Estándar de red Ethernet

A.2.2.1 Fundamentos

Ethernet es una familia de tecnologías que proporciona especificaciones físicas y de enlaces de datos para controlar el acceso a una red compartida, dominante en el ámbito de las redes de área local, por sus múltiples ventajas sobre otras tecnologías de red local:

 Sencillo de instalar y manejar.  Poco costoso.

 Expandible.  Flexible.

detallar todos los aspectos y funciones requeridos en un Sistema Operativo de Red (NOS), especifica únicamente las dos primeras capas del modelo Open Systems Interconnection (OSI):

 La capa física, constituida por el cableado y las interfaces.

 La capa de enlace, que se encarga de suministrar el direccionamiento local, detectar errores y monitorizar el acceso a la capa física.

El estándar original de Ethernet 802.3 ha evolucionado con el paso del tiempo, soportando mayores velocidades de transmisión, distancias más largas, y nuevas tecnologías. La mayoría de categorías de Ethernet se organizan por su velocidad:

 Ethernet (10Mbps), regido por los estándares 802.3 (en cable coaxial) fino, 802.3ª (cable coaxial grueso), 802.3i (cable de par trenzado) y 802.3j (fibra), dependiendo de la capa física utilizada (el tipo de cable).

 Fast Ethernet (100 Mbps), dirigido por el estándar 802.3u. Introduce la habilidad de autonegociar (configurable en los aparatos), la velocidad y el tipo de operación duplex de la interfaz, que tratará de usar la máxima velocidad y Full-duplex si los dispositivos lo soportan.

 Gigabit Ethernet, conducido por los estándares 802.3ab para cables de par tranzado y 802.3z para la fibra.

 10 Gigabit Ethernet, guiado por los estándares 802.3an para cables de par tranzado y 802.3ae para la fibra.

Ethernet es una comunicación baseband, dedica toda su capacidad a trasladar la información de manera digital en un único canal de señal sin multiplexar. Para que se produzca la comunicación entre dispositivos debe utilizarse un cable cruzado, es decir la transmisión de un aparato debe conectarse con la recepción del otro, y viceversa.

La arquitectura Ethernet consiste en una red de conmutación de paquetes de acceso compartidos por varios terminales y difusión amplia, que emplea un medio (pasivo y sin control centralizado) administrado desde los equipos.

El protocolo CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detect) monitorea la portadora (tanto su detección como la de las posibles colisiones) y determina la operación Half-duplex o la operación Full-duplex. Cualquier dispositivo está autorizado a emitir en un momento dado, sin ninguna prioridad, ya que antes de comenzar la transmisión comprueba que no hay comunicación alguna, y si efectivamente así es, captura el canal enviando paquetes a intervalos no estándar, que evitan las transmisiones desde otros equipos. Sin embargo, ante una colisión de datos provenientes de dos equipos distintos, ambos interrumpen su emisión y esperan un periodo de tiempo (que varía según la frecuencia de las colisiones) antes de reiniciar su transmisión. Establece una serie de normas y limitaciones para la comunicación correcta [10]:

 Los paquetes de datos tienen un tamaño máximo.  Hay un lapso de espera entre dos trasmisiones.

 Cada colisión de datos genera un tiempo de espera que dobla el de la anterior colisión, siendo el primero el intervalo necesario para enviar 96 bits.

El protocolo de los paquetes (PDUs) 802.3, cambia ligeramente (en número de bits y en algunas partes del paquete añadidas) de cada en cada estándar de Ethernet, aunque su estructura mantiene en orden [10]:

 Un preámbulo, compuesto por 8 bytes que tienen el propósito de permitir que los equipos receptores sincronicen sus relojes con el mensaje para su lectura sin errores. El último bit es el delimitador de comienzo de frame (SFD) o paquete.

 Direcciones de origen y de destino, direcciones físicas de dispositivos (adaptadores de red) o MACs, que hacen referencia al adaptador al que va dirigido (Recipient Address) el mensaje y el equipo que lo emite (Source Address). Estas direcciones se representan mediante 6 bytes, 3 bytes de ellos suministrado por la IEEE, y son mundialmente únicas.

 Tipo de trama, que identifica el protocolo de alto nivel que se utiliza en la red Ethernet, en 16 bits.

 Bits de datos (desde 46 bytes a 1500 bytes).

 Chequeo de integridad (FCS), un checksum del frame de 32 bits. El equipo emisor del mensaje realiza un control cíclico redundante (CRC) de los datos e incorpora el valor en este campo, que será verificado por el dispositivo receptor mediante otro CRC, y en caso de fallar esta validación se solicita el reenvío del paquete.

Los interfaces independientes de medios (MIIs) proporcionan implementaciones opcionales y arquitecturas para las capas físicas (PHY), que a su vez codifican la estructura para la transmisión y decodifica la recepción de información con la modulación especificada para cada velocidad de funcionamiento, medio de comunicación y la longitud del enlace; también se encarga de la gestión y el control de protocolos, y el suministro de potencia sobre determinadas capas físicas de par trenzado.

Las capas físicas o conexiones físicas son establecidas entre nodos o dispositivos de infraestructuras como hubs, switches y routers, y se organizan dependiendo de la topología de red empleada:

 Topología de bus, en la que todos los hosts (anfitriones) comparten un único segmento físico para la comunicación. La información enviada por un host es recibida por todos los hosts del bus; sin embargo, solo será procesada si coincide con la dirección suministrada en la cabecera de datos de enlace.

A.2.2.2 Características

A grandes rasgos y atendiendo a los diversos estándares, Ethernet presenta las siguientes características, visibles en la tabla 21:

Tabla 21. Tabla de características de los distintos estándares Ethernet [6]

A.2.2.3 Protocolos TCP/IP

TCP/IP es un conjunto de protocolos (normas) aplicados a procedimientos y formatos de mensaje, que permiten la comunicación remota entre equipos, determina meticulosamente cómo se transmite la información desde una máquina a otra.

La inmensidad de protocolos en una máquina puede parecer acarrear un problema; sin embargo, el tipo de protocolo indicado en el paquete, concretamente en el campo tipo de trama, permite que los paquetes se autoidentifiquen, lo que posibilita la usabilidad de numerosos protocolos en un mismo equipo entremezclados, sin errores o interferencias. Los

protocolos TCP/IP usan tramas Ethernet autoidentificables tanto en IPv4 con un valor hexadecimal del tipo de trama de 0800 (77), como en IPv6 con un valor hexadecimal del tipo de trama de 86DD (80). Aunque IPv6 incorpora diversas ventajas sobre IPv4, como la simplificación de tareas del router, mayor compatibilidad con redes móviles, mayor carga útil y un infinito direccionamiento, apenas se utiliza en comparación a IPv4. [10]

Los protocolos TCP/IP usados por Ethernet más comunes son [6]:

 Protocolo de Internet (IP), que suministra servicios de la entrega de tramas entre nodos.

 Protocolo de resolución de direcciones (ARP), que asigna direcciones de Internet (IPs) a direcciones físicas.

 Protocolo de control de mensajes de Internet (ICMP), que controla la transmisión de mensajes de error y control entre routers y hosts.

 Protocolo de control de transmisión (TCP), que facilita servicios de envío de flujos íntegros entre clientes.

 Protocolo de Protocolo de resolución de direcciones por réplica (RARP), que determina las direcciones físicas a direcciones de Internet.

 Protocolo de datagrama de usuario (UDP), que ofrece servicios de entrega de datagramas dudosos o poco importantes entre clientes. Es una alternativa poco fiable a TCP.

 Protocolo de transferencia de archivos (FTP), que proporciona servicios de nivel de aplicación para la transmisión de archivos.

 Telnet, que simula una terminal.

 Protocolo de abrir el camino más corto primero (OPSF), que posibilita la comunicación sobre rutas de estado del enlace entre routers.

 Protocolo de información de encaminamiento (RIP), que permite compartir información entre routers sobre rutas de vectores.

 Protocolo de puerta de enlace externa (EGP), que permite la comunicación de rutas entre routers externos.

La mayoría de estos protocolos operan en la capa de red del modelo OSI, excepto los protocolos TCP y UDP, que trabajan en las capas de sesión y transporte, y Telnet y FTP, que actúan en la capas de presentación y aplicación:

Figura 50. Protocolos comunes Ethernet en las capas OSI [6]

La comunicación entre capas OSI se fundamenta en que cada capa del sistema le añade información adicional de control a los datos, y cada capa del sistema receptor procesa la información de control. En la figura 51 se observan las capas del modelo OSI, su relación entre ellas y con la de otro sistema, aunque los protocolos TCP/IP sólo emplean las capas de aplicación, transporte, Internet (equivalente a la capa de red) e interfaz de red (constituida por la capa de enlace de datos y la capa física).

Figura 51. Relación Ethernet entre dos sistemas [6]

Las aplicaciones que utilizan TCP/IP en la transferencia de archivos emplean un grupo de protocolos de varias capas para realizar la comunicación, denominado stack de protocolo, de manera que el dato transmitido hacia abajo de capa en capa, hasta llegar a la capa física, donde se envía el paquete a través de la red.

Las aplicaciones de un sistema A envían mensajes o flujos de datos, mediante protocolos como FTP, SMTP, Telnet, etc., a uno de los protocolos de la capa de transporte de Internet, TCP o UDP, que reciben la información y la dividen en porciones más pequeñas (segmentos), agregan una cabecera con un número de secuencia a cada segmento, los envían a la capa de red o capa de Internet (IP) y se efectúa la suma de comprobación. [10]

Figura 52. Trama Ethernet [6]

Si el equipo que recibe el paquete resulta ser un intermediario, el proceso desde que la capa de IP elabora el paquete se repite hasta que logre llegar hasta el sistema de destino B.

El sistema destinatario B, que recibe las tramas en la capa física, realiza el proceso inverso, cada capa elimina la información del encabezado correspondiente hasta que los datos regresan a la capa de aplicación. La capa de enlace de datos retira el encabezado Ethernet y suministra el datagrama a la capa de red o capa de Internet (IP), donde el protocolo de internet verifica que la suma de comprobación coincide con la calculada, de ser así quita el encabezado IP y entrega el paquete a la capa de transporte, sino se desecha el paquete. En la capa de transporte, el TCP verifica el número de secuencia, ordena los paquetes y valida la suma de comprobación, y en caso de estar intactos, excluye el encabezado TCP y transmite los datos a la capa de aplicación, en caso contrario elimina el segmento. Finalmente, la capa de aplicación del sistema B, recibe el flujo de datos.