Protocolli di livello 2 Le Reti Locali. arcipelago scrl.

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1 Protocolli di livello 2 Le Reti Locali

2 Il livello 2: Data link (1) Assolve a due funzioni principali: controllo di errore controllo di flusso Controllo di Errore realizzato raggruppando i bit trasmessi in frames ciascun frame termina con una FCS (frame check sequence) se il controllo fallisce, si può chiedere ritrasmissione

3 Il livello 2: Data link (2) Controllo di flusso gestisce l accesso al mezzo trasmissivo da parte dei livelli superiori. Il livello 2 e diviso in due sottolivelli: LLC = Logical Link Control MAC =Medium Access Control rete LLC MAC fisico

4 I servizi del sottolivello LLC LLC offre al livello rete i servizi: Unacknowledged Connectionless Service (LLC Type 1) trasferimento dati non connesso senza conferma. E la modalità preferita da TCP/IP Connection Oriented Service (LLC Type 2) trasferimento dati con creazione di circuti virtuali tra mittente e destinatario Semireliable Service (LLC Type 3) trasferimento dati non connesso, ma con conferma

5 Protocolli Formato delle Trame (Frames) Header DATI FCS Trama di livello 2 Trasmissione di frames tra due nodi di una rete locale HEADER: contiene bit di controllo (Numero di sequenza, indirizzo di livello, ack ) FCS: frame control sequence

6 Protocolli Esempi Protocolli Stop and Wait il nodo che trasmette procede solo dopo notifica dell avvenuta ricezione Protocolli a Finestra (Sliding Window) Usano tecniche di incanalamento di frames (pipelining) In caso di errori di trasmissione, si recupera la sequenza con tecniche: go back n selective repeat

7 Go Back n & Selective Repeat timeout TX RX TX RX ack 1 ack 2 ack 3 ack 4 ack E D D D D errore frames scartati ack 1 ack 2 timeout #4 timeout #3 timeout #2 1 2 E ack 7 8 ack 6 D D D 8 9 errore frames raccolti nel buffer

8 Protocolli per LAN e MAN (1) 3 tipi di protocolli a contesa del mezzo(csma/cd, Ethernet) a passaggio di Token (Token Ring, Token Bus, FDDI) a slot: accesso multiplo con divisione di tempo. Parametri per valutare protocolli LAN/MAN Capacità Ritardo (di accesso, di propagazione, di consegna) Traffico smaltito (throughput) e offerto. Equità. Numero di stazioni, lunghezza della rete, topologia.

9 Protocolli per LAN e MAN (2) Standardizzati negli anni 80 dal progetto IEEE 802, che ha definito: 802.1: Introduzione all Internetworking 802.2: sottolivello LLC 802.3: CSMA/CD (basato su Ethernet) 802.4: Token Bus 802.5: Token Ring 802.6: DQDB (per reti MAN)

10 Protocolli per LAN e MAN (3) A tali comitati si sono poi aggiunti: 802.7: Broadband Technical Advisory Group 802.8: Fiber-Optic Technical Advisory Group 802.9: Integrated Data and Voice Networks : Network Security : Wireless Networks : 100base VG : 100base X

11 Ethernet e IEEE Ethernet: nato da cooperazione tra Digital, Intel e Xerox (DIX) negli anni 70 Specifica Ethernet 2.0 pubblicata da DIX nell 82 In parallelo, IEEE definisce lo standard basato su Ethernet (1985) Ethernet e IEEE differiscono solo per caratteristiche tecniche relative al livello LLC e al livello fisico

12 Ethernet Principi di funzionamento ALOHA CSMA Ethernet Idea: più utenti, su un mezzo di trasmis-sione comune, trasmettono quando il mezzo è libero ALOHA (nato per reti via radio) puro a divisione di tempo a prenotazione

13 Ethernet Principi di funzionamento CSMA (Carrier Sense Multiple Access) aggiunge monitoraggio del mezzo prima di trasmettere non persistente 1-persistente p-persistente Rilevamento delle collisioni: CSMA-CD. Mentre trasmetto, ascolto il mezzo per rilevare eventuali collisioni

14 Ethernet Il Protocollo E un CSMA-CD 1-persistente su topologia a bus. Possono verificarsi collisioni a causa della distanza fisica delle stazioni sulla rete. Se collisione è rilevata durante la trasmissione, la stazione interrompe la tx e invia una sequenza di jamming. Le stazioni che hanno colliso attendono un tempo casuale prima di riprovare (statistical contention resolution) All avvenuta ricezione non segue una conferma alla stazione che ha trasmesso

15 Ethernet Formato di trama Preambolo = SFD = Destinazione Sorgente Tipo protocollo superiore D A T I FCS

16 Ethernet Indirizzi MAC Gli indirizzi MAC sono lunghi 6 bytes, e sono scritti in una ROM della scheda dal costuttore Composti di due parti 3 bytes più significativi: lotto di indirizzi assegnati al costruttore; sono detti Organization Unique Id. 3 bytes meno significativi: numerazione progressiva interna decisa dal costruttore Es: C-07-9A-4D è una scheda 3com

17 Ethernet Indirizzi MAC Gli indirizzi MAC sono di tre tipi: single: se riferiti ad un singolo sistema multicast: se riferiti a gruppi di sistemi broadcast: se riferiti a tutti i sistemi Due modalità di multicast: Solicitation: richiesta di servizio ad un gruppo multicast Advertisement: periodica diffusione di informazioni di appartenenza ad un gruppo multicast

18 Round Trip Delay È il tempo necessario, nel caso peggiore, al segnale inviato da una stazione per arrivare all'altro estremo del cavo e a tornare indietro Round Trip Delay = T1 + T2 A T1 B T2

19 Ethernet parametri di progetto Il tempo di trasmissione di una trama non può essere inferiore at RTD la velocità del mezzo trasmissivo e le dimensioni della rete determinano quindi la lunghezza minima della trama La lunghezza di trama dipende anche dall IPG (Inter-Packet Gap), che segnala la fine trama Diametro del Collision Domain

20 Collision Domain Il collision domain è quella porzione di rete Ethernet in cui, se due stazioni trasmettono simultaneamente, le due trame collidono spezzoni di rete connessi da repeater sono nello stesso collision domain spezzoni di rete connessi da bridge, switch o router sono in collision domain diversi

21 Diametro di un Collision Domain Con il termine diametro di un collision domain si indica: la distanza massima tra ogni possibile coppia di stazioni Il diametro massimo di un collision domain è di 2800 m e dipende da: lunghezza massima dei cavi (attenuazione) ritardo di propagazione (round trip delay)

22 Ethernet parametri di utilizzo Slot time 512 bit time (51.2 µs) Tempo base di attesa prima di una ritrasmissione Inter Packet Gap 9.6 µs Distanza minima tra due pacchetti Attempt limit 16 Massimo numero di tentativi di ritrasmissione Backoff limit 10 Numero di tentativi oltre al quale non aumenta più la casualità del back-off Jam size da 32 a 48 bit Lunghezza della sequenza di jam Max frame size 1518 ottetti Lunghezza massima del pacchetto Min frame size 64 ottetti (512 bit) Lunghezza minima del pacchetto Address size 48 bit Lunghezza indirizzi MAC

23 Ethernet caratteristiche del livello fisico velocità trasmissione: 10 Mb/s (100 Mb/s Fast Ethernet) stazioni: max 1024 separate da max 2.8 Km mezzi: cavo coassiale schermato a 50 Ohm (10base 2) doppino telefonico UTP da 100 Ohm (10base T) topologie: a bus, a stella

24 Caratteristiche di Ethernet Per garantire buone prestazioni (collisioni ridotte) bisogna non superare un certo carico: medio del 30 % (3 Mb/s) di picco del 60% (6 Mb/s) Protocollo semplice e totalmente distribuito Non avendo un ritardo massimo non è adatto ad applicazioni real-time È lo standard per LAN più diffuso quindi ampia disponibilità di componenti di basso costo

25 Reti a passaggio di Token Topologia ad anello fisico o virtuale Il possesso del Token (una sequenza unica di bit) denota il permesso di trasmettere. Non vi e contesa come in Ethernet Vantaggi rispetto ad Ethernet: Ritardo di accesso deterministico Comunicazione punto-punto (posso usare fibre ottiche) Principali reti a passaggio di token: Token Ring IBM Token Bus FDDI

26 Token Ring rotazione del Token Repeater + Stazione Dati trasmessi in una sola direzione a 4 o 16 Mb/s. Ogni stazione è equipaggiata con un repeater altamente affidabile (fuori servizio 1: h) che viene by-passato se la stazione è spenta. (accesso ad inserzione attiva)

27 Token Ring Quando una stazione deve trasmettere aspetta il transito del Token (un pattern unico di 24 bit), lo trasforma in Start-of-Frame di un nuovo frame, e inizia la propria trasmissione. In fondo al frame (di lunghezza max. data dal THT, Token Holding Timer = 8.9 ms), la stazione appende un nuovo token, per stazioni a valle.

28 Token Ring Trasmissione, ripetizione e ricezione La stazione trasmittente invia il frame sull anello e attende che ritorni per intero prima di rilasciare il token. Mentre trasmette e fino a ricezione completata, l anello è aperto. Ogni stazione che riceva dei dati da stazioni a monte li tx a valle senza modificarli (salvo segnalare eventuali errori) La stazione destinataria del frame deve: copiare localmente il frame in transito ritrasmetterlo a valle per intero settare un bit di avvenuta ricezione nell header del pacchetto

29 Token Ring Problemi: la lunghezza dell anello non e nota a priori perché i repeater delle stazioni immagazzinano bit, allungando di fatto la rete. Per evitare collisioni con i bit iniziali del suo stesso pacchetto di ritorno sull anello, la stazione rimuove i bit di ritorno del proprio pacchetto e inserisce il nuovo token solo dopo aver rimosso l ultimo bit. Di fatto, durante la trasmissione, l anello è aperto.

30 Token Ring Funzione di Active Monitor Se si verificano errori di trasmissione, il token può andare perso: occorre una stazione monitor che lo rimetta in circolo se non lo vede passare dopo un timeout (TVX = Timer Valid Transmission). A questo scopo, la stazione monitor invia un pacchetto di azzeramento dell anello (ring purge), e, al suo ritorno, un nuovo token.

31 Token Ring Funzione di Active Monitor Nello standard è prevista, oltre alla stazione monitor, una funzione monitor di back-up da parte delle altre stazioni se non rilevano la presenza del monitor dopo un timeout (TSM = Timer Standby Monitor ), le altre stazioni attivano un meccanismo di rivendicazione del diritto a trasmettere il token per primo attraverso il proprio token claim value

32 Token Bus (1) Usa una topologia a Bus, ma l accesso al mezzo è virtualmente ad anello Oltre alla maggior semplicità, il Token Bus non usa repeaters (inserzione passiva) ed è quindi meno soggetto a guasti E considerato un buon compromesso tra la flessibilità topologica di Ethernet e le qualità di accesso deterministico di Token Ring

33 Token Bus (2) Il Token non e un semplice pattern, ma un frame intero con campo dati nullo. Infatti, le stazioni si scambiano il token anche se non hanno nulla da trasmettersi. Ogni stazione sul bus deve sapere gli indirizzi del suo predecessore e successore virtuale.

34 FDDI (Fiber Distributed Data Interface) E un token ring su fibra ottica a 100 Mb/s, a doppio anello controrotante Caratteristiche: alta velocità, maggiore affidabilità ritardo insensibile alle dimensioni della rete Usato come backbone di reti LAN o come rete Metropolitana (MAN)

35 Token Ring e FDDI Differenze I nodi agganciano il Token al termine della trasmissione dei dati, senza aspettarne il ritorno sull anello (early token release) FDDI supporta trasmissione sincrona per traffico a throughput garantito (applicazioni in tempo reale.). Il traffico a bassa priorità accede solo se il tempo di circolo del token è basso (TTRT = Target Token Rotation Time ).

36 Reti Metropolitane (MAN) Grande estensione geografica (da 1 a 100 km) Caratteristiche: Velocità elevate (100 Mb/s e oltre) Ritardo di propagazione dominante su ritardo di accesso (la ricezione avviene a trasmissione terminata) Usano bus unidirezionali con frames di dimensione fissa: slot Riuso della banda (degli slot) e problemi di equità. Numero di stazioni elevato (>> 10), anello o a doppio bus. Standardizzato ( protocollo DQDB)

37 Reti locali di nuova generazione

38 Scenario Offrire reti locali: più veloci più affidabili meno costose Due direzioni principali: Migliorare Ethernet Offrire reti Wireless

39 Una nuova rete Ethernet Nuovi tipi di traffico (multimedialità) Perché Ethernet? Diffusione vastissima (quasi 30M nodi) Obiettivi: fornire ad ogni posto di lavoro 10Mb/s dedicati o 100Mb/s condivisi (contro gli attuali 10Mb/s condivisi)

40 Ethernet Switching Tecnologia Ethernet in cui sono usati switch al posto degli hub Gli Ethernet switch sono dei bridge con una porta dedicata verso ogni stazione Alcuni usano instradamento cut-through in luogo dello store-and-forward (minore overhead, ma meno affidabilità)

41 Ethernet a 100Mb/s Problema: la velocità di trasmissione in Ethernet è un parametro dipendente dalla lunghezza minima del pacchetto e dal RTT Per realizzare una Ethernet a 100Mb/s bisogna modificare opportunamente uno dei due fattori suddetti modificare il protocollo Due soluzioni inplementative: Fast Ethernet (100Base-T) [3com, Digital, Intel, SUN...] 100VG AnyLAN [HP, AT&T, Cisco, IBM...]

42 Fast Ethernet Mantiene inalterato l algoritmo CSMA-CD realizzato con 10Base-T e la dimensione dei pacchetti Riduce quindi le dimensioni della rete La max. distanza trasmissiva tra due nodi scende a 210m (esempio: cablaggio con Hub su raggio di 100m) Interoperabilità con Ethernet su 10Base-T

43 100VG AnyLAN VG da Voice Grade (uso di comuni doppini telefonici) AnyLAN perché combina Ethernet e Token Ring in un unica tecnologia Mantiene solo il formato della trama Ethernet e sostituisce il MAC a collisione con uno ad accesso su richiesta e con priorità

44 Reti Wireless Fattori che spingono verso reti Wireless: grande diffusione di PC portatili desiderio da parte di utenti di PC portatili di avere gli stessi servizi di networking di utenti fissi impossibilità di cablare tutti gli edifici (es.: edifici di particolare interesse storico) Classificazione in base alla distanza: wireless LAN (230Kb/s - 10 Mb/s) wireless WAN ( Kb/s)

45 Tipologie di reti Wireless (1) Powerline: trasmettono il segnale sui comuni fili della corrente. Rumoroso (e quindi lento - max Kb/s) ma economico Ottiche (velocità fino a 16 Mb/s): punto-punto: transceiver allineati che si illuminano reciprocamente con fascio IR. E l equivalente wireless del Token Ring

46 Tipologie di reti Wireless (2) Ottiche (continua): a diffusione: tutti i fasci vengono convogliati verso un unica superficie riflettente (passiva o attiva) che lo riinvia a tutte le altre (equivale ad Ethernet). Si ha semidiffusione se il cammino tra la stazione e la superficie riflettente e diretto Si ha diffusione totale se tra la stazione e la superficie riflettente avvengono riflessioni multiple (ad esempio sulle pareti)

47 Tipologie di reti Wireless (3) A Radio Frequenze (fino a 2Mb/s) più costosa dell equivalente ottico ma possono coprire aree più estese senza visibilità ottica diretta problemi nella scelta delle frequenze (regolate dalle PPT dei singoli paesi) Reti Cellulari principio del riutilizzo delle frequenze comune alla telefonia cellulare Reti Satellitari

48 Le reti ATM

49 ISDN Nata dall esigenza di integrare servizi dati con altri servizi tipici delle reti di TLC (fonia, video) Veicola all utente una banda da 64 kb/s a 2 Mb/s in multipli interi di 64 kb/s, assegnabili in modo fisso Applicazioni: video conferenza, videotelefonia, Hi-Fi Audio, Immagini Hi-Res, HDTV...

50 B-ISDN Evoluzione di ISDN con caratteristiche di: flessibilità, scalabilità e service independence efficienza economicità ATM doveva essere il meccanismo di trasporto di B-ISDN, ma di fatto è usata come: interconnessione (reti WAN) emulazione di reti locali (LAN emulation)

51 Gli organismi di standardizzazione Due organismi paralleli CCITT, organismo di standardizzazione internazionale che ne ha fissato il primo standard nel 1990 ATM Forum, consorzio di costruttori, con lo scopo ci accelerare il processo di standardizzazione con particolare riferimento alla interoperabilità dei prodotti

52 La tecnica ATM Trasporto di dati di tipo continuo e bursty Rete costituita da insieme di nodi di commutazione (o switch) e nodi terminali (utente) Topologia arbitraria con collegamenti punto-punto tra gli switch e a topologia stellare tra switch e nodi utente La comunicazione tra nodi utente avviene attraverso canali virtuali, con lo scambio di celle di lunghezza fissa

53 Interfacce ATM prevede due interfacce, cioè due specifiche formali su cui basarsi per realizzare una rete ATM: User-to-Network Interface: tra switch e nodo utente Network-to-Network: tra switch e switch all interno della rete Solo elementi di rete con interfacce compatibili possono essere connessi

54 Percorsi e Cammini Virtuali (1) VC VP VP VC VC Percorso Trasmissivo VC VC VC VC = Virtual Channel VP = Virtual Path

55 Percorsi e Canali Virtuali (2) Ogni connessione è individuata, tratta per tratta, da una coppia VCI/VPI La coppia VCI/VPI, detta anche label, cioè etichetta, ha un significato locale all interfaccia Il nodo di commutazione effettua un label swapping ogni volta che riceve una nuova cella

56 Le Celle ATM GFC VPI VCI VPI VCI VCI PT CLP HEC VPI VCI VPI VCI VCI PT CLP HEC Header (5 bytes) Dati Dati Payload (48 bytes) Cella UNI Cella NNI

57 La commutazione ATM Per ogni linea d ingresso dello switch, l etichetta VCI/VPI determina univocamente la nuova label linea di uscita dove destinare la cella. Si usano tabelle di transcodifica i cui valori sono impostati durante la fase di setup della connessione La successione di scambi di etichetta e di linea determina il percorso della cella nella rete ATM

58 La multiplazione ATM Le celle sono trasmesse sulle linee a bit rate molto elevato (centinaia di Mb/s) Gli switch operano una multiplazione di celle ATM, convogliando celle da più ingressi verso una medesima uscita La multiplazione è asincrona: la cella non occupa un posto prestabilito nel fascio multiplato ed è riconoscibile solo per la sua etichetta

59 Controllo del traffico in ATM Attraverso la trasmissione ATM è possibile offrire garanzie di qualità del servizio Questo impone la presenza di un controllo del traffico in ingresso, attraverso degli opportuni parametri utente Il controllo è esercitato: a livello di chiamata: stabilendo se una chiamata può essere accettata in base ai suoi parametri di traffico a livello di cella: verificando se le celle appartenenti ad una connessione rispettano i parametri utente dichiarati

60 Parametri di controllo del traffico Parametri utente che servono a caratterizzare il traffico in ingresso al fine di esercitare il controllo: Banda di Picco B P Banda Media B m Burstiness (B P / B m ) Durata media dei burst

61 LAN Emulation LAN emulation (LANE) è una specifica dell ATM Forum per emulare le tecnologie tradizionali su ATM Una LAN emulata (ELAN) fornisce le funzionalità di un singolo segmento di LAN: Ethernet Token Ring

62 Caratteristiche della LANE LANE è indipendente dal protocollo di instradamento Esistono delle restrizioni nel caso di trasferimento dati tra ELAN LANE deve usare un brouter per comunicare tra ELAN anche se la stazione di destinazione è direttamente connessa alla stessa rete ATM

63 Uso di LANE Un servizio LANE permette: a tutte le applicazioni esistenti per LAN di utilizzare ATM di utilizzare ATM come dorsale per connettere LAN tradizionali l interconnessione di server e host collegati ad ATM tra loro e con i server/host connessi sulle LAN tradizionali a più LAN emulate di condividere la stessa rete ATM

64 Esempio di LANE ELAN 1 bridge brouter ATM bridge server router ELAN 2

65 Gigabit Networking

66 I fattori Fattori (legati tra loro) che spingono verso l aumento della banda nelle reti locali: nascita del modello di rete Intranet utenti con richieste elevate di banda aumento delle capacità elaborative dei processori nuove applicazioni cambiamento delle tipologie di traffico

67 Il modello di rete Intranet Uso esplosivo delle tecnologie Web transazioni più frequenti (point-and-click) transazioni più brevi file di dimensione crescente (multimedialità) Aumento del traffico di backbone non conta l appartenza ad un workgroup conta la raggiungibilità del server con l informazione più pregiata

68 Le richieste degli utenti Supporto per numero crescente di utenti Crescita delle prestazioni dei computer desktop Tempi di risposta più rapidi Affidabilità Migrazione senza problemi, interoperabilità

69 Aumento delle capacità elaborative Incremento del clock rate Aumento della velocità nei collegamenti tra CPU e schede periferiche (scheda di rete) Previsioni (ogni 18 mesi): sistemi uniprocessore raddoppiano le prestazioni sistemi multiprocessore quadruplicano le prestazioni La rete NON deve diventare il collo di bottiglia

70 Tipologie di traffico Modello anywhere-to-anywhere Centralizzazione dei server delle reti aziendali convoglia traffico elevato sul backbone Applicazioni Multicast e Multimediali generano traffico con una distribuzione non prevedibile Difficoltà di pianificare rete locale se non ricorrendo a overprovisioning

71 Le sfide La nascita di reti a Gb/s non è indolore: sviluppo di architetture di commutazione adeguate supporto di Gb/s a livello rete (instradamento, conversioni multiprotocollo) applicazione di servizi di rete a Gb/s: security, QoS, controllo della connessione... Monitoraggio e gestione Scalabilità

72 Gigabit Ethernet In fase finale di standardizzazione (1Q 98) presso il comitato IEEE 802.3z La bozza di standard prevede operazioni su diverse interfaccie fisiche su topologie commutate (applicazione dorsali edificio e campus) condivise (desktop)

73 Gigabit Ethernet Obiettivi di progetto Uso del formato di trama Uso dell accesso CSMA-CD operazioni half- e full-duplex backward compatibility con mezzi fisici già installati (fibre mono e multimodali, doppino di rame)

74 Le interfaccie fisiche La bozza IEEE 802.3z specifica tre tipi di interfaccie fisiche: 1000Base LX: fibra multimodale 1000Base SX: fibra monomodale 1000Base CX: cavo di rame schermato Entro 12 mesi, il comitato IEEE 802.3ab emetterà una specifica per Gb/s Ethernet su cavo UTP (doppino di rame)

75 Applicazioni Dorsale Edificio 10/100 Mb/s switch 1Gb/s

76 Applicazioni Campus switch switch switch 1Gb/s switch switch switch Campus center

77 Gigabit Ethernet e ATM (1) Opzione di scelta: ATM o Gb Ethernet per le reti aziendali? Considerazioni: esigenze di banda/latenza compatibilità LAN/WAN supporto per esigenza di QoS integrazione dei servizi disponibilità dei prodotti

78 Gigabit Ethernet e ATM (2) Caratteristiche Gb/s Ethernet ATM Banda Basso costo Medio costo QoS Classi di QoS garantita servizio, RSVP Integrazione dei servizi Velocità, voce e video su IP Dati, Video e Voce Applicazioni Dorsale edificio e campus Dorsale edificio e campus, WAN Disponibilità 1998 disponibile