O Padrão Ethernet (IEEE 802.3) Gil Pinheiro UERJ-FEN-DETEL

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1 O Padrão Ethernet (IEEE 802.3) Gil Pinheiro UERJ-FEN-DETEL

2 Interface Física 10/100Mbps O acoplamento indutivo melhora a rejeição de ruído (ruído de modo comum) Também elimina a componente DC Interface Ethernet 10/100 Mbps(10BaseT e 100BaseT), par trançado UTP com impedância característica de 100 Ohms, conector RJ-45

3 DTE e DCE Os nós de uma rede podem ser de dois tipos: Data terminal equipment(dte) São dispositivos geradores ou destinatários finais dos pacotes de dados. DTEssão tipicamente PCs, estações de trabalho, servidores de arquivos, impressoras de rede, etc. Todos com a característica de estação destinatária. Data communication equipment(dce) Dispositivos intermediários de rede, que recebem e retransmitem pacotes de dados ao longo da rede. DCEspodem ser dispositivos autônomos tais como repetidores, comutadores (switches) ou roteadores ou interfaces de comunicação tais como placas de rede, modens.

4 Cabo Normal x Cruzado Cabo Normal: DTE x DCE Cabo Cruzado (crossed): DCE x DCE DT x DTE

5 A Sub-Camada MAC Os clientes da sub-camada MAC podem ser: A sub-camada LLC: se o nóéum DTE, a sub-camada LLC permite interfacear com as camadas superiores do nódte A sub-camada LLC é definida pelo padrão IEEE802.2 Uma bridge: se o nófor um DCE, as bridgesprovêem interligação entre redes que usam o mesmo protocolo na camada de enlace, como duas redes Ethernet ou entre Ethernet e outros protocolos previstos no padrão IEEE802, por exemplo Token Ring.

6 A Interface Padrão Ethernet

7 A Sub-Camada MAC Responsável por: Encapsulamento dos dados: montagem do quadro, interpretação do quadro, detecção de erros durante e após a recepção Controle de acesso ao meio: incluindo delimitação dos quadros, recuperação de uma falha de transmissão

8 O Quadro Ethernet Preâmbulo (PR) consiste em 7 bytes, com uma seqüência alternada de 0 e 1, que avisa que um quadro estáchegando e provê a sincronização dos relógios de transmissão e recepção Start offrame Delimiter(SFD) Consiste em 1 byte, com uma seqüência alternada de bits 0 e 1 e dois últimos bits iguais a 1. Indicando que o próximo byte éo início do endereço de destino DestinationAddress(DA) Consiste em 6 bytes, identificando o endereço de destino do quadro. O bit mais significativo (se igual a 0) indica se o endereço éindividual ou de grupo (igual a 1). O bit seguinte indica se o endereço é globalmente (=0) ou localmente administrado (=1). O restante 46 bits forma um endereço único de uma estação, um grupo de estações, ou todas as estações da rede

9 O Quadro Ethernet Source Address(DA) Consiste em 6 bytes, identificando o endereço de origem, sempre um endereço individual, com o bit mais significativo sempre 0 Length/ Type Consiste em 2 bytes, indicando a quantidade de bytes no campo de dados ou a identificação do tipo de quadro. Se o valor for igual ou menor que 1500, indica o tamanho do campo de dados, se for maior que 1536 indica um tipo do quadro opcional Data Éuma seqüência de bytes de qualquer valor, com até 1500 bytes de comprimento. Se a quantidade de bytes a ser enviada for inferior a 46 bytes, este campo deve ser preenchido até completar 46 bytes. Frame CheckSequence(FCS) Consiste em 4 bytes, contendo uma sequênciade 32 bits de CRC, calculado incluindo DA, SA, Length/Type e Data

10 O Quadro Ethernet

11 O Controle de Acesso CSMA/CD O CSMA/CD éum protocolo de acesso ao meio, conforme a seguir: Carrier Sense Verificação de portadora, cada estação escuta o meio antes de iniciar a sua transmissão, para verificar se há outra transmitindo MultipleAccess Acesso múltiplo, cada estação pode transmitir a qualquer momento, se a rede estiver livre CollisionDetection Detecção de colisão, se duas estações transmitirem ao mesmo, o sinal na rede ficará ininteligível. Para detectar a colisão, durante a transmissão, cada estação compara o seu sinal transmitido com o recebido, se forem diferentes está havendo colisão

12 A Detecção de Colisão Quando ocorre uma colisão entre duas estações distantes na rede, podemos analisar os eventos imediatamente antes dessa colisão ocorrer: Uma estação A inicia a sua transmissão Alguns instantes depois, uma outra estação B também inicia a sua transmissão, mas logo detecta que houve uma colisão A estação Asódetecta a colisão instantes após da estação B

13 A Detecção de Colisão Quadro da estação A Colisão A R R R B Quadro da estação B Rede de comprimento L A estação Bdetecta a colisão e logo pára de transmitir, sabendo que seu quadro colidiu, mas o sinal na rede jáestácorrompido A colisão (seqüência de bits não inteligíveis) se propaga na rede atéa estação A A estação Asomente saberáque o seu quadro gerou uma colisão, se detectar que a colisão ocorreu enquanto estava transmitindo o seu quadro Então, existe um comprimento (ou duração) de quadro mínima, que possibilita a detecção da colisão. Abaixo desse limite, a colisão não será detectada pela estação, mais distante, que a gerou Este comprimento de quadro mínimo estáassociado a um comprimento máximo da rede e quantidade máxima de repetidores R

14 Os Limites para a Operação em HalfDuplex

15 O Quadro GigaBitEthernet O quadro deve ser aumentado, através do campo Extension, para possibilitar a detecção de colisão. Após a recepção, o campo éretirado pela camada de enlace

16 Evolução do Padrão 802.3

17 10Base5 1º Padrão Ethernet 10Base5 significa 10 Mbpsde velocidade de transmissão, banda BASE, segmento de 500 m Sinal com codificação Manchester Meio físico -cabo coaxial grosso de 50 Ohms Conectores coaxiais do tipo N Opera em Half-duplex, podendo haver colisões entre estações no meio Vantagem: bastante confiável, devido a robustez do meio físico, novas estações são acrescentadas através de derivações (conector vampiro ) Desvantagens: meio físico pesado e pouco flexível, meio físico compartilhado dificulta o isolamento de problemas, taxa de transmissão limitada, half-duplex, a colisão limita o desempenho em altas demandas de tráfego (protocolo não determinístico CMSA/CD)

18 Instalação 10Base5 Utiliza um transceptor (MAU) por nóde rede

19 AUI (AttachmentUnitInterface) Conecta uma placa de rede a um transceptor Comprimento máximo de 50m Usada extensivamente no padrão 10Base5

20 10Base2 2º Padrão Ethernet 10Base2 significa 10 Mbpsde velocidade de transmissão, banda BASE, segmento de 185 m Sinal com codificação Manchester Meio físico -cabo coaxial fino (RG-59) de 50 Ohms Conectores coaxiais do tipo BNC Opera em Half-duplex, podendo haver colisões entre estações no meio Vantagem: meio físico bastante flexível e de fácil instalação, menor custo que 10Base5 ao dispensar transceptores Desvantagens: meio físico compartilhado dificulta o isolamento de problemas, taxa de transmissão limitada, half-duplex, a colisão limita o desempenho em altas demandas de tráfego (protocolo não determinístico CMSA/CD), topologia de conexões em série limita o cabeamento na instalação, expansão mais difícil que 10Base5 pois precisa parar a rede

21 Camada Física do Padrão IEEE Subcamadas Subcamadas do padrão IEEE para os modos 10BaseT, 100BaseT e 1000BaseT Os modos de 10, 100 e 1000 Mbpstambém são conhecidos como: 10 Mbps Ethernet 100 Mbps Fast Ethernet 1000 Mbps GigabitEthernet O padrão mais recente (2002): 10 Gbps 10 GigabitEthernet GMII - Gigabit medium independent interface

22 Códigos de Linha São códigos utilizados para a transmissão direta na linha de transmissão RZ (Return to Zero) NRZ (Non Return to Zero) MLT-3 (MultiLevel 3) O objetivo étrabalhar com uma boa relação sinal x ruído e obter uma distribuição espectral do sinal sem componentes DC em sistemas mais complexos

23 Código de Linha NRZ (NonReturnto Zero) Éo código mais simples, consiste num sinal de linha (+E,0) que corresponde ao nível lógico (0 ou 1) Sóocorre transição na linha se o bit a ser transmitido mudar A sincronização dos relógios émais difícil em longas seqüências de bits, pela ausência de transições intermediárias Não hádiferença entre uma seqüência de bits 0 e a linha em repouso (Idle) Possui um valor DC diferente de zero, isso éruim quando énecessário isolamento galvânico, usual em redes Ethernet Codificação pouco eficiente em termos de espectro de freqüência

24 Código de Linha NRZI (NonReturnto Zero Inverted) Sóocorre transição na linha se o bit a ser transmitido for 1, com nível 0 a linha permanece inalterada Esse código resolve a questão de uma longa seqüência de bits 1 sem transições Não hádiferença entre uma seqüência de bits 0 e a linha em repouso (Idle) Possui um valor DC diferente de zero, isso éruim quando énecessário isolamento galvânico, usual em redes Ethernet Codificação pouco eficiente em termos de espectro de freqüência

25 Código Manchester Os bits de dados são codificados nas transições do sinal (Nível 0 Transição 0/1, Nível 1 Transição 1/0) Esse código resolve a questão de uma longa seqüência de bits 1 ou 0 sem transições, pois ocorre uma transição a cada bit Esquema de codificação da Ethernet de 10Mbps

26 Código de Linha RZ (Returnto Zero) A cada bit, o sinal de linha retorna a zero Háuma transição na linha mesmo se o bit a ser transmitido não mudar Possui uma eficiência de codificação de 1 bit/baud, para cada 2 bits (baud) requer 2 transições A máxima freqüência de sinalização éigual a taxa de transmissão (baud rate) Possui um valor DC diferente de zero, isso éruim quando é necessário isolamento galvânico, usual em redes Ethernet

27 Código MLT-3 (MultiLevel 3) Código com 3 níveis de tensão (-1,0,+1) Utilizado no padrão 100Base-TX Similar ao código NRZ Bit 0 mantém estado anterior Bit 1 inverter estado anterior Possui uma eficiência de codificação de 1 bit/baud, porém, requer 4 transições (baud) para completar um ciclo completo (-1/0, 0/+1, +1/0,0/- 1) A máxima freqüência de sinalização é ¼ da taxa de transmissão (baud rate). Exemplo: sinal de 25MHz numa taxa de 100 Mbps(100BASE-TX)

28 O Código 4B/5B Éum código de grupo de bits, que transforma um conjunto de 4 bits de dados num código de 5 bits na transmissão (ou o contrário na recepção) Ao adicionar mais 16 códigos aos 16 códigos de dados, possibilita a existência de códigos de controle (início e fim de quadro Ethernet) Por exemplo, o byte A5 será codificado como: Dado (formato 4B): Dado Codificado (formato 5B):

29 O Código 4B/5B

30 O Chip Intel 82562ET Controlador conforme o padrão IEEE 802.3, modos 10BASE-T e 100BASE-TX Autonegociação conforme IEEE 802.3u Controle de equalização digital adaptativa Operação no modo 100BASE-TX Codificação 4B/5B Os símbolos 5B são serializados e transmitidos a uma taxa de 125 Mbps, utilizando o código de linha MLT-3, o qual étransmitido no cabo par trançado (UTP ou STP) Portanto, com o MLT-3, a taxa de sinalização máxima será de 31,25MHz

31 O Chip Am79C873

32 Equalização Adaptativa Com a transmissão de dados em alta velocidade, a atenuação nos cabos com a freqüência torna-se um problema. Em operação normal, o conteúdo harmônico do sinal pode variar muito, devido a aleatoriedade da forma de onda do sinal Esta variação da intensidade do sinal deve ser compensada para assegurar a integridade dos dados recebidos Com o aumento do comprimento do cabo de rede a atenuação aumenta. E como o comprimento do cabo depende da instalação, é necessário um circuito autoadaptativo, que ajuste a intensidade do sinal recebido, compensando a atenuação da cabo

33 O Circuito Embaralhador (Scrambler) O embaralhador (scrambler) énecessário para que a radiação emitida pelo cabo de rede esteja dentro dos limites da legislação de radiação eletromagnética (EMI) aplicável. Isso éfeito através do espalhamento da energia do sinal no cabo ao longo do espectro de freqüência Após o embaralhamento, a freqüência do sinal fica aleatoriamente distribuída ao longo de um amplo espectro de freqüência Sem o embaralhador, o sinal estaria mais concentrado numa faixa de freqüências mais estreita, excedendo o limite da legislação Como a radiação eletromagnética não éproblemática em fibras óticas, esse circuito é desnecessário no padrão 100BASE-FX