ETHERNET

Conceitos Básicos de Ethernet

> Introdução à Ethernet

A história da rede Ethernet começou na década de 1970, no Havaí, quando pela necessidade de pesquisadores em se comunicarem de Honolulu até algumas ilhas distantes. A solução encontrada foi por meio de um rádio de ondas curtas. Cada estação de usuário possuía um pequeno rádio com 2 freqüências: uma ascendente (até o computador central) e outra descendente (a partir do computador central). O usuário enviava um quadro com dados no canal ascendente. Se ninguém mais estivesse transmitindo no momento, o quadro chegava no computador central e era transmitido um sinal de confirmação no canal descendente. Quando havia concorrência pela utilização do canal ascendente, a estação não receberia o sinal de confirmação e enviaria o quadro novamente. Como havia somente um transmissor no canal descendente, que era o computador central, as colisões nesse canal não ocorriam. Foi denominada ALOHANET.

Como já foi comentado, no capítulo 4 item 1.1, a rede Ethernet, como conhecemos, surgiu de pesquisas da Xerox e da comercialização da 3com.

5.1.1. Regras de nomenclatura da Ethernet IEEE

O modelo de camadas para redes locais foi definido pelo comitê IEEE 802 (IEEE - Institute of Electrical and Electronics Engineers, Instituto de Engenheiros Eletricistas e Eletrônicos).

A organização do padrão IEEE 802 consiste em:

● 802.1
• Descrição da arquitetura geral do padrão IEEE 802
• Definições de gerenciamento
• Definições de adaptação da subcamada Método de Acesso e camada Física.
• Especificação da metodologia para a realização de testes de conformidade dos padrões IEEE para LANs e MANs.

● 802.2
• Especificações do LLC (Logical Link Control)

● 802.3
O esquema de nomenclatura é:
<taxa de transmissão, Mbps> <tecnologia> <comprimento máximo/100 em metros>

Os principais padrões são:

• 802.3a
■ Ethernet tipo 10Base2, que usa segmentos de 185m (arredondando teremos 200m) de cabo coaxial fino. Utilizados para pequenas instalações. Conhecido por Thinnet (cabo fino) ou Cheapernet (mais barato). Usa conectores tipo T.

• 802.3i
■ Ethernet tipo 10BaseT, utiliza cabos de par trançado de até 100m. Usado em redes CSMA/CD multi-segmentadas. Possui taxa de transmissão de 10Mbps.

• 802.3u
■ FastEthernet tipos: 100BaseT4 (par trançado 4 fios), 100BaseTX (par trançado 4 pares de fios) e 100BaseFX (fibra óptica). Distância máxima de 100m. Usado em redes CSMA/CD multi-segmentadas. Possui taxa de transmissão de 100Mbps.

• 802.3z
■ GigabitEthernet tipo 1000BASE-X. Utiliza fibra óptica a uma taxa de 1 Gbps.

• 802.3ab
■ GigabitEthernet tipo 1000BASE-T. Utiliza cabo de par trançado a uma taxa de transmissão de 1 Gbps.

• 802.3ae
■ 10 GigabitEthernet tipos: 10GBASE-SR, 10GBASE-LR, 10GBASE-ER, 10GBASE-SW, 10GBASE-LW, 10GBASE-EW. Utiliza fibra óptica a uma taxa de transmissão de 10 Gbps.

• 802.3an
■ 10 GigabitEthernet tipo 10GBASE-T. Utiliza cabo UTP a uma taxa de transmissão de 10 Gbps.

>  Ethernet e o modelo OSI

Conforme já vimos a camada de enlace do modelo OSI é dividida em duas sub-camadas no modelo IEEE 802, a sub-camada LLC (Logical Link Control) e a sub-camada MAC (Media Access Control).

A figura a seguir mostra mais detalhes dessa subdivisão.

Modelo IEEE 802

IMAGEM

> Quadros da camada 2

A estrutura da sub-camada LLC é composta por quatro campos: Endereços de origem e destino de serviço (SSAP e DSAP), controle e informação.

SSAP (Source Service Access Point): 8 bits – indica o endereço de origem do serviço, e o bit C/R indica se é comando ou resposta.

DSAP (Destination Service Access Point): 8 bits – indica o endereço de destino do serviço, e o bit I/G indica se é um endereço individual ou em grupo.

Controle: 8 ou 16 bits – Identifica a PDU e especifica parâmetros de controle.
Informação: 8 * M – contém dados do usuário LLC ou informações de controle.

A estrutura da sub-camada MAC é composta por oito campos: Preâmbulo, SFD, DA, SA, Tamanho, Dados LLC, PAD e FCS. Descritos, em detalhes, a seguir.

> Estrutura do quadro Ethernet

Estrutura do quadro da subcamada MAC

> Campos de um quadro Ethernet

Definição dos campos:
Preâmbulo – responsável pelo sincronismo.
SFD (Start Frame Delimiter) – identificação do início do quadro.
DA (Destination Address) – Endereço de Destino.
SA (Source Address) – Endereço de Origem.

Tamanho – Número de octetos (bytes) do campo de dados do LLC.
Dados – PDU da sub-camada LLC (0 – 1500 bytes).
PAD – campo de enchimento – número aleatório a fim de garantir um tamanho mínimo do quadro (64 bytes).
FCS (Frame Check Sequence) – calcula erros por CRC (Cyclic Redundancy Check)
 

>  Operação da Ethernet
 

>  Media Access Control (MAC)

O formato do endereço MAC é o seguinte:

>  Regras MAC e detecção de colisões

As funções da sub-camada MAC são as seguintes:

● Preparar o quadro para transmissão
○ Receber os dados da sub-camada LLC
○ Acrescentar bits PAD para garantir o tamanho mínimo do quadro Ethernet.
○ Realizar o cálculo do CRC

● Entregar o quadro à camada física
○ Fornecer a seqüência de bits para a camada física.
○ Verificar a condição do canal
○ Atrasar a transmissão a fim de evitar colisões
○ Encerrar uma transmissão, no caso de detecção de colisão
○ Calcular o tempo de espera
○ Gerar sinal jam (rajada informando existência de colisão)

● Receber o quadro da camada física
○ Receber a seqüência de bits da camada física
○ Excluir seqüências incompatíveis com o tamanho mínimo

● Preparar o quadro na recepção
○ Verificar erros por meio do cálculo do CRC
○ Verificar o endereço de destino contido no quadro
○ Entregar o dado à sub-camada LLC

Para o controle da alocação do canal e detecção de erros é utilizado o procedimento CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection).

O CSMA/CD funciona da seguinte forma:
1 – O host, que deseja transmitir, verifica a situação do canal, se há portadora.
2 – A transmissão será iniciada quando o canal estiver livre.
3 – A verificação da condição do canal é realizada também durante a transmissão.
4 – No caso de detecção de colisão, a transmissão é abortada e é enviado um sinal jam.
5 – O host aguarda um tempo aleatório, baseado em algoritmos, e reinicia o processo.

> Temporização Ethernet e backoff

A temporização da Ethernet é o tempo que um bit leva para atravessar uma distância de um cabo UTP.

O algoritmo backoff é calculado de modo a tentar evitar colisões.

Se o tempo de espera fosse igual para todos os elementos transmissores as colisões continuariam a ocorrer.

O tempo de espera para a n-ésima tentativa de transmissão é dado por:

Tespera = random (i) x St.

Onde,
i = número que varia de 0 a 2k, e k= min(n,10), n= número de tentativas.
St = slot time, tempo necessário para transmitir 64 bytes.

Após 10 tentativas sem sucesso, o tempo de espera não é aumentado, e depois de 16 tentativas é gerada uma mensagem de erro.

5.2.4. Espaçamento entre quadros (Interframe spacing) e delimitação de quadros

O espaçamento entre quadros (Interframe spacing) é utilizado para definir o tempo mínimo entre o término da transmissão de um quadro e o início da transmissão de outro.

Os limites dos quadros podem ser determinados pela utilização de quatro métodos possíveis.

– Contagem de caracteres
– Caracteres delimitadores
– Utilização de flags
– Violação de códigos do nível físico

> Tratamento de erros

O principal erro é proveniente de colisões, logo podemos ter em mente alguns procedimentos para evitá-lo.

São eles:

● Diminuindo o comprimento da rede.
● Aumentando o tamanho da mensagem.

> Tipos de colisão

Podemos definir colisão como o evento decorrente do fato de se transmitir dois ou mais quadros no mesmo instante, no mesmo meio físico. Suas principais premissas são:

● Todas as estações podem detectar colisões.
● Um quadro que tenha sofrido colisão deverá ser retransmitido.

Classificamos as colisões em: simples ou múltipla.

● Colisão Simples: que foi detectada mas o quadro foi transmitido com sucesso na tentativa seguinte.
● Colisão Múltipla: ocorrência de várias colisões para o mesmo quadro, com sucesso na última transmissão.

Os tipos de colisão podem ser:

● Local: no cabeamento.
● Remota: quadro com comprimento inferior ao mínimo.
● Tardia: após os 64 bytes do quadro.

> Erros da Ethernet

Os erros mais comuns são:

● Colisão ou ¨runt¨: Transmissão simultânea que ocorre antes do slot time.
● Colisão tardia: Transmissão simultânea que ocorre depois do slot time.
● Jabber, quadros longos: Transmissão de comprimento proibido.
● Quadros pequenos: Transmissão de comprimento proibido.
● Erro de FCS: Transmissão com dados corrompidos.
● Erro de alinhamento: Número incorreto de bits transmitidos.
● Erro de tamanho: Diferença entre o número real e o relatado.

● Fantasma: Preâmbulo longo.
 

>  Autonegociação da Ethernet

A autonegociação é utilizada para garantir, automaticamente, a compatibilidade de parâmetros de interfaces de rede, como: taxa de transmissão (10 / 100 / 1000 Mbps) e modo de transmissão (Half ou Full-duplex).

5.2.9. Estabelecimento de um link, full-duplex e half-duplex

Os modos de operação de uma conexão Ethernet podem ser:

● Half-duplex: conexão que permite o tráfego nos dois sentidos, mas apenas em um sentido de cada vez.
● Full-duplex: conexão que permite tráfego em ambos os sentidos, simultaneamente.