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Redes Ethernet





Historia



               Diseñado por Xerox Corporation en los 70’s
Primera red: 1 Km, 100 usuarios, 2.94 Mbps
Ether: Medio en que se consideraba que se tenían que propagar las ondas electromagnéticas
               En 1980 se desarrolla como estándar por Digital Equiment Corporation, Intel y Xerox a este Ethernet DIX (10Base5). Renombrado posteriormente como IEEE 802.3









Diferencias entre Ethernet y IEEE 802.3



  • Ligeras diferencias en el formato de las tramas.
  • Variaciones en el estándar 802.3 para formar toda una familia que emplea el protocolo CSMA/CD en velocidades desde 1 a 100 Mbps y sobre diferentes medios de comunicación.





Variaciones en el estándar 802.3



  • 10Base5.Coaxial de hasta 500 m en B. Base
  • 10Base2.Coaxial de hasta 185 m en B. Base
  • 10BaseT.Par Trenzado de hasta 100 m
  • 1Base5.Par Trenzado de hasta 500 m (1Mbps)
  • 10Broad36.Coaxial (RG-59/ CATV) de hasta 3600 metros en Banda Ancha
  • 10BaseF.Fibra Optica a 10 Mbps
    Nota: Existen otras variaciones a 100 Mbps






Componentes del Estándar



  • Protocolo: CSMA / CD
  • Topología: Bus y Star.






Diseños mas Utilizados



  • Thin Ethernet Bus ( 10 Base 2)





  • Thick Ethernet Bus (10 Base 5)
  • Ethernet Star (10 Base-T)
















Elementos del Estándar 10Base5(Primera Implementacion)



  • Tarjeta de Red. Debe poseer un conector tipo DIX o AUI.
  • Repetidor. Necesario para unir los segmentos.
  • Transceptor(Transceiver). Se usa para conectar la estación de trabajo. Posee tres conectores, uno para la la estación de trabajo y dos, distintos al anterior, para la conexión del cable de la red al cual puede unirse perforando el cable (vampire taps) o empleando conectores T. Este dispositivo es quien contiene la electrónica que maneja el protocolo CSMA/CA. Existen transceiver que permiten enlazar hasta 8 computadoras.
  • Cables. Coaxial de 0.4 pulgadas de diámetro (grueso) y 50 Ohms para los segmentos. Cables de transceptor para la conexión de este a la estación de trabajo el cual contiene 5 pares trenzados apantallados (2 para senales de datos y dos para senales de control, el otro se puede emplear para energía.
  • Conectores. Tipo serie N macho para los cables de la red los cuales son necesarios cuando se usan transceptores con conector T hembra. Conectores de unión de dos tramos de cable, terminadores de 50 Ohms para los extremos de los segmentos, uno de los cuales debe poseer un conector a tierra y conectores para el cable del transceptor.










Limitaciones del Estándar Ethernet 10Base5



10BASE5 (10 Mbps/Baseband/500 m)
  • Velocidad 10 Mbps
  • Repetidores 4
  • Distancia % PC y AUI 50 m
  • # de segmentos 5
  • Estaciones por seg. 100
  • Distancia entre Est. 2.5 m
  • Segmento sin rep. 500 m
  • Segmento con rep. 2500 m













Ethernet 10Base5



  • Utiliza cable grueso Ethernet de 0.4 pulg. de diámetro con conectores de la serie N en ambos extremos
  • Número máximo de segmentos: 5
  • Longitud máxima del segmento: 8,200 pies (2,500 mts)
  • Número máximo de estaciones conectadas a un segmento: 100
  • Distancia máxima entre transceptores: 8 pies (2.5 mts)
  • Longitud máxima del cable del transceptor: 165 pies (50 mts)










Elementos del Estándar 10Base2



  • Tarjeta de Red. Debe poseer un conector tipo BNC.
  • Repetidor. Necesario para unir los segmentos.
  • Cable. Coaxial RG-58 de 0.2 pulgadas de diámetro y 50 Ohms.
  • Conectores. Tipo BNC, BNC en T, conectores de unión de tramos de cable y terminadores para los extremos de los segmentos (de 50 Ohm) uno de los cuales debe tener una toma de tierra.






Red Ethernet 10Base2













Limitaciones del Estándar Ethernet 10Base2



10BASE2 (10Mbps/Baseband/185m)
  • Velocidad 10Mbps
  • Repetidores 4
  • # de segmentos 5
  • Estaciones por seg 30
  • Distancia entre Est. 0.5 m
  • Segmento sin rep. 185 m
  • Segmento con rep. 925 m
  • Tipo de Cable RG58 (50 Ohms)



Componentes del Estándar



               Bus lineal, sistema de transmisión formada con cable COAXIAL y conectores BNC.








Elementos del estándar 10BaseT



  • Tarjeta de Red. Debe poseer un conector tipo RJ-45.
  • Hub o Concentrador. Actúa como repetidor difundiendo la senal que llega por una entrada a todas las salidas. Puede conectarse un Hub a otros Hubs formando un configuración jerárquica. Posee varios puertos para par trenzado y usualmente incluye algún puerto para otro tipo de cableado.
  • Cable. Par trenzado, usualmente sin apantallamiento (20 a 24 AWG UTP).
  • Conectores. RJ-45 macho. Si se emplean conectores de pared estos son RJ-45 hembra.






Especificaciones del estándar Ethernet 10BaseT



    10BASET (10Mbps/Baseband/Twisted Pair)

  • Nivel 1: teléfono
  • Nivel 2: 4Mbps
  • Nivel 3: 16Mbps
  • Nivel 4: 20 Mbps
  • Nivel 5: 100 Mbps


  • Velocidad 10Mbps
  • Hubs en cascada 4
  • Segmento sin rep 100m






UTP(Unshielded Twisted Pair)



Es el cable más popular para redes de datos, barato, flexible y fácil de instalar.


    Hay 5 categorías:

  • Categoría 1. Utilizado para voz (Teléfono)
  • Categoría 2. Utilizado para voz y datos a 4 Mbps
  • Categoría 3. Utilizado para redes de alta velocidad, hasta 16 Mbps
  • Categoría 4. Utilizado para redes de larga distancia y hasta 20 Mbps
  • Categoría 5. Utilizado para redes de alta velocidad (100Mbps)






Operación del Protocolo



  • Medio de Acceso: CSMA/CD
  • Broadcast
  • Carrier Sense: sensar el canal para poder transmitir
  • Multiple Access: igual posibilidad de acceso al medio para todas las estaciones
  • Collision Detection: Transmisión simultánea de dos estaciones






Operación







  • A sensa = transmite
  • B sensa = transmite
  • Se presenta la colisión
  • “Jam Signal” de 32 bits
  • La transmisión se aborta
  • Después de un tiempo variable (Algoritmo BinaryExponential Backoff) se reinicia la transmisión






Frame IEEE 802.3 vs Trama Ethernet





Trama



  • Caracteristicas:
  • Preámbulo: Cada byte contiene el patrón 10101010 que en la codificación Manchester produce una onda cuadrada de 10 Mhz de 5.6 microsegundos que permite al receptor sincronizarse con el transmisor.
  • Comienzo de la Trama: Contiene el patrón 10101011.
  • Longitud: Dice el numero de bytes que posee el campo de datos.
  • PAD: Muy importante para rellenar la trama de forma tal que se mantenga una trama valida de 64 bytes si el campo de datos posee menos de 46 bytes. La trama debe poseer 64 bytes para evitar que sea confundida con restos de tramas después de una colisión)
  • Otra razón para fijar un tamaño mínimo de la trama, el cual varia de acuerdo a la velocidad y distancia, es permitir a una estación completar la transmisión de una trama corta antes de que el primer bit alcance el otro extremo del cable en un tiempo dado. Para 10Base5 este tiempo es de 51.2 microsegundos. A mayor velocidad de transmisión el tamaño mínimo de la trama debe aumentar.
  • FCS o Secuencia de Chequeo de Trama: Emplea código cíclico para el chequeo de la trama.






Direccionamiento









  • 48 bits de dirección MAC.
  • I/G: valor 1 para direcciones de grupo (multicast y broadcast)
  • u/L: L es asignada localmente y u es asignado por la IEEE para igual dirección global en cualquier lugar del mundo
  • 46 bits administrados por la IEEE en direcciones global
  • Source Address tiene el mismo formato, con el primer bit = 0


Resumen: Transmisión





LLC recibe la información y crea PDUs
MAC crea los campos del frame
El paquete se envía a la cola de transmisión






El nivel físico sensa el medio e inicia la TX Se agrega el preámbulo y el delimitador El paquete se codifica (Manchester) En ausencia de colisión el paquete es enviado







Señalización



Para quitar posibilidad de daño en dispositivos es necesario que no exista excesivo voltaje de DC







Esto se hace con métodos de codificación como NRZ, NRZI Manchester que es el que utiliza Ethernet







Resumen: Recepción



  • Tramas muy cortas se eliminan
  • Se lee DA. Si no coincide se descarta
  • Se lee FCS. Si no es correcto se descarta
  • Se extrae la parte de datos y se pasa al LLC
  • LLC procesa y pasa la información





  • El paquete es recibido y decodificado
  • Preámbulo y delimitador se eliminan








Concentradores o Hubs de Switcheo



               A medida que el número de usuarios aumenta, los concentradores van perdiendo funcionalidad y se van creando cuellos de botella dentro de las redes El propósito de utilizar los concentradores de switcheo, es aumentar la velocidad en la conectividad y el ancho de banda de la red, quitando así los cuellos de botella





Switches



  • Módulos de switcheo independientes interconectados por un backplane de alta capacidad.
  • Operación Cuthrough o Store and Forward.








Características de los Hubs Conmutados



               El corazón del sistema es un switch conteniendo un backplane de alta velocidad y típicamente de 4 a 32 tarjetas cada una con varios conectores usualmente RJ-45 para permitir conexión de estaciones o de hubs. Cuando una estación transmite una trama 802.3 al hubs, este primeramente checa si la trama es para una estación conectada a la misma tarjeta o en diferente. Si es en la misma tarjeta, la trama se copia hacia su destino y si es tarjeta diferente entonces la misma es enviada al backplane el cual trabajando a alta velocidad (típicamente 1 Gbps usando protocolos propietario) lo envía a la tarjeta donde se encuentra el destino. Si dos estaciones conectadas a la misma tarjeta transmiten tramas a la misma vez, en dependencia de como esta este construida pueden ocurrir dos cosas:
  • Si todos los puertos están alambrados juntos para formar una local LAN en la tarjeta, las colisiones se manejaran en forma tradicional siendo posible solamente una transmisión por tarjeta en un instante. Sin embargo todas las tarjetas pueden transmitir en paralelo con lo cual cada tarjeta forma su propio dominio de colisiones.
  • Si la tarjeta tiene cada entrada buffereada, las tramas que entran son almacenadas en RAM lo cual permite que todas las estaciones en una tarjeta puedan Tx y Rx tramas a la vez para una operación paralela, full dúplex. Con este diseño, cada entrada posee un dominio de colisiones separados por lo que no ocurren colisiones. Esto puede ofrecer un rendimiento en un orden o mas de magnitud con respecto a 10Base5.
  • Como el switch espera tramas 802.3 en sus entradas, es posible conectar a las mismas concentradores y no simples estaciones. Si todas las entradas se conectan a hubs, el switch se convierte en un bridge de 802.3 a 802.3.
  • El backplane no ha sido estandarizado y no es necesario hacerlo pues queda oculto dentro del switch con lo cual se puede sin limitaciones mejorar el backplane y aumentar su rendimiento.
  • Virtualmente todos los conmutadores pueden manejar una mezcla de estaciones de 10 y 100 Mbps, lo cual hace la transición a 100 Mbps mas fácil.






LANs Conmutadas



  • Más ancho de banda:
  • Ethernet duplex
  • FDDI
  • 100VGAnyLAN
  • ATM ....






Permite Redes Virtuales









Ventajas de los Concentradores de Switcheo



  • Tienen la habilidad de conectar un mayor número de segmentos de Red, lo que significa que se puede dedicar un segmento de Red a una sola estación
  • Se pueden tener varios segmentos de 10Mbps cada uno.
  • El conmutador puede mandar los datos a la velocidad que la estación de trabajo lo requiera.
  • Los conmutadores se pueden interconectar entre sí mediante protocolos de mayor velocidad.










Qué es Fast Ethernet?



  • 10BaseT a 100 Mbps
  • MAC 802.3 (CSMA/CD)
  • Topología de estrella
  • Nuevos esquemas de señalización
  • Compatible con las herramientas de administración actuales
               En 1992 IEEE dio instrucciones al Comité 802.3 para que trabajara en una LAN mas rápida. Este comité decidió mantener el 802.3 haciendolo mas rápido a costa de nuevas características (tales como trafico en tiempo real y digitalizacion de voz) debido a:


  • La necesidad de que fuese compatibles con las miles de LANs existentes
  • El temor de que el nuevo protocolo pudiera presentar problemas no previstos
  • El deseo de mantener el trabajo hecho anteriormente


               En Junio de 1995 IEEE aprueba la propuesta bajo el nombre de 802.3u la cual técnicamente no es un nuevo estándar sino una adición al estándar 802.3. Esto es lo que se conoce como Fast Ethernet.

               La idea fue simple: mantener el formato de paquete, las interfaces y los procedimientos y reducir el tiempo de bit de 100 ns a 10 ns. Esta basada en el diseño de 10BaseT por lo cual todos los sistemas desarrollados emplean Hubs. Como cableado soporta par trenzado (categoría 3, 4 y 5) y fibra óptica.


    100BASE-FX
    • Cable: 2-pares Categoría 5 UTP, 2-pares Tipo 1 STP
    • Conector: RJ-45 categoría 5 certificado.
    • Señalización: 100Mbps = 1-par x 125MHz x 80% (por codificación 4B5B)
    • Conexión de pines: igual a 10BaseT


    100BASE-T4
    • Cable: 4-pares Categoría 3, 4 ó 5 UTP
    • Conector: RJ-45 estándar
    • Señalización: 100Mbps = 3-pares x 25MHz x 133% (por codificación 8B6T )
    • Conexión de pines: 10Base-T + 2 pares bidireccionales


    100BASE-TX
    • Cable: 2-fibras, 62.5/125 micras
    • Conector: MIC, ST o SC
    • Señalización: 100Mbps = 1 fibra x 125MHz x 80% (por codificación 4B5B)
    • Conexión de fibra: 1 transmite, 1 recibe



    .
    100BASE-TX
    100BASE-T4
    100BASE-F
    Cable
    2 pares
    4 pares
    2 fibras
    .
    Cat 5 UTP
    Cat 3,4,5 uTP
    Multimodo STP 1
    Conector
    RJ-45
    RJ-45
    MIC, ST, SC
    Transmisión
    Full-dpx
    Half-dpx
    Full dpx









100BaseT: Consideraciones







Beneficios de 100BaseT



  • 10 veces el comportamiento de 10BaseT como máximo al doble del costo
  • Tecnología probada
  • Sencillez de uso y de migración
  • Productos dual-speed 10/100
  • Switcheo 10Mbps a 100Mbps a bajo costo
  • Uso de plataformas de administración existentes
  • Amplio soporte en la industria
  • Equipos de bajo costo










Tarjetas de Red (NIC)



    Instalacion y Configuración. Una computadora que se conecta a la red necesita de las funciones de una tarjeta de red ( NIC - Network Interface Card ) para entablar comunicación con el resto de los equipos de la red. Dependiendo de la topología escogida ( Ethernet, Token Ring ) existen tarjetas de red con diferentes características operativas, y precios, pero ajustándose al estándar propuesto por la IEEE.

    Los fabricantes de las tarjetas agregan funcionalidad buscando mejorar la actuación del componente al permitir esquemas de comunicación avanzados con el CPU de la computadora, mayores cantidades de buffer de comunicaciones para no retardar la recepción de paquetes, etc.
    Dentro de cada estándar, existen en el mercado diversidad de marcas y características que deberán ser revisadas para una correcta selección del componente. Especial atención deberá ponerse a la NIC que se instalará los servidores de la red dado que la comunicación con este componente es mucho más intensa que la que se realiza con las estaciones de la red.







Funciones de la NIC



  • Gestión de las comunicaciones entre las computadoras de la red en apego a un estándar ( 802.3, 802.4, 802.5 ).
  • Hand-shaking Para el establecimiento de los parámetros de la comunicación, tales como la velocidad, tamaño del paquete, tiempo de espera, tamaño del buffer, etc.
  • Conversión paralelo-serie(transmisión), serie-paralelo(recepción). Los datos a transmitirse se reciben del bus de la computadora en forma paralelo y se envían por el cable de la red en forma serial.
  • Codificación de los datos. Su objetivo es elevar el rendimiento de la transmisión y proveer información para la detección y recuperación de los errores ( en Ethernet el esquema de codificación utilizado se llama Manchester ).
  • Identificación del nodo de la red. Cada tarjeta de red contiene la dirección del nodo ( computadora ). En tarjetas Ethernet y Token Ring la dirección no se puede modificar.






Características de la NIC



Existen características de las tarjetas que deben observarse para una correcta adquisición:
  • Mecanismo de pase de datos entre el buffer de la tarjeta y la RAM de la computadora.
    • Acceso directo a memoria. Un controlador de DMA toma control del bus y pasa datos directamente del buffer de la tarjeta a direcciones predeterminadas de RAM sin participación del CPU.
    • Memoria de adaptador compartida. El CPU puede acceder directamente al buffer de la tarjeta.
    • Memoria del Sistema compartida. Un procesador de la tarjeta tiene acceso a un bloque de RAM que utiliza para leer o depositar los datos del buffer interno.
    • Bus Mastering. Un procesador de la tarjeta puede tomar control del bus y transferir los datos directamente a la RAM, sin participación del CPU.
  • PROM de arranque remoto. Permite que estaciones sin unidades de almacenamiento sean arrancadas ( booteadas ) al recibirse una imagen de booteo desde un servidor de la red.
  • Tipo de Bus. Las tarjetas de red normales tienen un conector para un bus del tipo ISA. Existen tarjetas de red para buses de tipo EISA, MCA, PCI. En servidores deben utilizarse tarjetas de alto desempeño ( MCA, EISA, PCI ).






Configuración de NICs



  • Las NICs, como cualquier componente de hardware que se adicione a la computadora, debe ser configurado.
  • A cada NIC hay que configurarle:
    • IRQ. Interrupción a la cual responde.
    • Puerto Base de I/O para comunicación con el software.
    • A veces:
      • Medio de conexión al cable ( BNC, AUI, RJ-45 )
      • Activación de PROM de encendido remoto
    • La configuración debe ser única dentro de la computadora.

  • Formas de configuración de tarjetas de red:
    • Con Jumpers(Puentes).
    • Con software(Programa de SETUP incluido en el diskette de drivers de la tarjeta)


  • Tarjeta de Red NE1000
  • Tarjeta de Red NE2000






Configuración de NICs(Jumpers)



Procedimiento de Configuración de NICs con Jumpers


  • Localizar los Jumpers en la NIC
  • Checar el manual adjunto para seleccionar la opción de configuración.
  • Colocar los jumpers en los lugares indicados por las tablas de configuración.
  • Colocar la NIC en un slot de expansión de la Computadora.
  • Arrancar la computadora para determinar si no hay conflictos.






Configuración con un programa de SETUP


               Las nuevas tarjetas de red se configuran por software, es decir, ya no traen jumpers de configuración, haciendo más cómoda su configuración. La tarjeta de red debe ser colocada en la computadora y por medio del software de configuración que la acompaña se realiza su configuración. Para modificar algún parámetro de configuración ya no es necesario apagar la computadora para remover la tarjeta.
Deberá siempre asegurarse de contar con el ( los ) diskettes que acompañan a la tarjeta de red. En esos diskettes, aunado a los drivers para diferentes sistemas operativos de red, viene el software de configuración que es exclusivo para cada modelo de tarjeta. El software de configuración incluye además servicios para la prueba de la tarjeta aisladamente y en comunicación con otros equipos de la red. Estas pruebas deberán realizarse una vez que la tarjeta ha sido reconocida por la computadora, y cuando ya se ha cableado físicamente la red.