1.05 Tecnologias de Ethernet e Cabeamento

Ethernet é o termo usado para uma família de padrões que definem a camada de acesso à rede do tipo de LAN mais comum hoje. Os vários padrões diferem em termos de velocidades suportadas, tipos de cabo e o comprimento dos cabos. O Instituto de Engenheiros Elétricos e Eletrônicos (IEEE) é responsável por definir os vários padrões desde que assumiu o processo em 1980.

Para facilitar a compreensão da Ethernet, as suas funções serão discutidas em termos de camadas de ligação de dados e física do modelo de referência OSI. (Lembre-se de que a camada de acesso à rede é uma combinação dessas duas camadas).

O IEEE define vários padrões na camada física enquanto divide as funções de Link de Dados nas duas subcamadas a seguir:

A subcamada de controle de acesso de mídia 802.3 (MAC)
A subcamada 802.2 Logical Link Control (LLC)

Embora vários padrões de camada física sejam diferentes e exigem alterações na camada, cada um deles usa o mesmo cabeçalho 802.3 e a subcamada 802.2 LLC.

As seções a seguir examinam o mecanismo de detecção de colisão usado pela Ethernet e como a Ethernet funciona nas duas camadas.

Detecção de colisão em Ethernet

O Ethernet é um método de acesso à mídia de contenção que permite que todos os hosts em uma rede compartilhem a largura de banda disponível. Isso significa que vários hosts tentam usar a mídia para transferir o tráfego. Se vários hosts enviam tráfego ao mesmo tempo, pode ocorrer uma colisão, resultando em perda dos quadros que colidiram. A Ethernet não pode evitar tal colisão, mas pode detectá-los e tomar ações corretivas para resolver. Ele usa o protocolo de Acesso Múltiplo com Detecção de colisão (CSMA / CD) para fazer isso. É assim que o CSMA / CD funciona:

Os hosts que procuram transmitir um quadro ouvem até que a Ethernet não esteja ocupada.
Quando a Ethernet não está ocupada, os hosts começam a enviar o quadro.
A fonte escuta para garantir que nenhuma colisão ocorreu.
Se ocorrer uma colisão, os hosts de origem enviam um sinal de interferência para notificar todos os host da colisão.
Cada host de origem aleatoriza um temporizador e aguarda muito antes de reenviar o quadro que colidiu.

CSMA / CD funciona bem, mas cria alguns problemas de desempenho porque:

Os hosts devem aguardar até que a mídia Ethernet não esteja ocupada antes de enviar quadros. Isso significa que apenas um host pode enviar quadros por vez em um domínio de colisão (como no caso de uma rede conectada a um hub). Isso também significa que um host não pode enviar ou receber ao mesmo tempo. Essa lógica é chamada de half-duplex.
Durante uma colisão, nenhuma dado é transmitido através da rede. Além disso, os hosts ofensivos devem esperar um tempo aleatório antes que eles possam começar a reenviar os quadros.

Muitas redes sofreram esse tipo de degradação do desempenho devido ao uso de hubs até que os switches se tornassem acessíveis. Na verdade, as estatísticas mostraram que qualquer coisa acima de 30% de utilização causou degradação do desempenho em Ethernet.

Lembre-se de que os switches alternam os sistemas de colisão fornecendo uma porta dedicada para cada host. Isso significa que os hosts conectados a um switch só precisam aguardar se o switch estiver enviando quadros destinados ao próprio host.

Half e Full Ethernet Duplex

Na seção anterior, você aprendeu sobre a lógica chamada Half Duplex em que um host só pode enviar ou receber ao mesmo tempo. Em uma rede baseada em hub, os hosts estão conectados em um modo half-duplex porque devem poder detectar colisões.

Quando os hosts estão conectados a um switch, eles podem operar em Full Duplex. Isso significa que eles podem enviar e receber ao mesmo tempo sem se preocupar com colisões. Isso é possível porque o duplex completo usa dois pares de fios em vez de um par. Usando os dois pares, é criada uma conexão ponto-a-ponto entre o transmissor do host para o receptor do switch e vice-versa. Assim, o host envia e recebe quadros através de diferentes pares de fios e, portanto, precisa listar para ver se ele envia quadros ou não. Você deve notar que CSMA / CD está desativado em ambas as extremidades quando o full duplex é usado.

Figura 1-17 Duplex completo

Além de eliminar colisões, cada dispositivo realmente consegue usar o dobro da largura de banda disponível porque agora possui a mesma largura de banda em ambos os pares de fios e cada par é usado separadamente para enviar e receber.

A Figura 1-17 mostra como o transmissor na placa de interface do host está conectado ao receptor na interface do switch enquanto o receptor na interface do host está conectado ao transmissor na interface do switch. Agora, o tráfego enviado pelo host e o tráfego enviado ao host têm um caminho dedicado com largura de banda igual. Se cada caminho tiver uma largura de banda de 100Mbps, o host recebe 200Mpbs de largura de banda dedicada ao switch. Em caso de half-duplex, haveria apenas um único caminho de 100Mbps que teria sido usado tanto para receber e enviar tráfego.

Ethernet na camada de ligação de dados

Ethernet na camada Data Link é responsável pelo endereçamento, bem como enquadramento dos pacotes recebidos da camada de rede e preparando-os para a transmissão real.

Endereçamento Ethernet

O Endereçamento Ethernet identifica um único dispositivo ou um grupo de dispositivos em uma LAN e é chamado de um endereço MAC. O endereço MAC é de 48 bits (6 bytes) de comprimento e está escrito é formato hexadecimal. Os dispositivos Cisco tipicamente o escrevem em um grupo de quatro dígitos hexadecimais separados por período, enquanto a maioria dos sistemas operacionais o escrevem em grupos de dois dígitos separados por dois pontos. Por exemplo, os dispositivos Cisco escreveriam um endereço MAC como 5022.ab5b.63a9 enquanto a maioria dos sistemas operacionais o escreveria como 50: 22: ab: 5b: 63: a9.

Um endereço unicast identifica um único dispositivo. Este endereço é usado para identificar a origem e o destino em um quadro. Cada placa de interface LAN possui um endereço MAC globalmente exclusivo. O IEEE define o formato e a atribuição de endereços.

Figura 1-18 Endereço MAC de 48 bits

Para manter os endereços exclusivos, cada fabricante de placas LAN recebe um código chamado identificador organizacionalmente exclusivo (OUI). A primeira metade de cada endereço MAC é a OUI do fabricante. O fabricante atribui a segunda metade do endereço enquanto assegura que o número não seja usado para qualquer outro cartão. O endereço MAC completo é então codificado em um chip ROM no cartão. A Figura 1-18 mostra a composição de um endereço MAC.

O endereço MAC também pode identificar um grupo de dispositivos. Estes são chamados de endereços de grupo. IEEE define os seguintes dois tipos de endereços de grupo:

Endereço de Broadcast - Este endereço tem um valor de FFFF.FFFF.FFFF e significa que todos os dispositivos na rede devem processar o quadro.
Endereço de Multicast - Os endereços de multicast são usados quando um quadro precisa ir para um grupo de hosts na rede. Quando os pacotes de multicast IP precisam viajar através de Ethernet, um endereço multicast de 0100.5exx.xxxx é usado onde xx.xxxx pode ser qualquer valor.

Enquadramento Ethernet

Quando a camada Data Link recebe um pacote da camada de rede para transmissão, ele deve encapsular o pacote nos quadros. Esses quadros são usados para identificar o dispositivo de origem e de destino pelo switch. Ele também diz ao host recebedor como interpretar os bits recebidos pela camada física.

Figura 1-19 Quadro IEEE (1997)

O enquadramento usado pela Ethernet mudou algumas vezes ao longo dos anos. A Xerox definiu o quadro original. Quando o IEEE assumiu a Ethernet no início dos anos 80, definiu um novo quadro. Em 1997, o IEEE finalizou a moldura Ethernet que tirou alguns componentes da definição Xerox e alguns do quadro original do IEEE. O quadro finalizado é mostrado na Figura 1-19.

Ethernet na camada física

A Ethernet foi originalmente implementada por um grupo composto por Digital, Xerox e Intel (DIX). O IEEE então assumiu e criou o padrão 802.3. Esta era uma Ethernet de 10Mbps que usava cabos coaxiais.

Alerta de exame: Ethernet é usado para descrever a família de padrão que inclui FastEthernet, Gigabit Ethernet, etc. Também é usado para descrever a variante de 10Mpbs também, que é simplesmente notada como Ethernet.

IEEE, em seguida, estendeu o comitê 802.3 para dois novos comitês conhecidos como 802.3u (FastEthernet) e 802.3ab (Gigabit Ethernet no cabo da categoria 5). Em seguida, criou um outro comitê conhecido como o 802.3ae (10Gbps sobre fibra e coaxial).

Por outro lado, a Associação das Indústrias Eletrônicas e a mais nova Aliança das Indústrias de Telecomunicações (EIA / TIA) é o corpo de padrões que cria as especificações da camada física para Ethernet. Ele especifica que um conector de tomada registrada (RJ) com uma seqüência de fiação de 4 5 em um cabeamento de par trançado não blindado (UTP) deve ser usado com Ethernet. Este cabo vem em categorias onde a categoria superior tem menos dos seguintes dois problemas associados a eles:

Atenuação - Esta é a perda de força do sinal à medida que percorre o comprimento do cabo. É medido em decibéis.
Crosstalk - Esta é a interferência de sinal indesejável de pares adjacentes no cabo.

O que isso significa é que o cabo da categoria 5 tem menores atenuações e diapositivos do que os cabos da categoria 3.

Agora que você conhece os organismos de padrões envolvidos e o que eles fizeram, é hora de analisar os vários padrões de Ethernet. A Tabela 1-3 lista os 3 padrões originais. Lembre-se de que cada padrão é diferente em termos de velocidade, cabo e comprimento máximo dos cabos.

Tabela 1-3 Normas Ethernet originais

Name	Speed	Cable Type	Max Cable length	Connector	Description
10Base2	10Mbps	Coaxial	185 meters	AUI	Known as thinnet, it can support up to 30 hosts in a single segment. A single collision domain across the network.
10Base5	10Mbps	Coaxial	500 meters	AUI	Known as thicknet, it can support up to 100 users in a single segment. A single collision domain across the network.
10BaseT	10Mbps	UTP	100 meters	RJ45	The first standard to use UTP cable with RJ45. A single host can be connected to a segment or wire. It required use of hubs to connect multiple hosts.

Tabela 1-4 Padrões Ethernet estendidos

Name	Speed	Cable Type	Maximum Cable Length	Connector
100BaseTX (IEEE 802.3u)	100 Mbps	UTP cat. 5, 6 or 7 two-pair wiring	100 meters	RJ45
100BaseFX (IEEE 802.3u)	100Mbps	Multimode Fiber	412 meters	ST or SC connector
1000BaseCX (IEEE 802.3z)	1000Mpbs	Copper twisted pair called twinax	25 meters	DE-9 or 8P8C
1000BaseSX(IEEE 802.3z)	1000Mbps	Multimode Fiber	220 meters	ST or SC connector
1000BaseLX(IEEE 802.3z)	1000Mpbs	Single mode Fiber	5km	ST or SC connector
1000BaseT(IEEE 802.3ab)	1000Mpbs	Cat 5 UTP	100 meters	RJ45

Cabeamento Ethernet

Ao conectar diferentes tipos de dispositivos entre si, são usados diferentes tipos de cabeamento. Os seguintes três tipos de cabos Ethernet existem:

Cabo direto (um cabo de conexão normal)
Cabo Crossover
Cabo rollover

Os três tipos de cabeamento são discutidos abaixo:

Straight-Though(direto) - Um cabo UTP tem 8 fios. Um straight-through usa 4 desses 8 fios. A Figura 1-21 mostra a configuração do fio em ambas as extremidades em um cabo direto. Observe que apenas os fios 1, 2, 3 e 6 são usados e se conectam diretamente ao número correspondente na outra extremidade.

Figura 1-21 Configuração do fio no cabo direto

Nota: Se você está se perguntando por que a configuração do fio é importante, lembre-se de que o transmissor em uma extremidade precisa se conectar ao receptor na outra extremidade. Se a configuração da fiação estiver incorreta, os bits enviados de uma extremidade não serão recebidos na outra extremidade.

Crossover - O cabo Crossover também usa os mesmos quatro fios que são usados no cabo direto, mas os pinos diferentes estão conectados aqui. A Figura 1-22 mostra a configuração dos fios em um cabo cruzado.

Figura 1-22 Configuração do fio no cabo Crossover

O cabo Crossover é usado para conectar:

Host para Host
Switch para Switch
Hub to Hub
Switch para Hub
Roteador para um host

Uma maneira fácil de lembrar isso é que dispositivos similares estão conectados entre si usando cabos cruzados.

Cabo rollover- Um cabo rollover não pode ser usado para qualquer conexão Ethernet. Ele é usado para conectar-se a uma porta de console do roteador ou a uma chave de comunicação serial (com) do seu host. Cada roteador e switch da Cisco possui uma porta de console usada para a configuração inicial. Todos os 8 fios são usados neste cabo e cada fio se conecta ao número oposto na extremidade (1 a 8, 2 a 7, 3 a 6 etc.). A Figura 1-23 mostra a configuração do fio.

Figura 1-23 Configuração do fio no cabo Crossover

Alerta de exame: os tipos de cabo e onde eles são usados são um tópico muito importante, não apenas para o exame CCNA, pois você verá perguntas sobre isso, mas também para sua carreira em redes.

Encapsulamento de dados no modelo TCP / IP

A última coisa que você precisa saber sobre o modelo TCP / IP é o processo de encapsulamento de dados e as PDUs. Como no caso do modelo de referência OSI, os dados são encapsulados em um cabeçalho (e reboque em caso de camada de rede) para criar uma Unidade de Dados de Protocolo (PDU) e é transmitida para a próxima camada. Embora esteja ciente do processo, você deve conhecer os nomes da PDU de cada camada. A PDU no modelo TCP / IP é:

Camada de Transporte -> Segmento
Camada da Internet -> Pacote
Camada de Acesso à Rede -> Quadro

A Figura 1-24 mostra o processo de encapsulamento no modelo TCP / IP.

Figura 1-24 Encapsulamento de dados no modelo TCP / IP