O Padrão Ethernet
(IEEE 802.3)
Gil Pinheiro
UERJ-FEN-DETEL
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
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.
DTEs são 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. DCEs podem ser
dispositivos autônomos tais como repetidores,
comutadores (switches) ou roteadores ou interfaces de
comunicação tais como placas de rede, modens.
Cabo Normal x Cruzado
• Cabo Normal:
– DTE x DCE
• Cabo Cruzado (crossed):
– DCE x DCE
– DT x DTE
A Sub-Camada MAC
• Os clientes da sub-camada MAC podem ser:
– A sub-camada LLC: se o nó é um DTE, a sub-camada LLC permite
interfacear com as camadas superiores do nó DTE A sub-camada LLC é
definida pelo padrão IEEE802.2
– Uma bridge: se o nó for um DCE, as bridges provêem 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.
A Interface Padrão Ethernet
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
O Quadro Ethernet
• Preâmbulo (PR) – consiste em 7 bytes, com uma seqüência
alternada de 0 e 1, que avisa que um quadro está chegando e
provê a sincronização dos relógios de transmissão e recepção
• Start of Frame 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 é o início do
endereço de destino
• Destination Address (DA) – Consiste em 6 bytes,
identificando o endereço de destino do quadro. O bit mais
significativo (se igual a 0) indica se o endereço é individual 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
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 – É uma 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 Check Sequence (FCS) – Consiste em 4 bytes, contendo
uma sequência de 32 bits de CRC, calculado incluindo DA, SA,
Length/Type e Data
O Quadro Ethernet
O Controle de Acesso CSMA/CD
• O CSMA/CD é um 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
– Multiple Access – Acesso múltiplo, cada estação pode
transmitir a qualquer momento, se a rede estiver livre
– Collision Detection – 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
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 A só detecta a colisão instantes após da
estação B
A Detecção de Colisão
Quadro da estação A
R
R
Colisão
R
A
B
Quadro da
estação B
Rede de comprimento L
• A estação B detecta a colisão e logo pára de transmitir, sabendo que seu
quadro colidiu, mas o sinal na rede já está corrompido
• A “colisão” (seqüência de bits não inteligíveis) se propaga na rede até a
estação A
• A estação A somente saberá que 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 está associado a um comprimento
máximo da rede e quantidade máxima de repetidores R
Os Limites para a Operação
em Half Duplex
O Quadro GigaBit Ethernet
• O quadro deve ser aumentado, através do campo
Extension, para possibilitar a detecção de colisão.
Após a recepção, o campo é retirado pela camada de
enlace
Evolução do Padrão 802.3
10Base5
• 1º Padrão Ethernet
• 10Base5 significa 10 Mbps de 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)
Instalação 10Base5
• Utiliza um
transceptor (MAU)
por nó de rede
AUI (Attachment Unit Interface)
• Conecta uma placa de rede a um transceptor
• Comprimento máximo de 50m
• Usada extensivamente no padrão 10Base5
10Base2
• 2º Padrão Ethernet
• 10Base2 significa 10 Mbps de 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
Camada Física do Padrão IEEE802.3 Subcamadas
• Subcamadas do padrão IEEE
802.3 para os modos 10BaseT,
100BaseT e 1000BaseT
• Os modos de 10, 100 e 1000
Mbps também são conhecidos
como:
– 10 Mbps – Ethernet
– 100 Mbps – Fast Ethernet
– 1000 Mbps – Gigabit Ethernet
• O padrão mais recente (2002):
10 Gbps – 10 Gigabit Ethernet
GMII - Gigabit medium independent interface
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 (Multi Level – 3)
• O objetivo é trabalhar com uma boa relação
sinal x ruído e obter uma distribuição
espectral do sinal sem componentes DC em
sistemas mais complexos
Código de Linha NRZ
(Non Return to Zero)
•
•
•
•
•
•
É o código mais simples, consiste num sinal de linha (+E,0) que corresponde
ao nível lógico (0 ou 1)
Só ocorre transição na linha se o bit a ser transmitido mudar
A sincronização dos relógios é mais difícil em longas seqüências de bits, pela
ausência de transições intermediárias
Não há diferença entre uma seqüência de bits 0 e a linha em repouso (Idle)
Possui um valor DC diferente de zero, isso é ruim quando é necessário
isolamento galvânico, usual em redes Ethernet
Codificação pouco eficiente em termos de espectro de freqüência
Código de Linha NRZI
(Non Return to Zero Inverted)
•
•
•
•
•
Só ocorre 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 há diferença entre uma seqüência de bits 0 e a linha em repouso (Idle)
Possui um valor DC diferente de zero, isso é ruim quando é necessário
isolamento galvânico, usual em redes Ethernet
Codificação pouco eficiente em termos de espectro de freqüência
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
Código de Linha RZ (Return to Zero)
• A cada bit, o sinal de linha retorna a zero
• Há uma 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 é igual a taxa de transmissão
(baud rate)
• Possui um valor DC diferente de zero, isso é ruim quando é
necessário isolamento galvânico, usual em redes Ethernet
Código MLT-3 (Multi Level – 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)
O Código 4B/5B
• É um 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): 1010 0101
– Dado Codificado (formato 5B): 10110 01011
O Código 4B/5B
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 é transmitido no cabo par trançado (UTP ou STP)
– Portanto, com o MLT-3, a taxa de sinalização máxima será de 31,25MHz
O Chip Am79C873
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
O Circuito Embaralhador (Scrambler)
• O embaralhador (scrambler) é necessário para que a radiação
emitida pelo cabo de rede esteja dentro dos limites da legislação de
radiação eletromagnética (EMI) aplicável. Isso é feito 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 é problemática em fibras
óticas, esse circuito é desnecessário no padrão 100BASE-FX