Protocolo Ethernet: Características y Funcionamiento

Vamos a explicar qué es, cómo funciona y las características de Ethernet; y a describir la dirección MAC de Ethernet.

¡Bienvenido!: Este tema forma parte del Capítulo 5 del curso de Cisco CCNA 1, para un mejor seguimiento del curso puede ir a la sección CCNA 1 para guiarse del índice.

Ethernet es la tecnología LAN predominante en el mundo y funciona en la capa de enlace de datos y en la capa física. Los estándares del protocolo Ethernet definen el formato, el tamaño, la temporización y la codificación de las tramas en una comunicación de red; es por ello importante conocer los estándares de Ethernet que definen los protocolos de capa 2 y las tecnologías de capa 1.

Ethernet ha evolucionado desde su creación en 1973. Las primeras versiones de Ethernet eran relativamente lentas, con una velocidad de 10 Mbps, mientras que las más recientes funcionan a 10 Gbps e, incluso, más rápido.

Resumiendo Ethernet:

  • Tecnología LAN más utilizada.
  • Funciona en la capa de enlace de datos y en la capa física.
  • Familia de tecnologías de redes que se define en los estándares IEEE 802.2 y 802.3.
  • Admite anchos de banda de datos de 10, 100, 1000, 10 000, 40 000 y 100 000 Mbps (100 Gbps).

1. Encapsulamiento de Ethernet

Como mencionaba, Ethernet trabaja en capa 1 y capa 2, y precisamente, opera en dos subcapas separadas de la capa de enlace de datos (capa 2): la de Control de Enlace Lógico (LLC) y la MAC.

Encapsulamiento de Ethernet

Encapsulamiento de Ethernet

1.1. Subcapa LLC

La Subcapa LLC (Logical Link Control o Control de enlace lógico) se implementa mediante software (su implementación es independiente del hardware) y se utiliza para comunicarse con las capas superiores de la suite de protocolos

El LLC toma los datos del protocolo de la red, que generalmente son un paquete IPv4, y agrega información de control para ayudar a distribuir el paquete al nodo de destino.

En una computadora, el LLC se puede considerar el software del controlador de la NIC. El controlador de la NIC es un programa que interactúa directamente con el hardware de la NIC para trasladar los datos entre la subcapa MAC y los medios físicos.

Subcapas Ethernet

Subcapas Ethernet

1.2. Subcapa MAC

La subcapa MAC (Media Access Control o Control de Acceso al Medio) constituye la subcapa inferior de la capa de enlace de datos y se implementa mediante hardware, por lo general en la NIC de la PC.

Subcapa MAC Control de Acceso al Medio

Subcapa MAC Control de Acceso al Medio

Tiene dos responsabilidades principales:

  • Encapsulación de datos: Incluye el armado de tramas antes de la transmisión y el desarmado de tramas en el momento de la recepción y proporciona tres funciones principales:
  1. Delimitación de tramas: se utiliza para identificar un grupo de bits que componen una trama. Estos bits delimitadores proporcionan sincronización entre los nodos de transmisión y de recepción.
  2. Direccionamiento: el proceso de encapsulamiento contiene la PDU de capa 3 y también proporciona direccionamiento de la capa de enlace de datos.
  3. Detección de errores: cada trama contiene un tráiler utilizado para detectar errores de transmisión.

Para armar la trama, la capa MAC agrega un encabezado y un tráiler a la PDU de la capa de red.

  • Control de acceso al medio: Es responsable de colocar las tramas en los medios y de quitarlas de ellos (por ello el nombre). Esta subcapa se comunica directamente con la capa física.

La topología lógica subyacente de Ethernet es un bus de acceso múltiple en la que todos los dispositivos (nodos) de un único segmento de red comparten el medio. Ethernet es un método de red de contienda, donde cualquier dispositivo puede intentar transmitir datos a través del medio compartido siempre que tenga datos que enviar. Para detectar y resolver colisiones, se utiliza el proceso de acceso múltiple por detección de portadora con detección de colisiones (CSMA/CD) en las LAN Ethernet de dúplex medio.

Las LAN Ethernet actuales utilizan switches de dúplex completo, que permiten que varios dispositivos envíen y reciban datos en simultáneo y sin colisiones.


2. Campos de trama de Ethernet

Los estándares Ethernet II e IEEE 802.3 definen que el tamaño mínimo de trama de Ethernet es de 64 bytes, y el máximo es de 1518 bytes y se tiene en cuenta lo siguiente:

  • Una longitud menor que 64 bytes se considera un “fragmento de colisión” o “runt frame”.
  • Se descartan todas las tramas que sean más pequeñas que el mínimo o mayores que el máximo.
  • Es posible que las tramas descartadas se originen en colisiones u otras señales no deseadas y, por lo tanto, se consideran no válidas.
Campos de trama de Ethernet

Campos de trama de Ethernet

Tabla de los Campos de trama Ethernet
CAMPOSDESCRIPCION
Preámbulo y Delimitador de inicio de tramaLos campos Preámbulo (7 bytes) y Delimitador de inicio de trama (SFD), también llamado “inicio de trama” (1 byte), se utilizan para la sincronización entre los dispositivos emisores y receptores.
Dirección MAC destinoEste campo de 6 bytes es el identificador del destinatario deseado.
Dirección MAC origenEste campo de 6 bytes identifica la NIC o la interfaz de origen de la trama.
EtherTypeEste campo de 2 bytes identifica el protocolo de capa superior encapsulado en la trama de Ethernet.
DatosEste campo (de 46 a 1500 bytes) contiene los datos encapsulados de una capa superior, que es una PDU de capa 3 (un paquete IPv4). Todas las tramas deben tener, al menos, 64 bytes de longitud.
FCS (Campo de Secuencia de Verificación de trama)(4 bytes) se utiliza para detectar errores en la trama. Utiliza una comprobación cíclica de redundancia (CRC), si los cálculos coinciden en el origen y el receptor, no se produjo ningún error.

3. Direcciones MAC de Ethernet

Una dirección MAC de Ethernet es un valor binario de 48 bits expresado como 12 dígitos hexadecimales (4 bits por dígito hexadecimal).

El sistema decimal es un sistema numérico de base 10, el sistema hexadecimal es un sistema de base 16, utiliza los número del 0 al 9 y las letras de la A a la F

Dirección MAC de Ethernet Hexadecimal

Dirección MAC de Ethernet es Hexadecimal

Es importante saber:

  • El sistema hexadecimal se representa por escrito por medio del valor precedido por “0x”. Ejemplo: “0x0A” y “0x73”
  • El valor hexadecimal se utiliza para representar las direcciones MAC de Ethernet y las direcciones IP versión 6 (IPv6).

3.1. Estructura de la dirección MAC

El valor de la dirección MAC es el resultado de las normas implementadas por el IEEE con el objetivo de garantizar direcciones únicas para cada dispositivo Ethernet. El IEEE asigna al proveedor un código de 3 bytes (24 bits), llamado “identificador único de organización (OUI)”.

El IEEE requiere que un proveedor siga dos sencillas reglas:

  • Deben utilizar el OUI asignado al proveedor como los primeros 3 bytes.
  • Se les debe asignar un valor exclusivo a todas las direcciones MAC con el mismo OUI en los últimos 3 bytes.
Estructura de la dirección MAC

En la imagen: Un ejemplo de una estructura de dirección MAC

4. Procesamiento de tramas

A menudo, la dirección MAC se conoce como “dirección física (BIA)” porque, históricamente, esta dirección se graba de manera física en la memoria de solo lectura (ROM) de la NIC. Es decir que se codifica en el chip de la ROM de manera permanente.

Es es así como funciona: Cuando la computadora arranca, lo primero que hace la NIC es copiar la dirección MAC de la ROM a la RAM. Cuando un dispositivo reenvía un mensaje a una red Ethernet, adjunta la información del encabezado a la trama (que contiene las direcciones MAC de origen y de destino).

5. Representaciones de la dirección MAC

Las direcciones MAC tienen las siguientes características:

  • Pueden representarse con dos puntos, guiones o puntos, y no distinguen mayúsculas de minúsculas.
  • 00-60-2F-3A-07-BC, 00:60:2F:3A:07:BC, 0060.2F3A.07BC y 00-60-2f-3a-07-bc son representaciones válidas de la misma dirección MAC.

En un host de Windows, se puede utilizar el comando ipconfig /all para identificar la dirección MAC de un adaptador Ethernet

C:\Users\CCNAdesdeCero>ipconfig /all

Configuración IP de Windows

Nombre de host. . . . . . . . . : DESKTOP-CCNA
 Sufijo DNS principal . . . . . :
 Tipo de nodo. . . . . . . . . . : híbrido
 Enrutamiento IP habilitado. . . : no
 Proxy WINS habilitado . . . . . : no
 Lista de búsqueda de sufijos DNS: domain.name

Adaptador de Ethernet Ethernet:

Estado de los medios. . . . . . . . . . . : medios desconectados
 Sufijo DNS específico para la conexión. . : domain.name
 Descripción . . . . . . . . . . . . . . . : Realtek PCIe GBE Family Controller
 Dirección física. . . . . . . . . . . . . : 00-60-2F-3A-07-BC
 DHCP habilitado . . . . . . . . . . . . . : sí
 Configuración automática habilitada . . . : sí

5.1. Dirección MAC de unidifusión

Dirección única utilizada cuando se envía una trama desde un único dispositivo transmisor hacia un único dispositivo receptor. La dirección MAC de origen siempre debe ser de unidifusión.

Dirección MAC de unidifusión

En la imagen: un host con la dirección IPv4 192.168.1.5 (origen) solicita una página web del servidor en la dirección IPv4 de unidifusión 192.168.1.200. El encabezado de la trama de Ethernet debe contener tanto la IP como la MAC de destino.

5.2. Dirección MAC de difusión

Se utiliza cuando se envía una trama desde un único dispositivo transmisor hacia todos los dispositivos de la red.

Dirección MAC de difusión

Dirección MAC de difusión

Los paquetes de difusión tienen una dirección IPv4 de destino que contiene solo números uno (1) en la porción de host, significa que todos los hosts de esa red local (dominio de difusión) recibirán y procesarán el paquete. Muchos protocolos de red, como DHCP y ARP, utilizan la difusión.

Otra características es que cuando el paquete de difusión IPv4 se encapsula en la trama de Ethernet, la dirección MAC de destino es la dirección MAC de difusión FF-FF-FF-FF-FF-FF en hexadecimal (48 números uno en binario).

5.3. Dirección MAC de multidifusión

Las direcciones de multidifusión le permiten a un dispositivo de origen enviar un paquete a un grupo de dispositivos. Hay algunas cosas a tener en cuenta:

  • La dirección MAC multicast es un valor especial que comienza con 01-00-5E en hexadecimal (la porción restante se crea convirtiendo en seis caracteres hexadecimales los 23 bits inferiores de la dirección IP del grupo de multidifusión).
  • El rango de direcciones IPv4 multicast va de 224.0.0.0 a 239.255.255.255.
  • El rango de direcciones de multidifusión IPv6 comienza con FF00::/8.
Dirección MAC de multidifusión

En la imagen: la dirección hexadecimal de multidifusión es 01-00-5E-00-00-C8. Los últimos 2 valores resulta del valor hexadecimal del último byte (u 8 bits) de la dirección IPv4 224.0.0.200 (es decir, de 200).

 

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