Livelli Fisico e Data Link, LAN.

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1 Livelli Fisico e Data Link, LAN mauro.gaspari@unibo.it 1

2 Il livello fisico e Topologie di rete 2

3 Il livello fisico I protocolli sono realizzati sopra il livello fisico Lo scopo del livello fisico è di trasportare un flusso grezzo di bit da una macchina all altra. Analizziamo nel dettaglio Le connessioni (reali) tra gli host Non si trattano messaggi Effetti di propagazione che possono modificare i segnali in corso di trasmissione. 3

4 Segnali e propagazione Segnale trasmesso I segnali ricevuti possono essere attenuati & distorti a causa di effetti di propagazione Propagazione Mittente Mezzo di trasmissione Ricevente Se i problemi di propagazione sono eccessivi il ricevente non sara' in grado interpretare il segnale trasmesso. 4

5 Dati e segnali binari 15 Volts (0) 0 Volts 0 0 Ci sono due stati (in questo caso livelli do voltaggio). Uno, (alto) rappresenta uno 0. L altro (basso) rappresenta un 1. 1 Segnale trasmesso -15 Volts (1) 5

6 Dati e Segnali binari 15 Volts (0) 0 Volts Ciclo di clock 0 0 Il tempo è diviso in cicli di clock Lo stato rimane costante in ciascun ciclo di clock. E può cambiare improvvisamente alla fine di ciscun ciclo. Ogni ciclo di clock viene spedito un bit. -15 Volts (1) 1 Segnale trasmesso NB. il segnale e' costante all'interno di un ciclo di clock. 6

7 Porta seriale Volts Clock Cycle 0 3 Volts Volts -3 Volts Volts 7

8 Attenzione agli effetti di propagazione 15 Volts 0 3 Volts 0 Volts -3 Volts 1-15 Volts Messaggio trasmesso (12 Volts) Messaggio ricevuto (6 volts) Nonostante la perdita del 50% in voltaggio, il ricevente e' in grado di capire che il messaggio non e' 0 8

9 Dati e Segnali digitali Client PC Nella trasmissione binaria, ci sono due stati. Nella trasmissione digitale, ci sono pochi stati (in questo caso, 4). Con quattro stati, è possibile spedire due bit di informazione per ogni ciclo di clock: 00, 01, 10, and 11 La trasmissione binaria può essere vista come un caso base della trasmissione digitale. Attenzione con il digitale ci sono piu' problemi con la propagazione. Server 9

10 Mezzi di trasmissione Diversi mezzi fisici Mezzi guidati (wire) ad esempio cavetti Mezzi non guidati (wireless) ad esempio radio Caratteristiche Larghezza di banda Ritardo Costo Facilità di installazione 10

11 Doppini vs UTP doppini: due fili di rame isolati intrecciati (per ridurre interferenze elettriche) insieme in una forma elicoidale Diversi chilometri senza amplificazione Utilizzabili per trasmissioni analogiche e digitali Larghezza di banda dipende dallo spessore del filo e dalla distanza percorsa (diversi megabit/s). Basso costo UTP: Unshielded Twisted Pair (non schermati) evoluzione dei doppini 11

12 Unshielded Twisted Pair (UTP) con connettori RJ-45 Singolo doppino Quattro coppie (ciascuna coppia e intrecciata) Isolamento Protettivo in Teflon C e un isolamento attorno a ciascun cavo. 12

13 Unshielded Twisted Pair (UTP) con connettori RJ-45. Non c è isolamento metallico schermante intorno ai cavi ed intorno ai singoli doppini, il nome UTP deriva da questa caratteristica Cavetto UTP 13

14 Unshielded Twisted Pair (UTP) con connettori RJ-45 Un cavetto UTP termina con un connettore RJ-45 a 8-pin Che va inserito in un adeguata presa RJ-45 in uno switch NIC o nella parete. Pin 1 sulla sinistra della presa 8-Pin RJ-45 Connettore RJ-45 Presa 14

15 Unshielded Twisted Pair (UTP) con connettori RJ-45 Cavetto UTP RJ-45 Connettori 15

16 Unshielded Twisted Pair (UTP) con connettori RJ-45 Con connettore RJ-45 Penna 4 coppie Separate 16

17 Rumore e attenuazione Potenza Segnale Livello di rumore (media) Rumore Distanza 17

18 Rumore e attenuazione Potenza Segnale Picco di rumore Danno Livello di rumore (media) Noise Distance 18

19 Rumore e attenuazione Potenza Signalto-Noise Ratio (SNR) Segnale SNR = Potenza Segnale / Rumore Se il SNR è alto gli errori sono rari Il segnale che si propaga si attenua, E gli errori dovuti al rumore tendono ad aumentare Noise Floor (average) Noise Distance 19

20 Cavi in Fibra Ottica 125 micron diameter Cladding Sorgente Di luce (LED o Laser) Nucleo 8.3, 50 or 62.5 Micron Raggio Di luce I raggi si riflettono nel nucleo/sui limiti del cladding 20

21 Wavelength Division Multiplexing (WDM) nelle Fibre Ottiche Sorgente di luce 1 Nucleo della fibra ottica Sorgente di luce 2 Diverse sorgenti luminose trasmettono su diverse lunghezze d onda Ciascuna di esse trasporta segnali diversi fra loro In questo modo si ottiene più capacità per ciascuna fibra 21

22 Cavo in Fibra ottica Full-Duplex SC, ST, o altri connettori Cavo in Fibra ottica Switch Cavo in Fibra ottica Router Per effettuare una trasmissione full-duplex (simultaneamente nelle due direzioni ) sono necessari due cavi in fibra. Ciascuna fibra ottica propaga il segnale in un unica direzione. 22

23 Pen and Full-Duplex Optical Fiber Cords with SC and ST Connectors ST Connectors (Push In and Snap) ST Connectors (Bayonet: Push In and Twist) 23

24 Cavi in Fibra ottica Due cavi in fibra ottica per trasmissione fullduplex (two-way) Connettori ST (Diffusi) Connettore SC (consigliato) 24

25 Cavo coassiale Struttura: Filo di rame rigido come nucleo circondato da materiale isolante. Isolante racchiuso da un spesso come una maglia fittamente intrecciata Il conduttore esterno è coperto da una guaina protettiva in plastica La costruzione e la schermatura del cavo coassiale da una buona combinazione di larghezza di banda e eccellente immunità al rumore La larghezza di banda possibile dipende dalla lunghezza del cavo. 25

26 Cavi coassiali sottile Un cavo coassiale "sottile" per Ethernet 10Base-2 già dotato di connettore BNC. 10 Mbps, con una trasmissione di tipo baseband (un solo canale trasmissivo comune a tutti) distanza massima di 200 metri. 26

27 Trasmissione Radio e Effetti di Propagazione 27

28 Antenne Omnidirectional e a piatto Dish Antenna Concentra I segnali in Arrivo e quelli in uscita I segnali possono viaggiare veloci Omnidirectional Antenna Non c e bisogno di puntare direttamente Al mittente o al ricevente Attenuazione rapida con La distanza 28

29 Onde Radio Lunghezza d onda Ampiezza Frequenza Misurata in Hertz (cicli di clock per Secondo) 2 cicli in 1 Secondo, sono 2 Hz Lunghezza d onda * Frequenza = Velocità di propagazione 29

30 Frequenze 30

31 Problemi di propagazione Wireless Inverse Square Law Attenuation Laptop Comm. Tower Attenuazione molto rapida all aumentare della distanza Rispetto ai cavi o alle fibre ottiche 31

32 Problemi di propagazione Wireless Interferenze Multipath Zona d ombra: No Signal Laptop Comm. Tower I segnali che arrivano in tempi leggermete diversi possono interferire 32

33 Reti Locali: Reti Ethernet 33

34 Esempio Elementi di una piccola rete ethernet di PC moderna a stella Connessione a Internet UTP Broadband Modem Ethernet Switch UTP Router di accesso UTP UTP UTP D C4-B6-9F Servente A1-44-D5-1F-AA-4C Cliente B2-CD-13-5B-E4-65 Cliente C3-2D-55-3B-A9-4F Servente 34

35 Network Interface Card (NIC) Ogni host deve avere una network interface card (NIC) Questa regola vale sia per i clienti che per i serventi La schede NIC realizza i protocolli della rete locale. 35

36 Standard Ethernet Gli standard Ethernet Influiscono sugli switches Influiscono sui cavi Influiscono sugli host (network interface cards) 36

37 Standards Ethernet Standardizzazione: Institute of Electrical and Electronics Engineering (IEEE). 802 LAN/MAN Standards Committee (802 Committee) si occupa di definire gli standards per le LAN; Il Working Group e responsabile della creazioni degli standard Ethernet. Per questo motivo gli standard Ethernet sono anche conosciuti come standard Gli attuali Standards Ethernet a livello fisico utilizzano principalmente connettori UTP (diverse categorie da 5 in su) 37

38 Hubs e Switches: 19 Stackable/Rack- Mountable 38

39 Funzionamento di uno Switch Ethernet Switch Uno switch spedisce un frame Su una singola porta Quella che collega il ricevente UTP UTP Frame UTP UTP Frame D C4-B6-9F On Switch Port 16 A1-44-D5-1F-AA-4C On Switch Port 10 B2-CD-13-5B-E4-65 On Switch Port 13 C3-2D-55-3B-A9-4F On Switch Port 15 39

40 Funzionamento di uno Switch con Conversazioni multiple simultanee Ethernet Switch Sono possibili conversazioni multiple simultaneee UTP UTP UTP UTP D C4-B6-9F On Switch Port 16 A1-44-D5-1F-AA-4C On Switch Port 10 B2-CD-13-5B-E4-65 On Switch Port 13 C3-2D-55-3B-A9-4F On Switch Port 15 40

41 Ethernet Tabella di Switching Tabella di Switching Port host A1-44-D5-1F-AA-4C B2-CD-13-5B-E4-65 C3-2D-55-3B-A9-4F 15 C3-2D-55-3B-A9-4F 16 D C4-B6-9F UTP Ethernet Switch UTP UTP Frame UTP D C4-B6-9F On Port 16 Frame A1-44-D5-1F-AA-4C B2-CD-13-5B-E4-65 On Port 10 On Port 13 C3-2D-55-3B-A9-4F On Port 15 41

42 Grandi LAN Ethernet a struttura gerarchica Switch 2 Port 5 on Switch 1 to Port 3 on Switch 2 Port 7 on Switch 2 to Port 4 on Switch 3 Switch 1 Switch 3 C3-2D-55-3B-A9-4F Switch 2, Port 5 B2-CD-13-5B-E4-65 Switch 1, Port 7 A1-44-D5-1F-AA-4C Switch 1, Port 2 D4-55-C4-B6-9F Switch 3, Port 2 E5-BB D3-56 Switch 3, Port 6 42

43 Multi-Switch Ethernet LAN Switch 2 Switch 1 Port 5 on Switch 1 to Port 3 on Switch 2 Tabella Switching Switch 1 Port host 2 A1-44-D5-1F-AA-4C 7 B2-CD-13-5B-E4-65 C3-2D-55-3B-A9-4F 5 D C4-B6-9F 5 E5-BB D3-56 B2-CD-13-5B-E4-65 Switch 1, Port 7 A1-44-D5-1F-AA-4C Switch 1, Port 2 E5-BB D3-56 Switch 3, Port 6 43

44 Multi-Switch Ethernet LAN Switch 2 Port 5 on Switch 1 to Port 3 on Switch 2 Port 7 on Switch 2 to Port 4 on Switch 3 C3-2D-55-3B-A9-4F Switch 1 Switch 2, Port 5 Switch 3 Tabella Switching Switch 2 Port host A1-44-D5-1F-AA-4C 3 B2-CD-13-5B-E4-65 C3-2D-55-3B-A9-4F D C4-B6-9F 7 E5-BB D3-56 E5-BB D3-56 Switch 3, Port 6 44

45 Multi-Switch Ethernet LAN Switch 2 Tabella Switching Switch 3 Port Host 4 A1-44-D5-1F-AA-4C B2-CD-13-5B-E C3-2D-55-3B-A9-4F 2 D C4-B6-9F 6 E5-BB D3-56 Port 7 on Switch 2 to Port 4 on Switch 3 Switch 3 A1-44-D5-1F-AA-4C Switch 1, Port 2 D4-55-C4-B6-9F Switch 3, Port 2 E5-BB D3-56 Switch 3, Port 6 45

46 Ethernet LAN Gerarchiche Solo un Possibile Cammino tra ogni coppia di host Ethernet Switch A Ethernet Switch B PC Client 2 Ethernet Switch C Ethernet Switch D Ethernet Switch E Ethernet Switch F Client PC1 Server X Server Y 46

47 Auto-configurazione con DHCP Messaggio di richiesta di Autoconfigurazione: Il mio indirizzo NIC di 48-bit e B Spediscimi un indirizzo IP di 32-bit. Host Mittente Messaggio di risposta all auto-configurazione: Il computer all indirizzo NIC B , L indirizzo IP di 32-bit e Eventualmente altri parametri di configurazione. Host Auto configurazione 47

48 Accesso a Internet PC o Switch UTP Router di accesso UTP Cavo o ADSL Modem Desktop access router for very small group Spesso ha uno switch built-in Una porta per connettersi a un cavo o un modem ADSL Una porta per connettersi a un PC o uno switch Router di accesso 18 cm (7 in) wide 48

49 Le principali topologie Stella (Ethernet Moderne) Switch Stella estesa o gerarchia (Ethernet Moderne) Root Switch Solo un possibile cammino tra due host Switch Switch 49

50 Reti Locali: Rete Wireless 50

51 Una tipica rete LAN wireless con punto di accesso Large Wired Ethernet LAN Ethernet Switch Access Point Command Message Router UTP Radio Transmission Laptop Mobile Client Server Grossa LAN cablata Internet Gli access point controllano gli host nella rete wireless (transmission power, etc.) 51

52 Una tipica rete LAN wireless con punto di accesso Large Wired Ethernet LAN Ethernet Switch Access Point Router UTP Communication Radio Transmission Laptop Mobile Client Server Grossa LAN cablata Internet Gli access point servono da bridges tra gli host wireless e una LAN cablata con servers and routers per l'accesso a internet 52

53 Una tipica rete LAN wireless con punto di accesso Switch UTP CSMA/CA+ACK Radio Link Access Point A Notebook Client PC Server UTP Access Point B Handoff Se un portatile Si sposta verso un altro punto di accesso, Sposta il servizio su Quel punto di accesso Grossa LAN cablata Internet 53

54 Una tipica rete LAN wireless con punto di accesso D-Link Wireless Access Point L utilizzo di due antenne riduce le interferenze Multipath 54

55 Una tipica rete LAN wireless con punto di accesso Linksys Switch With Built-In Wireless Access Point L utilizzo di due antenne riduce le interferenze Multipath 55

56 Wireless LAN Standards (Table) b a g g if g access point serves an b station Unlicensed Band Crowded Band? Attenuation 2.4 GHz 5 GHz 2.4 GHz 2.4 GHz Yes No Yes Yes Lower Higher Lower Lower Note: b reached market before a 56

57 Wireless LAN Standards (Table) Source for throughput data: Broadband.com a, operating at a higher frequency, has more attenuation Than b Rated Speed b a g 11 Mbps 54 Mbps 54 Mbps g if g access point serves an b station Not Specified Actual Throughput, 3 m Actual Throughput, 30 m 6 Mbps 25 Mbps 25 Mbps 12 Mbps 6 Mbps 12 Mbps 20 Mbps 11 Mbps 57

58 Wireless LAN Standards (Table) b a g g if g access point serves an b station Actual Throughput, 30 m Are These Aggregate Or Individual Throughputs? 6 Mbps 12 Mbps 20 Mbps 11 Mbps Aggregate throughputs; Individual throughputs are lower 58

59 Figure 5-14: Wireless LAN Standards (Table), Continued b a g g if g access point serves an b station Unlicensed Band 2.4 GHz 5 GHz 2.4 GHz 2.4 GHz Number of Non- Overlapping Channels 3 Da 12 a GHz non-overlapping channels are 1, 6, and 11 59

60 Elementi base di Sicurezza E possibile ricevere attacchi anche da fuori di un edificio Un furgone potrebbe girare per una citta e cercare di attaccare le reti wireless non protette Intercettare conversazioni o installare programmi per attacchi attivi. Attacco da fuori Edificio con una WLAN 60

61 Prime tipologie di sicurezza su Il comportamento di default delle vecchie NIC e dei vecchi punti di accesso e che la sicurezza non è abilitata, questo rende semplici gli attacchi esterni in molti casi I costruttori di WLAN offrono Wired Equivalent Privacy (WEP), ma di solito sono deboli e si possono aggirare in modo semplice. Il gruppo di lavoro su ha prodotto una tecniva basata su un rimpiazzo temporaneo Temporal Key Integrity Protocol (TKIP) e su un programma di sicurezza a lungo termine, i. 61

62 802.11i e autenticazione i Specifica un protocollo di autenticazione denominato: Extensible Authentication Protocol (EAP) Per processo di autenticazione si intende che un dispositivo (host) deve dimostrare la sua autenticita ad un altro dispositivo. In genere si utilizza un server per l'autenticazione. 62

63 Extensible Authentication Protocol (EAP) Switch 1. EAP Data Access Point A Notebook Client PC Server di Autenticazione LAN Ethernet Questa figura illustra l'autenticazione di un cliente tramite un access point 63

64 Extensible Authentication Protocol (EAP) Switch 2. EAP Data Access Point A Notebook 3. EAP Data Client PC Authentication Server Ethernet LAN L'autenticazione è gestida da un server e non dall'access point. Questo semplifica gli access point e li rende meno cari. L'autenticazione centralizzata c'è più semplice da gestire e modificare. 64

65 Extensible Authentication Protocol (EAP) Switch OK 4. Access Point A Notebook Accept Client PC Server di Autenticazione Ethernet LAN OK 4. Se arriva una risposta OK, l'access point puo accettare la richiesta di associazione del cliente. Se invece la risposta è un bad report, l'access point blocca la richiesta di autenticazione del cliente. 65

66 Prima realizzazione parziale di i Wireless Protected Access (WPA) Primo metodo introdotto per limitare I problemi in attesa della realizzazione completa della sicurezza i. Caratteristiche di WPA che integra autenticazione con cifratura: Implementa TKIP. Autenticazione basata su PSK (for PreShared Key) oppure su un server di autenticazione (EAP). NB. chiave di almeno 20 caratteri! Facile da configurare e quindi utilizzabile bene nelle reti casalinghe. 66

67 802.11i WPA2 Aggiunge un ulteriore livello di sicurezza: Basato su AES: (Advanced Encryption Standard) supporta chiavi di cifratura lunghe 256 bit, ma non e compatibile con il vecchio hardware (significa che non si può abilitare caricando un nuovo firmware. Prevede inoltre la cifratura di tutto il frame e non solo dei dati come con i metodi precedenti. Rimane facile da utilizzare. 67

68 Personal Area Networks (PANs) Connettono dispositivi che risiedono o sono vicini a una singola scrivania PC, Stampante, PDA, Portatile, Cellulare Connettono dispositivi che si trovano o sono vicini a una persona Portatile, PDA, Cellulare L obiettivo e eliminare i cavi 68

69 Personal Area Networks (PANs) Ci possono essere tante PANs in una certa area Possibilità di overlap Dette piconets 69

70 vs Bluetooth LANs Bluetooth Focus Velocita Large WLANs Da 11 Mbps a 54 Mbps In entramne le direzioni Personal Area Network 722 kbps con un canale di ritorno di 56 kbps. Puo migliorare. Distanza 100 metri per le b (piu breve nella realta ) 10 metri (Puo migliorare) Numero di dispositivi Limitati solo da ragioni di banda e di traffico Solo 10 piconets, Ciascuna con un massimo di 8 dispositivi 70

71 vs Bluetooth LANs Bluetooth Scalabilita Costo Battery Drain Buona fornendo molti punti di accesso Piu Alto Alto Scarsa (ma e possibile aggiungere punti di accesso) Piu basso Basso Discovery No Si Discovery rende possibile la configurazione automatica dei dispositivi per farli lavorare insieme 71

72 ATM (Asynchronous Transfer Mode) Competono con Ethernet per le LAN con switch Quality of Service (QoS) per trasmissioni telefoniche e multimediali Scalabili in velocita come Ethernet Molto complesse, costose e difficili da gestire Non hanno avuto un grosso successo per le LAN Sta aumentando la loro popolarita nelle WAN 72

73 Le principali topologie Mesh (Routers, Frame Relay, ATM) A B Path ABD Diversi cammini alternativi tra due host C D Path ACD 73