LAN´s Rápidas

Fast Ethernet •

Se buscaba mantener el mismo método de acceso al medio y formato de tramas IEEE 802.3 pero a mayor velocidad.

•

En IEEE 802.3, dmáx = 2500 m (coaxil, 10 BASE 5, 5 segmentos, 4 repetidores), Tranura= 51.2μseg, rb = 10Mbps.

•

Tdelay= 512 bits, si rb = 100Mbps => debe disminuir la longitud máxima.

•

En arquitectura de hubs, 2 segmentos máximo, cada uno de 100 m. SIRVE.

•

100 BaseT.

•

Pero UTP Categoría 3 (OK 10 Mbps formato Manchester) no permiten la transmisión a 100Mbps con la misma codificación => cambiar para alcanzar 100Mbps.

•

UTP Categoría 5, BW = 100 Mhz

Distintas Alternativas para 100Mbps Nombre

Cable

Max. segm.

Características

Técnica de Señalización

100Base-T4

Par Trenzado 100 mts.

4 pares Cat. 3 UTP Half Duplex

8B6T

100Base-TX

Par Trenzado 100 mts.

2 pares Cat. 5 UTP Full Duplex

4B5B MLT-3

100Base-T2

Par Trenzado 100 mts.

2 pares Cat. 3 UTP Full Duplex

4B2Q

Modelo de Capas Inicial Capas Superiores Sub-Capa LLC

CS y CD

Capa de Enlace de datos

Sub-Capa MAC

MII Extracción de sincronismo y decodificación

Sub-Capa de Convergencia

Capa Física Sub-Capa Dependiente del Medio Físico

Medio de Transmisión

MII (Medium Independent Interface): No cambia con los distintos medios de transmisión. Los datos se entregan como nibbles, con el clock correspondiente. Señales: TXData, RxData, Enable Tx, ReceiveDataEnable, CollissionDetect, CarrierSense.

100 Base T4- 4 Pares Par 1 CS/C D

CS/C D

Par 2 Par 3 Par 4

DTE

Hu b

•

No comercial. Presentada al mismo tiempo que 100BASE TX, cuando 10 BASE T dominaba el mercado.

• •

Mantiene el uso de cables UTP Cat. 3 UTP o superior pero usa 4 pares (T4). Conectores RJ45.

•

Codificación 8B6T, previa a Tx. 8 bits -> 6 símbolos ternarios.

•

La tasa de bits es: 8 Tb = 2 T => r = ¼ rb = 25 Mbaudios en cada cable.

100 Base T4- 4 Pares • • • • • • • •

Se divide el flujo total en tres partes, usándose tres pares para transmitir en cada dirección y reducir la velocidad. DTE-Hub => pares 1,3 y 4; Hub-DTE => pares 2,3 y 4. Los pares 1 y 2 => detección de colisiones y sensado de portadora Emula 10BaseT. Los pares 3 y 4 => en modo bidireccional. En 10BaseT formato Manchester. Para 100 Mbps precisaríamos 200 MHz de ancho de banda. Se excede límite de BW del cable UTP Cat.3 ( unos 30 MHz) Solución: codificación de tres niveles 8B6T. Cada bloque de 8 bits => 6 símbolos ternarios (tres niveles) antes de Tx. La tasa de bits es: 8 Tb = 2 T => r = ¼ rb = 25 Mbaudios en cada cable.

100 Base T4 – 8B6T •

Símbolos ternarios => 36 = 729 palabras código.

•

Se precisan representar 256 valores (8 bits) => sobran 729-256=473 palabras.

•

Premisa: elegir 256 palabras de modo de eliminar la componente de continua y asegurar la sincronización del receptor (al menos dos transiciones ).

•

•

•

Eliminar componente de continua: usar palabras con un peso combinado 0 ó +1. Sólo 267 palabras cumplen con esta condición. Asegurar sincronismo: eliminar del grupo las que tienen menos de 2 transiciones (-5) y los que terminan o comienzan con 4 ceros consecutivos (-6). Así se seleccionan las 256 palabras que se usan en el código.

Byte de datos

Palabras de código / Peso

00

-+00-+

01

0-+-+0

..

......

..

......

FE

00+0+-

FF

00+-0+

100BaseT4 - Codificación 8B6T 10 111010

8 bits (1byte) a 100Mbps, (0x BA)

10nseg +V

40nseg

6 símbolos ternarios a 25Msímb/seg, (0 + 0 - + -)

Balance de Continua – Codificación Extra •

Presencia de palabras con peso +1 => una secuencia de estas palabras hace que el valor medio de la señal tiende a moverse del cero, causando errores en la recepción.

•

Para evitar esto => string de palabras código de peso +1 => invertir las palabras de forma alternada, de manera de obtener valor medio nulo. Por ejemplo: secuencia a transmitir

•

0+++-•

0+++--0+++--0+++--

Secuencia después de la inversión: 0+++--

0---++ 0+++--0---++

•

En el receptor se aplica el mismo procedimiento, es decir se invierten alternadamente los símbolos de peso +1.

•

El procedimiento se describe mediante un diagrama de estados.

Diagrama de Estados Balance de Continua

Start

W=0 TX sin cambios

W=1 TX sin cambios

Sum=1

Sum=0

W=0 TX sin cambios

W=1 TX invertido

W= Peso de la palabra de código

100BaseT4 -Secuencia de Codificación 8 bits

•

Para reducir la latencia de decodificación, cada byte se transmite según la secuencia de la figura.

•

Es decir que la secuencia de símbolos recibidos en cada par se puede decodificar independientemente.

100Mbps 1

2

3

4

5

6

1’

2’

2

3

4

5

6

25MTps

Latencia=2T

1

1

1T

2

3

4

25MTps 25MTps

Líneas Re-balanceadas Par 1 DTE

Par 3

CRC-3 CRC-4

E2

±± E3

±±

Suma=0 ±± Tiempo

Par 4

E1

±±

±±

±±

Función EOS completa EOS: End of Stream

Suma=1

E1

------

++++++

E2

---

++++

E3

--

+++

100BaseT4 - Secuencia del Preámbulo Minimizar el NEXT => codificar preámbulo en cada trama en dos niveles (+ y -), en lugar de tres como los datos. Esto permite separar las variaciones en amplitud en el extremo receptor, permitiendo discriminar entre la transmisión de una trama y el NEXT. SOS-1

SOS-1

SFD

Datos

Par 1 Segundo Byte

SOS-1 DTE

SOS-1

SFD

Datos

Par 3 Tercer Byte SOS-1

Par 4 Primer Byte

SFD

Datos

SOS= Start Of Stream SFD= Start Frame Delimiter

También permite detectar errores, ya que se requiere la detección de los tres SFD para declarar el comienzo de una trama.

100 Base T2 • • • • • •

• •

Objetivo: lograr transmisión 100 Mbps full dúplex sobre dos pares del cable Categoría 3. Problemas: Atenuación, alto nivel de interferencia propios del medio, BW. Ventaja: herramientas de procesamiento de señales digitales lo suficientemente avanzadas. Técnica: scrambling (mezclado) => Desparramo del espectro para reducir NEXT. Técnica de Mapeo a constelación PAM-5. Codificación 4B2Q. Codificación para controlar errores, reducir la velocidad de señalización para adaptarla al ancho de banda del cable (conformado del espectro) y proveer palabras extra para señalización de control, reducción de radiación y la provisión de suficientes transiciones para sincronismo, preservándose a la vez el balance de continua. Filtros digitales de RX para cancelación de eco, cancelación de NEXT, ecualización y supresión de interferencia. 100 BASE T2 no llegó a desarrollarse comercialmente, pero las técnicas propuesta sentaron las bases para 1000 BASE T.

100 Base TX •

Utiliza los mismos pares que 10 BaseT en transmisión y recepción (Pines 1,2 y 3,6), es decir 2 pares.

•

La distancia máxima sigue siendo 100 m.

•

Puede funcionar en half (100Mbps, hub) o full dúplex (200 Mbps, switch).

•

El cable debe ser Categoría 5 o superior.

•

Categoría 5 se usa en todas las instalaciones nuevas.

•

Codificación 4B5B y MLT-3

•

4B5B se usa también para fibra óptica (100BaseFX).

100BaseTX- Código 4B5B •

Implementado en el bloque PCS (Physical Coding Sublayer).

•

Mapeo: bloques de 4 bits de datos (nibbles) => palabras de 5 bits.

•

25 palabras de código y 24 nibbles => sobran 16 símbolos => se dispone de palabras para códigos de control.

•

Para mantener la sincronización => elegir aquellas palabras que tienen cada dos bits al menos una transición.

•

Se aumenta la velocidad de señalización en 5/4, llegando a 125Mbps

•

Palabras de código para funciones de control:

IDLE: (11111) Se envía cuando no hay datos a transmitir para sync con Rx (Interstream fill code) J/K (11000/10001) SOF se envía para indicar que termina el IDLE y comienzan los datos. T/R (01101/00111) Se envía para indicar que terminan los datos y comienza el IDLE. H (00100) Error, usado para forzar errores de señalización

100BaseTX - Código 4B5B Datos

Símbolo 5 bits

0000

11110

0

0001

01001

1

0010

10100

0011

Control

Símbolo 5 bits

IDLE

11111

2

J

11000

10101

3

K

10001

0100

01010

4

T

01101

0101

01011

5

0110

01110

6

R

00111

0111

01111

7

S

11001

1000

10010

8

QUIET

00000

1001

10011

9

1010

10110

A

HALT

00100

1011

10111

B

1100

11010

C

1101

11011

D

1110

11100

E

1111

11101

F

100BaseTX - Bloque MLT-3
FO usa codificación NRZI. Acá se usa un esquema parecido de tres niveles: MLT-3.
Reduce el ancho de banda aumentado por 4B5B en ¼.
Tiene las ventajas de NRZI pero menor ancho de banda.
MLT-3 => emite menos interferencia electromagnética y requiere menos BW que con otras codificaciones binarias o ternarias operando a la misma rb .
MLT-3 => va pasando de manera cíclica por los niveles -1, 0, +1, y 0. Se mueve al siguiente estado cuando se Tx un 1 y permanece en el mismo estado al Tx un 0. Como requiere 4 transiciones para completar un ciclo, la frecuencia fundamental se reduce en ¼.

NRZI: transición al Tx un 1

100BaseTX- Bloque MLT-3 • Si bit siguiente es 0 => Permanecer en el mismo nivel • Si bit siguiente es 1 => Transición :  Si anterior es +V => 0  Si anterior es –V => 0  Si anterior es 0 => Signo distinto al último anterior distinto de 0.

Bloque MLT-3
Cualquier palabra es una secuencia de –V, 0, +V repetida.
stop&go sine wave, 0 se codifica como stop y 1 como go. Se podrían detectar errores de la forma de patrones inválidos y un repetidor reemplazarlos por un símbolo especial de ¨trama corrupta¨.
Ejemplo: se desea TX 0E, 0000 1110, la codificación resulta 11110 11100 (4B5B) y, finalmente (MLT-3)

0

+V

0

0

-V

-V

+V

0

0

0

100BaseTX- Señal IDLE
Señal de Control IDLE.
Cinco “1´s” consecutivos

1

1

1

1

1


Codificados según el diagrama de estados.
El tráfico es en ráfagas => gran parte del tiempo se envía la señal IDLE (secuencia de 11111) en NRZI genera una señal de 125MHz. Al pasarlo a MLT-3 con 3 niveles, se reduce la frecuencia a la cuarta parte (31,25 MHz).

r = 125 Mbps/4 = 31.25 MHz


Esta señal produce una irradiación muy fuerte, mayor que los niveles permitidos para la aprobación de la FCC. Por ello es necesario distribuir la potencia irradiada mediante la técnica de Spread Spectrum.

Stream Cipher Scrambler Ciphertext Stream

Plaintext Stream

Key Stream

• • • •

Bit

Bit

Bit

Bit

Bit

Bit

Bit

1

2

3

8

9

10

11

El propósito de este bloque es distribuir la densidad espectral de potencia de manera uniforme. La entrada se indica como Plaintext Stream. La salida se indica como Ciphertext Stream. El scrambler suma módulo 2 la entrada con el Key Stream (seed, semilla) para producir el Ciphertext Stream.

Operación Full Duplex •

Full-duplex es un modo opcional de operación que permite comunicación simultánea entre un par de estaciones unidas por un enlace del tipo segmento punto a punto de cable trenzado o fibra.

•

Una ventaja es que se duplica la capacidad agregada del enlace. Por ejemplo un segmento half duplex Fast Ethernet de par trenzado permite alcanzar un ancho de banda de 100 Mbps, pero cuando se lo opera en modo full-duplex, el mismo segmento de par trenzado 100BASE-TX puede proveer un ancho de banda total de 200 Mbps.

•

Otra ventaja de la operación full-duplex es que la longitud máxima del segmento ya no queda limitada por los requerimientos de tiempo del canal compartido half duplex de Ethernet.

•

La única limitación es la de la capacidad del segmento.

•

El modo opcional full-duplex se especifica en el suplemento 802.3x, agregado al estándar IEEE 802.3 en marzo de 1997. 802.3x describe los métodos usados para operación full duplex y el conjunto opcional de mecanismos usados para control de flujo (MAC Control y PAUSE).

Operación Full Duplex • Los requerimientos establecidos en 802.3x son:  El sistema debe poseer caminos de Tx y Rx independientes que puedan operar simultáneamente.  Existen exactamente dos estaciones conectadas a un enlace punto a punto full-duplex. Como no hay contienda por el uso del medio compartido, los algoritmos de acceso múltiple son innecesarios (por ejemplo CSMA/CD)  Ambas estaciones deben ser configuradas en modo full-duplex, es decir que ambas interfaces Ethernet deben tener capacidad para Tx y Rx tramas al mismo tiempo. • Tx en modo full-duplex => ignorar el sensado de portadora, sólo esperar el período de IFG entre Tx de tramas por diseño de las interfaces Ethernet. • En modo full-duplex => ignorar cuaquier detección de colisión que provenga del trasceptor. • El algoritmo CSMA/CD usado en modo compartido half-duplex no puede usarse en modo full-duplex. En modo full-duplex ignora el sensado de portadora (CS), no hay acceso múltiple (MA) ya que existe sólo una estación en cada extremo del enlace y el canal entre ellas no se encuentra sujeto a contienda. Al no haber contienda, no hay colisiones, es decir que se ignora la detección de colisiones (CD).

Operación Full Duplex -Autonegociación •

•

•

Para asegurar una configuración correcta el estándar recomienda que se utilice la Auto-Negotiation siempre que sea posible para configurar automáticamente el modo full duplex. El soporte de Auto-Negotiation es opcional para la mayoría de los sistemas Ethernet . Sin embargo casi todos los switchs lo soportan. Cuando un segmento opera en modo full-duplex, la MAC CSMA/CD se encuentra apagada. Por ende, los límites de longitud del cable impuestos por el RTT no existen más. El único límite en el cableado es el impuesto por las propias características del cable.

Autonegociación •

Configuración automática del equipamiento Ethernet.

•

Permite seleccionar automáticamente velocidad y modo de funcionamiento.

•

Las especificaciones son parte del suplemento 802.3u Fast Ethernet al estándar IEEE (1995).

•

Basada en una configuración automática llamada NWay, que había sido inventada por National Semiconductor, y que era posible de ser soportada por cualquier interfaz Ethernet que usara par trenzado.

•

Autonegociación => intecambio de información sobre capacidades.

•

Autonegociación => sólo en segmentos con dos dispositivos y al inicio. Protocolo selecciona denominador común.

•

Utiliza un sistema de señalización especial.

Autonegociación •

Autonegociación utiliza señales Fast Link Pulses (FLP), una versión modificada de Normal Link Pulse (NLP) usadas para verificar integridad en el enlace 10BASE-T.

•

FLP´s se encuentran especificados para 10BASE-T, 100BASE-TX, 100BASE-T4, 100BASE-T2, 1000BASE-T.

•

FLP´s => ráfagas de 33 pulsos cortos (c/u de 100 nanosegundos => 2 ms). Tiempo entre ráfagas es el mismo que entre NLPs.

•

Dispositivo 10BASE-T supone estar recibiendo NLP => compatibilidad hacia atrás con dispositivos 10BASE-T que no soportan Autonegociación.

•

33 pulsos FLP = 17 con numeración impar (pulso información de clock) + 16 con numeración par (datos).

•

Se pueden Tx palabras de 16 bits (Link Code Words) con información para la Autonegociación. Se editan al inicializarse el enlace. Muchos sistemas completan la negociación en el primer mensaje, o página base.

Autonegociación

Autonegociación • • •

Bits D0 a D4: Selector Field, identifica el tipo de tecnología LAN. Para Ethernet, S0 va en 1, y los demás en 0. Bits D5 a D12: Technology Ability Field, indicados como A0 a A7, soporte (puede ser más de uno). Bit D13: Indicador de falla remota - Bit D14: ACK - Bit D15: Next Page

Autonegociación •

El estándar define prioridades, de mayor a menor son: • 1000BASE-T full-duplex • 1000BASE-T • 100BASE-T2 full-duplex • 100BASE-TX full-duplex • 100BASE-T2 • 100BASE-T4 • 100BASE-TX • 10BASE-T full-duplex • 10BASE-T

•

Si ambos soportan uso de PAUSE para control de flujo y, si el enlace queda habilitado para operación full-duplex, entonces se habilitará PAUSE.

•

Si no se puede detectar una tecnología en común, entonces el port se coloca en off.

Switch. Control de Flujo.


Las conexiones full duplex de SW´s en backbones pueden estar sobrecargadas de tráfico.




Cualquier SW tiene cierta capacidad en términos de ancho de banda interno y buffers.




Para evitar desbordes, los vendedores de SW´s han desarrollado una serie de mecanismos de control de flujo no estándares para segmentos half duplex. Estos mecanismos incluyen el uso de un burst corto de señal portadora Tx por el SW a las estaciones sobre el segmento half duplex, para que éstas detengan la Tx de datos cuando el buffer del port está lleno. Estos mecanismos sólo funcionan en modo half duplex.




En modo full duplex, se provee un control de flujo explícito por medio de las especificaciones opcionales MAC Control y PAUSE.




IEEE 802.3x Full-Duplex supplement.

Switch. Control MAC.


Mecanismo de control en tiempo real y para la manipulación de los procesos de Tx y Rx de tramas de la estación.




Protocolo que provee una forma de que la estación reciba una trama MAC Control y actúe según lo que la misma le diga. La operación es transparente a las funciones normales de control de acceso al medio.




Las nuevas tramas se identifican con un valor 0x8808 en el campo Type.




Contienen códigos operacionales (opcodes) de 2 bytes en el campo de datos. La longitud de la trama es fija e igual al mínimo de 46 bytes.




No hay mecanismo confiable, por lo tanto estas tramas pueden perderse o descartarse.

Switch. Operación Pause.

Switch. Operación Pause.


El sistema PAUSE de control de flujo => opcode es 0x0001.




Tx un comando PAUSE => dirección multicast destino 01-80-C2-00-00-01 reservada.




Normalmente una trama multicast Tx al SW se ReTx sobre todos los demás ports. Estas tramas no se ReTx.




Trama incluye un período de tiempo de pausa (entero de 2 bytes) medido en unidades de "quanta“.




Cada quanta equivale al tiempo de 512 bits (5.12μseg en 100 Mbps).




El rango puede variar entre 0 a 65.535 unidades (336 mseg).

Transición a Gigabit •

10Base-T, tecnología dominante en los 90. Half Duplex / CSMA/CD, repetidores (hubs), topología estrella, cable UTP.

•

Cable permitió el paso a Full Duplex, medio no es compartido, Tx y Rx en pares separados simultáneamente sin colisionar (no era posible con el coaxil).

•

Se abandonaron los principios de CSMA/CD. Se mantuvo IFG, tamaño de tramas y longitud capa física.

•

Full Duplex:       

Throughput agregado de 200Mbps. Distancia restringida por el medio, no por el protocolo. Punto a punto sin repetidores. Mayores velocidades, mejores equipos (SW) y mayor costo. MAC Control / PAUSE. Autonegociación. Cada port de un Switch tiene su propia MAC.

1000BASE-T

•

La idea es aprovechar la base instalada de Categoría 5.

•

1000BASE-T: half-duplex (CSMA/CD) y full-duplex 1000Mbps Ethernet.

•

Topología estrella, máximo 100 metros.

•

Mecanismo de Auto-Negociación de 100BASE-TX.

•

Desafíos de TX 1000 Mbps sobre 4 pares de Categoría 5:

    

Atenuación Eco Pérdidas de retorno Crosstalk Compatibilidad electromagnética.

1000BASE-T Técnicas. •

GMII: palabras de 8 bits, Tb = 1ns (1 Gbps), Tbyte = 1/8ns (125Mhz).

•

Bajar información de 1 Gbps a los 4 pares => cada par a 250Mbps.

•

Con 8 bits => 256 palabras posibles cada 8ns.  Con MLT-3 => se enviaría 1 símbolo (de 1 entre 3 niveles posibles) sobre cada par. Esto da 34 ( 81) posibles palabras. No cubre las 256 existentes.  Con 4 niveles => 44 (256) palabras posibles. No alcanza para palabras de control.  Codificar en 5 niveles (-2, -1, 0, +1, +2) => 54 = 625. Hasta 100% de redundancia y sobran 113 símbolos para señales de control.  Si no se usaran los símbolos -2 and +2 y para Tx sólo se usara un par, la salida sería como en 100Base-TX y esto es lo que permite implementaciones duales 100/1000 más sencillas.

1000BASE-T. Técnicas

Constelación de 4 dimensiones. Una palabra de 4 símbolos de entre 5 posibles, por vez (a 125 Msímbolos/seg). Cada símbolo de 2 bits de información. 125 Msímbolos/seg por cada par

•

1000Base-T, recogido en la revisión IEEE 802.3ab, es un estándar para LAN del tipo Gigabit Ethernet sobre par trenzado, aprobado en 1999.

•

4 pares (Idea tomada de 100BaseT4 ) Categoría 5 o superior para modo full duplex (Idea tomada de 100BaseT2)  Circuitos híbridos para separar Tx/ Rx.

•

Codificación PAM-5 para incrementar la cantidad de información enviada con cada símbolo. 125 Mbaud x 2 bits/baud x 4 pares = 1 Gbps. Idea tomada de 100BaseT2.

•

Codificación PAM-5. Cada símbolo representa uno de 5 niveles (-2, -1, 0, + 1, +2). Entonces cada símbolo podría representar más de 2 bits de información pero 4 niveles se usan para representar 2 bits y el nivel sobrante se usa para codificación FEC. De este modo la velocidad se reduce a la mitad: 250 Mbps por cable, se codifican a 125 Mbaudios, velocidad soportada por el cable. Este esquema implica una relación mayor de S/N para la misma Pbe y el uso de convertidores D/A y A/D multibit.

•

La combinación de los niveles de señal en los 4 pares define 1 constelación de 4 dimensiones. Por cada período de un símbolo se recibe un punto en la constelación.

1000BASE-T. Técnicas • •

La constelación es 4D ó 5x5x5x5. Su TX se vé afectada por el ruido. Se puede pensar en alguna forma de restricción en la codificación para aumentar la distancia entre símbolos. Se puede mejor entender este concepto para una constelación 2D PAM-5 con dmin ꞊ 1.

X ꞊{-1, +1}, Y ꞊{-2, 0, +2}

1000BASE-T. Técnicas •

En el caso de Gigabit Ethernet esta constelación es de 4 dimensiones, ya que cualquiera de los 4 pares puede estar transportando un símbolo X o Y. Es decir que, en cada transmisión, existen 16 combinaciones posibles trasladándose entre ambos extremos. Este conjunto puede ser reducido a 8 manteniendo una dmín=2 entre los símbolos sobre los 4 pares, de la misma manera que hicimos en el ejemplo.

X ꞊{-1, +1}, Y ꞊{-2, 0, +2} Constelación par dmin ꞊ (2)1/2

X ꞊{-1, +1}, Y ꞊{-2, 0, +2} Constelación impar dmin ꞊ (2)1/2

1000BASE-T Técnicas. • •

Si se arman las subconstelaciones 4D, se cumple que la dmín entre cualesquiera dos símbolos de una misma subconstelación o entre símbolos de distinta subconstelación es 2. Se pueden armar subconjuntos de constelaciones 4D, agrupando los símbolos de la siguiente manera: D0, D1, D2, D3, D4, D5, D6, D7.

1000BASE-T Técnicas. • • • • • •

Se puede demostrar que la distancia al cuadrado entre dos símbolos en una subconstelación es al menos 4. Por ejemplo, D4: XYYX + YXXY se corresponde con +1,-2,+2,-1 y 0,-1,+1,0 Entonces: dD4 = (+1 - 0)2 + (-2 +1)2 + (+2 - 1)2 + (-1 - 0)2= 1+1+1+1=4 Con mayor distancia: D0: XXXX + YYYY => -2, -2, 0, -2 y 0,0,-2,0 dD0=8. D0 (YYYY específicamente) se corresponde a la señal IDLE Esta forma de definir el mapeo de los símbolos a las sub-constelaciones determina las transiciones del Trellis del esquema de codificación convolucional que se utiliza para la transmisión

1000BASE-T PAM-5 vs MLT-3

• • • • •

PAM-5: Se reduce la apertura vertical del ojo en 50%. MLT-3: Tensión de ruido para causar símbolo errado es 6 dB menos que en una señal binaria. PAM-5: Tensión de ruido para causar símbolo errado es 6 dB menos que en una señal MLT-3. PAM-5 sobre 4 pares => constelación de 4 dimensiones. Se usan 4 niveles para codificar 2 bits de datos y el quinto nivel se utiliza para proveer redundancia para FEC PAM-5: FEC Trellis (4-Dimensional 8-State) en combinación con decodificación Viterbi. Esto mejora la S/N en 6 dB.

1000BASE-T Técnicas.

1000BASE-T. Técnicas •

Ecualización: se usa para compensar la distorsión que introduce el canal (ISI). Es digital y se realiza con un filtro FIR. Sin embargo, los ecualizadores lineales afectan la densidad espectral de potencia de ruido.

•

La ecualización no lineal por medio de DFE (Decision Feedback Equalizer) provee mejor ecualización de señal, no modifica el ruido pero es proclive a generar propagación de errores. Una solución a este problema sería usar múltiples DFE´s. Se asegura una tasa de error de 10-10.

•

Scrambling se usa para aleatorizar la secuencia de símbolos Tx y evitar la presencia de líneas espectrales. Al crear símbolos no correlacionados temporal y espacialmente, mejora la operación del RX adaptivo. De esta manera, la potencia radiada por el canal parece ruido y el crosstalk no está correlacionado con la señal TX ( “decorrelación espacial”).

•

Los circuitos híbridos posibilitan TX bi-direccional sobre el mismo par ya que separan la señal de TX en el RX. De esta forma minimizan la cantidad de señal TX que se acopla en el RX pero no pueden eliminarla completamente. Se requiere de canceladores de eco en cada par para remover la señal de eco de la TX.

•

Usa técnicas de conformación de pulsos para condicionar el espectro de TX.

1000BASE-T Técnicas. • •

La Tx se completa con un scrambler, LFSR de 33 bits. O sea 233-1 bits (8589934591) bits antes de que el patrón se repita. En 100Base-TX son sólo 2047bits. Las dos partes en el link 1000BASE-T se denominan Master y Slave. El Master es la fuente del clock. El Slave recupera el clock del Master y lo usa para Tx y Rx, dependiendo esta relación del Control Físico y la Auto-Negociación.

1000BASE-T PCS

PMA

125 Mbaud

x 2bit/baud

x 4 pares

= 1 Gbps

NEXT: Near End Crosstalk FEXT: Far End Crosstalk

1000BASE-T. Half Duplex – Trama mínima •

El tiempo necesario para Tx una trama es inversamente proporcional a rb. (L/ rb)

•

A 100 Mbps, la trama mínima se Tx en aproximadamente 1/10 del tiempo de ranura de Ethernet. Es muy difícil detectar colisiones en este caso. La solución consiste en reducir a la décima parte el diámetro de la red (de 2500 m a 200 m aproximadamente).

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En el caso de Gigabit Ethernet se presenta el mismo problema, pero reducir el diámetro a 20 m es una solución impráctica. En este caso se prefirió mantener el diámetro constante pero modificar el tamaño de la trama mínima.

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La trama mínima se modifica en Gigabit Ethernet: 520 bytes.

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A aquellas tramas que sean más cortas que la longitud mínima se las rellena con un campo sin datos, de longitud variable, llamado Campo de Extensión, que se remueve en el proceso de Rx.

1000BASE-T. Half Duplex – Trama mínima

1000BASE-T. Half Duplex – Frame bursting •

Otro cambio a la especificación Ethernet CSMA/CD es el agregado de frame bursting, que permite a la capa MAC Tx una secuencia corta ( burst) de tramas de aproximadamente 5.4 veces la longitud de trama máxima sin contienda.

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En la Tx frame bursting, se rellenan los intervalos entre tramas con bits de extensión para que las demás estaciones en la red vean que la misma está ocupada y no intentan Tx sino hasta después que el burst se haya completado.

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Si la longitud de la primer trama es menor que la longitud de trama mínima, se agrega el Campo de Extensión. Las tramas subsiguientes de la secuencia no precisan llevar Campo de Extensión.

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El burst puede continuar siempre que no se exceda el límite de burst.

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En vez de modificar el tamaño de trama máxima para que tuviera sentido frente al cambio de trama mínima, se eligió la técnica de frame bursting para mantener compatibilidad con la tecnología existente.

1000BASE-T. Half Duplex – Frame bursting

Puentes


Dispositivos de comunicaciones que operan principalmente a nivel 2 del Modelo OSI. Por comparación, un Hub es un dispositivo de capa física.




Disponibles comercialmente a partir de principio de los 80.




Se utilizan para conectar dos redes, ya sea del mismo tipo o de diferente tipo, permitiendo el re-envío de tramas entre las mismas.




Al principio los Bridges Transparentes se encontraban principalmente en entornos Ethernet, mientras que los denominados Bridges de Ruteo de Fuente dominaban el entorno Token Ring.




Tener en cuenta que, conectar dos redes diferentes significa realizar una traducción entre formatos y formas de acceso (p. e. al conectar una Ethernet a una Token Ring).




En Nivel 2 del Modelo OSI cumplir funcionalidades relacionadas con el control de flujo, control de errores, direccionamiento físico y acceso al medio.




Generalmente un Bridge analiza las tramas entrantes, efectúa decisiones de re-envío basadas en la información obtenidas de las tramas y re-envía la trama a su destino.

Puentes








En caso de Ruteo de Fuente, todo el camino hacia el destino se encuentra explicitado en la trama. En caso de ruteo transparente, la trama se re-envía en la modalidad de un salto por vez hacia destino. Los Bridges son capaces de realizar una funcionalidad de filtrado de trama a Nivel 2. Por ejemplo se podrían configurar para rechazar (no re-enviar) tramas según ¨reglas¨basadas en determinados campos de una trama. Así, un Bridge podría rechazar tramas provenientes de una red determinada. También podría rechazar tramas según el valor del campo Tipo, o filtrar tramas de Broadcast/ Multicast. Al re-enviar sólo cierto porcentaje de tráfico, se disminuye la carga en el segmento. Los Bridges permiten extender la longitud de una LAN, conectando estaciones alejadas que antes no podían acceder. En general poseen pocos puertos.

Puentes Transparentes – Self Learning





Se denominan así ya que su presencia y operación es transparente para las estaciones. Cuando el puente se enciende, aprende la localización de las estaciones analizando las direcciones fuente de las tramas entrantes provenientes de cada una de las redes conectadas al mismo. Por ejemplo, si un puente ve una trama proveniente del Host A sobre el port 1, entiende que el Host A es alcanzable a través del segmento conectado al port 1. De esta manera, el puente construye una tabla. El proceso se conoce como self-learning.

Puentes Transparentes


El puente usa la tabla como base de consulta para el re-envío de tramas.




Cuando recibe una trama en una de sus interfaces, busca la dirección destino en la tabla. Si dicha dirección aparece en la tabla, la trama se re-envía por el port que indica la misma. Si no se encuentra, la trama se re-envía por todos los ports excepto el entrante (Inundación durante fase self-learning).




Las tramas de broadcast y multicast también se re-envían de esta manera (Inundación).




La actualización por cambios en la red se realizan por medio de un temporizador de inactividad. Si durante ese intervalo no se RX tramas de la estación, se elimina la entrada de la BdD. Si se RX una trama de una estación que ha sido eliminada, se pasa por el proceso de self-learning. El temporizador tambien evita que la BdD crezca indefinidamente.




De esta manera, se logra aislar el tráfico entre segmentos, reduciendo la carga sobre cada segmento individual. Esto se conoce como Filtrado y ocurre cuando las direcciones MAC fuente y destino se encuentran sobre el mismo port.




El Filtrado generalmente mejora los tiempos de respuesta de la red para el usuario, según el volumen de tráfico entre segmentos y de tramas broadcast y multicast.

Evolución Puente a Switch


Un Switch (SW) es un dispositivo de conexión que trabaja a nivel de capa de enlace. Permite el intercambio simultáneo de tramas entre un gran número de estaciones.




Conceptualmente es similar a un conjunto de bridges funcionando en paralelo con un backplane común.




El switch inspecciona cada trama entrante, lee su dirección destino y determina el port de salida apropiado consultando una tabla interna. Si el port de salida se encuentra disponible, la trama se re-envía de inmediato. Esta aproximación se conoce con el nombre “cut-through” y permitió reducir la latencia inherente a la mayoría de las arquitecturas de bridge que son del tipo store & forward.




Si el port de salida no está disponible, el SW almacena la trama y la re-envía cuando el port de salida se libera.




De esta manera, la forma de trabajo se adapta entre cut-through switching y store-andforward bridging, automáticamente en una base por trama.




La decisión de re-envío se basa en la dirección MAC. En este sentido, comparado con un router, el dispositivo es más rápido.

Switch


Un SW aprende qué dispositivos LAN se encuentran en cada port, identificándolos por su dirección MAC. El aprendizaje es dinámico y esto es muy importante puesto que:

 Los dispositivos pueden cambiar de port.  El hardware de Interfaz puede cambiar y entonces cambia la dirección MAC del dispositivo.  Cambios de topología podría interpretarse como cambios o movimientos entre ports.


De este modo, hay una relación única entre dirección unicast / interfaz de un dispositivo / port del SW.

Switch • El filtrado de paquetes y la regeneración de los re-enviados permite que un SW divida la red en diferentes dominios de colisión, la pueda extender a mayor distancia, le permita agregar nuevos nodos y bajar muchísimo la cantidad de colisiones. Se habla de Microsegmentación

Switch. Microsegmentación.








Se denomina Microsegmentación a la situación de tener un único dispositivo por port. Así, a cada dispositivo se le otorga la capacidad completa de la LAN para su propio uso. De este modo se evita una de las causas primarias de congestión en LAN. El problema de congestión se traslada al SW. Sería posible que se produjera una situación de congestión sobre un port si muchos dispositivos están intentando comunicarse con un mismo host. Hay dos soluciones a este problema. Dar mayor ancho de banda a aquellos dispositivos sobre los cuales converge el tráfico (típicamente servers). Conectar a un mismo dispositivo múltiples ports.

SW. Microsegmentación








En Ethernet la comunicación es half-duplex. Así era posible en coaxil. En 10BASE-T existen pares separados par Tx y Rx. Dado que los dispositivos comparten el medio, la indicación de colisión consiste en detectar presencia señal en el cable de Rx mientras se Tx. En un entorno microsegmentado, sólo un dispositivo en cualquier momento puede encontrarse deseando usar el cable dado que existe una única estación conectada a cada port del SW. Sólo ella Tx al SW mediante el par de Tx y sólo el SW le contesta mediante el par de Rx. No existe contienda por el medio y, por lo tanto, no se precisa detectar colisiones, ni ejecutar el algoritmo de backoff. También es posible la comunicación full duplex.

Switch. Full Duplex.













Al Tx en full duplex, se duplica la velocidad de transferencia de los datos. Full-duplex no es posible con los repetidores hub tradicionales. Generalmente el uso del ancho de banda por parte de las estaciones de trabajo es asimétrico, mientras que los dipositivos que mayor ventaja pueden obtener de la posibilidad full duplex, son los servidores. Una aplicación que se beneficiaría con full duplex es, por ejemplo, video conferencia. Otra ventaja de full duplex es que la longitud máxima del segmento no se encuentra limitada por los requerimientos de tiempo (2T) a los que está sujeta el canal compartido half duplex Ethernet. El modo de operación full duplex es opcional y se encuentra especificado en 802.3x , suplemento del estándar IEEE 802.3. También describe un conjunto de mecanismos opcionales usados para control de flujo sobre enlaces full duplex. Estos mecanismos se denominan MAC Control y PAUSE. Al enviar una trama en modo full duplex, la estación ignora el sensado del medio y no se detiene por sensado de tráfico en el cable de Rx. Sin embargo, antes de Tx, la estación debe esperar un tiempo, conocido como Interframe Gap Period, IGP. Las placas Ethernet se diseñan para respetar un tiempo IGP entre dos Tx sucesivas de tramas. En el modo de operación full duplex se ignora cualquier detección de colisión. Resumiendo: no hay CS ni MA, ni CD.

Switch. Full Duplex, Distancias


Dado que no existe más la restricción de round-trip time, el único límite en la longitud del cable, es aquel impuesto por las características de Tx del mismo. Por este motivo, algunos segmentos full duplex pueden ser más largos que los segmentos half duplex.




En el caso de par trenzado no es posible extender la distancia y la longitud máxima recomendada es de 100 metros para UTP (10BASE-T, 100BASE-TX y 1000BASE-T.




Los segmentos de FO tienen restricciones de longitud debido a las restricciones de tiempo de half duplex. En modo half duplex, por ejemplo 100BASE-FX con fibra multimodo se extiende hasta 412 metros, en tanto que , en modo full duplex puede llegar hasta 2 km.

Switch. Alternativa de router

• SW diseñado para resolver problemas de rendimiento en la red. Permite agregar mayor ancho de banda, acelerar la salida de paquetes, reducir tiempo de espera y bajar el costo por puerto. Capa 2 OSI. Reenvía los paquetes en base a la MAC. Segmenta la red en pequeños dominios de colisión eliminando la competencia por el medio. No están diseñados pensando en seguridad, redundancia o manejo. • Router crea y mantiene tablas de ruteo estática o dinámicamente. Decisión de envío basado en dirección de red y en la tabla de ruteo. Seleccionar la mejor ruta puede ser por cuenta de saltos, velocidad de la línea, costo de transmisión, retraso y condiciones de tráfico. Procesado de paquetes más significativo que en un SW.

Switch Nway Fast Ethernet

















24 port 10/100BaseT/TX (Auto-negotiation) Auto-detect if Full/Half-duplex modes in all ports. All ports (twisted pair) support Auto MDIX function. Supports up 8K MAC address filtering and aging. 2.5 Mbits Buffer Memory. Non-blocking wire-speed forwarding and filtering. Store & Forward architecture and head of line blocking prevention. Broadcast Storm Prevention. Support IEEE 802.3x compliant flow control for FDX and back-pressure flow control for HDX. IEEE 802.3x flow control for full duplex and back-pressure half duplex flow control. Support back-pressure flow control for half duplex. Self address learning, forwarding and filtering schemes. Support SMII/GMII interface I/O delay Dedicated full duplex 200 Mbps bandwidth on each port. Status LEDs: Power, 10/100M and Link/Activity. Smart Plug&Play.

Switch. VLAN. IEEE 802.1Q





Por default, un SW re-envía todo el tráfico multicast sobre todos los ports, excepto aquel por el cual entró la trama. Es posible mediante una configuración apropiada, que el SW dirija la propagación de tramas multicast a ports específicos. Se pueden crear grupos de trabajo lógicamente separados, conocidos como LAN´s Virtuales (VLAN´s). Permite que una estación físicamente conectada a una LAN, pueda ser miembro de un grupo de trabajo asociado a otra LAN.

Switch. VLAN. IEEE 802.1Q •

•

•

V-LAN de nivel 1, por puerto: También conocida como “port switching”. Se especifica cuáles puertos del switch pertenecen a la V-LAN. Los miembros de la V-LAN son los que se conecten a esos puertos. Si el usuario se mueve físicamente, habría que reconfigurar la VLAN, es decir que no permite la movilidad. No se requiere modificación en las tramas. Es el switch el que mantiene la información apropiada para el re-envío de tramas según el número de port por el que le llegan las tramas. V-LAN de nivel 2, por direcciones MAC: Los equipos se asignan a una V-LAN por su dirección MAC. Si el usuario cambia de lugar, moviéndose entre puertos de un mismo switch o entre switches, no hay que reconfigurar el switch. El principal inconveniente de este tipo es que, a medida que aumenta el número de usuarios, se complica la configuración. En este tipo de V-LAN, cuando se recibe una trama por un puerto, es la MAC Fuente la que determina la asociación. VLAN de nivel 3, por direcciones de subred. Este tipo de V-LAN conecta subredes según la dirección IP de origen de los paquetes. Este tipo de solución brinda gran flexibilidad, en la medida en que la configuración de los switchs cambia automáticamente cuando se mueve una estación. En contrapartida, puede haber una disminución del rendimiento, ya que la información contenida en los paquetes debe ser analizada.

Switch. VLAN.








La configuración VLAN queda en manos del administrador. El es responsable de las reasignaciones que tengan en cuenta movimientos, dispositivos agregados, cambios, eliminando así la necesidad de un cambio físico. Aparece un nuevo formato de trama. El campo Tipo / Longitud : 0X8100 es el Id del Protocolo VLAN. PRI (3): Prioridad de Tx, no usado. CFI (1): Identificador de Formato Canónico para permitir encapsulado de Token Ring dentro del campo de Datos. IdVLAN (12) : Identificador de VLAN distintivo de cada grupo de trabajo. Longitud (16): Nuevo campo que indica longitud de los datos en bytes.

DA (48)

SA (48)

ID Proto VLAN (16)

PRI (3) CFI(1) IdVLAN (12)

Long. (16)

.....

Switch. VLAN •

Para poder trabajar en modo VLAN, se debe poseer la capacidad de manejar el nuevo formato de trama.

•

La asignación de VLAN se realiza al inicializar la estación, pero es modificable.

•

Cada estación se puede identificar a través del número de puerto, de su dirección MAC o de su dirección IP. En la mayoría de los casos se usa la MAC, ya que la misma es fija.

•

Si el SW es compatible con 802.1Q, realiza al principio un proceso de self-learning donde además se ingresa el IdVLAN a la tabla de enrutamiento. Si hubiera un SW de backbone, se le ReTX la trama para que este ingrese la información en sus tablas.

•

El ruteo es por dirección MAC e idVLAN.

Switch. VLAN

1

12

51

12

78

52 ... 57 VLAN RED

58

61

2

3

12

78

... 67 68 62 VLAN GREEN

71

72

78

... 77 78 VLAN BLUE

MAC IdVLAN Port 51 RED 1 .. .. .. 57 RED 1 61 GREEN 2

Switch. VLAN 1

12

51

12

78

52 ... 57 VLAN RED MAC IdVLAN Port 51 RED 1 52 RED 2 .. .. . 57 RED 7 58 GREEN 8

58

61

2

.. 68 71 72 .. 78

3

12

78

... 67 68 62 VLAN GREEN MAC IdVLAN Port 61 GREEN 1 62 GREEN 2 .. .. . 67 GREEN 7 68 GREEN 8

71

72

.. GREEN GREEN BLUE .. BLUE

78

... 77 78 VLAN BLUE MAC IdVLAN Port 71 GREEN 1 72 BLUE 2 .. .. . 77 BLUE 7 78 BLUE 8

.. 2 3 3 .. 3