4.2 Trama de Ethernet
4.2.1. ENCAPSULACIÓN DEL PAQUETE
Tanto el encabezado como el tráiler de Ethernet tienen varias secciones de información que el protocolo Ethernet utiliza. Cada sección de la trama se denomina campo. Hay dos estilos de tramas de Ethernet: el IEEE 802.3 (original) y el IEEE 802.3 revisado (Ethernet).
Tamaño de la trama de Ethernet
El estándar Ethernet original definió el tamaño mínimo de trama en 64 bytes y el tamaño máximo de trama en 1518 bytes. Esto incluye todos los bytes del campo Dirección MAC de destino a través del campo Secuencia de verificación de trama (FCS). Los campos Preámbulo y Delimitador de inicio de trama no se incluyen en la descripción del tamaño de una trama. El estándar IEEE 802.3ac, publicado en 1998, amplió el tamaño de trama máximo permitido a 1522 bytes. Se aumentó el tamaño de la trama para que se adapte a una tecnología denominada Red de área local virtual (VLAN). Las VLAN se crean dentro de una red conmutada.
Los campos Preámbulo (7 bytes) y Delimitador de inicio de trama (SFD) (1 byte) se utilizan para la sincronización entre los dispositivos de envío y de recepción. Estos ocho primeros bytes de la trama se utilizan para captar la atención de los nodos receptores. Básicamente, los primeros bytes le indican al receptor que se prepare para recibir una trama nueva.
Campo Dirección MAC de destino
El campo Dirección MAC de destino (6 bytes) es el identificador del receptor deseado. Como recordará, la Capa 2 utiliza esta dirección para ayudar a los dispositivos a determinar si la trama viene dirigida a ellos. La dirección de la trama se compara con la dirección MAC del dispositivo. Si coinciden, el dispositivo acepta la trama.
El campo Dirección MAC de origen (6 bytes) identifica la NIC o interfaz que origina la trama. Los switches también utilizan esta dirección para ampliar sus tablas de búsqueda.
Campo Longitud/Tipo
El campo Longitud/Tipo (2 bytes) define la longitud exacta del campo Datos de la trama. Esto se utiliza posteriormente como parte de la FCS para garantizar que el mensaje se reciba adecuadamente. En este campo debe ingresarse una longitud o un tipo. Sin embargo, sólo uno u otro podrá utilizarse en una determinada implementación. Si el objetivo del campo es designar un tipo, el campo Tipo describe qué protocolo se implementa.
El campo denominado Longitud/Tipo sólo aparecía como Longitud en las versiones anteriores del IEEE y sólo como Tipo en la versión DIX. Estos dos usos del campo se combinaron oficialmente en una versión posterior del IEEE, ya que ambos usos eran comunes. El campo Tipo de la Ethernet II se incorporó a la actual definición de trama del 802.3. La Ethernet II es el formato de trama de Ethernet que se utiliza en redes TCP/IP. Cuando un nodo recibe una trama, debe analizar el campo Longitud/Tipo para determinar qué protocolo de capa superior está presente.
Campos Datos y Relleno
Los campos Datos y Relleno (de 46 a 1500 bytes) contienen los datos encapsulados de una capa superior, que es una PDU de Capa 3 genérica o, con mayor frecuencia, un paquete IPv4. Todas las tramas deben tener al menos 64 bytes de longitud. Si se encapsula un paquete pequeño, el Pad se utiliza para aumentar el tamaño de la trama hasta alcanzar este tamaño mínimo.
Campo Secuencia de verificación de trama
El campo Secuencia de verificación de trama (FCS) (4 bytes) se utiliza para detectar errores en la trama. Utiliza una comprobación cíclica de redundancia (CRC). El dispositivo emisor incluye los resultados de una CRC en el campo FCS de la trama.
El dispositivo receptor recibe la trama y genera una CRC
para detectar errores. Si los cálculos coinciden, significa que no se produjo
ningún error. Los cálculos que no coinciden indican que los datos cambiaron y,
por consiguiente, se descarta la trama. Un cambio en los datos podría ser
resultado de una interrupción de las señales eléctricas que representan los
bits.
4.2.2. LA DIRECCIÓN MAC DE ETHERNET
Inicialmente, la Ethernet se implementaba como parte de una topología de bus. Cada uno de los dispositivos de red se conectaba al mismo medio compartido. En redes con poco tráfico o pequeñas, ésta era una implementación aceptable. El problema más importante que debía resolverse era cómo identificar cada uno de los dispositivos.
Para determinar cada uno de los dispositivos si era el
receptor del mensaje se creó un identificador único, denominado dirección de
Control de acceso al medio (MAC), para ayudar a determinar las direcciones de
origen y destino dentro de una red Ethernet. Independientemente de qué variedad
de Ethernet se estaba utilizando, la convención de denominación brindó un
método para identificar dispositivos en un nivel inferior del modelo OSI.
Como recordará, la dirección MAC se agrega como parte de una
PDU de Capa 2. Una dirección MAC de Ethernet es un valor binario de 48 bits
expresado como 12 dígitos hexadecimales.
Estructura de la dirección MAC
El valor de la dirección MAC es el resultado directo de las normas implementadas por el IEEE para proveedores con el objetivo de garantizar direcciones únicas para cada dispositivo Ethernet. Las normas establecidas por el IEEE obligan a los proveedores de dispositivos Ethernet a registrarse en el IEEE. El IEEE le asigna a cada proveedor un código de 3 bytes, denominado Identificador único organizacional (OUI).
El IEEE obliga a los proveedores a respetar dos normas
simples:
Todas las direcciones MAC asignadas a una NIC u otro
dispositivo Ethernet deben utilizar el OUI que se le asignó a dicho proveedor
como los 3 primeros bytes.
Se les debe asignar un valor exclusivo a todas las
direcciones MAC con el mismo OUI (Identificador exclusivo de organización) (código
del fabricante o número de serie) en los últimos 3 bytes.
La dirección MAC se suele denominar dirección grabada (BIA)
porque se encuentra grabada en la ROM (Memoria de sólo lectura) de la NIC. Esto
significa que la dirección se codifica en el chip de la ROM de manera
permanente (el software no puede cambiarla).
Cuando el dispositivo de origen reenvía el mensaje a una red Ethernet, se adjunta la información del encabezado dentro de la dirección MAC. El dispositivo de origen envía los datos a través de la red. Cada NIC de la red visualiza la información para determinar si la dirección MAC coincide con su dirección física. Si no hay coincidencia, el dispositivo descarta la trama. Cuando la trama llega al destino donde la MAC de la NIC coincide con la MAC de destino de la trama, la NIC pasa la trama hasta las capas OSI (Interconexión de sistema abierto), donde se lleva a cabo el proceso de des encapsulación.
Todos los dispositivos conectados a una LAN Ethernet tienen interfaces con direcciones MAC. Diferentes fabricantes de hardware y software pueden representar las direcciones MAC en distintos formatos hexadecimales. Los formatos de las direcciones pueden ser similares a 00-05-9A-3C-78-00, 00:05:9A:3C:78:00 ó 0005.9A3C.7800. Las direcciones MAC se asignan a estaciones de trabajo, servidores, impresoras, switches y routers (cualquier dispositivo que pueda originar o recibir datos en la red).
4.2.3. NUMERACIÓN HEXADECIMAL Y DIRECCIONAMIENTO
El sistema de numeración de base 16 utiliza los números del
0 al 9 y las letras de la A a la F. La figura muestra los valores decimales,
binarios y hexadecimales equivalentes para los binarios 0000 hasta 1111. Nos
resulta más conveniente expresar un valor como un único dígito hexadecimal que
como cuatro bits.
El valor hexadecimal se representa generalmente en texto mediante el valor precedido por 0x (por ejemplo, 0x73) o un 16 en subíndice. Con menor frecuencia, puede estar seguido de una H, como por ejemplo, 73H. Sin embargo, y debido a que el texto en subíndice no es reconocido en entornos de línea de comando o de programación, la representación técnica de un valor hexadecimal es precedida de "0x" (cero X). Por lo tanto, los ejemplos anteriores deberían mostrarse como 0x0A y 0x73, respectivamente.
Conversiones hexadecimales
Las conversiones numéricas entre valores decimales y hexadecimales
son simples, pero no siempre es conveniente dividir o multiplicar por 16. Si es
necesario realizar dichas conversiones, generalmente es más fácil convertir el
valor decimal o hexadecimal a un valor binario y después convertir dicho valor
binario a un valor decimal o hexadecimal, según corresponda.
Una herramienta útil para analizar la dirección MAC de
nuestra computadora es ipconfig /all o ifconfig. En el gráfico, observe la
dirección MAC de esta computadora. Si el usuario tiene acceso, es posible que
desee intentar esto en su equipo.
Quizás quiera buscar el OUI de la dirección MAC para
determinar quién es el fabricante de su NIC.
El direccionamiento físico de la capa de Enlace de datos (Capa 2) de OSI, implementado como dirección MAC de Ethernet, se utiliza para transportar la trama a través de los medios locales. Si bien brindan una dirección host única, las direcciones físicas no son jerárquicas. Estas direcciones se asocian a un dispositivo en particular, independientemente de su ubicación o de la red a la que esté conectado.
Estas direcciones de Capa 2 no tienen ningún significado
fuera de los medios de la red local. Es posible que un paquete deba atravesar una
serie de tecnologías de conexión de datos diferentes en redes locales y de área
amplia antes de llegar a su destino. Por lo tanto, un dispositivo de origen no
tiene conocimiento de la tecnología utilizada en redes intermedias y de destino
o de sus direcciones de Capa 2 y estructuras de trama.
Las direcciones de capa de Red (Capa 3), como por ejemplo, las direcciones IPv4, brindan el direccionamiento general y local que se comprende tanto en el origen como en el destino. Para llegar a su último destino, un paquete transporta la dirección de destino de Capa 3 desde su origen. Sin embargo, debido a que diferentes protocolos de la capa de Enlace de datos la traman durante el trayecto, la dirección de Capa 2 que recibe cada vez se aplica sólo a esa porción local del trayecto y sus medios.
4.2.5. CONTROL DE ACCESO AL MEDIO
En un entorno de medios compartidos, todos los dispositivos tienen acceso garantizado al medio, pero no tienen ninguna prioridad en dicho medio. Si más de un dispositivo realiza una transmisión simultáneamente, las señales físicas colisionan y la red debe recuperarse para que pueda continuar la comunicación.
Debido a que todas las computadoras que utilizan Ethernet envían sus mensajes en el mismo medio, se utiliza un esquema de coordinación distribuida (CSMA) para detectar la actividad eléctrica en el cable. Entonces, un dispositivo puede determinar cuándo puede transmitir. Cuando un dispositivo detecta que ninguna otra computadora está enviando una trama o una señal portadora, el dispositivo transmitirá en caso de que tenga algo para enviar.
4.2.5.1. CSMA/CD: EL PROCESO
Detección de portadora
En el método de acceso CSMA/CD, todos los dispositivos de red que tienen mensajes para enviar deben escuchar antes de transmitir.
Cuando no se detecte tráfico, un dispositivo transmitirá su
mensaje. Mientras se lleva a cabo la transmisión, el dispositivo continúa
escuchando para detectar tráfico o colisiones en la LAN. Una vez que se envía
el mensaje, el dispositivo regresa a su modo de escucha predeterminado.
Si la distancia existente entre los dispositivos es tal que la latencia de las señales de un dispositivo denota que un segundo dispositivo no detecta las señales, el segundo dispositivo puede comenzar también a transmitir. Los medios tienen entonces dos dispositivos que transmiten sus señales al mismo tiempo. Sus mensajes se propagarán por todos los medios hasta que se encuentren. En ese punto, las señales se mezclan y el mensaje se destruye.
Detección de colisiones
Cuando un dispositivo está en modo de escucha, puede detectar una colisión en el medio compartido. La detección de una colisión es posible porque todos los dispositivos pueden detectar un aumento de la amplitud de la señal por encima del nivel normal.
Una vez que se produce una colisión, los demás dispositivos
que se encuentren en modo de escucha (como así también todos los dispositivos
transmisores) detectarán el aumento de la amplitud de la señal.
Señal de congestión y postergación aleatoria
Cuando los dispositivos de transmisión detectan la colisión, envían una señal de congestión. Esta señal interferente se utiliza para notificar a los demás dispositivos sobre una colisión, de manera que éstos invocarán un algoritmo de postergación. Este algoritmo de postergación hace que todos los dispositivos dejen de transmitir durante un período aleatorio, lo que permite que las señales de colisión disminuyan.
Una vez que finaliza el retraso asignado a un dispositivo,
dicho dispositivo regresa al modo "escuchar antes de transmitir". El
período de postergación aleatoria garantiza que los dispositivos involucrados
en la colisión no intenten enviar su tráfico nuevamente al mismo tiempo, lo que
provocaría que se repita todo el proceso.
Hubs y dominios de colisiones
Dado que las colisiones se producirán ocasionalmente en cualquier topología de medios compartidos (incluso cuando se emplea CSMA/CD), debemos prestar atención a las condiciones que pueden originar un aumento de las colisiones. Debido al rápido crecimiento de la Internet:
Se conectan más dispositivos a la red.
Los dispositivos acceden a los medios de la red con una
mayor frecuencia.
Aumentan las distancias entre los dispositivos.
Recuerde que los hubs fueron creados como dispositivos de
red intermediarios que permiten a una mayor cantidad de nodos conectarse a los
medios compartidos. Los hubs, que también se conocen como repetidores
multipuerto, retransmiten las señales de datos recibidas a todos los dispositivos
conectados, excepto a aquél desde el cual se reciben las señales. Los hubs no
desempeñan funciones de red tales como dirigir los datos según las direcciones.
Las implementaciones más rápidas de la capa física de Ethernet introducen complejidades en la administración de colisiones.
Latencia
Tal como se analizó anteriormente, cada dispositivo que desee transmitir debe "escuchar" primero el medio para verificar la presencia de tráfico. Si no hay tráfico, la estación comenzará a transmitir de inmediato. La señal eléctrica que se transmite requiere una cantidad determinada de tiempo (latencia) para propagarse (viajar) a través del cable. Cada hub o repetidor en la ruta de la señal agrega latencia a medida que envía los bits desde un puerto al siguiente.
Este retardo acumulado aumenta la probabilidad de que se
produzcan colisiones, porque un nodo de escucha puede transformarse en señales
de transmisión mientras el hub o repetidor procesa el mensaje. Debido a que la
señal no había alcanzado este nodo mientras estaba escuchando, dicho nodo pensó
que el medio estaba disponible. Esta condición produce generalmente colisiones.
4.2.5.3. ESPACIO ENTRE TRAMAS Y POSTERGACIÓN
Los estándares de Ethernet requieren un espacio mínimo entre dos tramas que no hayan sufrido una colisión. Esto le otorga al medio tiempo para estabilizarse antes de la transmisión de la trama anterior y tiempo a los dispositivos para que procesen la trama. Este tiempo, llamado espacio entre tramas, se mide desde el último bit del campo FCS de una trama hasta el primer bit del Preámbulo de la próxima trama.
Una vez enviada la trama, todos los dispositivos de una red Ethernet de 10 Mbps deben esperar un mínimo de 96 tiempos de bit (9,6 microsegundos) antes de que cualquier dispositivo pueda transmitir la siguiente trama. En versiones de Ethernet más veloces, el espacio sigue siendo el mismo, 96 tiempos de bit, pero el tiempo del espacio entre tramas se vuelve proporcionalmente más corto.
Comentarios
Publicar un comentario