Ethernet, você sabe o que é?

A Ethernet é uma tecnologia de rede local. Essas redes normalmente operam num mesmo prédio e conectam dispositivos próximos. No início podia haver no máximo algumas centenas de metros de cabos separando dispositivos numa Ethernet, tornando difícil conectar locais muito distantes geograficamente. Avanços recentes da tecnologia conseguiram aumentar essas distâncias, e as redes Ethernet atuais podem cobrir dezenas de quilômetros.

Em 1973, os pesquisadores Bob Metcalfe e David Boggs, do Xerox Corporation's Palo Alto Research Center (mais conhecido como PARC), e criaram e testaram a primeira rede Ethernet. Metcalfe tentava conectar o computador "Alto" da Xerox a uma impressora e acabou desenvolvendo um método físico de cabeamento que conectava os dispositivos na Ethernet. Ele também criou os padrões de comunicação em cabos. Desde então, a Ethernet se tornou a tecnologia de redes mais popular do mundo. Muitos dos problemas da Ethernet são parecidos com os problemas das outras tecnologias de rede. Compreender o funcionamento da Ethernet dará a você embasamento para entender as redes em geral.

Com o amadurecimento das redes, o padrão Ethernet cresceu para agregar novas tecnologias. Mas os mecanismos de operação de todas as redes Ethernet atuais se baseiam no sistema original de Metcalfe. O conceito original de Ethernet é: comunicação compartilhada por um único cabo para todos os dispositivos da rede. Uma vez que o dispositivo está conectado a esse cabo, ele tem a capacidade de se comunicar com qualquer outro dispositivo. Isso permite que a rede se expanda para acomodar novos dispositivos sem ter de modificar os dispositivos antigos.

Descrição geral

Uma placa de rede Ethernet típica com conectores BNC (esquerda) e RJ-45 (centro).

Ethernet é baseada na idéia de pontos da rede enviando mensagens, no que é essencialmente semelhante a um sistema de rádio, cativo entre um cabo comum ou canal, às vezes chamado de éter (no original, ether). Isto é uma referência oblíqua ao éter luminífero, meio através do qual os físicos do século XIX acreditavam que a luz viajasse.

Cada ponto tem uma chave de 48 bits globalmente única, conhecida como endereço MAC, para assegurar que todos os sistemas em uma ethernet tenham endereços distintos. Tem sido observado que o tráfego Ethernet tem propriedades de auto-similaridade, com importantes consequências para engenharia de tráfego de telecomunicações.

Os padrões atuais do protocolo Ethernet são os seguintes:

10 megabits/seg: 10Base-T Ethernet (IEEE 802.3)

100 megabits/seg: Fast Ethernet (IEEE 802.3u)

1 gigabits/seg: Gigabit Ethernet (IEEE 802.3z)

10 gigabits/seg: 10 Gigabit Ethernet (IEEE 802.3ae)

Algumas variedades antigas de Ethernet

Xerox Ethernet -- a implementação original de Ethernet, que tinha 2 versões, Versão 1 e Versão 2, durante seu desenvolvimento. O formato de frame da versão 2 ainda está em uso comum.

10BASE5  (também chamado Thicknet) -- esse padrão antigo da IEEE usa um cabo coaxial simples em que você conseguia uma conexão literalmente furando o cabo para se conectar ao núcleo. É um sistema obsoleto, embora devido a sua implantação amplamente difundida antigamente, talvez ainda possa ser utilizado por alguns sistemas.

10BROAD36 -- Obsoleto. Um padrão antigo permitindo a Ethernet para distâncias mais longas. Utilizava técnicas de modulação de banda larga similares àquelas empregadas em sistemas de cable modem, e operava com cabo coaxial.

1BASE5 -- Uma tentativa antiga de padronizar uma solução de LAN de baixo custo. Opera a 1 Mbit/s e foi um fracasso comercial.

StarLAN 1—A primeira implementação de Ethernet com cabeamento de par trançado.

Terminologia da Ethernet

Regras simples regem a operação básica da Ethernet. Para compreender essas regras, é importante conhecer a terminologia básica da Ethernet.

meio - dispositivos Ethernet se conectam a um meio comum que fornece um caminho para os sinais eletrônicos. Historicamente, esse meio é um cabo coaxial de cobre, mas hoje se utiliza cabeamento de par trançado ou fibra ótica.

segmentos - um único meio compartilhado é um segmento Ethernet.

nó - dispositivo que se conecta ao segmento.

frame - os nós se comunicam por meio de mensagens curtas chamadas frames, que são blocos de informação de tamanho variável.

Pense em um frame como se fosse uma frase na linguagem humana. Em português, obedecemos a regras para construir as frases. Sabemos que todas as frases devem possuir um sentido completo. O protocolo Ethernet especifica um conjunto de regras para construir os frames. Existe um comprimento mínimo e máximo para os frames e um conjunto necessário de trechos de informação que devem aparecer no frame. Por exemplo, cada frame deve incluir um endereço de destino e um endereço de envio,que identificam respectivamente o destinatário e o remetente da mensagem. O endereço identifica um nó único, da mesma forma que um nome identifica uma pessoa - dois dispositivos Ethernet nunca têm o mesmo endereço.

O meio Ethernet

Como um sinal no meio Ethernet alcança todos os nós conectados, o endereço de destino desempenha um papel fundamental para identificar o destinatário do frame.

Por exemplo, na figura acima, quando o computador B transmite para a impressora C, os computadores A e D ainda vão receber e examinar o frame. Entretanto, quando a primeira estação recebe o frame, ela verifica o endereço de destino para saber se o frame foi endereçado a ela. Se não foi, a estação descarta o frame sem examinar o conteúdo.

Um aspecto interessante do endereçamento Ethernet é a implementação doendereço broadcast. Um frame com endereço de destino igual ao endereço broadcast (também chamado simplesmente de broadcast) é direcionado para cada nó da rede, e cada nó vai receber e processar esse tipo de frame.

CSMA/CD

A sigla CSMA/CD significa, em inglês, carrier-sense multiple access with collision detection (acesso múltiplo com detecção de portadora e detecção de colisão) e descreve como o protocolo de Ethernet regula a comunicação entre os nós de uma rede. A expressão pode intimidar, mas se analisarmos os conceitos de seus componentes, separadamente, vamos ver que ele descreve regras muito similares àquelas que as pessoas utilizam em conversações civilizadas. Para ajudar a ilustrar a operação da Ethernet, vamos usar uma analogia: uma conversação à mesa de jantar.

Nosso segmento Ethernet é a mesa de jantar, e os nós são as pessoas conversando educadamente. A expressão múltiplo acesso (multiple access) fala sobre o que acabamos de discutir. Quando uma estação de Ethernet transmite, todas as estações no meio ouvem a transmissão. Da mesma maneira que quando uma pessoa fala, todo mundo escuta.

Agora vamos imaginar que você esteja à mesa e tenha alguma coisa a dizer. No momento, entretanto, existe uma pessoa falando. Já que essa é uma conversação educada, em vez de imediatamente falar e interromper o outro você espera até que ele termine de falar. Na terminologia da Ethernet, esse processo se chama carrier sense (detecção de portadora). Antes de uma estação começar a transmitir, ela "ouve" o meio para saber se outra estação está transmitindo. Se o meio estiver em silêncio, a estação reconhece que esse é o momento apropriado para transmitir.

Detecção de colisão

O acesso de múltiplos dispositivos de rede é uma boa maneira de começarmos a explorar as limitações da Ethernet, mas existe outro cenário que ainda temos de analisar. Vamos criar uma analogia da mesa de jantar e imaginar que existe um silêncio momentâneo na conversação. Você e eu temos coisas a falar e ambos sentimos o "peso do silêncio". Para resolver isso, começamos a falar quase ao mesmo tempo. Na terminologia da Ethernet, ocorre uma colisão quando os dois tentam falar ao mesmo tempo.

Em nosso caso, podemos resolver a situação de maneira civilizada. Após a percepção de que estávamos falando ao mesmo tempo, um de nós pára de falar para escutar o outro. Os nós da Ethernet também escutam o meio enquanto transmitem, para ter certeza de que são a única estação transmissora naquele momento. Se as estações começam a ouvir sua própria transmissão de forma distorcida ou misturada com a de outra estação sabem que uma colisão aconteceu. Às vezes, um segmento de Ethernet é chamado de domínio de colisão porque duas estações no segmento não podem transmitir ao mesmo tempo sem causar uma colisão. Quando as estações detectam uma colisão, elas interrompem a transmissão, esperam durante um período aleatório e tentam transmitir novamente quando detectam silêncio no meio.

A pausa aleatória e a repetição do envio do sinal representam parte importante do protocolo. Se as duas estações colidem quando estão transmitindo, então ambas terão de transmitir novamente. Na próxima oportunidade de transmissão, as estações envolvidas na colisão anterior terão dados prontos para transmitir. Se elas transmitissem novamente na primeira oportunidade, colidiriam de novo. Por isso existe um tempo de espera aleatório. Assim, dificilmente as duas estações vão continuar colidindo por muito tempo.