Terminologia adottata in ambito Comunicazioni tra Unità Centrali e Apparati Periferici utilizzati nella Automazione di impianto

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1 A2/ Pag. 1/129 Cliente: RICERCA DI SISTEMA Oggetto: Terminologia adottata in ambito Comunicazioni tra Unità Centrali e Apparati Periferici utilizzati nella Automazione di impianto Ordine: A1/ Note: COMUNICA/NEWTEC/2002/01 Senza l autorizzazione scritta del CESI questo documento può essere riprodotto solo integralmente N. pagine: 129 N. pagine fuori testo: 0 Data: giugno 02 Elaborato: FIA P.Colombo Verificato: FIA E. Ciapessoni / P.Colombo Approvato: FIA E. Ciapessoni CESI Via R. Rubattino 54 Capitale sociale Euro Registro Imprese di Milano Centro Elettrotecnico Milano - Italia interamente versato Sezione Ordinaria Sperimentale Italiano Telefono Codice fiscale e numero N. R.E.A Giacinto Motta SpA Fax iscrizione CCIAA P.I. IT

2 A2/ Pag. 2/129 STORIA DELLE REVISIONI Numero revisione Data Protocollo Lista dei paragrafi modificati 0 giugno 02 A2/ Prima Emissione Copyright 2002 by CESI. All rights reserved - Activity code 34057Z Keywords: 12035F 27030T 27040A 27110K

3 A2/ Pag. 3/129 Indice 1 INTRODUZIONE SCOPO APPLICABILITÀ RISULTATI SPECIFICHE TECNICHE TIPICHE IN AMBITO DELLA COMUNICAZIONE PER L AUTOMAZIONE SPECIFICA TECNICA N SPECIFICA TECNICA N SPECIFICA TECNICA N SEZIONI DI APPROFONDIMENTO REPEATER, BRIDGE, ROUTER, SWITCH, GATEWAY X.25 E FRAME RELAY TRASMISSIONE BILANCIATA E SBILANCIATA SIMPLEX, HALF-DUPLEX, FULL-DUPLEX GSM - DCS - PCS UNITÀ DI MISURA SINGLE CONTROL CHARACTER CONNETTORI RJ ISDN LINEE DEDICATE (LEASED) E XDSL STAR COUPLER MODBUS INTERFACCE SERIALI ETHERNET RETE PSTN, SEGNALAZIONE DTMF E A IMPULSI MODEM E COMANDI AT FORMATO DEL CARATTERE PPP, CHAP, IPCP ICMP (INTERNET CONTROL MESSAGE PROTOCOL) RPC (REMOTE PROCEDURE CALL) XDR (EXTERNAL DATA REFERENCE) QOS (QUALITY OF SERVICE) E IPTOS (IP TYPE OF SERVICE) BANDA TRASMISSIVA...128

4 A2/ Pag. 4/129 1 INTRODUZIONE L attività oggetto di questo rapporto si colloca nell ambito del progetto di Ricerca di Sistema COMUNICA/NEWTEC che, tra gli altri obiettivi, ha quello di analizzare le tecnologie di comunicazione utilizzate nell automazione per definire criteri di progettazione e valutazione nei diversi campi applicativi del settore elettrico. 1.1 Scopo L analisi di alcune Specifiche Tecniche per Richiesta di Offerta TIPICHE offre lo spunto per cercare di consolidare in modo chiaro e in formato accessibile anche ai non specialisti del settore Comunicazioni i termini entrati oramai nell uso corrente, spesso sotto forma di sigle, riferimenti a normative o prassi consolidate o a standard de facto. Sono termini che vengono usati comunemente dagli utenti della Comunicazione o con i quali questi ultimi frequentemente si trovano a confrontarsi, spesso avendone una idea solo approssimativa o comunque svincolata sia dal contesto di riferimento che delle necessità che ne hanno richiesto l introduzione. Questo lavoro si propone di illustrare brevemente alcuni concetti sia dal punto di vista del significato stretto che degli ambiti di applicazione, prelevandoli direttamente dalla rete e fornendo, oltre al sito di origine, alcuni link di approfondimento. La struttura adottata nel documento si presta infine ad un suo naturale ampliamento volto a fornire, per quanto la materia lo consenta, una visione sempre più ampia ed organica dell argomento in questione. 1.2 Applicabilità Le informazioni riportate rappresentano un sunto delle diverse disponibilità e descrizioni trovate ottenuto confrontando, integrando, adattando o addirittura riportando integralmente parti di articoli e sezioni o capitoli di testi, riviste o norme. È utile sottolineare come le informazioni relative ad ogni soggetto trattato disponibili in rete presentino spesso, a secondo della fonte indagata, contenuti e concetti differenti quando non contraddittori riflettendo non solo la vastità e la complessità della materia ma soprattutto la personalizzazione che di ogni dispositivo, tecnica o applicazione viene fatta al fine di renderla adatta alle esigenze e necessità contingenti, anche esulando a volte dalle prescrizioni delle Norme di riferimento. Questo lavoro ha cercato per quanto possibile di fornire informazioni di carattere generale, nel senso di condivisione dei contenuti da parte della maggior parte delle fonti, e in tale senso risulta applicabile. 1.3 Risultati Le Specifiche Tecniche per Richiesta di Offerta di riferimento sono riportate nel capitolo 2. In esse i soggetti della comunicazione vengono volutamente definiti in modo generico Unità/Sistema Centrale e Apparati Periferici/Locali. In tali Specifiche vengono segnalati in grassetto i termini o i concetti per i quali si è dedicata una Sezione di approfondimento nel capitolo 3. Tale Sezione viene segnalata con la sigla Sxx in apice al termine in grassetto. I termini ricorrenti vengono segnalati una sola volta. Di seguito è riportata infine una tavola riassuntiva volta ad inquadrare i vari argomenti trattati nelle Sezioni di approfondimento nell ambito dei livelli ISO/OSI di riferimento.

5 A2/ Pag. 5/129 livello ISO/OSI SEZIONE Contenuto 1= PHYSICAL 2=DATA LINK 3=NETWORK 4=TRANSPORT 5= SESSION 6=PRESENTATION 7=APPLICATION del capitolo 3 S1. REPEATER(a), BRIDGE(b), ROUTER(c), SWITCH(d), GATEWAY(e) (a) * (b)(d) * (c)(d) * (d) * (e) * (e) * (e) * S2. X.25(a) e FRAME RELAY(b) (a)(b) * (a)(b) * (a) * S3. TRASMISSIONE BILANCIATA e SBILANCIATA * S4. SIMPLEX, HALF-DUPLEX, FULL-DUPLEX * S5. GSM - DCS - PCS * (servizi portanti) * (servizi portanti) * (servizi portanti) * (teleservizi) * (teleservizi) * (teleservizi) * (teleservizi) S6. UNITÀ DI MISURA * S7. SINGLE CONTROL CHARACTER * S8. CONNETTORI RJ * S9. ISDN * (servizi portanti) * (servizi portanti) * (servizi portanti) * (teleservizi) * (teleservizi) * (teleservizi) * (teleservizi) S10. LINEE DEDICATE (Leased) e xdsl * S11. STAR COUPLER * * (retiming) S12. MODBUS * S13. INTERFACCE SERIALI * S14. ETHERNET * * S15. RETE PSTN, SEGNALAZIONE DTMF e a IMPULSI * S16. MODEM e COMANDI AT * * S17. FORMATO del CARATTERE * S18. PPP, CHAP, IPCP * S19. ICMP (Internet Control Message Protocol) * S20. RPC (Remote Procedure Call) * S21. XDR * S22. QoS (Quality of Service) e IPToS (IP type of Service) * * * * * * S23. BANDA TRASMISSIVA * *

6 A2/ Pag. 6/129 2 SPECIFICHE TECNICHE TIPICHE IN AMBITO DELLA COMUNICAZIONE PER L AUTOMAZIONE Nel seguito si riporta un estratto di 3 specifiche tecniche relative alla automazione di impianto nelle quali vengono evidenziati i paragrafi relativi alle prescrizioni concernenti la Comunicazione tra sistemi. 2.1 SPECIFICA TECNICA n.1 ARCHITETTURA Le funzioni centrali di elaborazione possono essere realizzate su una o più macchine che, pertanto, devono poter svolgere tutti i compiti: front-end verso il campo, elaborazione eventi, gestione della postazione operativa, etc. Deve essere possibile connettere tra loro più sistemi, attraverso i servizi di rete e di comunicazione previsti sia nel caso di reti locali (LAN) sia in quello di reti geografiche (Wide Area Network, in breve WAN). La comunicazione con sistemi e device esterni deve prevedere interfacce e protocolli standard che permettano: estensioni delle LAN per mezzo di bridge S 3.1 e router S 3.1 ; implementazione di reti geografiche WAN; connessioni punto-punto; connessioni a reti pubbliche a Commutazione di Pacchetto (X.25) S 3.2 e Frame Relays S 3.2 ; Gateway S 3.1 verso altre reti. Devono essere previsti moduli differenziati in base al tipo di vettore utilizzato che, a seconda dei casi potrà essere del tipo elencato: Rete telefonica commutata (PSTN S 3.15 ); Canali dedicati analogici a 4 fili (4W Leased S 3.10 ); Rete cellulare GSM S 3.5 e DCS 1800 S 3.5 ; Rete radio; Rete ISDN S 3.9. PROTOCOLLI DI COMUNICAZIONE VERSO GLI APPARATI PERIFERICI Per i protocolli di comunicazione tra Centro e Periferia bisogna fare riferimento al profilo specificato nella norma IEC [profilo articolato su tre livelli OSI: 7 (Application), 2 (Data-Link) e 1 (Physical)] per il Modo di trasmissione Sbilanciato S 3.3 e nel rispetto delle seguenti precisazioni/modifiche/integrazioni: Livello 1: vettori utilizzati: PSTN, 4W Leased, GSM, DCS 1800, Radio, ISDN (canale B S 3.9 ); tipo di trasmissione: asincrona S 3.13 (carattere di 11 bit S 3.17 ) con caratteri consecutivi; modo operativo: half-duplex S 3.4 ; velocità di trasmissione: - max. 9600bps S 3.6 su GSM e DCS 1800 con modalità di trasmissione Non Trasparente S 3.5 e riduzione automatica S 3.16 (o configurabile localmente S 3.16 ) della velocità in funzione delle caratteristiche della linea;

7 A2/ Pag. 7/129 - max. 9600bps su PSTN, 4W Leased e Radio, con riduzione automatica (o configurabile localmente) della velocità in funzione delle caratteristiche della linea; - max. 9600bps su ISDN con modalità di trasmissione digitale o analogica (priorità alla digitale quando possibile) e con riduzione automatica (o configurabile localmente) della velocità in funzione delle caratteristiche della linea; circuiti di interscambio: riferirsi orientativamente al sottoinsieme ITU-T V.24/V.28 S 3.13 previsto nella norma con possibilità di modifiche tenendo presente sia quanto detto sia che: - nel caso di reti ISDN, PSTN, GSM e DCS 1800, i DCE lato Periferia devono supportare la Chiamata automatica indirizzata S 3.16 e la Risposta automatica S 3.16 (fare riferimento a ITU-T V.25bis S 3.16 ); - nel caso di reti ISDN, PSTN, GSM e DCS 1800 dovrà essere previsto un meccanismo di ripristino del collegamento (con relativi time-out) nel caso di caduta accidentale della linea; - sarà sempre compito dell Unità Centrale quello di chiudere la connessione fisica con l Apparato Periferico; - un DCE di Unità Centrale, attestato su un certo vettore, deve essere in grado di collegarsi con DCE di Apparati Periferici attestati anche su vettori diversi; - dovranno essere individuate e concordate le caratteristiche (standard di trasmissione della serie V) dei DCE utilizzati; - è opportuno prevedere la configurabilità locale dei circuiti di interscambio lato Centrale in funzione di quelli dei DCE utilizzati; connettore: i circuiti di interscambio lato Centrale, oltre ad essere posizionati in modo da consentire l impiego di DCE su scheda, devono essere disponibili anche su connettori ISO 2110, tipo D a 25 poli maschio, accessibili dall esterno. Livello 2: l Unità Centrale avrà il ruolo di Master e l Apparato Periferico quello di Slave ; il campo indirizzi deve essere composto da 2 ottetti (indirizzo di Apparato Periferico configurabile localmente); il Single control character S 3.7 non deve essere usato; nel caso che i DCE/GSM e DCE/DCS non consentano di scambiare caratteri composti da 11 bit nella modalità di trasmissione dati non trasparente, il bit di Parità S 3.13 di ciascun carattere potrà essere omesso se il servizio garantisce un proprio meccanismo di correzione d errore; nel caso di chiamata spontanea di liv. 1 da parte di un Apparato Periferico, occorre individuare la procedura adeguata, su iniziativa del Master, per il riconoscimento dell interlocutore Slave e quindi l avviamento dello scambio; i Time-out previsti nello standard sono validi dall istante di validazione della connessione fisica (liv. 1). Livello 7: il protocollo applicativo deve essere realizzato secondo le indicazioni contenute nella norma; il sottoinsieme di messaggi prescelto, selezionato dall insieme offerto dalla norma, dovrà supportare l espletamento delle attività applicative esposte nel paragrafo seguente; tra processo applicativo e protocollo applicativo del DTE lato Centrale dovrà essere previsto uno strato API (Application Program Interface).

8 A2/ Pag. 8/ SPECIFICA TECNICA n.2 Programmazione e configurazione locale Le operazioni di diagnostica, di programmazione e di configurazione locali degli Apparati Periferici saranno effettuate per mezzo di una porta seriale ITU-T V.24 S 3.13 con connettore a vaschetta a 9 poli dorati tipo femmina disposto in posizione frontale facilmente accessibile. A tale scopo deve essere fornito un opportuno programma, adatto ad essere eseguito su un PC portatile dotato di S.O. Windows 95 (e successivi), che consenta di colloquiare con l Apparato Periferico, attraverso la porta locale di configurazione. Modem S 3.16 per rete telefonica commutata e per linee dedicate a 4 fili L ingresso linea telefonica deve essere protetto con scaricatori da 50 A e terminato su un connettore RJ11 S 3.8. Il modem deve sostenere le modalità di funzionamento previste dal protocollo adottato (modalità di funzionamento asincrono 8 bit con parità) e rispondere almeno ai requisiti richiesti dagli standard ITU-T V.22, V.22 bis e V.23 S 3.16 Half Duplex S 3.4 con riduzione automatica della velocità al variare delle caratteristiche della linea. Il modem deve essere dotato di ripetizione acustica del segnale di linea S Sono ammesse soluzioni costruttive che prevedono il modem inserito in uno slot del DTE, purché sia comunque assicurata la possibilità di connessione tra DTE e altri tipi di modem tramite V.24/V.28. Modulo GSM/DCS Il modulo deve assicurare la comunicazione con l Unità Centrale utilizzando le reti GSM a 900 MHz e/o DCS a 1800 MHz di qualsiasi operatore presente sul mercato italiano, utilizzando la modalità dati non trasparente e autobauding S L apparato deve appartenere alla classe 4 (2 W di potenza di picco in emissione) ed essere dotato di antenna esterna e dotata di un cavo di almeno 5 m di lunghezza. Deve interfacciarsi con il DTE attraverso una interfaccia V.24/V.28 standard. Radiomodem Il radiomodem deve assicurare la trasmissione su vettore radio secondo canalizzazioni e modalità definite in apposito documento. Deve essere in ogni caso assicurata l intercambiabilità del radiomodem con i modem per rete dedicata o commutata di cui ai paragrafi precedenti, mediante l adozione di interfaccia standard V.24/V.28.

9 A2/ Pag. 9/ SPECIFICA TECNICA n.3 FUNZIONI AUSILIARIE Comunicazione La comunicazione tra Sistema Centrale e Apparato Locale fa uso dei seguenti tipi di vettore: Linee dedicate a 2 o 4 fili (2W o 4W Leased S 3.10 ), per i collegamenti base; Rete telefonica commutata (PSTN), per i collegamenti di back-up; Rete ISDN. Per i protocolli di comunicazione si farà riferimento a profili di standard della suite STD-1 (RFC2700) di Internet. ARCHITETTURA L Apparato Locale deve essere composto dai seguenti blocchi funzionali distinti: 1) Modulo di teleoperazioni per l acquisizione dei segnali e delle misure, l inoltro dei comandi e l interfacciamento con il campo; 2) Modulo di elaborazione per la elaborazione delle informazioni sintetiche da inviare al Sistema Centrale e per la realizzazione di funzioni di automazione locale; 3) DTE, per tutte le funzioni relative alla comunicazione; 4) Modulo di gestione dei dispositivi di campo che comunicano attraverso interfacce seriali. I moduli sopra elencati devono essere collegati tra loro mediante bus o rete LAN di tipo standard. In ogni caso, in opzione dovrà essere prevista una porta Ethernet S 3.14 per l eventuale collegamento con reti WAN. Il modulo opzionale di gestione delle comunicazioni attraverso interfacce seriali è costituito da una scheda di comunicazione con protocollo IEC Tale modulo deve prevedere almeno 4 porte ottiche S 3.11 (ciascuna connessione è costituita da 2 fibre ottiche multimodali in vetro, 820 nm, 62,5/125mm, intestate con connettori di tipo ST S 3.14 ). Per realizzare la molteplicità delle porte è consentito l utilizzo di Star Coupler S 3.11 RS485/f.o. L Apparato Locale deve essere inoltre dotato di due porte seriali (RS485) S 3.13 per lo scambio dati mediante protocollo MODBUS S 3.12 con velocità almeno pari a bps. Deve essere possibile programmare per tali porte lo scambio dati sia in formato ASCII S 3.12 che in formato RTU S Modem (DCE) L Apparato Locale si connetterà alle reti trasmissive previste mediante i seguenti modem: Rete PSTN o 2W Leased: modem V.32 S 3.16 (con fallback S 3.16, chiamata e risposta automatica, segnalazione DTMF S 3.15 e a Impulsi S 3.15, comandi AT V.25ter S 3.16, V.42 S 3.16, V.42bis S 3.16 ); Rete 4W Leased: modem V.29 S 3.16 (con fallback, comandi AT V.25ter). Interfaccia fisica DTE-DCE Ciascuna interfaccia fisica DTE-DCE (delle due previste in ciascun DTE) deve avere le seguenti caratteristiche: Tipo: ITU-T V.24/V.28.

10 A2/ Pag. 10/129 Connettore: i circuiti di interscambio del DTE, oltre ad essere predisposti in modo da consentire l impiego di DCE su scheda, devono essere anche disponibili su connettori ISO 2110, tipo D a 25 poli maschio, accessibili dall esterno. Velocità scambio DTE DCE: da 9600bps fino a bps. Formato dati: caratteri asincroni 8N1 S 3.17 (1 bit di start, 8 bit di dati, nessuna parità, 1bit di stop). Gestione DCE: mediante comandi AT V.25ter. Protocolli di comunicazione Per i protocolli di comunicazione bisogna fare riferimento al seguente profilo di standard estratto dalla suite STD-1 (RFC2700) di internet: Protocolli di Data-Link: - PPP S 3.18 (RFC1661 e RFC1662, nel formato per trasmissione asincrona), - CHAP S 3.18 (RFC1994, utilizzante MD5), - LCP S 3.18 (RFC2484) ed altre RFC collegate. Protocolli di Rete: - IP (RFC791), - ICMP S 3.19 (RFC792) ed altre RFC collegate. Protocolli di Trasporto: - TCP (RFC793), - UDP (RFC768). Protocolli Applicativi e di Servizio: - RPC S XDR S 3.21 (RFC1831 e RFC1832), per applicazioni di Telecontrollo; - NTP (RFC1119), per la sincronizzazione temporale; - FTP (RFC959), per trasferimento file (download, upload); - DHCP S 3.18 (RFC2131) per l amministrazione dinamica degli indirizzi IP; - Telnet (RFC435), o equivalente, per la funzione di terminale virtuale ; - SNMP + MIB-II (RFC1157 e RFC1213), per applicazioni di Gestione della Comunicazione (Network Management). Priorità dei messaggi applicativi Tenuto conto che le attuali implementazioni di TCP/IP non consentono di gestire la priorità dei messaggi inoltrati, il costruttore dovrà fornire una proposta di risoluzione di questo problema per garantire tempi di inoltro particolarmente rapidi per le informazioni di Telecontrollo più critiche (es.: comandi, notifica di eventi), anche in considerazione della necessità operativa di 4 livelli di priorità S Integrità dei messaggi applicativi di Telecontrollo Per quanto concerne l integrità dei messaggi applicativi di Telecontrollo devono essere curati i seguenti aspetti: Lunghezza dei messaggi: il protocollo RPC già prevede il controllo della lunghezza dei messaggi trasferiti (Record Marking S 3.20 ). Duplicazione dei messaggi: deve essere prevista, a livello utente, la numerazione dei messaggi (da parte del Sistema Centrale per le interrogazioni e comandi, da parte dell Apparato Locale per le spontanee) per permettere al processo applicativo di effettuare un ulteriore controllo sulla sequenza dei messaggi scambiati.

11 A2/ Pag. 11/129 Autenticazione e Sicurezza Devono essere previsti vari livelli di autenticazione degli accessi all Apparato Locale che permettano di ottenere un elevato grado di sicurezza rispetto agli accessi indesiderati. Connessione TPC/IP L attivazione del data link PPP è protetta dal protocollo di autenticazione CHAP. Autenticazione Servizi RPC L accesso ai servizi offerti dal protocollo RPC è regolamentato dalle procedure di autenticazione accessi e crittografia S 3.20 dei dati secondo quanto descritto nelle specifiche del protocollo stesso (RFC 2695). Autenticazione Servizi FTP FTP, oltre ad essere protetto dalla consueta procedura di username e password, deve essere configurato per permettere l accesso controllato all Apparato Locale. A tale scopo devono essere riservate alcune aree in sola lettura (per il download di files da parte del Sistema Centrale) e altre in sola scrittura (per l upload). Integrità dei dati Il protocollo RPC, inteso nella sua globalità ovvero dal trasporto TCP/IP alle funzioni applicative rese disponibili all utente, effettua il controllo sulla corretta lunghezza dei messaggi scambiati ed evita la perdita o la duplicazione dei messaggi. A livello utente deve comunque essere prevista la numerazione dei messaggi (da parte del Sistema Centrale per le interrogazioni, da parte dell Apparato Locale per le spontanee) che permette di effettuare un ulteriore controllo applicativo sulla sequenza dei messaggi scambiati. È inoltre disponibile la procedura tipo select before operate per l inoltro dei comandi. ARCHITETTURA DI COMUNICAZIONE Servizi di Telecontrollo Per quanto concerne le problematiche di comunicazione proprie dell Apparato Locale visto all interno di una architettura di elaborazione distribuita del Telecontrollo viene adottato il protocollo RPC. Il servizio RPC permette di definire e documentare, con appositi tool, l interfaccia tra il client ed il server, si occupa della conversione dei dati in un formato indipendente dall architettura HW e SW della macchina mediante XDR ed infine, svincola l utilizzatore dalle problematiche di connessione o topologiche della rete di comunicazione. Per risolvere particolari esigenze funzionali, sono anche disponibili la modalità asincrona ed il meccanismo delle callback S 3.20, S Ad integrazione delle garanzie di affidabilità proprie del TCP, RPC rende disponibile una completa procedura di autenticazione degli accessi e di crittografia dei dati. Ciò non toglie che a livello applicativo possano essere implementati altri criteri di controllo orientati alla verifica dell integrità dei dati scambiati, quali l identificazione e numerazione dei messaggi e quanto altro ritenuto oggettivamente necessario. Trasferimento Dati Per il trasferimento dei file dati, siano essi dati propri dell applicazione o aggiornamenti software, si utilizza il protocollo FTP direttamente da applicativo o mediante comuni browser. L impiego di tale protocollo deve essere regolamentato secondo quanto descritto nella specifica IP-TOS S 3.22 per

12 A2/ Pag. 12/129 garantire al normale traffico RPC una banda S 3.23 comunque sufficiente per assicurare tempi di risposta adeguati all applicazione di Telecontrollo. Tempi di Aggiornamento L attuale implementazione del protocollo TCP/IP non consente esplicitamente di agire sulle priorità di inoltro dei messaggi sulla rete. È necessario comunque garantire tempi di risposta certi per quanto concerne l applicazione di telecontrollo (ricezione eventi, inoltro comandi). L unico traffico rilevante per l occupazione della rete è rappresentato dal trasferimento dei files (FTP): con lo scopo di ridurre l impegno della linea, i files possono essere trasferiti in formato compresso (ZIP) e segmentati con la dimensione minima di frame.

13 A2/ Pag. 13/129 3 SEZIONI DI APPROFONDIMENTO Nelle Sezioni di questo capitolo vengono approfondite le tematiche evidenziate nelle specifiche tecniche riportate nel capitolo REPEATER, BRIDGE, ROUTER, SWITCH, GATEWAY Il collegamento delle reti necessita di apposito hardware e software. Tra i dispositivi necessari si ricordano in particolare i seguenti: Repeater: [1, 3] effettuano una connessione al solo livello fisico ed in pratica si limitano a ripetere il segnale per evitare che diventi troppo debole a causa dell attenuazione prodotta dai mezzi trasmissivi (livello 1 OSI). Un repeater dotato di più di due porte (multiport repeater) è detto anche HUB e permette di realizzare la classica topologia a stella. Anche l HUB, lavorando come un repeater, si colloca al livello 1 della pila OSI. Questi dispositivi si limitano a accettare una frame alla volta e a distribuirla su tutte le porte attive eccetto quella che ha ricevuto la frame. Bridge: [1, 4] effettuano una connessione al livello data link e non hanno un indirizzo di rete. Il bridge è un apparato che si occupa connettere due segmenti di rete. In pratica rigenera il segnale come un repeater ma inoltre si occupa di filtrare il traffico tra i due segmenti non propagando sul segmento opposto quello che non è destinato a host che si trovano su quel segmento. Per fare questo il bridge tiene traccia degli indirizzi MAC e del segmento a cui appartiene ognuno degli indirizzi. Il bridge quindi interpreta informazioni di livello 2 e per questo motivo viene collocato a questo livello della pila OSI. Un bridge con più di due porte viene detto switch (multiport bridge). Lo switch è diventato ormai uno degli elementi fondamentali delle reti locali moderne basate su Ethernet. Questo perchè lo switch lavora normalmente in hardware e rende molto veloce il processo di commutazione delle trame. Lo switch permette di realizzare la classica topologia a stella (o stella estesa) delle reti Ethernet. Lo switch come il bridge si avvale di informazioni di livello 2 e per questo motivo viene collocato a questo livello della pila OSI. Tali dispositivi sono provvisti di: - buffer di I/O che isolano la porta dal traffico che altre porte nello stesso momento stanno ricevendo o trasmettendo; - percorsi interni multipli che consentono a diverse frame di essere trasferite contemporaneamente su porte diverse. Router: [2, 3] serve a connettere reti che utilizzano lo stesso protocollo a livello 3 della pila OSI (livello 2 del TCP/IP), ad esempio il protocollo IP, e provvede ad instradare i messaggi in modo che vengano inviati alla rete appropriata; i protocolli dei livelli inferiori possono essere diversi, ad esempio Ethernet e X.25. I router hanno un loro indirizzo di rete; essi usano dei particolari protocolli, spesso assai sofisticati, per scambiarsi le informazioni sulla topologia della rete, sulle connessioni utilizzabili, su quelle più vantaggiose, al fine di poter determinare dove instradare i

14 A2/ Pag. 14/129 dati per raggiungere una certa destinazione; i router permettono inoltre la gestione di abilitazioni o limitazioni di traffico per particolari utenti. Allo stesso livello 3 della pila OSI appartengono gli Switch di livello 3. Si tratta di apparecchi di recente introduzione che, in pratica, effettuano in hardware (come i tradizionali switch di livello 2) molte delle operazioni che i router effettuano in software. Tali dispositivi permettono di raggiungere prestazioni elevate a basso costo anche se per ora non consentono una gestione sofisticata come quella dei router. Un interessante uso degli switch L3 è quello di acceleratori di router: in questo impiego lo switch non sostituisce il router ma divide in due segmenti la LAN cui il router è collegato; in un segmento c è solo il router, nell altro tutte le stazioni della LAN; in questo modo al router arriveranno solo i pacchetti a lui destinati, cioè quelli che devono essere inoltrati fuori dalla LAN, sollevandolo dall incombenza di analizzare tutti i pacchetti che circolano sulla LAN. Switch di livello 4: [3] recentemente introdotto da alcune case, come Cabletron; si tratta di switch che effettuano in hardware operazioni a livello 4 della pila OSI, e quindi - in base alle porte TCP utilizzate - sono in grado di identificare le applicazioni che stanno facendo uso della connessione di rete e quindi di gestire il traffico in base a queste informazioni, ad esempio assegnano ad alcune applicazioni una priorità maggiore rispetto ad altre. Gateway (router multiprotocollo): [2, 3, 4] si colloca ai livelli 5, 6, 7 OSI e serve a connettere reti che usano protocolli diversi. E normalmente più complesso di un router e, dal momento che una rete può usare più protocolli nei diversi strati, è possibile che il gateway provveda a interfacciare solo i protocolli relativi a particolari servizi. Da notare che spesso si usa il termine gateway anche per indicare software che effettuano in tempo reale traduzioni di protocollo o formato tra programmi diversi, e non solo tra reti diverse; inoltre talvolta, soprattutto in ambito TCP/IP, può essere che il termine gateway venga usato per comprendere anche i router. Riferimenti: [1] Roberto Fabbri - Local Area Networks NetworkingItalia. [2] Silvio Umberto Zanzi - ISO OSI: a ognuno il suo (19/03/01) Network World On Line. [3] Beppe Pavoletti I concetti fondamentali di Internet Regione Liguria. [4] Luca Fini - "CHIEDI all'esperto" - Vialattea.net.

15 A2/ Pag. 15/ X.25 e FRAME RELAY X.25 [1, 4] La tecnologia a commutazione di pacchetto X.25 è stata la prima ad essere introdotta ed è ormai disponibile da più di 20 anni. Lo standard X.25 è stato impiegato con successo per realizzare reti geografiche (WAN) sia pubbliche (ad esempio, in Italia, Itapac) che private. Lo standard definisce l interfaccia tra un DTE- X.25 (ad esempio un calcolatore o un router) e un DCE-X.25 (ad esempio, un modem). Le reti X.25 forniscono servizi di tipo connesso e le connessioni sono dette circuiti virtuali (VC - Virtual Circuit). La rete è realizzata con dei commutatori di pacchetto (PSE: Packet Switching Exchange) cui sono connessi i DCE secondo lo schema generale mostrato in figura. D T E D C E D C E D T E D T E c h ia m a n te PSE PSE Rete X.25 PSE PSE PSE D T E D C E D C E D T E D T E c h ia m a to Il termine Rete X.25 rimane in parte non corretto dal momento che lo standard, come detto, non specifica come deve essere organizzata la rete all interno, ad es. con quali criteri si instradano i messaggi tra i PSE. X.25 prevede sia circuiti virtuali permanenti (PVC: Permanent Virtual Circuit corrispondenti ai CDA o Canali Diretti Analogici), sia circuiti virtuali dinamici (SVC: Switched Virtual Circuit). Il circuito virtuale è un servizio che consiste nell emulazione di un circuito fisico tra 2 DTE. Esso consente lo svolgersi di comunicazioni tra due punti terminali definiti attraverso un numero qualunque di nodi intermedi. Tali nodi non devono per forza essere una porzione dedicata della rete: il circuito non è un collegamento fisico di dati ma è ampiezza di banda che può essere assegnata a richiesta. Una rete a circuito virtuale garantisce la consegna in sequenza dei pacchetti, l assenza di perdite (la rete realizza degli algoritmi interni che provvedono a eventuali ritrasmissioni) e di duplicazioni. Il protocollo X.25 contiene inoltre diversi algoritmi di correzione degli errori poiché fu originariamente implementato attraverso linee PSTN, fortemente soggette a rumore e disturbi vari. Esistono infine dei meccanismi di controllo di flusso all interfaccia utente/rete che servono a rallentare il flusso in caso sia riscontrato il pericolo di congestione. Non c è bisogno che ogni pacchetto rechi l indirizzo completo del destinatario poiché una volta immesso in un circuito virtuale il pacchetto non può arrivare che all altro estremo del circuito stesso. Al suo posto il pacchetto porta un numero (solitamente di 12 bit) che identifica il circuito virtuale. Come conseguenza di ciò, in una rete a circuito virtuale si ha un overhead minore che in una a datagramma, in cui ogni indirizzo occupa uno spazio maggiore (32 bit in ARPANET/Internet). Come contropartita di quanto visto occorre, per ogni coppia di interlocutori, definire preventivamente un circuito virtuale. Questa definizione può avvenire:

16 A2/ Pag. 16/129 a) su base chiamata, ossia in modo interattivo mediante segnalazione fra l utente chiamante e la rete. In tal caso si ha il servizio di Chiamata Virtuale (VC). b) su base contrattuale, ossia facendosi assegnare dal gestore un circuito virtuale fisso fra due punti. In tal caso si ha il servizio di Circuito Virtuale Permanente (PVC). I PVC sono adatti a chi ha necessità di connettersi frequentemente e per lunghi periodi di tempo con un corrispondente fisso, mentre gli SVC sono adatti a chi deve comunicare con diversi corrispondenti. Non tutti gli apparati dati, soprattutto all epoca in cui vennero introdotte le prime reti pubbliche, sono in grado di gestire la complessità dell interfaccia X.25. In particolare i semplici terminali asincroni a carattere tipo TTY (TeleTYpewriter: opzione, in programmi di comunicazione, per l emulazione di una telescrivente. In particolare, tale opzione setta il programma per funzionare in formato solo testo), terminali video asincroni, PC con interfaccia asincrona, ecc. non possono collegarsi alla rete, che oltre alle capacità elaborative e di memoria richiede trasmissione sincrona sulla linea d utente. Per dare servizio a questi terminali occorre convertire il flusso da essi generato in e da pacchetti X.25, per poi inoltrarlo su un circuito virtuale. Questa funzionalità, definita PAD (Packet Assembly/Disassembly) è stata considerata di primaria importanza ed è stata standardizzata in modo da poter essere conglobata dalla rete. Con PAD si indica anche il dispositivo hardware e software che svolge la funzione. In pratica le reti pubbliche a pacchetto oltre che ai DTE a pacchetto offrono accesso, su porte speciali, anche a DTE asincroni. La standardizzazione è costituita da tre Raccomandazioni (X.3, X.28, X.29) che specificano rispettivamente: X.3: Caratteristiche del dispositivo PAD di una rete pubblica; X.28: Interfaccia fra DTE a caratteri e PAD; X.29: Procedure di controllo fra PAD e DTE a pacchetto. Il vantaggio principale di X.25 è il suo elevato grado di standardizzazione a livello internazionale, il suo limite più spiccato è il basso throughput che si può ottenere, che rende X.25 non troppo idoneo all internetworking. Per superare i limiti prestazionali di X.25 sono stati sviluppati altri standard tra i quali il Frame Relay. Lo standard X.25 tratta i primi tre livelli del modello di riferimento OSI. Network layer X.25 Packet Level Protocol (PLP) Data Link layer Link Access Procedure Balanced (LAPB) Physical layer es. X.21, RS-232, RS-422/449 Livello Fisico A livello Fisico le reti X.25 usano linee sincrone punto-punto, con l unica eccezione della variante X.32 che impiega linee commutate. La velocità delle linee che collegano i DTE varia tipicamente tra 1200 bps e 64 kbps. L interfaccia di utente è RS-232 per i collegamenti sino a bps e V.35 per i collegamenti a velocità maggiore o uguale a 64 kbps. Livello Data Link A livello Data Link X.25 adotta il protocollo LAPB (Link Access Procedure Balanced) definito dallo standard ISO 7776 e di derivazione SDLC/HDLC. La connessione viene gestita in ABM (Asynchronous Balanced Mode), cioè in modo full-duplex connesso, con correzione di eventuali errori di trasmissione a livello 2, su ogni tratta.

17 A2/ Pag. 17/129 Livello Network Il livello 3 di X.25 è conforme allo standard ISO 8208 e definisce le procedure per la formazione dei circuiti virtuali (pacchetti di segnalazione) e per il corretto trasferimento dei dati d utente (pacchetti di trasferimento dati). Il pacchetto di livello 3 è imbustato nel campo dati del pacchetto LAPB. X.25 DATA PACKET Flag (1byt e) Addre ss Field (1byte) Contr ol Field (1byte) General Format Identifier (4byte) Logical Group Number (4byte) Logical Channel Number (4byte) Packet Type ID (1byte) Data Field ( byte) Frame Check Sequence (2byte) Flag (1byt e) Il pacchetto X.25 è contenuto in un frame. Il formato di quest ultimo è quello tipico del protocollo HDLC e comprende: - due caratteri flag che corrispondono alla cifra binaria e che marcano univocamente l inizio e la fine di un frame, oppure la separazione tra due frame successive; - un campo Address residuo di vecchie procedure ed in pratica inutilizzato; - un campo Control che serve a gestire il flusso delle frame tra rete ed utente (soprattutto a chiedere ritrasmissioni e ad esercitare il controllo di flusso); - un campo FCS (Frame Check Sequence) basato su un codice a ridondanza ciclica (CRC - Cyclic Redundancy Check: [3] una particolare operazione matematica usata per verificare la correttezza del contenuto di una trama informativa trasmessa su rete. L operazione viene seguita su tutti i bit contenuti nella trama, contando tutti gli 1 e ricavando un valore esadecimale che viene aggiunto in coda alla trama così da poter essere verificato all altro estremo, dove il ricevente eseguirà lo stesso tipo di operazione e dovrà ottenere il medesimo risultato. Il valore aggiunto in coda alla trama prende il nome di FCS) e che serve al ricevitore per controllare che non vi siano stati errori di trasmissione. - il pacchetto X.25 composto da: a) un header contenente tre campi principali: - GFI (General Format Identifier), di 4 bit, che discrimina tra le classi principali di pacchetto; - LCI (Logical Channel Identifier), di 8-12 bit, che contiene il numero del gruppo (LGN) e del canale (LCN - circuito virtuale) su cui è trasmesso il pacchetto; - PTI (Packet Type Identifier), di 8 bit, che identifica i vari tipi di pacchetto X.25: Pacchetto Significato Pacchetto Significato CAR richiesta di chiamata INC chiamata entrante CON chiamata completata CAC chiamata accettata CLR richiesta di svincolo CLI indicazione di svincolo CLC conferma svincolo D dati INT interrupt INTC conferma di interrupt RR pronto a ricevere RNR non pronto a ricevere RES richiesta di reset REI indicazione di reset REC conferma di reset RTR richiesta di restart RTI indicazione di restart RTC conferma di restart

18 A2/ Pag. 18/129 b) un campo dati utili. Il pacchetto può essere di tipo DATI o di tipo CONTROLLO. In quest ultimo caso il campo dati utili è assente. I circuiti virtuali sono identificati tramite il LCI che, nel caso degli SVC, è assegnato dinamicamente a partire dall indirizzo di DTE, mentre nel caso dei PVC è assegnato permanentemente dal gestore della rete. Un esempio di comunicazione è il seguente: Durante la formazione del collegamento un DTE invia alla Rete un pacchetto CAR (Call Request) contenente l indirizzo del DTE chiamato (questo è l unico pacchetto a contenere l indirizzo completo del chiamato). La Rete invia al DTE chiamato un pacchetto INC (Incoming Call) per notificargli la richiesta di creazione di un SVC da parte del DTE chiamante. Il DTE chiamato può rifiutare la chiamata inviando alla Rete un pacchetto CLR (Clear Request) oppure accettarla inviando un pacchetto CAC (Call Accepted). In questo secondo caso la Rete conferma al DTE chiamante l avvenuta connessione tramite un pacchetto CON (Call Connected). A questo punto inizia la fase di scambio dati che può avvenire contemporaneamente nei due sensi ed utilizza pacchetti di tipo D (Data). Se si verificano problemi durante tale fase uno dei due DTE può chiedere il reset del collegamento inviando il pacchetto RES (Reset Request). Terminata la fase di scambio dati, si ha l abbattimento del collegamento. Il DTE che vuole chiudere il collegamento invia un pacchetto CLR alla Rete che risponde immediatamente con un pacchetto CLC (Clear Confirm) e invia al DTE remoto un pacchetto CLI (Clear Indication). Il DTE remoto risponde alla Rete con CLC. Indirizzamento Gli indirizzi nelle reti X.25 servono ad attivare gli SVC. Essi sono detti indirizzi di DTE e sono conformi allo standard CCITT X.121. Tale standard propone uno schema di indirizzamento universale per mezzo del quale un DTE può essere individuato tramite un indirizzo internazionale detto IDN (International Data Number). L IDN è composto da due parti: - DNIC (Data Network Identification Code) che si suddivide ulteriormente in: - Country che identifica la nazione, - PSN (Packet Switched Network) che identifica la rete all interno della nazione; - NTN (Network Terminal Number) che identifica il DTE all interno della rete. A livello nazionale in Itapac ogni utente è identificato da un NUA (Network User Address) che è un numero di 8 cifre: - la prima cifra è sempre 2 e corrisponde alla PSN Itapac; - le seguenti 1, 2 o 3 cifre sono il prefisso teleselettivo del distretto telefonico, privato dello zero iniziale; - le rimanenti cifre identificano l utente. Il campo CUD e il supporto multiprotocollo Il campo CUD (Call User Data) è presente nei pacchetti CAR (CAll Request) che servono per attivare uno SVC. Tale campo è utilizzato per permettere a X.25 di fornire un supporto multiprotocollo. Infatti, anche se X.25 ha un suo livello 3, questo viene normalmente ignorato dalle architetture di rete, che considerano i circuiti virtuali X.25 come collegamenti di livello 2 e quindi non rinunciano al loro livello 3.

19 A2/ Pag. 19/129 Questo implica che quando, ad esempio, un pacchetto TCP/IP transita su una rete X.25 esso abbia due buste di livello 3: quella di IP e quella di X.25. In fase di creazione dello SVC si utilizza il campo CUD per identificare a quale architettura di rete appartengono i dati di livello 3 che transitano sullo SVC. FRAME RELAY [1] Frame Relay è uno standard che ha delle similitudini con X.25, essendo uno standard di interfaccia DCE-DTE che permette di far convivere diversi circuiti virtuali su una singola linea trasmissiva. Tuttavia le differenze sono altrettanto importanti: - Frame Relay è uno standard puramente di livello 2 e quindi differisce da X.25 che ha un suo livello 3; - Frame Relay è uno standard pensato per linee trasmissive veloci ed affidabili e quindi non corregge gli errori su ogni tratta trasmissiva come avviene in X.25. Frame Relay, originalmente definito per ISDN, è uno standard appositamente progettato per interconnettere router e bridge remoti in modo efficiente, con prestazioni nettamente superiori a quelle di X.25. Analizzando l architettura di una rete Frame Relay si evidenzia come la stessa sia un mezzo per creare circuiti virtuali tra DTE. I circuiti virtuali sono permanenti, cioè creati dal gestore della rete, anche se esistono proposte per avere in futuro la possibilità di creare circuiti virtuali temporanei. Il livello Data Link di Frame Relay Lo standard Q.922, che specifica il data link layer protocol and frame mode bearer services, si basa sullo standard CCITT Q.921 LAPD (Link Access Procedure on the D-channel) e lo estende, formando il LAPF (Link Access Procedure to Frame mode bearer services). Il LAPF utilizza il flag, come in HDLC, per marcare l inizio e la fine delle trame e adotta l algoritmo di bit stuffing 1 per garantire la trasparenza della trasmissione. Il protocollo LAPF è suddiviso in due parti: - DL-CORE (Data Link Core protocol) definito nella raccomandazione CCITT I.233; - DL-CONTROL (Data Link Control protocol), la rimanente parte di LAPF. Il formato del pacchetto Frame Relay è mostrato in figura, dove in grigio sono stati evidenziati i campi ignorati dalle funzionalità di DL-CORE. Flag Address Control Informatio n FCS Flag Il significato dei campi di DL-CORE è il seguente: - Flag, come in HDLC; - Address, un indirizzo esteso con funzionalità di controllo delle congestioni con lunghezza pari a 2, 3 o 4 ottetti; - FCS, una CRC su 2 ottetti. In particolare, il campo Address è suddiviso in una serie di sottocampi il cui significato è il seguente: - EA (Address field extension bit), se a uno, indica l ultimo ottetto del campo Address; - C/R (Command/Response), riservato per usi futuri;

20 A2/ Pag. 20/129 - FECN (Forward Explicit Congestion Notification), bit posto a uno dalla rete Frame Relay per segnalare ai router che il cammino percorso dalla trama presenta delle tratte congestionate; - BECN (Backward Explicit Congestion Notification), bit posto a uno dalla rete Frame Relay per segnalare ai router che il cammino in direzione opposta a quello percorso dalla trama presenta delle tratte congestionate; - DLCI (Data Link Connection Identifier), è l identificatore del circuito logico ed è il sottocampo principale del campo Address; lungo normalmente 10 bit ha un significato locale alla connessione DTE-DCE e quindi connessioni diverse, su nodi diversi, possono avere lo stesso DLCI; - DE (Discard Eligibility indicator), se a uno, indica che la trama può essere scartata in presenza di congestione della rete; - D/C (DLCI or DL-CORE control indicator), indica se i rimanenti 6 bit dell ottetto debbano essere interpretati come DLCI o come DL-CORE control. Una rete Frame Relay può essere realizzata da un insieme di commutatori Frame Relay (nodi core) che instradano il messaggio sulla base del DLCI, realizzando solo la parte di LAPF detta DL- CORE, mentre i nodi terminali (nodi edge) realizzano sia il DL-CORE, sia il DL-CONTROL. Tale approccio è detto core-edge, in quanto alcune funzionalità vengono realizzate solo edge-to-edge (ad esempio, recupero di errori o controllo di flusso). Trattamento della congestione [2] La congestione di una risorsa di rete è una situazione in cui alla risorsa viene richiesta una quantità di servizio prossima o superiore alla propria capacità. Se ad esempio attraverso un canale puntopunto della capacità di 2 Mbps si cerca di far transitare un flusso di dati, ad arrivo casuale, equivalente a 2 Mbps (o anche di poco inferiore) il canale diventa congestionato e la coda trasmissiva all inizio del canale si allunga in maniera incontrollata. Una rete deve prevenire e correggere simili situazioni effettuando il controllo di congestione. Il modo comune di controllare la congestione consiste nell effettuare il controllo di flusso, ossia limitare l afflusso di dati in rete frenando l utente. Questa funzionalità è tipica dei protocolli di livello 2, come HDLC. Dato però che in Frame Relay le funzioni di controllo mancano, non è possibile esercitare il controllo di flusso. Può così succedere che un nodo di rete elimini una frame in transito a causa di una congestione locale, le procedure di controllo nei due nodi estremi (apparati d utente), rilevando la mancanza della frame, la credano dovuta a un errore di trasmissione (FCS errato) e ripetano la trasmissione aggravando ancor di più la situazione. Per ovviare a questo inconveniente si è previsto un meccanismo mediante cui la rete, non potendo imporre all utente di rallentare, gli segnala in modo esplicito che lungo il percorso si è verificata una situazione di congestione. Ciò viene effettuato dal nodo in cui si verifica la congestione mettendo a 1 un bit apposito nel campo indirizzo del frame. In particolare: verso l originatore dei frame che causano congestione viene alzato il bit BECN (Backward Explicit Congestion Notification) che ha il significato nel verso opposto a quello in cui viaggia questo bit si sta verificando una congestione. Verso il destinatario delle frame che causano congestione viene alzato il bit FECN (Forward Explicit Congestion Notification) che ha ovviamente il significato speculare rispetto al precedente. Alla ricezione di questi bit i due apparati d utente devono provvedere a rallentare sempre più il traffico,

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