Le reti in area locale

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1 Parte III Le reti in area locale Introduzione alle LAN Famiglia degli standard IEEE 802 Ethernet Reti in area locale (LAN) (1/2) Nascono per interconnettere sistemi di elaborazione delle informazioni e periferiche distribuiti in un area geografica limitata Fattori trainanti: Diminuzione del costo delle risorse hardware Distribuzione delle risorse di calcolo Necessità di interconnessione Flessibilità nella gestione e facile espansibilità

2 Reti in area locale (LAN) (2/2) Caratteristiche di una LAN: Estensione geografica limitata (edificio, gruppo di edifici) Proprietà, amministrazione e gestione di una singola organizzazione Unico mezzo trasmissivo a capacità elevata e con basso tasso d'errore (es. < ) La banda del mezzo trasmissivo è molto maggiore di quella richiesta da ciascun utente Rete senza funzionalità di commutazione, ma dotata di protocollo di accesso Evoluzione delle tecnologie per LAN LAN ad alta velocità FDDI, Fast Ethernet, HIPPI, Fibre Channel, LAN ottiche LAN commutate ogni singola stazione ha un accesso dedicato LAN virtuali indipendenza della topologia logica da quella fisica AM LAN Wireless LAN Interfaccia radio

3 Evoluzione delle LAN 1 Generazione (es. CSMA/CD, oken ring) velocità limitata ( 10 Mbit/s) interconnessione locale (terminal to host) 2 Generazione (es. FDDI, Fibre Channel) backbone ad alta velocità (100 Mbit/s) interconnessione di high speed workstation 3 Generazione (es. AM LAN, Fast Ethernet) throughput scalabile comunicazioni multimediali supporto di servizi real time e della mobilità opologie (1/3) Bus bidirezionale Bus unidirezionale ripiegato Bus unidirezionale doppiamente ripiegato Doppio bus unidirezionale

4 opologie (2/3) Anello Stella H : erminale H : Hub opologie (3/3) opologia ad albero B Bridge Stazione B INFOCOM Fac. Ingegneria B B Dip Elettrica Dip Elettronica Vincoli sull estensione possono essere superati dividendo la rete in più sezioni Il Bridge (Ponte) è l elemento che permette di collegare le diverse sezioni (LAN) di una rete più estesa

5 Architettura protocollare (1/2) Modello OSI Applicazione Presentazione Sessione rasporto Rete Collegamento Fisico Inter-networking Controllo del Collegamento Logico (LLC) Controllo di Accesso al Mezzo (MAC) Procedure meccaniche e fisiche per la trasmissione del segnale Architettura protocollare (2/2) Strato LLC (Logical Link Control) Nascondere agli strati superiori il livello fisico e MAC sottostante Scambio delle unità informative tra le stazioni di una LAN Gestione del flusso delle unità informative di strato LLC Rivelazione e recupero degli errori Strato MAC (Medium Access Control) Ha il compito di gestire l accesso delle stazioni al mezzo condiviso in maniera da ridurre le collisioni Funzioni di arbitraggio

6 Elementi di rete Router: instrada i messaggi da/verso il mondo esterno (funzioni logiche con configurazione) Rete Collegamento Fisico Bridge: Filtra i messaggi tra LAN diverse (funzioni logiche senza configurazione) Hub: rigenera il segnale (solo funzioni di strato fisico) Interconnessione di LANs R Internet R B B B LAN R R Internet R Internet R H B R erminale H Hub B Bridge R Router erminale: sorgente e destinazione dell informazione All interno di una LAN può essere presente un certo numero di Hub LAN diverse sono interconnesse dai Bridge (estensione della rete su più vasta scala) L insieme delle LAN tra loro interconnesse è interfacciato al mondo esterno (Internet) mediante i Router

7 Standard IEEE 802 (1/2) Organizzazione degli standard CSMA/CD Protocollo di strato LLC oken bus oken ring DQDB Strato di controllo del Collegamento Logico Strato Fisico Standard IEEE 802 (2/2) Nome IEEE IEEE IEEE Velocità 1-10 Mbit/s 10 Mbit/s 4-16 Mbit/s opologia Bus Bus Anello ecnica di accesso CSMA/CD oken oken Modo di trasferimento Pacchetto Pacchetto Pacchetto Mezzo fisico Doppino o Coassiale Coassiale Coassiale o Fibra Lunghezza Max 500 m 2000 m 3000 m Servizi Dati Dati Dati

8 La Rete Ethernet (Standard IEEE 802.3) La rete Ethernet è una delle reti locali più diffuse a livello mondiale Nacque agli inizi degli anni 70 presso il laboratorio di ricerca Xeros californiano Nel 1982 lo standard divenne Ethernet II (Digital, Intel, Xeros) Nel 1983 lo standard fu posto sotto il controllo dell IEEE (nel gruppo 802) Ethernet opologia: a BUS o a stella Mezzi trasmissivi: cavo coassiale, doppino di rame, fibra ottica Protocollo di accesso al mezzo: CSMA/CD La velocità di trasmissione: da 10 Mbit/s a 1Gb/s in banda base con codifica di tipo Manchester Diverse tipologie: XBaseY

9 IEEE 802.3: strato fisico 10Base5 (*) 10Base2 (*) 10Base- (*) 10Base-F (*) coassiale spesso fibra ottica 500 m/seg 200 m /seg 100 m /seg 2000 m /seg 100 nodi/seg 30 nodi/seg 1024 nodi 1024 nodi/seg attacchi a morsa con cavi transceiver coassiale sottile connettori passivi a coppia simmetrica cablaggio a stella con hub utile per connettere due segmenti distanti (*) X(Mbit/s)Base/Broad(band)Y(centinaia di m)/wisted pair/fiber optics La configurazione fisica di una LAN può includere molteplici segmenti interconnessi con ripetitori fisici, ma una qualsiasi coppia di transceiver non deve distare più di 2.5 km Codifica di linea Manchester E una codifica NRZ con componente continua nulla e autosincronizzante, ma richiede banda doppia Codifica 1 con la transizione H-L del segnale e 0 con la transizione L-H (H = L = 0.85 V); H-H e L-L sono violazioni del codice

10 Mezzi rasmissivi: Cavo Coassiale Caratteristiche: leggermente piu' caro del doppino, capacità media, non soggetto a interferenze come il doppino, meno maneggievole Cavo coassiale (thin ethernet) Connettore a Coppia Simmetrica (wisted Pair) (1/2) Prestazioni (rapporto S/N) inferiori al cavo coassiale Utilizzabili anche per bit rate elevati (>100 Mbit/s) su brevi distanze (~100 m) ipicamente usato in cavetti a 4 coppie (4 segnali) Basso costo e facilità di posa (riuso, ad esempio, di impianti telefonici) Adatto a cablaggi strutturati Enorme diffusione dal '90 Le prestazioni dipendono da: materiali isolanti utilizzati geometria delle coppie differenziazione dei passi di binatura sezione dei conduttori

11 Coppia Simmetrica (2/2) Varianti UP (Unshielded): non schermato FP (Foiled): un solo schermo per tutto il cavetto SP (Schielded): schermato coppia per coppia Doppini: categorie dei cavi La categoria 1 (elecommunication) comprende i cavi adatti unicamente a telefonia analogica. La categoria 2 (Low Speed Data) comprende i cavi per telefonia analogica e digitale (ISDN) e trasmissione dati a bassa velocità (per esempio linee seriali). La categoria 3 (High Speed Data) è la prima categoria di cavi adatti a realizzare reti locali fino a 10 Mb/s, in particolare per soddisfare gli standard 10Base di e oken-ring a 4Mb/s. La categoria 4 (Low Loss, High Performance Data) comprende i cavi per LAN oken-ring fino a 16 Mb/s. La categoria 5 (Low Loss, Extended Frequency, High Performance Data) comprende i migliori cavi disponibili, per applicazioni fino a 100 Mb/s, su distanze di 100 metri.

12 Mezzi rasmissivi: Fibra Ottica Si presenta come un filo costituito da due parti: la più interna prende il nome di nucleo (core) l'esterna di mantello (cladding) Il core ed il cladding hanno indici di rifrazione diversi, ed il primo è più denso del secondo. La differenza negli indici di rifrazione determina la possibilità di mantenere la luce totalmente confinata all'interno del core. L informazione è trasmessa tramite impulsi di luce che rappresentano i bit (0 e 1) Fibra ottica Fibra Ottica (1/2) Insensibilità al rumore elettromagnetico Mancanza di emissioni Bassa attenuazione Banda passante teoricamente illimitata Costo della fibra relativamente basso Alto costo per interfacce e connettori Le fibre ottiche sono unicamente adatte a collegamenti punto-punto, non essendo possibile prelevare o inserire il segnale in un punto intermedio, cosa invece possibile con mezzi trasmissivi elettrici Campi di impiego altissima velocità (dorsali) ambienti con problemi di compatibilità elettromagnetica protezione dalla propagazione delle sovratensioni lunghe distanze di interconnessione

13 Fibra Ottica (2/2) Fibre multimodali prestazioni inferiori costo contenuto interfacce relativamente poco costose Fibre monomodali (ottenute diminuendo la dimensione del core) prestazioni più elevate più costose delle fibre multimodali interfacce più costose maggiori difficoltà per connettere i diversi tronconi Scheda di Rete (NIC) E l interfaccia (adattatore) che permette di collegare la stazione alla rete Realizza le funzioni di strato 2 (LLC e MAC) Scheda di Rete Ethernet PCI

14 IEEE 802.3: sottostrato MAC (1/3) Formato di una MAC PDU 7 ottetti 1 ottetto 2 o 6 ottetti 2 o 6 ottetti 2 ottetti ottetti Preambolo Delimitatore di inizio trama Indirizzo di destinazione Indirizzo di sorgente Lunghezza Dati di strato LLC 0-46 ottetti 4 ottetti PAD FCS IEEE 802.3: sottostrato MAC (2/3) Il preambolo contiene una sequenza di 1 e 0 (onda quadra a 20 MHz per 5.6 µs) Start e End delimitano la MAC-PDU, anche con l ausilio del campo lunghezza I primi due bit dell indirizzo servono ad indicare indirizzi multicast (1) o unicast (0), locali e globali Il campo dati può contenere da 0 a 1500 ottetti; il campo Pad serve a garantire una lunghezza minima complessiva di 64 bytes Il campo checksum contiene un CRC per rivelazione di errore

15 IEEE 802.3: sottostrato MAC (3/3) Usa una versione del protocollo CSMA/CD con 1- persistenza Dopo una collisione il tempo è suddiviso in slot di durata 51.2 µs (caso peggiore di R) Dopo l n-esima collisione, le stazioni calcolano un tempo di subentro uniformemente distribuito tra 0 e min{1023, 2 n 1} slots, n=1,,16 (binary exponential backoff) Il servizio di trasferimento MAC è di tipo best effort non riscontrato Ethernet 10Base5 su coassiale grosso Caratteristiche: alto costo, lunga distanza, media vulnerabilità, rapida obsolescenza, adatto per dorsali S1 S2 S3 Hub H terminazione minima distanza tra due nodi 2.5 m S4 S5 S6 drop cable max 50 m

16 S2 S1 Ethernet 10Base5 Segmenti e dominio di collisione Regola del (5 segmenti, 4 ripetitori, 3 segmenti popolati) Segmento popolato Estensione massima= circa metri max 100 nodi 500 metri R R R R S1 S2 S3 S1 S2 S3 S1 S2 S3 Segmento di collegamento nessun nodo 500 metri Ethernet 10Base2 su coassiale fino Caratteristiche: Basso costo, media distanza, alta vulnerabilità, potenziale obsolescenza Connettore a minima distanza tra due nodi 50 cm terminazione lunghezza massima del segmento 186 m Max 30 stazioni per segmento, Max 5 segmenti, 3 popolati Max 910m e 90 stazioni opologia a bus

17 Ethernet 10Base su doppino Caratteristiche: costo medio-basso, grande distanza, bassa vulnerabilità, massimo sviluppo, versioni con doppino e fibra ottica HUB (concentratore, non rigenera il segnale, ritrasmette verso tutte le stazioni) cavo UP max 100 m max 1024 nodi max 100 m HUB S1 S2 S3 S4 Ethernet 10Base su doppino Presa Spinotto Cavetti di distribuzione Cavetti di apparato Cavetti di permuta Strisce di permutazione Prese RJ45 HUB

18 Hub Quando una stazione trasmette, l HUB ripete il segnale su tutti le linee di uscita L HUB non svolge funzioni di tipo logico opologia fisica: A Stella opologia logica: A Bus HUB S1 S2 S3 S1 S2 S3 Ethernet 10Base Segmenti e dominio di collisione HUB 1 HUB 2 HUB 3 S4 max 100 m S1 HUB 4 S2 S3 S5 S7 S6 Estensione massima circa 500 metri

19 Caratteristiche: Ethernet 100Base Compatibilità all indietro, costo medio-alto, brevissima distanza, bassa vulnerabilità, rapido sviluppo, versioni con doppino e fibra ottica HUB 1 max 5 metri max 100 metri S1 HUB 2 S2 max 100 metri S4 Estensione massima circa 205 metri Gigabit Ethernet Caratteristiche: Compatibilità all indietro, costo medio-alto, grande distanza, grande capacità, bassa vulnerabilità, rapido sviluppo, versioni con doppino e fibra ottica 1Gbps Bridge Server 100Mbps links Centrali 1Gbps links 100m 5 Km 100Mbps Hubs

20 Reti Locali Ethernet ipo di rete ipo di cavo Max lunghezza singolo segmento Numero massimo nodi nel segmento Diametro massimo della rete Numero massimo di ripetitori Numero massimo segmenti in cascata 10Base-5 Coax grosso 500m m 4 5* 10Base-2 Coax fino 186m m 4 5* 10Base - UP 2 Coppie 100m da stazione ad hub 2 500m 4 5* 100Base-X 5 UP 2 Coppie 100m da stazione ad hub 2 205m 2 3** 1000Base- (Gigabit Eth) 5 UP 4 Coppie 100m da stazione ad hub 2 205m 2 3** * = 3 segmenti popolati da stazioni e 2 dedicati esclusivamente al collegamento tra Hub ** = di cui un segmento di 5 metri per il collegamento tra i due Hub Estensione della rete: BRIDGE BRIDGE Segmento 1 10 Mbit/s condivisi HUB 1 10 Mbit/s dedicati S4 HUB 1 HUB 2 S3 S5 S7 S1 S2 S6 Segmento 2 10 Mbit/s condivisi

21 Bridge (1/2) Il Bridge permette di collegare tra loro differenti domini di collisione creando cosi una rete di vasta estensione e con maggiore efficienza Il bridge opera a livello di strato 2 e ha il compito di filtrare le trame in transito facendo passare solo quelle dirette a un determinato dominio mittente LAN 3 LAN 1 BRIDGE LAN 2 destinatario Bridge (2/2) Perché usare i bridge? Interconnettere LAN con tecnologie differenti (es. Ethernet e oken Ring) Interconnettere LAN distanti (es. reti situate in edifici differenti) Migliorare le prestazioni (es. separare il traffico per ridurre il carico) Affidabilità (es. isolare nodi difettosi) Sicurezza (es. controllare il traffico in uscita da una rete)

22 Bridge: tabelle hash I bridge realizzano l operazione di filtraggio leggendo l indirizzo Ethernet delle trame ricevute Si basano su delle tabelle del tipo: Indirizzo Mac 6 bytes expressi in notazione esadecimale Primi 3 bytes: identificativo del costruttore Indirizzo Interfaccia tempo 74:29:9c:e8:ff:55 88:b2:2f:54:1a:0f 2 1 9:32 10: I bridge sono in grado di creare automaticamente e dinamicamente le tabelle sulla base degli indirizzi delle sorgenti Bridge: Apprendimento all indietro Indirizzo Interfaccia Segmento 1 BRIDGE Segmento A1-40-9A-26 Segmento 3 rama in uscita 00-0A D-36 Indirizzo Interfaccia A A Segmento E-0A-2A-28 BRIDGE Segmento 8 Indirizzo Interfaccia A A1-40-9A-26 1 rama per A scarta Segmento 3 BRIDGE Indirizzo Interfaccia A A1-40-9A A D-36 8 Segmento 1 Segmento 3 Segmento 8 rama per E-0A-2A-28

23 Indirizzo Bridg: apprendimento all indietro BRIDGE Interfaccia Segmento 8 Segmento 1 Segmento A D A1-40-9A-26 rama in uscita Indirizzo Interfaccia A Indirizzo Interfaccia A A1-40-9A-26 1 rama per A A Segmento E-0A-2A-28 BRIDGE Segmento 8 Segmento 2 scarta BRIDGE Indirizzo Interfaccia Segmento 1 Segmento A A1-40-9A-26 1 Segmento 2 rama per E-0A-2A A D-36 8 Bridge: Esempio (1/3) BRIDGE 1 Indirizzo Interfaccia 00-0A A1-40-9A-26 Segmento 1 BRIDGE 1 Segmento 3 Segmento A D A E-0A-2A-28 BRIDGE 2 Indirizzo Interfaccia 00-0A BRIDGE 2 Segmento A A rama in iscita da 00-0A Segmento A

24 Bridge: Esempio (2/3) BRIDGE 1 Indirizzo Interfaccia 00-0A A D A1-40-9A-26 Segmento 1 BRIDGE 1 Segmento 3 rama per 00-0A Segmento A D A E-0A-2A-28 BRIDGE 2 Indirizzo Interfaccia 00-0A A D-36 3 BRIDGE 2 Segmento A A Segmento A Bridge: Esempio (3/3) BRIDGE 1 Indirizzo Interfaccia 00-0A A D A1-40-9A-26 1 rama per 00-0A A1-40-9A-26 Segmento 1 BRIDGE 1 Segmento 3 Segmento A D A E-0A-2A-28 BRIDGE 2 Indirizzo Interfaccia 00-0A A D A1-40-9A-26 3 BRIDGE A Segmento 14 Segmento A A

25 Switch Svolge le stesse funzioni del bridge (inoltro e filtraggio dei pacchetti) Differenze con il bridge: Maggior numero di porte: un bridge ha generalmente 2-4 porte, uno switch può avere decine di interfacce rasmissione full-duplex Cut-through switching : non è necessario salvare un pacchetto in ingresso prima di inoltrarlo sul collegamento di uscita SWICH Connessione 10base Scheda costituita da 1 8 connettori Internetworking Stazione Bridge Router Hub Stazione Appl ras Rete LLC MAC Fis LLC MAC Fis Rete LLC MAC Fis Fis Appl ras Rete LLC MAC Fis LAN 1 Sezione 1 LAN 1 Sezione 2 LAN 2

26 Virtual LAN (VLAN) (1/3) Permette di organizzare i gruppi di utenti in differenti LAN virtuali sulla base della struttura organizzativa aziendale (dipartimenti, reparti, etc) piuttosto che sulla dislocazione fisica degli utenti Nella Ethernet classica (basata su hub, switch, etc) se un utente cambia ufficio, l amministratore di rete deve collegare l interfaccia di rete dell utente all hub di pertinenza e a volte tale hub può non essere raggiungibile Una VLAN permette di ri-cablare gli edifici via software Virtual LAN (VLAN) (2/3) Sono basate su bridge e switch progettati ad-hoc Bridge e switch hanno delle apposite tabelle di configurazione dove sono indicate le VLAN accessibili e da quali porte Le VLAN e le porte sui bridge e switch vengono distinte, ad esempio, da differenti colori I J K L 3 H A B C D G H 1 4 B1 GW GW B2 E F G H H GW W 2 H M N O 4 LAN fisiche, 2 LAN virtuali 2 LAN virtuali I J K L G G G G A B C D G G W S1 W GW W G S2 W G E F G H W W W M N O

27 Virtual LAN (VLAN) (3/3) Se un utente della LAN fisica 4 diventa un utente della LAN virtuale grigia allora la porta da B2 verso la LAN fisica 4 dovrà diventare GW I bridge o gli switch riconoscono di quale colore sono i frame in ingresso sulla base Del colore della VLAN attribuito alla porta nella quale il frame sta entrando Del colore della VLAN attribuito all indirizzo MAC del frame in ingresso Del colore della VLAN attribuito all indirizzo IP del pacchetto contenuto nel frame di ingresso Realizzazione di una LAN Internet Router 100Mbit/s 100Mbit/s WWW Server Bridge Mail server HUB HUB HUB

28 Effetto del ritardo di propagazione nel CSMA Il ritardo di propagazione (D) nel caso di accesso multiplo in accordo al protocollo CSMA ha un effetto importante sulle prestazioni del protocollo Da tale valore dipende infatti la lunghezza minima della UI CSMA Spazio t o istante in cui inizia a trasmettere S 2 S 1 S 2 S 3 S 4 t 1 istante in cui inizia a trasmettere S 3 tempo Periodo di collisione

29 Spazio S 1 S 2 S 3 S 4 t o t 1 Periodo di collisione tempo CSMA/CD Rivelazione della collisione ed interruzione della trasmissione empo necessario per rivelare una collisione Caso peggiore=2d S1 Collisione (1bit) S2 S1 D S2 D

30 Effetto del ritardo di propagazione Se 2D= 51,2 µs (caso di 4 ripetitori e 5 segmenti) e R= 10 Mbit/s, la lunghezza minima di una PDU di strato MAC è uguale a 64 byte (es. LAN Ethernet) Se invece fosse R= 1 Gbit/s, risulterebbe una lunghezza minima di 6400 byte. Modello semplificato del CSMS-CD rama rama rama rama Periodo di trasmissione Periodo di contesa Periodo idle Slot di contesa=intervallo temporale necessario a due stazioni per accorgersi di una avvenuta contesa=2d

31 Probabilità di successo Se k stazioni tentano una trasmissione con probabilità p all inizio di ogni intervallo di contesa, la probabilità di successo per una stazione è P r =kp(1 p) k 1 ; Il valore massimo si ottiene per p=1/k per k Pr=1/e; Pr max = k 1 k k 1 1 Probabilità di successo Probabilità di successo /e Numero di stazioni "pronte"

32 Probabilità di successo Indichiamo con A la probabilità di successo La probabilità che l intervallo di contesa sia costituito da j slots è A*(1-A) j-1 e quindi il numero medio di slot per contesa è: j =0 ja( 1 A) j 1 = 1 A Il valore medio del tempo per risolvere le contese è 2D/A che nel caso di p ottima è 2De. Efficienza Se il tempo necessario a trasmettere una trama è di secondi, quando le stazioni hanno tante trame da trasmettere, l'efficienza del protocollo è: E = + 2D / A

33 Se si assume: Efficienza la dimensione della trama=l la capacità del canale= R la lunghezza del bus = F la velocità di propagazione del segnale=c allora: E = L / R L / R + 2Fe / c 1 = 1 + 2eFR / cl Il fattore che gioca è il prodotto ritardoxlarghezza di banda (F*R); per R=10 Mbit/s e F=2500 m (c km/s), si ha S=1/(1+85/L), con L in bytes Al crescere del rapporto R*F l efficienza diminuisce 2D=51.2 µs, R=10Mbit/s Efficienza Lunghezza trame=1024 bytes Lunghezza trame=512 bytes Efficienza Lunghezza trame=256 bytes Lunghezza trame=128 bytes Lunghezza trame=64 bytes Numero di stazioni "pronte"