ETHERNET

La tecnología Ethernet.

Se conoce por Ethernet a una familia de tecnologías de red muy utilizadas en la actualidad. Básicamente la tecnología Ethernet define como enviar los datos a través del cable, como identificar los ordenadores remitente y destinatario, como determinar que ordenador debe usar el cable compartido en un momento dado y qué tipo de cable usar.

Para resolver estas cuestiones, Ethernet utiliza tramas de datos que contienen direcciones MAC para identificar los ordenadores de la red y para determinar que máquina debe acceder al cable en cualquier momento se utiliza un proceso llamado CSMA/CD.

Tramas Ethernet

Para que un PC pueda conectarse a una red es necesario disponer de una interfaz entre el PC y la red: la tarjeta de red o NIC. La NIC contiene un identificador único de 48 bits llamado dirección de control de acceso a medios o dirección MAC. La MAC está grabada en una memoria ROM de la NIC, no hay dos NIC con la misma MAC. La dirección MAC se representa en 12 caracteres hexadecimal (48 bits) 00-40-05-A0-7D-49. Los seis primeros dígitos representan el número de fabricante y los otros seis el número de serie.

¿Cómo se transmiten los datos en la red?

Cuando un PC quiere enviar un mensaje, su NIC divide el mensaje en pequeñas porciones llamadas tramas. Las tramas son una cadena de unos y ceros y que se representan de la siguiente forma:

El proceso recepción-envío básico es: Primero el software de red del PC emisor pasa los datos a su NIC. La NIC empieza a construir una trama para transportar esos datos a la NIC destinataria. Una vez construida la trama, la NIC espera a que el cable esté libre y envía la trama por el cable. La trama se traslada al concentrador, que crea copias de la trama y las envía a todos los demás PC de la red. Cada NIC recibe la trama y comprueba la dirección MAC. Si una NIC descubre que la trama va dirigida a ella, procesa la trama; si la trama no va para ella, la NIC la borra. El software del PC destino se encarga de extraer los datos de la trama.

Si no existieran las direcciones MAC, tendríamos un grupo de PC sin nombre en la red. Las redes Ethernet y 802.3 son redes de broadcast. Todas las estaciones ven todas las tramas. Cada estación debe examinar cada trama para determinar si esa estación es un destino.

¿qué sucede si tenemos ordenadores en diferentes redes?
Por ejemplo dos PC en diferentes ciudades, ¿Cómo se comunican?. Para esto necesitamos un dispositivo llamado enrutador o router.

Router

Permite interconectar dos PC que están en diferentes redes, usando un sistema de direcciones diferente a las direcciones MAC. Son las denominadas direcciones IP, que forman parte del conjunto de protocolos TCP/IP.

Lo importante ahora es que en una red TCP/IP cada PC tiene dos identificadores exclusivos: la dirección MAC que está grabada en la NIC y la dirección IP que está almacenada en el software del sistema.

CSMA/CD

Las redes Ethernet usan un sistema llamado CSMA/CD (Sentido de transmisión de acceso múltiple con detección de colisiones) para determinar que ordenador debe usar un cable compartido en un momento dado. Sentido del transportador significa que cada nodo que usa la red examina el cable antes de enviar una trama de datos. Si otro PC está usando la red, el nodo detectará tráfico en el segmento, esperará unos milisegundos y después volverá a comprobar. Si no detecta tráfico, el nodo envía su trama. Acceso múltiple significa que todas los PC tiene el mismo acceso al cable. 

¿Qué sucede si dos PC, escuchando los dos el cable, deciden simultáneamente que la línea está libre e intentan enviar una trama?

Sucederá una colisión y las dos transmisiones se pierden. Los dos PC detectarán el hecho de que ha ocurrido una colisión escuchando y comparando sus propias transmisiones. Si lo que escuchan no es lo mismo que han enviado es que se ha producido una colisión. En este momento se interrumpe la transmisión, los dos nodos esperan un tiempo aleatorio y vuelven a intentar la transmisión. 

Un término muy usado en Ethernet es el dominio de colisión. Un dominio de colisión es un grupo de nodos que escuchan el tráfico de cada uno de los otros. Si el domino de colisión es demasiado grande, empezará a haber problemas de tráfico que se manifiestan como lentitud de la red. Esa es una de las razones por las que las redes que las redes se dividen en grupos pequeños o subredes. 

Las colisiones son una parte normal del funcionamiento de una red Ethernet. Toda red Ethernet pierde cierta cantidad de anchura de banda disponible tratando con estas colisiones.

Extender la red: HUB y switch.

El HUB es un dispositivo sin capacidad de gestión alguna y consiste en una serie de puertos donde se conectan los equipos de la red siguiendo la topología de estrella. Los puertos de un hub son bidireccionales y su función es la de reenvío de los paquetes de información que le llegan por un puerto cualquiera hacia el resto de los puertos (broadcast), sin considerar si deben dirigirse hacia allí o no. 

Los HUBS pueden ser activos o pasivos. Los repetidores activos: amplifican y regeneran la señal, realizan la función de repetidor y permiten conectar equipos a distancias más elevadas. 

El problema de los HUB's es que no son dispositivos inteligentes. Como las tramas que llegan a un puerto se reenvían a todos los PC conectados, cuando se produzca una colisión, esta es escuchada o reenviada a todos los PC, aumentando de esta forma el tráfico en la red y disminuyendo el rendimiento. 

Se dice que el HUB es un dispositivo de capa 1 (Capa física), porque copia los bits y los reenvía sin ningún tipo de modificación de la información. 

El switch o conmutador es una evolución del HUB. El switch no reenvía las tramas que entran por un puerto a todos los demás, sino que lee la dirección MAC de destino y envía la trama al PC al cual va dirigida. El switch permite mejorar el rendimiento de una red al eliminar el tráfico innecesario y reducir al mínimo las probabilidades de que se produzcan colisiones. 

Cuando un switch empieza a trabajar en una red, memoriza todas las direcciones MAC de los paquetes que recibe y las asocia al puerto de entrada, reenviando los paquetes para todos los puertos, como si de un HUB se tratase. En el momento que todas las MAC están localizadas en los puertos correspondientes, cambia su comportamiento y activa su tabla de correspondencias, enviando ahora cada paquete únicamente por el puerto al cual está conectado el destinatario.

Se dice que el switch es un dispositivo de capa 2 (Capa de enlace), ya que trabaja con las direcciones MAC de los equipos.

Un nuevo Switch se puede conectar a otro Switch existente en la red, permitiendo a todos los equipos comunicarse entre sí. Al conectar el Switch, cada unidad necesitará solamente una conexión a la red. Si una unidad tiene más de una conexión, la configuración es incorrecta y se creará un bucle de red.

                                        
                                                                                                            

Los HUB/Switch incluyen este puerto diferenciado para facilitar su interconexión con otros concentradores. Uno de los puertos debe de ser un puerto Enlace ascendente/Normal (uplink).

¿Cómo identificamos el puerto uplink? 

Uno de los puertos del hub tiene una marca especial, mediante un botón se conmuta la función del conector diferenciando entre su uso como puerto normal o como puerto uplink. Este puerto es habitualmente el que tiene la numeración más alta en el dispositivo. Si no se dispone del puerto uplink basta con conectar los dos HUBS/Switch con un cable cruzado.

Protocolo TCP/IP

La familia de protocolos TCP/IP fue diseñada para permitir la interconexión entre distintas redes. El mejor ejemplo de interconexión de redes es Internet: se trata de un conjunto de redes unidas mediante routers. Lo que hace de TCP/IP el protocolo utilizado en Internet es que es válido para cualquier plataforma, sistema operativo y tipo de red.

Se trata de un protocolo de nivel 3 (Red). Es el encargado de hacer circular los paquetes generados en el nivel de transporte, para lo que añade las direcciones IP de origen y destino (campos de 4 bytes), lo que permite el encaminamiento de los mismos desde el equipo de origen al equipo de destino. En este nivel, los paquetes se transforman en datagramas, y el funcionamiento es en modo no fiable, es decir, no se garantiza la entrega de los datagramas ni su llegada en el orden de envío.

Direcciones IP

Todo host (ordenador) en una red debe tener una dirección IP exclusiva. Se trata de un número de identificación de 32 bits (4 bytes) o cuatro números entre 0 y 255 separados por un punto. Por ejemplo: 192.165.68.102.

(decimal) 128.10.2.30
(binario) 10000000.00001010.00000010.00011110

Estos números se introducen en cada host de la red, en Windows hay que acceder al cuadro de dialogo de Propiedades de TCP/IP:

Cada host conectado a una red tiene una dirección IP asignada, la cual debe ser distinta a todas las demás direcciones que estén vigentes en ese momento en el conjunto de redes visibles por el host. En el caso de Internet, no puede haber dos ordenadores con 2 direcciones IP (públicas) iguales. Pero sí podríamos tener dos ordenadores con la misma dirección IP siempre y cuando pertenezcan a redes independientes entre sí (sin ningún camino posible que las comunique).

Las direcciones IP se clasifican en:

• Direcciones IP públicas. Son visibles en todo Internet. Un ordenador con una IP pública es accesible (visible) desde cualquier otro ordenador conectado a Internet. Para conectarse a Internet es necesario tener una dirección IP pública.
• Direcciones IP privadas. Son visibles únicamente por otros hosts de su propia red (por ejemplo una oficina) y están aisladas de Internet, por lo que pueden repetirse en diferentes redes privadas. Los ordenadores con direcciones IP privadas pueden salir a Internet por medio de un router que tenga una IP pública. Sin embargo, desde Internet no se puede acceder a ordenadores con direcciones IP privadas.

A su vez, las direcciones IP pueden ser:

• Direcciones IP estáticas (fijas). Un host que se conecte a la red con dirección IP estática siempre lo hará con una misma IP. Las direcciones IP públicas estáticas son las que utilizan los servidores de Internet con objeto de que estén siempre localizables por los usuarios de Internet. Estas direcciones hay que contratarlas.
• Direcciones IP dinámicas. Un host que se conecte a la red mediante dirección IP dinámica, cada vez lo hará con una dirección IP distinta. Las direcciones IP públicas dinámicas son las que se utilizan en las conexiones a Internet mediante un módem. Los proveedores de Internet utilizan direcciones IP dinámicas debido a que tienen más clientes que direcciones IP (es muy improbable que todos se conecten a la vez).

¿Cuántas direcciones IP existen? 

Si calculamos 2 elevado a 32 obtenemos más de 4000 millones de direcciones distintas. Sin embargo, no todas las direcciones son válidas para asignarlas a hosts. Las direcciones IP no se encuentran aisladas en Internet, sino que pertenecen siempre a alguna red. Todas las máquinas conectadas a una misma red se caracterizan en que los primeros bits de sus direcciones son iguales. De esta forma, las direcciones se dividen conceptualmente en dos partes: el identificador de red y el identificador de host.

Dependiendo del número de hosts que se necesiten para cada red, las direcciones de Internet se han dividido en las clases primarias A, B y C. La clase D está formada por direcciones que identifican no a un host, sino a un grupo de ellos. Las direcciones de clase E no se pueden utilizar (están reservadas).

Difusión (broadcast). El término difusión (broadcast) se refiere a todos los hosts de una red. Una dirección de broadcast se utiliza cuando se quiere enviar información a todos los host de la red.

Multidifusión (multicast). Se refiere a varios hosts (aquellos que se hayan suscrito dentro de un mismo grupo). Permite enviar información a un grupo determinado de host de una red. Siguiendo esta misma terminología, en ocasiones se utiliza el término unidifusión para referirse a un único host.

Intranet. Red privada que utiliza los protocolos TCP/IP. Puede tener salida a Internet o no. En el caso de tener salida a Internet, el direccionamiento IP permite que los hosts con direcciones IP privadas puedan salir a Internet pero impide el acceso a los hosts internos desde Internet. Dentro de una intranet se pueden configurar todos los servicios típicos de Internet (web, correo, mensajería instantánea, etc.) mediante la instalación de los correspondientes servidores. La idea es que las intranets son como "internets" en miniatura o lo que es lo mismo, Internet es una intranet pública gigantesca.

Extranet. Unión de dos o más intranets. Esta unión puede realizarse mediante líneas dedicadas (RDSI, X.25, frame relay, punto a punto, etc.) o a través de Internet.

Internet. La mayor red pública de redes TCP/IP.

Mascara de subred. Una máscara de subred es aquella dirección que enmascarando nuestra dirección IP, nos indica si otra dirección IP pertenece a nuestra subred o no. La siguiente tabla muestra las máscaras de subred correspondientes a cada clase:

En una red de redes TCP/IP no puede haber hosts aislados: todos pertenecen a alguna red y todos tienen una dirección IP y una máscara de subred (si no se especifica se toma la máscara que corresponda a su clase). Mediante esta máscara un ordenador sabe si otro ordenador se encuentra en su misma subred o en otra distinta. 

Si pertenece a su misma subred, el mensaje se entregará directamente. En cambio, si los hosts están configurados en redes distintas, el mensaje se enviará a la puerta de salida o router de la red del host origen. Este router pasará el mensaje al siguiente de la cadena y así sucesivamente hasta que se alcance la red del host destino y se complete la entrega del mensaje.