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ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA DE SISTEMASESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA DE SISTEMASESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA DE SISTEMASESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA DE SISTEMAS
Redes y Comunicaciones I
Fundamentos de Ethernet: Tecnologías y estándares IEEE.
Sesión 3:
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Objetivos
Ethernet de 10 Mbps y 100 Mbps
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Evolución de Ethernet
• Las modificaciones a Ethernet han resultado en significativos adelantos, desde la tecnología a 10 Mbps usada a principios de principios de los 80.
• El estándar de Ethernet de 10 Mbps no sufrió casi ningún cambio hasta 1995 cuando el IEEE anunció un estándar para Fast Ethernet de 100 Mbps.
• En los últimos años, un crecimiento aún más rápido en la velocidad de los medios ha generado la transición de Fast Ethernet (Ethernet Rápida) a Gigabit Ethernet (Ethernet de 1 Gigabit).
• Los estándares para Gigabit Ethernet sólo tardaron tres años en salir.
• Una versión de Ethernet aún más rápida, Ethernet de 10 Gigabits (10 Gigabit Ethernet) se halla fácilmente en el mercado e inclusive, versiones más rápidas están en desarrollo.
Ethernet de 10 Mbps
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Ethernet de 10 Mbps
• Las Ethernet de 10BASE5, 10BASE2 y
10BASE-T se consideran implementaciones
antiguas de Ethernet.
• Las cuatro características comunes de
Ethernet antigua son los parámetros de
temporización, el formato de trama, el
proceso de transmisión y una regla básica
de diseño.
Ethernet de 10 Mbps
• Las 10BASE5, 10BASE2 y 10BASE-T todas
comparten los mismos parámetros de
temporización.
• Ethernet de 10 Mbps y versiones mas lentas
son asíncronas.
• Cada estación receptora usa ocho octetos
de información de temporización para
sincronizar sus circuitos receptores a la data
que entra (el Preámbulo de la trama.)
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Ethernet de 10 Mbps
• En Ethernet de 10 Mbps el tiempo que toma transmitir un bit es 100 ns (periodo de bit).
• Otro concepto relacionado al periodo de bit es la ranura temporal (time slot).
• La ranura temporal indica cuánto le tomaría a una transmisión llegar desde un extremo de la red hasta el otro extremo ubicado a la máxima distancia legal posible de un dominio de colisión Ethernet, colisionar con otra transmisión en el último instante posible, y regresar al origen como fragmentos de la colisión para su detección.
• La ranura temporal sería 512 * 100ns = 51200 ns o lo que toma transmitir 64 bytes.
Ethernet de 10 Mbps
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Ethernet de 10 Mbps
• A medida que la trama pasa de la subcapa MAC en la capa de Enlace de Datos a la capa Física se llevan a cabo procesos adicionales antes de que los bits se trasladen desde la capa física al medio.
• Un proceso de importancia es la señal de error de calidad (Signal Quality Error, SQE).
• La SQE es una transmisión del transceptor de la NIC de respuesta al controlador para indicarle sobre la funcionabilidad de los circuitos de detección de colisiones.
• El SQE es requerido en comunicación half-duplex pero es opcional en comunicación full-duplex.
Ethernet de 10 Mbps
• Otro proceso necesario es la codificación de la línea
que describe de qué manera los bits se transforman
en señal en el cable.
• La forma de codificación utilizada en los sistemas de
10 Mbps se denomina codificación Manchester.
• En la codificación Manchester hay una transición a la
mitad de cada periodo de bit.
• Una transición de alto a bajo representa un 0 y una
transición de bajo a alto representa un 1.
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Ethernet de 10 Mbps
Una transición de alto a bajo representa un 0 y una transición de bajo a alto representa un 1. Hay dos niveles de voltaje.
Ethernet de 10 Mbps
• Ethernet de 10-Mbps opera dentro de los límites
de temporización ofrecidos por una serie de no
más de cinco segmentos, separados por no más
de cuatro repetidores.
• Esto se conoce como la regla de 5-4-3. No se
pueden conectar más de cuatro repetidores en
serie entre dos estaciones lejanas. Además, no
puede haber más de tres segmentos poblados
entre dos estaciones lejanas.
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10BASE5
• El producto original para Ethernet del año 1980, 10BASE5 transmitía 10 Mbps a través de un solo cable bus coaxial grueso conocido como Thicknet.
• El principal beneficio de 10BASE5 era su longitud máximo (hasta 500 metros).
• Los sistemas 10BASE5 son económicos, pero componentes básicos tales como las NIC son muy difíciles de encontrar hoy en día.
10BASE5
• 10BASE5 se usaba mucho para redes con una topología física de bus lineal. Esto implicaba dos cosas:- El cable (backbone) era un “único punto de
falla”. O sea, si el cable era defectuoso, se caía la red.
- Solamente una estación puede transmitir al mismo tiempo, de lo contrario, se producía una colisión. Por lo tanto, 10BASE5 sólo transmite en half-duplex produciendo un máximo de 10 Mbps de transferencia de datos.
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10BASE5
La arquitectura de redes que usan 10BASE 5 es una topología física de bus lineal y regla 5-4-3.
10BASE2
• La tecnología 10BASE2 se introdujo en
1985.
• Como usaba un cable más delgado que
10BASE5 se conocía como Thinnet.
• Al igual que la tecnología 10BASE5,
10BASE2 no se recomienda para redes
moderna y conseguir NICs es muy difícil.
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10BASE2
• Cada uno de los cinco segmentos máximos de cable coaxial 10BASE2 puede tener hasta 185 metros de longitud y cada estación se conecta directamente al conector BNC con forma de "T" del cable coaxial.
• Como sucede con 10BASE5, 10BASE2 también usa half-duplex y su máxima velocidad de transmisión es de 10 Mbps.
• Puede haber hasta 30 estaciones en cada segmento individual de 10BASE2.
10BASE2
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10BASE-T
• 10BASE-T fue introducido en 1990 y
utilizaba cable de cobre de par trenzado no
blindado (UTP) de Categoría 3 que era más
económico y más fácil de usar que el cable
coaxial.
• La topología física de las redes que
utilizaban 10BASE-T era de estrella o de
estrella extendida en la cual los hosts están
conectados a un punto central (el hub).
10BASE-T
• Al principio, 10BASE-T era un protocolo half-duplex
pero más tarde se agregaron características de full-
duplex para permitir un throughput de 20 Mbps.
• Un cable UTP para 10BASE-T tiene una longitud
máxima de 90 metros y utiliza conectores RJ-45 de
ocho pins.
• Aunque el cable de Categoría 3 es apto para uso en
redes de 10BASE-T, se recomienda que cualquier
nueva instalación de cables se realice con cables de
Categoría 5e o superior.
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10BASE-T
• Como sabemos, En el caso de los cables
UTP, EIA/TIA especifica el uso de un
conector RJ-45 que muestra ocho hilos de
distintos colores.
• Para que la electricidad fluya entre el
conector y el jack, el orden de los hilos debe
seguir el código de colores T568A, o T568B
recomendado en los estándares EIA/TIA-
568.
10BASE-T
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10BASE-T
En la conexión entre un hub y la NIC, se usa un cable UTP cruzado en el cual los pines 1 y 2 en un extremo van a los pines 3 y 6 en el otro extremo.
Cableado de 10BASE-T
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Cableado de 10BASE-T
• Los enlaces de 10BASE-T pueden tener distancias sin repetición de hasta 100 m.
• Los hubs pueden solucionar el problema de la distancia pero permiten que se propaguen las colisiones.
• La introducción difundida de los switches ha hecho que la limitación de la distancia resulte menos importante.
• Siempre que las estaciones de trabajo se encuentren dentro de unos 100 m de distancia del switch, esta distancia de 100 m comienza nuevamente a partir del switch.
Ethernet de 100 Mbps
• Ethernet de 100-Mbps también se conoce
como Fast Ethernet (Ethernet Rápida).
• Las dos tecnologías que han adquirido
relevancia son 100BASE-TX, que es un
medio UTP de cobre y 100BASE-FX, que es
un medio multimodo de fibra óptica.
• El formato de trama de 100-Mbps es el
mismo que el de la trama de 10-Mbps.
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Ethernet de 100 Mbps
Ethernet de 100 Mbps
• Fast Ethernet representa un aumento de 10 veces en la velocidad respecto de 10BASE-T.
• Debido al aumento de velocidad, se debe tener mayor cuidado porque los bits enviados se acortan en duración y se producen con mayor frecuencia.
• Estas señales de frecuencia más alta son más susceptibles al ruido.
• Para responder a estos problemas, Ethernet de 100-Mbps utiliza dos distintos pasos de codificación. La primera parte de la codificación utiliza una técnica denominada 4B/5B, la segunda parte es la codificación real de la línea específica para el cobre o la fibra.
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100BASE-TX
• En 1995, 100BASE-TX con un cable UTP Cat
5 fue el estándar que se convirtió en un
éxito comercial.
• 100BASE-TX usa codificación 4B/5B, que
luego es mezclada y convertida a 3 niveles
de transmisión multinivel o MLT-3.
• En este tipo de codificación, la ausencia de
una transición indica el 0 y la presencia de
una transición indica el 1.
100BASE-TX
La ausencia de una transición indica el 0 y la presencia de una transición indica el 1. Hay tres niveles de voltaje.
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100BASE-TX
Disposición de la salida de los pins para una conexión 100BASE-TX. Esto es igual que en la configuración de 10BASE-T.
100BASE-TX
• 100BASE-TX transporta 100 Mbps de tráfico
en modo half-duplex.
• En modo full-duplex, 100BASE-TX puede
intercambiar 200 Mbps de tráfico.
• Las redes full-duplex normalmente utilizan
switches en vez de hub.
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100BASE-FX
• 100BASE-FX es la versión en fibra óptica de 100BASE-
TX.
• Una versión en fibra podría ser utilizada para
aplicaciones con backbones, conexiones entre
distintos pisos y edificios donde el cobre es menos
aconsejable y también en entornos de gran ruido.
• Sin embargo, nunca se adoptó con éxito la 100BASE-
FX debido a la introducción de los estándares de fibra
y de cobre para Gigabit Ethernet.
100BASE-FX
• 100BASE-FX utiliza la codificación NRZI (Nonreturn-to-Zero, Invert on ones) donde una transición indica un 1 y la ausencia de transición indica un 0.
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100BASE-FX
• 100BASE-FX tiene un pin para transmisión y
un pin para recepción.
• La transmisión a 200 Mbps es posible
debido a las rutas individuales de
Transmisión (Tx) y Recepción (Rx) de fibra
óptica de 100BASE-FX.
Arquitectura de Fast Ethernet
• Los enlaces de Fast Ethernet generalmente consisten
en una conexión entre la estación y el hub o switch.
• Los hubs se consideran repetidores multipuerto y los
switches, puentes multipuerto.
• Estos están sujetos a la limitación de 100 m de
distancia de los medios UTP o 482 m de fibra.
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Gigabit Ethernet y 10-Gigabit Ethernet
Ethernet de 1000 Mbps
• Los estándares para Ethernet de 1000-Mbps o Gigabit
Ethernet representan la transmisión a través de
medios ópticos y de cobre.
• El estándar para 1000BASE-X, IEEE 802.3z, especifica
una conexión full duplex de 1 Gbps en fibra óptica.
• El estándar para 1000BASE-T, IEEE 802.3ab,
especifica el uso de cable de cobre de par trenzado de
Categoría 5, o mejor.
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Ethernet de 1000 Mbps
Ethernet de 1000 MbpsLas 1000BASE-TX, 1000BASE-SX y 1000BASE-LX utilizan los mismos parámetros de temporización.
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Ethernet de 1000 Mbps
• Las diferencias entre Ethernet estándar,
Fast Ethernet y Gigabit Ethernet se
encuentran en la capa física.
• Debido a las mayores velocidades de estos
estándares recientes, la menor duración de
los tiempos de bit requiere una
consideración especial de dos aspectos: la
temporización y la susceptibilidad al ruido
en los medios de cobre.
1000BASE-T
• La tecnología 1000BASE-T usa cable UTP de
Categoría 5 o superior.
• Uno de los atributos más importantes del
estándar para 1000BASE-T es que es
interoperable con 10BASE-T y 100BASE-TX.
• Como el cable Cat 5e puede transportar, de
forma confiable, hasta 125 Mbps de tráfico,
obtener 1000 Mbps (Gigabit) de ancho de
banda fue un desafío de diseño.
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1000BASE-T
• El primer paso para lograr una 1000BASE-T es utilizar los cuatro pares de hilos en lugar de los dos pares tradicionales utilizados para 10BASE-T y 100BASE-TX.
• Esto se logra mediante un sistema de circuitos complejo que permite las transmisiones full duplex en el mismo par de hilos. Esto proporciona 250 Mbps por par.
• Con los cuatro pares de hilos, proporciona los 1000 Mbps esperados.
1000BASE-T
• El próximo paso es usar un esquema de
codificación complicado llamado 4D-PAM5.
• Esta codificación tiene nueve (9) niveles de
voltaje en periodos de inactividad y 17
niveles en periodos de transmisión.
• Con este gran número de estados y con los
efectos del ruido, la señal en el cable parece
más analógica que digital.
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1000BASE-T
Esquema de codificación 4D-PAM5. Los datos que provienen de la estación transmisora se dividen cuidadosamente en cuatro corrientes paralelas; luego se codifican, se transmiten y se detectan en paralelo y finalmente se reensemblan en una sola corriente de bits recibida.
1000BASE-SX y LX
• El estándar IEEE 802.3 recomienda Gigabit Ethernet en fibra como la tecnología de backbone de preferencia.
• 1000BASE-X utiliza una codificación 8B/10B convertida en la codificación de línea sin retorno a cero (NRZ).
• En la codificación NRZ para fibra, la luz se pulsa utilizando alta y baja energía.
• La baja energía representa un cero lógico y la alta energía, un uno lógico.
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1000BASE-SX y LX• Las señales NRZ son pulsadas hacia la fibra utilizando
fuentes de luz de onda corta o de onda larga.
• La onda corta utiliza un láser de 850 nm o una fuente LED en fibra óptica multimodo (1000BASE-SX). Es la más económica de las opciones pero cubre distancias más cortas.
• La fuente láser de 1310 nm de onda larga utiliza fibra óptica monomodo o multimodo (1000BASE-LX). Las fuentes de láser utilizadas con fibra monomodo pueden cubrir distancias de hasta 5000 metros.
1000BASE-SX y LX
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1000BASE-SX y LX
Distancias máximas para 1000BASE-LX
Distancias máximas para 1000BASE-SX
Comparación de Medios de Gigabit
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10-Gigabit Ethernet
• Se adaptó el IEEE 802.3ae en juni de 2002 para incluir la transmisión en full-duplex de 10 Gbps en cable de fibra óptica.
• Esta Ethernet de 10-Gigabit (10GbE) está evolucionando no sólo para las LAN sino también para las MAN y las WAN.
• Los estándares de la capa física de 10GbE permiten tanto una extensión de las distancias de hasta 40 km a través de una fibra monomodo como una compatibilidad con tecnologías de MAN y WAN, tales como la red óptica síncrona (SONET) y las redes síncronas de jerarquía digital (SDH).
10-Gigabit Ethernet
Parámetros para la operación de 10-Gigabit Ethernet:
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10-Gigabit Ethernet
• Algunas tecnologías disponibles para 10GbE son:– -10GBASE-SR: Para cubrir distancias cortas en fibra
multimodo ya instalada, admite un rango de 26 m a 82 m. – -10GBASE-LX4: Utiliza la multiplexación por división de
longitud de onda (WDM), admite a un rango de 240 m a 300 m en fibra multimodo ya instalada y de 10 km en fibra monomodo.
– -10GBASE-LR y 10GBASE-ER: Admite entre 10 km y 40 km en fibra monomodo.
– -10GBASE-SW, 10GBASE-LW y 10GBASE-EW: Conocidas colectivamente como 10GBASE-W, su objetivo es trabajar con equipos WAN SONET/SDH para módulos de transporte síncrono (STM) OC-192 (9.584640 Gbps).
10-Gigabit Ethernet
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10-Gigabit Ethernet
• 10GbE utiliza multiplexión para dividir lo que
normalmente sería un pulso de datos en
varios y lanzarlos a la fibra a la vez.
• Para lograr esto, 10GbE utiliza el mecanismo
WWDM (Wide Wavelength Division
Multiplexing o Amplia Multiplexión por
División de Longitud de Onda).
El Futuro de Ethernet
• Ethernet ha evolucionado desde las primeras tecnologías, a las tecnologías Fast, a las de Gigabit y a las de MultiGigabit.
• Aunque otras tecnologías LAN todavía están instaladas (instalaciones antiguas), Ethernet domina las instalaciones de LAN.
• Las versiones de Ethernet actualmente en desarrollo están borrando la diferencia entre las redes LAN, MAN y WAN.
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El Futuro de Ethernet
• IEEE y la Alianza de Ethernet de 10 Gigabits se encuentran trabajando en estándares para 40, 100 e inclusive 160 Gbps.
• Las tecnologías de Ethernet de alta velocidad y full-duplex que ahora dominan el mercado están resultando ser suficientes a la hora de admitir aplicaciones intensivas inclusive las de QoS (Quality of Service), por ejemplo, telefonía IP y video.
Resumen
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Physical Layer: Ethernet/802.3
Hub
Hosts
Host
10Base2—Thin Ethernet10Base5—Thick Ethernet
10BaseT—Twisted Pair
Hubs Operate at Physical layerHubs Operate at Physical layer
A B C D
Physical
• All devices in the same collision domain
• All devices in the same broadcast domain
• Devices share the same bandwidth
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Hubs: One Collision Domain
• More end stations means more collisions
• CSMA/CD is used
Data Link layer FunctionsData Link layer Functions
Defines
• Physical source and destination addresses
• Higher layer protocol (Service Access Point)associated with frame
• Network topology
• Frame sequencing
• Flow control
• Connection-oriented or connectionless
Data
Lin
kP
hysic
al
EIA/TIA-232
v.35
802.2
802.3
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• Each segment has its own collision domain
• All segments are in the same broadcast domain
Data Link
Switches and Bridges Operate at Data Link Layer
Switches and Bridges Operate at Data Link Layer
OR1 2 3 1 24
Switches
• Each segment has its own collision domain
• Broadcasts are forwarded to all segments
Memory
Switch