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Ethernet (IEEE 802.3) y el modelo OSI

Ethernet

Ethernet utiliza topologías de bus o estrella y soporta velocidades de transferencia de datos de 10 Mbps (10-BaseT), 100 Mbps (10/100Base-T) o 1.000 Mbps (1Gbps).

La especificación Ethernet sirve como base para la norma IEEE 802.3 (que especifica la capa física y de software inferior del modelo OSI), utiliza el método de acceso CSMA/CD para manejar las demandas simultáneas y es uno de los estándares LAN más ampliamente implementados.

Para aplicaciones integradas, se utiliza normalmente para el monitoreo remoto o el control de datos, con velocidades de transferencia de 10 y 100 Mbps.

Un sistema típico se muestra en las Figuras 1 y 2. El controlador Ethernet puede ser un dispositivo independiente, autónomo o puede estar integrado con el microcontrolador PIC (MCU). El controlador transmite y recibe datos desde el cable y maneja el protocolo. Los controladores a menudo se dividen en dos partes: el Control de Acceso al Medio (MAC) y la Capa Física (PHY).

controlador ethernet independiente
Figura 1: Controlador Ethernet independiente

sistema ethernet
Figura 2: Sistema Ethernet integrado

Control de Acceso al Medio (MAC)
El MAC proporciona mecanismos de direccionamiento y control de acceso al canal para varios terminales o nodos de red, para comunicarse dentro de una red multipunto, típico de una red de área local (LAN). Como parte del control de acceso al canal, proporciona protocolo de acceso múltiple que permite una retransmisión automática cuando se produce una colisión. También emula un canal de comunicación full-duplex lógico en una red multipunto. Este canal puede proporcionar un servicio de comunicación multicast, unicast o broadcast.

Capa Física (PHY)
La PHY proporciona el medio de transmisión de los bits sobre un enlace de datos físico (por ejemplo, cable de par trenzado). El módulo PHY se conecta a un transformador de señal, que a su vez se conecta a la toma RJ-45. El controlador principal (MCU) recibe los datos desde el controlador y aplica las reglas de protocolo necesarias. El controlador principal también da formato a los datos de salida y los coloca en el buffer de transmisión del controlador Ethernet.

Aplicaciones
Este es un protocolo / interfaz asíncrono de Acceso Múltiple con Detección de Portadora y Detección de Colisiones (CSMA/CD), con un tamaño de carga de 46-1500 octetos.
Con velocidades de datos de decenas a cientos de megabits/segundo, por lo general no muy adecuado para aplicaciones de baja potencia. Sin embargo, con el despliegue universal, conectividad de internet, altas velocidades de datos y expansibilidad de rango ilimitado, tiene capacidad para casi todos los requerimientos de las comunicaciones cableadas.
Las aplicaciones potenciales incluyen:

  1. La teledetección y vigilancia.
  2. Mando a distancia, el control y la actualización de firmware.
  3. Transferencia masiva de datos.
  4. Enlaces en vivo de audio, video y medios de comunicación.
  5. Adquisición pública de datos (fecha/hora, cotizaciones de bolsa,
    comunicados de prensa, etc.)
Teoría de funcionamiento
Es un protocolo de capa de enlace de datos y capa física (capas del modelo OSI) definido por la especificación IEEE 802.3. Se presenta en muchas variantes, definidas por la velocidad de bits máxima, el modo de transmisión y el medio físico de transmisión.
  1. Tasa máxima de bits (Mbits / s): 10, 100, 1000, etc.
  2. Modo de transmisión de banda ancha, banda base.
  3. Medio físico de transmisión: cable coaxial, fibra, UTP, etc.

Pila de Protocolos del modelo OSI

La forma más fácil de entender el papel que Ethernet juega es mirando a una pila de protocolos, que describe un protocolo completo o conjunto de protocolos en un enfoque de capas (véase la figura 3).

Encapsulación de Marcos / Paquetes
Para entender cómo funciona, es necesario primero entender el concepto de encapsulación de paquetes, y cómo la pila de protocolos encaja en este concepto. Cada capa de la pila de protocolos es responsable de un determinado nivel de funcionalidad. Como ejemplo, la capa física se ocupa de la transmisión eléctrica real de bits a través de un medio. Cada capa superior en el modelo OSI utiliza las capas subyacentes de una manera muy independiente (es decir, las funciones entre las capas se superponen muy poco o nada).
Este enfoque por capas se realiza mediante el uso de encapsulación. Este concepto se puede explicar mejor utilizando el ejemplo que se muestra en la Figura 4. En este ejemplo se muestra cómo cada capa asociada con una sesión de navegador web se corresponde con el modelo OSI de la pila de protocolos.
A partir de la capa de aplicación, el navegador web generaría una petición HTTP utilizando un comando específico de la aplicación. Esta petición sería entonces transmitida a la capa TCP, la que construiría un paquete TCP que consiste en una cabecera TCP y los datos TCP. La cabecera TCP contiene información particular del protocolo TCP, tales como información de secuencia de paquetes, información de suma de comprobación y el número del puerto de fuente y destino (HTTP normalmente tiene un número de puerto de 80).

modelo osi
Figura 3 Pila de protocolos de Internet

A nivel de protocolo IP, un datagrama IP se construye para contener el paquete TCP. Similar al paquete TCP, el datagrama IP consta de una cabecera IP y datos IP. La cabecera IP contiene información como el tipo de servicio, información de suma de verificación, tipo de protocolo (06h paraTCP), y el origen y destino IP.
El campo de datos del datagrama IP contiene el paquete TCP completo a transmitir.
En la capa de enlace de datos / física, el datagrama IP se transporta a través de la red utilizando el protocolo IEEE 802.3. Un marco MAC (IEEE 802.3) consta de un encabezado MAC y una carga útil MAC (datos). La cabecera MAC contiene información acerca de la trama MAC, tales como la dirección MAC de la fuente, la dirección MAC de destino y la longitud de la trama. El campo de carga útil contiene el datagrama IP completo para ser transportado.
Tenga en cuenta que las diversas direcciones encapsuladas dentro de cada protocolo son diferentes, y por lo general, no tienen relación fija la una con la otra. En nuestro ejemplo, el paquete TCP utiliza un número de puerto, que se asigna típicamente basado en el protocolo de capa de aplicación (es decir, el puerto 80 para HTTP). El datagrama IP utiliza una dirección IP, que es estáticamente o dinámicamente asignada a partir de un conjunto de direcciones de Internet disponibles, y la trama MAC usa direcciones MAC, que se asignan a la pieza de hardware en particular.

ensapsulacion de datos
Figura 4: Encapsulación de datos

Protocolos de la capa de Aplicación
La capa de aplicación proporciona la interfaz de usuario. Cuando se utiliza en la parte superior de algunos protocolos de la capa inferior (UDP o TCP, protocolos de la capa de transporte), a los protocolos de la capa de aplicación se suele asignar un número de puerto.
Por ejemplo, los servidores HTTP son típicamente asociados con el puerto 80. Los siguientes son protocolos comunes de capa de aplicación asociados con la Internet:

  • Protocolo de Transferencia de Hipertexto (HTTP): Se utiliza principalmente para transferir los datos asociados con la navegación del World Wide Web.
  • Protocolo para la Transferencia Simple de Correo Electrónico (SMTP): Se utiliza para transporte de mensajes de correo electrónico a través de Internet.
  • Protocolo de Transferencia de Archivos (FTP): Se utiliza para transferir archivos u otras piezas de datos a través de Internet.
  • Sistema de Nombres de Dominio (DNS): Se utiliza para traducir nombres de dominio, como programarpicenc.com en direcciones IP.
  • Dynamic Host Configuration Protocol (DHCP): Se utiliza para asignar dinámicamente direcciones IP a un determinado nodo a partir de un grupo de direcciones IP disponibles.
  • Telnet: Se utiliza para establecer un sistema interactivo de conexión TCP a un nodo.
  • Simple Network Time Protocol (SNTP): Se utiliza para permitir a los nodos que sincronicen sus relojes con un reloj de referencia.
  • Simple Network Management Protocol (SNMP): Se utiliza para controlar los dispositivos conectados a la red para condiciones que requieren intervención, tales como fallas, etc.

Protocolos de la capa de Transporte
La capa de transporte esconde detalles dependientes de la red de las capas superiores, incluida la traducción de direcciones de transporte a direcciones de red, la secuenciación, la detección / recuperación de errores, etc.
Cuando se utilizan en la parte superior del protocolo IP, a los protocolos de la capa de transporte se les suele asignar un número de protocolo IP.
Los siguientes son protocolos de capa de transporte comunes asociados con la Internet:

  • Protocolo de Control de Transmisión (TCP): Provee comunicación fiable a las aplicaciones.
  • User Datagram Protocol (UDP): Proporciona alto rendimiento, pero la comunicación no es confiable para las aplicaciones.
  • Internet Control Message Protocol (ICMP): Se utiliza para enviar mensajes de estado o error en la red y / o nodo.

Protocolos de la capa de Red
La capa de red determina cómo son enrutados los mensajes en una red, incluyendo servicios QoS (Calidad de Servicio), la provisión de direcciones de red para la capa de transporte, etc.
Cuando se utilizan en la parte superior de la capa Ethernet, a los protocolos de la capa de red se les asigna típicamente un EtherType.
Los siguientes son protocolos comunes de capa de red asociados con la Internet:

  • Address Resolution Protocol (ARP): Se utiliza para traducir las direcciones de protocolo a direcciones de interfaz de hardware, tales como una dirección IP a una dirección MAC.
  • Reverse Address Resolution Protocol (RARP): Se utiliza para traducir las direcciones de interfaz de hardware a direcciones de protocolo, tales como una dirección MAC a una dirección IP.
  • Protocolo de Internet (IP): Protocolo de capa de red sin conexión utilizado por TCP, UDP, etc.

Protocolos de la capa Física / de Enlace de datos
La capa física proporciona la transmisión transparente de flujos de bits a través de conexiones físicas, incluyendo la codificación, multiplexación, sincronización, recuperación del reloj, la serialización, etc.
La capa de enlace de datos se refiere a la transmisiónde marcos (bloques) de una manera libre de errores, incluyendo la secuenciación de marcos, control de flujo de marcos, etc.
Ethernet es uno de los protocolos más comunes de la capa física / de enlace de datos.

 


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