Livello DataLink. Error detection and error correction. Management and control of the accessto the media

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1 Livello DataLink

2 Livello DataLink According to the OSI model, the DataLink layer is placede directly abovethe physicallayerand itsgoal isassuringefficiencyand reliability in the communication process between two adjacent links. The DataLinklayergivesustwodifferentkindof service: Error detection and error correction. Management and control of the accessto the media The first kindof service allowsthe levelsaboveto look atthe physicalmedia asa perfectchannel, ableto transmitdata and information without errors. The secondkindof service isusedwhenwehavea sharedmedia. In these cases we need a policy to allocate the shared media, avoiding collisions and granting, at the same time, the access to the shared media to all the requesting hosts.

3 Livello DataLink Nowadays, the DataLink layer is implemented via an international standard known as «Ethernet». This standard is now so widely used that it has completly repalced all the other DataLink technoloiges that were conceived in the eigthies and in the nineties (FDDI, Token Ring, ATM... Just ATM survives in the WAN) The Ethernet standard embraces both the level 1 and 2 of the OSI model. Different variations of the Ethernet standard are sorted out usig some acronym such as IEEE g. Generally all these acronyms are used to indicate the adaptation of the same standard for different physical media. (802.11g, fon instance). The DataLink services offered by Ethernet are encapsulated in two sublayer, complementary each other: MAC Sublayer: medium access control LLC Sublayer: logical link control

4 Livello DataLink Dal punto di vista strettamente fisico, ovvero degli apparati elettronici che, concretamente, si fanno carico di gestire l implementazione dei servizi di livello DataLink, i protocolli applicativi vengono implementati, in parte, in forma software dal Sistema Operativo dell host di rete e, in parte, dall hardware della NIC (Network Interface Controller, ovvero, banalmente, dalla scheda di rete) dell Host stesso. Alcune informazioni necessarie al funzionamento del sottolivello MAC vengono pre-impostate dal produttore della NIC al momento della creazione. Ad esempio, il cosidetto MAC-Address, di cui discuteremo più avanti, viene precaricato dal produttore della NIC. Altre informazioni sono invece generate dinamicamente dal software di gestione e controllo della NIC e dal sistema operativo dell host.

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7 Framing Il sottolivello LLC (logical link control), fornisce servizi di controllo e supervisione nella trasmissione dati tra host e host in una rete. Al di sotto del sottolivello LLC opera il livello MAC (medium access control), i cui servizi principali riguardano: Funzionalità di framing. Per framing si intende la suddivisione di un messaggio (un datagram, proveniente dal sottolivello LLC), da parte del sottolivello MAC del trasmettitore, in parti più piccole ( frame ) che vengono singolarmente inviate al destinatario. Servizi per la rilevazione e correzione degli errori Implementazione di procedure per l accesso al mezzo trasmissivo

8 Codici per la gestione degli errori Ogni canale fisico è per sua natura soggetto ad errori. Si pensi alla normale interferenza che riguarda la trasmissione per mezzo di segnali elettromagnetici (noise=rumore). Il livello datalink si occupa della gestione degli erroriapplicando ai frame in fase di trasmissione o di ricezione alcune tecniche di codifica il cui scopo è quello di rilevare l errore(codici rilevatori) o, in alternativa, di rilevare e correggere(codici correttori) l errore. ATTENZIONE!:Sebbene, dal punto di vista teorico e strutturale, la gestione delle problematiche connesse agli errori venga assegnata in forma quasi esclusiva al livello DataLink, nella pratica sono state implementate politiche di controllo e gestione degli errori anche nei protocolli di livello 3 e, sopratutto, di livello 4. Tale ridondanza nei controlli è dovuta, da un lato, all importanza di tale attività, dall altro al fatto che i protocolli sono stati sviluppati in maniera disordinata.

9 Codici per la gestione degli errori

10 Rilevazione degli errori: checksum Lo studio dei codici per la rilevazione e la correzione degli errori ha portato allo sviluppo di un apposita teoria matematica connessa a tale applicazione (si veda, ad esempio, distanza di Hamming su WikiPedia) La più banale politica di gestione degli errori è il cosidetto checksum. Tale politica consiste nell aggiunta di un bit di parità in coda alla sequenza di bit che si intende trasmettere. Il ricevitore, controllando la coerenza del bit di paritàcon la sequenza ricevuta, è in grado di capire se si è verificato un errore oppure no. Il checksum consente solo la rilevazione, non la correzione. Se si verifica un numero pari di errori il checksum fallisce la rilevazione Il checksum può essere impiegato solo su tratte molto brevi e caratterizzate da scarsi fenomeni di interferenza (reti cablate).

11 Correzione degli errori: codifica di Hamming e CRC Un tipico esempio di codice correttore è il codice di Hamming. (Video) I codici correttori evitano la necessità di chiedere la ritrasmissione del dato compromesso ma comportano un maggiore overheaddel payload da trasmettere. Per le connessioni affette da alto tasso di errore come, ad esempio, le reti Wireless, lo standard Ethernet prevede l impiego della codifica CRC (Cyclic Redundancy Check). Inventata nel 1961 ed implementata nelle NIC a partire dagli anni 90, la tecnica CRC consente la rilevazione rapida ed efficiente di errori singoli e multipli sui frame trasmessi. ATTENZIONE!I codici rilevatori e correttori non sono pensati per proteggere le informazioni contenute nel payload. Tale servizio viene fornito da protocolli di livello 7 come MD5 o SSL.

12 Accesso al canale comunicativo Il sottolivello MAC si occupa di gestire l accesso al canale comunicativo tra due host. Nel caso di mezzi trasmissivi condivisi, come avviene, ad esempio, nelle reti Wireless, il sottolivello MAC deve adottare gli opportuni protocolli di arbitraggio del canale per evitare le collisionie garantire l efficacia del sistema di comunicazione (CSMA/CA). Nelle reti cablate l accesso al canale viene risolto in maniera automatica utilizzando dei particolari dispositivi chiamati switch che consentono l automatica distrubuzione dei frame (PDU di livello DataLink) agli host destinatari (switched ethernet). Solo nelle reti di vecchia concezione, basate sugli hub, la trasmissione dei frame avvenica su un bus che, pur fisicamente distinto, era, dal punto di vista logico, condiviso. In quel caso era necessario che il sottolivello MAC adottasse le opportune misure di gestione del canale condiviso.

13 Nelle vecchie reti cablate basate su hub, il protocollo per l accesso al mezzo condiviso era chiamato CSMA/CD. Tale protocollo implicava la ritrasmissione, a distanze temporali pseudo-casuali, dei frame inoltrati nel caso in cui si verificasse una collisione. Attualmente l adozione delle switched ehternet ha reso superato questo tipo di tecnologia. Accesso al canale comunicativo

14 Accesso al canale comunicativo Nelle reti Wireless operanti secondo lo standard IEEE , l algoritmo implementanto per la contesa del mezzo condiviso è chiamato CSMA/CA (carrier sense multiple access with collision avoidance). Tipicamente tale algoritmo sfrutta il meccanismo RTS/CTS (ready to send/clear to send) che presuppone un organizzazione gerarchica, a livello datalink, degli host nella rete

15 Accesso al canale comunicativo Nelle reti cablate di concezione moderna, la distrubuzione dei frame ai destinatari viene gestita automaticamente dagli switch. Lo switch si occupa di collegare direttamente il trasmettitore col ricevitore. La connessione virtualetra i due viene stabilita chiudendo dei circuiti virtuali che consentono l instaurazione di una connessione fisica tra i due terminali. Per instaurare la connessione ogni switch mantiene al proprio interno una tabellache serve per mappare ogni host fisico con la corrispondente porta dello switch a cui risulta concretamente connesso.

16 MAC Address Sia nel caso del wireless che in quello delle reti cablate, il riconoscimento da parte del livello MAC di un host, avviene grazie all esistenza di un codice identificativo univoco (MAC Address) che risulta associato ad ogni singola NIC. Il MAC Address è un codice di 6 byte, tre dei quali riservati ad identificare il produttore della NIC e tre impiegati per identificare la NIC stessa. Ogni NIC possiede un diverso MAC Address. Nelle switched ethernet viene costruita una tabella internamente agli switch(e agli host) che consente di compiere l associazione tra MAC Address e link fisico. La costruzione e l impiego di tale tabella è a carico del protocollo ARP(Address Resolution Protocol) Se il frame deve uscire dal dominio di collisione, è necessario interrogare il livello logico superiore (tipicamente IP) per instradare il messaggio. Nelle reti wireless il MAC Address viene usato, una volta risolta la contesa sul canalecondiviso, per autorizzare la trasmissione degli host.

17 Robustezza del sottolivello MAC Il sottolivello MAC deve anche occuparsi di garantire un certo livello di flessibilità e robustezza alla rete. Questo significa che il sottolivello MAC deve farsi carico, da un lato, di supportare l hot plug in di nuovi dispositivi a livello fisico e, dall altro, garantire che eventuali errori di connessione tra gli switch non si risolvano in esiti disastrosi(video 3-8). MAC si fa carico di tali compiti implementando al proprio interno un protocollo denominato STP (Spanning Tree Protocol) che, automaticamente, si fa carico, coordinandosi con ARP, di aggiornare ed adattare in maniera robusta le tabelle di switching. L algoritmo Spanning Tree è stato concepito da Radia Perlman nei primi anni 80 e, vista la sua importanza, è valso alla sua inventrice il titolo di madre di Internet.

18 Ethernet Attualmente, le funzionalità sin qui descritte di livello DataLink e di livello fisico sono integrate nello standard Ethernet. Con la denominazione Ethernet si intende una famiglia di standard definiti da IEEE che vanno ad abbracciare sia le reti cablate (cavo in rame e fibra ottica) sia le reti wireless di prossimità o di medio raggio. La struttura del frame Ethernet è descritta dallo schema seguente: FCS: Frame check sequence SFD: Start Frame delimiter