Prof. Roberto De Prisco P1-07: LAN e Ethernet

Autunno 2002
Prof. Roberto De Prisco
P1-07: LAN e Ethernet
Università degli studi di Salerno
Laurea e Diploma in Informatica
LAN
LAN = Local Area Network
Reti che coprono un area geografica limitata
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07. 2
Ufficio
Edificio
Campus
Enorme diffusione negli ultimi 20 anni
Architettura flessibile che può soddisfare svariate
esigenze
Costo abbastanza limitato
Alti tassi trasmissivi, tipicamente 10/100 Mbps
Ultimamente anche oltre, fino a 1 Gbps
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LAN
Consiste di
Un mezzo trasmissivo condiviso da vari nodi
Hardware e software per interfacciare gli apparati
al mezzo e regolarne l’accesso
La trasmissione è di tipo broadcast
Ogni bit spedito da una stazione può essere
captato da tutte le altre
Comunicazione punto-punto
I dati spediti contengono l’identificativo del
destinatario
I dati vengono spediti in blocchi detti trame
Applicazioni
1.
2.
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07. 3
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Reti di PC
Desktop su ogni scrivania a basso costo
Condivisione risorse
Comunicazione veloce (applicazioni multimediali)
Back-end networks
Interconnessione tra mainframe e batterie di
memorie di massa
numero di dispositivi limitato
distanza ridotta
elevati tassi di trasmissione
3. Dorsali LAN
interconnettono LAN locali a bassa velocità
strategie flessibili per l’internetworking
svantaggi della LAN unica
minore affidabilità
più facilmente saturabile
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Architettura
Copre i 2 strati più bassi del
modello OSI
Utilizza il modello di riferimento
IEEE 802
Livello fisico
Codifica e decodifica dei segnali
Sincronizzazione
Trasmissione e ricezione dei bit
Gestione accesso al mezzo
Rilevazione errori di trasmissione
Assemblaggio delle trame
Riconoscimento indirizzo
Estrazione dati dalla trama
Gestione dell’interfaccia verso altri
livelli
Controllo del flusso
Gestione errori
Media access control (MAC)
Logical link control (LLC)
Elementi cruciali
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07. 5
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07. 6
Topologia
Anello
Bus
Albero
Stella
Mezzo trasmissivo
Il doppino telefonico
Il cavo coassiale
La fibra ottica
Infrarossi, microonde (senza fili)
Tecnica di controllo d’accesso al mezzo (MAC,
Media Access Control)
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Topologia a BUS
Nodi collegati al mezzo di trasmissione tramite un
dispositivo hardware (tap)
Collegamento full duplex
Al termine del bus il segnale viene assorbito da un
terminatore
Trasmissione
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Trasmissione si propaga su tutto il mezzo
tutte le stazioni ricevono il frame
Serve un meccanismo per individuare la
destinazione di un frame
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ogni stazione un indirizzo univoco
Serve un meccanismo per regolare la
trasmissione
evitare collisioni
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Esempio
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07. 9
Bilanciamento del segnale
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Il segnale deve essere sufficientemente forte
Essere ricevibile dalla destinazione
Ma non troppo forte
non superare la potenza del trasmettitore della
sorgente e la capacità di ricezione del ricevitore
È difficile soddisfare tutte le esigenze dei nodi
collegati al mezzo
In genere si divide la rete in piccoli segmenti
ogni segmento ha un amplificatore o un repeater
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Topologia ad albero
generalizzazione del bus
cavo con derivatori ma senza cicli
radice dell'albero detta dispositivo di testa (head end)
Topologia ad anello
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Nodi formano un ciclo
Uniti da collegamenti punto-punto
ogni nodo collegato ad un repeater
ogni repeater riceve i dati su un collegamento e li
trasmette su un altro
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collegamenti unidirezionali
unico percorso tra una coppia di nodi
il repeater immette o estrae dalla rete i frame diretti al
nodo collegato
ogni repeater ripristina il segnale
possibile coprire maggiori distanze
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Trasmissione
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il frame viaggia sul ciclo chiuso
ogni repeater lo riceve, lo ripristina e lo ritrasmette
il frame contiene l'indirizzo della destinazione
se il repeater riconosce l'indirizzo di destinazione lo
passa al nodo collegato
quando il frame ritorna alla sorgente viene
rimosso
il protocollo MAC stabilisce quando possono
essere immessi frame sulla rete
Esempio
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Repeater
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Ha il compito di ritrasmettere i dati lungo
l’anello
Può funzionare in entrambe le direzioni
Se riceve frame da entrambe le direzioni si verifica
una collisione (dati vengono persi)
Unisce due segmenti di cavo
Si occupa della rimozione dei frame spediti
In genere non effettua buffering né isola
logicamente segmenti di rete
Stati del repeater
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Listen
In ascolto di eventuali trame da prendere
Trasmit
Abilita il nodo a trasmettere
Bypass
Come se non ci fosse
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Funzione dello stato listen
Scandisce il flusso di bit alla ricerca di pattern
fissati
indirizzo del nodo collegato
token per poter trasmettere
copia i bit in ingresso e li passa al nodo
collegato
contemporaneamente li trasmette sul link in uscita
modifica i bit
es. per mandare l’ACK di ricezione
Funzione dello stato trasmit
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Se il nodo ha dei dati da trasmettere ed il
repeater ha il permesso di trasmettere
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riceve bit dal nodo e li trasmette sul link in uscita
Bit ricevuti durante la trasmissione
se appartengono allo stesso pacchetto che si sta
trasmettendo
la lunghezza dell’anello è inferiore alla lunghezza del frame
li ripassa al nodo che può controllarli come forma di
riscontro
se appartengono ad altri pacchetti
Alcune strategie di controllo ammettono più pacchetti sulla
rete
Deve bufferizzare quello in arrivo per trasmetterli dopo
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Funzioni dello stato bypass
I segnali vengono propagati senza nessun
ritardo
migliori prestazioni
se un repeater non funziona può essere isolato
dalla rete
il repeater non rigenera il segnale
Utile per “saltare” nodi non attivi
Topologia a stella
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Ogni nodo è connesso
direttamente ad un nodo
centrale
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utilizza due collegamenti puntopunto
uno per trasmettere e l'altro per
ricevere
doppino (100 m) o fibra ottica
(500 m)
il dispositivo centrale replica
un messaggio entrante su
tutte le porte in uscita
simula un bus logico
se due nodi trasmettono
contemporaneamente c'è una
collisione
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Hub e switch
Hub
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ritrasmette il segnale in ingresso su una porta su
tutte le altre porte
solo un computer alla volta può trasmettere
in una LAN a 10 Mbps la capacità totale è 10 Mbps
Switch (detto anche switched hub)
agisce come commutatore di frame
il frame in ingresso è instradato sulla porta collegata
alla destinazione
può utilizzare più linee in parallelo
capacità totale = 10 Mbps * numero di frame trasmessi
scala meglio
nessuna modifica all’hardware o al software dei nodi
ogni dispositivo ha risorse dedicate
Hub e switch
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Tipi di switch
Store and forward
Accetta l’input, lo bufferizza e poi lo spedisce
Tempo di elaborazione può essere significativo
Non genera collisioni
Cut through
Legge l’indirizzo della destinazione in testa la frame
Inizia a trasmettere non appena ha riconosciuto
l’indirizzo
Può generare collisioni e quindi danneggiare i
frame
Mezzi trasmissivi
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Sostanzialmente influenzano la velocità di trasmissione
Nomi: XXX Base YYY
XXX è la velocità in Mbps
YYY identifica il tipo di cavo
10Base-T, 100Base-T
10 Mbps, Cavo UTP (unshielded Twisted pair, doppino)
Molto diffuso, i cavi di categoria 5 supportano 100Mbps
10 Mbps, Cavo coasiale sottile
10 Mpbs, Cavo coassiale doppio
1000Mbps, Fibra ottica
10Base-2,
10Base-5
1000Base-F,
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MAC: Media Access Control
Occorre regolare l’accesso al mezzo trasmissivo
Solo un nodo alla volta può trasmettere
Due tecniche:
Centralizzata
Maggiore controllo, semplicità. Collo di bottiglia, singolo punto di
fallimento. Poco usata.
Distribuita
Ogni nodo ha una propria logica per gestire l’accesso. Deve
essere preparato a gestire eventuali collisioni. Molto diffusa.
Come effettuare il controllo?
Sincrono
ad ogni connessione viene allocata la disponibilità di certe risorse
la connessione può usare solo le sue risorse
accesso concesso a richiesta
Asincrono
Tecniche di accesso
1.
2.
3.
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Round robin
l'accesso viene concesso a turno ad ogni nodo
utile se molti nodi devono trasmettere grandi quantità di dati
per periodi di tempo lunghi
Prenotazione
il tempo di utilizzo del mezzo diviso in slot
i nodi prenotano gli slot in cui vogliono trasmettere
utile per traffico regolare (streamed)
Contesa
I nodi si contendono l'uso del mezzo
È possibile che nessuno si aggiudichi il mezzo
utile per traffico non regolare (bursty)
vantaggi
semplice da implementare in modo distribuito
efficiente in situazioni di scarso traffico
svantaggi
tende a collassare in situazioni di traffico intenso
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MAC e Ethernet
Cosa è Ethernet?
Sostanzialmente è un protocollo MAC
Fisicamente è un’interfaccia tra il computer ed il
mezzo trasmissivo
Regola l’utilizzo del mezzo trasmissivo
Tipi di Ethernet
Standard: velocità fino a 10 Mbps
Fast Ethernet: fino a 100 Mbps
Gigabit Ethernet: fino ad un 1 Gbps
Molti computer (soprattutto i portatili) oggi
vengono venduti con una scheda di rete
Ethernet (10/100Mbps)
Ethernet è il “tipo” di rete più usato
Storia di Ethernet
Lavorava su reti radio alla Xerox PARC
Progetto noto come AlohaNet (rete radio alle
Hawaii)
Lo schema di trasmissione era inefficiente; utilizzo
del mezzo era del 17-18%
Metcalfe sviluppò un metodo alternativo per
l’accesso al mezzo trasmissivo
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Il “papà” di Ethernet è Robert Metcalfe
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Utilizzo del mezzo del 90%
Il progetto fu chiamato Ethernet
Dal fatto che il mezzo trasmissivo era stato
chiamato “Ether” in un disegno di Metcalfe
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Ethernet: CSMA/CD
Per gestire l’accesso al mezzo trasmissivo
Ethernet usa
CSMA: Carrier Sense Multiple Access
CD: Collision Detection
CSMA
CD
I nodi che accedono al mezzo possono accorgersi
che ci sono trasmissioni (Carrier Sense)
L’accesso è permesso a tutti contemporaneamente
(Multiple Access)
Ovviamente possono esserci delle collisioni se due
nodi tentano di spedire dati contemporaneamente
La sovrapposizione di più di un segnale viene
avvertita (Collision Detection)
Ethernet
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Per trasmettere
Un nodo prima controlla lo stato del mezzo
Se il mezzo è libero, inizia la trasmissione
Altrimenti aspetta. Quando il mezzo diventa libero
trasmette
Se durante la trasmissione viene rilevata una
collisione
Si trasmette un breve segnale di disturbo per far sì
che tutti si accorgano della collisione
Si interrompe la trasmissione
Si attende un tempo casuale e quindi si riprova a
trasmettere
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Formato trame Ethernet
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6 byte
6 byte
DA
SA
1byte
46 -1500 byte
Len
DATI
4 byte
Pad
HEAD
FSD
7 byte
Ethernet
FCS
2 byte
HEAD: preambolo per la sincronizzazione
Sequenza di 0 1 alternati
FSD: delimitatore di inizio frame: 10101011
DA: Indirizzo del destinatario
SA: Indirizzo della sorgente (mittente)
Len: lunghezza in byte del campo DATI
DATI: il frame da spedire
Può essere sia il frame del livello superiore (LLC)
Oppure informazioni di controllo di Ethernet
Il Pad (riempimento) è usato per assicurare che il frame sia abbastanza
grande per una corretta rilevazione delle collisioni
FCS: Frame Checking Sequence, un codice di controllo ciclico
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Indirizzi Ethernet
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Ogni scheda di rete Ethernet ha un indirizzo
univoco
I costruttori di schede Ethernet hanno degli
insiemi di indirizzi che possono usare
6 byte, quindi 48 bit
00:C0:B0:02:15:75
Dovrebbero produrre schede con un indirizzo
univoco
Due schede Ethernet con lo stesso indirizzo
sulla stessa rete creano problemi
Bridge
Per collegare 2 o più LAN servono dispositivi
chiamati bridge o router
Bridge collega due reti identiche
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Cioè che usano lo stesso livello fisico e di linea
Il bridge non deve trasformare i dati
Router può collegare LAN eterogenee
Perché usare i bridge e non avere un’unica
LAN (con hub e switch)?
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Bridge
Affidabilità
La rete viene partizionata in sottoreti indipendenti
(un guasto in una rete non influenza le altre)
Prestazioni
Le prestazioni peggiorano all’ingrandirsi della rete
Sicurezza
Si può aumentare la sicurezza mantenendo traffici
di dati diversi (contabilità, gestione del personale,
strategie, etc.) separate
Geografia
È più semplice avere due LAN per coprire due aree
fisicamente separate, anziché una sola LAN che le
copra entrambe
Funzione di un bridge
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Un bridge che collega due reti A e B deve
Leggere tutte le trame trasmesse su A ed accettare quelle
con destinazione B
Trasmettere tali trame su B
Viceversa da B ad A
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Più reti
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Problema
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Se tutti i bridge copiano tutti i frame si creano
duplicati
I bridge devono essere abbastanza “intelligenti”
da decidere quali trame copiare e quali no
Instradamento fisso
Si decide un percorso fra ogni coppia di nodi
Solo i bridge sul percorso instradano le trame
Instradamento spanning tree
I bridge determinano automaticamente una tabella
di istradamento e la aggiornano
Basato su uno spanning tree (albero ricoprente)
Non ci sono cicli
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LAN senza fili
Stanno avendo grande diffusione
Motivazioni del successo
mobilità degli utenti
flessibilità del progetto della rete
possibile ridisegnare la rete senza sostituire cablaggio
ostacoli naturali, vincoli architettonici
superamento difficoltà logistiche
costi di installazione ridotti
In passato trascurate per ridotte prestazioni di
sistemi wireless
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banda di pochi kbps
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Wireless e wired
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Moduli di controllo (CM) che agiscono da interfaccia tra
la rete cablata e la rete wireless
governa l'accesso alla rete dei dispositivi wireless
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Wireless a più celle
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Collegamenti senza fili
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Collegamento tra edifici
Quando non è possibile stendere un cavo
In genere collegano router o bridge
Accesso mobile
fornisce l'accesso ad un hub da terminali mobili
es. computer portatili, palmari, cellulari
Portatili in un azienda
Rete di campus
esempi di utilizzo
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Riepilogo
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LAN e Ethernet
Varie topologie
Bus
Albero
Anello
Stella
Hub, Switch, Bridge e Router
Cenni a reti wireless
Riferimento: Stallings, Capitolo 13 (e Par. 14.1)
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