Tópico 12 · Camada de Enlace

Ethernet

A tecnologia dominante das redes locais (LAN) — padrão IEEE 802.3

· Serviços de Redes

O que é a Ethernet

A Ethernet é o conjunto de tecnologias que domina as redes locais cabeadas, operando na camada de enlace e na física.

Define o quadro (frame), o endereçamento MAC e o acesso ao meio.
Criada por Metcalfe e Boggs na Xerox PARC (1973); padronizada como IEEE 802.3 (1983).
Evoluiu de 10 Mbps a centenas de Gbps, mantendo o mesmo formato de quadro.

Camada de enlace: LLC + MAC

O IEEE divide o enlace em duas subcamadas: LLC (802.2, interface com a rede) e MAC (802.3, controle de acesso ao meio e endereçamento físico). A Ethernet vive na MAC e na física.

Evolução das velocidades

Geração	Velocidade	Padrão	Mídia típica
Ethernet	10 Mbps	802.3 (1983)	Coaxial → par trançado
Fast Ethernet	100 Mbps	802.3u (1995)	Par trançado (Cat5)
Gigabit Ethernet	1 Gbps	802.3ab/z (1999)	Cat5e/6, fibra
10 Gigabit	10 Gbps	802.3ae (2002)	Cat6a, fibra
40 / 100 / 400 G	40–400 Gbps	802.3ba… (2010+)	Fibra óptica

Nomenclatura: 10BASE-T = 10 Mbps, transmissão em banda base, em par trançado (T). Assim, 1000BASE-T é o Gigabit em par trançado.

Endereço MAC (físico)

Cada interface tem um endereço MAC de 48 bits (6 bytes), em hexadecimal. Os 3 primeiros bytes identificam o fabricante (OUI); os 3 últimos, a placa.

00:1A:2B:3C:4D:5E
↑ OUI (fabricante) ↑ identificador da placa

FF:FF:FF:FF:FF:FF → broadcast

Unicast, multicast e broadcast

O bit menos significativo do primeiro byte distingue unicast (0) de multicast (1). Tudo-1 (FF:FF:…) é o broadcast da rede local. Em tese, o MAC é globalmente único.

MAC × IP: o MAC identifica a placa no enlace local; o IP identifica o host fim a fim. O ARP traduz IP → MAC dentro da LAN.

O quadro (frame) Ethernet

Preâmbulo e SFD sincronizam o receptor; o quadro vai do MAC destino ao FCS.

Tamanho mínimo de 64 bytes: se os dados têm menos de 46 bytes, são preenchidos (padding). Esse mínimo está ligado à detecção de colisões (adiante).

O campo Tipo/Comprimento (EtherType)

Esse campo de 2 bytes diz o que vem na carga. Se o valor for ≥ 0x0600 (1536), é um EtherType (protocolo); se ≤ 1500, é um comprimento (formato 802.3).

EtherType	Protocolo
0x0800	IPv4
0x86DD	IPv6
0x0806	ARP
0x8100	VLAN (802.1Q)

FCS: verificação de erros

O FCS guarda um CRC-32 calculado sobre o quadro. O receptor recalcula e descarta quadros corrompidos — a Ethernet detecta erros, mas não os corrige nem retransmite (isso fica para camadas superiores).

Acesso ao meio: CSMA/CD

Na Ethernet clássica (meio compartilhado, half-duplex), o acesso era regido pelo CSMA/CD — Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection.

Detectada a colisão, o nó envia um sinal de "jam" e espera um tempo aleatório crescente antes de tentar de novo.

Por que o quadro mínimo de 64 bytes?

Para detectar uma colisão, o emissor precisa estar ainda transmitindo quando o sinal colidido volta do nó mais distante.

Slot time = 512 bits: o tempo de ida e volta máximo no domínio de colisão. O quadro mínimo de 64 bytes (512 bits) garante que a transmissão dure o bastante para a colisão ser percebida.

Backoff exponencial binário

Após a n-ésima colisão, o nó espera um número aleatório de slots entre 0 e 2ⁿ−1 (até um limite). Isso espalha as retransmissões e reduz novas colisões.

Ethernet comutada e full-duplex

Na Ethernet moderna, switches e o modo full-duplex eliminam as colisões — e o CSMA/CD deixa de ser necessário.

Full-duplex: cada estação tem um enlace dedicado ao switch, podendo enviar e receber ao mesmo tempo, sem disputar o meio.

Domínio de colisão × broadcast

Cada porta de switch é um domínio de colisão separado. Já o broadcast alcança todo o segmento — a menos que se usem VLANs para dividi-lo.

Como o switch aprende e encaminha

O switch aprende a porta de cada MAC pela origem dos quadros; depois encaminha apenas para a porta do destino.

Aprender, encaminhar, inundar: destino conhecido → envia só à porta certa; destino desconhecido ou broadcast → inunda em todas as portas (menos a de origem).

VLANs e prevenção de laços (STP)

VLAN (802.1Q)

Divide um switch físico em várias redes lógicas, cada uma seu próprio domínio de broadcast. Um marcador (tag) de 4 bytes no quadro identifica a VLAN — segmentando tráfego e melhorando segurança.

Spanning Tree (802.1D)

Enlaces redundantes entre switches criariam laços que multiplicam quadros infinitamente. O STP bloqueia caminhos redundantes, formando uma árvore sem ciclos — e os reativa se um enlace cair.

Por que laços são perigosos: sem TTL na camada de enlace, um quadro em broadcast circularia para sempre, causando uma tempestade de broadcast que derruba a rede. Daí o STP.

Síntese

Em resumo

A Ethernet (IEEE 802.3) é a base das LANs cabeadas: define o quadro, o endereço MAC de 48 bits e o acesso ao meio. A versão clássica usava CSMA/CD (que explica o quadro mínimo de 64 bytes); a moderna é comutada e full-duplex, sem colisões, com switches que aprendem MACs, VLANs que segmentam e STP que evita laços. Detecta erros pelo FCS, mas deixa a confiabilidade para as camadas superiores.

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