Ethernet

Março 2017

Introdução à Ethernet

A Ethernet (também conhecida como norma IEEE 802.3) é um padrão de transmissão de dados para rede local baseada no seguinte princípio:
Todas as máquinas da rede Ethernet
estão conectadas a uma mesma linha de comunicação,
constituída por cabos cilíndricos

Distingue-se diferentes alternativas de tecnologias Ethernet, segundo o tipo e o diâmetro dos cabos utilizados:

10Base2: o cabo utilizado é um cabo coaxial fino de fraco diâmetro, chamada thin Ethernet,
10Base5: o cabo utilizado é um cabo coaxial de grande diâmetro, chamada thick Ethernet,
10Base-T: o cabo utilizado é um par trançado (o ‘T’ significa twisted pair), o débito atingido é de cerca de 10 Mbps,
100Base-FX: permite obter um débito de 100 Mbps utilizando uma fibra ótica multimodo (‘F’ significa Fiber).
100Base-TX: como o 10Base-T mas com um débito 10 vezes maior (100 Mbps),
1000Base-T: utiliza um duplo par trançado de categoria 5 e permite um débito Gigabit por segundo.
1000Base-SX: baseado numa fibra ótica multimodo que utiliza um sinal de fraco comprimento de onda (‘S’ significa short) de 850 nanômetros (de 770 a 860 nm).
1000Base-LX: baseado numa fibra ótica multimodo que utiliza um sinal de comprimento de onda elevado (‘L’ significa long) de 1.350 nm (de 1270 a 1355 nm).

SiglaDenominaçãoCaboConectorDébitoAlcance
10Base2Ethernet fina
(thin Ethernet)
Cabo coaxial (50 Ohms) de diâmetro finoBNC10 Mb/s185m
10Base5Ethernet espessa
(thick Ethernet)
Cabo coaxial de diâmetro espesso (0.4 avanços lento)BNC10Mb/s500m
10Base-TEthernet padrãoPar trançado (categoria 3)RJ-4510 Mb/s100m
100Base-TXEthernet rápida
(Fast Ethernet)
Duplo par trançado (categoria 5)RJ-45100 Mb/s100m
100Base-FXEthernet rápida
(Fast Ethernet)
Fibra ótica multimodo (tipo 62.5/125)100 Mb/s2 km
1000Base-TEthernet GigabitDuplo par trançado (categoria 5)RJ-451000 Mb/s100m
1000Base-LXEthernet GigabitFibra ótica monomodo ou multimodo1000 Mb/s550m
1000Base-SXEthernet GigabitFibra ótica multimodo1000 Mbit/s550m
10GBase-SREthernet de 10 GigabitsFibra ótica multimodo10 Gbit/s500m
10GBase-LX4Ethernet de 10 GigabitsFibra ótica multimodo10 Gbit/s500m

A Ethernet é uma tecnologia de rede muito utilizada porque o preço de tal rede não é muito elevado.

O princípio de transmissão

Todos os computadores de uma rede Ethernet estão conectados a uma mesma linha de transmissão e a comunicação é feita com um protocolo chamado CSMA/CD (“Carrier Sense Multiple Access with Collision Detect”, significando que se trata de um protocolo de acesso múltiplo com vigilância de portador ‘Carrier Sense’ e detecção de colisão).


Com este protocolo, qualquer máquina está autorizada a transmitir pela linha a qualquer momento e sem nenhuma prioridade entre elas. Esta comunicação é feita de maneira bem simples:

Cada máquina verifica se não há nenhuma comunicação na linha antes de transmitir,
Se duas máquinas transmitirem simultaneamente, então haverá uma colisão (ou seja, várias tramas de dados encontram-se na linha ao mesmo tempo),
As duas máquinas interrompem a sua comunicação e esperam um prazo aleatório. Em seguida, a primeira que ultrapassar este prazo poderá transmitir novamente.

Este princípio tem várias restrições, ou seja, os pacotes de dados devem ter uma dimensão máxima e é preciso haver um tempo de espera entre duas transmissões.

O tempo de espera varia de acordo com a frequência das colisões:
Após a primeira colisão uma máquina espera uma unidade de tempo.
Após a segunda colisão a máquina espera duas unidades de tempo.
Após a terceira colisão a máquina espera quatro unidades de tempo.
...obviamente, com um pequeno tempo suplementar aleatório.

Ethernet comutada

Até agora, a topologia Ethernet descrita era a Ethernet compartilhada (qualquer mensagem emitida é entendida pelo conjunto das máquinas conectadas, a banda larga disponível é compartilhada pelo conjunto das máquinas).


De uns anos para cá, houve uma evolução importante, a da Ethernet comutada. A topologia física continua a ser uma estrela, organizada em volta de um comutador (switch). O comutador tem um mecanismo de filtragem e de comutação muito similar ao utilizado pelas pontes estreitas (gateways) onde estas técnicas são utilizadas há muito tempo. Ele inspeciona os endereços de fonte e de destino das mensagens, elabora uma tabela que lhe permite saber qual máquina está conectada em qual porta do switch (em geral este processo é feito por autoaprendizagem, ou seja, automaticamente, mas o gestor do switch pode fazer ajustes complementares).

Conhecendo a porta de destino, o comutador transmitirá a mensagem apenas na porta adequada, as outras portas restantes, já livres para outras transmissões, poderão se produzir simultaneamente. O resultado é que cada troca pode ser feita em fluxo nominal (mais compartilhamento de largura de banda), sem colisões, com a consequência de um aumento muito substancial na largura de banda da rede (com velocidade nominal igual).

Quanto a saber se todas as portas de um comutador podem dialogar ao mesmo tempo sem perda de mensagens, isso vai depender da qualidade do mesmo (non blocking switch).

Já que a comutação permite evitar as colisões e que as técnicas 10/100/1000 base T (X) dispõem de circuitos separados para a transmissão e a recepção (um par trançado por sentido de transmissão), a maioria dos comutadores modernos permite desativar a detecção de colisão e passar para o modo full-duplex (bidirecional) nas portas. Desta forma, as máquinas podem transmitir e receber ao mesmo tempo, o que também contribui para o desempenho da rede. O modo full-duplex é particularmente interessante, principalmente para os servidores que devem servir vários clientes.

Os comutadores de Ethernet modernos também detectam a velocidade de transmissão utilizada por cada máquina (autosensing) e se o equipamento suportar várias velocidades (10, 100 ou 1000 megabits/s) começa a negociar com ele para selecionar tanto uma velocidade como o modo de transmissão: semi-duplex ou full-duplex. Isto permite contar com um grupo de máquinas com desempenhos diferentes (ex: um conjunto de computadores com diversas configurações de hardware).

Como o tráfego transmitido e recebido já não se transmite para todas as portas, fica muito mais difícil rastrear o que se passa. Isso contribui para a segurança global da rede, tema muito sensível hoje.

Para concluir, o uso de comutadores permite construir redes mais vastas geograficamente. Na Ethernet compartilhada, uma mensagem deve poder esperar qualquer outra máquina num intervalo de tempo específico (slot time) sem o qual o mecanismo de detecção de colisões (CSMA/CD) não funciona corretamente.

Isto já não se aplica mais com os comutadores de Ethernet. A distância já não é mais limitada, exceto pelos limites técnicos do suporte utilizado (fibra ótica ou par trançado, a potência do sinal emitido e a sensibilidade do receptor, etc.).

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