Monografias | Gigabit Ethernet

Desde 1970 la Red Ethernet es la tecnología más representativa de las redes de trabajo. Hay un estimado que en 1996 el 82% de todos los equipos de redes eran Ethernet. En 1995 el estándar Fast ethernet fue aprobado por la IEEE. El Fast Ethernet provisto de un ancho de banda 10 veces mayor y nuevas características tales como transmisión Full-Duplex y auto negociación. Se estableció Ethernet como una tecnología escalable. Ahora, el standar Gigabit Ethernet es aceptada como una escala superior.
Fast Ethernet fue publicada por un aliancia de consorcio de industriales. En Mayo de 1996 se formó la alianza Gigabit Ethernet conformada por 11 compañías, poco después la IEEE anuncia la formación del 802.3z, proyecto del estándar Gigabit Ethernet.
El nuevo estándar Gigabit Ethernet será compatible completamente con las instalaciones existentes de redes Ethernet. Reteniendo el mismo método de acceso CSMA/CD, soportará modos de operaciones como Full-Duplex y Half-Duplex. Inicialmente, suportará fibra mono-modo y multi-modo y cable coaxial short-haul.
Al comienzo, Gigabit Ethernet es aceptada para ser empleada como backbone en redes existentes. Estas pueden ser usadas para agregar trafico entre clientes y "server farms" e interconectando switches Fast Ethernet, estos pueden ser usados para interconectar workstation y servidores de aplicaciones de alto ancho de banda tales como imágenes medicas o CAD.

En marzo de 1996, el comité 802 de IEEE aprobó el proyecto estándar Gigabit Ethernet 802.3z. A la vez muchas 54 compañías expresaron el interés de participar en el proyecto de estandarización, la Alianza Gigabit Ethernet fue formada en mayo de 1996 por 11 compañías: 3Com, Bay Networks, Cisco Systems, Compaq Computer, Granite Systems, Intel Corporation, LSI Logic, Packet engines, Sun Microsystems Computer Company, UB Networks y VLSI Technology.
La alianza representa un esfuerzo de multi-vendor para proveer sistemas abiertos e inter-operables de productos Gigabit ethernet. Los objetivos de la alianza son:

• Ser una extensión de soporte para las redes existentes Ethernet y Fast Ethernet que requieren la demanda de un mayor ancho de banda.
• Proponer el desarrollo de técnicas para la inclusión en el estándar.
• Establecer pruebas de procedimientos y procesos de inter-operabilidad.

Capa Física
La capa física de Gigabit Ethernet esta formada por un mixto o híbrido entre las tecnología Ethernet y la Especificación de Canales por Fibra ANSI X3T11. Gigabit Ethernet es acepta finalmente 4 tipos de medios físicos, los cuales son definidos en 802.3z (1000Base-X) y 802.3ab (1000Base-T)

1000Base-X
En el estándar 1000Base-X la capa física es el Canal de Fibra. El Canal de Fibra es una tecnología de interconexión entre workstation, supercomputadoras, dispositivos de almacenamiento de información y periféricos. El Canal de Fibra tiene una arquitectura de 4 capas. La más baja tiene 2 capas FC-0 (Interfaz y Medio) y FC-1 (Codificador y Decodificador), estas son usadas en Gigabit Ethernet.
Hay 3 tipos de medios de trasmisión que son incluidos en el estándar 1000Base-X:

• 1000Base-SX: usa una fibra multi-modo, 850nm.
• 1000Base-LX: puede ser usada tanto mono-modo y multi-modo, 1300mn.
• 1000Base-CX: usa un cable par trenado de cobre (STP).

Distancias soportadas por los distintos tipos de cable:

100Base-T
El estándar 1000Base-T de Gigabit Ethernet emplea como medio de trasmisión un cable UTP, usando 4 pares de líneas de categoría 5 UTP.

Capa MAC
La capa MAC de Gigabit Ethernet usa el mismo protocolo de Ethernet CSMA/CD. La máxima longitud del cable usado para interconectar las estaciones está limitado por el protocolo CSMA/CD. Si 2 estaciones detectan el medio desocupado y comienzan la trasmisión ocurrirá una colisión.
Ethernet tiene una trama mínima de 64 bytes, la razón de tener un tamaño mínimo en la trama es para prever que las estaciones completen la trasmisión de una trama antes de que le primer bit sea detectado al final del cable, donde este puede chocar con otra trama. Sin embargo, el tiempo mínimo de detección de colisión es el tiempo que toma una señal en propagarse por desde un extremo a otro del cable. Este tiempo mínimo es llamado Slot Time or Time Slot, que es el número de bytes que pueden ser trasmitidos en un Time Slot, en Enthernet el Slot Time es de 64 bytes, la longitud mínima de trama).
La longitud máxima de un cable en Ethernet es de 2.5 Km (con un máximo de 4 repetidores). Como la tasa de bit se incrementa hace aumente la velocidad de transmisión. Como resultado, si el mismo tamaño de la trama y la longitud del cable se mantienen, entonces la estación puede también trasmitir una trama a gran velocidad y no detectar una colisión al final del otro cable. Entonces, una de las siguientes cosas se deben hacer: (i) Mantener una longitud máxima del cable e incrementar el time slot (y por eso, un tamaño mínimo en la trama) o (ii) Mantener un mismo time slot y decrementar la longitud del cable o ambos. En Fast Ethernet la longitud máxima del cable es reducida a 100 metros, dejando el tamaño de la trama en mínimo y el time slot intacto.
Gigabit Ethernet mantiene los tamaños mínimos y máximos de las tramas de Ethernet. Desde que Gigabit Ethernet es 10 veces más rápida que Fast Ethernet mantiene el mismo tamaño del slot, máxima longitud del cable deberá ser reducida a 10 metros, el cual no es muy usado. En lugar de ello, Gigabit Ethernet usa un gran tamaño del slot, siendo de 510 bytes. Para mantener la compatibilidad con Ethernet, el mínima tamaño de la trama no es incrementado, pero el "carrier event" es extendido. Si la trama es más corta que 512 bytes, entonces agregamos símbolos de extensiones. Hay símbolos especiales, los cuales no sucede en la carga útil o de valor.

Gigabit Ethernet deberá ser inter-operable con las redes existentes 802.3. Carrier Extension es una ruta del 802.3 que mantiene los tamaños de trama máximos y mínimos con distancias significativas de cableado.
Para que el carrier sea extendido dentro de la trama, los símbolos de extensión de no-data son incluidos in la ventana de colisiones (collision window), que es, la trama entera extendida considerada por la colisión y caída. Sin embargo, la secuencia de chequeo en la trama (FCS, siglas en ingles) es calculada solamente en la trama original (sin los símbolos de extensión). Los símbolos de extensión son removidos antes que el FCS sea chequeado por el receptor. Por lo que la capa LLC (Control del Enlace Lógico) es ni siquiera avisado de la carrier extension.
En la siguiente gráfica se muestra el formato de la trama Ethernet cuando el Carrier Extension es usado.

Carrier Extension es una solución simple, pero gasta un ancho de banda. 448 bytes de rellenos pueden ser enviados en pequeños paquetes.
Packet Bursting es una extensión de Carrier Extension. Packet Bursting es "Carrier Extension más unos paquetes agregados" (Brust). Cuando una estación tiene un número de paquetes a trasmitir, el primer paquete coloca al time slot si es necesario usando carrier extension. Los siguientes paquetes son trasmitidos unos detrás de otro, con el mínimo intervalo inter-packet (IPG, siglas en ingles inter-packet gap) hasta que finalice el tiempo de burst (de 1500 bytes). El Packet Bursting sustancialmente incrementa el troughput.
En la siguiente figura se muestra como trabaja el Packet Burst

Gigabit Interfase Independiente del Medio (GMII Gigabit Media Independent Interface)
La GMII es la interfaz entre la capa MAC y la capa física. Esto permite que algunas de las capas físicas ser usada con la capa MAC. Existe una extensión de la MII (Media Independent Interface) usada en Fast Ethernet. Este usa la misma interfaz de gestión como MII. Este soporta trasmisión de datos de 10, 100 y 1000 Mbps. Posse separadamente un receptor de 8-bit de ancho y un trasmisor que agrega datos, tal que puede soportar opoeraciones como Full-Duplex y Half-Duplex.
Las diferentes capas de la arquitectura del protocolo Gigabit Ethernet se muestra en la figura siguiente:

La GMII posee 2 medios de señales del status: uno indica la presencia del carrier y el otro indica la ausencia de colisión. La sub-capa de reconciliación (RS, Reconciliation Sublayer, siglas en ingles) proyecta estas señales a señalización física (PLS, Physical Signalling, siglas en ingles) primitivas conocida por la sub-capa MAC existente. Con la GMII es posible conectar diferentes tipos de medios tales como cable UTP, fibra óptica mono-modo y multi-modo, mientras se sigue usando el mismo controlador MAC.
La GMII está dividida en 3 sub-capas: PCS, PMA, PMD.

PCS (Physical Coding Sublayer)
La PCS es la sub-capa de la capa GMII que provee una interfaz uniforme para la reconciliación de capas por todo el medio físico. Usa código 8B/10B empleado por canales de fibra. En estos tipos de códigos 8 bits están representados por 10 bits "grupos de códigos". Algunos grupos de códigos representas datos simbólicos de 8 bits. Otros son símbolos de control. Los símbolos de extensión usados en el Carrier Extension son un ejemplo de símbolos de control.
Las indicaciones de Carrier Sense y Collision Detec son generados por esta sub-capa. Esta sub-capa también maneja los procesos de auto negociación por el cual la arjeta de Red (NIC, siglas en Ingles) se comunica con la Red para determinar la velocidad de la misma (10, 100 o 1000 Mbps) y el modo de operación (half-duplex o full-duplex).

PMA (Physical Medium Attachment)
Esta sub-capa provista de un medio independiente por la sub-capa PCS para soportar diferentes medios físicos de bit-orientados serialmente. Esta capa forma grupos de códigos seriales por trasmisión y desambla los códigos de grupos seriales cuando los bits son recibidos.

PMD (Physical Medium Dependent)
Esta sub-capa proyecta el medio físico para la sub-capa PCS. Esta capa define la señalización de la capa físicas usada por diferentes medios. La MDI (Medium Dependent Interface, siglas en inglés), la cual es parte de PMD es actualmente la interfaz de la capa física. Esta capa define la actual capa física de unión, como los conectores de los diferentes medios de trasmisión.

Ethernet hoy en día soporta el medio Full-Duplex, la capa física como la capa MAC. Sin embargo, este todavía soporta operaciones Half-Duplex para mantener la compatibilidad. Existen nuevos dispositivo que poseen una funcionalidad como el HUB (concentreador), que posee un modo de operación Full-Duplex, tal dispositivo es llamado por distintos nombres como: Buffered Distributor, Full Duplex Repeater y Buffered Repeater.

El principio básico del CSMA/CD es usado como método de acceso a la red y no a un enlace. Un Buffered Distributor es un multi-puerto repetidor con enlaces Full-Duplex.
A continuación se muestra la arquitectura del Buffered Distributor:
Cada puerto tiene una entrada FIFO queue y una salida FIFO queue. Una trama llegando a una entrada queue es trasmitida a todas las salidas queues, excepto al puerto por donde está entrando. Dentro del distribuidor el CSMA/CD arbitración se hace a las tramas de salida queues.
Las colisiones no pueden ocurrir a lo largo del enlace, la distancia restringida no es muy larga. La restricción en la longitud del cable es una característica del medio físico y no del protocolo CSMA/CD.
Como los envíos FIFO pueden crecer, el control de flujo basado en la trama es usado entre el puerto y la estación de envío.
Este es definido en el estándar 802.3x, el cual ya es usado en los switches Ethermet.

Lo que motiva a desarrollar los Buffered Distributor es el costo comparado con un Gigabit switch y no como una necesidad de acomodar el medio Half-Duplex. El Buffered Distributor provee una conectividad Full-Duplex.

En esta sección se discuten diferentes topologías en el cual Gigabit Ethernet puede ser usado. Gigabit Ethernet es esencialmente un "campo de tecnología", que es para usar como un backnbone en una red de campo ancho, también puede ser usado entre routers, switches y concentradores o hub. Además puede ser usado para conectar servidores, servers farms y workstation de alto poder.
Esencialmente 4 tipos de hardware son necesarios para actualizar un red existente Ethernet/Fast Ethernet en una red Gigabit Ethernet:

• Una tarjeta de interfaz Gigabit Ethernet (NICs)
• Agregar switches que conecten un número de segmentos Fast Ethernet a Gigabit Ethernet.
• Switches Gigabit Ethernet.
• Repetidores Gigabit Ethernet (Buffered Distributor)

Actualización en las conexiones server-switch
Las mejores redes tienen centralizada file server y compute server. Un servidor da respuestas a un número de clientes, lo cual hace que necesite mayor ancho de banda. Conectando servidores a switches con Gigabit Ethernet

Conexión Switch-Sever
Actualización en las conexiones Switch-Switch
Otra actualización se encuentra en las conexiones entre los switches Fast Ethernet y los switches de 100/1000 de Gigabit Ethernet. Ver la figura a continuación:

Actualización del backbone Fast Ethernet
Un Backbone Fast Ethernet podemos encontrar multiples switches 10/100 Mbps. Este puede ser actualizado o sustituido por un switche Gigabit Ethernet siempre y cuando soporte multiples switches 100/1000 Mbps así como routers y concentradores o hubs que tienen interfaces Gigabit Ethernet. Una vez que el backbone ha sido actualizado, servidores de alto funcionamiento o arquitectura robusta pueden ser conectados directamente al backbone. Este incrementará el troughtput para aplicaciones que requieren mayor ancho de banda.

Actualización del backbone
Actualizando el backbone compartido del FDDI
El FDDI es una estructura tecnológica de backbone. Un backbone FDDI puede actualizarse remplazando concentradores FDDI o routers Ethernet a FDDI por switches o repetidores Gigabit Ethernet.

Actualización de un backbone FDDI
Actualizando el alto funcionamiento de una estación de trabajo o Workstation
Las estaciones de trabajos son cada día más y más poderosas y necesitan conectarse a redes de grandes ancho de banda. Actualmente una Workstation pueden trasmitir por el bus más de 100 Mbps. Gigabit Ethernet puede ser conectado a estas estaciones de trabajo de altas velocidades.

Actualización para el alto funcionamiento de las estaciones de trabajo