Semestre 1 CCNA, Módulo 7

Módulo 7: Tecnologías de Ethernet

Descripción general

Ethernet ha sido la tecnología LAN de mayor éxito, en gran medida, debido a la simplicidad de su implementación, cuando se la compara con otras tecnologías. Ethernet también ha tenido éxito porque es una tecnología flexible que ha evolucionado para satisfacer las cambiantes necesidades y capacidades de los medios: Este módulo presenta los datos específicos de los tipos más importantes de Ethernet. El objetivo no es transmitir todos los hechos acerca de cada tipo de Ethernet sino desarrollar el sentido de lo que es común a todas las formas 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.

En estas versiones más rápidas de Ethernet, el direccionamiento MAC, CSMA/CD y el formato de trama no han sufrido cambios respecto de versiones anteriores de Ethernet. Sin embargo, otros aspectos de la subcapa MAC, la capa física y el medio han cambiado. Las tarjetas de interfaz de red (NIC) con base de cobre capaces de operar a 10/100/1000 están ahora entre las más comunes. Los switches y los routers con puertos de Gigabit se están convirtiendo en el estándar para los armarios de cableado. El uso de la fibra óptica que admite Gigabit Ethernet se considera un estándar para el cableado backbone en la mayoría de las instalaciones nuevas.

Los estudiantes que completen este módulo deberán poder:

* Describir las similitudes y diferencias entre las Ethernet 10BASE5, 10BASE2 y 10BASE-T.
* Definir la codificación de Manchester.
* Nombrar los factores que afectan los límites de temporización de Ethernet.
* Nombrar los parámetros de cableado 10BASE-T.
* Describir las características y tipos principales de Ethernet de 100 Mbps.
* Describir la evolución de Ethernet.
* Explicar los métodos MAC, los formatos de trama y el proceso de transmisión de Gigabit Ethernet.
* Describir los usos de los medios y la codificación específicos en Gigabit Ethernet.
* Identificar las salidas de pin y el cableado, típicos de las distintas implementaciones de Gigabit Ethernet.
* Describir las similitudes y diferencias entre Gigabit Ethernet y Ethernet de 10 Gigabits.
* Describir las consideraciones arquitectónicas básicas de Gigabit Ethernet y Ethernet de 10 Gigabits.

7.1 Ethernet de 10-Mbps y 100-Mbps

7.1.1 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.

En la figura se muestran los parámetros de operación para Ethernet de 10 Mbps. 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. Las 10BASE5, 10BASE2 y 10BASE-T todas comparten los mismos parámetros de temporización.Por ejemplo, 1 tiempo de bit a 10 Mbps = 100 nanosegundos = 0,1 µicrosegundos = 1 diez millonésima parte de un segundo.Esto significa que en una red Ethernet de 10 Mbps, 1 bit en la subcapa MAC requiere de 100 nseg para ser transmitido.

Para todas las velocidades de transmisión Ethernet igual o por debajo de 1000 Mbps, la transmisión no debe ser menor al margen de tiempo “Slot time”. El margen de tiempo es apenas mayor al tiempo, que en teoría, le tomaría a una transmisión desde un extremo de la red llegar 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 regrasar al origen como fragmentos de la colisión para su detección.

El proceso de transmisión anterior de Ethernet es idéntico hasta la parte inferior de la capa física OSI. Los datos de la trama de Capa 2 se convierten de números hexadecimales a números binarios. A medida que la trama pasa de la subcapa MAC 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 de señal (Signal Quality Error, SQE). La SQE es una transmisión del transceptor de respuesta al controlador para indicarle sobre la funcionabilidad de los circuitos de detección de colisiones. La SQE es conocida como “latido de corazón”. La señal SQE fue diseñada para corregir el problema en versiones anteriores de Ethernet, en las cuales el host desconocía si el transceptor estaba conectado. El SQE siempre se utiliza en half-duplex. Es posible utilizar el SQE en una operación en full-duplex pero no es necesario. El SQE está activo en la siguientes instancias:

* Dentro de los 4 a los 8 microsegundos después de una transmisión normal para indicar que se transmitió con éxito la trama saliente.
* Siempre que haya colisión en el medio.
* Siempre que haya una señal inadecuada en el medio, o las reflexiones causadas por un corto en el cable.
* Siempre que se haya interrumpido una transmisión.

Todas las formas de Ethernet de 10 Mbps toman octetos recibidos de la subcapa MAC y realizan un proceso denominado codificación de la línea. La codificación de la línea describe de qué manera los bits se transforman en señal en el cable. Las codificaciones más sencillas tienen una temporización y características eléctricas no recomendables. Por lo tanto, los códigos de línea se han diseñado para tener propiedades de transmisión recomendables. Esta forma de codificación utilizada en los sistemas de 10 Mbps se denomina codificación Manchester.

La codificación Manchester se basa en la dirección de la transición de borde en la mitad de la ventana de temporización para determinar el valor binario para dicho período de bits. La forma de la onda superior tiene un borde que cae, así se interpreta como 0. La segunda forma de onda muestra un borde ascendente que se interpreta como 1. En la tercera forma de onda, se da una secuencia binaria alternada. Con los datos binarios alternados, no hay necesidad de volver al nivel de voltaje previo. Como se puede observar en la tercera y cuarta forma de onda del gráfico, los valores binarios de bits están indicados por la dirección del cambio durante un período de bits dado. Los niveles de voltaje de la forma de la onda al comienzo o fin de cualquier período de bits no son factores al determinar valores binarios.

Ethernet antigua tiene características de arquitectura comunes. En general, las redes contienen varios tipos de medios. El estándar asegura que se mantenga la interoperabilidad. El diseño arquitectónico general es de suma importancia a la hora de implementar una red de medios mixtos. Resulta más fácil violar los límites máximos de retardo a medida que la red crece. Los límites de temporización se basan en parámetros tales como:

* La longitud del cable y su retardo de propagación.
* El retardo de los repetidores.
* El retardo de los transceptores.
* El acortamiento del intervalo entre las tramas.
* Los retardos dentro de la estación.

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.

7.1.2 10BASE5

El producto original para Ethernet del año 1980, 10BASE5 transmitía 10 Mbps a través de un solo cable bus coaxial grueso. 10BASE5 es importante porque fue el primer medio que se utilizó para Ethernet. 10BASE5 formaba parte del estándar original 802.3. El principal beneficio de 10BASE5 era su longitud. En la actualidad, puede hallarse en las instalaciones antiguas, pero no se recomienda para las instalaciones nuevas. Los sistemas 10BASE5 son económicos y no requieren de configuración, pero componentes básicos tales como las NIC son muy difíciles de encontrar así como el hecho de que es sensible a las reflexiones de señal en el cable. Los sistemas 10BASE5 también representan un único punto de falla.

10BASE5 hace uso de la codificación Manchester. Tiene un conductor central sólido. Cada uno de los cinco segmentos máximos de coaxial grueso puede medir hasta 500 m (1640,4 pies) de largo. El cable es grueso, pesado y difícil de instalar. Sin embargo, las limitaciones de distancia eran favorables y esto prolongó su uso en ciertas aplicaciones.

Debido a que el medio es un solo cable coaxial, solamente una estación puede transmitir al mismo tiempo, de lo contrario, se produce una colisión. Por lo tanto, 10BASE5 sólo transmite en half-duplex produciendo un máximo de 10 Mbps de transferencia de datos.

La Figura ilustra una posible configuración para un máximo dominio de colisión de punta a punta. Entre dos estaciones lejanas cualesquiera, sólo se permite que tres segmentos repetidos tengan estaciones conectadas, usando los otros dos segmentos repetidos solamente como segmentos de enlace para extender la red.

7.1.3 10BASE2

La tecnología 10BASE2 se introdujo en 1985. La instalación fue más sencilla debido a su menor tamaño y peso, y por su mayor flexibilidad. Todavía existen en redes de este tipo, como 10BASE5, la cual no es recomendable para la instalación de redes hoy en día. Tiene un costo bajo y carece de la necesidad de hubs. Además, las NIC son difíciles de conseguir para este medio.

10BASE2 usa la codificación Manchester también. Los computadores en la LAN se conectaban entre sí con una serie de tendidos de cable coaxial sin interrupciones. Se usaban conectores BNC para unir estos tendidos a un conector en forma de T en la NIC.

10BASE2 tiene un conductor central trenzado. Cada uno de los cinco segmentos máximos de cable coaxial delgado puede tener hasta 185 metros de longitud y cada estación se conecta directamente al conector BNC con forma de "T" del cable coaxial.

Sólo una estación puede transmitir a la vez, de lo contrario, se produce una colisión. 10BASE2 también usa half-duplex. La máxima velocidad de transmisión de 10BASE2 es de 10 Mbps.

Puede haber hasta 30 estaciones en cada segmento individual de 10BASE2. De los cinco segmentos consecutivos en serie que se encuentran entre dos estaciones lejanas, sólo tres pueden tener estaciones conectadas.

7.1.4 10BASE-T

10BASE-T fue introducido en 1990. 10BASE-T utilizaba cable de cobre (UTP) de par trenzado, no blindado de Categoría 3 que era más económico y más fácil de usar que el cable coaxial. Este cable se conectaba a un dispositivo de conexión central que contenía el bus compartido. Este dispositivo era un hub. Se encontraba en el centro de un conjunto de cables que partían hacia los PC, como los radios que parten desde el centro de una rueda. Esto se conoce como topología en estrella. Las distancias que los cables podían cubrir desde el hub y la ruta que se seguía al instalar los UTP comenzaron a utilizar, cada vez más, estrellas compuestas por estrellas: estructura que recibió el nombre de topología en estrella extendida. Al principio, 10BASE-T era un protocolo half-duplex pero más tarde se agregaron características de full-duplex. La explosión de popularidad de Ethernet desde mediados hasta fines de los 90 se produjo cuando Ethernet comenzó a dominar la tecnología de LAN.

10BASE-T usa la codificación Manchester también. Un cable UTP para 10BASE-T tiene un conductor sólido para cada hilo en un cable horizontal con una longitud máxima de 90 metros. El cable UTP 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. Los cuatro pares de hilos deberían utilizarse ya sea con la disposición de salida de los pins del cable T568-A o bien la T568-B. Este tipo de instalación de cables admite el uso de protocolos múltiples sin necesidad de volver a cablear. La Figura muestra la disposición de la salida de los pins para una conexión 10BASE-T. El par transmisor del lado receptor se conecta al par receptor del dispositivo conectado.

Half duplex o full duplex es la elección de configuración. 10BASE-T transporta 10 Mbps de tráfico en modo half-duplex y 20 Mbps en modo full-duplex.

7.1.5 Cableado y arquitectura de 10BASE-T

Los enlaces de 10BASE-T generalmente consisten en una conexión entre la estación y un hub o switch. Los hubs son repetidores multipuertos y cuentan en el número límite de repetidores entre las estaciones lejanas. Los hubs no dividen los segmentos de la red en distintos dominios de colisión. Como los hubs o repetidores solamente extienden la longitud de una red dentro de un solo dominio de colisión, existe un límite respecto de cuántos hubs pueden ser utilizados en dicho segmento. Los puentes y los switches dividen un segmento en dominios de colisión individuales, dejando que las limitaciones de los medios determinen la distancia entre los switches. 10BASE-T limita la distancia entre los switches a 100 m (328 pies).

Aunque los hubs pueden estar enlazados, es recomendable evitar esta disposición. Esto contribuye a evitar que se exceda el límite de retardo máximo entre las estaciones lejanas. Cuando se requiera del uso de múltiples hubs, es recomendable organizarlos de forma jerárquica, para así crear una estructura en forma de árbol. Mejorará el rendimiento si pocos repetidores separan las estaciones.

La Figura muestra un ejemplo de arquitectura. Son aceptables todas las distancias entre las estaciones. Sin embargo, la distancia total desde un extremo de la red hasta el otro lleva la arquitectura al límite. El aspecto más importante a considerar es cómo mantener el retardo entre las estaciones lejanas al mínimo, independientemente de la arquitectura y los tipos de medios utilizados. Un retardo máximo más corto brinda un mejor rendimiento general.

Los enlaces de 10BASE-T pueden tener distancias sin repetición de hasta 100 m. Aunque esta pueda parecer una distancia larga, por lo general se ve maximizada al cablear un edificio real. 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.

7.1.6 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.

Tres características comunes a 100BASE-TX y a 100BASE-FX son los parámetros de temporización, el formato de trama y algunas partes del proceso de transmisión. Tanto 100BASE-TX como 100BASE-FX comparten los parámetros de temporización. Tenga en cuenta que un tiempo de bit a 100-Mbps = 10 nseg = 0,01 microsegundos = 1 100-millonésima parte de un segundo.

El formato de trama de 100-Mbps es el mismo que el de la trama de 10-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.

7.1.7 100BASE-TX

En 1995, 100BASE-TX con un cable UTP Cat 5 fue el estándar que se convirtió en un éxito comercial.

Ethernet coaxial original utilizaba transmisión en half-duplex de modo que sólo un dispositivo podía transmitir a la vez. Sin embargo, en 1997, Ethernet se expandió para incluir capacidad de full duplex permitiendo que más de un PC transmitiera al mismo tiempo en una red. Cada vez más, los switches reemplazaban los hubs. Estos switches tenían la capacidad de transmitir en full duplex y de manejar rápidamente las tramas de Ethernet.

100BASE-TX usa codificación 4B/5B, que luego es mezclada y convertida a 3 niveles de transmisión multinivel o MLT-3. En el ejemplo, la ventana resaltada muestra cuatro ejemplos de forma de onda. La forma de la onda superior no presenta transición en el centro de la ventana de temporización. La ausencia de una transición indica que el binario 0 está presente. La segunda forma de onda presenta una transición en el centro de la ventana de temporización. La transición representa el binario 1. La tercera forma de onda muestra una secuencia binaria alternada. La ausencia de una transición binaria indica un binario 0 y la presencia de una transición indica un binario 1. Bordes ascendentes o descendentes indican unos. Cambios de señal muy pronunciados indican unos. Toda línea horizontal detectable en la señal indica un 0.

La Figura muestra la disposición de la salida de los pins para una conexión 100BASE-TX. Tenga en cuenta que existen dos diferentes rutas de transmisión-recepción. Esto es igual que en la configuración de 10BASE-T.

100BASE-TX transporta 100 Mbps de tráfico en modo half-duplex. En modo full-duplex, 100BASE-TX puede intercambiar 200 Mbps de tráfico. El concepto de full duplex se hace cada vez más importante a medida que aumentan las velocidades de Ethernet.

7.1.8 100BASE-FX

En el momento en que se introdujo Fast Ethernet con base de cobre, también se deseaba una versión en fibra. 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. Se introdujo 100BASE-FX para satisfacer esa necesidad. Sin embargo, nunca se adoptó con éxito la 100BASE-FX. Esto se debió a la oportuna introducción de los estándares de fibra y de cobre para Gigabit Ethernet. Los estándares para Gigabit Ethernet son, en estos momentos, la tecnología dominante en instalaciones de backbone, conexiones cruzadas de alta velocidad y necesidades generales de infraestructura.

La temporización, el formato de trama y la transmisión son todos comunes a ambas versiones de Fast Ethernet de 100 Mbps . 100BASE-FX también utiliza la codificación 4B/5B. En la Figura note la forma de onda resaltada en el ejemplo. La forma de onda superior no presenta transición, lo que indica la presencia de un binario 0. La segunda forma de la onda muestra una transición en el centro de la ventana de temporización. La transición representa el binario 1. En la tercera forma de onda hay una secuencia binaria alternada. En este ejemplo, resulta más obvio que la ausencia de una transición indica un binario 0 y la presencia de una transición, un binario 1.

La Figura resume un enlace y las salidas de pins para 100BASE-FX. El par de fibra con conectores ST o SC es el que se utiliza más comúnmente.

La transmisión a 200 Mbps es posible debido a las rutas individuales de Transmisión (Tx) y Recepción (Rx) de fibra óptica de 100BASE-FX.

7.1.9 Arquitectura de la 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.

Un repetidor Clase 1 puede introducir hasta 140 tiempos de bit de latencia. Todo repetidor que cambie entre una implementación de Ethernet y otra es un repetidor Clase 1. Un repetidor Clase II está restringido a menores retardos, 92 tiempos de bit, debido a que inmediatamente repite la señal entrante al resto de los puertos sin proceso de translación. Para lograr menor latencia, los repetidores Clase II deben conectarse a tipos de segmentos que usen la misma técnica de señalización.

Tal como sucede con las versiones de 10 Mbps, es posible modificar algunas de las reglas de arquitectura para las versiones de 100 Mbps. Sin embargo, no se permite casi ningún retardo adicional. La modificación de las reglas de arquitectura para 100BASE-TX no es recomendable. El cable para 100BASE-TX entre repetidores Clase II no puede superar los 5 metros. Con frecuencia se encuentran enlaces en Fast Ethernet que operan en half duplex. Sin embargo, no se recomienda el half duplex porque el esquema de señalización en sí es full duplex.

La Figura muestra las distancias de cable de la configuración arquitectónica. Los enlaces de 100BASE-TX pueden tener distancias sin repetición de hasta 100 m. El amplio uso de switches ha hecho que las limitaciones de distancia sean menos importantes. Como la mayoría de Fast Ethernet está conmutada, estos representan los límites prácticos entre los dispositivos.

7.2 Ethernet Gigabit y 10-Gigabit

7.2.1 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 balanceado de Categoría 5, o mejor.

Las 1000BASE-TX, 1000BASE-SX y 1000BASE-LX utilizan los mismos parámetros de temporización, como muestra la Figura . Utilizan un tiempo de bit de 1 nanosegundo (0,000000001 segundos) o 1 mil millonésima parte de un segundo. La trama de Gigabit Ethernet presenta el mismo formato que se utiliza en Ethernet de 10 y 100-Mbps. Según su implementación, Gigabit Ethernet puede hacer uso de distintos procesos para convertir las tramas a bits en el cable. La Figura muestra los formatos de trama para Ethernet.

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. Como los bits ingresan al medio por menor tiempo y con mayor frecuencia, es fundamental la temporización. Esta transmisión a alta velocidad requiere de frecuencias cercanas a las limitaciones de ancho de banda para los medios de cobre. Esto hace que los bits sean más susceptibles al ruido en los medios de cobre.

Estos problemas requieren que Gigabit Ethernet utilice dos distintos pasos de codificación. La transmisión de datos se realiza de manera más eficiente utilizando códigos para representar el corriente binario de bits. Los datos codificados proporcionan sincronización, uso eficiente del ancho de banda y mejores características de la Relación entre Señal y Ruido.

En la capa física, los patrones de bits a partir de la capa MAC se convierten en símbolos. Los símbolos también pueden ser información de control tal como trama de inicio, trama de fin, condiciones de inactividad del medio. La trama se codifica en símbolos de control y símbolos de datos para aumentar la tasa de transferencia de la red.

Gigabit Ethernet (1000BASE-X) con base de fibra utiliza una codificación 8B/10B que es similar a la del concepto 4B/5B. Entonces le sigue la simple codificación de línea Sin Retorno a Cero (NRZ) de la luz en la fibra óptica. Este proceso de codificación más sencillo es posible debido a que el medio de la fibra puede transportar señales de mayor ancho de banda.

7.2.2 1000BASE-T

Al instalar Fast Ethernet para aumentar el ancho de banda de las estaciones de trabajo, se comenzaron a crear cuellos de botella corriente arriba en la red. 1000BASE-T (IEEE 802.3ab) se desarrolló para proporcionar ancho de banda adicional a fin de ayudar a aliviar estos cuellos de botella. Proporcionó mayor desempeño a dispositivos tales como backbones dentro de los edificios, enlaces entre los switches, servidores centrales y otras aplicaciones de armarios para cableado así como conexiones para estaciones de trabajo de nivel superior. Fast Ethernet se diseñó para funcionar en los cables de cobre Cat 5 existentes y esto requirió que dicho cable aprobara la verificación de la Cat 5e. La mayoría de los cables Cat 5 instalados pueden aprobar la certificación 5e si están correctamente terminados. 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. 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. Como la información viaja simultáneamente a través de las cuatro rutas, el sistema de circuitos tiene que dividir las tramas en el transmisor y reensamblarlas en el receptor.

La codificación de 1000BASE-T con la codificación de línea 4D-PAM5 se utiliza en UTP de Cat 5e o superior.. Esto significa que la transmisión y recepción de los datos se produce en ambas direcciones en el mismo hilo a la vez. Como es de esperar, esto provoca una colisión permanente en los pares de hilos. Estas colisiones generan patrones de voltaje complejos. Mediante los complejos circuitos integrados que usan técnicas tales como la cancelación de eco, la Corrección del Error de Envío Capa 1 (FEC) y una prudente selección de los niveles de voltaje, el sistema logra una tasa de transferencia de 1Gigabit.

En los períodos de inactividad, son nueve los niveles de voltaje que se encuentran en el cable y durante los períodos de transmisión de datos son 17. Con este gran número de estados y con los efectos del ruido, la señal en el cable parece más analógica que digital. Como en el caso del analógico, el sistema es más susceptible al ruido debido a los problemas de cable y terminación.

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. La Figura representa la conexión full duplex simultánea en los cuatro pares de hilos. 1000BASE-T admite tanto las operaciones en half-duplex como las en full-duplex. El uso de 1000BASE-T en full-duplex está ampliamente difundido.

7.2.3 1000BASE-SX y LX

El estándar IEEE 802.3 recomienda Gigabit Ethernet en fibra como la tecnología de backbone de preferencia.

La temporización, el formato de trama y la transmisión son comunes a todas las versiones de 1000 Mbps. En la capa física, se definan dos esquemas de codificación de la señal. El esquema 8B/ 10B se utiliza para los medios de fibra óptica y de cobre blindado y la modulación de amplitud de pulso 5 (PAM5) se utiliza para los UTP.

1000BASE-X utiliza una codificación 8B/10B convertida en la codificación de línea sin retorno a cero (NRZ). La codificación NRZ depende del nivel de la señal encontrado en la ventana de temporización para determinar el valor binario para ese período de bits. A diferencia de la mayoría de los otros esquemas de codificación descriptos, este sistema de codificación va dirigido por los niveles en lugar de por los bordes. Es decir, determinar si un bit es un cero o un uno depende del nivel de la señal en vez del momento cuando la señal cambia de nivel.

Las señales NRZ son entonces 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. Debido al tiempo necesario para encender y apagar por completo el LED o el láser cada vez, la luz se pulsa utilizando alta y baja energía. La baja energía representa un cero lógico y la alta energía, un uno lógico.

El método de Control de Acceso a los Medios considera el enlace como si fuera de punto a punto. Como se utilizan distintas fibras para transmitir (Tx) y recibir (Rx) la conexión de por sí es de full duplex. Gigabit Ethernet permite un sólo repetidor entre dos estaciones. La Figura es un cuadro de comparación de medios de Ethernet 1000BASE

7.2.4 Arquitectura de Gigabit Ethernet

Las limitaciones de distancia de los enlaces full-duplex están restringidas sólo por el medio y no por el retardo de ida y vuelta. Como la mayor parte de Gigabit Ethernet está conmutada, los valores de las Figuras y son los límites prácticos entre los dispositivos. Las topologías de cadena de margaritas, de estrella y de estrella extendida están todas permitidas. El problema entonces yace en la topología lógica y el flujo de datos y no en las limitaciones de temporización o distancia.

Un cable UTP de 1000BASE-T es igual que un cable de una 10BASE-T o 100BASE-TX, excepto que el rendimiento del enlace debe cumplir con los requisitos de mayor calidad de ISO Clase D (2000) o de la Categoría 5e.

No es recomendable modificar las reglas de arquitectura de 1000BASE-T. A los 100 metros, 1000BASE-T opera cerca del límite de la capacidad de su hardware para recuperar la señal transmitida. Cualquier problema de cableado o de ruido ambiental podría dejar un cable, que en los demás aspectos cumple con los estándares, inoperable inclusive a distancias que se encuentran dentro de la especificación.

Se recomienda que todos los enlaces existentes entre una estación y un hub o switch estén configurados para Auto-Negociación para así permitir el mayor rendimiento conjunto. Esto evitará errores accidentales en la configuración de otros parámetros necesarios para una adecuada operación de Gigabit Ethernet.

7.2.5 10-Gigabit Ethernet

Se adaptó el IEEE 802.3ae para incluir la transmisión en full-duplex de 10 Gbps en cable de fibra óptica. Las similitudes básicas entre 802.3ae y 802.3, Ethernet original son notables. Esta Ethernet de 10-Gigabit (10GbE) está evolucionando no sólo para las LAN sino también para las MAN y las WAN.

Con un formato de trama y otras especificaciones de Capa 2 de Ethernet compatibles con estándares anteriores, 10GbE puede proporcionar mayores necesidades de ancho de banda que son interoperables con la infraestructura de red existente.

Un importante cambio conceptual en Ethernet surge con 10GbE. Por tradición, se considera que Ethernet es una tecnología de LAN, pero 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 la red óptica síncrona (SONET) y con redes síncronas de jerarquía digital (SDH). La operación a una distancia de 40 km hace de 10GbE una tecnología MAN viable. La compatibilidad con las redes SONET/SDH que operan a velocidades de hasta OC-192 (9.584640 Gbps) hace de 10GbE una tecnología WAN viable. Es posible que 10GbE compita con la ATM en ciertas aplicaciones.

En resumen, ¿cómo se compara 10GbE con otras variedades de Ethernet?

* El formato de trama es el mismo, permitiendo así la interoperabilidad entre todos los tipos de tecnologías antiguas, fast, gigabit y 10 Gigabit, sin retramado o conversiones de protocolo.
* El tiempo de bit es ahora de 0,1 nanosegundos. Todas las demás variables de tiempo caen en su correspondiente lugar en la escala.
* Como sólo se utilizan conexiones de fibra en full-duplex, el CSMA/CD no es necesario.
* Las subcapas de IEEE 802.3 dentro de las Capas OSI 1 y 2 se preservan en su mayoría, con pocos agregados para dar lugar a enlaces en fibra de 40 km e interoperabilidad con las tecnologías SONET/SDH.
* Entonces, es posible crear redes de Ethernet flexibles, eficientes, confiables, a un costo de punta a punta relativamente bajo.
* El TCP/IP puede correr en redes LAN, MAN y WAN con un método de Transporte de Capa 2.

El estándar básico que rige el CSMA/CD es IEEE 802.3. Un suplemento al IEEE 802.3, titulado 802.3ae, rige la familia de las 10GbE. Como es típico para las nuevas tecnologías, se están considerando una variedad de implementaciones, que incluye:

* 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.

La Fuerza de Tarea IEEE 802.3ae y la Alianza de Ethernet de 10 Gigabit (10 GEA) están trabajando para estandarizar estas tecnologías emergentes.

10-Gbps Ethernet (IEEE 802.3ae) se estandarizó en junio de 2002. Es un protocolo full-duplex que utiliza sólo fibra óptica como medio de transmisión. Las distancias máximas de transmisión dependen del tipo de fibra que se utiliza. Cuando se utiliza fibra monomodo como medio de transmisión, la distancia máxima de transmisión es de 40 kilómetros (25 millas). De algunas conversaciones recientes entre los miembros del IEEE, surge la posibilidad de estándares para una Ethernet de 40, 80 e inclusive 100 Gbps.

7.2.6 Arquitecturas de 10-Gigabit Ethernet

Tal como sucedió en el desarrollo de Gigabit Ethernet, el aumento en la velocidad llega con mayores requisitos. Una menor duración del tiempo de bit que resulta de una mayor velocidad requiere consideraciones especiales. En las transmisiones en 10 GbE, cada bit de datos dura 0,1 nanosegundos. Esto significa que habría 1000 bits de datos en GbE en el mismo tiempo de bit que un bit de datos en una corriente de datos en Ethernet de 10-Mbps. Debido a la corta duración del bit de datos de 10 GbE, a menudo resulta difícil separar un bit de datos del ruido. Las transmisiones de datos en 10 GbE dependen de la temporización exacta de bit para separar los datos de los efectos del ruido en la capa física. Este es el propósito de la sincronización.

En respuesta a estos problemas de la sincronización, el ancho de banda y la Relación entre Señal y Ruido, Ethernet de 10 Gigabits utiliza dos distintos pasos de codificación. Al utilizar códigos para representar los datos del usuario, la transmisión de datos se produce de manera más eficiente. Los datos codificados proporcionan sincronización, uso eficiente del ancho de banda y mejores características de la Relación entre Señal y Ruido.

Corrientes complejas de bits en serie se utilizan para todas las versiones de 10GbE excepto en 10GBASE-LX4, que utiliza la Amplia Multiplexión por División de Longitud de Onda (WWDM) para multiplexar corrientes de datos simultáneas de cuatro bits en cuatro longitudes de onda de luz lanzada a la fibra a la vez.

La Figura representa el caso particular del uso de cuatro fuentes láser de longitudes de onda apenas diferentes. Una vez recibida del medio, la corriente de señal óptica se desmultiplexa en cuatro distintas corrientes de señal óptica. Las cuatro corrientes de señal óptica entonces vuelven a convertirse en cuatro corrientes electrónicas de bits a medida que viajan, usando el proceso inverso a través de las subcapas hacia la capa MAC.

En la actualidad, la mayoría de los productos de 10GbE tienen forma de módulos, o tarjetas de línea, para agregar a los switches y a los routers de nivel superior. A medida que evolucionen las tecnologías de 10GbE, será posible esperar una creciente variedad de componentes para la transmisión de señales. A medida que evolucionen las tecnologías ópticas, se incorporarán mejores transmisores y receptores a estos productos, tomando ventaja adicional de la modularidad. Todas las variedades de 10GbE utilizan medios de fibra óptica. Los tipos de fibra incluyen fibra monomodo de 10µ y fibras multimodo de 50µ y 62.5µ. Admiten un rango de características de dispersión y de atenuación de la fibra, pero limitan las distancias de operación.

Aunque esta tecnología se limita a los medios de fibra óptica, algunas de las longitudes máximas para los cables son sorprendentemente cortas. No se ha definido ningún repetidor para Ethernet de 10 Gigabits ya que explícitamente no admite las conexiones half duplex.

Tal como sucede con las versiones de 10 Mbps, 100 Mbps y 1000 Mbps, es posible modificar levemente algunas de las reglas de arquitectura Los ajustes de arquitectura posibles están relacionados con la pérdida de la señal y distorsión a lo largo del medio. Debido a la dispersión de la señal y otros problemas, el pulso de luz se vuelve indescifrable más allá de ciertas distancias.

7.2.7 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 nuevas instalaciones de LAN. A tal punto que algunos llaman a Ethernet el "tono de marcación" de la LAN. Ethernet ha llegado a ser el estándar para las conexiones horizontales, verticales y entre edificios. Las versiones de Ethernet actualmente en desarrollo están borrando la diferencia entre las redes LAN, MAN y WAN.

Mientras que Ethernet de 1 Gigabit es muy fácil de hallar en el mercado, y cada vez es más fácil conseguir los productos de 10 Gigabits, el IEEE y la Alianza de Ethernet de 10 Gigabits se encuentran trabajando en estándares para 40, 100 e inclusive 160 Gbps. Las tecnologías que se adopten dependerán de un número de factores que incluyen la velocidad de maduración de las tecnologías y de los estándares, la velocidad de adopción por parte del mercado y el costo.

Se han presentando propuestas para esquemas de arbitraje de Ethernet que no sean CSMA/CD. El problema de las colisiones con las topologías físicas en bus de 10BASE5 y 10BASE2 y de los hubs de 10BASE-T y 100BASE-TX ya no es tan frecuente. El uso de UTP y de la fibra óptica con distintas rutas de Tx y Rx y los costos reducidos de los switches hacen que las conexiones a los medios en half-duplex y los medios únicos compartidos sean mucho menos importantes.

El futuro de los medios para networking tiene tres ramas:

1. Cobre (hasta 1000 Mbps, tal vez más)

2. Inalámbrico (se aproxima a los 100 Mbps, tal vez más)

3. Fibra óptica (en la actualidad a una velocidad de 10.000 Mbps y pronto superior)

Los medios de cobre e inalámbricos presentan ciertas limitaciones físicas y prácticas en cuanto a la frecuencia más alta con la se pueda transmitir una señal. Este no es un factor limitante para la fibra óptica en un futuro predecible. Las limitaciones de ancho de banda en la fibra óptica son extremadamente amplias y todavía no están amenazadas. En los sistemas de fibra, son la tecnología electrónica (por ejemplo los emisores y los detectores) y los procesos de fabricación de la fibra los que más limitan la velocidad. Los adelantos futuros de Ethernet probablemente estén dirigidos hacia las fuentes de luz láser y a la fibra óptica monomodo.

Cuando Ethernet era más lenta, en half-duplex, sujeta a colisiones y a un proceso "democrático" de prioridades, no se consideraba que tuviera las capacidades de Calidad de Servicio (QoS) necesarias para manejar cierto tipo de tráfico. Esto incluía por ejemplo la telefonía IP y el video multicast.

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. Esto hace que las potenciales aplicaciones de Ethernet sean aún más amplias. Irónicamente, la capacidad de QoS de punta a punta ayudó a dar un empuje a ATM para escritorio y a la WAN a mediados de los 90, pero ahora es Ethernet y no ATM la que está realizando este objetivo.