Introducción:

La necesidad de redes locales de alta velocidad son resultado directo de la adopción universal de las mismas como elemento clave para el incremento de la productividad y la comunicación en todos los campos de la vida actual, y de la disponibilidad de nueva aplicaciones que generan cada vez más tráfico en dichas redes.

El incremento de prestaciones y de capacidad de los ordenadores personales, así como la disponibilidad de periféricos asequibles de alta resolución, han propulsado el desarrollo de aplicaciones muy exigentes en cuanto al tráfico de datos, como entornos IGU, CAD, proceso de imágenes, gestión de documental, multimedia, videoconferencia, etc.

La tecnología Ethernet, desde su invención en el año 1973, a evolucionado continuamente para adaptarse a los nuevos requerimientos del mercado. Como respuesta a dicha evolución, en el año 1992, Grand Junction Networks anunció la disponibilidad de los primeros productos "Fast Ethernet" (denominados en aquel momento 100Base-X), esto es, Ethernet adaptada a una velocidad de 100 Mbps.

Desde ese momento, ha ido en aumento el soporte de dicha especificación por un numeroso grupo de fabricantes que han comercializado gran número de dispositivos interoperables.

Como era de esperar, esta tecnología fue normalizada, en el año 1994, por un grupo de estudio de IEEE 802.3, creado inicialmente en torno a 100Base-X, siendo bautizada formalmente como 100-BaseT.

Ethernet: Tecnología de partida.

100Base-T permite multiplicar por 10 veces la velocidad de las redes Ethernet, y al igual que en el caso de 10Base-T, puede emplear cableados de par trenzado no apantallado (UTP) y apantallado (STP), con longitudes de hasta 100 metros en topología de estrella, partiendo de un concentrador o repetidor central.

Al igual que las diferentes versiones de la tecnología Ethernet, 100Base-T cumple la especificación clave que define las mismas: CSMA/CD.

La norma IEEE 802.3 (Ethernet), define un protocolo de comunicación conceptualmente dividido en dos partes. La primera de ellas es la capa MAC (Media Access Control) o de control de acceso al medio, que se ocupa de formatear la información para su transmisión y de arbitrar la forma en que los participantes de la red obtienen acceso a la misma. En el caso de Ethernet, la capa MAC emplea el mecanismo de acceso múltiple mediante detección de portadora y detección de colisión (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) o CSMA/CD.

El sistema CSMA/CD implica que un nodo de la red puede enviar datos siempre y cuando ningún otro lo este haciendo. Si otro ya lo estuviera haciendo, lo que se detecta mediante la presencia de la portadora, el segundo demoraría la transferencia. Si varios nodos inician simultáneamente transferencias de datos, se produciría una colisión, que también sería detectada; en este caso, cada una de las estaciones esperaría durante un período de tiempo aleatorio antes de reintenta la transmisión de los datos. Se puede asimilar este mecanismo al de una conversación humana.

El comité 802.3 cuidó los detalles de definición de la norma, especificando la capa MAC de un modo independiente a la velocidad. Exceptuando el tramo entre paquetes, todos los parámetros de la capa MAC fueron definidos en bits respecto del tiempo. Ello permite la variación de la velocidad sin alterar los parámetros MAC, por lo que CSMA/CD funciona a 1 Mbps. (1Base5), 10 Mbps. (redes Ethernet actuales) y 100 Mbps. (Fast Ethernet o 100Base-T).

La segunda parte del protocolo Ethernet es la capa física (PHY o physical layer) que se ocupa de la comunicación entre la capa MAC y el cableado. En el caso de Ethernet hay diferentes implementaciones de la capa física, dadas las diferentes posibilidades de cableado (10Base5, 10Base2, 10Broad36, 10Base-F, 10Base-T y 1Base5), pero en todos los casos se emplea el mismo MAC CSMA/CD.

La capa física es responsable tanto de obtener los datos (bits) del medio, como de situarlos en el mismo, incluyendo las funciones de codificación y descodificación, detección de la portadora, detección de colisiones, e interfaz eléctrica y mecánica con el medio.

Para cumplir las especificaciones de la norma 802.3, estas hubieron de ser modificadas en 1992, con el siguiente párrafo, que traducimos literalmente, definiéndose la norma 802.3u:

Fast Ethernet y la tecnología FDDI:

Dado que la velocidad de 100 Mbps. empleada en 100Base-T era la misma que la empleada en las redes FDDI, era evidente intentar el uso, de su capa física (PMD o Physical Media Dependent), del mismo modo que se había empleado en las redes FDDI con cableado UTP (categoría 5) o STP (tipo 1).

Para la codificación, en lugar de seguir el esquema Manchester, como en el caso de Ethernet, en FDDI se optó por MLT-3 (multilevel threshold empleando niveles lógicos de +1, 0 y -1 voltios). Sin embargo, para 100Base-T se ha optado por seguir NRZI, al igual que en el caso de ATM.

Tanto en FDDI como en 100Base-TX y 100Base-FX, se emplea una codificación 4B/5B para la compresión de los datos.

El sistema de señalización que permite alcanzar altas velocidades a través de cableados UTP, fue normalizado en 1992, como ANSI X3T9.5 y se denomina TP-PMD (Twisted Pair Physical Medium Dependent).

Como en el caso de CSMA/CD, la capa ANSI PMD es un estándar bien conocido, y soporta tanto cableado UTP de categoría 5, como fibra óptica y cable apantallado de tipo 1.

La comunicación entre CSMA/CD y PMD se realiza mediante la interfaz independiente del medio o MII (Media Independent Interface), la cual proporciona un medio uniforme de transmitir grupos lógicos de datos de 4 bits (nibble) entre ambas capas, lo que al mismo tiempo facilita la evolución de otras formas de interfaz física, así como el soporte de velocidades superiores, en el momento en que estas estén disponibles.

Hay grandes ventajas en adoptar la combinación del MAC CSMA/CD con la capa física ANSI PMD:

Topología y sistemas de cableado:

El cableado inicialmente empleado en las redes 100Base-T, al igual que en la mayoría de las redes Ethernet actuales, es el definido por la norma EIA 568, donde se clasifica según sus características y la velocidad a la que es capaz de transmitir los datos, en UTP de categoría 3, 4 o 5. El tipo predominante es el de categoría 5, que soporta velocidades de 100 Mbps. por par.

Una configuración mínima de cableado con dos pares de categoría 3, sería lo más deseable para aprovechar todas las instalaciones Ethernet existentes y convertirlas en Fast Ethernet. Sin embargo, no se ha probado lo suficientemente que dicho tipo de cableado pueda superar las exigencias de emisiones e inmunidad al ruido. De hecho, el comité ANSI X3T9.5 (FDDI), ha pospuesto sus trabajos para intentar su uso, aunque en el futuro es previsible pensar que fuera posible su desarrollo, mediante un esquema de modulación denominado 16-CAP (16 symbol-carrierless AM/PM).

Esta es la razón por la que se ha adoptado el cableado de categoría 5, tanto para FDDI a través de cableado UTP, como para Fast Ethernet, y que en este último caso, ha recibido la denominación de 100Base-TX.

Esto no es un grave problema, dado que las estadísticas indican que el 35% de los usuarios ya han convertido sus instalaciones a cableado UTP de categoría 5, y en la actualidad es el tipo de cable más instalado, lo que implica un continuo descenso de su precio.

En el caso de las redes 100Base-TX, el diámetro máximo es de 250 metros, de extremo a extremo. Esto no supone ningún inconveniente, dado que las redes actuales evolucionan cada vez más hacia topologías tipo estrella, en las que cada usuario o nodo se conecta a un repetidor central o HUB.

De hecho, un estudio de AT&T de finales de los 80, demostraba que el 90% de los nodos se hallan situados dentro del área de los 100 metros del armario repartidor central.

Ya que el 56% de las redes actuales emplean cableado UTP de categoría 3, y el 11% cableado de categoría 4, e incluso que hay que tener en cuenta la posibilidad de que aún existiendo cableado de categoría 5, es posible que en algunas de ellas las conexiones no tengan la calidad suficiente como para cumplir las especificaciones requeridas por 100Base-TX, se hace indispensable el uso de 100Base-T4.

Para ello, 100Base-T4 se basa en el uso de los cuatro pares, de los cuales se emplean dos en modo bidireccional y dos en modo unidireccional. En cualquier dirección, siempre se usan tres pares para transmitir datos, mientras el cuarto se emplea para la detección de la colisión.

Cuando se envían datos hacia un concentrador o conmutador, el terminal, estación o nodo (sea del tipo que sea), envía el tráfico a través de los pares 1, 3 y 4. El par 1 sigue siendo empleado para detectar la colisión. Cuando la transferencia de datos se realiza en sentido contrario, es decir, del concentrador al nodo, los pares 2, 3 y 4 transmiten la información, mientras que el par 2 se emplea, simultáneamente, para detectar la colisión por parte del nodo.

Recuérdese que en el caso de 10Base-T, se emplean los pares 1 y 2, por lo que se asegura la compatibilidad, al igual que ocurre con 100Base-TX.

Cada uno de los pares de datos son codificados mediante un simple pero efectivo mecanismo ternario, que emplea tres niveles lógicos posibles (+3.5, 0 y -3.5 V). Empaquetando tres niveles posibles por bit permite que la información de 8 bits, sea transferida usando 6 símbolos ternarios. Es una técnica de compresión que se denomina 8B6T. Este esquema de compresión permite multiplicar el número de datos por bits transmitidos respecto del sistema Manchester (empleado en Ethernet), por un factor de 2.5 veces.

Dado que se transmite la información, de este modo codificada, por 3 pares de cables, sólo se hace necesario incrementar la velocidad de reloj de 20 a 25 MHz, la cual esta soportada por el cableado de categoría 3.

La desventaja evidente frente a este cableado respecto del 100Base-TX o 100Base-FX, es que, al emplearse todos los pares, no es posible transmitir y recibir datos simultáneamente, y por tanto no es posible emplear mecanismos full duplex en redes 100Base-T4.

Podemos resumir las normas de cableado Fast Ethernet en los siguientes principios básicos:

1. La distancia máxima de un segmento UTP es de 100 metros.
2. Cualquier segmento de distancia superior a 100 metros ha de ser de fibra óptica.
3. Un repetidor 100Base-T es equivalente a 90 metros de cable.
4. La máxima distancia entre dos nodos de una red con repetidores es de 310 metros.

Por lo tanto, si cuando existe un repetidor, la distancia máxima es de 310 metros, cuando existen 2 repetidores, la distancia máxima será de 220 metros.

Para conexiones por medio de fibra, de conmutador a conmutador, o conmutador a servidor, la distancia máxima será de 400 metros (en modo fast Ethernet, half duplex), o de hasta 2 kilómetros (en modo full duplex fast Ethernet).

Las novedades en la tecnología:

Quizás sólo se puede destacar una imperante novedad, respecto de tecnologías ya conocidas y empleadas. Se trata de una técnica de negociación automática de servicios, denominada "auto-negociación".

Fue desarrollada inicialmente por National, bajo el nombre NWAY, y ha sido incorporada a las especificaciones IEEE como protocolo de señalización, con la intención de permitir a los nodos Ethernet que negocien automáticamente la velocidad mayor a la que son capaces de transmitir y recibir datos.

Inmediatamente a continuación de la puesta en servicio de los nodos, la auto-negociación emplea una serie de pulsos intercambiados entre los transceptores. Dichos pulsos son denominados FLP o Fast Link Pulses. Son pulsos idénticos al de enlace (link) de una red 10Base-T, con la diferencia de que su duración es sólo de 2 ms. aproximadamente.

Estos pulsos se emplean para indicar las velocidades de transferencia y los protocolos que cada uno de los nodos es capaz de soportar, y entonces permitir realizar la selección de la combinación más apropiada.

En el caso de que uno de los extremos no reconozca la auto-negociación, y confunda los pulsos como pulsos de enlace 10Base-T, continuará funcionando de forma normal, mientras que el otro se configurará para emplear el estándar 10Base-T.

Una ráfaga FLP consiste en 33 bits, de los cuales 17 son información de reloj, y el resto (16) información de capacidades del nodo. Los bits D0-D4 forman el campo de tecnología, que identifica el tipo de servicio que el concentrador o nodo es capaz de servir; así, 00001 es IEEE802.3, y 00010 es IEEE802.9.

D5 a D12 indican la capacidad soportadas: D5=10Base-T; D6=10Base-T full duplex; D7=100Base-TX; D8=100Base-TX full duplex; D9=100Base-T4; D10-D12 están reservados para futuras normalizaciones.

Otra de las características de la auto-negociación es la capacidad de indicar fallos del cableado. Para ello, el nodo remoto comunica con el local por medio del bit D13. Cuando el nodo local recibe la señal indicadora del estado de fallo, está siendo informada del estado de los pares de transmisión y recepción. El bit D14 es una señal de reconocimiento.

Por último el bit D15 es un indicador de que existe más información, y podrá ser empleado en el futuro en caso de necesidad.

Aunque por el momento la auto-negociación es una parte opcional de la norma 802.3u, se espera que sea adoptada por la mayoría de los productos, lo que permitirá a los usuarios actualizar sus redes nodo a nodo, sin preocuparse de problemas de compatibilidad.

Pensando en el futuro, y en las posibilidades de la sofisticación de los protocolos y velocidades, se ha dotado al protocolo de auto-negociación de vías de expansión coherentes (bits D10-D12 y D15). La estructura actual del mismo soporta todas las versiones existentes actuales de redes con velocidades a partir de 1 Mbps. y funciona correctamente hasta velocidades de 1 Gbps.

Ventajas frente a otras tecnologías:

Las ventajas evidentes de 100Base-T frente a otras tecnologías, pueden enumerarse según el esquema siguiente: