Fundamentos de la Capa 2: Ethernet, Direccionamiento MAC y Conmutación de Red

Capítulo 9

1. Capa 2: Subcapas MAC vs LLC y su motivación

La Capa 2 (Capa de Enlace de Datos) se conecta con las capas superiores mediante la subcapa LLC. Utiliza esquemas de direccionamiento físico (direcciones MAC) para identificar dispositivos origen y destino, agrupa los bits en unidades llamadas tramas y utiliza la subcapa MAC para controlar el acceso al medio físico.

Subcapa LLC (Control de Enlace Lógico)

• Establece la conexión con las capas superiores (Capa de Red).
• Identifica el protocolo de capa de red encapsulado en el paquete.
• Permanece independiente del hardware o equipo físico específico utilizado.

Subcapa MAC (Control de Acceso al Medio)

• Encapsulación de datos: Define la estructura de la trama, incluyendo delimitación (inicio/fin), direccionamiento (MAC origen/destino) y detección de errores (FCS).
• Control de acceso al medio: Gestiona cómo y cuándo se colocan las tramas en el medio físico y cómo se recuperan de él (ej. CSMA/CD en Ethernet clásica).

2. Campos de la Trama Ethernet y Motivación del Relleno

Una trama Ethernet estándar se compone de los siguientes campos (tamaños típicos en bytes):

• Preámbulo (7 bytes): Sincronización.
• Delimitador de Inicio de Trama (SFD) (1 byte): Indica el fin del preámbulo y el inicio de la trama.
• Dirección MAC de Destino (6 bytes): Identifica al receptor.
• Dirección MAC de Origen (6 bytes): Identifica al emisor.
• Longitud/Tipo (2 bytes): Indica la longitud del campo de datos (en Ethernet 802.3) o el protocolo de capa superior encapsulado (en Ethernet II).
• Datos y Relleno (46-1500 bytes): Contiene los datos de la capa superior. Se añade relleno (Padding) si los datos son menores de 46 bytes para asegurar que la trama tenga el tamaño mínimo requerido (64 bytes en total, excluyendo preámbulo y SFD), necesario para la correcta detección de colisiones en CSMA/CD.
• Secuencia de Verificación de Trama (FCS) (4 bytes): Valor de comprobación (CRC) para detectar errores de transmisión.

3. Direcciones Físicas: Unicast, Multicast y Broadcast

En Ethernet (Capa 2), se utilizan diferentes tipos de direcciones MAC para la entrega de tramas:

• Unicast: Es la dirección MAC exclusiva de una interfaz de red específica. Se utiliza cuando se envía una trama desde un único dispositivo emisor hacia un único dispositivo receptor.
• Broadcast: Es una dirección especial (FF:FF:FF:FF:FF:FF) que indica que la trama debe ser procesada por todos los hosts dentro del mismo dominio de broadcast (segmento de red). A nivel de IP, a menudo corresponde a un paquete con una dirección IP de broadcast (ej. todos 1s en la porción de host).
• Multicast: Permite enviar una trama a un grupo específico de dispositivos que se han unido a ese grupo multicast. Las direcciones MAC multicast tienen un formato específico y solo pueden utilizarse como dirección de destino.

4. Métodos de Acceso al Medio: CSMA, CSMA/CD, CSMA/CA

Cuando múltiples computadoras comparten el mismo medio de transmisión (como en las versiones antiguas de Ethernet con hubs o cable coaxial), se necesita un esquema de coordinación para evitar o manejar conflictos.

• CSMA (Carrier Sense Multiple Access): Acceso Múltiple con Detección de Portadora. Antes de transmitir, un dispositivo"escuch" el medio para detectar si está libre (sin señal portadora). Si está libre, transmite.
• CSMA/CD (Collision Detection): Detección de Colisiones. Usado en Ethernet clásica (half-duplex). Además de escuchar antes de transmitir (CSMA), los dispositivos escuchan *mientras* transmiten. Si detectan una colisión (otra transmisión simultánea), detienen la transmisión, envían una señal de 'jam', esperan un tiempo aleatorio (backoff) y vuelven a intentar transmitir.
• CSMA/CA (Collision Avoidance): Prevención de Colisiones. Usado comúnmente en redes inalámbricas (Wi-Fi). Intenta evitar colisiones mediante mecanismos como solicitar permiso para transmitir (RTS/CTS) o esperando espacios de tiempo específicos (IFS) antes de acceder al medio.

Conceptos Relacionados:

• Latencia: Es la cantidad de tiempo que tarda una señal en viajar de un punto a otro. Cada dispositivo de red (hub, repetidor, switch) en la ruta añade latencia.
• Tiempo de bit: Es el período necesario para transmitir un bit en el medio. Depende de la velocidad de la red (ej. 100 ns para 10 Mbps, 10 ns para 100 Mbps).
• Espacio entre tramas (Interframe Gap - IFG): En Ethernet, es un tiempo mínimo obligatorio de silencio que debe existir entre la transmisión de tramas consecutivas para permitir que los dispositivos procesen la trama anterior y se preparen para la siguiente.

5. Ventajas del Uso de Switches Frente a Hubs

Hub (Concentrador)

Los hubs operan en la Capa 1 (Física) y simplemente repiten la señal eléctrica que reciben por un puerto a todos los demás puertos.

• Desventajas:
• Operan en modo half-duplex.
• Comparten el ancho de banda total entre todos los puertos.
• Crean un único dominio de colisión grande, lo que aumenta la probabilidad de colisiones a medida que se añaden dispositivos.
• Mayor latencia general debido a las colisiones y retransmisiones.
• Poca escalabilidad de rendimiento.

Switch (Conmutador)

Los switches operan en la Capa 2 (Enlace de Datos) y toman decisiones inteligentes basadas en las direcciones MAC.

• Ventajas:
• Cada puerto tiene un ancho de banda dedicado (microsegmentación).
• Cada puerto es un dominio de colisión separado, eliminando virtualmente las colisiones en entornos conmutados modernos.
• Permite la operación full-duplex (enviar y recibir simultáneamente) si los dispositivos conectados lo soportan.
• Mejora significativamente el rendimiento y la escalabilidad de la red local.

6. Funcionamiento Básico del Switch

Los switches utilizan una tabla de direcciones MAC (también llamada tabla CAM) para reenviar tramas de manera eficiente.

• Aprendizaje (Learning): Cuando una trama llega a un puerto, el switch examina la dirección MAC de origen. Si esa MAC no está en su tabla, la añade junto con el número del puerto por el que llegó. Esto permite al switch aprender qué dispositivos están conectados a qué puertos.
• Actualización/Envejecimiento (Aging): Las entradas en la tabla MAC suelen tener una marca de tiempo o temporizador (aging time). Si no se recibe tráfico de una dirección MAC específica durante un período determinado (ej. 5 minutos), la entrada se elimina de la tabla. Esto asegura que la tabla se mantenga actualizada si los dispositivos se mueven o se desconectan.
• Inundación (Flooding): Si una trama llega con una dirección MAC de destino que no se encuentra en la tabla del switch (o si la dirección de destino es broadcast o multicast desconocida), el switch reenvía (inunda) la trama por todos los puertos, excepto por el puerto por el que llegó originalmente.
• Reenvío Selectivo (Forwarding/Filtering): Si la dirección MAC de destino sí se encuentra en la tabla, el switch reenvía la trama únicamente por el puerto asociado a esa dirección MAC. Si la dirección MAC de destino está asociada al mismo puerto por el que llegó la trama, el switch la descarta (filtra), ya que el destino está en el mismo segmento.