Diseño y construcción de una tarjeta de red Ethernet con máxima integración de sus funciones.

eC aL

EGCB Uyeae.

i

ES Ua)

INTEGRACION DE SUS FUNCIONES.

[ee

aeLea meLer

Joaquin Garcia Hernandez

Y DE EDUCACION SUPERIOR

DE ENSENADA B.C.

cICESe

DIVISION DE FISICA APLICADA DEPARTAMENTO DE ELECTRONICA

¥Y TELECOMUNICACIONES

DISENO ¥Y CONSTRUCCION DE UNA TARJETA DE RED ETHERNET CON MAXIMA INTEGRACION

DE SUS FUNCIONES

TESIS

QUE PARA CUBRIR PARCIALMENTE LOS REQUISITOS NECESARIOS PARA OBTENER EL GRADO DE

MAESTRO EN CIENCIAS PRESENTA :

JOAQUIN GARCIA HERNANDEZ

TELECOMUNICACIONES. Ensenada Baja California, Méxica. Noviem— bre de 1990,

DISENO Y CONSTRUCCION DE UNA TARJETA DE RED ETHERNET CON

MAXIMA INTEGRACION DE SUS FUNCIONES

Resumen aprobada por ¢

Director de la Tesis

En este trabajo $e analiza, digefia fabrica y caracteriza

Ura tarjeta de red tipo Ethernet con las siguient

Caracteristicas : a) que cumpla con las normas IEEE

BOS.3/ETHERNET, y 6) que cumpla requerimientos especificas

Para su transferencia a la industria, tales mo $s maxima

integracidon de funciones referidas a tas niv inferiores

(capas 1 oy 2) del Modelo de Referencia OSL, minima numera de componentes empleados, y técnicamente compatible can tarjetas

de red Ethernet comerciales. El disefo de la tarjeta de red

abtenido, presenta innovaciones técnicas importantes camo son

: 1) configurable por programacién(software), en vez de efec—

tuarlo manualmente por medio de puentes, 2) versatil, ya que

puede manejar de manera andistinta las estandares Ethernet

Ti¢iO BASES) y Or rnet(lORASE2), & Optima, ya que las

funcioanes asociac é los niveles .eico y de enlace del

Madela de Ref : QSi, se efectuan con un minimo numero de

compar t flexible, ya que presenta la capacidad de

pasar del original de 8 bits a uno de 16 bits con

cambios a d@ la tarjeta de red @n su primera

vers iar manera modular; es decir, disefanda par

fe las partes que la

canstituyen(Controla-fed, Cantroaladar de la red, Coadificador’

dificadar Manchester, tor) can @l oabjetiva de

a pratbl Ca a a modula. La anterior

ro oal odi~

namiento correcta de la circuiteria) y como nodo de red, én un ambiente red local de datos comercial tipo Ethernet. En este trabajo se analizan los aspectos mas relevantes asacia-das con la tecnGlogia de Redes Locales de Datos, noarmas y estandares particularmente referides a la tecnolagia Ether-net. En funcion de las resultados obtenidos, se presenta tambian un andlisis comparativo de las Caracteristicas tecnicas del prototipo de tarjeta de red con tarjetas de red tipo Ethernet comercialmente mas significativas. Dadas sus ventajas técnicas se analizan las expectativas y posibili-dades a corta y mediano plazo de su incidencia en el mercado nacional @ internacional, asi coma sugerencias y recomenda-ciones de mejorar en trabajos futuros las caracteristicas de la tarjeta (con minimos cambios) dada la versatilidad del disefa.

Finalmente, con los resultados de este trabajo se demues-tra la factibilidad de desarrollar temas de tesis asociadaos a problemas y requerimientos industriales, cumpliendo 2xin tosamente normas, tiempos y planteamientas particulares.

=

MLC. DAVIPH. COVARRUABIAS R.- Director del Comite

These 7h Bbedelgos

M.C. HUGO H. HIDALGO &S.- Miembro del Comité

M.C. JORGE KE. ECIADO V.- Miembro del Comite

Jotsct-?o Con pe 4.

M.C. ROBERTO CONTE G.- Miembro del Comité

DR. JOAQUIN AL AREZ GALLEGOS., Jefe del Depto. Electrénica y Telecom-unicaciones.

DR. HECTOR ECHAVARRIA HERAS.- Director Académice

Este trabajo se lo dedico con todo ecarifo a mis Padres Carlos Garcia M. de O. y Maria de la Luz Herndndes de G. por él apoyo y confiansa que me han dado para obtener otra satisfacién mas en mi vida.

A todos mis hermanos

A quienes les deseo lo mejor.

A Blanca E. Maldonado Garcia por la confiansa, amor y comprensién que ha tenido para conmigo.

A mi Director de Tesis y amigo, M. en C. David Covarru-— bias Rosales, por los conocimientos transmitidos como profe-sor durante mis estudios, asi como por su apoyo, objetividad y asesoria para el desarrollo de eate trabajo.

A los miembros de mi comité de tesis : MA. en CG. Hugo Hidalgo 8., M. en C, Jorge HE. Preciado Velasco y Me. en GC. Roberto Conte Galvan por la revisién, critica y aportaciones a la tesie.

En especial al M. en C. Victor Payan Hernandes, gerente de la compafiia TELECOM de Tijuana por el apoyo logistico, financiamiento del proyecto, y asesoria proporcionados.

Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnologia (CONACYT) , al Banco de México y de manera may especial al Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE) por ¢1 apoyo econémico que conjuntamente me brindaron.

Al Centro de Investigacién Cientifica y de Estudios Superiores de Ensenada (CICESE), donde realicé mis estudios de posterado,.

Ili

INTRODUCCION.

Bad Antecedentes Lia Objetivo

1.3 Metas

1.4 Organisacién del trabajo Lui Contribuciones

1.6 Métodos y materiales

TECNOLOGIA DE LA RED ETHERNET. Il. EL. Il. Il. Ta. II. Il. ET, TT... ils 1 bo 10 Introduccién

Ubieacién dentro del Modelo de Referen-ela OST

Deseripeién fisica de la red Ethernet Formato del marco Ethernet

Codificacién utilisada por Ethernet

Topologia y técnica de acceso

Trafico de la red Ethernet

Descripcién de las funciones de la tarje-ta de red

Tit

Pagina

CONSIDERACIONES DE DISENO DEL CONTROLADOR DE LA RED Y DEL CODIFICADOR/DECODIFICADOR MANCHESTER.

IIiI.1 TIE » bo

IIt. a

ELI ,@

III.5

Introduccién

Parametros involucrados en el disefio del Controlador de la red Ethernet

Parémetros involucrados en el disefio del

Codificador/Decodificador Manchester

Caracteristicas del microcontrolador de

la red Ethernet (C.I. WD83C690) 1ii.4.1 Desecripcié6n general IlI.4.2 Caracteristicas

TIil.4. ao Descripeién funcional

Iii.4.4 Formato del paquete Ethernet Almacenamiento del paquete de transmisién

Iii.4. an

TIi.4.6 Almacenamiento del paquete re-cibido

TII.4.7 Registros internos del

micro-eontrelador de la red Chordie wD8&3cegn

TIIl.4.8 Registros del DMA

III.4.9 Modos de operacién del micro-controlador de la red CG... WDS3Ccegt.

Caracteristicas del Codificador/Deco-dificador Manchester

IV

TII.6

DISERO Y

III.5.3 Deseripeién funcional Conelusiones

CONSTRUCCION DE LOS MODULOS CONTROLADOR DE LA RED Y CODIFICADOR/DECODIFICADOR MANCHESTER. Iv.1 IV.2 IvV.3 IvV.4 Iv. wo IV.6 IV.7 DISENO Y ETHERNET ¥i2 Introduccién

Disefio del médulo Controlador de la red

IV.2.1 Interconexién del C.1. WD8dC6E90

bo ef Procedimiento de reinicializa-lisacién del C.1I. WD&3C690

Iv.

IV.2.3 Programacién de los registros internos del C.1. WD83C690

IV.2.4 Comentarios

Disefio del médulo Codificador/Decodifi-eador Manchester

IV.3.1 Interconexién del C.1I. WD83C691 Conatruceién dé los médulos

Caracterisacién de los méddulos de la tarjeta de red

Analisis dé los resultados del primer prototips

Conclusiones

CONSTRUCCION DE LA TARJETA Di RED CON MAXIMA INTEGRACION DE FUNCIONES.

Disefio de la tarjeta de red Construccién del médulo final

Caracterizaci6én global de la tarjeta de red

An&lisie de los resultados Conelusiones

vI APLICACION DE LA TARJETA DE RED EN UN AMBIENTE DE RED LOCAL DE DATOS.

VI.1 VI.2 VI.3 VI.4 VI.5 Introduccién

Sistema operativo de red

Instalacién y pruebas de la red Anaélisis de los resultados

Conclusiones

VII CONCLUSIONES . VII. VII. VIL. VII. VII. 1 bo

Analisis de los resultados obtenidos Anélisis de tarjetas de red comerciales Aportaciones de este trabajo

Recomendaciones para trabajos futuros Conclusiones generales

LITERATURA CITADA APENDICE A

APENDICE A

Hepecificacion Ethernet

Especificacién Ethernet (Continuacién)

tn 10 11 12 13 14 16 17 18A 18B

Topologias mas comunes en Redes Locales de Datos Arquitectura del Modelo de Referencia OSI

Divisién de la Capa de Enlace de Datos por el Co-mité IEEE 802

Relacién de los estandares IEEE 802 con el Modelo de Referencia OSI

Configuracién de,la red Ethernet

Implementaci6n general del siatema Ethernet

Formato del paquete segtin la Especificacién E-thernet

Codificacién de una sefial NRZ en cédigo Manches-ter

Espectros de potencia de sefiales Manchester y NRZ Gr&fica de la eficiencia de la red Ethernet en funcién del trafico manejado o carga

Grdéfica de la eficiencia de la red Ethernet en funcién del retardo de propagacién

Diagrama a bloques de la Tarjeta de Red obtenida Protocolos TCP/IP

Formato del marco TCP/IP

Encabezado del Protocolo Inter-Red (IP) Encabezado del Protocolo TCP

Caracteristicas de la sefial Manchester Diagrama a bloques del C.1I. WD83C690

Figura

19 Empaquetado del Microcontrolador de la red, C.I. WDS3C690

20 Formato del paquete Ethernet segun el estandar IEEE 802.3

21 Mapeo de las direcciones de los registros inter-nos del micrecontrolador de la red, C.1I. WD83C690 ae Registros int. del C.I. WD&S3C690 de la pagina 0 23 Registros int. del C.1I. WD83C690 de la pagina 1 24 Registros int. del C.I. WD83C690 de la pagina 2

25 Registros de Acceso Directo a Memoria (DMA) de transmisié6n y recepcién del C.1I. WD83acé690

26 Diagrama de bloques del Codificador/Decodificador Manchester, C.1. WD83C691

27 Diagrama de tiempos del inicio de una transmisién 2g Diagrama de tiempos de la recepcién de un paquete 29 Diagrama de tiempo de una sefial de colisién

30 Diagrama de tiempos del autodiagnéstico

31 Empaquetado del CODEC Mancheater, C.I, WD83C691 32 Configuracién general del médulo Controlador de

la red Ethernet

33 Configuracién del médulo Controlador de la red en base a un esquema equivalente de una MPD

34 Diagrama eléctrico parcial del médulo Controlador de la red, utilisando el G.I. WDS83C690

35 Diagrama eléctrico parcial del médulo Controlador de la red, utiligzando el C.I. DP8390

36 Diagrama eléctrico del CODEC Manchester

37

3g

oo wo

40

41

Diagrama dé circuito impreso del mdéddulo Controla-dor dé la red/CODEC Manchester (primera versidén)

Diagrama de elireuito imprese del modulo

Controla-dor de la red/CODEC Manchester (segunda vereidén) Fotografia de la tarjeta de cireuito impreso del

modulo Controlador de la red/CODEC Manchester

(primera versién) obtenida

Fotografia de la tarjeta de circuito impreso del

modulo Controlador de la red/CODEC Manchester (segunda versién) obtenida

Fotografia de la tarjeta de red obtenida como

primer prototipo

Formas de onda de las sefiales de transmisi6én y

recepeién obtenidas

Formas de onda de las sefiales transmitida y reci-bida én el cable coaxial

Valores dé configuracién seleecionados para el

primer prototipo

Tipo de tarjeta de red inetalada y direccién base de E/S

Pruebas de diagnéstico realisadas al primer

pro-totipo

Pantalla del nodo transmisor de paquetes

Pantalla del nodo receptor de paquetes

Fotografia de las pruebas de diagnéstico

efectua-das al primer prototipo

Fotografia de la autoprueba externa efectuada al primer prototipo

Configuracién final de la tarjeta de red Ethernet

Figura

om ao

tn ©

60

Diagrama eléctrico completo de la tarjeta de red Ethernet (versién final)

Distribucién de los componentes en la tarjeta de cireuito impreso del prototipo final

Lado de componentes de la tarjeta de cto. impreso Lado de soldadura de la tarjeta de cto, impreso Fotografia de los protoetipos finales de la tarje-ta de red Ethernet conetruidos en el CICESE

Comparacion dé las dimensiones del prototipo fi-nal obtenido con una tarjeta de red comercial Fotografia figuracién Fotografia figuracién Fotografia Fotografia Fotografia de la eefial Fotografia Fotografia lisadas a

de la autoprueba externa para la eon-Cheapernet

de la autoprueba externa para la con-Ethernet II

de los datos NRZ de transamisidén

de datos NRZ codificades en Manchester del espectro de densidad de potencia Manchester

de la seéfial en el cable coaxial

de los rea@ultadces de las pruebas rea-los prototipos finales

Estadisticas dé una transmisién y recepeién de paquetes efectuada

Dispositivos de red(Chip set) de la compafita Western Digital empleados

Estructura del directorio de la red Vianet

117

119 120

122

Tabla

Il

III

IV

VI

VII

VILL

IX

XI

Comparacién de los sistemas Ethernet

Eficieneia de la Red Ethernet medida por el

tama-fio del paquete

Comparacién de las versiones Ethernet II y

Chea-pernet

Bits modificados al aplicar la sefial de RESET al

C.1. WD83c690

Parametros considerados en el disefio del Médulo

Controlador de la red

Pardmetros Eléctrieos del prototipo final de la tarjeta de red Ethernet obtenida

Resultados obtenidos de la autoprueba externa

en-tre prototipos obtenidos

Resultados obtenidos de la autoprueba externa en-tre un prototipo y una tarjeta de red comercial Especificacién final de la tarjeta de red

Ether-net obtenida

Especificacién Técnica final del prototipo de la tarjeta de red Ethernet obtenida

Anélisis de tarjetas de red Ethernet comerciales de principales distribuidores

Pagina

cw aw

133

151

I. INTRODUCCION.

I.1 ANTECEDENTES.

Una Red Local de Datos (RLD) generalmente es una red de

conmutaci6én de paquetes, la cual puede servir a una gran variedad de dispositivos que se encuentran en una area limi-tada geograficamente. Las RLD’s soportan minicomputadoras, computadoras(mainframes) , terminales y otro tipo de periféricos. En muchos casos estas redes pueden llevar no 66lo datos (transmisién en banda base), sino también transmi-siones de voz, video y de gréficas (transmisién en banda amplia). El objetivo principal de una RLD es el comparti-miento de recursos entre los nodos conectados a ésta, como son capacidad de memoria masiva, impresoras de alta veloci-dad, transferencia de archivos, correo electrénico, programas de aplicaciones diversas y capacidad de interconexién con cualquier usuario intra e inter-red.

Las RLD’s se clasifican principalmente de acuerdo a su topologia en:

tal y como se muestra en la figura 1. El medio de transmission utilizado normalmente es:

Par trenzado (hasta 2 Mbpe) Cable coaxial (hasta 10 Mbps) Fibra 6ptica (hasta 100 Mbpe)

7

(A) DUCTO

(B) ESTRELLA _{(C) ANILLO}

Enenesta (polling) Contienda (CSMA/CD/CA)

Testigo en anillo (token passing ring) Testigo en ducto (token passing bus)

Comercialmente existe una gran variedad de RELD’s, de ellas la de mayor capacidad y desarrollo es la red Ethernet. En términos generales, la red Ethernet es una red maltiacceso y el canal de comunicacié6én es un medio pasivo, compartido por todos los nodos conectados a ella. No existe un tipo de

control centralizgado sino més bién es distribuide y el acceso al canal por las estaciones que desean transmitir es

coordi-nado por ellas mismas. Ethernet puede ser usada sobre

dife-rentes medios de transmisioén, pero 6a mayor aplicacién hasta el momento ha sido en cable coaxial.

La red Ethernet Experimental fué ideada en 1972 por Robert M. Metcalfe, en el Centro de Investigacién de la compafiia XEROX, en Palo Alto Ca. Mas recientemente e1 trabajo en conjunto entre las compafilas Digital Equipment, Intel y Xerox produjeron una versién mas actualigada del disefio

sufi-unas con otras sin mayor problema. También presenta algunos cambios basados en la experiencia del sistema Ethernet Expe-rimental en wn esfuerzo por mejorar las caracteristicas de la

la red. Algunas diferencias entre los dos sistemas se resumen

en la tabla I.

TABLA I. Comparacién de los sistemas Ethernet.

! EXPERIMENTAL ESPECIFICACION |

Razén de bits 2.94 Mbps 10 Mbps

Long. m&xima de enlace 1 Kn 2.5 Km Long. max. del segmento 1 Km 500 mts Separacién entre nodos 2.5 mts 2.5 mts

Codificacién Manchester Manchester

Medio de transmisién C. coaxial C. coaxial

Impedancia 75 ohms 50 ohms

Niveles en el c. coaxial 0 a +3V Qa -2V

Conectores DB25 y DB15 DB15

Long. del pre&mbulo 1 bit 64 bits

Longitud del CRC 16 bits 32 bits

Long. de la direccién 8 bits 48 bits

digital a velocidades de 100 Mbps o mas y usando fibra Sptica como medio de transmisién (Norma FDDI: Fiber Optics Data Interface). La correspondencia de la red Ethernet con el Modelo de Referencia OSI (Interconexién de Sistemas Abiertos) se da en los dos primeros niveles:

Capa Fisica (capa 1)

Capa de Enlace de Datos (capa 2)

qne son las capas de cireuiteria, por lo que a las redes locales de datos se les acostumbra clasificar de acuerdo a éstas dos capas inferiores; es decir, la parte de circuiteria

de una RLD juega un papel muy importante, ya que es la que

TELECOM de Tijuana, decidieron vincularse para la obtencién de una tarjeta de red tipo Ethernet que mejorara las caracteristicas técnico-econémicas de las tarjetas comercia-les. Lo anterior permitiéd que el presente trabajo reuniera las caracteristicas mencionadas anteriormente y el disefio de la tarjeta se hizo cumpliendo con los requerimientos para su transferencia directa a la industria.

I.2 OBJETIVO.

El objetivo de este trabajo es e1 an&lisis, disefio,

conetruccién y caracterizacién de una tarjeta de red que

cumpla con la norma Ethernet y que integre un numero mayor dé funeiones, referidas a las capas 1 y 2 del Modelo de

Referen-cia O51, y con caracteristicas particulares para su

tranefe-rencia industrial.

I.3 METAS.

Las metas a cubrir en este trabajo son:

Alimentaciones de +5V y +12V proporcionadas por

la computadora personal (PC).

Que cuente con conectores BNC y DB15.

Insertable en el ducto de la PC.

- An&dlisis de los componentes comerciales que integren

un namero mayor de funciones y que cumplan con el

es-tandar IEEE 802.3 / Ethernet.

- Disefio de la circuiteria asociada a los componentes de

red como son:

Controlador Interfaz PC/Red Controlador de la Red Ethernet

Codificador/Decodificador Manchester Transceptor para cable coaxial

- Construccién y caracterizacién por médulos del: Controlador interfaz PC/Red

Controlador de la red

Codificador/Decodificador Manchester

Transceptor para cable coaxial

- Disefio de la tarjeta de red con la integracién de las funciones anteriores.

- Construccién de la tarjeta de red completa.

eléctri-RLD tipo Ethernet.

I.4 ORGANIZACION DEL TRABAJO.

Dada la complejidad de funciones de la tarjeta y debido a la peticién de la compafila TELECOM de obtener resultados previos en 6 meses, se ha dividido el trabajo en dos fases que convergen en un objetivo comin que es precisamente la

obtencién de la tarjeta. Esta divisién de responsabilidades se planeé de la siguiente manera:

Fase I:

(a) Controlador de la red Ethernet

(b) Codificador/Decodificador Manchester (c) Controlador interfaz PC/Red

(d) Transceptor para cable coaxial

Fase ITI:

(e) Integracién y caracterizacién de los diferentes mé-dulos en una sola tarjeta.

Joaquin Garcia Hernandez incisos (a) y (b) Ragl Aquino Santos incisos (cc) y (d)

La fase II se desarrollé de manera conjunta de tal forma que al final e6e llegé a la obtencién, caracterizacién y aplicacié6n de la tarjeta dered que integra todos los modulos. Para lograr lo anterior, este trabajo presenta la siguiente organizacién:

En el capitulo II se estudian las caracteristicas mas importantes de la tecnologia de la red local de datos tipo Ethernet, su relacién con el Modelo de Referencia OSI, topologia, técnica dé acceso, asi como sus caracteristicas en operacién (tréfico y eficiencia) ¢ interaccién con los proto-colos dé alto nivel TCP/IP.

En el capitulo IV se efectua el disefio y construccién de los médulos Controlador de la red y Codificador/Decodificador Manchester que forman parte de la tarjeta de red, los médulos complementarios son disefiados y reportados en la tesis de Ravi Aquino Santos, cuyo desarrollo se dié paralelo a este trabajo.

En el capitulo V se integran los médulos obtenidos por separado y se disefia, construye y caracteriza la tarjeta de red que deberaé estar ya contenida en un solo médulo. Poste-riormente se inestalar& y probarAé en operacién dentro de una red local tipo Ethernet comercial.

En ¢l capitulo VI se instala una RLD’s utilizando varios prototipos de tarjetas de red, aqui disefiados manejando los programas de aplicacién de red, cubriendo con ello las dife-rentes capas que componen el Modelo de Referencia OSI.

I.5 CONTRIBUCIONES.

Las contribucioners mis importantes de este trabajo son las sleuientes:

(b)

(d)

(f£)

Desarrollo de una metodologia de disefio de los di-ferentes médulos que integran la tarjeta de red,

Desarrollo de una metodologia de disefio de una tar-jeta de red utiligando dispositivos aque integran un numero mayor de funciones.

Disefio de prototipos de la tarjeta de red con ca-racteristicas apropiadas para su industrialigzacién.

Transferencia del prototipo y documentacién de la tarjeta de red a la compafiia TELECOM como una etapa previa a su industrialisacién.

Establecimiento de una fuerte vinculacién académico -industrial atacando tecnologia de frontera con al-to valor de competitividad técnica y econdémica y de fuerte desarrollo a nivel nacional.

I.6 METODOS Y MATERTALES.

El equipo y componenteés utilisados para este desarrollo se enlistan a continuaci6n:

EQUTPO MARCA MODELO

QECLLOBCODLO ¢iwiwten wee THKTRONIX 22360 Generador de sefiales TEKTRONIX FG502 Fuente de poder ... TEKTRONIX PS503A Analizador de espectros HEWLETT PACKARD 8553B Multimetro digital ... FLUKE 8505A Contador Universal ... TEKTRONIX DC503 Tarjeta Ethernet ... WESTERN DIGITAL 8003E/B

Camara para osciloscopio. TEKTRONIX C-5A

TPANBCEDUOE xiessis aa ca a8 CABLETRON ST-500

Computadora Personal IBM XT

Computadora Personal IBM XT

Caubin, wiwsmi ai mins aeee es WELLER WTCNT Desoldadora ...00, UNGAR 4000 Probador de Continuidad CICHSE 5

Software de Red(VIANET) WESTERN DIGITAL V 3.06 Software de Diagnéstico WESTERN DIGITAL V1.6

cuanto a componentes

CODEC Manchester ... WESTERN DIGITAL

COMPUEGLTAR ca cc eee ewes TEXAS INSTROMENTS

Oscilador de ZO MHz ... CITIZEN

Conectores tipo DB15

Cable coaxial RG-58A/U con conector BNC Terminadores de 50 ohme

Ferritas

Capacitores (diferentes valores)

Resistenciag (diferentes valores)

Puentes de seleccién Cable liestén

poldadura

WD83C691 74F00

II. TECNOLOGIA DE LA RED KTHERNET

II.1 INTRODUCCION.

La Red Ethernet es la red m4s comercial de las redes lecales de datos de alta velocidad y actualmente tiene una gran demanda en sistemas de cémputo [Shoch et al., 1987]. En éste capitulo se estudia la ubicacién de la red Ethernet dentro del Modelo de Referencia O81, los elementos princi-pales que componen al sistema Ethernet, asi como los paradmetros que lo definen (medio fisico, velocidad de

transmisién, topologia) y los pardmetros de evaluacién de una red Ethernet en operacién (trafico y eficiencia). También 6e presenta cdémo esta formada la Tarjeta de Red, lo cual es el punto primordial de este trabajo, dandose la descripcién de

cada uno de los bloques funcionales que la componen. En este capitulo se estudian también los Protocolos de Alto Nivel TCP/IP, cuales son sus funciones y qué relacién tienen con la Tarjeta de Red realizada en este trabajo. Por Ultimo se presentan las conclusiones de este capitulo.

II.2 UBICACION DENTRO DEL MODELO DE REFERENCIA OSI.

El Modelo de Referencia OSI (Interconexion de Sistemas

buido (Stallings, 1987]. Este modelo de referencia fué desa-rrollado en 1977 por la Organizacién Internacional de Hetandares(I50) como una necesidad de enlasar sistemas de cémputo heterogéneos; esto es, independientemente del fabri-eante, sistema operativo, modelo o localizacién(sistemas abiertos). El Modelo consta de 7 funciones (ver figura 2), comanmente referidas como niveles o capas, este arreglo aporta dos ventajas claves:

(a) Los niveles permiten tener una vision clara en la

tarea de disefio de una red.

4

'

Orientada a_Ueiarvos AOL Thar ' Usuarios del ’ PRESENTACION _{servicio de}

teenceeewc _transporte

' _{SESION i}

Conexion

orien-= = -————_____ ----.- Smemeem

tada terminal a TRANSPORTE terminal

= #——————__

---' RED A

v

SenRSaSSaoc _Servicio

1 EN

Enlace rtente LACE DE DATOS de

do punto a punto_' red

FISICA '

SiemonYo. |

'

(b) Los sistemas basados en la arqualitectura de niveles son Llexibles es decir, las funciones de cada nivel

son independientes de las funciones del nivel infe-rior o supeinfe-rior.

A continaacioén se presenta una breve descripcién de cada una de las 7 capas que componen al Modelo de Referencia OSI:

CAPA FISICA: Es la primera capa del modelo de referencia OSI y €6sta define las conexiones fisicas, mecdnicas y eléatricas de la red tales como ¢1 medio de transmisién, tipo de conec-teres, niveles de voltaje y corriente. También define la topologia de la red asi como la técnica de modulacién.

CAPA DE ENLACE DE DATOS: Esta capa define el método

(protoco-lo) para poder accesar la red. Realiza el empaquetado y desempaquetado de la informacioén y define la longitud de los paquetes. Detecta errores de transmisién en el canal fisico

CAPA DE RED: Esta capa define como sé enrutan y mandan los paguetes entre 2 o m&4s redes. Regula el flujo de los paquetes y define el estado de los mensajes dentro de la red.

CAPA DE TRANSPORTE: Esta capa define cdmo direccionar la localidad fisica de los dispositivos conectados a la red. Se

encarga de hacer y deshacer las conexiones entre los nodos y

CAPA DE SESION: Esta capa es la interfaz entre el usuario y la red. Coordina la interaccién entre programas de aplicacién

y 66 encarga de conectar a dos usuarios que deseen comuni-carse entre ei,

CAPA DE PRESENTACION: Esta capa traduce el formato y la sintaéxis de los mensajes, con el objeto de proporcionar

inde-pendencia a los programas de aplicacién en la preséntacidén de sus datos.

CAPA DE APLICACION: Esta capa contiene programas de

aplicacién de la red que realiszan tareas deseadas por el usuario tales como programas de servicio de transferencia de archivos, impresoras, correo electrénico, etc.

Para establecer la relacién de la red Ethernet econ el Modelo OSI de referencia, es conveniente mencionar que el

6

a

Inetitute de Ingenieros Eléctricos y Electrénicos (IEEE) la principal organiaacién oficial de estandares para redes locales de datos en Estados Unidos y a través de gus erupos de trabajo, han desarrollado el Proyecto 802, el cual esta-blece est&ndares para protocolos e interfaces para reédes locales de datos, y su correspondencia con el Modelo de Referencia OSI se d& en sus 2 capas inferiores (enlace de

(b) Control de Acceso al Medio (MAC). La cual proporcio-na él acceso a los puertos fisicos de la red y

ade-mas ee encarga de empaquetar y desempaguetar la

in-formacién y de detectar errores.

APLICACION

PRESENTACION

SESION

TRANSPORTE

RED

CONTROL DE ENL

ENLACE DE DATOS

ace ATTY HES

FISICA

Figura 3. Divisién de la Capa de Enlace de Datos por el Co-mité IEEE 802.

- IBEE 802.3 CSMA/CD (Acceso Maltiple por Sensado de la Portadora y con Deteccién de Colisiones).

- IEE 802.4 TOKEN PASSING BUS (Paso de Testiga en Duc-to).

TOKEN PASSING RING (Paso de Testigo en

A-wo

- ITEREE 802.

nillo).

- IEEE 802.6 MAN (Redes de Area Metropolitana). - IEEE 802.7 BROADBAND (Redes de Banda Amplia). - IEEE 802.8 FIBER OPTIC (Redes de fibra 6ptica). - IEEE 802.9 INTEGRATE DATA and VOICE NETWORKS.

El estdndar IEEE 802.3 CSMA/CD es 61 método de acceso utilisado por Ethernet, por lo que la correspondencia de éste estandar (IEEE 802.3/ETHERNET) con el Modelo de Referencia

OSI se da en las capas de circuiteria, Fisica (capa 1) y de Control de Acceso al Medio (capa 2). En la figura 4 se pre-sentan los estandares IEEE 802 y su relaci6én que guardan con el Modelo de Referencia OSI.

1I.3 DESCRIPCION FISICA DE LA RED ETHERNET.

La Red Ethernet es una red local de datos que soporta la conmatacién dé paquetes a alta velocidad de transmisién, y utiliga un canal de comunicaciones compartido por todas las estaciones de la red, con control distribuido conocido como

APLICACION

PRESENTACION

SESION

TRANSPORTE

RED IEEE 802.1

— IEEE 802.2

ENLACE DE DATOS

ewwen enpenea-en eee enn nn ee nee eee eee en eee

802.3 802.4 802.6/802.7

Figura 4. Relacién de los est&ndares IEEE 802 con el Madelo de Referencia OSI.

Con 66to, no existe un controlador central que esté adminis-trando ¢1 accesea al canal ni tampoce existe preasignacion de

ranuras de tiempo o bandas de frecuencia.

La red Ethernet normalmente es implementada sobre cable coaxial, en topologia ducto (bus) y con una velocidad de transmieién de 10 Mbps y se usa principalmente en ambientes de eémputo localmente distribuidos [Shoch et al., 1982]. Los componentes basicos de la red Ethernet son:

(1) Estacién: La cual es generalmente una terminal

(2) Controlador de la Red: £1 cual realiaa un conjunto de funciones y algoritmos necesarios para adminies-brar el acceso al canal (en transmisién y

recep-of

e1ién) asi como la codificacién y decodificacién de etecoién de colisiones.

a

la informacién y

(3) Sistema de Transmisién: Este inecluye todos los componentes usados para establecer una trayectoria de comanicacién fisica entre los controladores de

la red. Generalmente incluye el:

. Medio de transmisién

. Terminadores y conectores

(4) Cable Transceptor: Este es la interfaz que inter-conecta el controlador de la red con el transceptor y consta de cuatro pares de hilos:

. Tranemisién . Recepoién3

D D ra oDec aién de Colisiones . Alinentacién

5 se maestra la configuracién de la red Ether-En la figura

{ ESTACION

, TRAMSCEPTOR

‘ EXTERNO oo

si

cy

06

on why

NE

# cb

ie REPETIDOR 1

46 1 SEGMENTO 2-2

x _‘

CABLE COAXIAL 1

CABLE

4--- transcreror_{SOW HAK.}

y

at

r TERMINADOR stentnro 3

SOOH HAX. nEDto 4-- nureripor j4-= SEGHENTO 4_{SO0H HAX, 1}

J

pone

1 J4--- SIGHENTO 5 ENLACE SOONK Max. PUNTO-A=PUNTO

1000H Max,

bs

Figura 5. Configuracion de la red Ethernet.

Los par&metros que definen la Red Ethernet son:

(1) El Medio fisico: Cable coaxial. (2) Velocidad de transmision: 10 Mbps.

Los tres primeros parfmetros tienen correspondencia con Ila Capa Fisica (capa 1) y el cuarto correspondé a la subcapa de Control de Acceso al Medio (capa 2) del Modelo de Referencia OSI. La figura 6 ilustra una implementaciO6n general de un

sistema Ethernet tipico sobre cable coaxial.

f

' HACIA Las Caras |

' SUPERIORES 1

pose ENLACE DE DATOS

FISICA h- "4

t) t

y

F FUNCIONES _{1 Ff 1}

A LA INTERFAZ|{EMPAQ,

| (ADHON.

| (CopIF/DEC] [TRANSCEPTOR

ESTACION —|_{DE PC/RED} H pe HW pen UH_||paTos og L—

|| CANAL Datos EXTERNO

TRABAVO

1 _{t 1 t}

bewee cece eee eennenpoonwriawemmeuaesJ beweee.to1 BE1 t _' 1 _' t _' v v TRANSCEPTOR 1 BNC TARVETA

AL DucTo L_ _{DE RED} [] t@base2 ' v 1@BASES

DE LA PC C

ETHERNET tt

DBIS 1

CABLE DEL TRANSCEPTOR

CABLE COAXIAL ~---p

TERMINADOR « -»O

II.4 FORMATO DEL MARCO ETHERNET.

El tamafio dél paquete Ethernet e6 otro pardmetro

impor-tante en dla definicién de la red Ethernet [Shoch et al.,

1982]. La funeiédén de empaquetado y desempaquetado de la

informacién corresponde a la subcapa de control de acceso al

medio (MAC), la cual establece la construccién y

procesamien-to de los paquetes (empaquetado) que son transmitidos en la

red Ethernet. Para ésto se emplea una légica sincrona, donde

la unidad de comunicacién es e1 paquete. La funcién de

desem-paquetado de la informacién e6 un Brocéeso inverso al

empaque-tado. Las estaciones conectadas a la red deben ser capaces de

transmitir y recibir el formato con un espaciamiento minimo

de 9.6 useg. y méximo de 10.6 useg., lo que permite a Ila

estacién receptora recuperarse tras la recepecién de un

pa-quete, hasta poder recibir él siguiente (estabilizacién del

eanal).

La especificacién Ethernet [Shoch et al., 1982] considera

el tamafio minimo del paquete de 72 octetos y maximo de 1526

octetos (incluyendo el preambulo en ambos casos) tal y como

se muestra en la figura 7. El maximo retardo de propagacién

(Round-Trip delay) punto a punto para un bit es 51.2 useg.

También considera que, cualquier secuencia de bits recibida

menor que el tamafio minimo del paquete, serA considerada un

t DESTINO FUENTE DE DATOS BULO. ' '

TIPO t

i 64 bits |6 octetos|6 octetos!/2 oct} 46-1500 oct| 4 oct 64 bits!

ee CAMPOS QUE CUBRE EL CRC — — a

' 1 1 '

ESPACIAMIENTO ENTRE PAQUETES

Figura 7. Formato del paquete segtin la Especificacién

Ether-El paquete Ethernet esta estructurado en

PREAMBULO:

DIRECCION:

DESTINO.

net.

5

o Campos:

El cual e6 un patrén de sincronigzacién de 64 bits

que contiene ls y 0's alte

consecutivos. Ee colocado

rnados con dos 1's

por el controlador

-tranemisor al inicio del paquete y desechado por

el controlador-receptor,

funcién.

Este campo especifica la estacién o estaciones

que va dirigido el paquete.

guientes opciones:

ana vez realizada su

A

6i-DIRECCTON

(6 oct.)

DATOS:

(46-1500

oct.)

0 Unica estacion

it multlestacién(multicast)

Si todos los bits estan en 1, significa que el

paquete va dirigido a todas las

estaciones(broad-caet). Dado que la longitud del paquete es de 48

bite, los 47 restantes especifican la direccidén

del mensaje; teniéndose hasta 247 opciones.

a nh 1

Este campo contiene la direccién nica de la

tacién tranemisora.

Este campo permite a una red Ethernet recibir

pa-quetes de estaciones que emplean diferentes

ar-quiteeturas de redo protocolos de alto nivel.

También indica el nimero de octetos que contiene

el campo de datos.

En este campo se encuentran los datos que van a

transmitirse. Los datos por paquete, deben ser al

menos de 46 octetos y no mayores de 1500 oectetos

CONEIRMACION: Este campo consta de 32 bite y se emplea para

DE SECURNCTA confirmar la veracidad dé la informacién

con-(4 oat.) tenida en cada paquete transmitido. El tipo de

ecédigo que utiligaa es el Cédigo de Redundanclia

Ciclica (CRC), el cual es calculado en funcién

de los 4 campos anteriores. En caso de existir

un error, se envia el paquete con una etiqueta

de error a niveles supériores para que sea ahi

donde se tome una decisidén.

II.5 CODIFICACION UTILIZADA POR ETHERNET.

Hl cédigo utilisado por Ethernet es el cédigo Manchester,

él cual se usa principalmente en cable coaxial y generalmente

en enlaces cortos. Este cédigo [Shoch et al., 1982] tiene un

elelo util de 50% y asegura una transicién a la mitad de cada

bit NRZ (No Regreso a Cero). La primera mitad contiene el

complemento del valor del bit y la segunda mitad contiene el

valor verdadero del bit. El espectro de densidad de potencia

de la sefial codificada en cédigo Manchester contiene la

componente de reloj (sincronizacién propia), usada para

sin-eronizar al sistema y elimina la componente de corriente

directa (C.D.). El ancho dé banda de la sefial Manchester es

del doble del ancho de banda de la sefial original (NRZ). En

sefial del tipo NRZ.

' ' 4

' TIENE 1

t

ares _{@q— COMPONENTE}

DE C.D.

copI Fic anos NO TIENE

MANCHESTER + oe

Tl

Figura 8. Codificaci6n de una eefial NRZ en cédigo Manchester.

El espectro de densidad de potencia de la sefial

Manches-ter es mostrado en la figura 9, donde se compara con el

espectro de densidad de potencia de una sefial NRZ (polar).

II.6 TOPOLOGIA Y TECNICA DE ACCKSO.

La especificacién Ethernet utilisa una configuracién tipo

ducto, la cual presenta las siguientes caracteristicas

(1) La tranemieién es bidireccional.

(2) Facilidad para adicionar nuevos nodos.

(3) Un solo canal, por @¢l cual 6e comanican tanto el

servidor como las estaciones de trabajo.

(4) Selo una sefial se encuentra activa en el canal.

(5) Inetalacié6én relativamente simple.

(6) Econémica.

El Método de Acceso al canal recomendado por la

HEspecifica-cién Ethernet [Shoch, 1982] y por el estadndar IEEE 802.3

[IEEE 802.3, 1988] es la Técnica de Acceso Multiple por

Sensado de la Portadora y econ Deteccién de Colisiones

(CSMA/CD). En este método, las estaciones que desean

transmi-tir se dice que estén "“contendiendo" por ganar el uso del

canal hasta que alguna (solo una) lo adquiere; una ves que

esto sucede, la estacién puede utilisar el canal para

trans-mitir sus paquetes. Este método se implementa tipicamente en

redes tipo ducto. Todos los nodos conectados a la red est&n

escuchando el canal (sensado de la portadora) asi como la

transmisién que ha sido efectuada (deteccioén de colisiones).

trangiciones de la sefial (en cédigo Manchester) en el canal y

la deteccién de colisiones consiste en el monitoreo del nivel

de corriente directa de la sefial Manchester. La ausencia de

transiciones indica que el canal esta disponible. Cuando dos

o mas estaciones transmiten al miamo tiempo, entonces se

origina una colisién y los dispositivos involucrados en el

momento detectan la sefial de colisién y abandonan la

transmisién. Bajo ésta condicién, las estaciones esperan un

tiempo aleatorio antes de volver a sensar el canal e iniciar

la retransmisi6n. Ethernet utiliza una técnica de retardos

aleatorios denominada Algoritmo de Contencién Binario

Expo-nencial Truncado (Truncated Binary Exponential Backoff).

II.7 TRAFICO DE LA RED ETHERNET.

El protocolo Ethernet de Acceso Multiple por Bensado de

la Portadora y con Deteccidén de Colisiones (CSMA/CD) depende

del comportamiento probabilistico que muestra en el proceso

de transmieion, en el cual todas las estaciones distribuidas

tipicamente en una topologia tipo duecto, contienden por ganar

el acceso al canal y ninguna de ellas tendrd prioridad para

transmitir, hasta que haya ganado el eanal [Nemson, 1988].

El funcionamiento de una red Ethernet en operacion puede

retardo gsufrido por los paquetes a lo largo de una

tranemi-sién [Gonsalves et al., 1988] y 6s una funcién de la

natura-lesa del trafico y de algunos pardémetros relacionados con el

protocolo y con la red, Estos pardmetros son 61 numero de

eataciones, distancia entre estaciones, tamafio dé los

pa-qguetes transmitidos, nimero de paquéetes transmitidos por

segundo, algoritmo de retransmisién y la topologia de la red.

fn la figura 10 se muestra el funcionamiento de una red

Ethernet, en donde se grafica la eficiencia de la red como

una funcién del trafico manejado o carga.

Ef

lc

lencle

E T

0.20 @.18 08.20 @.30 0.40 2.58 2.60 @.70 0.82 2.90 Cargo

Figura 10. Grafica de la eficiencia de la red Ethernet en

Como puede observarse en la figura 10, la red Ethernet

presenta un procentaje de la capacidad de utiliaacién del

canal de 55% y esta capacidad cae rdpidamente cuando la carga

es de alrededor de 60% . En la figura 11 se presenta la

efi-cleneia de la red como una funciédn del retardo de

propagacién.

1.0

0.9

0.8

0.7

0.6

0.9

0.4

0.3

Oa

0.1

0.0

PTHROLUINMGHPLIT

0,000.

0.001

0.01

Ot

1.0

10

RETARDDE PROPAGACION

Figura 11. Gr&éfica de la eficiencia de la Red Ethernet en

funcién del retardo de propagacién.

En relacion a las grdficas anteriores, el protocolo utilisado

por Ethernet (CSMA/CD) es considerado un proceso muy rapido y

gu ineficiencia se incrementa conforme el trafico de la red

aumenta., Por la tanto la utiligacién Sptima del canal 6e

encuentra entre 10 y 35% (figura 10). Si 66 mayor, la presen-—

cia de colisiones saturar& el medio. La eficiencia entonces

tendrA un comportamiento mise Gptime conforme el tamafio del

paquete vaya sliendo mayor [Nemeon, 1988]. La tabla II

presen-ta este hecho.

TABLA II. Eficiencia de la Red Ethernet medida por el tamajio

del paquete.

I

i

' { ' t

| Preambulo 1 64 eetetos | 64 octetos }

' ' t 1

1 1 t t

| Gampos de direccio- { |

| nes y sobreflujo | 144 { 144

t ! I t

t 1 t t

| Marco de datos i 46 ; 1500 "

1 ' t I

t 1 t t

| Retardo de Separacién | 96 96 t

t . oo ae

t | 350 " | 1804 {

' ' 1 1

1 t ' 1

| Paquetes/segundo | S571 ; 692

1 1 t t

t i) t t

| Preambulo | 1,828,544 | 354,753 .

t 1 ' t

I ' t t

; Campos de direcio- t i

‘ nes y sobreflujo 1 4,114,224 " | 798,192 "

' 1 ' v

i ‘ i 1

| Marco de datos | 1,314,266 i 8,314,500

I { t I

| Retardo dé Separacién | 2,742,816 | 532,128

| Seen eo res eee j “SS SSeS { tema I

| EFICIENCIA t 0.02 % | 83 %

operacién, debido a que el protocolo CSMA/CD es del tipo de

“sontienda”, presenta un compromiso entre el trafico ofrecido

y el retardo de propagacién. El tamafio promedio del paquete

asi como el nimero promedio de paquetes por segundo, afectan

el funcionamiento y eficiencia de la red. En cuanto a Ila

topologia utilizada, se tiene que con estaciones distribuidas

uniformemente a lo largo del ducto, en las estaciones que se

encuventran en el centro, se obtiene un mejor comportamiento

que las que se encuentran en los extremos del ducto.

II.8 DESCRIPCION DE LAS FUNCIONES DE LA TARJETA DE RED.

La tarjeta de red Ethernet desarrollada en este trabajo

eontiene caracteristicas muy particulares ya que integra un

numero maximo de funciones referidas a las capas 1 y 2 del

Modelo de Referencia OSI, ésto debido a los dispositivos de

propésito especial de la Compafiia Western Digital utilizados

en el disefio; lo cual dié como resultado la obtencién de una

tarjeta de red funcional, con un nimero minimo de componentes

y de tamafio reducido; tal y como se vera en el capitulo de

disefio. Previo a ello, es importante describir las funciones

del la tarjeta de red, ya que esta no se dA ain en libros o

revistas dada su actualidad.

La tarjeta de red contiene cuatro bloques principales que

* Controlador interfaz PC/Red.

* Controlador de la Red.

* Codificador/Decodificador Manchester.

* Traneceptor para cable coaxial.

En la figura 12 se muestra un diagrama a bloques de la

tarje-ta de red obtenida en este trabajo.

[(RSSESSSHSES SS ANS RANA S RE HE SS ARES SR ES SERRE SSSR Shes Sess1

1 1

' '

' ’ .

rt ‘BNC

' LODASER, AL CABLE

1 t COAXIAL

'

t '

t CONTROLA- COD/DEC TRANS- '

1 INTERF AZ '

AL DUCTO i> <=>|DOR DE LA} <=>] MANCHES- <>] CEPTOR, '

DE LA PC 4 PC/RED \

' RED TER. INTERNO '

' '

'

t

i LOBASES, AL TRANSCEPTOR

bey 1 EXTERNO

1 t

'

1 1DBAS

bee wwe meme meee ewe ewes eee we see ee case esses seeenseseecesJ

Figura 12. Diagrama a bloques de la Tarjeta de Red obtenida.

Como se ve en la figura 12, los conectores BNC y DB15

representan los dos tipos de versiones que soporta la tarjeta

de red Ethernet es decir, la terminal que la contenga puede

conectarse al medio figico (cable coaxial) a través del

“Cheapernet” [Flatman, 1984] ©, por medio del conector DB15

através del cable traneceptor, utiligando un transceptor

externo, lo que se llama comercialmente como Ethernet II. La

versién Cheapernet (esetandar 1LOBASE2) tiene ciertas

limita-clones con respecto a la longitud del segmento, didmetro del

cable, nimero de nodos por segmento, ete. con respecto de la

version Ethernet II ( estdandar 10BASE5), pero lo anterior la

hace mas barata y facil de instalar. En la tabla III g6e

comparan las dos versiones.

Tabla III. Comparacién de las versiones Ethernet II y

Chea-pernet.

Fn|

esaa|

[aa 20EASEEtopes |

| Long.delSegmento| 500mts ; 185mts

|Expansiondelared| 2.6Km 1925mts

| Nodosporsegmento| 1000 13000 |

| No.deNodosporred! 1024 1024 !

| Dist.entrenodos| 2.5mta (0.5mts :

| Capacitancia/nodo| 4pf(maxima)| 8pf(maxima)|

i t 1

1 1

| coaxial(d =.4") ! coaxial(d =.25") |} Tipo de cable | vigido, 50 ohms | flexible, 50 ohms} | (conector"DB15")! (conector “BNC") }

Las funciones que realizan cada uno de los bloques de la

figura 12 son las siguientes

MICROCONTROLADOR INTERFAZ PC/RED =:

- Es proplamente el que conecta al Controlador de la red

con la estacién (PC).

- Guarda 1a direceién de la tarjeta de red.

- Contiene registros que permiten configurar la tarjeta

de red por programa y no en forma manual.

MICROCONTROLADOR DE LA RED :

- Realiaa la administraci6n del canal(CSMA/CD).

- Empaquetado y desempaquetado de la informacién.

- Reconocimiento de la direccién del nodo destino.

- Generacién y reconocimliento de fin del predémbualo.

- Deteccién de errores.

- Generacién del Cédigo de Deteccién de Errores(CRC).

- Sensado de la portadora.

- Deteccién de colisiones.

CODTFETCADOR/DECODIFICADOR MANCHESTER :

- Convierte los datos NRZ (No Regreso a Cero) de salida

del Controlador de la red en céddigo Manchester, el

Presenta egincronigacién propia (la sefial

codifi-cada contiene la componente de reloj).

No introduce componente de CD.

La deteccién de errores es realizgada por medio

de traneisiones y no por umbral de teneidén.

- Conecta el medio fisico (cable coaxial) con la tarjeta

de red.

- Proporciona los niveles adecuados de tensién para que

la sefial codificada pueda ser llevada por el cable.

- Los niveles de tensién que utiliga son negativos (0V a

-2.05 V).

- Detecta la presencia de colisiones.

II.9 PROTOCOLOS DE ALTO NIVEL TCP/IP.

Los Protocolos de Alto Nivel nacen de la necesidad de la

interconexién entre redes de diferentes caracteristicas; por

ejemplo redes de alta velocidad que cubren distancias cortas,

con redes de baja velocidad y que cubren distancias largas.

Lo anterior conduce a la aplicacién de la Tecnologia

Inter-Red (INTERNET) [Covarrubias et al., 1989] mediante la cual se

comunicacién entre huéspedes independientemente de 6u

conexién fisica a la red.

El objetivo de la Tecnologia INTER-RED es interconectar

computadoras y redes sin hacer caso del tipo de computadora o

del protocolo dé comunicacién utilizado.

El Protocolo de Control de Tranemieién (TCP) y el

proto-colo Inter-Red (IP) fueron desarrollados por investigadores

del Departamento de la Defensa (DoD) de Estados Unidos

quie-nes disefiaron y construyeron la red ARFANET, la cual fué

patrocinada por la Agencia de Proyectos de Investigacion

Avanzados de Defenga (DARPA) [Lynch, 1989]. ARPANET es una de

las redes mas antiguas (1966) de conmutacién de paquetes y

geograéaficamente una de las més extensas en Hetados Unidos.

Esta tecnologia incluye un conjunto de estandares de red

que especifican los detalles de cémo realizar la comanicacién

entre computadoras, asi como un conjunto de convenciones para

la interconexién de redes y manejo de tréfico (enrutamiento).

TCP ¢6 un protocole de transporte que tiene sa

correspon-dencia con el Modelo de Referencia OSI en la capa de

trane-porte(capa 4) y sa funcién principal es garantigar la entrega

confiable de datagramas (paquetes de datos) de una

Todos los programas TCP usan el protocolo Inter-Red (IP)

punto aA punto y pueden ser usados para comanicar un huésped

con cualquier otro que use también ese protocole. Los

produc-tos basados en TCP/IP normalmente soportan comunicacién entre

huéspedes y diferentes tipos de enlaces de datos que

cual-quier otro protocolo. Asi pues, Los protocolos dé alte nivel

TCP/IP son el estdndar mas popnalar que soporta estandares

para comanicacién entre huéspedes heterogéneos.

Para propésitos de comunicaciédén Inter-Red, existen

conceptualmente cuatro capas de protocolos que son:

PAP = Protocole dé Aplicacién y Proceso

(Process/Application Protocel)

TCP = Protocolo de Control de Transmisién

(Transmission Conntrol Protocol)

IP = Protocolo Inter-Red

(Internet Protocol)

NAP = Protocole de Acceso a la Red

(Network Access Protocol)

HUESPED 1 PASARELA(GATEHAY) _HUESPED

4 _{COMUNICACION ENTRE USUARIOS}

wrtscrecostteeenneeecnencennennenecenneeeeneceneennecceney>| P

T ¢ P

donna nn eentenneneeeneeeeeseneenecenenneeneneencnncee>

Genneeceeenecece)

_{eee eee —}

Py

_I

_‘nr

P

_P

_P

=>

_==-b

DATAGRANA _DATAGRANA

Figura 13. Protocolos TCP/IP.

El protocoloe de Aplicacion y Proceso (PAP) permite la

comanicaci6én entre dos usuarios. El protocolo de Control de

Transmision (TCP) proporeciona un cireuito virtual de

comunicacién huésped a huésped. El protocolo Inter-Red (IP)

proporciona una comunicacién datagrama (paquete de datos) a

través de la subred. El protocolo de Acceso a la Red (NAP) es

especifico de cada subred y es responsable del intercambio de

datos entre un huésped y la red a la cual esta conectado.

Esta capa proporciona reglas de tal manera que los usuarios

econectados a la red puedan intercambiar mensajes. Un huésped

que envia un mensaje, debe de proporcionar:

* Informacién de enrutamiento.

* Solicitud del servicio especial de la red.

La comanicacién huésped a huésped puede ser a través de una

sola o varias redes. El formato del Marco TCP/IP esta formado

por las siguientes partes:

* Encabezado

* Informacién

* Fin de marco

El campo de encabezado y de fin de marco contienen un control

especifico de la red local (X.25, protocolos IEEE 802,

proto-eolo LAPB, etc.) y el campo de informacién contiene un

pa-quete IP, como se ilustra en la figura 14.

(NAP) etaath INFORHACION ‘once AThavESDEEARED

t t

ENCABE-(IP) anno IP INFORMACION IP paquets rp

1 1

(TCP)

ENC) Ne. TCP PAQUETE TPC

_T¢P

i) '

(PAP)

ataDE meee auto

El protocolo Inter-Red (IP) tiene eu cerrespondencia con el

Modelo de Referencila OSI en la capa de Red(capa 3) y «su

funeclo6n principal es permitir que los mensajes sean enrutados

entre huéspedes a través de redes multiples. Este pratocolo

debe ser implementado en todos los huéspedes y pasarelas

(gateways) para llevar a cabo el enrutamiento.

El protocolo IP proporciona un servicio datagrama

(no-conexién fisica) entre huéspedes y pasarelas (gateways), esto

Significa que no existe una conexién légica entre nodos IP

previo al intercambio de informacién. El protocolo IP es

responsable de llevar un paquete TCP a través de cada red

hasta que éste sea entregado al huésped destino. Esta capa

adicionar& un encabesado de control, al inicio deél paquete

TCP para formar un datagrama IP. El encabezado contiene

informacién para enrutar mensajes a través de redes

maltiples.

Puesto que los datos de las capas superiores deben de ser

fragmentados en pequefias unidades de transmisién por el

protocolo IP, debe de proporcionarse suficiente informacidn

en el encabezado de tal manera que pueda efectuarse el

re-ensamblado en la siguiente pasarela/huésped. IP utilisa un

encabezado que consta de 6 palabras de 32 bits. En la figura

15 se presenta el encabezado dél protocolo IP. Para una mayor

informacién de los campos del encabesado IP, se puede

VERSION|IHL|T. DE SERVICIO

LONGITUD TOTAL

IDENTIFICACION

BANDERAS|INDIC. DEL FRAG.

TIEMPO DE VIDA | PROTOCOLO |ENCAB. DEL CODIGO DETECTOR

DIRECCION FUENTE IP

DIRECCION DESTINO IP

OPCIONESCHAS RELLENO)

Figura 15. Encabezado del Protocolo Inter-Red(IP).

El Protocole TCP es ligeramente equivalente a la capa de

transporte (capa 4) de la I80. Eete protocole es responsable

de proporcionar una comunicacién huésped a huésped libre de

error, utilizando para ello una secuencia de numeros,

recono-cimiente y de prueba. Puede identificar datos que requieren

lan servicio r&pido y establecer sesiones simultaéneas

multiples entre procesos de huéspedes. También proporciona un

ecircuito virtual estableciendo una conexién légica entre dos

huéspedes. La operacién del protocolo TCP es independiente de

la arquitectura de red utiligzada. El encabezado TCP al igual

que el encabezado IP est& orientado a palabras de 32 bits. En

la figura 16 se presenta el encabegado del protocolo TCP. Al

igual que en el easo del protocolw IP, el contenido del

NUMERO DE RECONOCINIENTO

INDICADOR |RESERVADO| coD1Go VENTANA

CODIGO DETECTOR DE ERRORES APUNTADOR DE FIN DE DATOS

OPCIONES(HAS RELLENO)

Figura 16. Encabezado del protocolo TCP.

La relacién que tienen los Protocolos de Alto Nivel

TCP/IP con la tarjeta de red Ethernet desarrollada en este

trabajo es complementaria, debido a que al trabajar con una

arquitectura basada en capas o niveles como lo es el Modelo

de Referencia OSI, permite concatenar las capas fisica (capa

1) y la capa de enlace de datos (capa 2), las cuales

consti-tuyen toda la circuiteria necesaria para implementar

cual-quier red local de datos (en este caso Ethernet) con las

ca-pas de red (capa 3) y transporte (capa 4), que son capas de

programacién y en las cuales se implementan los protocolos de

Alto Nivel TCP/IP. Estos protocolos son programas,

general-mente escritos en lenguaje de alto nivel(lenguaje C) y cabe

hacer la aclaracion que un programa TCP no corre sin otro IP

Por lo tanto, Cualquier programa que realice las

fun-ciones de los protecolos TCP/IP para computadoras

perso-nales (IBM PC o compatibles) podrA ser compatible con la

tarjeta para red Ethernet desarrollada en este trabajo, lo

cual da como resultado 61 poder tener comanicacién entre

huéspedes heterogéneos que usen también los protocolos de

alto nivel TCP/IP.

II.10 CONCLUSIONES.

En este capitulo se han estudiado las caracteristicas mae

importantes de la RLD Ethernet, sue funciones, elementos que

la integran, 6a relacién con el Modelo de Referencia O51, se

han presentado las caracterieticas de la tarjeta de red

Ethernet, en cuanto a gus funciones y elementos que la

inte-gran; todo ello como una base tedrica importante para los

capitulos posteriores de disefio, construccién y

caracteristi-cas de la tarjeta de red. Finalmente se estudiaron las

caracteristicas de los protocolos de alto nivel TCP/IP y su

relacién con la tarjeta de red. En funcién de lo anterior,

las conclusiones mas importantes dé este capitulo son:

(1) La RLD Ethernet es una de las redes mas

comer-ciales y con mayores ventajas técnicas.

(3)

(4)

buena para cargas bajas y poco eficiente a medida

que el trafico aumenta.

La tarjeta de red juega un papel may importante ya

que integra un mayor nimero de funciones, redundanda

con ello en un menor costa y numero de componentes

asociados.

Los protocolos de alto nivel TCP/IP son el estandar

mas popular, que soporta estandares para comunica-—

IIl CONSIDERACIONES Dk DISENO DEL CONTROLADOR DE LA RED

Y DEL CODIFICADOR/DECODIFICADOR MANCHESTER.

III.1 INTRODUCCTION.

Debido aque la red Ethernet es considerada un estdndar

en el campo de las redes locales de datos, existe gran

interés en reducir el costo y dimensiones de la tarjeta de

red, para lograr con ello 1a obtencién de tarjetas de red

mae versatiles y con una maxima integraciédn de funciones.

Agi, un clerto numero de fabricantes han langado al mercado

dispositivos (LAN chip set) de muy alta escala de integracién

(VLSI) para RLD’s Ethernet [Votsis, 1987]., siendo los

prin-cipales

(1) Western Digital

(2) National Semiconductor

(3) Intel Corporation

(4) Advances on Micro Devices

(5) Mostek

(6) Fujitsu

(7) SEEQ

Concretamente los dispositivos de red (chip set)

propor-cionados por dichos fabricantes y que estan comercialmente

(a) Controlader de la red Ethernet.

(b) Codificador/Decodificador Manchester.

(c) Traneceptor para cable coaxial.

Todos estos diepositivos cumplen con las recomendaciones del

est&4ndar IEEE 802.3 y principalmente ofrecen compatibilidad

eon la especificacié6én Ethernet; es decir, implementan todas

las funciones de las capas de cirecuiteria fisica (capa 1) y

de Control de Acceso al Medio (capa 2) del Modelo de

Referen-eia OSI. La filosofia seguida por cada fabricante es

distin-ta. Asi algunos fabricantes ofrecen un numero mayor o menor

de funciones en sus dispositivos, confiabilidad, costo, ete.

Cabé resaltar aqui, que de los fabricantes antes

mencio-nados, Western Digital ofrece la tecnologia m&s novedosa y

m&s completa hasta el momento para RLD’s Ethernet, ya que es

él Unico que ofrece, a diferencia de los dem4s, 4

dispositi-vos de red que son el

(1) Controlador interfas PC/Red (WD83C583)

(2) Controlador de la red Ethernet (WD83C690)

(3) Codificador/Decodificador Manchester (WD83C691)

(4) Transceptor para cable coaxial (WD83C692)

Los tres Ultimos dispositivos, los ofrecen la mayoria de los

fabricantes, pero los de Western Digital integran un ndmero

numero de componentes de la tarjeta, ya que es el que realiza

la interfaz de la PC con la red de una manera directa; en

cambio, si no se contara con este dispositivo, dicha interfaz

PC/Red se tendria que implementar con légica discreta, lo

cual hace m&s dificil el disefio de la tarjeta de red y trae

eonsigo un aumento en el nimero de componentes, tamafio y

costo de la misma.

En base a los rasonamientos presentados anteriormente y

en funcién de los requerimientos de la compafiia TELECOM de

Tijuana que industrializar&é la tarjeta de red, objeto de este

trabajo, sugirié trabajar con los dispositivos de la compafila

Western Digital.

En este trabajo se analizaran Gnicamente las

considera-ciones de disefio del Controlador de la red,

Codificador/Deco-dificader Manchester y la circniteria asociada con éstos

dispositivos. Los dispositivos complementarios son analigzados

por [Aquino, 1990].

En este capitulo se estudian las consideraciones de

disefio, en relacién a los dispogitivos de propésito especial

para RLD’s Ethernet a utiligar en e¢1 disefio de la tarjeta de

earacteristicas funcionales de dichos dispositivos referidos

a los dispositivos de red de la compafiia Western Digital.

Debido a las caracteriaiticas de industrializacién de este

trabajo, este capitulo se refiere a los aspectos funcionales

y més especificos de los dispositivos a utilisar en el

disefio. Razén por la cual la empresa TELECOM ha preferido

mantenerlo en exclusividad.

III.2 PARAMETROS INVOLUCRADOS EN EL DISENO DEL CONTROLADOR

DE LA RED ETHERNET.

Los pardmetros de disefio del Controlador de la red que

marca la Eepecificacién Ethernet [Ghooh et al., 1982], ael

como @€1 ect&ndar IEEE 802.3 [IEEE 802.3, 1988] son:

FORMATO DEL MARCO ETHERNET .

Las estaciones deben ser capaces de transmitir y recibir

paquetes al y del cable coaxial con el formato y

espaciamien-to entre ellos, indicado en el capitulo II (seecién I11.,3)

descrito anteriormente. Cada paquete debe ser visto como una

secuencia de 8 bits (octetos); el bit menos significativo

SECURNCTA DE. DIAGNOSTICO DEL PAQUETE .

Para realizar esta funcién, los algoritmos dé transmisién

y recepoién utiligzan un Cédigo de Redundancla Ciclica (CRC),

él cual es generado por él polinomic:

G(x) = x32 4 426 4 x28 4 x22 4 x16 4 x12 4 yll 4 x10, x8 4

Xo 4 x5 4 x44 x2 4 KX 41

Para una mayor informacién acerca de este polinomio,

refe-riree a [Shoch et. al., 1982] y a [IEEE 802.3, 1988].

PROCEDIMIENTO DE CONTROL .

El Procedimiento de Control [Shoch et al., 1982] define cdmo

y cuando una estacién puede transmitir paquetes en el cable

coaxial. Hl propésito fundamental es resolver la situacién de

contencién ocasional entre estaciones que desean transmitir,

para lo cual se dan las siguientes recomendaciones:

* Una estacién no debe transmitir en el cable coaxial

cuando la portadora esté presente o dentro del minimo

espaciamiento entre paquetes, después de que la

por-tadora ha desaparecido.

* Una estacién puede transmitir si la portadora no esta

* 61 una colisién es detectada, la tranemision del

pa-quete debe terminar, y una sefial de indicacién de

ca-lisién (jam) Berd tranemitida para aBegurar que las

otras estaciones participantes en la colisién también

reconogoan dicha oourrencia. El tamafio de esta sefial

(jam) es dé 4 a 6 octetos y su contenido no esta

ef-* El intervalo aleatorio de tiempo de espera, antes de

iniciar una retransmisién es co, 2M! = LI, para

Oo < M < 10 (1024 estaciones). Después de 16 intentos,

se abortaré la retransmisi6én y la decisién se dejara

én manos de niveles superiores.

Los pardémetros de sensado de la portadora y la deteccién

de colisiones, son también especificados por él estdndar IEEE

802.3 y por la Especificacién Ethernet y fueron explicados en

el capitulo II (seccién II.5) de este trabajo.

El C.I. WD 83C690 de la compafiia Western Digital que se

utiliaé para realizar este trabajo, realiga todas las

fun-ciones de la capa de Control de Acceso al Medio, de acuerdo

TII.3 PARAMETROS INVOLUCRADOS EN EL DISENO DEL CODIFICADOR /

DECODIFICADOR MANCHESTER.

Las consideraciones de disefio para e1

Codificador/Decodi-ficador Manchester que establecen la Especificacién Ethernet

{Shoch et. al., 1982] y el estandar IEEE 802.3 [IEEE 9802.3,

1988] se presentan a continuacién:

CODIFICADO DEL CANAL.

Hl Cédigo Manchester es e1 cédigo recomendado para RLD‘s

Ethernet [Shoch et. al., 1982]; e€1 cual be estudid en el

capitulo II (seccién 11.4) de este trabajo. Las

caracteris-ticas eléctricas son explicadas con detalle en [IEEE 802.3,

1988].

RAZON DE DATOS.

La razén de datos recomendada es 10 Mbits/segundo; es

decir, el periodo de la sefial codificada Manchester (Bit

SENSADO DE LA PORTADORA.

La existencia de transiciones en los datos, indica que la

portadora esta presente. Si una traneicién no es vista entre

O.75 y 1.25 del periédo de la sefial con respecto al centro

del wWltimo periodo de sefial, entonces la portadora ha sido

perdida, indicando el fin del paquete [Shoch, 1982]. En la

figura 17 se muestran las caracteristicas de la sefial

Man-cheater antes mencionadas.

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DETERMINACION DE LA PoRTADO-—p, RAEN EL RE-CEPTOR,

Figura 17. Caracteristicas de la sefial Manchester.

Hl Codificador/Decodificador Manchester (C.I. WD83C691)

dé la compafiia Western Digital utilisado en éste trabajo,

cumple con la Especificacién Ethernet y con el estandar IEEE

802.3 antes mencionados. En la seecién III.5 se da la

descripcion completa de las funciones que realigza.