Ethernet (Nivel de Enlace)

Introducción

El nivel de enlace se encarga de establecer una comunicación libre de errores para la capa de red. Para ello, fracciona el mensaje en bloques de datos (tramas) que se envían secuencialmente por la capa física, quedando a la escucha de las tramas de confirmación generadas por la capa de enlace del receptor.

Servicios básicos

• Tratamiento de errores en la recepción de tramas.
• Eliminación de tramas erróneas.
• Solicitud de nueva conexión en caso de errores.
• Adecuación del flujo de datos entre emisores rápidos y receptores lentos.
• Identificación única de cada elemento mediante su dirección física o MAC.

La capa de enlace prepara los paquetes de la capa de red para su transmisión a través de medios físicos, controlando su acceso. Es responsable del intercambio de tramas entre nodos en una red física.

Servicios generales

Sin conexión y sin reconocimiento

Envío de tramas sin conexión ni control de pérdidas o errores. Importante en redes con baja tasa de errores (LAN) o tecnología ATM.

Con conexión y reconocimiento

No se establece conexión, pero el destino envía un reconocimiento al emisor al recibir la trama.

Orientado a conexión

Establecimiento de conexión con tres fases:

1. Establecimiento de conexión (petición y aceptación).
2. Transmisión de datos.
3. Cierre de la conexión.

Funciones del nivel de enlace

Genéricas

• Fragmentación y composición de tramas.
• Tratamiento de errores en la recepción de tramas.
• Activación, mantenimiento y desconexión del enlace.
• Detección y control de errores (tramas erróneas y repetidas).

No genéricas

Control de acceso al medio (MAC)

• Verificación de la disponibilidad del canal antes de la transmisión.
• Gestión de canales compartidos.
• Distribución de recursos de transmisión entre nodos.
• Asignación de canales o direcciones físicas (MAC).

Sincronización

Encapsulación de datos de la capa de red en tramas para su entrega a la capa física.

Transparencia

No restricción de información entre niveles adyacentes.

Control de enlace lógico (LLC)

• Gestión del enlace de comunicación.
• Control de errores (uso de tramas pequeñas).
• Control de flujo entre emisor y receptor.
• Recuperación de anomalías (tramas dañadas o perdidas).
• Direccionamiento de la capa MAC.

Protocolos

Usados en sistemas punto a punto y multipunto.

Protocolos orientados a carácter

Bisyng

Protocolo síncrono de IBM (1960s). Usa varios formatos de trama y caracteres. Control de flujo y errores mediante parada y espera, y código de errores CRC. Códigos de control: DLE, STX, EDT, ACK, NAK.

DDCMP

Protocolo de DEC (1975). Usa un solo tipo de trama con indicación del número de bytes enviados.

Protocolos orientados a bit

Emplean cualquier tipo de código de carácter.

SDLC

Protocolo de IBM (1975) para redes SNA, similar a HDLC.

HDLC

Protocolo de IBM (1974), estandarizado por ISO para redes x.25.

• Estación primaria: Controla el enlace.
• Estación secundaria: Genera respuestas.
• Estación combinada: Mezcla de primaria y secundaria.
• Configuración no balanceada: Estación primaria y secundarias.
• Configuración balanceada: Dos estaciones combinadas.
• Configuración simétrica: Primaria a secundaria.
• Modo de respuesta NRM: Configuración balanceada.
• Modo respuesta asíncrono ABM: Configuración balanceada.
• Modo de respuesta asíncrono ARM: Configuración no balanceada.

802.3

CSMA/CD Ethernet

Protocolo de acceso múltiple con escucha de portadora y detección de colisiones. Los dispositivos escuchan antes de transmitir y finalizan el envío al detectar una colisión. Funciona mediante tramas.

CSMA/CD 1 Persistente

Escucha el canal y transmite inmediatamente si está libre, o permanece en escucha hasta que lo esté. Puede generar colisiones.

CSMA/CD 1 No Persistente

Similar al anterior, pero deja de escuchar el canal si está ocupado y espera un tiempo antes de volver a intentarlo. Reduce colisiones pero introduce retardos.

CSMA/P Persistente

Transmite con probabilidad p si el canal está libre, o se retrasa un tiempo (ranura temporal) con probabilidad 1-p. La ranura temporal es igual al máximo retardo de propagación de señal.

Funcionamiento del CSMA/P

Cada transmisión requiere una escucha del medio (detección de señal portadora). Si el medio está libre, se transmite. Si hay colisión, se envía un mensaje JAM de 32 bits y se aplica el algoritmo BACKOFF antes de reintentar la transmisión. El tiempo de espera se duplica en los primeros intentos y se notifica un error en capas superiores si fallan las conexiones.

Ventajas

• Rendimiento mayor con pocas colisiones.
• Tiempo medio de conexión bajo.
• Adecuado para control de procesos continuos con baja carga.

Desventajas

• Detección de errores difícil.
• No garantiza tiempo máximo de acceso al canal.
• No adecuado para aplicaciones en tiempo real.
• Incapacidad de escuchar mientras se emite.
• Problemas en redes inalámbricas (detección de colisiones).

Estados del protocolo

• Contención: Intervalo vulnerable a colisiones.
• Transmisión: Intervalo de control del canal.
• Vacío: Intervalo sin actividad.
• Contienda: Ranuras de longitud 2T (tiempo de detección de colisión).

Parámetros del CSMA/CD (IEEE)

• Velocidad: 10 Mbytes/s.
• Límite de intentos: 16.
• JAM: 32 bits.
• Longitud máxima: 1518 bytes.
• Longitud mínima: 64 bytes.
• Intervalo entre tramas: 9.6 microsegundos.

Aplicaciones CSMA/CD

Variantes de Ethernet 10base5 y 10base2. Conexión dúplex para retrocompatibilidad.

802.4 TOKEN BUS

Estándar que implementa una red lógica en anillo con paso de testigo sobre una red física en bus. Limita las conexiones y usa un token para que solo el nodo con el token pueda transmitir.

Ventajas

• Limita tráfico y colisiones.
• Envío de tramas cortas.
• Ventajas físicas sobre bus y anillo.
• Buen rendimiento con alta carga.
• Sistema de prioridades.

Desventajas

• Inestabilidad (solucionable con doble anillo).
• Alto retardo.
• No conveniente para fibra óptica.
• Fiabilidad del cable.
• Necesidad de módem.

Características

Conexión de nodos a un bus (cable coaxial de 75 ohmios) con topología lógica en anillo. Cada nodo conoce la identidad de sus nodos adyacentes. El token controla el medio y permite la transmisión. Cada estación tiene un receptor y transmisor que actúan como repetidores. Cada estación tiene un número asociado. La estación con el token transmite o lo pasa. El token viaja en la misma secuencia de estaciones. Se usa multiplexación por división en el tiempo. No hay colisiones. Si la estación sucesora no emite, se intenta averiguar quién es el siguiente.

Formato de la trama

• 1 byte – Preámbulo (sincronización).
• 1 byte – Delimitador inicio.
• 1 byte – Control (datos o control).
• 2 o 6 bytes – Dirección destino.
• 2 o 6 bytes – Dirección origen.
• 0-8182 bytes – Datos (prioridad y ACK).
• 4 bytes – Checksum.
• 1 byte – Comprobador.

802.5 TOKEN RING

Estándar para redes LAN en anillo con paso de testigo. Velocidades de 4 o 16 Mb/s (cobre) y 100 Mb/s (fibra óptica). Apareció en 1984 por IBM y fue estandarizado por ANSI/IEEE. Similar a la red TOKEN de IBM, usa una estrella con estaciones unidas a un MSAU (Unidad de Acceso Multiestación).

Elementos que soporta 802.5 IEEE

• Token: Trama que circula en un sentido. La estación que desea transmitir toma el token por un tiempo limitado (10 minutos). Longitud de 3 bytes (delimitador de inicio, control de acceso, delimitador de fin).
• Frames de comando y de datos: Tamaño variable según el campo de información. Los frames de datos tienen información para protocolos mayores y los de comandos tienen información de control.

Características

• Topología lógica en anillo, física en estrella (MSAU).
• Cable especial apantallado o par trenzado.
• Longitud total de la red no mayor a 366 metros.
• Distancia entre ordenador y MAU no mayor a 100 metros.
• Máximo 8 ordenadores por MAU.
• Velocidad máxima de 4-16 Mb/s (HSTR hasta 110 Mb/s).
• Acceso controlado por token.
• No hay colisiones.
• Ideal para aplicaciones con demoras predecibles.

Funcionamiento del protocolo

Sistema de prioridad

Las estaciones con mayor prioridad pueden reservar el token. El token generado incluye la mayor prioridad de la estación que realiza la reserva.

Mecanismos de control

• Selección de una estación como monitor activo (fuente de información y temporización).
• Eliminación de tramas cuando el transmisor falla.
• Detección y compensación de fallos en la red (beaconing).
• Reconfiguración automática de la red en áreas con errores.

Ventajas

• No requiere enrutamiento.
• Poca cantidad de cable.
• Fácil extensión (nodo como repetidor).

Desventajas

• Susceptible a fallos (fallo de nodo deshabilita la red).
• Software de nodo más complejo que en Token Bus.

El tamaño de la trama varía según el campo de información. Las tramas de datos acotan información para protocolos superiores y las de comandos contienen información de control. La trama de datos e instrucciones presentan:

• Control de acceso (inicio de trama).
• Control de trama (tipo de trama).
• Datos (limitados por el token).
• FCS (secuencia de codificación de trama).
• Delimitador de fin (reparación de errores).

Ethernet

Protocolo para comunicación entre ordenadores en un entorno local. Creado por DEC, Intel y XEROX (DIX 1.0, 1972). Usa ondas cuadradas para representar 1 y 0. En 1982 se modificó a DIX 2.0 (Ethernet II). Incorpora CSMA/CD. Uso de cable coaxial (THICKNET 10base5 y THINNET 10base2). Velocidad de 10 Mb/s. Uso de cables UTP en topología estrella con HUBS (10base T). Reemplazo de HUBS por SWITCHES (100base-TX) para controlar el flujo de datos.

Ventajas de los switch

• Reducción de dispositivos que reciben tramas.
• Minimización de colisiones.
• Control de flujo de datos (aislamiento de puertos).
• Operación en capa 3.
• Full-Duplex (envío y recepción simultánea).

A partir de 100base-TX (full duplex), surge Ethernet de 1 Gb/s con fibra óptica (1998). 1000base-SX (fibra monomodo y multimodo) y 1000base-LX (fibra monomodo). Gigabit Ethernet (1999) sobre par trenzado (1000base T). Ethernet sobre fibra óptica de 10 Gigabit XX (2002). 10 Gigabits/s sobre UTP CAT-6a (2006). Tendencia a estándares de 40 a 160 gigabits/s.

Ventajas del protocolo Ethernet

• Popular, equilibrio entre velocidad, coste y facilidad de instalación.
• Soporte de protocolos de red.
• Fiabilidad.
• Bajo coste de instalación y actualización.
• Extensión a redes MAN y WAN.

Desventajas

• Cableado cat 5 no compatible con 10 Gb/s.
• Longitud máxima insuficiente con cat 6.
• Necesidad de segundo cable LAN.
• Doble número de switches.
• Configuración de agregación de tráfico.

Características

Red de comunicación de acceso múltiple y broadcast con detección de errores. Medio de transmisión pasivo. Conexión en bus con terminadores en ambos extremos. Uso de múltiples protocolos para entornos heterogéneos. Estándar para conectar ordenadores e intercambiar información. Define cableado, señalización y formatos de trama. Base para el estándar 802.3. Evolución para mayor capacidad, seguridad y fiabilidad. Compatible con CSMA/CD 802.4 y 802.5.

Objetivos

• Permitir el uso del mismo medio.
• Simplicidad.
• Bajo coste.
• Compatibilidad.
• Direccionamiento flexible.
• Equidad.
• Progreso.
• Alta velocidad (mínimo 10 Mb/s).
• Bajo retardo.
• Estabilidad.
• Mantenimiento.
• Arquitectura en capas.

Componentes de Ethernet

• Medio físico (cables, hardware, conectores).
• Señalización (transceivers).
• Protocolo de acceso al medio (tarjeta de red).
• Paquete o frame Ethernet.

Formato de trama Ethernet

• Preámbulo: 7 bytes (sincronización).
• SFD (Delimitador de inicio de trama): 1 byte (inicio de trama).
• DA (Dirección de destino): 6 bytes (dirección MAC de destino).
• SA (Dirección de origen): 6 bytes (dirección MAC de origen).
• Tipo: 2 bytes (protocolo de red o longitud del campo de red).
• Datos: Cabeceras de niveles de transporte (H4 y H3).
• Campo de relleno: 0-46 bytes (para tramas menores de 64 bytes).
• FCS (Secuencia de verificación de tramas): 4 bytes (control de redundancia cíclica).

Dominios de colisión y broadcast

Dominio de colisión

Segmento de red donde pueden ocurrir colisiones. Los conmutadores evitan colisiones entre equipos. Los valores no reenvían tramas de enlace cuando los dominios de colisión se separan.

Dominio de broadcast

Área lógica donde cualquier dispositivo puede transmitir a otro sin necesidad de encaminador. Broadcast es el método más eficiente para transmitir ondas. En internet, existen multitasking, unicasting y anycast.