Redes locais Ethernet (padrão IEEE 802.3 e extensões) são compostas de equipamentos que se comunicam, denominados estações (STA na padrão IEEE 802.3), de equipamentos que os interligam (hubs e switches), e do meio de transmissão. Essa tecnologia interliga as estações, de forma todas estações em uma mesma rede local consigam se comunicar diretamente.

A rede Ethernet foi concebida em um projeto conjunto das empresas Dec Digital, Xerox e Intel, nos anos 1970. Originalmente, esse tipo de rede foi projetado na forma de um cabo coaxial compartilhado entre estações. Essa forma de interligar as estações resultava em uma topologia em barramento. Em cada estação, uma interface de rede (também chamada de adaptador) se conecta ao cabo coaxial por meio de um transceiver. cabia ao transceiver codificar o sinal digital da interface para ser transmitido pelo cabo coaxial, e vice-versa. Por fim, a interface era responsável por enviar e receber quadros (frames), buscando evitar transmitir algo enquanto o cabo coaxial estivesse ocupado. Esses componentes podem ser vistos na figura a seguir, que é um desenho clássico feito por Bob Metcalfe, um dos criadores da rede Ethernet, em 1976.

Desenho usado por Bob Metcalfe, um dos criadores da Ethernet, para apresentação em uma conferência em 1976.

Hoje em dia, as redes locais Ethernet não usam cabos coaxiais. Ao invés disso, elas são implantadas com cabos de par-trançado ou fibra ótica, em topologias do tipo estrela, árvore, árvore-gorda, anel, e possivelmente outras. As estações são interligadas por meio de switches, que são equipamentos concentradores que comutam quadros entre as estações. A estrutura de uma rede Ethernet é mais complexa do que o modelo inicial, como apresentado anteriormente, porém proporciona uma eficiência muito maior nas comunicações. Além de oferecer taxas de dados muito superiores, as redes Ethernet atuais com switches eliminaram o problema das colisões, que reduzia a taxa de dados efetiva em redes com muitas estações.

A figura abaixo ilustra uma rede local hipotética com seus vários componentes. Pode não parecer, mas essa rede tem uma topologia em estrela.

De forma geral, uma estação possui um ou mais adaptadores de rede (placas de rede, ou NIC – Network Interface Card), como na figura abaixo à esquerda. Atualmente, adaptadores de rede das estações são conectados a um switch por meio de cabos de rede TP (par trançado) com conectores RJ-45, mostrado na figura abaixo à direita. Como mencionado, também é possível usar fibra ótica, o que demanda uma interface de rede específica, ou o uso de transceivers óticos (conversores de sinal elétrico para ótico).

Em resumo, são estes os elementos de uma rede Ethernet:

• Estações: equipamentos que se comunicam pela rede. Ex: computadores e roteadores.
• Interface de rede (NIC): dispositivo embutido em cada estação com a finalidade de prover o acesso à rede. Implementa as camadas PHY e MAC.
• Meio de transmissão: representado pelos cabos por onde os quadros ethernet são transmitidos. Esses cabos são conectados às interfaces de rede das estações.
• Switch: equipamento de interconexão usado para interligar as estações. Cada estação é conectada a um switch por meio de um cabo. Um switch usualmente possui múltiplas interfaces de rede (12, 24 ou mais). Uma rede com switches apresenta uma topologia física em estrela, árvore ou mesmo em anel !

Ethernet full-duplex e comutada

O padrão sofreu um grande número de atualizações e extensões desde sua concepção nos anos 1980. Por exemplo, em sua primeira versão uma rede ethernet apresentava taxa de transmissão de 10 Mbps em half-duplex, porém atualmente essas redes operam em 1 Gbps em modo full-duplex. Na realidade, já existem versões em uso com taxas de 10 Gbps, e outras mais recentes com taxas de até 100 Gbps (ver página 46 da revista RTI online). Uma tabela dessas extensões ao padrão podem ser vistas na Wikipedia.

• Padrão IEEE 802.3 na Wikipedia

Além de taxas maiores de transmissão, a operação em modo full-duplex predominante nas versões recentes do padrão prescindem do controle de acesso ao meio feito pelo protocolo MAC. Quando em modo half-duplex, o controle de acesso ao meio do tipo CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect - Acesso Múltiplo com Detecção de Portadora/Detecção de Colisões) ainda é necessário.

Ethernet half-fuplex e o MAC CSMA/CD

Quando em modo half-duplex, usa-se o acesso ao meio do tipo CSMA/CD, que é probabilístico: uma estação verifica se o meio está está livre antes de iniciar uma transmissão, mas isso não impede que ocorra uma colisão (apenas reduz sua chance). Se acontecer uma colisão, cada estação envolvida usa esperas de duração aleatória para desempate, chamadas de backoff. A ideia é que as estações sorteiem valores de espera diferentes, e assim a que tiver escolhido um valor menor consiga transmitir seu quadro. Veja o video a seguir para entender como isso é feito.

O acesso ao meio CSMA/CD

As colisões e esperas (backoffs) impedem que esse protocolo de acesso ao meio aproveite totalmente a capacidade do meio de transmissão. Nas gerações atuais do padrão IEEE 802.3 (Gigabit Ethernet e posteriores) o CSMA/CD não é mais utilizado. Nessas atualizações do padrão, o modo de comunicação é full-duplex (nas versões anteriores, que operavam a 10 e 100 Mbps, há a possibilidade de ser half ou full-duplex). Se as comunicações são full-duplex, então conceitualmente não existem colisões. Isso se deve ao fato de que nessas novas versões cada estação possui uma via exclusiva para transmitir e outra para receber, portanto não existe mais um meio compartilhado.

Leia também

Seção 5.4 do livro Redes de Computadores e a Internet, 6a edição, de James Kurose e Keith Ross.