Norma IEEE 802 para Redes de Área Local:

Introducción:

La IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers) ha publicado varios estándares de gran aceptación para redes LAN. Estos estándares son muy importantes porque fortalecen el uso de protocolos e interfaces comunes. El conjunto de normas del estándar IEEE para redes de área local se denomina IEEE 802 y se compone de:

• IEEE 802.1 High Level Interface

• IEEE 802.2 Logical Link Control

• IEEE 802.3 Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect (CSMA/CD)

• IEEE 802.4 Token Bus

• IEEE 802.5 Token Ring

• IEEE 802.6 Metropolitan Area Networks

• IEEE 802.7 Broadband LANs

• IEEE 802.8 Fibre Optic LANs

• IEEE 802.9 Integrated Data and Voice Networks

• IEEE 802.10 Security

• IEEE 802.11 Wireless Networks

Estas normas han sido adoptadas por el ANSI (Instituto Nacional Americano de Normalización), el NBS (Oficina Nacional de Normas) y la ISO (Organización internacional de Normas).

En la realización de este trabajo nos vamos a centrar en las normas 802.3, 802.4 y 802.5 que son las que describen las normas principales de redes LAN.

802.3 y Ethernet:

Esta norma es utilizada en las redes LAN con protocolo 1-persistente CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection). Este protocolo funciona básicamente como "un grupo de amigos alrededor de una mesa, en una habitación oscura", es decir, todas las personas alrededor de la mesa deben escuchar durante un período antes de poder hablar (Carrier Sense). Una vez realizada la escucha todos tendrán la misma oportunidad para decir algo (Multiple Access). Si dos personas comienzan a hablar a la vez, se darán cuenta al instante y dejarán de hablar (Collision detection). Para traducir esto a términos de Ethernet, diremos que:

Las estaciones que quieren transmitir escuchan la información que fluye a través del cable, si está ocupado esperan, en caso contrario transmiten (Carrier Sense). Ninguna interfaz Ethernet tiene prioridad sobre otra, reinando la democracia entre ellos (Multiple Access). Si dos

estaciones comienzan a transmitir justo al mismo tiempo, se genera una colisión que es solucionada con la repetición completa de la operación, tras una espera aleatoria de unos microsegundos (Collision Detection). Para el tratamiento de colisiones se usa un algoritmo especial, que es el que genera el intervalo de tiempo aleatorio y mantiene las estaciones en espera. Es importante reseñar que el término "colisión" no es un término que indique que algo

malo o erróneo este ocurriendo, aunque por el "sonido" de la palabra pueda parecerlo. Las colisiones son eventos absolutamente normales y esperados en un entorno Ethernet y la ocurrencia de las mismas sólo indica que el protocolo funciona como ha sido diseñado. Por este motivo se piensa que la palabra "colisión" está mal empleada en este ámbito por su malsonancia.

Un número elevado de colisiones para una misma trama indica que la red está muy cargada. Solamente después de 16 colisiones consecutivas de una misma transmisión, esta será descartada y esto sólo ocurre cuando el canal está sobrecargado durante un período largo de tiempo o se ha roto en algún punto.

El protocolo CSMA/CD, está diseñado para proporcionar acceso a un canal compartido de tal manera que todas las estaciones tienen oportunidad de utilizar la red. Después de cada transmisión de paquete, las estaciones usan el protocolo para determinar que máquina entrará en posesión del canal.

El nacimiento de esta norma se debe al enorme éxito que tuvo el sistema CSMA/CD de 2.94 Mbps para 100 estaciones de trabajo en un cable de 1 Km de longitud, que fue desarrollado por Xerox y que posteriormente fue llamado Ethernet (¡Un poco de actualidad! Ethernet es de lejos la tecnología LAN más popular. La industria estima que en 1994 alrededor de 40 millones de nodos Ethernet fueron instalados por todo el mundo. Una de las razones de este éxito ha sido que las especificaciones y derechos para construir Ethernet, han estado disponibles para todo el mundo desde el principio. Esta Apertura, combinada con la facilidad de uso y robustez del sistema han sido las otras dos razones fundamentales de la gran aceptación de la tecnología. El resultado directo es que la mayoría de los vendedores equipan sus productos con un interface Ethernet, capaz de operar a 10 Mbps o a 100 Mbps y de funcionar con una gran variedad de computadoras bajo una Ethernet LAN).

Debido a ese triunfo las compañías Xerox, DEC e Intel propusieron una norma para la Ethernet de 10 Mbps, que constituyó la base de la 802.3. Esta norma describe una familia

completa de sistemas 1-persistente CSMA/CD operando a velocidades comprendidas entre 1 y 10 Mbps, en varios medios físicos, pero nos vamos a centrar en la versión de la banda de base a 10 Mbps.

Vamos a comenzar el estudio con el concepto del cable. Hay dos tipos de cable coaxial que se utilizan comúnmente (ambos son compatibles y pueden conectarse):

• Ethernet grueso: Es de color amarillo (sugerencia de la norma 802.3) y tiene unas marcas cada 2,5 metros para los conectores.

• Ethernet delgado: Es mas fino y flexible. Utiliza conectores de tipo BNC para formar uniones en T. Es más económico y se suele usar para distancias cortas.

(Es reseñable que el estándar más reciente define el sistema 100 Mbps Fast Ethernet, el cual opera sobre par trenzado y fibra óptica).

La técnica que se utiliza para la detección de cables rotos y falsos contactos se denomina Reflectometría de dominio temporal y se basa en el uso de un pulso conocido que es enviado por el cable. Este pulso genera un eco al chocar con un obstáculo o con el extremo terminal. Una vez que se conoce el tiempo de devolución del eco, se puede calcular orígenes nuevos de eco con gran exactitud.

La norma 802.3 usa la codificación Manchester. En esta codificación, cada período de bit se divide en dos intervalos iguales. El bit 1 se representa con voltaje alto en el primer intervalo y bajo durante el segundo y el bit 0 al contrario. Con esto se consigue que todos los períodos de bit tengan una transición en la parte media proporcionando así un excelente sincronismo entre el receptor y el transmisor.

La configuración usual de Ethernet se puede observar en el siguiente gráfico:

La longitud máxima permitida para un cable 802.3 es de 500 metros. Si es necesaria una red mayordebemos emplear mlutiples cables conectados mediante repetidores (los cuales reciben, amplifican y transmiten señales en ambas direcciones). Aun así no es posible que dos transceptores estén separados por más de 2.5 Km o que exista una trayectoria entre dos transceptores que atraviese más de cuatro repetidores.

Entre las diferentes formas de cablear un edificio, tenemos la topología lineal (de cuarto a cuarto), en espina (un cable grueso del sótano al último piso y cables más delgados que se conectan alos repetidores de cada piso), en árbol (la más general) y segementos separados conectados mediante puentes o repetidores selectivos que a diferencia de los repetidores ordinarios, examinan cada trama y sólo reenvian las tramas que deben llegar al siguiente segmento.

Protocolo de subcapa MAC para un 802.3:

La estructura de la trama para un 802.3 queda representada en el siguiente gráfico:

Preámbulo: patrón de octetos=10101010

Inicio de trama: patrón e octeto=10101011

Dirección destino y origen: Se permiten direcciones de 2 ó 6 octetos. Si es todo unos se envia a todos los usuarios y pasa por todos los puentes.

• Bit de mayor orden en dirección destino ordinaria=0

• Bit de mayor orden en dirección destino de grupo=1 (Todas las estaciones del grupo reciben la trama= Difusión restringida).

• Utilización de bit número 46 para direcciones globales (son asignadas por el estandar para asegurar que no existan dos estaciones con la misma dirección global. El número de direcciones globales asciende a 6 octetos * 8 bits = 48 bits. 48 bits - 2bits = 46 bits 7 *1013 direcciones globales.

Campo de longitud:Indica cuantos octetos están presentes en el campo de datos. La longitud mínima desde la dirección destinataria al código de redundancia es de 64 octetos. Esto sirve para diferenciar entre las tramas correctas y las tramas basura y para evitar que una estación complete la transmisión de una trama corta, antes de que el primer bit haya pasado por todo el cable lo que podría dejar sin detectar una colisión.

Datos: Debe tener una longitud mínima de 46 octetos, si no alcanza la longitud mínima, el campo de relleno mete octetos en el campo de datos hasta llegar a ese valor.

Código de redundancia: Código de 32 bits que representa el conjunto de datos. Es un código de verificación por redundancia cíclica.

Como ya hemos comentado, cuando se detecta una colisión, las estaciones abortan la transmisión y esperan un tiempo aleatorio antes de repetir completamente el ciclo. Este proceso de aleatoriedad ocurre de la siguiente manera:

Una vez ocurrida la colisión, el tiempo se divide en ranuras discretas, de longitud igual al tiempo que se tarda en dar una vuelta completa al cable en el peor caso. En al primera colisión se espera o un tiempo de ranura, o nada, antes de volver a intentarlo. Si se produce una nueva colisión, (dos estaciones han elegido la misma ranura), cada estación elige aleatoriamente un número 0, 1 ,2 ó 3 y espera ese número de tiempos de ranura. En general , después de i colisiones se seleccionará un número aleatorio entre 0 y 2i -1 colisiones, y se esperará ese mismo número de ranuras. Así hasta 16 colisiones, momento en que se informará al ordenador sobre el fallo. Este algoritmo se conoce como disminución exponencial binaria.

802.4: Paso de testigo en Bus

Aunque la norma 802.3 es muy usada, presenta una serie de deficiencias como son la conocida condición del peor caso (en la que una estación tendría que esperar mucho tiempo, en forma arbitraria, para transmitir una trama) y la incapacidad manifiesta de operación en sistemas de tiempo real, ya que no asigna prioridades a las tramas. Debido a esto apareció la norma 802.4 (la cual difiere en gran medida de la 802.3, siendo la primera más grande y bastante más compleja) también conocida como paso de testigo en bus.

En esta norma las estaciones se conectan físicamente en forma lineal o de árbol, pero lógicamente se encuentran organizadas en forma de anillo (cada estación conoce la dirección de la estación ubicada a su "izquierda" y a su "derecha").

La autorización para transmitir la da una trama especial de control llamada testigo, que se va propagando por todo el anillo. No hay colisiones ya que sólo una estación puede tener el testigo en un momento determinado. Un ejemplo de red en anillo es el siguiente:

Hay que tener en cuenta dos puntos importantes de este diseño:

• El orden físico en el que se encuentran conectadas las estaciones, no es importante.

• Cuando las estaciones se activan por primera vez, no se encuentran dentro del anillo (estaciones 14 y 9 del gráfico anterior) El protocolo MAC puede agregar y retirar estaciones del anillo.

El cable utilizado en esta norma es un cable coaxial de 75  que normalmente se utiliza para la TV por cable. Los repetidores, el sistema de cable sencillo y el dual están autorizados.

Protocolo de subcapa MAC para el paso de testigo en bus:

Cuando se inicia el anillo, las estaciones se introducen ordenadamente de mayor a menor según su dirección. Las estaciones transmiten durante el período de posesión del testigo, pero si no tienen tramas que enviar, pasan el testigo inmediatamente, sin necesidad de esperar a que termine el tiempo de posesión.

Para explicar el paso de tramas es necesario imaginar cada estación subdividida en otras cuatro, cada una de ellas con una prioridad y una cola de espera para transmisión. De menor a mayor las prioridades son 0, 2, 4 y 6. Según la prioridad de las tramas entrantes, estas son redirigidas a una de las cuatro subestaciones. Cuando el testigo llega a una estación se ubica en la subestación de mayor prioridad (6) y todas las tramas de esa subestación son enviadas. A continuación el testigo pasa a la subestación de prioridad cuatro y se realiza el mismo proceso, así hasta enviar la última trama de la subestación cero o hasta que el tiempo de posesión termina y el testigo es enviado a otra estación. Para garantizar que por los menos alguna trama de mayor prioridad es transmitida, la lógica del temporizador asigna siempre una fracción del tiempo de posesión a la subestación de máxima prioridad, el resto de tiempo es para las otras tres subestaciones. Debido a esta característica que garantiza al tráfico con prioridad seis una parte fija de ancho de banda, se puede utilizar esta norma para tráfico de tiempo real y/o transmisión de voz.

El formato de la trama es el siguiente:

Preámbulo: Sincroniza el reloj del receptor.

Delimitador inicial y final: Marcan los límites de los marcos con una codificación analógica diferente de ceros y unos No pueden ocurrir accidentalmente en los datos de usuario.

Control de marco: Distingue entre los marcos de datos y de control. En los marcos de datos, este campo lleva la prioridad del marco y puede llevar también un indicador que pida a la estación destino, reconocer la recepción

correcta o incorrecta del marco. En los marcos de control se usa para especificar el tipo de marco (paso de testigo, marcos de mantenimiento de anillo con los mecanismos de entrada y salida de estaciones...).

Dirección destino y origen: Igual que en la norma 802.3. Se permiten direcciones de 2 bytes o de 6 bytes (nunca una mezcla en el mismo cable). El direccionamiento individual y de grupo, así como las asignaciones de direcciones son idénticas al estándar 802.3

Campo de datos: Como en el token bus se usan los temporizadores como medida antiacaparamiento, la longitud del campo de datos es 5 veces mayor en esta norma, que la longitud del campo de datos de la norma 802.3 (esta tenía limitado el tamaño para evitar la apropiación del canal).

Código de redundancia: Detecta errores de transmisión usando el mismo algoritmo que la norma 802.3.

Ejemplos de marcos de control de Token-Bus:

Campo de control	Nombre	Descripción
00000000	Claim Token	Reclamo de testigo durante la inicialización del anillo.
00000001	Solicit Successor	Permitir la entrada de estaciones en el anillo.
...	...	...
00000011	Who Follows	Recuperación de testigo perdido.
...	...	...

Mantenimiento del anillo lógico:

Las estaciones se encienden y quieren unirse al anillo o se apagan y quieren salirse del mismo. El protocolo MAC proporciona la especificación detallada para realizar estos procesos que ocuren de la siguiente manera:

El anillo está establecido y cada estación mantiene la dirección del antecesor y del sucesor. La estación con el testigo envía periódicamente un marco "Solicit Successor" con su dirección y la del sucesor, para las estaciones que se quieran unir al anillo. Si hay alguna estación dentro de este intervalo y el tiempo de respuesta o ranura o ventana de respuesta está abierto, la estación entra en el anillo (y entra de forma ordenada). Si por otro lado, la ventana ha expirado, la estación con el testigo termina sus tareas. Si hay más de una solicitud de entrada, la estación en posesión del testigo ejecuta un algoritmo de arbitraje que comienza con la difusión del marco "Resolve Contention". Este algoritmo (cuenta atrás binaria) usa dos bits aleatorios que posee la interfaz de las estaciones y que sirven para retardar las solicitudes 0, 1, 2 ó 3 tiempos

de respuesta. Esos bits son regenerados aleatoriamente para evitar que una misma estación no tenga que esperar siempre 3 tiempos de ranura.

Es importante reseñar que bajo cualquier condición, sólo una estación podrá entrar en el anillo durante cada solicitud, con objeto de limitar el tiempo que puede usarse para el mantenimiento del anillo. No se conoce información sobre el tiempo que debe esperar una estación para unirse al anillo bajo condiciones de tráfico intenso, pero en la práctica, no deberá exceder de unos cuantos segundos.

Para dejar el anillo, una estación debe transmitir a su predecesor la trama "Establece Sucesor", indicándole que a partir de ese momento su sucesor es el suyo, es decir, el de la estación que quiere dejar de transmitir. Entonces la estación deja de transmitir.

En la iniciación del anillo, cuando la primera estación se conecta, se percata de que no hay tráfico en la línea durante un determinado tiempo, entonces transmite la

trama "Claim Token" y como ninguna estación está compitiendo por el testigo, genera uno y establece el anillo sobre ella misma. Si por un casual dos estaciones intentan iniciar el anillo, el protocolo se hace cargo dejando que luchen por el testigo utilizando el algoritmo anteriormente comentado de cuenta atrás binaria.

Algunos errores (con solución por supuesto) se producen de la siguiente manera:

• Una estación intenta pasar el testigo a una estación que ya está apagada: La solución está en comprobar lo que hace la estación sucesora una vez pasado el testigo. Si ocurre que ni pasa el testigo, ni envía trama, se le vuelve a pasar el testigo. Si sigue sin realizar las operaciones anteriores, se utilizan las tramas "Quien Sigue" y "Establecer Sucesor" para descartar la estación que ha fracasado y determinar como estación sucesora de la que pasa el testigo, la estación sucesora de la que ha fracasado. Si esta tambien falla se utiliza la trama "Solicito Sucesor 2".

• El poseedor del testigo se apaga y se pierde el testigo: El problema es resuelto mediante el mecanismo de inicialización de anillo. Este algoritmo se inicia cuando acaba el temporizador de las estaciones y la estaciones emiten la trama "Claim Token".

802.5: Paso de testigo en Anillo

Estas redes han sido muy usadas tanto en redes de área local, como en redes de área extendida. El anillo representa un conjunto de enlaces punto a punto individuales, que conforman un círculo. Este tipo de enlaces proporcionan una tecnología que ha sido muy bien entendida, sencilla y probada que puede funcionar en medios como par trenzado, cable coaxial y fibra óptica. Aunque existen varios tipos de anillos, el normalizado para la 802.5 se denomina

paso de testigo en anillo. En primer lugar vamos a describir las características principales del paso de testigo en anillo y luego trataremos la norma más en detalle.

El primer aspecto importante de cualquier red en anillo es la "longitud física" de un bit, que depende de la capacidad del anillo y de su tamaño. Posteriormente veremos sus implicaciones.

Como se ha mencionado con anterioridad, un anillo está constituido por un serie de interfaces conectados por medio de una línea punto a punto.

En un paso de testigo en anillo, se tiene un patrón de bits especial (testigo) que circula por el anillo cuando las estaciones están inactivas. Para poder transmitir es necesario que la estación que quiere enviar quite el testigo del anillo. Como sólo hay un testigo, sólo una estación puede transmitir a la vez.

Debido a este diseño, el anillo deberá tener un retardo suficiente para contener el testigo completo circulando con todas las estaciones inactivas. El retardo tiene dos componentes, 1 bit introducido por cada estación y el retardo de la señal de propagación. Cuando las estaciones son apagadas, se elimina el retardo de un bit, por lo que en un anillo corto, se deberá introducir un retardo artificial para asegurarse de que el testigo queda contenido en él.

Los modos de operación de los interfaces son el de escucha (los bits se copian con un retardo de un bit) y el de transmisión (cuando se ha capturado el testigo que posteriormente deberá ser regenerado por la estación).

Cuando los bits regresan a la estación origen, o se desechan, o se comprueban para controlar la fiabilidad del anillo. Cuando el último bit ha llegado, la interface debe pasar a modo de escucha para recoger el testigo si ninguna estación lo ha recogido previamente.

Para el caso concreto de la norma 802.5, hay que resaltar lo siguiente:

La capa física, necesita par trenzado recubierto a 1 ó 4 Mbps.

La codificación de señales se realiza por código Manchester.

La norma supera el problema de "caida del sistema entero por rotura del cable en un determinado lugar", mediante el empleo de una central de cables. La central se compone de relés de paso alimentados directamente por las estaciones. Si el anillo se rompe o se apaga una estación, se pierde corriente y el relé se libera puenteando la máquina en cuestión. Esto también es conocido como "Anillo en forma de estrella".

Protocolo de subcapa MAC para el paso de testigo en anillo:

Mientras no hay tráfico, circula de forma indefinida por el anillo un testigo de 3 octetos.

Lo normal es que el primer bit de la trama, regrese al extremo emisor antes de la transmisión de la trama completa (solamente un anillo muy grande podrá contener una trama corta al completo), por lo tanto será necesaria la "limpieza" de bits del anillo por parte el emisor.

El tiempo de retención de testigo por parte de una estación es de 10 ms de forma general, aunque se puede modificar. Durante este tiempo se pueden enviar una trama o varias .

El formato de la trama es el siguiente:

Delimitador de comienzo y fin: Marcan el inicio y fin de la trama mediante patrones de codifiación Manchester inválidos (para distinguirlos de lo octetos de datos).

Control de Acceso: Contiene el bit del testigo, del monitor, los bits de prioridad y los de reserva.

Control de trama: Distingue las tramas de datos con respecto a varias tramas de control.

Datos: Longitud tan grande como sea necesaria, suponiendo que se pueda transmitir toda dentro del tiempo de retención de testigo.

Estado de la trama: Contenido de los bits A y C. Cuando una trama llega a una interface de una estación, pone a uno el bit A durante su paso. Si además la interfase copia la trama, entonces también pone a uno el bit C. Hay tres combinaciones posibles:

A	C	Descripción
0	0	El destinatario no está presente o no está encendido.
1	0	El destinatario presente y la trama no es aceptada.
1	1	Es destinatario presente y trama está copiada.

De esta manera, este campo sirve para aumentar la fiabilidad, en vista de que los bits A y C no se encuentran incluidos en el código de redundancia.

Delimitador de fin: Contiene un bit E que se levanta siempre que cualquier interface detecte un error y también un bit que marca la última trama.

Los demás campos son similares al resto de las normas vistas hasta ahora.

Para el manejo de múltiples tramas con prioridad, se procede de la siguiente manera. Los tres octetos de la trama testigo, contienen un campo en el octeto intermedio que establece la prioridad del testigo. Cuando una estación quiere transmitir una trama con prioridad n, deberá esperar hasta que capture un testigo con prioridad " a n.

Mantenimiento del anillo:

Aparece la figura de la estación supervisora, que se encarga de inspeccionar el anillo (debe vigilar para que el testigo no se pierda, tomar decisiones si se rompe el anillo y limpiar el anillo de tramas huérfanas tramas cortas sobre anillos largos que fallan antes de que se vacien las tramas). Si esta cae, un protocolo de contienda selecciona otra inmediatamente (cualquier estación puede serlo).

Ejemplos de tramas de control de Paso de testigo en anillo:

Campo de control	Nombre	Descripción
00000000	Prueba de duplicado de dirección	Prueba sobre si dos estaciones tienen la misma dirección.
00000010	Baliza	Utilizado para localizar rupturas en el anillo.
...	...	...
00000100	Purga	Reiniciar el anillo.
...	...	...

Cuando el anillo empieza a funcionar, una estación transmite la trama "Reclamo de testigo" lo que la convierte en supervisora.

Este planteamiento de supervisión centralizada, hace el mantenimiento de la red más sencillo, pero presenta el problema de que si la estación supervisora falla, pero sigue transmitiendo tramas "Supervisión Activa Presente", ninguna estación llegará jamas a desafiarla, ya que las estaciones supervisoras no pueden ser impugnadas. Esto implica que el 802.4 es más fiable, pero el 802.5 es más sencillo.

1

0

0

0

0

1

0

1

1

Flujo de bits

Cod. Binaria

Cod. Manchester

Núcleo del cable

Ordenador

Cable del transmisor receptor (hasta 50 m): Contiene 5 pares de cables trenzados, aislados individualmente. Dos de ellos son de datos de entrada salida, otros dos de señales de entrada salida y el otro puede alimentar al transmisor receptor o transceptor.

Tarjeta: Contiene un chip controlador de tramas en ambas direcciones.

Transmisor receptor: Contiene la electrónica necesaria para la detección y para el control de colisiones.

Preámbulo

Dirección destino

Dirección origen

Datos

Código de redundancia

Inicio del límite de la trama

Longitud del campo de datos

Relleno

Octetos (Bytes) !

7

1

2-6

2 -6

2

4

0-46

0-1500

13

11

7

9

17

14

20

Anillo Lógico

Cable Coaxial de Banda Ancha

Dirección del testigo

Esta estación no se encuentra actualmente incluida en el anillo lógico

0-8182

4

1

Dibujo del primer sistema Ethernet

2 -6

2-6

1

1

Octetos (Bytes)!

Código de redundancia

Estación

Delimitador de comienzo

Delimitador de fin

Datos

Dirección origen

Dirección destino

Preámbulo

Control de la trama

1

Interfaces

Anillo unidireccional

Cada uno de los bits que llegan a la interface se copia a una memoria temporal de un bit, para después copiarse de nuevo al anillo. Mientras está en memoria principal se puede inspeccionar y modificar.

1

FC: Control de la trama

No límite

4

1

2 -6

2-6

1

1

Octetos (Bytes)!

Código de redundancia

AC: Control de Acceso

ED: Delimitador de fin

Datos

Dirección origen

Dirección destino

SD: Delimitador de comienzo

1

FS: Estado de la trama