan en la capa 2 (Enlace) del modelo OSI, separando las redes en dominios de colisión independientes. Cada uno de los segmentos conectados a un switch dispone del ancho de banda completo, compartido por menos usuarios, lo que mejora el rendimiento.

El precio de estos dispositivos ha bajado lo suficiente como para reemplazar a los hubs en muchas instalaciones recientes.

Redes conmutadas

Uno de los avances más importantes en redes Ethernet es el uso de redes conmutadas (switched Ethernet). Estas redes reemplazan el medio compartido tradicional de Ethernet con un segmento dedicado para cada equipo. Los equipos se conectan a las bocas de un switch, y como los únicos dispositivos conectados a cada segmento son el equipo y el switch, se eliminan las colisiones, aumentando la velocidad de la red. Además mejora la privacidad de la información, ya que los usuarios no pueden acceder a paquetes dirigidos a otros equipos.

Las redes Ethernet originales sólo permitían que 1 equipo transmitiese a la vez, lo que implicaba que un equipo no podía transmitir y recibir simultáneamente. Este tipo de comunicación se denomina half-duplex, o semiduplex. Como en las redes conmutadas no existe riesgo de colisiones, los equipos pueden transmitir y recibir simultáneamente (comunicación full-duplex) usando conductores distintos en los cables de par trenzado, duplicando de esta forma la velocidad de la red.

Routers

Los routers («encaminadores» o «enrutadores») son computadoras especializadas que interconectan las redes, enviando los paquetes desde la red de origen hasta la red de destino.

Los routers son esenciales para la existencia de Internet, la «red de redes». Para conectar una LAN a la Internet se utiliza un router.

Los routers desempeñan varias tareas:

1. Seleccionan el mejor camino para enviar un mensaje, basándose en la disponibilidad, congestión y costo de distintos enlaces posibles.
2. Bloquean el tráfico broadcast (difusión), evitando su salida a Internet.
3. Convierten protocolos, para poder interconectar redes o equipos que usan protocolos diferentes.
4. Protegen a los equipos de la red local, bloqueando tráfico indeseado desde el exterior.

No todos los routers desempeñan todas las funciones indicadas anteriormente. Algunos son sencillos, para uso en casas o en pequeñas oficinas.

Switches de Capa 3

Aunque muchos switches operan en la capa 2 (Enlace) del modelo OSI, algunos incorporan las características de un router y operan también en la capa 3 (Capa de Red).

Cuando un router recibe un paquete, analiza las direcciones de origen y de destino de la capa 3 (números IP) para determinar el camino que debe seguir el paquete.

En cambio, un switch común se basa en las direcciones de la capa 2 (MAC address) para retransmitir el paquete.

La diferencia principal entre un router y un switch de capa 3 es que mientras un router se basa en un computador especializado que toma decisiones en base a un software, el switch de capa 3 incluye circuitería optimizada que le permite retransmitir los paquetes tan rápido como lo hace un switch común de capa 2, pero tomando decisiones sobre cómo retransmitirlos en el nivel de la capa 3, tal como lo hace un router. Estos switch tienen la capacidad de reprogramar dinámicamente su propio hardware con la información cambiante de «ruteo» en la capa 3.