Ethernet: Tecnología LAN y Estándares

Ethernet es una tecnología LAN que incluye el nivel de enlace y el nivel físico.

Estándares IEEE Ethernet

Los estándares Ethernet definen protocolos de nivel 2 y tecnologías de nivel 1. El IEEE contempla dos subniveles del nivel de enlace:

  • 802.2: LLC (Logical Link Control)
  • 802.3: MAC (Media Access Control)

Ethernet II vs. IEEE 802.3

Estándares de Redes Cableadas

  • Ethernet II: Encapsula IP directamente en tramas Ethernet.
  • IEEE 802.3: Utiliza LLC como subnivel superior del nivel de enlace. Requiere de SNAP para encapsular IP en tramas Ethernet. (Esta encapsulación es utilizada en Wi-Fi).

Protocolo SNAP (Subnetwork Access Protocol)

SNAP es un protocolo estandarizado en la norma IEEE 802 que permite encapsular diferentes protocolos utilizando un SAP (Service Access Point) público. El SAP tiene puertos de nivel 2 y 3.

Formato de Trama Ethernet

  • Longitud o Tipo:
    • Longitud para IEEE 802.3 (transporta una PDU 802.2).
    • Tipo para Ethernet II.
  • LLC y/o Datos: Contiene datos de nivel superior (LLC si es 802.3; Datos/IP si es Ethernet II).
  • Relleno (Padding): Se utiliza para alcanzar la longitud mínima de trama (64 bytes sin preámbulo y 172 bytes con preámbulo).

Codificación de Línea

4B/5B

Codificación de línea que mapea grupos de 4 bits en grupos de 5 bits para asegurar más transiciones, proporcionando información de reloj y manteniendo el sincronismo entre transmisor y receptor. Aumenta el régimen binario (se transmite 1 bit/baudio). Permite usar frecuencias menores que con la codificación Manchester.

MLT-3 (Multi-Level Transmit)

Transición en cada bit binario ‘1’. Utiliza 3 valores de tensión.

Subniveles LLC y MAC

Funciones principales:

  • Encapsulación de paquetes de nivel superior.
  • Control de flujo y errores.
  • Gestión del acceso al medio.

LLC (Logical Link Control) – IEEE 802.2

Controla la comunicación con los niveles superiores de la arquitectura. Recibe los datos del nivel de red (nivel 3) y añade la cabecera necesaria para entregar el paquete a su destino. Identifica el protocolo de nivel superior mediante SAP.

Clase de Servicio LLC

  • LLC Clase 1: Ofrece un servicio no orientado a conexión, sin confirmación, e independiente del medio físico.

Identificadores SAP

DSAP y SSAP identifican los protocolos de nivel superior:

  • DSAP (Destination SAP): SAP al que va dirigido el campo de datos.
  • SSAP (Source SAP): SAP que generó el campo de datos.

Nota: Aunque se definió un identificador para IP (=0x6), no se definió para ARP. Por ello, no puede utilizarse directamente para encapsular IP, requiriendo el uso de SNAP. El campo de información contiene los datos de nivel superior.

MAC (Media Access Control) – IEEE 802.3, 802.4, 802.5

Subnivel inferior del nivel de enlace de datos. Sus dos funciones principales son:

  • Encapsulación de datos.
  • Control de acceso al medio.

Cabecera SNAP

Proporciona soporte a protocolos propietarios.

  • Utiliza un identificador de protocolos de 5 bytes.
  • Incluye el Código de Organización (3 bytes).
  • Utiliza el Código Único de Organización (OUI) para protocolos propietarios.
  • El valor 0x0 se utiliza para indicar la encapsulación IP en Ethernet (utilizado en encapsulación IP sobre 802.2).

Encapsulación y Transmisión Ethernet

Si se transmite una trama de tamaño menor que el mínimo (64 B) o mayor que el máximo (1518 B), el dispositivo receptor la descarta.

Tramas Ethernet de Mayor Tamaño

  • Jumbo: Transporta 9000 B de datos. Aumenta la eficiencia en Gigabit Ethernet.
  • Baby Jumbo: Utilizadas en VLAN. Contienen 4 B con información de la red de área local virtual.

Nota: IP y ARP se encapsulan sobre LLC utilizando SNAP.

Funciones del Subnivel MAC

El subnivel MAC crea la trama antes de enviarla y la desmonta al recibirla. Añade una cabecera y un tráiler a la unidad de datos recibida del nivel de red.

Funciones Principales

  • Delimitación de Trama: Identifica el grupo de bits que conforman la trama y asegura la sincronización entre nodos emisores y receptores.
  • Direccionamiento: La cabecera Ethernet contiene la dirección física (MAC) de destino (para el envío) y la dirección MAC de origen.
  • Detección de Errores: Cada trama Ethernet contiene un tráiler con código CRC (Cyclic Redundancy Check) para detectar errores de transmisión.

Control de Acceso al Medio (MAC)

Responsable de colocar las tramas en el medio y de retirarlas al llegar a destino. Se comunica directamente con el nivel físico.

En medios de transmisión compartidos, si múltiples dispositivos intentan acceder al medio simultáneamente, se produce una colisión. Por ello, emplea el mecanismo CSMA (Carrier Sense Multiple Access).

Direcciones MAC Ethernet

Una dirección MAC Ethernet de nivel 2 es un valor binario de 48 bits, representado como 12 dígitos hexadecimales.

Clasificación de Direcciones MAC

  • Bit b1 del Byte más significativo:
    • b1=0: Dirección Unicast.
    • b1=1: Dirección Multicast.
  • Bit b2 del Byte más significativo:
    • b2=0: Dirección Única (Administrada globalmente).
    • b2=1: Dirección Local (Administrada localmente).

Mapeo Multicast

Existe un mapeo de direcciones IP multicast a direcciones Ethernet multicast. Es posible que una trama con un paquete IP multicast se entregue a un terminal al que no va destinado; en ese caso, el nivel IP lo descarta.

Procesado de Tramas

Estaciones de trabajo, servidores, impresoras en red, switches (que tienen MACs pero no IPs) y routers tienen direcciones MAC asignadas.

Una trama enviada a través de una red Ethernet contiene, en la cabecera, la dirección MAC de origen y destino.

Verificación de la NIC

  • Cada NIC (Network Interface Card) comprueba si la dirección MAC de destino se corresponde con la dirección física del dispositivo (almacenada en RAM).
  • Si no coincide, la trama se descarta.
  • Si coincide, la NIC pasa la trama al nivel superior.

Dispositivos de Interconexión LAN

Estos dispositivos permiten crear redes de área local y separan diferentes dominios de colisión y difusión.

Puentes (Bridges)

Permiten segmentar una LAN, creando varios dominios de colisión. Extienden el rango de una LAN de forma transparente. Las LAN no tienen por qué ser del mismo tipo.

  • Almacenan temporalmente las tramas.
  • Retransmiten basándose en la dirección MAC de destino.
  • No disponen de funcionalidad de control de flujo.

Switches

Separan dominios de colisión, eliminando las colisiones (funcionamiento dúplex). Generalmente no requieren configuración manual:

  • Aprende las direcciones MAC de cada estación conectada a cada puerto.
  • Construye tablas de conmutación basándose en dichas MAC.
  • Si no conoce una dirección MAC (no está en sus tablas), difunde la trama por todos los puertos, excepto por el puerto de entrada.

Conmutación Cut-Through

La conmutación Cut-through no se puede utilizar hacia puertos más rápidos que el de recepción, salvo que la velocidad de salida sea mayor.

Limitaciones del Switch

  • No limitan el dominio de difusión (broadcast).
  • Son susceptibles a los bucles (loops).
  • Necesidad de utilizar mecanismos de poda de bucles, como STP (Spanning Tree Protocol).

El uso de STP aumenta la complejidad y puede resultar en una convergencia lenta.

Switches Multinivel

  • Switch Nivel 2: Conmuta a partir de la dirección MAC.
  • Switch Nivel 3:
    • Conmuta a partir de la dirección MAC dentro de una misma VLAN.
    • Incluye funcionalidad de nivel 3 (encaminamiento, filtrado, multicast, etc.).
    • Encamina utilizando las direcciones IP entre diferentes VLAN.
  • Switch Nivel 4: Filtra tráfico analizando los puertos TCP/UDP.

Trama PAUSE

Es un tipo de trama de control MAC que solamente se puede utilizar en estaciones dúplex.

Cuando un dispositivo estima que se ha superado un umbral de ocupación de búferes, transmite una trama PAUSE al dispositivo par. Esta trama incluye un valor que especifica el tiempo durante el cual el terminal emisor debe cancelar la transmisión de más tramas de datos.

Autonegociación

El proceso de autonegociación lo realiza el nivel físico y tiene lugar al arrancar los dispositivos o durante una reinicialización efectuada por razones de mantenimiento.

Tecnología VLAN (Virtual Local Area Network)

Una VLAN es una partición lógica (implementada en los switches) de una red física de nivel 2. Cada VLAN se corresponde con un dominio de broadcast. Los equipos agrupados dentro de una VLAN no son conscientes de su existencia. Las VLAN aumentan el número de dominios de difusión.

Nota: Se emplea el protocolo ARP para aprender las direcciones MAC.

Pertenencia e Identificación de VLAN

La pertenencia de un equipo a una VLAN se determina por:

  • Por puerto de conexión al Switch: Las direcciones de los terminales de cada VLAN deben pertenecer a subredes distintas.
  • Por etiqueta 802.1Q: Se utiliza en los enlaces troncales (trunk). Implica el uso de tramas baby jumbo, insertando un campo adicional.

Enlaces Troncales (Trunk)

Un enlace troncal es aquel que puede transportar datos de más de una VLAN. Se establece típicamente entre switches, permitiendo que dispositivos de la misma VLAN se comuniquen a nivel 2, incluso si están conectados físicamente a diferentes switches.

  • Un enlace troncal no está asociado a ninguna VLAN concreta.
  • El protocolo de enlaces troncales más popular es IEEE 802.1Q.

Etiquetado (Tagging)

Los switches insertan la etiqueta (añadiendo un campo adicional a la trama Ethernet) y la retiran antes de entregar la trama a la estación de destino.

CSMA (Carrier Sense Multiple Access)

Mecanismo utilizado para detectar si el medio transporta o no una señal.

  • Las estaciones pueden transmitir en cualquier momento.
  • Si no se detecta una señal, el dispositivo transmite sus datos.
  • Si dos dispositivos transmiten a la vez, se produce una colisión de datos.
  • El dispositivo solo escucha el medio cuando intenta transmitir. Si no detecta señal, transmite; si detecta señal, realiza una espera aleatoria.

CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)

Se utilizan dos tipos de IFS (Interframe Space) diferentes:

  • DIFS (DCF IFS): Espera obligada para cada estación con intención de transmitir datos.
  • SIFS (Short IFS): Espera menor, utilizada para enviar confirmaciones. Tienen mayor prioridad y no esperan ventana de contienda.

Detección de Portadora Virtual (NAV)

Cuando una estación transmite una trama de datos, incluye en la cabecera información que permite a todas las estaciones del medio conocer el tiempo que estará ocupado el canal.

Wi-Fi (IEEE 802.11)

Tipos de Redes Inalámbricas

  • Redes Independientes (Ad-hoc): No hay Punto de Acceso (PA). Comunicación directa entre terminales.
  • Redes de Infraestructura: Existe un Punto de Acceso. La comunicación entre dos terminales se realiza a través del PA.
  • Redes Extendidas: Un PA se comunica con otro PA.

Características del Protocolo 802.11

  • Conexión de terminales inalámbricos a la red de acceso.
  • Servicio fiable: El receptor confirma cada trama recibida correctamente mediante una trama de control.
  • Detección de errores por CRC.
  • Utiliza el mecanismo CSMA/CA (Acceso Múltiple por Detección de Portadora con Evasión de Colisiones) con esperas antes de transmitir.

BSS (Basic Service Set) – Modo Ad-hoc

No existe Punto de Acceso (PA). Es una red sin infraestructura, generalmente temporal, denominada ad-hoc.

  • Comunicación directa entre las estaciones.
  • Utiliza la Función de Coordinación Distribuida (DCF).

Identificación Ad-hoc

  • SSID: Cadena de texto que identifica la red.
  • BSSID: Dirección MAC generada de forma aleatoria.

BSS de Infraestructura

Existe un Punto de Acceso (PA) que proporciona acceso a la red fija.

  • Las estaciones se comunican a través del PA (no se comunican directamente entre ellas).
  • Las estaciones deben estar asociadas al PA (mediante tramas de gestión).

Identificación de Infraestructura

  • SSID: Cadena de texto que identifica la red.
  • BSSID: Dirección MAC de la interfaz Wi-Fi del PA.

ESS (Extended Service Set)

Permite comunicar diferentes BSS.

  • Utiliza varios Puntos de Acceso (PA).
  • Los PA están conectados por un Sistema de Distribución (DS), generalmente Ethernet.
  • Los PA actúan como puentes (bridges).
  • Soporta Roaming (Des-asociación y Re-asociación).

Identificación ESS

  • SSID: Identifica toda la red extendida.
  • BSSID: Cada BSS se identifica con la MAC de la interfaz Wi-Fi de su PA.

Trama Beacon

Contiene información útil, como el nombre de la red (SSID) y las capacidades del Punto de Acceso.

Colisiones en Redes Inalámbricas

Las colisiones ocurren cuando:

  • Dos estaciones detectan el medio libre y deciden transmitir a la vez (o casi a la vez).
  • Dos estaciones en espera (que habían detectado el medio ocupado) eligen el mismo número de intervalos aleatorios para transmitir después de la emisión en curso.

En caso de colisión, las estaciones reintentan la transmisión ampliando exponencialmente el rango de intervalos aleatorios y vuelven a elegir.

Diferencia con Ethernet: Las estaciones Wi-Fi no detectan la colisión directamente; deducen que se ha producido cuando no reciben el ACK (acuse de recibo) esperado.

Problema de la Estación Oculta

Ocurre cuando una estación escucha el canal libre, pero otra estación está transmitiendo (a cierta distancia) y sus señales coinciden en el receptor, provocando una colisión en el destino.

Función de Coordinación Distribuida (DCF)

Utiliza CSMA/CA como mecanismo de acceso al medio.

  • Define el espacio entre tramas (IFS).
  • Establece esperas para evitar colisiones con transmisiones ya iniciadas.
  • Utiliza IFS variable para establecer prioridades.

NAV (Network Allocation Vector)

El NAV es un contador de tiempo que debe transcurrir para que el canal quede libre (portadora virtual).

  • Una estación comprueba primero la portadora virtual (NAV) y después detecta la portadora a nivel físico.
  • No intenta transmitir mientras NAV > 0.

Mecanismo de Reserva RTS/CTS

Este mecanismo de reserva de recursos es útil en situaciones de mucha congestión y ayuda a evitar el problema del Terminal Oculto.

Tramas de Control

  • RTS (Request to Send): Solicitud para transmitir.
  • CTS (Clear to Send): Permiso para transmitir y reserva de recursos (NAV) para todas las estaciones que lo reciban.

Umbral RTS-CTS

Se establece un umbral de tamaño de trama a partir del cual se requiere utilizar RTS/CTS, con el objetivo de evitar la retransmisión de tramas de gran tamaño.