¡Felicidades, Ethernet!

26 julio, 2022
Foto: Jordan Harrison en Unsplash.

(Més avall trobareu la versió en català d’aquest contingut: Per molts anys, Ethernet!.)

Este año la tecnología Ethernet está de aniversario, pues se cumplen 50 años de su invención en el PARC (Palo Alto Research Center) de Xerox. En estos 50 años la tecnología Ethernet ha pasado de ser un experimento de laboratorio, a convertirse en la principal tecnología de red sobre la que se apoya Internet, así que queremos aprovechar este breve artículo para hacer un resumen de su evolución a lo largo de los años y apuntar a los cambios que se están introduciendo actualmente para soportar los nuevos ámbitos de aplicación.

A nivel histórico, Ethernet surgió a principios de los años 70 de la mano de Robert Metcalfe y un equipo de ingenieros que trabajaban en el diseño de una red para interconectar los ordenadores ubicados dentro de un mismo edificio. Para ello se inspiraron en la red ALOHANet, desarrollada años antes en la Universidad de Hawái, y que permitía interconectar ordenadores ubicados entre las distintas islas a través de radioenlaces. Así pues, Ethernet partía de la idea de una red de conmutación de paquetes que se apoyaba sobre un medio de transporte compartido (bus) a una velocidad de 3 Mbps, y que utilizaba un protocolo de acceso al medio (ALOHA) de resolver las colisiones entre las diferentes estaciones que forman la red. Como cualquier invento relevante, el primer esbozo de la tecnología se hizo sobre una servilleta de papel, tal y como se reproduce en la imagen siguiente.

Figura 1 – Esbozo de la tecnología Ethernet en una servilleta de papel.

Gracias a su gran funcionalidad y bajo coste, la tecnología Ethernet tomó relevancia rápidamente para la interconexión de ordenadores y dispositivos de red. Además, su rápida evolución tecnológica y estandarización (IEEE 802.3) la convirtió en la principal tecnología para redes de área local (LAN, Local Area Network), desplazando otras tecnologías como Token Ring. Entre los cambios que se produjeron en este proceso, los tres más relevantes son: 1) la sustitución del algoritmo de detección de colisiones por CSMA/CD (en inglés, Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection), 2) el paso de un medio compartido (basado en bus) a un medio dedicado (punto a punto) y la aparición del concepto bridge (que permite interconectar diferentes dominios de colisión), y 3) el incremento constante de la velocidad de transmisión pasando de los 3 Mbps originales (1975) a 10 Mbps (1980, Ethernet II), 100 Mbps (1995, IEEE 802.3u), 1 Gbps (1998, IEEE 802.3z) y 10 Gbps (2002, 4, 4 y 100 Gbps (2010, IEEE 802.3ba), gracias a la incorporación de nuevos medios de transmisión (coaxial y fibra óptica) y mecanismos de codificación de datos. Actualmente, se están finalizando los estándares para permitir 200 y 400 Gbps (IEEE 802.3bs), y desde 2021 también se trabaja en los estándares para ofrecer 0.8 y 1.6 Tbps (IEEE 802.3df).

Es precisamente esta rápida evolución técnica y gran nivel de adopción, la que ha hecho que la tecnología Ethernet pase a ser relevante en sectores fuera del ámbito de las redes de área local y se convierta en la principal tecnología de red sobre la que se apoya Internet.

Ethernet surgió a principios de los años 70 de la mano de Robert Metcalfe y un equipo de ingenieros que trabajaban en el diseño de una red para interconectar los ordenadores ubicados dentro de un mismo edificio.

En este sentido, son las operadoras de telecomunicaciones las que han adoptado la tecnología Ethernet a todos los niveles (red de acceso, transporte y core) con el objetivo de hacer converger las tecnologías de transporte con la pila de protocolos que se utiliza en Internet (IP, TCP/UDP). Esto ha facilitado que los diferentes servicios que presta una operadora de telecomunicaciones se puedan ofrecer de forma convergente y transparente sobre una única red, reduciendo los costes de despliegue (CAPEX, Capital Expenditure) y de mantenimiento (OPEX, Operational Expenditure) de la misma. Por ejemplo, hoy en día la red de acceso de fibra óptica está basada en la tecnología GPON (Gigabit Passive Optical Network, ITU-T G.984) que permite el transporte de tramas Ethernet de manera nativa entre los equipos de usuario (ONT, Optical Network Termination) y los equipos de la operadora (OLT, Optical Line Termination) a través de GEM (GPON Encapsulation Method). Del mismo modo, las redes de transporte y core de la operadora se basan en cada vez más en la tecnología Ethernet a través de los conceptos Metro Ethernet y Carrier Grade Ethernet desarrollado por el MEF (Metro Ethernet Forum) a partir del año 2001 Entre otros, estos conceptos permiten el transporte nativo de tramas Ethernet sobre tecnologías de red de operadora, como es el caso de DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) y MPLS (Multi-Protocol Label Switching), así como la creación de servicios de interconexión de red transparente para los usuarios finales, como es el caso de E-LINE (point-to-point), E-LAN ​​(multipoint-to-multipoint) y E-TREE (multipoint-to-multipoint centralizado).

Gracias a estas características, la tecnología Ethernet también ha encontrado aplicación en otros ámbitos, como son los estudios de grabación multimedia y en el ámbito del control industrial. En el primer caso, la tecnología Ethernet permite la conexión de instrumentos de grabación y reproducción de música y vídeo, mientras que en el segundo caso, la tecnología Ethernet se utiliza para interconectar los distintos elementos de un sistema de control distribuido (sensores, controlador y actuadores). Cabe decir que en estos ámbitos es donde la tecnología Ethernet se ha encontrado un reto mayor, pues en estos casos el ancho de banda no es un crítico (por ejemplo, un flujo de audio en formato bruto a 192 kHz y 24 bits requiere un ancho de banda de poco más de 4 Mbps) pero sí que lo son otros parámetros de red como la latencia, el jitter (la varianza de la latencia) y la pérdida de paquetes. Por ejemplo, en el caso del flujo de audio anterior, se genera una muestra de 24 bits cada 5 microsegundos, por lo que es importante que la red no introduzca un retraso, jitter ni pérdidas significativas debido al tiempo de espera en las colas de los elementos que conforman la red, ya que de lo contrario la calidad de la grabación o reproducción puede verse alterada. Es por ello por lo que actualmente en el IEEE se está trabajando en el concepto TSN (Time Sensitive Networking), un conjunto de tecnologías y protocolos de red que deben permitir añadir una capa de abstracción sobre la tecnología Ethernet, originalmente basada en la conmutación de paquetes, que le permita trabajar como una tecnología de conmutación de circuitos. Esta transformación se basa en la sincronización temporal y la planificación centralizada de las transmisiones de todos los elementos que conforman una red Ethernet, permitiendo garantizar de forma explícita la calidad de servicio que requieren las aplicaciones que se transportan.

Ethernet es la principal tecnología de red sobre la que se apoya Internet.

Así pues, a la vista de la evolución pasada y las perspectivas de desarrollo que tiene de cara al futuro cercano, creemos que la tecnología Ethernet jugará un papel cada vez más relevante en el mundo de las telecomunicaciones, independientemente de su ámbito de aplicación. Por tanto, aquellos que estén interesantes en conocer más detalles sobre la evolución y sus perspectivas de futuro, así como su aplicación en los diferentes ámbitos, le recomendamos consultar el artículo «Ethernet – A Survey on its Fields of Application«. Si bien se trata de un artículo del año 2010, los detalles sobre el funcionamiento de la tecnología, así como la visión sobre su evolución y sus ámbitos de aplicación resultan especialmente esclarecedores, sobre todo ahora que se celebra su 50º cumpleaños.

Y ahora solo nos falta decir: ¡felicidades, Ethernet, y gracias a sus inventores!

Per molts anys, Ethernet!

Enguany la tecnologia Ethernet està d’aniversari, ja que es compleixen 50 anys de la seva invenció al PARC (Palo Alto Research Center) de Xerox. En aquests 50 anys la tecnologia Ethernet ha passat de ser un experiment de laboratori a convertir-se en la principal tecnologia de xarxa sobre la qual es recolza Internet, així que volem aprofitar aquest breu article per fer un resum de la seva evolució al llarg dels anys i apuntar als canvis que s’estan introduint actualment per tal de donar suport als nous àmbits d’aplicació. 

Històricament, Ethernet va sorgir a principis dels anys 70 de la mà de Robert Metcalfe i un equip d’enginyers que treballaven en el disseny d’una xarxa per interconnectar els ordinadors ubicats dins d’un mateix edifici. Per fer-ho es van inspirar en la xarxa ALOHANet, desenvolupada anys abans a la Universitat de Hawaii, i que permetia interconnectar ordinadors ubicats entre les diferents illes a través de radioenllaços. Així doncs, Ethernet partia de la idea d’una xarxa de commutació de paquets que es recolzava sobre un mitjà de transport compartit (bus) a una velocitat de 3 Mbps, i que utilitzava un protocol d’accés al medi (ALOHA) per tal de resoldre les col·lisions entre les diferents estacions que formen la xarxa. Com qualsevol invent rellevant, el primer esbós de la tecnologia es va fer sobre un tovalló de paper, tal com es reprodueix a la imatge següent. 

Figura 1 – Esbós de la tecnologia Ethernet sobre un tovalló de paper.

Gràcies a la seva gran funcionalitat i baix cost la tecnologia Ethernet va agafar rellevància ràpidament per a la interconnexió d’ordinadors i dispositius de xarxa. A més, la seva ràpida evolució tecnològica i estandardització (IEEE 802.3) la van convertir en la principal tecnologia per a xarxes d’àrea local (LAN, Local Area Network),  desplaçant altres tecnologies com Token Ring. Entre els canvis que es van produir en aquest procés els tres més rellevants són: 1) la substitució de l’algorisme de detecció de col·lisions per CSMA/CD (en anglès, Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection), 2) el pas d’un medi compartit (basat en bus) a un medi dedicat (punt a punt) i l’aparició del concepte bridge (que permet interconnectar diferents domis de col·lisió), i 3) l’increment constant de la velocitat de transmissió passant dels 3 Mbps originals (1975) a 10 Mbps (1980, Ethernet II), 100 Mbps (1995, IEEE 802.3u), 1 Gbps (1998, IEEE 802.3z) i 10 Gbps (2002, IEEE 802.3ae),  40 i 100 Gbps (2010, IEEE 802.3ba), gràcies a la incorporació de nous medis de transmissió (coaxial i fibra òptica) i mecanismes de codificació de dades. Actualment, s’està finalitzant els estàndards per permetre 200 i 400 Gbps (IEEE 802.3bs), i des de 2021 també es treballa en els estàndards per oferir 0.8 i 1.6 Tbps (IEEE 802.3df). 

És precisament aquesta ràpida evolució tècnica i gran nivell d’adopció, la que ha fet que la tecnologia Ethernet passi a ser rellevant en sectors fora de l’àmbit de les xarxes d’àrea local i esdevingui la principal tecnologia de xarxa sobre la qual es recolza Internet. 

Ethernet va sorgir a principis dels anys 70 de la mà de Robert Metcalfe i un equip d’enginyers que treballaven en el disseny d’una xarxa per interconnectar els ordinadors ubicats dins d’un mateix edifici.

En aquest sentit, són les operadores de telecomunicacions les que han adoptat la tecnologia Ethernet a tots els nivells (xarxa d’accés, transport i core) amb l’objectiu de fer convergir les tecnologies de transport amb la pila de protocols que s’utilitza a Internet (IP, TCP/UDP). Això ha facilitat que els diferents serveis que presta una operadora de telecomunicacions es puguin oferir de manera convergent i transparent sobre una única xarxa, reduint els costos de desplegament (CAPEX, Capital Expenditure) i de manteniment (OPEX, Operational Expenditure) d’aquesta. Per exemple, avui dia la xarxa d’accés de fibra òptica està basada en la tecnologia GPON (Gigabit Passive Optical Network, ITU-T G.984) que permet el transport de trames Ethernet de manera nativa entre els equips d’usuari (ONT, Optical Network Termination) i els equips de l’operadora (OLT, Optical Line Termination) a través de GEM (GPON Encapsulation Method). De la mateixa manera, les xarxes de transport i core de l’operadora es basen en cada vegada més en la tecnologia Ethernet a través dels conceptes Metro Ethernet i Carrier Grade Ethernet desenvolupat pel MEF (Metro Ethernet Forum) a partir de l’any 2001. Entre d’altres, aquests conceptes permeten el transport natiu de trames Ethernet sobre tecnologies de xarxa d’operadora, com és el cas de DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) i MPLS (Multi-Protocol Label Switching), així com la creació de serveis d’interconnexió de xarxa transparent per als usuaris finals, com és el cas de E-LINE (point-to-point), E-LAN (multipoint-to-multipoint) i E-TREE (multipoint-to-multipoint centralitzat). 

Gràcies a aquestes característiques la tecnologia Ethernet també ha trobat aplicació en altres àmbits, com són els estudis de gravació multimèdia i en l’àmbit del control industrial. En el primer cas la tecnologia Ethernet permet la connexió d’instruments de gravació i reproducció de música i vídeo, mentre que en el segon cas la tecnologia Ethernet s’utilitza per interconnectar els diferents elements d’un sistema de control distribuït (sensors, controlador i actuadors). Val a dir, però que en aquests àmbits és on la tecnologia Ethernet ha hagut de fer front a un repte major, ja que en aquests casos l’ample de banda no és un crític (per exemple, un flux d’àudio en format brut a 192 kHz i 24 bits requereix un ample de banda de poc més d’4 Mbps) però sí que ho són altres paràmetres de xarxa com la latència, el jitter (la variància de la latència) i la pèrdua de paquets. Per exemple, en el cas del flux d’àudio anterior, es genera una mostra de 24 bits cada 5 microsegons, de manera que és important que la xarxa no introdueixi un retard, jitter ni pèrdues significatives a causa del temps d’espera a les cues dels elements que conformen la xarxa, ja que en cas contrari la qualitat de la gravació o la reproducció es pot veure alterada. És per això que actualment dins l’IEEE s’està treballant en el concepte TSN (Time Sensitive Networking), un conjunt de tecnologies i protocols de xarxa que han de permetre afegir una capa d’abstracció sobre la tecnologia Ethernet, originalment basada en la commutació de paquets, que li permeti treballar com una tecnologia de commutació de circuits. Aquesta transformació es basa en la sincronització temporal i la planificació centralitzada de les transmissions de tots els elements que conformen una xarxa Ethernet, de manera que ha de permetre garantir de manera explícita la qualitat de servei que requereixen les aplicacions que s’hi transporten. 

Ethernet és la principal tecnologia de xarxa sobre la qual es recolza Internet. 

Així doncs, en vista de l’evolució passada i les perspectives de desenvolupament que té de cara el futur pròxim, creiem que la tecnologia Ethernet jugarà un paper cada vegada més rellevant en el món de les telecomunicacions, independentment del seu àmbit d’aplicació. Per tant, aquells que estigueu interessants en conèixer més detalls sobre l’evolució i les seves perspectives de futur, així com la seva aplicació en els diferents àmbits, us recomanem consultar l’article «Ethernet – A Survey on its Fields of Application«. Si bé es tracta d’un article de l’any 2010, els detalls sobre el funcionament de la tecnologia, així com la visió sobre la seva evolució i els seus àmbits d’aplicació resulten especialment aclaridors, sobretot ara que se celebra el seu 50è aniversari. 

I ara només ens falta dir: per molts anys Ethernet i gràcies als seus inventors!

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Autores / Autoras
Director académico del Máster en Industria 4.0 de los Estudios de Informática, Multimedia y Telecomunicación de la UOC e investigador del grupo de investigación Wireless Networks del Internet Interdisciplinary Institute (IN3) de la UOC.
Catedrático, Doctor e investigador principal del grupo de investigación Wireless Networks del Internet Interdisciplinary Institute (IN3) de la UOC. Profesor de los Estudios de Informática, Multimedia y Telecomunicación de la UOC.
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