Ethernet a fondo: tramas, MAC, duplex, velocidad y autonegociación

📋 En esta lección

Ethernet es el protocolo de capa 2 más usado del mundo, y funciona diferente de lo que la mayoría imagina. Aquí diseccionamos la trama Ethernet bit a bit, entendemos las direcciones MAC (qué son, cómo se usan y cómo cambian en cada salto), y vemos por qué una mala negociación de dúplex puede destruir el rendimiento de un enlace sin dar ningún error obvio.

La historia rápida de Ethernet

Ethernet nació en Xerox PARC en 1973 y se estandarizó en 1983 como IEEE 802.3. En sus orígenes era un medio compartido: todos los dispositivos escuchaban el mismo cable coaxial y solo uno podía transmitir a la vez. Si dos transmitían simultáneamente se producía una colisión, y el protocolo CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) definía cómo recuperarse.

Con la llegada de los switches en los 90, el medio compartido desapareció. Cada puerto del switch tiene su propio segmento de colisión — de hecho, con dúplex completo (full-duplex) no hay colisiones en absoluto. CSMA/CD quedó como legado histórico. Lo que sí persiste es la trama Ethernet y el esquema de direccionamiento MAC.

La trama Ethernet

Cuando la capa de red (IP) entrega un paquete a la capa de enlace, esta lo encapsula en una trama Ethernet añadiendo cabecera y tráiler. La estructura:

Campo por campo

Preámbulo (7 bytes): patrón alternante 10101010... que permite al receptor sincronizarse con el reloj del emisor. No es información útil, es timing.

SFD — Start Frame Delimiter (1 byte): 10101011. El último bit a 1 avisa al receptor: "el siguiente byte ya es la dirección MAC destino".

MAC destino (6 bytes): la dirección MAC del siguiente salto (o del dispositivo final si están en el mismo segmento). El switch lee exactamente este campo para decidir por qué puerto reenviar la trama.

MAC origen (6 bytes): la dirección MAC del emisor. El switch la usa para aprender qué MAC está detrás de qué puerto y actualizar su tabla.

EtherType / Longitud (2 bytes): si el valor es ≥ 1536 (0x0600 en hexadecimal), indica el tipo de protocolo del payload: 0x0800 = IPv4, 0x0806 = ARP, 0x86DD = IPv6, 0x8100 = VLAN (802.1Q). Si el valor es < 1536, indica la longitud del payload (formato IEEE 802.3 antiguo, poco usado hoy).

Datos / Payload (46 a 1500 bytes): el paquete IP (u otro protocolo) que se transporta. El mínimo de 46 bytes es por el requisito de tamaño mínimo de trama (64 bytes totales, necesario para que CSMA/CD funcione correctamente en redes heredadas). Si IP entrega menos de 46 bytes, se añade padding (bytes de relleno).

FCS — Frame Check Sequence (4 bytes): resultado de un CRC-32 calculado sobre todos los campos anteriores (excepto preámbulo y SFD). El receptor recalcula el CRC al recibir la trama y lo compara con el FCS. Si no coinciden, la trama se descarta silenciosamente. Ethernet no pide retransmisión a nivel L2 — eso lo hace TCP en capa 4 si es necesario.

⚡ Trama mínima y máxima

• Mínima: 64 bytes (cabecera 14 B + payload ≥ 46 B + FCS 4 B). Una trama menor se llama runt y se descarta — suele indicar colisión o cable defectuoso.
• Máxima: 1518 bytes (sin VLAN) o 1522 bytes (con tag 802.1Q). Una trama mayor es un giant. Los jumbo frames (hasta 9000 bytes) requieren configuración explícita en todos los dispositivos del camino y son comunes en almacenamiento (iSCSI, NFS).

Direcciones MAC

Una dirección MAC (Media Access Control) es un identificador de 48 bits (6 bytes) que el fabricante graba en la ROM de cada interfaz de red. Se expresa en hexadecimal:

00:1A:2B:3C:4D:5E

La convención de separación varía: 00:1A:2B:3C:4D:5E (Linux/Cisco), 00-1A-2B-3C-4D-5E (Windows), 001A.2B3C.4D5E (Cisco IOS).

Estructura: OUI + NIC ID

Los primeros 3 bytes son el OUI (Organizationally Unique Identifier), asignado por la IEEE al fabricante. Los últimos 3 bytes los asigna el fabricante a cada interfaz individual.

00:1A:2B  →  OUI de Apple Inc. (en este ejemplo)
3C:4D:5E  →  identificador único del dispositivo

💡 💡 Utilidad del OUI

Con el OUI puedes identificar el fabricante de un dispositivo sin verlo físicamente. Herramientas como arp -a (Windows/Linux) o show mac address-table (IOS) muestran las MACs en la red — los primeros 3 bytes te dicen quién fabricó cada dispositivo.

Bit de Individual/Group y bit U/L

El bit 0 del primer byte (el menos significativo) indica:

• 0 → dirección unicast (un solo destinatario)
• 1 → dirección multicast o broadcast

La dirección de broadcast Ethernet es FF:FF:FF:FF:FF:FF — todos los bits a 1. Cuando el switch recibe una trama con esta MAC destino, la envía por todos los puertos (excepto el de entrada).

El bit 1 del primer byte indica si la dirección está grabada en fábrica (BIA, Burned-In Address) o si ha sido asignada localmente (LAA, Locally Administered Address). Las MACs clonadas o virtuales (VMs, VPNs) suelen tener este bit a 1.

Las MACs cambian en cada salto, las IPs no

Este punto confunde a mucha gente:

Cuando un paquete viaja de un PC en Madrid a un servidor en Barcelona, la IP de origen y destino permanecen constantes de extremo a extremo. Pero la cabecera Ethernet (MACs) se reconstruye completamente en cada salto:

1. PC → Router Madrid: MAC origen = MAC del PC, MAC destino = MAC de la interfaz LAN del router Madrid.
2. Router Madrid → Router Barcelona (WAN, quizás no Ethernet en absoluto).
3. Router Barcelona → Servidor: MAC origen = MAC de la interfaz LAN del router Barcelona, MAC destino = MAC del servidor.

El router descarta la trama Ethernet entrante y crea una nueva. Solo conserva el paquete IP interior. Lo viste en la lección 1.5 — aquí lo conectamos con el cableado físico.

Dúplex: half vs full

Half-duplex: un dispositivo puede transmitir o recibir, pero no a la vez. Si dos transmiten simultáneamente, hay colisión. Es el modelo de los hubs y el WiFi (que por naturaleza es un medio compartido).

Full-duplex: transmisión y recepción simultáneas en canales separados. No hay colisiones posibles. Es el estándar en todos los enlaces switch-a-switch y switch-a-dispositivo modernos. Con full-duplex, el cable tiene pares físicamente separados para TX y RX — dos conversaciones en paralelo.

⚠️ ⚠️ Duplex mismatch: el asesino silencioso del rendimiento

Si un extremo del enlace negocia full-duplex y el otro se queda en half-duplex, el rendimiento se degrada drásticamente (típicamente a menos del 10% de la capacidad teórica) sin que aparezca ningún error obvio. El lado half-duplex detecta "colisiones" constantemente (porque el lado full-duplex no para de transmitir mientras él también lo hace). show interfaces mostrará un contador de late collisions creciente en el lado half-duplex. Causa habitual: un extremo con autonegociación desactivada fijado a full-duplex, y el otro con autonegociación activada que cae a half-duplex por no recibir señal de negociación.

Velocidades de Ethernet

En switches de acceso actuales, lo habitual es 1 Gbps en puertos de usuario y 10 Gbps en uplinks. En el núcleo y los spines de data center, 40/100/400 Gbps.

Autonegociación (IEEE 802.3u)

La autonegociación es el proceso por el cual dos dispositivos conectados acuerdan automáticamente la velocidad y el dúplex del enlace. Se basa en el intercambio de Fast Link Pulses (FLP) al conectar el cable.

Reglas de autonegociación:

1. Si ambos lados tienen autonegociación activa → negocian la mayor velocidad y dúplex comunes.
2. Si un lado tiene autonegociación activa y el otro está fijado a una velocidad/dúplex → el lado con autoneg intenta detectar la velocidad (puede fallar o no), y asume half-duplex por defecto si no recibe FLPs.
3. Si ambos lados están fijados al mismo valor → funciona, pero es frágil si alguien cambia un extremo sin cambiar el otro.

La recomendación general: deja la autonegociación activada en todos los puertos de acceso. Solo desactívala si el dispositivo final no la soporta correctamente (algunos equipos industriales o antiguos) y documenta el valor fijo en ambos extremos.

! Ver velocidad y dúplex negociados en IOS:
Switch# show interfaces GigabitEthernet0/1
  Full-duplex, 1000Mb/s, media type is 10/100/1000BaseTX

Tipos especiales de tráfico Ethernet

Además de las tramas unicast normales, Ethernet define dos tipos especiales:

Broadcast (FF:FF:FF:FF:FF:FF): el switch envía la trama por todos los puertos excepto el de entrada. Todos los dispositivos del segmento la reciben y procesan. ARP usa broadcast para preguntar "¿quién tiene la IP X?".

Multicast (primer byte impar): enviada a un grupo de dispositivos que se han "suscrito" a esa dirección multicast. El switch la envía por todos los puertos por defecto (a menos que use IGMP Snooping). IPv6 depende de multicast — lo veremos en el Módulo 6.

Relación con otros conceptos

• Las tramas Ethernet son la PDU de la capa 2 del modelo OSI — lo viste en la lección 1.4.
• El switch usa la MAC destino de cada trama para tomar la decisión de forwarding — lo veremos en detalle en la lección 2.3.
• El FCS es detección de errores, no corrección: si una trama llega corrupta, se descarta. TCP (capa 4) se encarga de pedir retransmisión si hace falta — lección 1.6.
• Las VLANs añaden un tag de 4 bytes (802.1Q) entre la MAC origen y el EtherType, ampliando la trama máxima a 1522 bytes — Módulo 5.

Resumen

La trama Ethernet encapsula un paquete IP añadiendo MAC destino, MAC origen, EtherType y FCS. Las MACs son direcciones de 48 bits con OUI de fabricante que identifican interfaces a nivel local — cambian en cada salto de router, las IPs no. Full-duplex es el estándar moderno: sin colisiones, doble canal simultáneo. Un mismatch de dúplex destruye el rendimiento sin errores obvios — busca late collisions en show interfaces. La autonegociación (IEEE 802.3u) resuelve velocidad y dúplex automáticamente cuando está activa en ambos extremos.

Fuentes oficiales

• IEEE 802.3 — el estándar de Ethernet
• RFC 894 — Transmission of IP Datagrams over Ethernet Networks
• RFC 826 — An Ethernet Address Resolution Protocol (ARP)