A la lliçó anterior vam veure la pila de protocols a vista d'ocell; ara aterrem a la família que resol el problema més bàsic i proper: com es comuniquen dos equips que són al mateix segment de xarxa local — connectats al mateix switch, a la mateixa Wi-Fi, «a un cable de distància». Quan el PC de la Marta desa un document al servidor de fitxers de València, les dades no surten a Internet ni creuen la VPN: viatgen pel switch de l'oficina, i els qui fan possible aquest viatge són els protocols d'enllaç de dades. En aquesta lliçó estudiarem Ethernet (el rei del cable), Wi-Fi/802.11 (el seu equivalent sense fil), les adreces MAC en acció, ARP (el ciment imprescindible entre adreces MAC i IP) i el paper del switch, a més de dos conceptes que expliquen per què les xarxes modernes rendeixen tan bé: els dominis de col·lisió i de difusió.

1. La missió de l'enllaç de dades: comunicar veïns
2. Ethernet: el protocol de la xarxa cablada
3. La trama Ethernet per dins
4. CSMA/CD: la història de les col·lisions
5. Wi-Fi (802.11): quan el medi és l'aire
6. ARP: el ciment entre IP i MAC
7. El switch per dins: la taula d'adreces MAC
8. Dominis de col·lisió i de difusió

Els protocols d'enllaç de dades tenen una missió deliberadament limitada: lliurar dades entre dispositius connectats al mateix medi local, el mateix «veïnat» de xarxa. El seu abast s'acaba on comença el router: portar dades entre xarxes diferents és feina dels protocols de xarxa, que veurem a la lliçó 02-03.

Per complir aquesta missió resolen tres tasques:

• Identificar els veïns: cada targeta de xarxa té una adreça MAC (la vam conèixer de manera intuïtiva a la lliçó 01-01): 48 bits, escrits com 6 parells hexadecimals, per exemple A4:5E:60:D2:1B:07. Ve gravada de fàbrica i els 3 primers parells identifiquen el fabricant.
• Empaquetar les dades en trames: la trama és la unitat de dades de l'enllaç (recorda l'encapsulació de 02-01: la trama és el sobre més extern).
• Regular l'accés al medi: si diversos equips comparteixen el mateix medi (el mateix cable antic, o l'aire en Wi-Fi), cal una regla que decideixi qui transmet i quan, o els missatges xocarien.

Una comparació útil: si els protocols de xarxa (02-03) són el servei postal entre ciutats, els d'enllaç són el repartiment dins del barri: coneixen cada portal (adreça MAC) i lliuren porta a porta, però no saben res del món més enllà del barri.

Ethernet (estàndard IEEE 802.3) és el protocol d'enllaç dominant en xarxes cablades des de fa més de 40 anys. Tots els llocs fixos de Meridiano, el servidor de fitxers, les impressores i els enllaços switch-router funcionen amb Ethernet. Ha sobreviscut a totes les modes perquè ha anat multiplicant la seva velocitat mantenint el mateix format de trama:

Que el format de trama no hagi canviat és una lliçó de disseny magnífica: Meridiano va passar els seus llocs de 100 Mbps a 1 Gbps canviant switches i targetes, sense tocar absolutament res del programari ni de la resta de protocols. La substituïbilitat de què parlàvem a 02-01, en acció.

Apliquem l'anàlisi de sintaxi que vam aprendre a la lliçó anterior. Aquesta és l'estructura (simplificada) d'una trama Ethernet:

Cada camp té la seva semàntica ben definida:

• La MAC de destinació va primer per una raó pràctica: així el receptor (i el switch) pot decidir com més aviat millor si la trama li interessa, sense llegir-la sencera.
• El camp Tipus és la peça que lliga aquesta lliçó amb la següent: diu al receptor a quin protocol superior ha de lliurar el contingut després de desencapsular (gairebé sempre, IP).
• L'FCS (Frame Check Sequence) és un valor calculat a partir de tots els bits de la trama. El receptor refà el càlcul en rebre-la: si no coincideix, la trama s'ha fet malbé pel camí (interferències, cable defectuós) i es descarta en silenci. Ethernet detecta errors, però no reenvia: la recuperació, si cal, és feina del transport (lliçó 02-04).
• Existeix a més una MAC de difusió (broadcast): FF:FF:FF:FF:FF:FF. Una trama enviada a aquesta adreça la processen tots els equips del segment. La farem servir d'aquí a un moment amb ARP.

Exemple amb dades de Meridiano: quan el PC de la Marta (A4:5E:60:D2:1B:07) envia dades al servidor de fitxers (00:1B:44:11:3A:B7), la trama surt així:

A l'Ethernet original tots els equips compartien un únic cable coaxial (la topologia de bus que vam veure a 01-03): si dos transmetien alhora, els seus senyals elèctrics es barrejaven i totes dues trames quedaven inservibles. D'això se'n diu col·lisió, i Ethernet la gestionava amb el mètode CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection):

1. Escolta abans de parlar (Carrier Sense): si el cable està ocupat, espera.
2. Tothom pot parlar (Multiple Access): no hi ha torns assignats.
3. Detecta les col·lisions (Collision Detection): si mentre transmet detecta que un altre també ho fa, tots dos paren, esperen un temps aleatori (per no tornar a xocar) i ho reintenten.

És exactament el que fem en una reunió sense moderador: esperar que hi hagi silenci, parlar, i si dues persones comencen alhora, totes dues callen i una ho reintenta un instant després.

Per què ho expliquem en passat? Perquè en una xarxa moderna com la de Meridiano ja no hi ha col·lisions: cada equip té el seu propi cable dedicat fins al switch, i els enllaços són full-duplex (poden enviar i rebre alhora). CSMA/CD continua a l'estàndard, però adormit. Tot i així convé conèixer-lo per dos motius: explica molts termes que encara es fan servir (ho veurem amb els dominis de col·lisió) i, sobretot, el seu cosí CSMA/CA continua plenament viu en Wi-Fi.

El Wi-Fi (família d'estàndards IEEE 802.11) és el protocol d'enllaç de les xarxes sense fil: és el que fan servir els portàtils i mòbils de València quan es connecten al punt d'accés de l'oficina. Conceptualment fa el mateix que Ethernet (trames, adreces MAC), però l'aire és un medi molt més hostil que un cable, i això obliga a diferències importants:

La diferència estrella és CSMA/CA (Collision Avoidance, evitació en lloc de detecció). A l'aire, un equip no pot detectar una col·lisió mentre transmet (el seu propi senyal l'eixorda: és com intentar sentir un xiuxiueig mentre crides). Com que no les pot detectar, es dedica a evitar-les:

1. Escolta el canal; si està ocupat, espera.
2. Quan queda lliure, espera a més un temps aleatori addicional abans de transmetre (així, si n'hi havia diversos esperant, no arrenquen tots alhora).
3. Després de transmetre, espera un ACK del receptor. Si no arriba, assumeix que hi ha hagut col·lisió o interferència i reenvia.

Conseqüència pràctica que tot professional ha de saber explicar: el Wi-Fi és un medi compartit. Els 8 portàtils connectats al punt d'accés de València es reparteixen el canal per torns; com més equips (i més interferències), menys rendiment per equip. Per això el servidor de fitxers i els llocs fixos de Meridiano van per cable: per al trànsit pesant i constant, el cable continua sent insubstituïble.

Ara, la peça que ho lliga tot. Les aplicacions i els protocols de xarxa treballen amb adreces IP (lògiques, configurables), però acabem de veure que les trames del segment local es lliuren per adreça MAC (física, de fàbrica). Quan el PC de la Marta (192.168.10.21) vol enviar un paquet al servidor de fitxers (192.168.10.10), en coneix la IP... però per construir la trama Ethernet necessita la seva MAC. Com l'esbrina?

Amb l'ARP (Address Resolution Protocol), un protocol minúscul i omnipresent que funciona a crits i a cau d'orella:

• La pregunta (ARP request) va en difusió (broadcast) perquè no se sap qui és el destinatari: la reben tots els equips del segment.
• La resposta (ARP reply) va directa a qui ha preguntat.
• El resultat es desa a la taula ARP (o memòria cau ARP) durant uns minuts, per no haver de preguntar a crits per cada trama.

Pots veure la taula ARP del teu propi equip ara mateix. A Windows (a Linux, ip neigh mostra l'equivalent):

Sortida al PC de la Marta:

Cada línia dinámico és una resolució ARP recent: la prova de amb qui ha parlat aquest PC a la seva xarxa local en els darrers minuts. Fixa't que hi apareix el router (192.168.10.1): quan la Marta parla amb Bilbao o amb Internet, el seu PC no resol la MAC de la destinació final (és en una altra xarxa, ARP no hi arriba), sinó la MAC del router, que és la seva porta de sortida. Aquest matís —a qui es lliura la trama quan la destinació és fora— és justament la frontera amb la propera lliçó.

Al mòdul 1 vam dir que el switch «envia cada trama només al seu destinatari». Ja podem explicar com ho aconsegueix: manté una taula d'adreces MAC que associa cada MAC amb el port físic on està connectada, i la construeix tot sol, aprenent de les trames que el travessen:

1. Aprèn de l'origen: quan arriba una trama pel port 3 amb MAC origen A4:5E:60:D2:1B:07, el switch anota: «aquesta MAC viu al port 3».
2. Decideix per la destinació: busca la MAC de destinació a la seva taula. Si la coneix, reenvia la trama només per aquell port. Si (encara) no la coneix, la reenvia per tots els ports menys el d'entrada (flooding), com faria un hub; la resposta del destinatari li permetrà aprendre on és.
3. Les difusions, a tothom: una trama a FF:FF:FF:FF:FF:FF (com un ARP request) es reenvia sempre per tots els ports.

Taula del switch de València després d'uns minuts d'activitat:

Observa que el switch no sap res d'adreces IP: viu completament al món de l'enllaç de dades. És ràpid precisament per això: mirar una MAC en una taula és una operació trivial que fa a velocitat de cable.

Dos conceptes de vocabulari professional que resumeixen tot l'anterior:

• Domini de col·lisió: conjunt d'equips les transmissions dels quals poden xocar entre si. A l'època del bus i dels hubs, tota la xarxa era un únic domini de col·lisió (d'aquí ve CSMA/CD). Cada port d'un switch és el seu propi domini de col·lisió, i amb full-duplex les col·lisions desapareixen del cable. En Wi-Fi, en canvi, tots els equips d'un mateix punt d'accés comparteixen domini de col·lisió: per això existeix CSMA/CA.
• Domini de difusió: conjunt d'equips que reben les trames de broadcast (com els ARP request). El switch no el limita (reenvia les difusions a tothom): tota la LAN de València és un únic domini de difusió, i la de Bilbao un altre. La frontera del domini de difusió és el router: els broadcasts de València no creuen mai cap a Bilbao, ni tan sols per la VPN.

Aquesta taula explica per què la pregunta de la Marta «qui té 192.168.10.10?» la sent tota València però ningú a Bilbao — i per què per parlar amb Bilbao cal alguna cosa més que enllaç de dades.

• Creure que la MAC de la destinació final viatja a la trama quan la destinació és en una altra xarxa. No: la trama sempre porta la MAC del següent salt local (el router, si la destinació és fora). Les MAC no surten mai del segment; les IP sí que viatgen d'extrem a extrem. Confondre això és l'error número u quan es comença.
• Pensar que el switch «sap» quins equips hi ha connectats. Només coneix parells MAC-port que ha après observant trànsit, i els oblida al cap de pocs minuts d'inactivitat. Si un equip porta hores en silenci, la seva primera trama entrant es difondrà per tots els ports.
• Culpar el cable quan el Wi-Fi va lent. El Wi-Fi és un medi compartit amb CSMA/CA: més usuaris i més interferències volen dir més esperes i reintents. Abans d'obrir incidència, pregunta quants equips pengen del mateix punt d'accés.
• Ignorar la taula ARP en diagnosticar. Si un PC no arriba al servidor tot i ser a la mateixa xarxa, arp -a és de les primeres comprovacions útils: si no hi apareix l'entrada del servidor (o hi apareix incompleto), la resolució ARP està fallant i el problema és local (cable, switch, el mateix servidor caigut).
• Consell: memoritza la parella de regles «switch = separa col·lisions, router = separa difusions». Apareix en exàmens de certificació, en entrevistes i, sobretot, en el disseny de xarxes reals.

Exercici 1. El PC de la Marta (192.168.10.21) acaba d'arrencar (taula ARP buida) i vol imprimir a la impressora de xarxa de València (192.168.10.40). Descriu pas a pas quins protocols d'enllaç hi intervenen i quines trames s'envien abans que surti la primera trama amb dades d'impressió, indicant quines van en difusió i quines en unicast.

Exercici 2. A la taula de MAC del switch de València d'aquesta lliçó, la trama origen=a4:5e:60:d2:1b:07, destinació=00:1b:44:11:3a:b7 arriba pel port 3. Per quins ports la reenvia el switch? I si la destinació fos ff:ff:ff:ff:ff:ff? I si fos la MAC b2:11:70:0d:55:e1, que no és a la taula?

Exercici 3. Un company proposa estalviar cablatge a la nova planta de València connectant els 10 llocs per Wi-Fi, «total, el Wi-Fi de casa meva va perfecte». Dona dos arguments tècnics d'aquesta lliçó per defensar el cable en llocs fixos de treball.

Solució 1:

1. El PC comprova que 192.168.10.40 és a la seva mateixa xarxa local, així que en necessita la MAC.
2. Consulta la seva taula ARP: buida. Envia un ARP request en difusió (FF:FF:FF:FF:FF:FF): «qui té 192.168.10.40?». El switch el reenvia per tots els ports; el reben el servidor, el router, l'AP i la impressora.
3. Només la impressora respon, amb un ARP reply en unicast directe al PC de la Marta: «soc jo, la meva MAC és f8:d0:27:33:9c:02».
4. El PC desa el parell IP-MAC a la seva taula ARP i ja pot construir la trama Ethernet de dades: destinació=f8:d0:27:33:9c:02, origen=a4:5e:60:d2:1b:07, tipus=0x0800, [dades d'impressió], FCS, que el switch lliura només pel port 5.

Solució 2:

• Destinació 00:1b:44:11:3a:b7: és a la taula (port 2) → la reenvia només pel port 2. De passada refresca l'aprenentatge de la MAC origen al port 3.
• Destinació ff:ff:ff:ff:ff:ff (difusió): la reenvia per tots els ports excepte el 3 (el d'entrada).
• Destinació b2:11:70:0d:55:e1 (desconeguda): fa flooding, tots els ports excepte el 3, igual que la difusió; quan aquell equip respongui, el switch n'aprendrà el port i les trames següents ja aniran dirigides.

Solució 3: Primer, el Wi-Fi és un medi compartit amb CSMA/CA: els 10 llocs es repartirien el canal per torns, amb esperes aleatòries i ACK per trama, i el rendiment per lloc cauria així que diversos treballessin alhora contra el servidor de fitxers (justament el patró de trànsit d'una consultoria). Segon, el cable ofereix rendiment estable i sense col·lisions (enllaç dedicat full-duplex a 1 Gbps per lloc gràcies al switch), immune a interferències i parets. El Wi-Fi de casa «va perfecte» perquè el fan servir 2 o 3 dispositius amb trànsit lleuger; 10 llocs professionals simultanis són un altre escenari. El Wi-Fi queda per a portàtils i mòbils, com ja fa Meridiano.

Ja dominem el veïnat. Els protocols d'enllaç de dades lliuren trames entre equips del mateix segment: Ethernet al cable (amb la seva trama de MAC destinació, MAC origen, tipus, dades i FCS, i el seu històric CSMA/CD avui jubilat pels switches full-duplex) i Wi-Fi/802.11 a l'aire (on CSMA/CA continua arbitrant un medi compartit que obliga a confirmar cada trama). Hem vist el ciment que uneix el món lògic amb el físic —ARP, que tradueix IP a MAC preguntant a crits i responent a cau d'orella, amb la seva taula consultable via arp -a— i hem obert el switch per descobrir-hi la taula d'adreces MAC i les dues fronteres que delimiten aquest món: el domini de col·lisió (que el switch trosseja) i el domini de difusió (que només el router atura). I aquí hi ha el límit: quan la Marta desa un fitxer al servidor de València, l'enllaç de dades és suficient; però quan envia alguna cosa a Bilbao, la seva trama mor al router i algú s'ha de fer càrrec del viatge entre xarxes. Aquest algú és el protocol IP i el seu seguici d'acompanyants, protagonistes de la propera lliçó: Protocols de Xarxa.