Ethernet

Ethernet é uma arquitetura de interconexão para redes locais - Rede de Área Local (LAN) - baseada no envio de pacotes. Ela define cabeamento e sinais elétricos para a camada física, e formato de pacotes e protocolos para a subcamada de controle de acesso ao meio (Media Access Control - MAC) do modelo OSI. A Ethernet foi padronizada pelo IEEE como 802.3. A partir dos anos 90, ela vem sendo a tecnologia de LAN mais amplamente utilizada e tem tomado grande parte do espaço de outros padrões de rede como Token Ring, FDDI e ARCNET.

História

A Ethernet foi originalmente desenvolvida, presume-se, a partir de projeto pioneiro atribuído a Xerox Palo Alto Research Center.² Entende-se, em geral, que a Ethernet foi inventada em 1973, quando Robert Metcalfe escreveu um memorando para os seus chefes contando sobre o potencial dessa tecnologia em redes locais.² Contudo, Metcalfe afirma que, na realidade, a Ethernet foi concebida durante um período de vários anos. Em 1976, Metcalfe e David Boggs (seu assistente) publicaram um artigo, Ethernet: Distributed Packet-Switching For Local Computer Networks.Metcalfe deixou a Xerox em 1979 para promover o uso de computadores pessoais e redes locais (LANs), e para isso criou a 3Com. Ele conseguiu convencer DEC, Intel, e Xerox a trabalhar juntas para promover a Ethernet como um padrão, que foi publicado em 30 de setembro de 1980. Competindo com elas na época estavam dois sistemas grandemente proprietários, token ring e ARCNET. Em pouco tempo ambos foram afogados por uma onda de produtos Ethernet. No processo a 3Com se tornou uma grande companhia, e além de se ter tornado conhecida como U.S Robotics, também uma fabricante de processadores digitais.

Descrição geral

Ethernet é baseada na ideia de pontos da rede enviando mensagens, no que é essencialmente semelhante a um sistema de rádio, cativo entre um cabo comum ou canal, às vezes chamado de éter (no original, ether). Isto é uma referência oblíqua ao éter luminífero, meio através do qual os físicos do século XIX acreditavam que a luz viajasse.

Cada ponto tem uma chave de 48 bits globalmente única, conhecida como endereço MAC, para assegurar que todos os sistemas em uma ethernet tenham endereços distintos.

Tem sido observado que o tráfego Ethernet tem propriedades de auto similaridade, com importantes consequências para engenharia de tráfego de telecomunicações.

Os padrões atuais do protocolo Ethernet são os seguintes: - 10 megabits/seg: 10Base-T Ethernet (IEEE 802.3) - 100 megabits/seg: Fast Ethernet (IEEE 802.3u) - 1 gigabits/seg: Gigabit Ethernet (IEEE 802.3z) - 10 gigabits/seg: 10 Gigabit Ethernet (IEEE 802.3ae).

Ethernet com meio compartilhado CSMA/CD

Um esquema conhecido como Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD) organizava a forma como os computadores compartilhavam o canal. Originalmente desenvolvido nos anos 60 para ALOHAnet - Hawaii usando Rádio, o esquema é relativamente simples se comparado ao token ring ou rede de controle central (master controlled networks). Quando um computador deseja enviar alguma informação, este obedece o seguinte algoritmo:

1 - Se o canal está livre, inicia-se a transmissão, senão vai para o passo 4;

2 - [transmissão da informação] se colisão é detectada, a transmissão continua até que o tempo mínimo para o pacote seja alcançado (para garantir que todos os outros transmissores e receptores detectem a colisão), então segue para o passo 4;

3 - [fim de transmissão com sucesso] informa sucesso para as camadas de rede superiores, sai do modo de transmissão;

4 - [canal está ocupado] espera até que o canal esteja livre;

5 - [canal se torna livre] espera-se um tempo aleatório, e vai para o passo 1, a menos que o número máximo de tentativa de transmissão tenha sido excedido;

6 - [número de tentativa de transmissão excedido] informa falha para as camadas de rede superiores, sai do modo de transmissão;

Na prática, funciona como um jantar onde os convidados usam um meio comum (o ar) para falar com um outro. Antes de falar, cada convidado educadamente espera que outro convidado termine de falar. Se dois convidados começam a falar ao mesmo tempo, ambos param e esperam um pouco, um pequeno período. Espera-se que cada convidado espere por um tempo aleatório de forma que ambos não aguardem o mesmo tempo para tentar falar novamente, evitando outra colisão. O tempo é aumentado exponencialmente se mais de uma tentativa de transmissão falhar.

Originalmente, a Ethernet fazia, literalmente, um compartilhamento via cabo coaxial, que passava através de um prédio ou de um campus universitário para interligar cada máquina. Os computadores eram conectados a uma unidade transceiver ou interface de anexação (Attachment Unit Interface, ou AUI), que por sua vez era conectada ao cabo. Apesar de que um fio simples passivo fosse uma solução satisfatória para pequenas Ethernets, não o era para grandes redes, onde apenas um defeito em qualquer ponto do fio ou em um único conector fazia toda a Ethernet parar.

Como todas as comunicações aconteciam em um mesmo fio, qualquer informação enviada por um computador era recebida por todos os outros, mesmo que a informação fosse destinada para um destinatário específico. A placa de interface de rede descarta a informação não endereçada a ela, interrompendo a CPU somente quando pacotes aplicáveis eram recebidos, a menos que a placa fosse colocada em seu modo de comunicação promíscua. Essa forma de um fala e todos escutam definia um meio de compartilhamento de Ethernet de fraca segurança, pois um nodo na rede Ethernet podia escutar às escondidas todo o tráfego do cabo se assim desejasse. Usar um cabo único também significava que a largura de banda (bandwidth) era compartilhada, de forma que o tráfego de rede podia tornar-se lentíssimo quando, por exemplo, a rede e os nós tinham de ser reinicializados após uma interrupção elétrica.

Hubs Ethernet

Este problema foi contornado pela invenção de hubs Ethernet, que formam uma rede com topologia física em estrela, com múltiplos controladores de interface de rede enviando dados ao hub e, daí, os dados são então reenviados a um backbone, ou para outros segmentos de rede.

Porém, apesar da topologia física em estrela, as redes Ethernet com hub ainda usam CSMA/CD, no qual todo pacote que é enviado a uma porta do hub pode sofrer colisão; o hub realiza um trabalho mínimo ao lidar com colisões de pacote.

As redes Ethernet trabalham bem como meio compartilhado quando o nível de tráfego na rede é baixo. Como a chance de colisão é proporcional ao número de transmissores e ao volume de dados a serem enviados, a rede pode ficar extremamente congestionada, em torno de 50% da capacidade nominal, dependendo desses fatores. Para solucionar isto, foram desenvolvidos "comutadores" ou switches Ethernet, para maximizar a largura de banda disponível.

Ethernet Comutada (Switches Ethernet)

A maioria das instalações modernas de Ethernet usam switches Ethernet em vez de hubs. Embora o cabeamento seja idêntico ao de uma Ethernet com hub (Ethernet Compartilhada), com switches no lugar dos hubs, a Ethernet comutada tem muitas vantagens sobre a Ethernet média, incluindo maior largura de banda e cabeamento simplificado. Mas a maior vantagem é restringir os domínios de colisão, o que causa menos colisão no meio compartilhado causando uma melhor desempenho na rede. Redes com switches tipicamente seguem uma topologia em estrela, embora elas ainda implementem uma "nuvem" única de Ethernet do ponto de vista das máquinas ligadas.

Switch Ethernet "aprende" quais são as pontas associadas a cada porta, e assim ele pára de mandar tráfego broadcast para as demais portas a que o pacote não esteja endereçado, isolando os domínios de colisão. Desse modo, a comutação na Ethernet pode permitir velocidade total de Ethernet no cabeamento a ser usado por um par de portas de um mesmo switch.

Já que os pacotes são tipicamente entregues somente na porta para que são endereçadas, o tráfego numa Ethernet comutada é levemente menos público que numa Ethernet de mídia compartilhada. Contudo, como é fácil subverter sistemas Ethernet comutados por meios como ARP spoofing e MAC flooding, bem como por administradores usando funções de monitoramento para copiar o tráfego da rede, a Ethernet comutada ainda é considerada como uma tecnologia de rede insegura.

Tipos de quadro Ethernet e o campo EtherType

Há quatro tipos de quadro Ethernet :

• Ethernet original versão I
• O quadro Ethernet versão 2 ou quadro Ethernet II, chamado quadro DIX (iniciais de DEC, Intel, e Xerox). É o mais comum atualmente, já que é muitas vezes usado diretamente pelo Protocolo Internet.
• quadro IEEE 802.x LLC
• quadro IEEE 802.x LLC/SNAP

Os tipos diferentes de quadro têm formatos e valores de MTU diferentes, mas podem coexistir no mesmo meio físico.

A Ethernet Versão 1 original da Xerox tinha um campo de comprimento de 16 bits, embora o tamanho máximo de um pacote fosse 1500 bytes. Esse campo de comprimento foi logo reusado na Ethernet Versão 2 da Xerox como um campo de rótulo, com a convenção de que valores entre 0 e 1500 indicavam o uso do formato Ethernet original, mas valores maiores indicavam o que se tornou conhecido como um EtherType, e o uso do novo formato de quadro. Isso agora é suportado nos protocolos IEEE 802 usando o header SNAP.

O IEEE 802.x definiu o campo de 16 bits após o endereço MAC como um campo de comprimento de novo. Como o formato de quadros do Ethernet I não é mais usado, isso permite ao software determinar se um quadro é do Ethernet II ou do IEEE 802.x, permitindo a coexistência dos dois padrões no mesmo meio físico. Todos os quadros 802.x têm um campo LLC. Examinando o campo LLC, é possível determinar se ele é seguido por um campo SNAP.

As variantes 802.x de Ethernet não são de uso geral em redes comuns. O tipo mais comum usado hoje é a Ethernet Versão 2, já que é usada pela maioria das redes baseadas no Protocolo da Internet, com seu EtherType setado em 0x0800. Existem técnicas para encapsular tráfego IP em quadros IEEE 802.3, por exemplo, mas isso não é comum.

Variedades de Ethernet

Além dos tipos de frames mencionados acima, a maioria das diferenças entre as variedades de Ethernet podem ser resumidas em variações de velocidade e cabeamento. Portanto, em geral, a pilha do software de protocolo de rede vai funcionar de modo idêntico na maioria dos tipos a seguir.

As seções seguintes proveem um breve sumário de todos os tipos de mídia Ethernet oficiais. Além desses padrões, muitos fabricantes implementaram tipos de mídia proprietários por várias razões, geralmente para dar suporte a distâncias maiores com cabeamento de fibra ótica.

Algumas variedades antigas de Ethernet

• Xerox Ethernet -- a implementação original de Ethernet, que tinha 2 versões, Versão 1 e Versão 2, durante seu desenvolvimento. O formato de frame da versão 2 ainda está em uso comum.
• 10BASE5 (também chamado Thicknet) -- esse padrão antigo da IEEE usa um cabo coaxial simples em que você conseguia uma conexão literalmente furando o cabo para se conectar ao núcleo. É um sistema obsoleto, embora devido a sua implantação amplamente difundida antigamente, talvez ainda possa ser utilizado por alguns sistemas.
• 10BROAD36 -- Obsoleto. Um padrão antigo permitindo a Ethernet para distâncias mais longas. Utilizava técnicas de modulação de banda larga similares àquelas empregadas em sistemas de cable modem, e operava com cabo coaxial.
• 1BASE5 -- Uma tentativa antiga de padronizar uma solução de LAN de baixo custo. Opera a 1 Mbit/s e foi um fracasso comercial.
• StarLAN 1—A primeira implementação de Ethernet com cabeamento de par trançado.

10 Mbit/s Ethernet

• 10BASE2 (também chamado ThinNet ou Cheapernet) -- Um cabo coaxial de 50-ohm conecta as máquinas, cada qual usando um adaptador T para conectar seu NIC. Requer terminadores nos finais. Por muitos anos esse foi o padrão dominante de ethernet de 10 Mbit/s.
• 10BASE5 (também chamado Thicknet) -- Especificação Ethernet de banda básica de 10 Mbps, que usa o padrão (grosso) de cabo coaxial de banda de base de 50 ohms. Faz parte da especificação de camada física de banda de base IEEE 802.3, tem um limite de distância de 500 metros por segmento.
• StarLAN 10—Primeira implementação de Ethernet em cabeamento de par trançado a 10 Mbit/s. Mais tarde evoluiu para o 10BASE-T.
• 10BASE-T -- Opera com 4 fios (dois conjuntos de par trançado) num cabo de cat-3 ou cat-5. Um hub ou switch fica no meio e tem uma porta para cada nó da rede. Essa é também a configuração usada para a ethernet 100BASE-T e a Gigabit.
• FOIRL -- Link de fibra ótica entre repetidores. O padrão original para ethernet sobre fibra.
• 10BASE-F -- um termo genérico para a nova família de padrões de ethernet de 10 Mbit/s: 10BASE-FL, 10BASE-FB e 10BASE-FP. Desses, só o 10BASE-FL está em uso comum (todos utilizando a fibra óptica como meio físico).
• 10BASE-FL -- Uma versão atualizada do padrão FOIRL.
• 10BASE-FB -- Pretendia ser usada por backbones conectando um grande número de hubs ou switches, agora está obsoleta.
• 10BASE-FP -- Uma rede passiva em estrela que não requer repetidores, nunca foi implementada.

Fast Ethernet

• 100BASE-T -- Designação para qualquer dos três padrões para 100 Mbit/s ethernet sobre cabo de par trançado.
• Inclui 100BASE-TX, 100BASE-T4 e 100BASE-T2.
• 100BASE-TX -- Usa dois pares, mas requer cabo cat-5.
• Configuração "star-shaped" idêntica ao 10BASE-T. 100Mbit/s.
• 100BASE-T4 -- 100 Mbit/s ethernet sobre cabeamento cat-3 (Usada em instalações 10BASE-T).
• Utiliza todos os quatro pares no cabo. Atualmente obsoleto, cabeamento cat-5 é o padrão. Limitado a Half-Duplex.
• 100BASE-T2 -- Não existem produtos.
• 100 Mbit/s ethernet sobre cabeamento cat-3. Suporta full-duplex, e usa apenas dois pares. Seu funcionamento é equivalente ao 100BASE-TX, mas suporta cabeamento antigo.
• 100BASE-FX -- 100 Mbit/s ethernet sobre fibra óptica. Usando fibra ótica multimodo 62,5 mícrons tem o limite de 400 metros.

Gigabit Ethernet

• 1000BASE-T -- 1 Gbit/s sobre cabeamento de cobre categoria 5e ou 6.
• 1000BASE-SX -- 1 Gbit/s sobre fibra.
• 1000BASE-LX -- 1 Gbit/s sobre fibra. Otimizado para distâncias maiores com fibra mono-modo.
• 1000BASE-CX -- Uma solução para transportes curtos (até 25m) para rodar ethernet de 1 Gbit/s num cabeamento especial de cobre. Antecede o 1000BASE-T, e agora é obsoleto.

10-Gigabit Ethernet (Ethernet 10 Gigabit)

O novo padrão Ethernet de 10 gigabits abrange 7 tipos diferentes de mídias para uma LAN, MAN e WAN. Ele está atualmente especificado por um padrão suplementar, IEEE 802.3ae, e será incorporado numa versão futura do padrão IEEE 802.3.

• 10GBASE-SR -- projetado para suportar distâncias curtas sobre cabeamento de fibra multi-modo, variando de 26m a 82m dependendo do tipo de cabo. Suporta também operação a 300m numa fibra multi-modo de 2000 MHz.
• 10GBASE-LX4 -- usa multiplexação por divisão de comprimento de ondas para suportar distâncias entre 240m e 300m em cabeamento multi-modo. Também suporta 10 km com fibra mono-modo.
• 10GBASE-LR e 10GBASE-ER -- esses padrões suportam 10 km e 40 km respectivamente sobre fibra mono-modo.
• 10GBASE-SW, 10GBASE-LW e 10GBASE-EW. Essas variedades usam o WAN PHY, projetado para interoperar com equipamentos OC-192 / STM-64 SONET/SDH. Eles correspondem à camada física do 10GBASE-SR, 10GBASE-LR e 10GBASE-ER respectivamente, e daí usam os mesmos tipos de fibra e suportam as mesmas ditâncias. (Não há um padrão WAN PHY correspondendo ao 10GBASE-LX4.)

Usam conexão ponto a ponto, interligando apenas dois equipamentos. (FUNIVERSA - 2010 - MPE-GO - Técnico de Informática)

Ethernet de 10 gigabit é muito nova, e continua em vistas sobre qual padrão vai ganhar aceitação comercial.

Padrões Relacionados

Esses padrões de rede não são parte do padrão Ethernet IEEE 802.3 Ethernet, mas suportam o formato de frame ethernet, e são capazes de interoperar com ele.

• Wireless Ethernet (IEEE 802.11) - Frequentemente rodando a 2 Mbit/s (802.11legacy), 11 Mbit/s (802.11b) ou 54 Mbit/s (802.11g).
• 100BaseVG - Um rival precoce para a ethernet de 100 Mbit/s. Ele roda com cabeamento categoria 3. Usa quatro pares. Um fracasso, comercialmente.
• TIA 100BASE-SX - Promovido pela Associação das Indústrias de Telecomunicações (TIA). O 100BASE-SX é uma implementação alternativa de ethernet de 100 Mbit/s em fibra ótica; é incompatível com o padrão oficial 100BASE-FX. Sua característica principal é a interoperabilidade com o 10BASE-FL, suportando auto negociação entre operações de 10 Mbit/s e 100 Mbit/s—uma característica que falta nos padrões oficiais devido ao uso de comprimentos de ondas de LED diferentes. Ele é mais focado para uso na base instalada de redes de fibra de 10 Mbit/s.
• TIA 1000BASE-TX - Promovido pela Associação das Indústrias de Telecomunicações, foi um fracasso comercial, e nenhum produto desse padrão existe. O 1000BASE-TX usa um protocolo mais simples que o padrão oficial 1000BASE-T, mas requer cabeamento categoria 6.