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Hubs y dominios de colisión

Dado que las colisiones ocurrirán ocasionalmente en cualquier topología de medio compartido es necesario identificar las condiciones que pueden provocar un aumento de esas colisiones: más dispositivos conectados a la red, acceso más frecuente al medio de red y un incremento de la distancia del cable entre los dispositivos.

Los dispositivos conectados que acceden a un medio común a través de un hub o de una serie de hubs conectados, componen lo que se conoce como dominio de colisión. Un dominio de colisión recibe también el nombre de segmento de red. Los hubs y los repetidores tienen el efecto de incrementar el tamaño del dominio de colisión. La interconexión de hubs forma una topología física que crea una estrella extendida, la cual, a su vez, puede crear un dominio de colisión aún mayor.

Temporización Ethernet

Latencia

Cada dispositivo que quiere transmitir primero debe escuchar el medio para detectar el tráfico. En caso de no existir, la estación podrá empezar a transmitir inmediatamente. La señal eléctrica que es enviada se toma cierto tiempo, o latencia, para propagarse por el cable. Cada hub o repetidor situado en la ruta de la señal añade latencia a medida que reenvía los bits desde un puerto a otro.

Temporización (timing) y sincronización

En modo half-duplex, si no se produce una colisíón, el dispositivo emisor transmitirá 64 bits de información de sincronización de temporización, lo que se conoce como preámbulo, y después enviará la trama completa. La implementación Ethernet con velocidades iguales o inferiores a 10 Mbps son asíncronas. Esto significa que cada dispositivo receptor usará los 8 bytes de información de temporización para sincronizar el circuito receptor con los datos que llegan y después descarta esos 8 bytes.

En el caso de redes Ethernet de 100 Mbps o más rápidas decimos que son síncronas. Una comunicación síncrona significa que la información de temporización de la cabecera no es necesaria.

Tiempo de bit

Dependiendo de la velocidad del medio, se necesita un periodo de tiempo para que el bit sea puesto y enviado por el medio. Este periodo de tiempo es el tiempo de bit.  Estas consideraciones de temporización tienen que aplicarse al espaciado entre tramas y a los tiempos de backoff para garantizar que cuando un dispositivo transmite su siguiente trama, el riesgo de una colisión es mínimo.

Intervalo de tiempo

En la Ethernet en la que los datos sólo pueden viajar en una dirección en cada momento, el intervalo de tiempo se convierte en un factor importante a la hora de determinar cuántos dispositivos pueden compartir una red. El intervalo de tiempo para una red es el tiempo máximo necesario para detectar una colisión. El intervalo de tiempo se utiliza para establecer lo siguiente: el tamaño mínimo de una trama Ethernet, un límite en el tamaño máximo de los segmentos de la red.  El intervalo de tiempo garantiza que si una colisión está próxima a ocurrir, será detectada dentro del tiempo de transmisión de una trama de tamaño mínimo. Una longitud de trama mínima mayor permite intervalos de tiempos más grandes y diámetros de colisión más largos.

Espaciado entre tramas y backoff

El retardo posterior a la transmisión exitosa de una trama recibe el nombre de espaciado entre tramas, mientras que el que sigue a una colisión es un backoff.

Espaciado entre tramas

El espaciado entre tramas es el tiempo medido desde el último bit del campo FCS de una trama hasta el primero del preámbulo de la siguiente.

Longitud de la señal de colisión

Los mensajes dañados y parcialmente transmitidos suelen conocerse a menudo como fragmentos de colisión, o tramas runt (enanas). Las colisiones normales tienen una longitud inferior a los 64 octetos.

Temporización de backoff

Una vez que se produce una colisión y todos los dispositivos pasan al estado de libres, aquellos cuyas tramas colisionaron deben esperar otro periodo de tiempo adicional y potencial, y progresivamente más largo antes de intentar retransmitirlas.

9.5 Capa física Ethernet

Las diferencias entre los estándares Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet  y 10 Gigabit Ethernet surgen en la capa física, con frecuencia denominada Ethernet PHY. En la actualidad hay 4 velocidades de datos: 10 Mbps (Ethernet 10BASE-T), 100 Mbps (Fast Ethernet), 1000 Mbps (Gigabit Ethernet) y 10 Gbps (10Gigabit Ethernet).

Ethernet a 10 y 100 Mbps

Las principales implementaciones de Ethernet a 10 Mbps son las siguientes: 10BASE5 usando cable coaxial Thicknet, 10BASE2 usando cable coaxial Thinnet y 10BASE-T usando cable de par trenzado sin apantallar Cat3/Cat5. Las primeras implementaciones de Ethernet, 10BASE5 y 10BASE2 usaban cable coaxial en un bus físico.

Ethernet a 10 Mbps: 10BASE-T

Ethernet a 10 Mbps está considerada como la Ethernet heredada y utiliza una topología física en estrella. Los enlaces Ethernet 10BASE-T pueden tener hasta 100 metros de longitud antes de ser necesario el uso de un hub o un repetidor. 10BASE-T usa codificación Manchester. Los enlaces 10BASE-T conectados a un switch pueden soportar tanto el funcionamiento semiduplex como el fullduplex.

100 Mbps: Fast Ethernet

Ethernet a 100 Mbps, conocida también como Fast Ethernet, puede implementarse usando hilo de cobre de par trenzado o fibra. Las implementaciones más populares de Ethernet son: 100BASE-TX usando UTP Cat5 o superior ó 100BASE-TX usando cable de fibra óptica.

100BASE-TX

Se diseñó para soportar la transmisión sobre dos pares de hilos de cobre UTP de Cat5. Está conectada como una estrella física. Suelen utilizar un switch en el centro de la estrella en lugar de un hub.

100BASE-FX

Utiliza el mismo procedimiento de señalización que 100BASE-TX, aunque sobre fibra óptica en lugar de sobre UTP de cobre. Usa conectores de interfaz de fibra de bajo coste. Las implementaciones de fibra son conexiones punto a punto.

Ethernet a 1000 Mbps

Gigabit Ethernet utiliza dos métodos de codificación separados. La transmisión de datos es más eficiente cuando se utilizan códigos para representar el flujo binario de bits. La codificación de los datos permite la sincronización, un uso eficiente del ancho de banda y una mejora de las características de la ratio señal-ruido.

1000BASE-T Ethernet

Proporciona una transmisión fullduplex sobre los 4 pares de un cable UTP de Cat5 o superior. Emplea la codificación de línea 4D-PAM5 para obtener un rendimiento de datos de 1 Gbps. Este esquema de codificación permite la transmisión simultánea de señales a través de los 4 pares de hilos. Para ello, traduce un byte de datos en una transmisión simultánea de 4 símbolos de código (4D), los cuales se envían por el medio como señales PAM5 (Modulación por amplitud de pulsos de nivel 5). 1000BASE-T permite la transmisión y la recepción de datos en ambas direcciones. A diferencia de la mayoría de señales digitales, 1000BASE-T utiliza muchos niveles de voltaje.

Ethernet 1000BASE-SX y 1000BASE-LX usando fibras ópticas

Las versiones de fibra de Gigabit Ethernet ofrecen las siguientes ventajas sobre UTP: inmunidad al ruido, tamaño físico pequeño, aumento de las distancias sin necesidad de un repetidor y ancho de banda.

Las principales diferencias entre las versiones de fibra 1000BASE-SX y 1000BASE-LX son el medio de enlace, los conectores y la longitud de onda de la señal óptica.

Ethernet: el futuro

10Gigabit Ethernet está evolucionando para su uso no sólo en las LANs, sino también en las WANs y las MANs. 10-Gbps Ethernet se parece a otras variedades de Ethernet en lo siguiente: el formato de la trama es el mismo, el tiempo de bit es de 0,1 ns, debido a que sólo se usan conexiones de fibra fullduplex no existe disputa por el medio y no es necesario CSMA/CD y las subcapas IEEE 802.3 dentro de las capas OSI 1 y 2 están preservadas en su mayor parte, con algunas incorporaciones para acomodar los enlaces de fibra de 40 Km, y la interoperabilidad con otras tecnologías de fibra.

9.6 Hubs y switches

Ethernet heredada: uso de hubs

Para interconectar los nodos del segmento LAN, la Ethernet heredada emplea hubs. Estos dispositivos no llevan a cabo ninguna operación de filtrado del tráfico. Reenvían todos los bits a todos los dispositivos conectados a ellos. Esto fuerza a que todos los dispositivos de la LAN compartan el ancho de banda del medio. Además, con frecuencia, esta implementación heredada provoca altos niveles de colisiones en la LAN. La compartición del medio entre los dispositivos crea significativos problemas a medida que la red crece: ausencia de escalabilidad, aumento de la latencia, más fallos en la red y más colisiones.

Escalabilidad limitada

En una red Ethernet basada en hubs existe un límite en la cantidad de ancho de banda que los dispositivos pueden compartir. Con cada dispositivo nuevo que se incorpora, se reduce la media de ancho de banda disponible para cada dispositivo.

Aumento de la latencia

La latencia en la red es la cantidad de tiempo que tarda una señal en alcanzar todos los destinos del medio. Cada nodo de una red basada en hubs tiene que esperar una oportunidad para transmitir a fin de evitar colisiones. Este factor se ve afectado por el retardo de la señal a través del medio, así como por el retardo añadido por el procesamiento de las señales por parte de los hubs y los repetidores.

Más fallos en la red

Ya que la Ethernet heredada comparte el medio, potencialmente cualquier dispositivo de la red podría provocar problemas a otros dispositivos. Si algún dispositivo conectado al hub genera un detrimento del tráfico, la comunicación para el resto de dispositivos podría verse impedida. Este tráfico dañino podría deberse a una velocidad o una configuración fullduplex incorrecta en una NIC.

Más colisiones

Según CSMA/CD, un nodo no puede enviar un paquete a menos que la red esté limpia de tráfico. Cualquier parte de la red en la que paquetes de dos o más nodos pueden interferirse entre sí se considera un dominio de colisión. Una red con muchos nodos en el mismo segmento tiene un dominio de colisión grande y, generalmente, más tráfico. A medida que aumenta la cantidad de tráfico en la red, también aumenta la probabilidad de colisiones.

Ethernet: uso de switches

Los switches permiten la segmentación de la LAN en dominios de colisión separados. Cada puerto del switch representa un dominio de colisión y proporciona todo el ancho de banda disponible al nodo o nodos conectados a ese puerto. Una LAN puede tener un switch centralizado conectando los hubs que siguen proporcionando la conectividad a los nodos. Por otro lado, una LAN podría tener todos sus nodos conectados directamente a un switch.

Los nodos están conectados directamente

En una LAN donde todos los nodos están conectados directamente a un switch el rendimiento de la red aumenta drásticamente. Las 3 razones principales de este incremento son las siguientes: ancho de banda dedicado a cada puerto, entorno libre de colisiones y funcionamiento fullduplex.

Ancho de banda dedicado

Con los switches, cada dispositivo tiene una conexión punto a punto efectiva entre él y el switch, sin ninguna disputa por el medio. Cada nodo cuenta con el total del ancho de banda de medio disponible en su conexión con el switch.

Entorno libre de colisiones

Una conexión punto a punto dedicada con un switch elimina también cualquier disputa por el medio entre los dispositivos, permitiendo a un nodo operar con pocas, o ninguna, colisión.

Funcionamiento fullduplex

La conmutación permite también que una red opere como un entorno Ethernet fullduplex. Con el modo fullduplex habilitado en una red Ethernet conmutada, los dispositivos conectados directamente a los puertos del switch pueden transmitir y recibir simultáneamente, en todo el ancho de banda.

Uso de switches en lugar de hubs

Las razones por las que aún pueden encontrarse hubs en las redes son las siguientes: -disponibilidad: los switches para las LANs no se desarrollaron hasta principios de la década de los 90 y no estuvieron disponibles hasta mediados de dicha década. Las primeras redes Ethernet usaban hubs UTP, y muchas de ellas siguen operativas en nuestros días. –Economía: incialmente, los switches eran tremendamente caros. –Requisitos: las primeras LANs eran redes sencillas diseñadas para intercambiar archivos y compartir impresoras.

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