Objetivos
- Conhecer a arquitetura Ethernet.
- Aprender o funcionamento dessa tecnologia.
- Entender como o quadro Ethernet está estruturado.
Introdução
A Ethernet é uma das arquiteturas de rede mais populares e amplamente usadas em redes locais (LANs) no mundo. Desenvolvida originalmente na década de 1970, a tecnologia evoluiu para suportar múltiplas velocidades e se adapta às demandas de redes modernas que precisam de alta velocidade e confiabilidade. A Ethernet opera nas camadas 1 (Física) e 2 (Enlace) do Modelo OSI, fornecendo o meio de transmissão e organizando dados em quadros para facilitar a comunicação entre dispositivos.
Arquitetura Ethernet e Velocidades
A arquitetura Ethernet está disponível em várias velocidades, permitindo que diferentes necessidades de rede sejam atendidas:
- Ethernet Padrão (10 Mbps): Primeira versão comercial, estabelecendo as bases para a tecnologia Ethernet.
- Fast Ethernet (100 Mbps): Melhorou a taxa de transmissão sem alterar o formato do quadro, mantendo compatibilidade com Ethernet.
- Gigabit Ethernet (1 Gbps): Adicionou suporte a voz e vídeo, mantendo o quadro Ethernet padrão.
- 10 Gigabit Ethernet (10 Gbps): Destinada a redes de alta performance e backbones de data centers.
Essas variações permitem a implementação da Ethernet em diferentes contextos, desde redes residenciais até infraestruturas de data centers.
Função da Ethernet
A função principal da Ethernet é receber dados de protocolos de alto nível, como TCP/IP, encapsulá-los em quadros e enviá-los através do meio físico. A camada Ethernet estabelece como isso será feito fisicamente, inclusive o formato do sinal. Dentro da camada de Enlace, a Ethernet está dividida em duas subcamadas: Controle de Link Lógico (LLC) e Controle de Acesso ao Meio (MAC).
Controle de Link Lógico (LLC)
A subcamada LLC é responsável por receber os dados de protocolos de alto nível, como TCP/IP, NetBEUI e IPX/SPX, e adiciona informações sobre o protocolo que gerou os dados. Assim, quando o quadro Ethernet chega ao dispositivo receptor, ele identifica o protocolo de alto nível ao qual os dados devem ser entregues.
Controle de Acesso ao Meio (MAC)
A subcamada MAC tem a função de gerar o quadro Ethernet a partir dos dados fornecidos pela LLC, adicionando o cabeçalho necessário. Em seguida, a camada MAC envia o quadro para a camada Física, encarregada de transmitir o quadro pela rede. Além disso, a camada MAC verifica o estado do meio de transmissão (canal) para verificar se está livre ou ocupado, utilizando o protocolo CSMA/CD.
CSMA/CD: Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection
CSMA/CD (Acesso Múltiplo com Escuta de Portadora e Detecção de Colisão) é o método de controle de acesso usado por redes Ethernet que operam no modo half-duplex. Ele garante que somente um dispositivo transmita de cada vez, evitando colisões:
- Verifica o meio: A placa de rede verifica se o canal está livre.
- Transmissão ou espera: Se o canal está livre, a transmissão começa. Caso esteja ocupado, a placa aguarda um intervalo aleatório.
- Controle de colisão: Se ocorrer uma colisão, as placas envolvidas aguardam um novo intervalo de tempo antes de tentar retransmitir.
Esse método é eficiente para redes pequenas, mas pode gerar tempos de espera longos em redes com tráfego intenso.
Endereçamento MAC
Cada dispositivo na rede possui um endereço MAC (Media Access Control) único, gravado na memória ROM da placa de rede. Esse endereço é formado por seis bytes, sendo os três primeiros (OUI – Organizationally Unique Identifier) responsáveis por identificar o fabricante, e os três últimos identificam a interface. Os endereços MAC são usados para três tipos de comunicação:
- Unicast: Comunicação direta entre dois dispositivos.
- Multicast: Envio de dados para um grupo específico de dispositivos.
- Broadcast: Envio de dados para todos os dispositivos da rede.
Estrutura do Quadro Ethernet
Um quadro Ethernet é a unidade de dados encapsulada pela camada MAC e transmitida na rede. Ele é composto pelos seguintes campos:
- Preâmbulo: Um padrão de 7 bytes (10101010) que ajuda a sincronizar a transmissão.
- SFD (Start Frame Delimiter): Um byte (10101011) que marca o início do quadro.
- Endereço MAC de Destino: Endereço do dispositivo que deve receber o quadro.
- Endereço MAC de Origem: Endereço do dispositivo que enviou o quadro.
- Comprimento/Tipo: Indica o tamanho dos dados no quadro.
- Dados: A carga útil do quadro, variando de 46 a 1500 bytes.
- PAD: Usado para completar o tamanho mínimo do quadro se os dados forem menores que 46 bytes.
- FCS (Frame Check Sequence): Campo de 4 bytes usado para verificação de erros.
Padrão Ethernet
A Ethernet utiliza diferentes tipos de meios físicos e topologias, conforme a necessidade da rede:
- Meio Físico: Pode usar cabo coaxial fino ou grosso, par trançado sem blindagem, ou fibra óptica.
- Topologias: Suporta barramento (coaxial) e estrela (par trançado), além da topologia em árvore, uma combinação das anteriores.
Fast Ethernet (100 Mbps)
A Fast Ethernet aumentou a velocidade de transmissão para 100 Mbps sem alterar o formato do quadro ou o endereçamento, mantendo a compatibilidade com Ethernet padrão. Ela introduziu o suporte para transmissão half-duplex e full-duplex. No modo full-duplex, não há necessidade de detectar colisões, pois o receptor controla o fluxo de transmissão.
CSMA/CD em Full-Duplex
No modo full-duplex, as redes Ethernet utilizam frames de pausa (pause frames) para controlar o fluxo. Se o receptor estiver ocupado, ele envia um frame de pausa para a fonte, que interrompe a transmissão por um período. Isso elimina a necessidade de detectar silêncio no canal, o que permite aumentar a banda efetiva para 200 Mbps.
Gigabit Ethernet (1 Gbps)
A Gigabit Ethernet elevou a taxa de transmissão para 1 Gbps, suportando também voz e vídeo, além do tráfego de dados. Essa tecnologia mantém o quadro Ethernet padrão para assegurar compatibilidade com redes Ethernet e Fast Ethernet existentes. A Gigabit Ethernet pode operar tanto em modo half-duplex (com CSMA/CD) quanto full-duplex.
Transmissão Half-Duplex
No modo half-duplex, a Gigabit Ethernet utiliza o CSMA/CD com suporte para rajada de quadros (frame burst), permitindo que uma estação envie vários quadros sem liberar o canal, aumentando a eficiência.
Transmissão Full-Duplex
No modo full-duplex, a taxa de transmissão aumenta para 2 Gbps, eliminando colisões e permitindo o uso do controle de fluxo (Flow Control) para controlar o tráfego entre os dispositivos.
Flow Control
O Flow Control é utilizado em enlaces ponto-a-ponto. Quando a estação receptora está sobrecarregada, ela envia um frame de pausa para a estação transmissora, pedindo que pause a transmissão por um tempo específico. A estação transmissora espera o tempo requisitado antes de retomar a transmissão ou aguarda um frame que sinalize a possibilidade de continuar.
Cabos e Topologias na Gigabit Ethernet
A Gigabit Ethernet suporta diversos tipos de cabos e topologias, permitindo maior flexibilidade de implantação:
- Cabos: Coaxial fino, par trançado sem blindagem, fibra óptica multimodo e monomodo.
- Topologias: Barramento (coaxial fino) e estrela (par trançado sem blindagem), além de variações que integram redes locais maiores.
Conclusão
A Ethernet é uma tecnologia robusta e escalável que evoluiu ao longo dos anos para atender à crescente demanda por velocidades de transmissão mais altas e maior confiabilidade. Desde suas primeiras versões de 10 Mbps até as redes de 10 Gbps, a Ethernet continua a ser a base das redes locais modernas, oferecendo um meio confiável de comunicação em ambientes domésticos e empresariais. Com recursos como o controle de acesso CSMA/CD e a arquitetura de controle de fluxo em full-duplex, a Ethernet é ideal para uma variedade de aplicações que vão desde o simples compartilhamento de arquivos até a transmissão de dados de alta velocidade em redes corporativas.