Guía de Ethernet Para Certificación Cisco

Ethernet

Ethernet es un método de conexión de acceso al medio que permite a todos los host en una red compartir el mismo ancho de banda de un enlace. Ethernet es popular porque es en buena forma escalable, o sea que es comparativamente fácil de integrar nuevas tecnologías, como Fast Ethernet y Gigabit Ethernet, en una infraestructura de red existente. Es también relativamente simple de implementar en primer lugar, y con él, la reparación de averías es razonablemente accesible. Ethernet usa las especificaciones de las capas de Enlace de Datos y Física.

Ethernet usa Detección de Portadora, Múltiple Acceso con Detección de Colisiones (CSMA/CD), un protocolo que ayuda a los dispositivos compartir el ancho de banda eventualmente sin tener dos dispositivos transmitiendo al mismo tiempo en el medio de red. CSMA/CD fue creado sobre todo para el problema de esas colisiones que ocurren cuando los paquetes son transmitidos simultáneamente de diferentes nodos. Una buena administración de colisiones es crucial, porque cuando un nodo transmite en una red CSMA/CD, todos los otros nodos en la red reciben y examinan esa transmisión. Solo puentes y routers pueden prevenir efectivamente una transmisión que se propaga en toda la red.

Entonces, ¿cómo es que el protocolo CSMA/CD trabaja? Veamos la figura siguiente:

Cuando un host quiere transmitir sobre la red, primero chequea por la presencia de una señal digital en el cable. Si no hay una señal (no hay otro host transmitiendo), el host procederá con su transmisión. Pero no se detiene alii. El host transmisor constantemente monitoriza el cable para asegurarse que otros hosts no empiecen a transmitir. Si el host detecta otra señal en el cable, envía una señal jam extendida que causa que todos los nodos en el segmento paren de enviar datos (señal de ocupado). Los nodos responden a esa señal jam esperando un momento antes de tratar de transmitir de nuevo. Los algoritmos backoff  determinan cuando las estaciones en colisión puedan retransmitir. Si las colisiones se mantienen después de 15 intentos, los nodos tratan de transmitir cuando el tiempo acabe.

Cuando una colisión ocurre en una LAN Ethernet, los siguientes pasos ocurren:

•             Una señal jam informa a todos los dispositivos que una colisión ha ocurrido.

•             La colisión invoca un algoritmo backoff aleatorio.

•           Cada dispositivo en el segmento Ethernet para de transmitir por un corto tiempo hasta que el tiempo expire.

•             Todos los hosts tienen igual prioridad de transmitir después que el temporizador haya expirado.

Los siguientes son efectos de tener una red CSMA/CD sosteniendo colisiones pesadas:

•             Retardo

•             Bajo rendimiento

•             Congestión

Ethernet Half-Duplex y Full-Duplex

Ethernet Half-Dulpex es definido en el Ethernet original 802.3; Cisco dice que se usa solo un par de cables con una señal digital corriendo en ambas direcciones en el segmento. Ciertamente, las especificaciones IEEE discuten el proceso de half duplex de forma algo diferente.

También se usa el protocolo CSMA/CD ara ayudar a prevenir colisiones y permitir retransmitir si una colisión ha ocurrido. Si un hub es conectado a un switch, debe operar en modo half duplex porque las estaciones finales deben ser capaces de detectar colisiones. Ethernet Half-Duplex típicamente 10BaseT es solo cerca de 30 a 40 por ciento eficiente como Cisco lo ve, porque una red 10BaseT larga usualmente trabajara solo de 3 a 4Mbps a lo mucho.

Pero Ethernet Full-Duplex usa dos pares de cables en vez de un par de cables como half duplex. Y full duplex usa una conexión punto a punto (point-to-point) entre el transmisor del dispositivo que transmite y el receptor del dispositivo que recibe. Esto significa que con la transferencia de datos full duplex, se conseguirá más velocidad de transferencia de datos comparada con half duplex. Y porque el dato transmitido es enviado en un diferente grupo de cables del dato recibido, las colisiones no ocurrirán.

La razón por la que no hay que preocuparse a cerca de las colisiones es porque ahora es como un camino libre con múltiples vías en vez de una sola vía provista por half duplex. Ethernet Full-Duplex supuestamente ofrece 100 por ciento de eficiencia en ambas direcciones, por ejemplo, se puede conseguir 20Mbps con un Ethernet de 10Mbps corriendo a full duplex o 200Mbps para un Fast Ethernet. Pero esta velocidad es algo conocida como una velocidad agregada, que se traduce como "se supone tener" 100 por ciento de eficiencia. Sin garantías.

Full-duplex Ethernet puede ser usado en tres situaciones:

•             Con una conexión de un switch a un host

•             Con una conexión de un switch a un switch

•             Con una conexión de un host a un host usando un cable cruzado (crossover cable).

Ethernet Full-Duplex requiere una conexión punto a punto cuando solo dos nodos están presentes. Se puede correr full duplex con cualquier dispositivo excepto con un hub.

Ahora, si es capaz de toda esa velocidad, ¿por qué no se podría repartir? Bueno, cuando un puerto Ethernet Full-Duplex está prendido, primero conecta hacia el terminal remoto y negocia con el otro terminal del enlace Fast Ethernet. Esto es llamado un mecanismo de auto-detección. Este mecanismo primero decide sobre la capacidad de intercambio, que significa chequear si puede correr a 10 o 100Mbps. Luego chequea si puede correr a full duplex, y si no se puede, lo hará en half duplex. Finalmente, recordar estos puntos importantes:

•             No hay colisiones en modo full duplex.

•             Un puerto dedicado de un switch es requerido por cada nodo full duplex.

•             La tarjeta de red del host y el puerto del switch deben ser capaces de operar en modo full duplex.

Ethernet en la Capa de Enlace de Datos

Ethernet en la Capa de Enlace de Datos es responsable por el direccionamiento Ethernet, comúnmente referido al direccionamiento de hardware o direccionamiento MAC. Ethernet es también responsable por convertir los paquetes recibidos de la Capa de Red en frames y prepararlos para la transmisión en la red local a través del método de contenimiento de acceso al medio de Ethernet.

Direccionamiento Ethernet

Aquí es donde se especifica cómo trabaja el direccionamiento Ethernet. Usa la dirección de Control de Acceso al Medio (MAC) que está grabada en cada tarjeta de red Ethernet (NIC). La dirección MAC, o hardware, es una dirección de 48-bits (6-bytes) escrita en un formato hexadecimal.

La figura siguiente muestra la dirección MAC de 48-bits y como los bits están divididos.

La identificación única de organización (OUI) es asignada por el IEEE a una organización. Está compuesta de 24 bits, o 3 bytes. La organización, en turno, asigna una dirección administrada global (24 bits, o 3 bytes) que es única (suponiendo, de nuevo sin garantías) para cada y todos los adaptadores que fabrica. Mirando de cerca la figura. El primer bit de izquierda a derecha es el bit Grupo/Individual (I/G). Cuando tiene un valor de 0, se puede asumir que la dirección es la dirección MAC de un dispositivo y puede aparecer en la porción de fuente de la cabecera MAC. Cuando es un 1, se puede asumir que la dirección representa una dirección broadcast o una multicast en Ethernet o una broadcast o dirección funcional en TR y FDDI. El siguiente bit es el bit G/L (también conocido como U/L, donde U significa universal). Cuando es 0, este bit representa una dirección globalmente administrada (como por el IEEE). Cuando el bit es un 1, representa una dirección localmente gobernada y administrada o código asignado por el fabricante. Esta porción comúnmente empieza con 24 ceros para la primera tarjeta hecha y continua en orden hasta que haya 24 unos para la última tarjeta hecha (la tarjeta numero 16,777,216 fabricada). Se encontrara en muchos fabricantes que usan estas mismos seis dígitos hexadecimales como los últimos seis caracteres de su número serial en la misma tarjeta.

Frames Ethernet

La capa de Enlace de Datos es responsable de transformar bits en bytes y bytes en frames. Las Frames son usadas en la capa de Enlace de Datos para encapsular paquetes entregados por la capa de Red para la transmisión en un tipo de acceso al medio.

La función de las estaciones Ethernet es pasar frames de datos entre cada uno usando un grupo de bits conocidos como un formato frame MAC. Este provee detección de errores del Chequeo de Redundancia Cíclica (CRC). Pero esta detección de errores, no es una corrección de errores. Las frames, 802.3 y la Ethernet se muestran en la figura siguiente:

Seguido están los detalles de los diferentes tipos de campos de las frames, 802.3 y Ethernet:

Preámbulo (Preamble) Un patrón alterno de unos y ceros, provee un reloj de 5MHz al initio de cada paquete, que permite a los dispositivos receptores bloquear la oleada de bits entrantes.

Delimitador de Inicio de Frame (SFD)/Synch El preámbulo tiene siete octetos y el SFD tiene un octeto (synch). El SFD es 10101011, donde el último par de unos permiten al receptor reconocer el inicio de los datos luego de sincronizar con el patrón de unos y ceros alternos.

Dirección de Destino (DA) Este transmite un valor de 48-bits usando el bit menos significativo (LSB) primero. La dirección de destino es usada por las estaciones receptoras para determinar si un paquete entrante esta direccionado a un nodo en particular. La dirección de destino puede ser una dirección individual o un broadcast o una dirección MAC multicast. Un broadcast está lleno de unos (efes "F" en hexadecimal) y es enviado a todos los dispositivos pero un multicast es enviado solo a un subconjunto de nodos de una red.

Dirección de Origen (SA) La dirección de origen es una dirección MAC de 48-bits usada para identificar el dispositivo transmisor, y usa el bit LSB primero. Los formatos de las direcciones broadcast y multicast son ilegales dentro del campo SA.

Longitud o Tipo (Length or Type) 802.3 usa el campo Longitud (Length), pero el frame Ethernet usa el campo Tipo (Type) para identificar el protocolo de la capa de Red. 802.3 no puede identificar el protocolo de la capa más alta y debe ser usado con un propietario LAN- IPX por ejemplo.

Datos (Data) Este paquete se envía hacia la capa de Enlace de Datos desde la capa de Red. El tamaño puede variar desde 64 a 1500 bytes. 

Secuencia de Comprobación de secuencia (FCS) FCS es un campo al final del frame que es usado para guardar el CRC.

Por un minuto veamos que algunos frames que se tiene como resultado de un analizador de red.

Destination:                          00:60:f5:00:1f:27

Source:                                00:60:f5:00:1f:2c

Protocol Type:                     08-00 IP

Este es un frame Ethernetll. Informa que el campo tipo es IP, o 08-00 en hexadecimal.

El siguiente frame tiene los mismos campos, y debe ser un frame Ethernet II también: 

Destination:          ff:ff:ff:ff:ff:ff     Ethernet Broadcast

Source:                02:07:01:22:de:a4

Protocol Type:     81-37 NetWare

En este ejemplo se puede ver que el frame puede llevar más que IP puede también llevar IPX, o 81-37h. Nos ha informado que el frame fue broadcast? Claro, si lo es, porque la dirección hardware de destino está formada por unos en binario, o efes en hexadecimal.

Ahora, prestemos atención especial hacia el campo Longitud en el siguiente frame; este debe ser un frame 802.3.

Flags:                    0x80 802.3

Status:                  0x00

Packet Length:      64

Timestamp:           ff:ff:ff:ff:ff:ff     Ethernet Broadcast

Source:                 08:00:11:07:57:28

Length:                 34

El problema con este frame es este: Como puede uno saber que protocolo está siendo entregado a la capa de Red? No está especificado en el frame, puede ser IPX. Por qué? Porque cuando Novell creo el tipo de frame 802.3 (antes el IEEE lo llamo 802.3 Raw), Novell era el único servidor LAN. Tanto, que Novell asumió que si alguien coma en una LAN, debe usar IPX, y no incluyo alguna información del protocolo de capa de Red en el frame 802.3.

Ethernet en la Capa Física

Ethernet  fue implementado primero por el grupo llamado DIX (Digital, Intel, y Xerox). Ellos crearon e implementaron la primera especificación LAN Ethernet, que el IEEE uso para crear el Comité IEEE 802.3 (IEEE 802.3 Committee). Este era una red de 10Mbps que funcionaba en cable coaxial y eventualmente en par trenzado y libra como medios físicos.

El IEEE extendió el Comité 802.3 a dos nuevos comités conocidos como 802.3u (Fast Ethernet) y 802.3ab (Gigabit Ethernet en categoría 5) y finalmente 802.3ae (10Gbps sobre fibra y coaxial).

La figura siguiente muestra el IEEE 802.3 y las especificaciones originales Ethernet en capa Física.

Cuando se diseña una LAN, es realmente importante entender los diferentes tipos de medios de Ethernet disponibles. Por supuesto, puede ser muy bueno usar Gigabit Ethernet para cada computadora de escritorio y 10Gbps entre switches, y aunque esto pueda pasar un día, justificar el costo de esa red hoy en día podría ser bastante difícil. Pero si se combinan y unen los diferentes tipos de medios de Ethernet actualmente disponibles, se puede lograr una solución de red que funcione muy bien, con un costo efectivo.

La EIA/TIA (Asociación de Industrias Electrónicas y la nueva Alianza de Industrias de las Telecomunicaciones) es el cuerpo de estándares que crean las especificaciones de la capa Física para Ethernet. La EIA/TIA especifica que Ethernet usa un conector RJ (registered jack connector] con una secuencia de cableado 4 5 en par trenzado sin pantalla (UTP) cableado (RJ-4 5). Sin embargo, la industria está inclinándose a llamarlo cableado (RJ-4 5). Sin embargo, la industria está inclinándose a llamarlo conector modular de 8-pines (8-pin modular connector).

Cada tipo de cable Ethernet que está especificado por la EIA/TIA tiene atenuación inherente, que es definida como la perdida de intensidad de serial al viajar a lo largo de un cable y es medida en decibelios (dB). El cableado es medido en categorías. Un cable de alta calidad que tendrá una categoría con coeficiente alto y baja atenuacion. Por ejemplo, la categoría 5 es mejor que la categoría 3 porque los cables de categoría 5 tienen más pares trenzados de cables por pie y por lo tanto menos conversación cruzada (crosstalk). Crosstalk es la señal de interferencia indeseada desde pares adyacentes en el cable.

Aquí están los estándares originales del IEEE 802.3:

10Base2 10Mbps, tecnología de bandabase, alcanza los 185 metros de longitud. Conocido como thinnet (cable delgado) y puede soportar amiba de 30 estaciones de trabajo en un segmento simple. Usa un bus físico y lógico con conectores AUI, El 10 significa 10Mbps, Base significa tecnología de bandabase, y el 2 significa a lo mucho 200 metros. Las tarjetas 10Base2 Ethernet usan BNC (Conector Naval Británico, aunque tiene otras descripciones) y el conector T para conectarse a la Red.

10Base5 10Mbps, tecnología de bandabase, alcanza 500 metros en longitud. Conocido como thicknet (cable grueso). Usa un bus físico y lógico con conectores AUI. Alcanza los 2500 metros con repetidores y 1024 usuarios para todos los segmentos.

10BaseT 10Mbps usando cableado UTP de categoría 3. Diferente de las redes 10Base2 y 10Base5, cada dispositivo debe conectarse en un hub o switch, y se podrá tener solo un host por segmento o cable. Usa un conector RJ-45 (8-pin modular connector) con una topología física de estrella y una lógica de bus.

La Base en el estándar de red anterior significa bandabase, que es un método de señalización para comunicación en la red.

Cada estándar de 802.3 define una Interface Accesorio de Unidad (AUI), que permite transferencia de "un bit en un tiempo" a la capa Física desde el método de acceso al medio del Enlace de Datos. Esto permite a la MAC permanecer constante pero significa que la capa Física puede soportar cualquier tecnología nueva o existente. La interface AUI original fue un conector de 15-pines, que permitía un transceptor (transmisor/receptor) que proveyó una conversión de 15-pines a par trenzado.

La cosa es que la interface AUI no puede soportar un Ethernet a 100Mbps porque hay altas frecuencias involucradas. 100BaseT necesito una nueva interface, y las especificaciones 802.3u crearon una llamada Interface Media Independiente (Mil), que provee un rendimiento de 100Mbps. El Mil usa un nibble, definido con 4 bits. Gigabit Ethernet usa una Interface Gigabit Media Independiente (GMII) y transmite ocho bits al mismo tiempo.

802.3u (Fast Ethernet) es compatible con 802.3 Ethernet porque comparten las mismas características físicas. Fast Ethernet y Ethernet usan la misma unidad de transmisión máxima (MTU), usa el mismo mecanismo MAC, y preserva el formato del frame que es usado por 10BaseT Ethernet. Básicamente, Fast Ethernet está basado en una extensión de la especificación IEEE 802.3, excepto que ofrece una velocidad incrementada en diez veces la de 10BaseT.

Aquí están algunos estándares expandidos de IEEE Ethernet 802.3:

100BaseTX (IEEE 802.3u) EIA/TIA categoría 5, 6, o 7 cableado UTP dos pares. Un usuario por segmento; alcanza 100 metros de longitud. Usa un conector RJ-45 con una topología de estrella y una lógica de bus.

100BaseFX (IEEE 802.3u) Usa fibra 62.5/125-micron (micrómetros) fibra multimodo. Topología punto a punto, alcanza 412 metros de longitud, Usa un conector ST o SC, que son los conectores de interface media.

1000BaseCX (IEEE 802.3z) Cobre par trenzado llamado twinax (un par coaxial balanceado) que solo puede funcionar hasta los 25 metros.

1000BaseT (IEEE 802.3ab) Categoría 5, cuatro pares trenzados cableado UTP alcanza 100 metros de longitud.

1000BaseSX (IEEE 802.3z) MMF (Fibra multimodo) usando un núcleo de 62.5 y 50-micron; usa un láser de 850 nanómetros y puede funcionar hasta 220 metros con 62.5-micron, 550 metros con 50-micron.

1000BaseLX (IEEE 802.3z) Fibra monomodo que usa un núcleo de 9- micron y un láser de 1300 nanómetros y puede alcanzar desde 3 kilometres hasta 10 kilometres.

Para implementar un medio de red que no sea susceptible a las interferencias electromagnéticas (EMI), la fibra óptica provee más seguridad, larga distancia y un cable no susceptible al EMI.

Cableado Ethernet

El cableado Ethernet es una importante discusión . Hay tres tipos de cables Ethernet disponibles:

•             Cable directo (Straight-through cable)

•             Cable cruzado (Crossover cable)

•             Cable transpuesto o volteado (Rolled cable)

Cable Directo (Straight-Through Cable)

El cable directo es usado para conectar

•             Un host a un switch o hub

•             Un router a un switch o hub

Cuatro cables son usados en el cable directo para conectar dispositivos Ethernet. Es relativamente simple implementar este tipo; la figura siguiente muestra las cuatro líneas en un cable directo Ethernet.

 

Nótese que solo los pines 1, 2, 3, y 6 son usados. Conectar 1 con 1, 2 con 2, 3 con 3, y 6 con 6. Sin embargo, recordar que esto podría ser un único cable Ethernet y no podría trabajar con Voice, Token Ring, ISDN, y otros.

Cable Cruzado (Crossover Cable)

El cable cruzado puede ser usado para conectar

•             Un switch a otro switch

•             Un hub a otro hub

•             Un hub a un switch

•             Un router directo a un host

Las mismas cuatro líneas son usadas en este cable como en el cable directo; pero la conexión de pines es diferente. La Figura 6 muestra como las cuatro líneas son usadas en el cable cruzado Ethernet. 

Nótese que se conecta los pines 1 a 3 y 2 a 6 en cada lado del cable.

Cable Volteado (Rolled Cable)

Aunque el cable volteado no se usa para juntar algunas conexiones Ethernet, se puede usar el cable volteado Ethernet para conectar un host a un puerto de comunicación serial de consola (com) de un router.

Si se tiene un switch o router Cisco, se puede usar este cable para conectar una PC corriendo un HyperTerminal hacia el hardware Cisco. Ocho líneas son usadas en este cable para conectar dispositivos seriales, aunque no todas las ocho líneas son usadas para enviar información, justo como una red Ethernet. La siguiente muestra los ocho cables usados en un cable volteado.

Este es probablemente uno de los cables más fáciles de hacer porque se debe cortar al final en un lado de un cable directo, y voltearlo para ponerlo en un nuevo conector.

Una vez que se tiene el cable correcto conectado de la PC a un router o switch Cisco, se puede ejecutar un HyperTerminal para crear una conexión a la consola y configurar el dispositivo. Para esto se siguen los siguientes pasos en un sistema operativo Windows:

1. Entre a Inicio | Accesorios | Comunicaciones y hacer click en HyperTerminal, luego ingresar un nombre para la conexión. El nombre que se ponga es irrelevante, pero por ejemplo ponga Cisco. Y haga click en OK como se ve en la figura.

1. 2.       Elija el puerto de comunicaciones, sea el COM1 o COM2, o sea el que esté abierto en su PC.

1. 3.       Ahora ponga las características del puerto. Los valores por defecto (2400bps y sin control de hardware) no trabajaran, se debe poner las configuraciones de puerto como se ve en la figura.

Note que el índice de bits es cambiado a 9600 y el control de flujo (flow control) es cambiado a ninguno (none). En este punto se puede hacer click en OK y debería estar conectado al puerto de la consola de su dispositivo Cisco.

Ahora, como ejemplo se tiene la figura siguiente ¿qué cable se necesita para conectar los switches?

Supongamos que tenemos varios cables UTP con conectores iy-45. Necesita un cable cruzado (crossover) para conectar los switches. Lo mismo para conectar el host A con el host B y estas conexiones se puede comprobar con el comando ping.

Ahora se tiene la figura siguiente ¿qué tipo de cables se usara en esta red? 

En el caso de la figura se usa una variedad de cables. Para la conexión entre switches, tenemos el cable cruzado. La conexión de la consola usa un cable volteado (rolled cable). La conexión del router al switch es un cable directo y es lo mismo para los hosts hacia los switches. 

Bibliografía

CCNA INTRO Introduction to Cisco Networking Technologies Study Guide

Todd Lammle

Wiley Publishing, Inc.

2006