Elementos clave de las redes 802.3/Ethernet

Es importante al comenzar a trabajar en el area de redes conocer algunos conceptos basicos, sobre el funcionamiento de las redes Ethernett, importantes  en el diseño y en la implementación de las redes de conmutación.

CSMA/CD

Las señales de Ethernet se transmiten a todos los hosts que están conectados a la LAN mediante un conjunto de normas especiales que determinan cuál es la estación que puede tener acceso a la red. El conjunto de normas que utiliza Ethernet se basa en la tecnología de acceso múltiple por detección de portadora y detección de colisiones (CSMA/CD), carrier sense multiple access/collision detect) IEEE. Seguramente recordará de CCNA Exploration: Aspectos básicos de networking, que CSMA/CD se utiliza solamente con la comunicación half-duplex que suele encontrarse en los hubs. Los switches full-duplex no utilizan CSMA/CD.

Detección de portadora

En el método de acceso CSMA/CD, todos los dispositivos de red que tienen mensaje para enviar deben escuchar antes de transmitir.

Si un dispositivo detecta una señal de otro dispositivo, espera un período determinado antes de intentar transmitirla.

Cuando no se detecta tráfico alguno, el dispositivo transmite su mensaje. Mientras se produce dicha transmisión, el dispositivo continúa atento al tráfico o a posibles colisiones en la LAN. Una vez enviado el mensaje, el dispositivo vuelve al modo de escucha predeterminado.

Acceso múltiple

Si la distancia entre los dispositivos es tal que la latencia de las señales de un dispositivo supone la no detección de éstas por parte de un segundo dispositivo, éste también podría comenzar a transmitirlas. De este modo, el medio contaría con dos dispositivos transmitiendo señales al mismo tiempo. Los mensajes se propagan en todo el medio hasta que se encuentran. En ese momento, las señales se mezclan y los mensajes se destruyen: se produce una colisión. Aunque los mensajes se dañan, la mezcla de señales continúa propagándose en todo el medio.

Detección de colisiones

Cuando un dispositivo está en el modo de escucha, puede detectar cuando se produce una colisión en el medio compartido, ya que todos los dispositivos pueden detectar un aumento en la amplitud de la señal que esté por encima del nivel normal.

Cuando se produce una colisión, los demás dispositivos que están en el modo de escucha, así como todos los dispositivos de transmisión, detectan el aumento de amplitud de la señal. Todos los dispositivos que estén transmitiendo en ese momento lo seguirán haciendo para garantizar que todos los dispositivos en la red puedan detectar la colisión.

Señal de congestión y postergación aleatoria

Cuando se detecta una colisión, los dispositivos de transmisión envían una señal de congestionamiento. La señal de congestionamiento avisa a los demás dispositivos acerca de la colisión para que éstos invoquen un algoritmo de postergación. La función de éste es hacer que todos los dispositivos detengan su transmisión durante un período aleatorio, con lo cual se reducen las señales de colisión.

Una vez que finaliza el retardo asignado a un dispositivo, dicho dispositivo regresa al modo "escuchar antes de transmitir". Un período de postergación aleatoria garantiza que los dispositivos involucrados en la colisión no intenten enviar tráfico nuevamente al mismo tiempo, lo que provocaría que se repita todo el proceso. Sin embargo, durante el período de postergación es posible que un tercer dispositivo transmita antes de que cualquiera de los dos involucrados en la colisión tengan oportunidad de volver a transmitir.

Comunicaciones Ethernet

Las comunicaciones en una red LAN conmutada se producen de tres maneras: unicast, broadcast y multicast:

Unicast: Comunicación en la que un host envía una trama a un destino específico. En la transmisión unicast sólo existen un emisor y un receptor. La transmisión unicast es el modo de transmisión predominante en las LAN y en Internet. Algunos ejemplos de protocolos que usan transmisiones unicast son: HTTP, SMTP, FTP y Telnet.

Broadcast: Comunicación en la que se envía una trama desde una dirección hacia todas las demás direcciones. En este caso, existe sólo un emisor pero se envía la información a todos los receptores conectados. La transmisión broadcast es fundamental cuando se envía el mismo mensaje a todos los dispositivos de la LAN. Un ejemplo de transmisión broadcast es la consulta de resolución de direcciones que envía el protocolo de resolución de direcciones (ARP, Address Resolution Protocol) a todas las computadoras en una LAN.

Multicast: Comunicación en la que se envía una trama a un grupo específico de dispositivos o clientes. Los clientes de la transmisión multicast deben ser miembros de un grupo multicast lógico para poder recibir la información. Un ejemplo de transmisión multicast son las transmisiones de voz y video relacionadas con las reuniones de negocios en conferencia basadas en la red.

Configuración de Dúplex

Se utilizan dos tipos de parámetros dúplex para las comunicaciones en una red Ethernet: half dúplex y full dúplex.

Half Duplex: La comunicación half-duplex se basa en un flujo de datos unidireccional en el que el envío y la recepción de datos no se producen al mismo tiempo. Esto es similar a la función de las radios de dos vías o dos walki-talkies en donde una sola persona puede hablar a la vez.La comunicación half-duplex implementa el CSMA/CD con el objeto de reducir las posibilidades de que se produzcan colisiones y detectarlas en caso de que se presenten. 

Las comunicaciones half-duplex presentan problemas de funcionamiento debido a la constante espera, ya que el flujo de datos sólo se produce en una dirección a la vez. Las conexiones half-duplex suelen verse en los dispositivos de hardware más antiguos, como los hubs.

Full duplex: En las comunicaciones full-duplex el flujo de datos es bidireccional, por lo tanto la información puede enviarse y recibirse al mismo tiempo. La capacidad bidireccional mejora el rendimiento, dado que reduce el tiempo de espera entre las transmisiones.  En el modo full-duplex, el circuito de detección de colisiones se encuentra desactivado. Las tramas enviadas por los dos nodos finales conectados no pueden colisionar, dado que éstos utilizan dos circuitos independientes en el cable de la red.

Configuración del puerto de switch

El puerto de un switch debe configurarse con parámetros dúplex que coincidan con el tipo de medio.

• La opción auto establece el modo autonegociación de dúplex. Cuando este modo se encuentra habilitado, los dos puertos se comunican para decidir el mejor modo de funcionamiento.
• La opción full establece el modo full-duplex.
• La opción half establece el modo half-duplex.

Para los puertos 10/100/1000 y Fast Ethernet la opción predeterminada es auto. Para los puertos 100BASE-FX, la opción predeterminada es full. Los puertos 10/100/1000 funcionan tanto en el modo half-duplex como en el full-duplex cuando se establecen en 10 ó 100 Mb/s, pero sólo funcionan en el modo full-duplex cuando se establecen en 1000 Mb/s.

Direccionamiento MAC y Tablas de direcciones MAC de los switches

Los switches emplean direcciones MAC para dirigir las comunicaciones de red a través de su estructura al puerto correspondiente hasta el nodo de destino. La estructura del switch son los circuitos integrados y la programación de máquina adjunta que permite controlar las rutas de datos a través del switch. El switch debe primero saber qué nodos existen en cada uno de sus puertos para poder definir cuál será el puerto que utilizará para transmitir una trama unicast.

El switch determina cómo manejar las tramas de datos entrantes mediante una tabla de direcciones MAC. El switch genera su tabla de direcciones MAC grabando las direcciones MAC de los nodos que se encuentran conectados en cada uno de sus puertos. Una vez que la dirección MAC de un nodo específico en un puerto determinado queda registrada en la tabla de direcciones, el switch ya sabe enviar el tráfico destinado a ese nodo específico desde el puerto asignado a dicho nodo para posteriores transmisiones.

Métodos de reenvío de paquetes del switch

En este tema se describirá cómo los switches reenvían tramas de Ethernet en una red. Los switches pueden funcionar de distintos modos y éstos pueden tener tanto efectos positivos como negativos.

Anteriormente, los switches solían utilizar uno de los siguientes métodos de reenvío para conmutar datos entre los puertos de la red: conmutación por método de corte o almacenamiento y envío. El botón Métodos de reenvío del switch muestra estos dos métodos. Sin embargo, almacenar y reenviar es el único método de reenvío que se utiliza en los modelos actuales de los switches Cisco Catalyst.

Conmutación por almacenamiento y envío
En este tipo de conmutación, cuando el switch recibe la trama la almacena en los búferes de datos hasta recibir la trama en su totalidad. Durante el proceso de almacenamiento, el switch analiza la trama para buscar información acerca de su destino. En este proceso, el switch también lleva a cabo una verificación de errores utilizando la porción del tráiler de comprobación de redundancia cíclica (CRC, Cyclic Redundancy Check) de la trama de Ethernet.