6.36: Ethernet

Objetivos de aprendizaje

• El ethernet es una red que soporta la transferencia de paquetes de información entre computadoras.

Figura 6.36.1 La arquitectura Ethernet consiste en un solo cable coaxial terminado en cada extremo por una resistencia que tiene un valor igual a la impedancia característica del cable. Las computadoras se conectan a Ethernet a través de una interfaz conocida como transceptor porque envía y recibe flujos de bits representados como voltajes analógicos.

Ethernet utiliza como medio de comunicación una sola longitud de cable coaxial (Figura 6.36.1). Este cable sirve como el “éter”, a través del cual viajan todos los datos digitales. Eléctricamente, las computadoras se interconectan con el cable coaxial a través de un dispositivo conocido como transceptor. Este dispositivo es capaz de monitorear la tensión que aparece entre el conductor central y el blindaje, así como aplicarle una tensión. Conceptualmente consiste en dos amplificadores operacionales, uno que aplica un voltaje correspondiente a un flujo de bits (transmisión de datos) y otro que sirve como amplificador de señales de voltaje Ethernet (recepción de datos). El conjunto de señales para Ethernet se asemeja al que se muestra en Conjuntos de señales BPSK, con una señal la negativa de la otra. Las computadoras están conectadas en paralelo, dando como resultado el modelo de circuito para Ethernet que se muestra en la Figura 6.36.1.

Ejercicio\(\PageIndex{1}\)

Desde el punto de vista del amplificador operacional que envía un transceptor, ¿cuál es la carga que ve y cuál es la función de transferencia entre este voltaje de salida y algún otro circuito receptor del transceptor? ¿Por qué debería ser grande la _{salida R de la} resistencia de salida?

Solución

El amplificador operacional de transmisión ve una carga o

\[R_{out}+Z_{0}\parallel \frac{R_{out}}{N} \nonumber \]

donde N es el número de transceptores distintos de éste conectados al cable coaxial. _{La función de transferencia al circuito receptor de algún otro transceptor es R dividido por esta carga.}

Figura 6.36.2 El circuito superior expresa un modelo de circuito simplificado para un transceptor. La resistencia de salida R _out debe ser mucho mayor que Z ₀ para que la suma de los diversos voltajes del transmisor se sume para crear el voltaje de conductor a blindaje Ethernet que sirve como la señal recibida r (t)$()$f o todos los transceptores. En este caso, se aplica el circuito equivalente que se muestra en el circuito inferior.

Ninguna computadora tiene más autoridad que ninguna otra para controlar cuándo y cómo se envían los mensajes. Sin la autoridad de programación, bien podría preguntarse cómo una computadora envía a otra sin la (gran) interferencia que producirían las otras computadoras si transmitieran al mismo tiempo. La innovación de Ethernet es que las computadoras se programan por un método de acceso aleatorio. Este método se basa en el hecho de que todos los paquetes transmitidos a través del cable coaxial pueden ser recibidos por todos los transceptores, independientemente de qué computadora pueda ser realmente el destinatario previsto. En terminología de comunicaciones, Ethernet soporta directamente broadcast. Cada computadora pasa por los siguientes pasos para enviar un paquete.

1. La computadora detecta el voltaje a través del cable para determinar si alguna otra computadora está transmitiendo.
2. Si otra computadora está transmitiendo, espere hasta que finalicen las transmisiones y vuelva al primer paso. Si el cable no tiene transmisiones, comience a transmitir el paquete.
3. Si la porción receptora del transceptor determina que ninguna otra computadora también está enviando un paquete, continúe transmitiendo el paquete hasta su finalización.
4. Por otro lado, si el receptor detecta interferencias de las transmisiones de otra computadora, inmediatamente cesará la transmisión, esperando una cantidad aleatoria de tiempo para intentar nuevamente la transmisión (vaya al paso 1) hasta que solo una computadora transmita y las otras difieran. La condición en la que dos (o más) transmisiones de computadoras interfieren con otras se conoce como colisión.

La razón por la que dos computadoras que esperan transmitir pueden no detectar la transmisión del otro surge inmediatamente debido a la velocidad de propagación finita de las señales de voltaje a través del cable coaxial. El tiempo más largo que cualquier computadora debe esperar para determinar si sus transmisiones no encuentran interferencia es\[\frac{2L}{c} \nonumber \] donde L es la longitud del cable coaxial. La especificación de longitud máxima para Ethernet es de 1 km. Suponiendo una velocidad de propagación de 2/3 la velocidad de la luz, este intervalo de tiempo es superior a 10 μs. Como se analiza en el Problema 22, el número de estos intervalos de tiempo requeridos para resolver la colisión es, en promedio, ¡menos de dos!

Ejercicio\(\PageIndex{1}\)

¿Por qué entra el factor de dos en esta ecuación? (Considere la peor situación de dos computadoras transmisoras ubicadas en los extremos de Ethernet).

Solución

La peor situación ocurre cuando una computadora comienza a transmitir justo antes de que llegue el paquete de la otra. Los transmisores deben detectar una colisión antes de que termine la transmisión de paquetes. El tiempo necesario para que el paquete de una computadora recorra la longitud de Ethernet y para que llegue la transmisión de la otra computadora equivale al tiempo de propagación de ida y vuelta, no unidireccional.

Así, a pesar de no tener vías de comunicación separadas entre las computadoras para coordinar sus transmisiones, el protocolo de acceso aleatorio Ethernet permite que las computadoras se comuniquen sin solo una ligera degradación en la eficiencia, medida por el tiempo que lleva resolver colisiones relativas al tiempo que se encuentra Ethernet utilizado para transmitir información.

Una consideración sutil en Ethernet es el tamaño mínimo de paquete P _min. El tiempo requerido para transmitir dichos paquetes es igual a\[\frac{P_{min}}{C} \nonumber \] donde C es la capacidad de Ethernet en bps. Ahora Ethernet viene en dos tipos diferentes, cada uno con especificaciones individuales, la más distintiva de las cuales es la capacidad: 10 Mbps y 100 Mbps. Si el tiempo mínimo de transmisión es tal que el inicio del paquete no ha propagado la longitud completa de Ethernet antes del final de la transmisión, es posible que dos computadoras comiencen la transmisión al mismo tiempo y, para cuando cesen sus transmisiones, el paquete del otro no tendrá propagado al otro. En este caso, las computadoras entre los dos sentirán una colisión, lo que hace que las transmisiones de ambas computadoras no tengan sentido para ellos, ¡sin que las dos computadoras transmisoras sepan que se ha producido una colisión en absoluto! Para que Ethernet tenga éxito, debemos tener el tiempo mínimo de transmisión de paquetes que exceda el doble del tiempo de propagación de voltaje:

\[\frac{P_{min}}{C}> \frac{2L}{c}\; or\; P_{min}> \frac{2LC}{c} \nonumber \]

Así, para la Ethernet de 10 Mbps que tiene una especificación de longitud máxima de 1 km, el tamaño mínimo de paquete es de 200 bits.

Ejercicio\(\PageIndex{1}\)

El Ethernet de 100 Mbps fue diseñado más recientemente que la alternativa de 10 Mbps. Para mantener el mismo tamaño mínimo de paquete que la versión anterior y más lenta, ¿cuál debería ser su especificación de longitud? ¿Por qué el tamaño mínimo del paquete debe seguir siendo el mismo?

Solución

El cable debe ser un factor de diez más corto: No puede superar los 100 m. Diferentes tamaños mínimos de paquetes significan diferentes formatos de paquetes, haciendo que la conexión de sistemas antiguos y nuevos entre sí sea más compleja de lo necesario.