O Padro Ethernet (IEEE 802.3)

Gil Pinheiro

UERJ-FEN-DETEL

Interface Fsica 10/100Mbps O acoplamento indutivo melhora a rejeio de rudo (rudo

de modo comum)

Tambm elimina a componente DC

Interface Ethernet 10/100 Mbps (10BaseT e 100BaseT), par tranado UTP com impedncia caracterstica de 100 Ohms, conector RJ-45

DTE e DCE

Os ns de uma rede podem ser de dois tipos:

Data terminal equipment (DTE)So dispositivos geradores ou destinatrios finais dos pacotes de dados. DTEs so tipicamente PCs, estaes de trabalho, servidores de arquivos, impressoras de rede, etc. Todos com a caracterstica de estao destinatria.

Data communication equipment (DCE) Dispositivos intermedirios de rede, que recebem e retransmitem pacotes de dados ao longo da rede. DCEs podem ser dispositivos autnomos tais como repetidores, comutadores (switches) ou roteadores ou interfaces de comunicao 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 n um DTE, a sub-camada LLC permite

interfacear com as camadas superiores do n DTE A sub-camada LLC definida pelo padro IEEE802.2

Uma bridge: se o n for um DCE, as bridges provem interligao entre redes que usam o mesmo protocolo na camada de enlace, comoduas redes Ethernet ou entre Ethernet e outros protocolos previstos no padro IEEE802, por exemplo Token Ring.

A Interface Padro Ethernet

A Sub-Camada MAC

Responsvel por:

Encapsulamento dos dados: montagem do quadro, interpretao do quadro, deteco de erros durante e aps a recepo

Controle de acesso ao meio: incluindo delimitao dos quadros, recuperao de uma falha de transmisso

O Quadro Ethernet

Prembulo (PR) consiste em 7 bytes, com uma seqncia alternada de 0 e 1, que avisa que um quadro est chegando e prov a sincronizao dos relgios de transmisso e recepo

Start of Frame Delimiter (SFD) Consiste em 1 byte, com uma seqncia alternada de bits 0 e 1 e dois ltimos bits iguais a 1. Indicando que o prximo byte o incio do endereo de destino

Destination Address (DA) Consiste em 6 bytes, identificando o endereo de destino do quadro. O bit mais significativo (se igual a 0) indica se o endereo individual ou de grupo (igual a 1). O bit seguinte indica se o endereo globalmente (=0) ou localmente administrado (=1). O restante 46 bits forma um endereo nico de uma estao, um grupo de estaes, ou todas as estaes da rede

O Quadro Ethernet Source Address (DA) Consiste em 6 bytes, identificando o

endereo de origem, sempre um endereo 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 identificao 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 uma seqncia de bytes de qualquer valor, com at1500 bytes de comprimento. Se a quantidade de bytes a ser enviada for inferior a 46 bytes, este campo deve ser preenchido at completar 46 bytes.

Frame Check Sequence (FCS) Consiste em 4 bytes, contendo uma sequncia 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 um protocolo de acesso ao meio, conforme a seguir:

Carrier Sense Verificao de portadora, cada estao escuta o meio antes de iniciar a sua transmisso, para verificar se h outra transmitindo

Multiple Access Acesso mltiplo, cada estao pode transmitir a qualquer momento, se a rede estiver livre

Collision Detection Deteco de coliso, se duas estaes transmitirem ao mesmo, o sinal na rede ficarininteligvel. Para detectar a coliso, durante a transmisso, cada estao compara o seu sinal transmitido com o recebido, se forem diferentes est havendo coliso

A Deteco de Coliso

Quando ocorre uma coliso entre duas estaes distantes na rede, podemos analisar os eventos imediatamente antes dessa coliso ocorrer: Uma estao A inicia a sua transmisso

Alguns instantes depois, uma outra estao Btambm inicia a sua transmisso, mas logo detecta que houve uma coliso

A estao A s detecta a coliso instantes aps da estao B

A Deteco de Coliso

A estao B detecta a coliso e logo pra de transmitir, sabendo que seu quadro colidiu, mas o sinal na rede j est corrompido

A coliso (seqncia de bits no inteligveis) se propaga na rede at a estao A

A estao A somente saber que o seu quadro gerou uma coliso, se detectar que a coliso ocorreu enquanto estava transmitindo o seu quadro

Ento, existe um comprimento (ou durao) de quadro mnima, que possibilita a deteco da coliso. Abaixo desse limite, a coliso no serdetectada pela estao, mais distante, que a gerou

Este comprimento de quadro mnimo est associado a um comprimento mximo da rede e quantidade mxima de repetidores R

A B

ColisoQuadro da estao A

Rede de comprimento L

Quadro da estao B

R R R

Os Limites para a Operao em Half Duplex

O Quadro GigaBit Ethernet

O quadro deve ser aumentado, atravs do campo Extension, para possibilitar a deteco de coliso. Aps a recepo, o campo retirado pela camada de enlace

Evoluo do Padro 802.3

10Base5

1 Padro Ethernet 10Base5 significa 10 Mbps de velocidade de transmisso, banda BASE,

segmento de 500 m Sinal com codificao Manchester Meio fsico - cabo coaxial grosso de 50 Ohms Conectores coaxiais do tipo N Opera em Half-duplex, podendo haver colises entre estaes no meio Vantagem: bastante confivel, devido a robustez do meio fsico, novas

estaes so acrescentadas atravs de derivaes (conector vampiro) Desvantagens: meio fsico pesado e pouco flexvel, meio fsico

compartilhado dificulta o isolamento de problemas, taxa de transmisso limitada, half-duplex, a coliso limita o desempenho em altas demandas de trfego (protocolo no determinstico CMSA/CD)

Instalao 10Base5

Utiliza um transceptor (MAU) por n de rede

AUI (Attachment Unit Interface)

Conecta uma placa de rede a um transceptor

Comprimento mximo de 50m

Usada extensivamente no padro 10Base5

10Base2

2 Padro Ethernet 10Base2 significa 10 Mbps de velocidade de transmisso, banda BASE,

segmento de 185 m Sinal com codificao Manchester Meio fsico - cabo coaxial fino (RG-59) de 50 Ohms Conectores coaxiais do tipo BNC Opera em Half-duplex, podendo haver colises entre estaes no meio Vantagem: meio fsico bastante flexvel e de fcil instalao, menor custo

que 10Base5 ao dispensar transceptores Desvantagens: meio fsico compartilhado dificulta o isolamento de

problemas, taxa de transmisso limitada, half-duplex, a coliso limita o desempenho em altas demandas de trfego (protocolo no determinstico CMSA/CD), topologia de conexes em srie limita o cabeamento na instalao, expanso mais difcil que 10Base5 pois precisa parar a rede

Camada Fsica do Padro IEEE802.3 -Subcamadas

Subcamadas do padro IEEE 802.3 para os modos 10BaseT, 100BaseT e 1000BaseT

Os modos de 10, 100 e 1000 Mbps tambm so conhecidos como:

10 Mbps Ethernet

100 Mbps Fast Ethernet

1000 Mbps Gigabit Ethernet

O padro mais recente (2002): 10 Gbps 10 Gigabit Ethernet

GMII - Gigabit medium independent interface

Cdigos de Linha

So cdigos utilizados para a transmisso direta na linha de transmisso RZ (Return to Zero)

NRZ (Non Return to Zero)

MLT-3 (Multi Level 3)

O objetivo trabalhar com uma boa relao sinal x rudo e obter uma distribuio espectral do sinal sem componentes DC em sistemas mais complexos

Cdigo de Linha NRZ (Non Return to Zero)

o cdigo mais simples, consiste num sinal de linha (+E,0) que corresponde ao nvel lgico (0 ou 1)

S ocorre transio na linha se o bit a ser transmitido mudar A sincronizao dos relgios mais difcil em longas seqncias de bits, pela

ausncia de transies intermedirias No h diferena entre uma seqncia de bits 0 e a linha em repouso (Idle) Possui um valor DC diferente de zero, isso ruim quando necessrio

isolamento galvnico, usual em redes Ethernet Codificao pouco eficiente em termos de espectro de freqncia

Cdigo de Linha NRZI (Non Return to Zero Inverted)

S ocorre transio na linha se o bit a ser transmitido for 1, com nvel 0 a linha permanece inalterada

Esse cdigo resolve a questo de uma longa seqncia de bits 1 sem transies

No h diferena entre uma seqncia de bits 0 e a linha em repouso (Idle) Possui um valor DC diferente de zero, isso ruim quando necessrio

isolamento galvnico, usual em redes Ethernet Codificao pouco eficiente em termos de espectro de freqncia

Cdigo Manchester

Os bits de dados so codificados nas transies do sinal (Nvel 0 Transio 0/1, Nvel 1 Transio 1/0)

Esse cdigo resolve a questo de uma longa seqncia de bits 1 ou 0 sem transies, pois ocorre uma transio a cada bit

Esquema de codificao da Ethernet de 10Mbps

Cdigo de Linha RZ (Return to Zero)

A cada bit, o sinal de linha retorna a zero H uma transio na linha mesmo se o bit a ser transmitido no

mudar Possui uma eficincia de codificao de 1 bit/baud, para cada 2 bits

(baud) requer 2 transies A mxima freqncia de sinalizao igual a taxa de transmisso

(baud rate) Possui um valor DC diferente de zero, isso ruim quando

necessrio isolamento galvnico, usual em redes Ethernet

Cdigo MLT-3 (Multi Level 3)

Cdigo com 3 nveis de tenso (-1,0,+1) Utilizado no padro 100Base-TX Similar ao cdigo NRZ

Bit 0 mantm estado anterior Bit 1 inverter estado anterior

Possui uma eficincia de codificao de 1 bit/baud, porm, requer 4 transies (baud) para completar um ciclo completo (-1/0, 0/+1, +1/0,0/-1)

A mxima freqncia de sinalizao da taxa de transmisso (baudrate). Exemplo: sinal de 25MHz numa taxa de 100 Mbps (100BASE-TX)

O Cdigo 4B/5B

um cdigo de grupo de bits, que transforma um conjunto de 4 bits de dados num cdigo de 5 bits na transmisso (ou o contrrio na recepo)

Ao adicionar mais 16 cdigos aos 16 cdigos de dados, possibilita a existncia de cdigos de controle (incio e fim de quadro Ethernet)

Por exemplo, o byte A5 ser codificado como:

Dado (formato 4B): 1010 0101

Dado Codificado (formato 5B): 10110 01011

O Cdigo 4B/5B

O Chip Intel 82562ET

Controlador conforme o padro IEEE 802.3, modos 10BASE-T e 100BASE-TX Autonegociao conforme IEEE 802.3u Controle de equalizao digital adaptativa Operao no modo 100BASE-TX

Codificao 4B/5B Os smbolos 5B so serializados e transmitidos a uma taxa de 125 Mbps, utilizando o cdigo

de linha MLT-3, o qual transmitido no cabo par tranado (UTP ou STP) Portanto, com o MLT-3, a taxa de sinalizao mxima ser de 31,25MHz

O Chip Am79C873

Equalizao Adaptativa

Com a transmisso de dados em alta velocidade, a atenuao nos cabos com a freqncia torna-se um problema. Em operao normal, o contedo harmnico do sinal pode variar muito, devido a aleatoriedade da forma de onda do sinal

Esta variao da intensidade do sinal deve ser compensada para assegurar a integridade dos dados recebidos

Com o aumento do comprimento do cabo de rede a atenuao aumenta. E como o comprimento do cabo depende da instalao, necessrio um circuito auto-adaptativo, que ajuste a intensidade do sinal recebido, compensando a atenuao da cabo

O Circuito Embaralhador (Scrambler)

O embaralhador (scrambler) necessrio para que a radiao emitida pelo cabo de rede esteja dentro dos limites da legislao de radiao eletromagntica (EMI) aplicvel. Isso feito atravs do espalhamento da energia do sinal no cabo ao longo do espectro defreqncia

Aps o embaralhamento, a freqncia do sinal fica aleatoriamente distribuda ao longo de um amplo espectro de freqncia

Sem o embaralhador, o sinal estaria mais concentrado numa faixa de freqncias mais estreita, excedendo o limite da legislao

Como a radiao eletromagntica no problemtica em fibras ticas, esse circuito desnecessrio no padro 100BASE-FX