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Capítulo 5: Ethernet La capa física de interconexión de sistemas abiertos (OSI) proporciona el medio para transportar los bits que componen una trama de capa de enlace de datos a través de los medios de red. Ethernet es la tecnología LAN predominante en el mundo. Ethernet funciona en la capa de enlace de datos y en la capa física. Los estándares del protocolo Ethernet definen muchos aspectos de la comunicación en red, incluido el formato, el tamaño, la temporización y la codificación de las tramas. Cuando se envían mensajes entre hosts a través de una red Ethernet, los hosts asignan un formato a los mensajes según la configuración de trama que especifican los estándares. Como Ethernet está compuesto de estándares en estas capas inferiores, se puede comprender mejor si se hace referencia al modelo OSI. El modelo OSI separa las funcionalidades de direccionamiento, entramado y acceso a los medios de la capa de enlace de datos de los estándares de medios de la capa física. Los estándares de Ethernet definen los protocolos de capa 2 y las tecnologías de capa 1. Si bien las especificaciones de Ethernet admiten diferentes medios, anchos de banda y otras variaciones de capa 1 y capa 2, el formato de trama básico y el esquema de direcciones son los mismos para todas las variedades de Ethernet. Encapsulamiento de Ethernet Ethernet es la tecnología LAN más utilizada hoy en día. Ethernet funciona en la capa de enlace de datos y en la capa física. Es una familia de tecnologías de red que se definen en los estándares IEEE 802.2 y 802.3. Ethernet admite los siguientes anchos de banda de datos: 10 Mb/s 100 Mb/s 1000 Mb/s (1 Gb/s) 10 000 Mb/s (10 Gb/s) 40 000 Mb/s (40 Gb/s) 100 000 Mb/s (100 Gb/s)
Como se muestra en la figura 1, los estándares de Ethernet definen tanto los protocolos de capa 2 como las tecnologías de capa 1. Para los protocolos de capa 2, como con todos los estándares IEEE 802, Ethernet depende de ambas subcapas individuales de la capa de enlace de datos para funcionar: la subcapa de control de enlace lógico (LLC) y la subcapa MAC. Subcapa LLC La subcapa LLC de Ethernet maneja la comunicación entre las capas superiores e inferiores. Generalmente, esto sucede entre el software de red y el hardware del dispositivo. La subcapa LLC toma los datos del protocolo de la red, que generalmente son un paquete IPv4, y agrega información de control para ayudar a distribuir el paquete al nodo de destino. El LLC se utiliza para la comunicación con las capas superiores de la aplicación y para la transición del paquete hacia las capas inferiores con fines de distribución. El LLC se implementa en el software, y su implementación es independiente del hardware. En una computadora, el LLC se puede considerar el software del controlador de la NIC. El controlador de la NIC es un programa que interactúa directamente con el hardware de la NIC para trasladar los datos entre la subcapa MAC y los medios físicos. Subcapa MAC La subcapa MAC es la subcapa inferior de la capa de enlace de datos y se implementa mediante hardware, generalmente, en la NIC de la computadora. Los datos específicos se detallan en los estándares IEEE 802.3. En la figura 2, se detallan los estándares IEEE de Ethernet comunes. Subcapa MAC Como se muestra en la ilustración, la subcapa MAC de Ethernet tiene dos tareas principales: Encapsulamiento de datos Control de acceso al medio
actuales utilizan switches de dúplex completo, que permiten que varios dispositivos envíen y reciban datos en simultáneo y sin colisiones. Evolución de Ethernet Desde la creación de Ethernet en 1973, los estándares evolucionaron para especificar versiones más rápidas y flexibles de la tecnología. Esta capacidad de Ethernet de mejorar con el tiempo es una de las principales razones por las que su uso está tan difundido. Las primeras versiones de Ethernet eran relativamente lentas, con una velocidad de 10 Mbps, mientras que las más recientes funcionan a 10 Gbps e, incluso, más rápido. Desplácese por la cronología de la figura 1 para ver las diferentes versiones de Ethernet. En la capa de enlace de datos, la estructura de la trama es casi idéntica para todas las velocidades de Ethernet. La estructura de la trama de Ethernet agrega encabezados y tráilers alrededor de la PDU de capa 3 para encapsular el mensaje que se envía, como se muestra en la figura 2. Ethernet II es el formato de trama de Ethernet utilizado en las redes TCP/IP. Campos de trama de Ethernet El tamaño mínimo de trama de Ethernet es de 64 bytes, y el máximo es de 1518 bytes. Esto incluye todos los bytes del campo “Dirección MAC de destino” hasta el campo “Secuencia de verificación de trama (FCS)” inclusive. El campo “Preámbulo” no se incluye al describir el tamaño de una trama. Cualquier trama de menos de 64 bytes de longitud se considera un fragmento de colisión o una trama corta, y es descartada automáticamente por las estaciones receptoras. Las tramas de más de 1500 bytes de datos se consideran “jumbos” o tramas bebés gigantes. Si el tamaño de una trama transmitida es menor que el mínimo o mayor que el máximo, el dispositivo receptor descarta la trama. Es posible que las tramas descartadas se originen en colisiones u otras señales no deseadas y, por lo tanto, se consideran no válidas.
Dirección MAC y hexadecimal Una dirección MAC de Ethernet es un valor binario de 48 bits expresado como 12 dígitos hexadecimales (4 bits por dígito hexadecimal). Así como el sistema decimal es un sistema numérico de base 10, el sistema hexadecimal es un sistema de base 16. El sistema numérico de base 16 utiliza los número del 0 al 9 y las letras de la A a la F. En la figura 1, se muestran los valores decimales y hexadecimales equivalentes para los números binarios del 0000 al
- Es más fácil expresar un valor como un único dígito hexadecimal que como cuatro bits binarios. Dado que 8 bits (1 byte) es un método de agrupación binaria común, los números binarios del 00000000 al 11111111 se pueden representar en hexadecimal como el rango del 00 al FF, como se muestra en la figura 2. Los ceros iniciales se muestran siempre para completar la representación de 8 bits. Por ejemplo, el valor binario “0000 1010” se muestra en hexadecimal como “0A”. Nota: es importante distinguir los valores hexadecimales de los valores decimales con respecto a los caracteres del 0 al 9, como se muestra en la ilustración. Representación de valores hexadecimales Generalmente, el sistema hexadecimal se representa por escrito por medio del valor precedido por “0x” (por ejemplo, “0x73”) o de un subíndice 16. En ocasiones menos frecuentes, puede estar seguido por una H (por ejemplo, “73H”). Sin embargo, y debido a que el texto en subíndice no se reconoce en entornos de línea de comandos o de programación, la representación técnica de un valor hexadecimal es precedida por “0x” (cero X). Por lo tanto, los ejemplos anteriores deberían mostrarse como “0x0A” y “0x73”, respectivamente. El valor hexadecimal se utiliza para representar las direcciones MAC de Ethernet y las direcciones IP versión 6. Conversiones hexadecimales
Todas las direcciones MAC con el mismo OUI deben tener asignado un valor único en los tres últimos bytes. Nota: es posible que existan direcciones MAC duplicadas debido a errores de fabricación o en algunos métodos de implementación de máquinas virtuales. En cualquier caso, será necesario modificar la dirección MAC con una nueva NIC o en el software. Procesamiento de tramas A menudo, la dirección MAC se conoce como “dirección física (BIA)” porque, históricamente, esta dirección se graba de manera física en la memoria de solo lectura (ROM) de la NIC. Es decir que la dirección está codificada en el chip de la ROM de manera permanente. Nota: en las NIC y los sistemas operativos de PC modernos, es posible cambiar la dirección MAC en el software. Esto es útil cuando se intenta acceder a una red filtrada por BIA. En consecuencia, el filtrado o el control de tráfico basado en la dirección MAC ya no son tan seguros. Cuando la computadora arranca, lo primero que hace la NIC es copiar la dirección MAC de la ROM a la RAM. Cuando un dispositivo reenvía un mensaje a una red Ethernet, adjunta la información del encabezado a la trama. La información del encabezado contiene las direcciones MAC de origen y de destino. En la animación, haga clic en Reproducir para ver el proceso de reenvío de tramas. Cuando una NIC recibe una trama de Ethernet, examina la dirección MAC de destino para ver si coincide con la dirección MAC física del dispositivo almacenada en la RAM. Si no hay coincidencia, el dispositivo descarta la trama. Si hay coincidencia, envía la trama a las capas OSI, donde ocurre el proceso de desencapsulamiento. Nota: las NIC Ethernet también aceptan tramas si la dirección MAC de destino es un grupo de difusión o de multidifusión del cual es miembro el host.
Cualquier dispositivo que pueda ser el origen o el destino de una trama de Ethernet debe tener asignada una dirección MAC. Esto incluye estaciones de trabajo, servidores, impresoras, dispositivos móviles y routers. Representaciones de la dirección MAC En un host de Windows, se puede utilizar el comando ipconfig /all para identificar la dirección MAC de un adaptador Ethernet. En la figura 1, observe que se indica en la pantalla que la dirección física (MAC) de la computadora es 00-18-DE-DD- A7-B2. Si tiene acceso, le sugerimos intentar esto en su propia computadora. En un host Mac o Linux, se utiliza el comando ipconfig. Según el dispositivo y el sistema operativo, puede ver varias representaciones de direcciones MAC, como se muestra en la figura 2. Los routers y switches Cisco utilizan el formato XXXX.XXXX.XXXX, en el que X es un carácter hexadecimal. Dirección MAC de unidifusión En Ethernet, se utilizan diferentes direcciones MAC para las comunicaciones de unidifusión, difusión y multidifusión de capa 2. Una dirección MAC de unidifusión es la dirección única utilizada cuando se envía una trama desde un único dispositivo transmisor hacia un único dispositivo receptor. En el ejemplo de la animación, un host con la dirección IPv4 192.168.1.5 (origen) solicita una página web del servidor en la dirección IPv4 de unidifusión 192.168.1.200. Para que un paquete de unidifusión se envíe y se reciba, la dirección IP de destino debe estar incluida en el encabezado del paquete IP. Además, el encabezado de la trama de Ethernet también debe contener una dirección MAC de destino correspondiente. Las direcciones IP y MAC se combinan para la distribución de datos a un host de destino específico. El proceso que un host de origen utiliza para determinar la dirección MAC de destino se conoce como “protocolo de resolución de direcciones (ARP)”. El ARP se analiza más adelante en este capítulo.
poder enviar tramas en una red local. La dirección de multidifusión MAC relacionada con una dirección de multidifusión IPv4 es un valor especial que comienza con 01-00-5E en formato hexadecimal. La porción restante de la dirección MAC de multidifusión se crea convirtiendo en seis caracteres hexadecimales los 23 bits inferiores de la dirección IP del grupo de multidifusión. Para una dirección IPv6, la dirección de multidifusión MAC comienza con 33-33. Un ejemplo, como se muestra en la animación, es la dirección hexadecimal de multidifusión 01-00-5E-00-00-C8. El último byte (u 8 bits) de la dirección IPv 224.0.0.200 es el valor decimal 200. La forma más fácil de ver el equivalente hexadecimal es convertirlo en binario con un espacio cada 4 bits: 200 (decimal) = 1100 1000 (binario). Con la tabla de conversión que se presentó antes, podemos convertirlo en hexadecimal: 1100 1000 (binario) = 0xC8 (hexadecimal). 5.2 Nociones básicas de switches Un switch Ethernet de capa 2 utiliza direcciones MAC para tomar decisiones de reenvío. Desconoce por completo qué protocolo se transmite en la porción de datos de la trama, como un paquete IPv4. El switch toma decisiones de reenvío solamente según las direcciones MAC Ethernet de capa 2. A diferencia de los hubs Ethernet antiguos, que repiten los bits por todos los puertos excepto el de entrada, un switch Ethernet consulta una tabla de direcciones MAC para tomar una decisión de reenvío para cada trama. En la ilustración, se acaba de encender el switch de cuatro puertos. Todavía no conoce las direcciones MAC de las cuatro PC conectadas. Nota: a veces, la tabla de direcciones MAC se conoce como “tabla de memoria de contenido direccionable (CAM)”. Aunque el término “tabla CAM” es bastante común, en este curso nos referiremos a ella como “tabla de direcciones MAC”. Obtención de direcciones MAC El switch arma la tabla de direcciones MAC de manera dinámica después de examinar la dirección MAC de origen de las tramas recibidas en un puerto. El
switch reenvía las tramas después de buscar una coincidencia entre la dirección MAC de destino de la trama y una entrada de la tabla de direcciones MAC. El siguiente proceso se realiza para cada trama de Ethernet que ingresa a un switch. Aprendizaje: Examinar la dirección MAC de origen Se revisa cada trama que ingresa a un switch para obtener información nueva. Esto se realiza examinando la dirección MAC de origen de la trama y el número de puerto por el que ingresó al switch. Si la dirección MAC de origen no existe, se la agrega a la tabla, junto con el número de puerto de entrada. En la figura 1, la PC-A está enviando una trama de Ethernet a la PC-D. El switch agrega a la tabla la dirección MAC de la PC-A. Si la dirección MAC de origen existe, el switch actualiza el temporizador de actualización para esa entrada. De manera predeterminada, la mayoría de los switches Ethernet guardan una entrada en la tabla durante cinco minutos. Nota: si la dirección MAC de origen existe en la tabla, pero en un puerto diferente, el switch la trata como una entrada nueva. La entrada se reemplaza con la misma dirección MAC, pero con el número de puerto más actual. Reenvío: Examinar la dirección MAC de destino A continuación, si la dirección MAC de destino es una dirección de unidifusión, el switch busca una coincidencia entre la dirección MAC de destino de la trama y una entrada de la tabla de direcciones MAC. Si la dirección MAC de destino está en la tabla, reenvía la trama por el puerto especificado. Si la dirección MAC de destino no está en la tabla, el switch reenvía la trama por todos los puertos, excepto el de entrada. Esto se conoce como “unidifusión desconocida”. Como se muestra en la figura 2, el switch no tiene la dirección
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) de la trama de Ethernet. La CRC utiliza una fórmula matemática basada en la cantidad de bits (números uno) de la trama para determinar si esta tiene algún error. Después de confirmar la integridad de la trama, se la reenvía por el puerto apropiado hacia su destino. Cuando se detecta un error en la trama, el switch la descarta. El proceso de descarte de las tramas con errores reduce el ancho de banda consumido por datos dañados. El switching de almacenamiento y envío se requiere para el análisis de calidad de servicio (QoS) en las redes convergentes, donde se necesita una clasificación de la trama para decidir el orden de prioridad del tráfico. Por ejemplo, los flujos de datos de voz sobre IP deben tener prioridad sobre el tráfico de navegación web. Switching por método de corte En este tipo de switching, el switch actúa sobre los datos apenas los recibe, incluso si la transmisión aún no se completó. El switch reúne en el búfer solo la información suficiente de la trama como para leer la dirección MAC de destino y determinar a qué puerto debe reenviar los datos. La dirección MAC de destino se encuentra en los primeros 6 bytes de la trama después del preámbulo. El switch busca la dirección MAC de destino en la tabla de switching, determina el puerto de la interfaz de salida y reenvía la trama a su destino mediante el puerto de switch designado. El switch no lleva a cabo ninguna verificación de errores en la trama. Reproduzca la animación para ver una demostración del proceso switching por método de corte. A continuación, se presentan dos variantes del switching por método de corte: Switching de reenvío rápido: este método ofrece el nivel de latencia más bajo. El switching de envío rápido reenvía el paquete inmediatamente después de leer la dirección de destino. Como el switching de reenvío rápido comienza a reenviar el paquete antes de recibirlo por completo, es posible que, a veces, los paquetes se
distribuyan con errores. Esto no sucede frecuentemente, y el adaptador de red de destino descarta el paquete defectuoso al recibirlo. En el modo de reenvío rápido, la latencia se mide desde el primer bit recibido hasta el primer bit transmitido. El switching de envío rápido es el método de corte típico. Switching libre de fragmentos: en este método, el switch almacena los primeros 64 bytes de la trama antes de reenviarla. El switching libre de fragmentos se puede ver como un punto medio entre el switching de almacenamiento y envío, y el switching por método de corte. El motivo por el que el switching libre de fragmentos almacena solamente los primeros 64 bytes de la trama es que la mayoría de los errores y las colisiones de la red se producen en esos primeros 64 bytes. El switching libre de fragmentos intenta mejorar el switching de reenvío rápido al realizar una pequeña verificación de errores en los 64 bytes de la trama para asegurar que no haya ocurrido una colisión antes de reenviarla. Este método de switching es un punto medio entre la alta latencia y la alta integridad del switching de almacenamiento y envío, y la baja latencia y la baja integridad del switching de reenvío rápido. Algunos switches están configurados para realizar el switching por método de corte en cada puerto hasta alcanzar un umbral de errores definido por el usuario y, luego, cambiar automáticamente al switching de almacenamiento y envío. Si el índice de error está por debajo del umbral, el puerto vuelve automáticamente al switching por método de corte. Almacenamiento en búfer de memoria en los switches Un switch Ethernet puede usar una técnica de almacenamiento en búfer para almacenar tramas antes de enviarlas. El almacenamiento en búfer también se puede utilizar cuando el puerto de destino está ocupado debido a una congestión. En este caso, el switch almacena la trama hasta que se pueda transmitir. Como se muestra en la ilustración, existen dos métodos de almacenamiento en búfer de memoria: memoria basada en puerto y memoria compartida. Búfer de memoria basada en puerto
Existen dos tipos de parámetros de dúplex utilizados para las comunicaciones en una red Ethernet: dúplex medio y dúplex completo. Dúplex completo: ambos extremos de la conexión pueden enviar y recibir datos simultáneamente. Dúplex medio: solo uno de los extremos de la conexión puede enviar datos por vez. La autonegociación es una función optativa que se encuentra en la mayoría de los switches Ethernet y NIC, que permite que dos dispositivos intercambien automáticamente información sobre velocidad y funcionalidades de dúplex. El switch y el dispositivo conectado seleccionan el modo de mayor rendimiento. Si ambos dispositivos tienen la funcionalidad, se selecciona dúplex completo, junto con el ancho de banda común más alto. Por ejemplo, en la figura 1, la NIC Ethernet de la PC-A puede funcionar en dúplex completo o en dúplex medio, y a 10 Mb/s o 100 Mb/s. La PC-A está conectada al switch S1 en el puerto 1, que puede funcionar en dúplex completo o en dúplex medio, y a 10 Mb/s, 100 Mb/s o 1000 Mb/s (1 Gb/s). Si ambos dispositivos utilizan la autonegociación, el modo de funcionamiento será en dúplex completo y a 100 Mb/s. Nota: de manera predeterminada, la mayoría de los switches Cisco y NIC Ethernet utilizan la autonegociación para la configuración de velocidad y dúplex. Los puertos Gigabit Ethernet solamente funcionan en dúplex completo. Incompatibilidad de dúplex Una de las causas más comunes de problemas de rendimiento en enlaces Ethernet de 10 o 100 Mb/s ocurre cuando un puerto del enlace funciona en dúplex medio, mientras el otro puerto funciona en dúplex completo, como se muestra en la figura 2. Esto sucede cuando uno o ambos puertos de un enlace se restablecen, y el proceso de autonegociación no configura ambos participantes del enlace de la misma manera. También puede ocurrir cuando los usuarios reconfiguran un lado
del enlace y olvidan reconfigurar el otro. Ambos lados de un enlace deben tener activada la autonegociación, o bien ambos deben tenerla desactivada. MDIX automática Además de tener la configuración de dúplex correcta, también es necesario tener definido el tipo de cable correcto para cada puerto. Anteriormente, las conexiones entre dispositivos específicos, como switch a switch, switch a router, switch a host y router a host, requerían el uso de tipos de cable específicos (cruzado o directo). En la actualidad, la mayoría de los dispositivos de switch permiten que el comando mdix auto interface configuration en la CLI active la función de interfaz cruzada dependiente del medio (MDIX) automática. Cuando se activa la función de MDIX automática, el switch detecta el tipo de cable conectado al puerto y configura las interfaces de manera adecuada. Por lo tanto, se puede utilizar un cable directo o cruzado para realizar la conexión con un puerto 10/100/1000 de cobre situado en el switch, independientemente del tipo de dispositivo que esté en el otro extremo de la conexión. Nota: de manera predeterminada, la función MDIX automática se activa en los switches con el software Cisco IOS versión 12.2(18)SE o posterior. 5.3 Destino en la misma red Hay dos direcciones primarias asignadas a un dispositivo en una LAN Ethernet: Dirección física (dirección MAC): se utiliza para comunicaciones de NIC Ethernet a NIC Ethernet en la misma red. Dirección lógica (dirección IP): se utiliza para enviar el paquete del origen inicial al destino final. Las direcciones IP se utilizan para identificar la dirección del origen inicial y del destino final. La dirección IP de destino puede estar en la misma red IP que la de origen o en una red remota.
examinan la dirección IPv4 de destino para determinar la mejor ruta para reenviar el paquete IPv4. Esto es similar a la manera en que el servicio postal reenvía el correo según la dirección del destinatario. Cuando el router recibe una trama de Ethernet, desencapsula la información de capa 2. Por medio de la dirección IP de destino, determina el dispositivo del siguiente salto y desencapsula el paquete IP en una nueva trama de enlace de datos para la interfaz de salida. Junto con cada enlace en una ruta, se encapsula un paquete IP en una trama específica para la tecnología de enlace de datos particular relacionada con ese enlace, como Ethernet. Si el dispositivo del siguiente salto es el destino final, la dirección MAC de destino es la de la NIC Ethernet del dispositivo. ¿Cómo se asocian las direcciones IPv4 de los paquetes IPv4 en un flujo de datos con las direcciones MAC en cada enlace a lo largo de la ruta hacia el destino? Esto se realiza mediante un proceso llamado “protocolo de resolución de direcciones (ARP)”. Introducción a ARP Recuerde que cada dispositivo que tiene una dirección IP en una red Ethernet también tiene una dirección MAC Ethernet. Cuando un dispositivo envía una trama de Ethernet, esta contiene estas dos direcciones: Dirección MAC de destino: la dirección MAC de la NIC Ethernet, que es la dirección del destino final o del router. Dirección MAC de origen: la dirección MAC de la NIC Ethernet del remitente. Para determinar la dirección MAC de destino, el dispositivo utiliza ARP. ARP proporciona dos funciones básicas: Resolución de direcciones IPv4 a direcciones MAC Mantenimiento de una tabla de asignaciones Funciones del ARP Resolución de direcciones IPv4 a direcciones MAC
Cuando se envía un paquete a la capa de enlace de datos para encapsularlo en una trama de Ethernet, el dispositivo consulta una tabla en su memoria para encontrar la dirección MAC que está asignada a la dirección IPv4. Esta tabla se denomina “tabla ARP” o “caché ARP”. La tabla ARP se almacena en la RAM del dispositivo. El dispositivo emisor busca en su tabla ARP la dirección IPv4 de destino y la dirección MAC correspondiente. Si la dirección IPv4 de destino del paquete está en la misma red que la dirección IPv4 de origen, el dispositivo busca la dirección IPv4 de destino en la tabla ARP. Si la dirección IPv4 de destino está en una red diferente que la dirección IPv de origen, el dispositivo busca la dirección IPv4 del gateway predeterminado. En ambos casos, se realiza una búsqueda de la dirección IPv4 y la dirección MAC correspondiente para el dispositivo. En cada entrada o fila de la tabla ARP, se enlaza una dirección IPv4 con una dirección MAC. Llamamos “asignación” a la relación entre dos valores; simplemente, se refiere a que puede localizar una dirección IPv4 en la tabla y averiguar la dirección MAC correspondiente. La tabla ARP almacena temporalmente (en caché) la asignación para los dispositivos de la LAN. Si el dispositivo localiza la dirección IPv4, se utiliza la dirección MAC correspondiente como la dirección MAC de destino de la trama. Si no se encuentra ninguna entrada, el dispositivo envía una solicitud de ARP. Eliminación de entradas de una tabla ARP Para cada dispositivo, un temporizador de memoria caché ARP elimina las entradas de ARP que no se hayan utilizado durante un período especificado. El temporizador varía según el sistema operativo del dispositivo. Por ejemplo,
