Architettura e protocolli delle reti locali IEEE 802

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1 Novembre 2003 Reti e Sistemi Telematici - 2 Architettura e protocolli delle reti locali IEEE 802 Gruppo Reti TLC giancarlo.pirani@telecomitalia.it GIANCARLO PIRANI TELECOM ITALIA LAB RETI LOCALI - 1

2 Caratteristiche reti locali Piccola estensione geografica Mezzo trasmissivo condiviso può trasmettere solo un nodo alla volta Motivazioni: traffico impulsivo canale dedicato sarebbe male utilizzato quando trasmetto voglio alta velocità Trasmissione broadcast comodo per traffico broadcast e multicast si deve inserire indirizzo destinatario per unicast Topologie bus, anello, stella, bus monodirezionale GIANCARLO PIRANI TELECOM ITALIA LAB RETI LOCALI - 2

3 Multiplazione ed accesso multiplo Problema: condivisone di un canale Multiplazione: problema concentrato tutti i flussi disponibili in un unico punto di accesso al canale router, ponte radio, satellite, stazione base di rete cellulare Accesso multiplo: problema distribuito flussi accedono al canale da punti differenti, distanti reti locali, terminali mobili rete cellulare, stazioni di terra in comunicazioni via satellite GIANCARLO PIRANI TELECOM ITALIA LAB RETI LOCALI - 3

4 Possibile soluzione Condivisione rigida del canale si divide canale in piccole porzioni si allocano porzioni canale in modo esclusivo Tre possibili soluzioni Time Division Frequency Division Code Division Adottate nel caso della multiplazione con allocazione statica Se usate per accesso multiplo, necessario comunicare allocazione ai nodi GIANCARLO PIRANI TELECOM ITALIA LAB RETI LOCALI - 4

5 Protocolli per LAN Condivisione rigida (TDMA, FDMA, CDMA) adottabile in LAN? Problemi: serve allocazione dinamica a causa del traffico impulsivo (N code a velocità C peggio di 1 coda a velocità NC) necessario comunicare allocazioni Chi decide allocazione? Decisore centralizzato o replicato in modo distribuito? Che protocollo di accesso si utilizza per comunicare informazione al decisore e dal decisore ai nodi? Obiettivo: emulare multiplazione statistica! GIANCARLO PIRANI TELECOM ITALIA LAB RETI LOCALI - 5

6 Protocolli per accesso multiplo Gli umani usano protocolli ad accesso multiplo molto spesso Esempi: moderatore che decide chi parla allocazione su alzata di mano (prenotazione) accesso libero accesso libero, ma educato (se qualcuno parla taccio) passaggio ciclico di testimone GIANCARLO PIRANI TELECOM ITALIA LAB RETI LOCALI - 6

7 Allocazione dinamica dei canali nelle LAN Single Channel Assumption. Collision Assumption. (a) Continuous Time. (b) Slotted Time. (a) Carrier Sense. (b) No Carrier Sense. GIANCARLO PIRANI TELECOM ITALIA LAB RETI LOCALI - 7

8 Livelli di protocollo in una LAN Livello Fisico tramissione di un flusso di bit non strutturato livelli di voltaggio, temporizzazione, codifica, preambolo, modulazione Medium Access Control diritti di accesso alla trasmissione del frame scheduling e ritrasmissione Logical Link Control controlla il link logico fra due stazioni supervisione d errore, controllo di flusso, multiplazione, servizi CO o CL GIANCARLO PIRANI TELECOM ITALIA LAB RETI LOCALI - 8

9 RELAZIONE DEL MODELLO IEEE 802 CON OSI Application Presentation Session Transport Network Data link Physical Connectionless senza riscontro Connection oriented Connectionless con riscontro Service-access points ( ( ( Logical ) link ) control ) Medium-access control Physical GIANCARLO PIRANI TELECOM ITALIA LAB RETI LOCALI - 9

10 Protocolli per LAN: classificazione Diversi tipi di protocolli. Tre famiglie principali: a contesa o accesso casuale (CSMA/CD, Ethernet) ad accesso ordinato (Token Ring, Token Bus, FDDI) a slot con prenotazione (DQDB) Parametri per valutare protocolli LAN Capacità e traffico smaltito (throughput) Equità Ritardo (accesso, propagazione, consegna) Numero di stazioni, lunghezza della rete, topologia, facilità di realizzazione, robustezza GIANCARLO PIRANI TELECOM ITALIA LAB RETI LOCALI - 10

11 Protocolli accesso casuale Quando un nodo deve trasmettere trasmette il pacchetto alla velocità R del canale senza coordinarsi con altri nodi Se due o più nodi trasmettono contemporaneamente collisione I protocolli MAC ad accesso casuale specificano: come riconoscere collisione come recuperare a fronte di collisione (ritrasmissione) GIANCARLO PIRANI TELECOM ITALIA LAB RETI LOCALI - 11

12 Slotted Aloha Tempo diviso in slot (di uguale dimensione) I nodi trasmettono all inizio di uno slot Se c è collisione: ritrasmetto in altro slot con probabilità p, (oppure riprovo con ritardo casuale) fino al successo Success (S), Collision (C), Empty (E) slots GIANCARLO PIRANI TELECOM ITALIA LAB RETI LOCALI - 12

13 ALOHA Più semplice, non richiede sincronizzazione Trasmissione in qualunque istante, senza attendere inizio slot Probabilità di collisione aumenta: pacchetto giallo collide con altri pacchetti trasmessi in [t 0-1, t 0 +1] GIANCARLO PIRANI TELECOM ITALIA LAB RETI LOCALI - 13

14 Prestazioni ALOHA Throughput versus offered traffic for ALOHA systems. GIANCARLO PIRANI TELECOM ITALIA LAB RETI LOCALI - 14

15 Osservazioni Protocolli semplici Throughput limitato a valori bassi (collisioni) sotto ipotesi di traffico uniforme e infiniti utenti si ottiene efficienza massima 18% (ALOHA) o 37% (SLOTTED ALOHA) dipende dal tipo di traffico! Protocollo instabile! A basso carico, ritardo di accesso nullo o contenuto Ritardi di accesso non controllabili a priori in modo deterministico GIANCARLO PIRANI TELECOM ITALIA LAB RETI LOCALI - 15

16 CSMA: Carrier Sense Multiple Access Per aumentare throughput Ascolto canale prima di trasmettere se sento canale libero: trasmetto pacchetto se sento canale occupato, ritardo trasmissione CSMA persistente (1-persistente): riprovo immediatamente appena canale libero CSMA non-persistent (0-persistente): riprovo dopo tempo casuale CSMA p-persistente: con probabilità p sono 1- persistente, con probabilità (1-p) sono 0-persistente GIANCARLO PIRANI TELECOM ITALIA LAB RETI LOCALI - 16

17 CSMA persistente and non-persistente Confronto dell utilizzazione del canale in funzione del carico per vari protocolli di accesso casuale GIANCARLO PIRANI TELECOM ITALIA LAB RETI LOCALI - 17

18 Architettura di una rete Ethernet A B C D GIANCARLO PIRANI TELECOM ITALIA LAB RETI LOCALI - 18

19 Si verificano a causa ritardi di propagazione Collisione: spreco completamente tempo di trasmissione pacchetto Nota: la distanza (ritardo di propagazione) gioca ruolo fondamentale nella probabilità di collisione Periodo di vulnerabilità pari al ritardo di propagazione sul canale CSMA: collisioni? GIANCARLO PIRANI TELECOM ITALIA LAB RETI LOCALI - 19

20 CSMA/CD (Collision Detection) CSMA/CD aggiunge a CSMA se mi accorgo (in fretta) delle collisioni sospendo la trasmissione del pacchetto riduco lo spreco dovuto ad una trasmissione inutile Collision detection: facile nelle LAN cablate: misuro potenza segnale, confronto segnale ricevuto e trasmesso difficile in LAN wireless: half duplex (quando trasmetto ricevitore disattivo) GIANCARLO PIRANI TELECOM ITALIA LAB RETI LOCALI - 20

21 CSMA/CD collision detection GIANCARLO PIRANI TELECOM ITALIA LAB RETI LOCALI - 21

22 CSMA/CD: prestazioni Parametro fondamentale è il ritardo di propagazione end-to-end Più precisamente conta rapporto tra dimensione del pacchetto e dimensione della rete Prestazioni ottime su reti piccole (rispetto alla dimensione del pacchetto) e con velocità di trasmissione bassa Pacchetti grandi! Vincolo tra dimensione pacchetto e dimensione rete per riconoscere le collisioni GIANCARLO PIRANI TELECOM ITALIA LAB RETI LOCALI - 22

23 CSMA/CD: prestazioni (2) Si preferisce 1 persistente perchè migliore a basso carico ritardo di accesso inferiore costo collisione piccolo su reti piccole Instabile backoff esponenziale sulle ritrasmissioni Difficile separare traffico a diversa priorità Adottato nella rete Ethernet GIANCARLO PIRANI TELECOM ITALIA LAB RETI LOCALI - 23

24 Formato di trama IEEE Byte or 6 2 or n Preamble SFD DA SA Length LLC data Pad FCS Preamble = SFD = Start-Frame Delimiter DA = Destination Address SA = Source Address Pad = Serve a garantire una lunghezza minima di 64 Byte FCS = Frame-Check Sequence Il delimitatore di fine trama è in effetti il tempo di attesa fra la fine della trasmissione della trama e l inizio di quella successiva (9,6 µs) GIANCARLO PIRANI TELECOM ITALIA LAB RETI LOCALI - 24

25 Standard IEEE INTERNETWORKING INTERNETWORKING ARCHITECTURE LOGICAL LINK CONTROL MEDIUM ACCESS PHY MEDIUM ACCESS PHY MEDIUM ACCESS PHY MEDIUM ACCESS PHY LOGICAL LINK MEDIA ACCESS PHYSICAL GIANCARLO PIRANI TELECOM ITALIA LAB RETI LOCALI - 25

26 Standard per LAN Standardizzati negli anni 80 dal progetto IEEE 802, che ha definito: 802.1: Introduzione all Internetworking di LAN 802.2: sottolivello LLC 802.3: CSMA/CD (Ethernet) 802.4: Token Bus 802.5: Token Ring 802.6: DQDB (per reti MAN) GIANCARLO PIRANI TELECOM ITALIA LAB RETI LOCALI - 26

27 Standard per LAN 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 : 100 base VG : 100 base X : Bluetooth : Wireless Access Systems : Resilient Packet Ring GIANCARLO PIRANI TELECOM ITALIA LAB RETI LOCALI - 27

28 Strato 2 nelle reti locali Il livello 2 è diviso in due sottolivelli: LLC: Logical Link Control MAC: Medium Access Control rete LLC MAC fisico GIANCARLO PIRANI TELECOM ITALIA LAB RETI LOCALI - 28

29 Funzioni strato 2 in reti locali Delimitazione trama Sottostrato MAC (Silenzi tra pacchetti, SFD) Multiplazione IEEE LLC, MAC Ethernet Rivelazione errore sottostrato MAC Correzione errore sottostrato LLC Indirizzamento sottostrato MAC per identificare scheda, sottostrato LLC per multiplazione Controllo di flusso sull interfaccia (verso livelli superiori) sottostrato LLC GIANCARLO PIRANI TELECOM ITALIA LAB RETI LOCALI - 29

30 Indirizzi LLC Permettono la multiplazione di più protocolli di strato superiore = LSAP protocollo LLC RETE servizio LLC LLC servizio MAC MAC + PHY + mezzi trasmissivi GIANCARLO PIRANI TELECOM ITALIA LAB RETI LOCALI - 30

31 Indirizzi MAC Permettono di identificare la scheda = MSAP LLC MAC PHY GIANCARLO PIRANI TELECOM ITALIA LAB RETI LOCALI - 31

32 Indirizzi MAC Dimensione: tipicamente 6 byte Tradizionalmente scritti in una ROM della scheda dal costruttore (ora configurabili) 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 GIANCARLO PIRANI TELECOM ITALIA LAB RETI LOCALI - 32

33 Indirizzi MAC Indirizzi MAC possono essere: single o unicast: se riferiti ad una singola stazione multicast: se riferiti a gruppi di stazioni broadcast (FF FF FF FF FF FF): se riferiti a tutte le stazioni Due modalità di multicast: Solicitation: richiesta di servizio ad un gruppo multicast Advertisement: periodica diffusione di informazioni di appartenenza ad un gruppo multicast GIANCARLO PIRANI TELECOM ITALIA LAB RETI LOCALI - 33

34 Indirizzi MAC Una scheda MAC quando riceve un pacchetto (corretto) se indirizzo MAC destinazione coincide con quello di stazione lo accetta se indirizzo MAC destinazione broadcast lo accetta se indirizzo MAC destinazione multicast, lo accetta se il gruppo multicast è stato abilitato (di norma via software) Schede configurabili in modo promiscuo GIANCARLO PIRANI TELECOM ITALIA LAB RETI LOCALI - 34

35 Ethernet e IEEE CSMA-CD 1-persistente su topologia a bus Possono verificarsi collisioni a causa della distanza fisica delle stazioni sulla rete e della persistenza del protocollo 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 Il tempo casuale di attesa viene scelto con probabilità uniforme all interno dell intervallo [0, 2 k -1] slot, con k = min (n, 10) essendo n il numero di collisioni avvenute (dopo 16 collisioni il protocollo MAC segnala il problema ai livelli superiori). L unità base temporale è 51,2 µs che coincide con il tempo necessario per trasmettere una trama Ethernet a lunghezza minima. GIANCARLO PIRANI TELECOM ITALIA LAB RETI LOCALI - 35

36 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 = 2 T A T B T GIANCARLO PIRANI TELECOM ITALIA LAB RETI LOCALI - 36

37 Ethernet: parametri di progetto Il tempo di trasmissione di una trama non può essere inferiore al RTD La velocità del mezzo trasmissivo e le dimensioni della rete determinano quindi la lunghezza minima della trama L C d 2 v min = τ = 2 La lunghezza di trama dipende anche dall IPG (Inter-Packet Gap), che segnala la fine trama Diametro del Collision Domain max GIANCARLO PIRANI TELECOM ITALIA LAB RETI LOCALI - 37

38 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 dispositivi di tipo store and forward (bridge, switch o router) sono in collision domain diversi GIANCARLO PIRANI TELECOM ITALIA LAB RETI LOCALI - 38

39 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 a 10Mbit/s è di 2800m e dipende da: lunghezza massima dei cavi (attenuazione del segnale che induce uso di repeater) ritardo di propagazione (round trip delay) GIANCARLO PIRANI TELECOM ITALIA LAB RETI LOCALI - 39

40 Ethernet: livello fisico Velocità trasmissione: 10 Mb/s (bit time = 0.1µs) Codifica Manchester (20Mbit/s di clock per facilitare recupero sincronismo in rete asincrona) Stazioni: max 1024 Mezzi trasmissivi: 10 BASE 5: cavo coassiale spesso RG BASE 2: cavo coassiale sottile RG58 10 BASE T: doppino telefonico UTP da 100 Ohm 10 BASE FL (Link), 10 BASE FB (Backbone), 10 BASE FP (Passive): fibra ottica multimodale, prima finestra infrarossi, radio,... GIANCARLO PIRANI TELECOM ITALIA LAB RETI LOCALI - 40

41 802.3 Tipi di cablaggio Tre tipi di cablaggio (a) 10Base5, (b) 10Base2, (c) 10Base-T. GIANCARLO PIRANI TELECOM ITALIA LAB RETI LOCALI - 41

42 Reti locali di nuova generazione - Scenario Offrire reti locali, più veloci, più affidabili, meno costose Cablaggio strutturato topologia a stella gerarchica, ovvero collapsed backbone Il centro stella può essere hub (banda condivisa) switch (banda dedicata) Centro stella ridondato Evoluzioni di Ethernet (ma possibile anche per Token Ring, FDDI,...) GIANCARLO PIRANI TELECOM ITALIA LAB RETI LOCALI - 42

43 Ethernet a 10, 100, 1000, Mb/s Banda confrontabile con la velocità interna dei terminali Cavo coassiale condiviso Distanza limitata (~ 1 km) da attenuazione e ritardi di propagazione Bassi costi dovuti a semplicità ed economia di scala Hub (switch): banda e cavi condivisi (dedicati) ai terminali GIANCARLO PIRANI TELECOM ITALIA LAB RETI LOCALI - 43

44 Ethernet a 10, 100, 1000, Mb/s Collegamento in cavo metallico o fibra ottica. Se le scatole sono switch, aumenta la banda, migliora la gestibilità, ma rete a commutazione di pacchetto non controllata. Protocollo Spanning Tree per eliminazione cicli e recupero guasti. 50% 25% 25% GIANCARLO PIRANI TELECOM ITALIA LAB RETI LOCALI - 44

45 Ethernet a 10, 100, 1000, Mb/s Le porte dello switch possono operare in half duplex o full duplex (un trasmettitore parla sempre con lo stesso ricevitore). Nel caso full duplex: non serve un protocollo d accesso (Ethernet diventa una tecnica di framing e trasmissiva) limiti di distanza puramente di tipo trasmissivo (si possono raggiungere decine di chilometri) GIANCARLO PIRANI TELECOM ITALIA LAB RETI LOCALI - 45

46 Possibile organizzazione gerarchica LAN GIANCARLO PIRANI TELECOM ITALIA LAB RETI LOCALI - 46

47 Ethernet Switching Tecnologia Ethernet in cui sono usati switch al posto degli hub Gli Ethernet switch sono bridge, spesso con una porta dedicata per ogni stazione Instradamento cut-through (minore ritardo, non controllo FCS) possibile se stesso MAC su tutte porte, stessa velocità su tutte le porte, porta destinazione libera, trama unicast store-and-forward fragment free (non trasmetto pacchetti collisi) GIANCARLO PIRANI TELECOM ITALIA LAB RETI LOCALI - 47

48 Ethernet a 100Mb/s Velocità di trasmissione, lunghezza minima del pacchetto e RTT sono legati Per realizzare una Ethernet a 100Mb/s bisogna aumentare dimensione pacchetto ridurre dimensione rete modificare il protocollo Due soluzioni: Fast Ethernet (100Base-T) CSMA/CD 100VG AnyLAN Nuovo MAC polling GIANCARLO PIRANI TELECOM ITALIA LAB RETI LOCALI - 48

49 Gigabit Ethernet Uso formato di trama Uso protocollo MAC CSMA-CD (trasmissione punto punto con switch) Operazioni half duplex e full duplex Backward compatibility con mezzi fisici già installati (fibre mono e multimodali, doppino) Aumenta di un fattore 10 dimensione minima di pacchetto con padding di caratteri speciali Codifica 8B10B GIANCARLO PIRANI TELECOM ITALIA LAB RETI LOCALI - 49

50 TOKEN-RING Configuration A D B C GIANCARLO PIRANI TELECOM ITALIA LAB RETI LOCALI - 50

51 Operazione del TOKEN-RING B A Token C La stazione con una trama da trasmettere cerca un Token Cambia il Token con una Sequenza Start-of-Frame e appende il resto della trama D B A Data C La stazione destinataria copia la trama ad essa indirizzata. D B Data A Token C Il trasmettitore genera un Token quando riceve l Header della trasmissione fisica D GIANCARLO PIRANI TELECOM ITALIA LAB RETI LOCALI - 51

52 IEEE FRAME FORMAT Octets or 6 2 or SD AC FC DA SA Data unit FCS ED FS SD = Start Delimiter AC = Access Control FC = Frame Control DA = Destination Address SA = Source Address FCS = Frame-Check Sequence General frame format ED = End Delimiter FS = Frame Status J K 0 J K J, K = Nondata bits P P P PPP = Priority bits T = Token bit Starting Delimiter field T M RRR = Request bits M = Monitor bit Access-Control field R R R J K 1 J K 1 A J, K = Nondata bits I = Intermediate-frame bit E = Error-detection bit C Ending Delimiter field r r A C I E r r F F Z Z Z Z Z Z FF = Frame-type bits ZZZZZZ = Control bits Frame-Control field A = Address-recognized bit C = frame-copied bit Frame-Status field rr = reserved GIANCARLO PIRANI TELECOM ITALIA LAB RETI LOCALI - 52

53 IEEE TOKEN FRAME FORMAT SD AC ED J K 0 J K Token frame format J, K = Nondata bits Starting Delimiter field P P P T M R R R J K 1 J K 1 I E PPP = Priority bits T = Token bit Access-Control field RRR = Request bits M = Monitor bit J, K = Nondata bits I = Intermediate-frame bit E = Error-detection bit Ending Delimiter field GIANCARLO PIRANI TELECOM ITALIA LAB RETI LOCALI - 53

54 IEEE FRAME FIELDS Starting delimiter indica l inizio di un frame non si puó confondere con i dati codificato JK0JK000 J,K simboli non di dato dipendenti dal coding fisico Access control T = 0 token libero Frame control FF=00 => LLC data frame GIANCARLO PIRANI TELECOM ITALIA LAB RETI LOCALI - 54

55 IEEE FRAME FIELDS Ending delimiter E = 1 errore rivelato da un qualsiasi ricevente I = 1 non è l ultimo frame del messaggio Frame status A = 1 destinatario esistente a livello MAC C = 1 trama copiata dal destinatario GIANCARLO PIRANI TELECOM ITALIA LAB RETI LOCALI - 55

56 Operazioni sull anello Input anello Output anello Input anello Output anello Input stazione Output stazione Input stazione Output stazione (a) stato di ascolto (b) stato di trasmissione GIANCARLO PIRANI TELECOM ITALIA LAB RETI LOCALI - 56

57 Esempio di operazioni con 4 stazioni A A EDAC SD InfoSA DAFC ACSD D B D B a) ricezione token C C b)inizio trasmissione di trama A A Information SADAFC ACSD ED AC SDFS EDFCS D B D B SD ACFC DASAC Information Information Information C c) trasmissione di trama d) rilascio token GIANCARLO PIRANI TELECOM ITALIA LAB RETI LOCALI - 57

58 Stazione Monitor Elezione di una stazione che funge da controllore: Active Monitor attraverso una procedura di claim token Pulizia dell anello a elezione avvenuta: ring purge Emissione periodica di una trama AMP: Active Monitor Presence Timer: THT (Timer Holding Token) 9,1 ms TNT (Timer No Token) 2,6 ms TVX (Timer Valid Transmission) 10 ms TAM (Timer Active Monitor) 7 s TSM (Timer Standby Monitor) 15 s Altri compiti dell Active Monitor: controllare che le trame non circolino nell anello all infinito (mettendo a 1 il bit M del campo AC verificare che la latenza minima sull anello sia di 24 bit GIANCARLO PIRANI TELECOM ITALIA LAB RETI LOCALI - 58

59 Parametro di progetto τ + N B C L min C L min τ N B lunghezza minima dell unità informativa (L min = 24 bit, cioè la lunghezza del token ritardo di propagazione sul mezzo trasmissivo che forma l anello numero di stazioni sull anello il ritardo di attraversamento di una stazione normalizzato al tempo di trasmissione di un bit (1/C) GIANCARLO PIRANI TELECOM ITALIA LAB RETI LOCALI - 59

60 Il Protocollo MAC Sublayer (a) Il problema della hidden station. (b) Il problema della exposed station GIANCARLO PIRANI TELECOM ITALIA LAB RETI LOCALI - 60

61 Il Protocollo MAC Sublayer (2) L uso dell ascolto del canale virtuale usando il CSMA/CA. GIANCARLO PIRANI TELECOM ITALIA LAB RETI LOCALI - 61

62 Il Protocollo MAC Sublayer (3) Un fragment burst GIANCARLO PIRANI TELECOM ITALIA LAB RETI LOCALI - 62

63 Il Protocollo MAC Sublayer (4) Spaziatura inter-trama nell GIANCARLO PIRANI TELECOM ITALIA LAB RETI LOCALI - 63

64 Obiettivi dell interconnessione Aumentare estensione geografica rete Aumentare numero di utenti collegabili ad una rete Vincolo di non modificare protocolli (software e hardware utenti) In generale, permette di ottenere prestazioni migliori GIANCARLO PIRANI TELECOM ITALIA LAB RETI LOCALI - 64

65 Apparati di interconnessione Repeater e Hub (livello 1) servono per superare le limitazioni di alcuni mezzi trasmissivi Bridge e Switch (livello 2) hanno algoritmi di instradamento molto semplici si utilizzano normalmente per interconnessioni locali GIANCARLO PIRANI TELECOM ITALIA LAB RETI LOCALI - 65

66 Apparati di interconnessione Router (livello 3) hanno algoritmi di instradamento sofisticati si utilizzano normalmente per interconnessioni geografiche Gateway (livello 7) si utilizzano per interconnettere architetture di rete diverse (es. SNA e Internet) GIANCARLO PIRANI TELECOM ITALIA LAB RETI LOCALI - 66

67 Configurazione 10BaseT a più segmenti End system Segment terminator 10BaseT segment Repeater GIANCARLO PIRANI TELECOM ITALIA LAB RETI LOCALI - 67

68 Ripetitore (Repeater) Applicazione Presentazione Sessione Trasporto Rete Data Link Fisico Fisico Repeater Fisico Applicazione Presentazione Sessione Trasporto Rete Data Link Fisico GIANCARLO PIRANI TELECOM ITALIA LAB RETI LOCALI - 68

69 Repeater È un apparato di livello 1 (fisico), quindi intepreta solo i segnali elettrici e ha come unità trasmissiva il singolo bit Il repeater serve ad estendere la lunghezza del canale trasmissivo su LAN omogenee Porta a realizzare topologie ad albero su canali broadcast Rigenera stringhe di bit ricevute su un canale e le ritrasmette sugli altri canali 3R: regeneration, reshaping, retiming può introdurre ritardi GIANCARLO PIRANI TELECOM ITALIA LAB RETI LOCALI - 69

70 Hub È un repeater multiporta È un concentratore di cablaggio (opera a livello fisico) Serve a collassare una topologia a bus o ad anello in un topologia a stella, semplificando (e rendendo più affidabili) le operazioni di cablaggio e manutenzione Ovviamente, non aumenta la capacità trasmissiva GIANCARLO PIRANI TELECOM ITALIA LAB RETI LOCALI - 70

71 Bridge Applicazione Presentazione Sessione Trasporto Rete Data Link Fisico Bridge Data Link Data Link Fisico Fisico Applicazione Presentazione Sessione Trasporto Rete Data Link Fisico GIANCARLO PIRANI TELECOM ITALIA LAB RETI LOCALI - 71

72 Bridge Interconnettono LAN anche con livelli fisici e MAC diversi, ma con gli stessi protocolli di livello superiore Se protocolli sono diversi, necessaria traduzione delle intestazioni (PCI) Funzionano in modalità store and forward Non intervengono sul contenuto dei pacchetti Intelligenza di instradamento limitata GIANCARLO PIRANI TELECOM ITALIA LAB RETI LOCALI - 72

73 Bridge fra due LAN e GIANCARLO PIRANI TELECOM ITALIA LAB RETI LOCALI - 73

74 Compatibilità tra formati e GIANCARLO PIRANI TELECOM ITALIA LAB RETI LOCALI - 74

75 Limitazioni nelle reti Ethernet multisegmento Il numero massimo di segmenti tra due stazioni arbitrarie è 5, di cui non più di tre possono essere di tipo mixing Il numero massimo di ripetitori tra due stazioni arbitrarie è 4 Con 5 segmenti in fibra ottica: i segmenti 10Base-FB e 10Base-FL non possono superare i 500 m. il segmento più lungo 10Base-FP non può eccedere i 300 m. Con 4 segmenti e 3 ripetitori tra due stazioni: ogni segmento in fibra ottica tra ripetitori non deve superare i 1000 m. con segmenti 10Base-FB o 10Base-FL, i 700 m. con segmenti 10Base-FP ogni segmento in fibra ottica tra una stazione e un ripetitore non deve superare i 400 m. con segmenti 10Base-FL, i 300 m. con segmenti 10Base-FP GIANCARLO PIRANI TELECOM ITALIA LAB RETI LOCALI - 75

76 Bridge Riceve pacchetti su LAN 1 e li ritrasmette su LAN 2 se necessario (e viceversa) PC1 PC2 LAN 1 PORTA A BRIDGE LAN 2 PC3 PORTA B PC4 GIANCARLO PIRANI TELECOM ITALIA LAB RETI LOCALI - 76

77 Bridge: proprietà La tecnica di bridging più diffusa prevede che tutte le stazioni non modifichino il loro comportamento a causa della presenza dei bridge (trasparenza). Un insieme di segmenti di LAN interconnessi mediante bridge è detto anche LAN estesa. Il bridge interrompe la condivisione di risorse trasmissive tipica delle LAN Possono migliorare le prestazioni diversità spaziale, sfrutto località del traffico Permettono estensione geografica della rete Si può introdurre sicurezza separazione del traffico GIANCARLO PIRANI TELECOM ITALIA LAB RETI LOCALI - 77

78 Bridge: proprietà Introduce ritardi di store and forward Introduce problemi di equità (fairness) nella condivisone della banda aggregata disponibile Possibilità di perdita di pacchetti per overflow delle memorie GIANCARLO PIRANI TELECOM ITALIA LAB RETI LOCALI - 78

79 Bridge È necessario che ogni apparato abbia un indirizzo di livello 2 unico all interno della LAN estesa Le procedure più comuni di instradamento su LAN estese sono: transparent bridge (spanning tree) source routing (legato a Token Ring) Ogni bridge ha un suo indirizzo (bridge_id) e un identificativo per ogni porta (port_id) GIANCARLO PIRANI TELECOM ITALIA LAB RETI LOCALI - 79

80 Bridge: transparent bridge Funzioni fondamentali di un bridge frame forwarding: ritrasmissione di trame ricevute con filtraggio degli indirizzi address learning: acquisizione di indirizzi e creazione tabella contenente coppie (indirizzo MAC destinazione, port_id del bridge) esecuzione algoritmo spanning tree per eliminare anelli logici da topologia fisica GIANCARLO PIRANI TELECOM ITALIA LAB RETI LOCALI - 80

81 Spanning tree: address learning Indirizzi non memorizzati in modo statico, ma inseriti in tabella in modo dinamico Per ogni trama ricevuta leggo indirizzo MAC sorgente S e lo associo alla porta X da cui ricevo trama (eventualmente cancellando vecchia entry) aggiorno timer associato alla entry (S, X) Timer necessario per adattarsi automaticamente a variazioni topologiche e ridurre dimensione tabelle Algoritmo backward learning GIANCARLO PIRANI TELECOM ITALIA LAB RETI LOCALI - 81

82 Spanning tree: inoltro delle trame Quando riceve trama corretta con indirizzo MAC unicast con destinazione D da porta X si cerca nel database a quale porta è collegato D se associato a porta X, si scarta trama se associato a porta Y, inoltra trama su porta Y se non presente in tabella, inoltra trama su tutte porte (attive) tranne X Se ricevo da porta X trama MAC multicast e/o broadcast Inoltro su tutte le porte (attive) tranne X GIANCARLO PIRANI TELECOM ITALIA LAB RETI LOCALI - 82

83 Bridge: algoritmo spanning tree Algoritmo backward learning funziona se in topologia non ci sono anelli Creo albero logico tra bridge per eliminare anelli, abilitando solo alcune porte GIANCARLO PIRANI TELECOM ITALIA LAB RETI LOCALI - 83

84 Backward learning con anelli LAN 1 STAZIONE X PORTA A PORTA A BRIDGE 1 BRIDGE 2 PORTA B PORTA B LAN 2 STAZIONE Q GIANCARLO PIRANI TELECOM ITALIA LAB RETI LOCALI - 84

85 Backward learning con anelli Q trasmette ad X B1 e B2 ricevono pacchetto e deducono che Q è raggiungibile da porta B Se B1 e B2 hanno memorizzato in tabella indirizzo di X B1 trasmette pacchetto su porta A B2 deduce che Q è raggiungibile da porta A B2 trasmette pacchetto su porta A B1 deduce che Q è raggiungibile da porta A X riceve due copie del pacchetto, B1 e B2 non sono in grado di raggiungere Q GIANCARLO PIRANI TELECOM ITALIA LAB RETI LOCALI - 85

86 Backward learning con anelli Q trasmette ad X B1 e B2 ricevono pacchetto e deducono che Q è raggiungibile da porta B Se B1 e B2 non hanno memorizzato in tabella indirizzo di X B1 trasmette pacchetto su porta A B2 deduce che Q è raggiungibile da porta A B2 trasmette pacchetto su porta A B1 deduce che Q è raggiungibile da porta A B1 e B2 continuano ad inoltrare pacchetti pacchetti ritrasmessi per sempre su anello GIANCARLO PIRANI TELECOM ITALIA LAB RETI LOCALI - 86

87 Switch È funzionalmente equivalente ad un bridge che opera su più di 2 porte Sono associati a topologie a stella o ad albero (cablaggio strutturato) Spesso ha una sola stazione per porta collegata Talvolta non supporta l algoritmo spanning tree Supporta le LAN virtuali (VLAN) GIANCARLO PIRANI TELECOM ITALIA LAB RETI LOCALI - 87

88 VLAN LAN virtuali Sono LAN costituite da host fisicamente collegati allo stesso segmento di rete (switch), ma logicamente partizionati in LAN separate Separo domini di broadcast Ottenute inserendo estensione della PCI MAC per identificare appartenenza alla specifica VLAN GIANCARLO PIRANI TELECOM ITALIA LAB RETI LOCALI - 88

89 Router Dispositivo di livello 3 (rete) Spesso multiprotocollo Applicazione Presentazione Sessione Trasporto Rete Data Link ROUTER Rete Data Link Data Link Applicazione Presentazione Sessione Trasporto Rete Data Link Fisico Fisico Fisico Fisico GIANCARLO PIRANI TELECOM ITALIA LAB RETI LOCALI - 89

90 Gateway Permettono di collegare sistemi appartenenti ad architetture di rete diverse Lavorando a livello applicativo si collocano a livello 7 OSI Esempio classico di gateway è quello per la posta elettronica GIANCARLO PIRANI TELECOM ITALIA LAB RETI LOCALI - 90

91 Gateway Architettura A Applicazione Presentazione Sessione Trasporto Rete Data Link Fisico Gateway Applicazione Presentazione Presentazione Sessione Sessione Trasporto Trasporto Rete Rete Data Link Data Link Fisico Fisico Architettura B Applicazione Presentazione Sessione Trasporto Rete Data Link Fisico GIANCARLO PIRANI TELECOM ITALIA LAB RETI LOCALI - 91