Capa física de Ethernet

Capa física de Ethernet

Un conector 8P8C estándar (a menudo llamado RJ45 ) que se utiliza con mayor frecuencia en cables de categoría 5 , uno de los tipos de cableado utilizados en redes Ethernet.
Estándar	IEEE 802.3 (1983 en adelante)
Medios físicos	Cable coaxial, par trenzado, fibra óptica
Topología de red	Punto a punto, estrella, bus
Variantes principales	10BASE5 , 10BASE2 , 10BASE-T , 100BASE-TX , 1000BASE-T , 10GBASE-T
Distancia máxima	100 m (328 pies) sobre par trenzado, hasta 100 km sobre fibra óptica
Modo de funcionamiento	diferencial (balanceado), óptico, de un solo extremo
Velocidad de bits máxima	De 1 Mbit/s a 400 Gbit/s
Niveles de voltaje	± 2,5 V (sobre par trenzado)
Tipos de conectores comunes	8P8C, LC, SC, ST

Las especificaciones de la capa física de la familia Ethernet de estándares de redes informáticas son publicadas por el Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE), que define las propiedades eléctricas u ópticas y la velocidad de transferencia de la conexión física entre un dispositivo y la red o entre dispositivos de red. Se complementa con la capa MAC y la capa de enlace lógico . La implementación de una capa física específica se conoce comúnmente como PHY .

La capa física de Ethernet ha evolucionado a lo largo de su existencia, a partir de 1980, y abarca múltiples interfaces de medios físicos y varios órdenes de magnitud de velocidad, desde 1  Mbit/s hasta 400  Gbit/s . El medio físico abarca desde voluminosos cables coaxiales hasta pares trenzados y fibra óptica con un alcance estandarizado de hasta 80 km. En general, el software de pila de protocolos de red funcionará de manera similar en todas las capas físicas.

Muchos adaptadores Ethernet y puertos de conmutación admiten varias velocidades mediante la negociación automática para establecer la velocidad y el dúplex para los mejores valores admitidos por ambos dispositivos conectados. Si la negociación automática falla, algunos dispositivos de varias velocidades detectan la velocidad utilizada por su socio, ^[1] pero esto puede resultar en una falta de coincidencia de dúplex . Con raras excepciones, un puerto 100BASE-TX ( 10/100 ) también admite 10BASE-T , mientras que un puerto 1000BASE-T ( 10/100/1000 ) también admite 10BASE-T y 100BASE-TX. La mayoría de los puertos 10GBASE-T también admiten 1000BASE-T, ^[2] algunos incluso 100BASE-TX o 10BASE-T. Si bien la negociación automática prácticamente se puede confiar en Ethernet sobre par trenzado , pocos puertos de fibra óptica admiten varias velocidades. En cualquier caso, incluso las interfaces de fibra multivelocidad solo admiten una única longitud de onda (por ejemplo, 850 nm para 1000BASE-SX o 10GBASE-SR).

En 2007, ya se utilizaba Ethernet de 10 Gigabit tanto en redes empresariales como de operadores, con la ratificación de Ethernet de 40 Gbit/s ^{[3] [4]} y de 100 Gigabit ^[5] . ^[6] En 2017, las incorporaciones más rápidas a la familia Ethernet fueron las de 200 y 400 Gbit/s . ^[7] El desarrollo de los estándares Ethernet de 800 Gbit/s y 1,6 Tbit/s comenzó en 2021. ^[8]

Generalmente, las capas se nombran según sus especificaciones: ^[9]

• 10, 100, 1000, 10G, ... – la velocidad nominal utilizable en la parte superior de la capa física (sin sufijo = megabit/s, G = gigabit/s), excluyendo códigos de línea pero incluyendo otra sobrecarga de capa física ( preámbulo, SFD , IPG ); algunas WAN PHY ( W ) funcionan a tasas de bits ligeramente reducidas por razones de compatibilidad; las subcapas PHY codificadas generalmente funcionan a tasas de bits más altas
• BASE, ANCHO, PASO : indica señalización de banda base , banda ancha o banda de paso respectivamente
• -T, -T1, -S, -L, -E, -Z, -C, -K, -H ... – medio (PMD): T = par trenzado , -T1 = par trenzado de un solo par, S = longitud de onda corta de 850 nm ( fibra multimodo ), L = longitud de onda larga de 1300 nm (principalmente fibra monomodo ), E o Z = longitud de onda extra larga de 1500 nm (monomodo), B = fibra bidireccional (principalmente monomodo) que utiliza WDM , P = óptica pasiva ( PON ), C = cobre/ twinax , K = placa base , 2 o 5 o 36 = coaxial con alcance de 185/500/3600 m (obsoleto), F = fibra, varias longitudes de onda, H = fibra óptica de plástico
• X, R – Método de codificación PCS (varía según la generación): X para codificación de bloques 8b/10b ( 4B5B para Fast Ethernet), R para codificación de bloques grandes ( 64b/66b )
• 1, 2, 4, 10 : para LAN PHY, indica la cantidad de carriles utilizados por enlace; para WAN PHY, indica el alcance en kilómetros

Para 10 Mbit/s, no se indica ninguna codificación, ya que todas las variantes utilizan el código Manchester . La mayoría de las capas de par trenzado utilizan una codificación única, por lo que, con frecuencia, se utiliza solo -T .

El alcance , especialmente para conexiones ópticas, se define como la longitud máxima de enlace alcanzable que se garantiza que funcionará cuando se cumplan todos los parámetros del canal ( ancho de banda modal , atenuación , pérdidas de inserción , etc.). Con mejores parámetros de canal, a menudo se puede lograr una longitud de enlace más larga y estable. Viceversa, un enlace con peores parámetros de canal también puede funcionar, pero solo en una distancia más corta. El alcance y la distancia máxima tienen el mismo significado.

Las siguientes secciones ofrecen un breve resumen de los tipos de medios Ethernet oficiales. Además de estos estándares oficiales, muchos proveedores han implementado tipos de medios propietarios por diversas razones, a menudo para soportar distancias más largas a través del cableado de fibra óptica .

Los primeros estándares de Ethernet utilizaban codificación Manchester para que la señal tuviera sincronización automática y no se viera afectada negativamente por los filtros de paso alto .

Todas las variantes de Fast Ethernet utilizan una topología en estrella y generalmente utilizan codificación de línea 4B5B .

Todas las variantes de Gigabit Ethernet utilizan una topología en estrella. Las variantes 1000BASE-X utilizan codificación PCS 8b/10b . Inicialmente, el modo half-duplex se incluyó en el estándar, pero desde entonces se abandonó. ^[15] Muy pocos dispositivos admiten velocidad de gigabit en half-duplex.

2.5GBASE-T y 5GBASE-T son variantes reducidas de 10GBASE-T y ofrecen un mayor alcance que el cableado anterior a la Cat 6A . Estas capas físicas solo admiten cableado de cobre de par trenzado y placas base.

10 Gigabit Ethernet es una versión de Ethernet con una velocidad de datos nominal de 10 Gbit/s, diez veces más rápida que Gigabit Ethernet. El primer estándar de 10 Gigabit Ethernet, IEEE Std 802.3ae-2002, se publicó en 2002. Los estándares posteriores abarcan tipos de medios para fibra monomodo (larga distancia), fibra multimodo (hasta 400 m), placa base de cobre (hasta 1 m) y par trenzado de cobre (hasta 100 m). Todos los estándares de 10 gigabits se consolidaron en IEEE Std 802.3-2008. La mayoría de las variantes de 10 gigabits utilizan el código PCS 64b/66b ( -R ). 10 Gigabit Ethernet, específicamente 10GBASE-LR y 10GBASE-ER , disfruta de importantes cuotas de mercado en las redes de operadores.

El Ethernet de 25 gigabits de un solo carril se basa en un carril de 25,78125 GBd de los cuatro del estándar Ethernet de 100 Gigabits desarrollado por el grupo de trabajo P802.3by. ^[18] 25GBASE-T sobre par trenzado fue aprobado junto con 40GBASE-T dentro del IEEE 802.3bq. ^{[19] [20]}

Esta clase de Ethernet se estandarizó en junio de 2010 como IEEE 802.3ba. El trabajo también incluyó la primeraGeneración de 100 Gbit/s , publicada en marzo de 2011 como IEEE 802.3bg. ^{[21] [22]} AEl estándar de par trenzado de 40 Gbit/s se publicó en 2016 como IEEE 802.3bq-2016.

El grupo de trabajo IEEE 802.3cd desarrolló 50 Gbit/s junto con estándares de próxima generación de 100 y 200 Gbit/s utilizando líneas de 50 Gbit/s. ^[24]

La primera generación de Ethernet de 100 Gigabits que utiliza líneas de 10 y 25 Gbit/s se estandarizó en junio de 2010 como IEEE 802.3ba junto con Ethernet de 40 Gigabits. ^[21] La segunda generación que utiliza líneas de 50 Gbit/s fue desarrollada por el grupo de trabajo IEEE 802.3cd junto con los estándares de 50 y 200 Gbit/s. ^[24] La tercera generación que utiliza una sola línea de 100 Gbit/s se estandarizó en septiembre de 2022 como IEEE 802.3ck junto con Ethernet de 200 y 400 Gbit/s. ^{[25] [26]}

El grupo de trabajo IEEE 802.3bs definió la primera generación de 200 Gbit/s y la estandarizó en 802.3bs-2017. ^[27] El grupo de trabajo IEEE 802.3cd desarrolló estándares de 50 y de próxima generación de 100 y 200 Gbit/s utilizando uno, dos o cuatro carriles de 50 Gbit/s respectivamente. ^[24] La próxima generación que utiliza carriles de 100 Gbit/s se estandarizó en septiembre de 2022 como IEEE 802.3ck junto con PHY de 100 y 400 Gbit/s e interfaces de unidad de conexión (AUI) que utilizan carriles de 100 Gbit/s. ^{[25] [26]}

En IEEE 802.3bs-2017 se define un estándar Ethernet capaz de alcanzar 200 y 400 Gbit/s. ^[27] 1 Tbit/s puede ser un objetivo adicional. ^[28]

En mayo de 2018, IEEE 802.3 inició el grupo de trabajo 802.3ck para desarrollar estándares para PHY de 100, 200 y 400 Gbit/s e interfaces de unidad de conexión (AUI) utilizando líneas de 100 Gbit/s. ^[25] Los nuevos estándares se aprobaron en septiembre de 2022. ^[26]

En 2008, Robert Metcalfe , uno de los co-inventores de Ethernet, dijo que creía que las aplicaciones comerciales que utilicen Ethernet Terabit podrían ocurrir en 2015, aunque podrían requerir nuevos estándares de Ethernet. ^[29] Se predijo que esto sería seguido rápidamente por una escala a 100 Terabit, posiblemente tan pronto como en 2020. Estas fueron predicciones teóricas de capacidad tecnológica, en lugar de estimaciones de cuándo tales velocidades realmente estarían disponibles a un precio práctico. ^[30]

En abril de 2020, el Consorcio de Tecnología Ethernet propuso una variante de PCS Ethernet de 800 Gbit/s basada en 400GBASE-R estrechamente agrupado. ^[31]

En diciembre de 2021, IEEE inició el grupo de trabajo P802.3df para definir variantes para 800 y 1600 Gbit/s sobre cobre twinaxial, placas base eléctricas, fibra óptica monomodo y multimodo junto con nuevas variantes de 200 y 400 Gbit/s utilizando carriles de 100 y 200 Gbit/s. ^[32]

En diciembre de 2022, IEEE inició el grupo de trabajo P802.3dj para definir variantes para 200, 400, 800 y 1600 Gbit/s sobre cobre twinaxial, placas base eléctricas, fibra óptica monomodo y multimodo junto con nuevas variantes que utilizan carriles de 100 y 200 Gbit/s. ^[32]

Ethernet en la primera milla proporciona servicio de acceso a Internet directamente desde los proveedores a hogares y pequeñas empresas.

A partir de Fast Ethernet, las especificaciones de la capa física se dividen en tres subcapas para simplificar el diseño y la interoperabilidad: ^[36]

• PCS ( subcapa de codificación física ): esta subcapa realiza la negociación automática y la codificación básica (por ejemplo, 8b/10b), la separación de carriles y la recombinación. Para Ethernet, la tasa de bits en la parte superior de la PCS es la tasa de bits nominal , por ejemplo, 10 Mbit/s para Ethernet clásica o 1000 Mbit/s para Gigabit Ethernet.
• PMA ( subcapa de conexión al medio físico ): esta subcapa realiza el entramado PMA, la detección/sincronización de octetos y la codificación/descodificación de polinomios.
• PMD ( subcapa dependiente del medio físico ): esta subcapa consta de un transceptor para el medio físico.

Varias variedades de Ethernet fueron diseñadas específicamente para funcionar sobre cableado estructurado de cobre de 4 pares ya instalado en muchas ubicaciones. A diferencia de 10BASE-T y 100BASE-TX, 1000BASE-T y superiores utilizan los cuatro pares de cables para la transmisión simultánea en ambas direcciones mediante el uso de cancelación de eco .

El uso de cableado de cobre punto a punto ofrece la oportunidad de suministrar energía eléctrica junto con los datos. Esto se denomina alimentación a través de Ethernet y existen varias variaciones definidas en los estándares IEEE 802.3. La combinación de 10BASE-T (o 100BASE-TX) con el Modo A permite que un concentrador o un conmutador transmita tanto energía como datos a través de solo dos pares. Esto fue diseñado para dejar los otros dos pares libres para señales telefónicas analógicas. ^{[37] [ verificación fallida ]} Los pines utilizados en el Modo B suministran energía a través de los pares libres que no utilizan 10BASE-T y 100BASE-TX. 4PPoE definido en IEEE 802.3bt puede utilizar los cuatro pares para suministrar hasta 100 W.

Cableado 8P8C ( MDI )

Alfiler	Par	Color	Teléfono	10BASE-T , [38] 100BASE-TX [39]	1000BASE-T [40] en adelante	Modo PoE A	Modo PoE B
1	3	blanco/verde		TX+	BI_DA+	Salida de 48 V
2	3	verde		TX−	BI_DA–	Salida de 48 V
3	2	blanco/naranja		RX+	Base de datos BI_DB+	Retorno de 48 V
4	1	azul	anillo	no usado	BI_DC+		Salida de 48 V
5	1	blanco/azul	consejo	no usado	BI_DC–		Salida de 48 V
6	2	naranja		Rx−	Base de datos BI_DB–	Retorno de 48 V
7	4	blanco/marrón		no usado	BI_DD+		Retorno de 48 V
8	4	marrón		no usado	BI_DD–		Retorno de 48 V

Los requisitos del cable dependen de la velocidad de transmisión y del método de codificación empleado. Por lo general, las velocidades más rápidas requieren cables de mayor calidad y una codificación más sofisticada.

Algunas conexiones de fibra tienen longitudes de cable mínimas debido a restricciones de nivel máximo en las señales recibidas. ^[41] Los puertos de fibra diseñados para longitudes de onda de larga distancia pueden requerir un atenuador de señal si se utilizan dentro de un edificio.

Las instalaciones 10BASE2, que funcionan con cable coaxial RG-58, requieren un mínimo de 0,5 m entre estaciones conectadas al cable de red para minimizar las reflexiones. ^[42]

Las instalaciones 10BASE-T, 100BASE-T y 1000BASE-T que funcionan con cables de par trenzado utilizan una topología en estrella . No se requiere una longitud mínima de cable para estas redes. ^{[43] [44]}

Algunos estándares de red no son parte del estándar Ethernet IEEE 802.3, pero admiten el formato de trama Ethernet y son capaces de interoperar con él.

• LattisNet : una variante de par trenzado de 10 Mbit/s anterior al estándar de SynOptics .
• 100BaseVG : uno de los primeros competidores de Ethernet de 100 Mbit/s. Funciona sobre cuatro pares de cables de categoría 3 , pero no tuvo éxito comercial.
• TIA 100BASE-SX —Promocionada por la Asociación de la Industria de las Telecomunicaciones . 100BASE-SX es una implementación alternativa de Ethernet de 100 Mbit/s sobre fibra; es incompatible con el estándar oficial 100BASE-FX. Su característica principal es la interoperabilidad con 10BASE-FL , que admite la negociación automática entre operaciones de 10 y 100 Mbit/s, una característica que falta en los estándares oficiales debido al uso de diferentes longitudes de onda de LED. Estaba destinada a la base instalada de redes de fibra de 10 Mbit/s.
• TIA 1000BASE-TX : promovido por la Asociación de la Industria de Telecomunicaciones , fue un fracaso comercial. 1000BASE-TX utiliza un protocolo más simple que el estándar oficial 1000BASE-T por lo que la electrónica puede ser más barata, pero requiere cable de categoría 6 .
• G.hn : estándar desarrollado por la UIT-T y promovido por HomeGrid Forum para redes de área local de alta velocidad (hasta 1 Gbit/s) sobre cableado doméstico existente ( cables coaxiales , líneas eléctricas y líneas telefónicas). G.hn define una capa de convergencia de protocolo de aplicación (APC) que acepta tramas Ethernet y las encapsula en MSDU G.hn.

Otros estándares de red no utilizan el formato de trama Ethernet, pero aún así pueden conectarse a Ethernet mediante un puente basado en MAC.

• 802.11 : estándares para redes de área local inalámbricas (LAN), que se venden como Wi-Fi
• 802.16 —Estándares para redes de área metropolitana inalámbricas (MAN), comercializadas como WiMAX

Otras capas físicas de propósito especial incluyen Avionics Full-Duplex Switched Ethernet y TTEthernet .

• Estándares GET 802(R) del programa IEEE GET
• Grupo de trabajo sobre Ethernet IEEE 802.3