Reti LAN e Ethernet 1

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1 Reti LAN e Ethernet 1

2 Modelli di rete LAN SOHO (Small Office Home Office) è senza ombra di dubbio il modello di rete concettualmente più semplice e utilizzato in ambito domestico o piccolo ufficio. Il modello SOHO descritto nella figura è composto da tre elementi: Utilizzatori (stampanti, PC ), ovvero i nodi della rete LAN Switch Router 2

3 Lo switch è un apparato di rete in grado di connettere più dispositivi alla rete LAN. E composto da una serie di interfacce o porte nelle quali collegare apparati come computer, stampanti ecc. 3

4 Un router è anch esso un apparato di rete in genere composto da un numero di interfacce inferiore rispetto ad uno switch e utilizzato per collegare la rete LAN ad Internet. La rete è detta wired se tutti gli elementi che la compongono sono connessi per mezzo di cavi fisici. Una rete è detta invece wireless se i nodi che la compongono sono connessi per mezzo di onde radio o più generalmente per mezzo della tecnologia senza fili o wireless. In questo caso è necessario introdurre all interno della rete un ulteriore apparato detto Access Point. Il modello SOHO diventa quindi quello rappresentato in figura 4

5 L Access Point da una parte eroga la connessione di tipo wireless a terminai come pc e smartphone, dall altra è connesso per mezzo di un cavo allo switch. In questo modo è possibile far comunicare PC connessi in LAN via wireless con PC connessi in LAN via cavo. 5

6 Le reti LAN realizzate all interno di grandi edifici utilizzano SOHO come modello base, espandendolo in base alle necessità. Ad esempio, il modello utilizzato per realizzare una rete LAN in un edificio di tre piani è il seguente: 6

7 Come puoi vedere ciascun piano implementa il modello SOHO visto in precedenza: per ciascun piano sono infatti presenti: 7

8 Uno switch Un access point Terminali connessi in rete (PC, Smartphone, Table) Ogni switch di piano è poi connesso per mezzo di un cavo ad uno switch centrale indicato nella figura con SWD. Quest ultimo svolge un ruolo delicato in quanto l intera rete LAN di palazzo dipende dal suo corretto funzionamento. Cosa accadrebbe se si rompesse? Con riferimento alla figura: PC1 non riuscirebbe più a comunicare con PC3 8

9 PC2 non riuscirebbe più ad andare su Internet PC1 e Tablet1 (entrambi presenti al 1 piano) riuscirebbero a comunicare, in quanto le comunicazioni non transitano per SWD. Cavi, Porte e Connettori In una rete Wired i nodi sono connessi per mezzo di cavi. Le domande a cui vogliamo ora rispondere sono: Come è possibile trasferire informazioni (o dati) su un cavo? Da cosa deve essere composto un cavo? Quale tipo di cavo utilizzare? 9

10 Andiamo per gradi. Innanzitutto c è da dire che grazie ad opportune operazioni di codifica e decodifica è possibile associare ai dati dei segnali elettrici oppure luminosi (luce). La prima distinzione che possiamo fare è di tipo tecnologica, ovvero in base al tipo di materiale utilizzato per realizzare il cavo: Rame: sfruttando le caratteristiche di questo materiale è possibile trasmettere dati sotto forma di segnali elettrici 10

11 Fibra Ottica: sfruttando le caratteristiche di questo materiale è possibile utilizzare segnali luminosi cioè LUCE per la trasmissione dei dati Concentriamoci sulle tecnologie in rame e cerchiamo di capire ora come è possibile trasmettere dati sotto forma di segnali elettrici. Come illustrato in figura per generare una corrente elettrica è necessario creare un circuito chiuso. Bisogna quindi utilizzare due fili e per ciascuno di essi collegare un capo al Nodo 1, l altro al Nodo2. 11

12 L insieme dei due fili viene comunemente definito Doppino Telefonico in quanto utilizzato nelle infrastrutture telefoniche tradizionali. Nella pratica il sistema si compone di: 12

13 Cavo in rame costituito da più fili (in genere otto) Connettori RJ45 all estremità del cavo (di tipo Maschio) Porte RJ45 sulle schede di rete dei Nodi (di tipo Femmina) 13

14 RJ45 è il codice o standard utilizzato per indicare un tipo di interfaccia fisica. In figura sono rappresentate le interfacce o Porte di rete di uno switch (in basso) e di una scheda di rete di un Personal Computer, oltre a un tipico Connettore RJ45 14

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16 Cavi e Connettori in Rame I cavi in rame maggiormente diffusi sono: Cavi Coassiali Cavi Unshielded Twisted Pair UTP Cavi Shielded Twisted Pair UTP Un Cavo Coassiale è composto da un singolo conduttore di rame posto al centro del cavo (anima) e da un dielettrico che separa l'anima 16

17 centrale da uno schermo esterno costituito da fili metallici intrecciati (maglia), garantendo costantemente l'isolamento tra i due conduttori. Un dielettrico è un materiale isolante, ovvero un materiale che riesce a impedire il passaggio di corrente elettrica attraverso di esso. Al contrario il rame è un materiale conduttore in quanto riesce a far passare corrente elettrica. Il cavo coassiale è munito poi di connettori ai suoi estremi; i più comuni sono BNC, N Type e F Type. La guaina esterna, realizzata in materiale plastico ha lo scopo di proteggere il cavo. Oggi giorno questo tipo di cavo è molto più diffuso in ambito televisivo (trasmissioni digitale terrestre ad esempio). Un tempo, tuttavia, era l elemento principali delle topologie a Bus. 17

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19 Un Cavo UTP (Unshielded Twisted Pair) identifica un cavo composto da otto fili di rame intrecciati a coppie. Il cavo è di tipo Non Schermato ovvero non utilizza nessun sistema per proteggerlo dalle interferenze elettromagnetiche. 19

20 I fili sono intrecciati a coppie (twisted pair) per ridurre al minimo i rumori e disturbi. In elettronica il rumore (o noise) è l'insieme di segnali elettrici indesiderati che si sovrappongono al segnale utile trasmesso ed è causato da fili e apparati esterni. Ciascun filo ha una colore differente: ciò è fondamentale in quanto permette di capire in maniera facile come collegare i nodi all estremità del cavo. Un evoluzione del cavo UTP è rappresentata dal cavo STP (Shielded Twisted Pair) Così come l UTP, il cavo STP è composto da otto fili di rame intrecciati a coppie. La differenza principale sta nel fatto che un cavo STP prevede una schermatura per ogni singola coppia. Inoltre è presente anche una schermatura globale a maglia metallica per proteggere il cavo da disturbi generati da motori e dispositivi 20

21 elettrici, conduttori e quant altro. Il cavo STP se da un lato offre una miglior qualità del segnale elettrico che scorre al suo interno, dall altro determina un costo economico maggiore rispetto al cavo UTP. E proprio per questo motivo che in genere viene adottato il cavo UTP in quanto più economico. 21

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23 Connessione Nodi con Cavi UTP In questa sezione vediamo in che modo è possibile connettere due nodi di una rete LAN utilizzando un cavo UTP. Con il termine PinOut si indica la modalità con cui vengono collegati i fili di un cavo. Su questa base è possibile distinguere i cavi in: Cavi Dritti (o Straight) Cavi Crossover Un cavo Straight e' composto da quattro coppie di fili intrecciati con ad ognuna delle due estremità un connettore RJ-45 a 8 poli (ovvero in grado di ospitare 8 fili). I cavi che collegano i pin dei due connettori sono collegati in modo che il filo di trasmissione di un estremità del 23

24 cavo sia collegato al corrispondente pin dell'altra estremità, come ripotato in figura. La tabella che segue riporta il PinOut per un cavo di tipo dritto. 24

25 Filo Nodo A Filo Nodo B 1 (Trasmissione) 1(Ricezione) 2 (Trasmissione) 2(Ricezione) 3 (Ricezione) 3 (Trasmissione) 6 (Ricezione) 6 (Trasmissione) Un cavo di tipo dritto può essere utilizzato per collegare apparati tecnologicamente differenti come ad esempio un computer e uno switch, oppure un Router e uno switch. L importante è che Nodo A e Nodo B utilizzino fili diversi per trasmettere e ricevere E se devo collegare apparati uguali??? 25

26 Per collegare apparati uguali, quindi apparati in grado di trasmettere e ricevere sulla stessa coppia di fili, è necessario utilizzare un cavo di tipo Crossover caratterizzato dal seguente Pin Out Filo Nodo A Filo Nodo B 1 (Trasmissione) 3(Ricezione) 2 (Trasmissione) 6(Ricezione) 3 (Ricezione) 1(Trasmissione) 6 (Ricezione) 2 (Trasmissione) Un cavo Crossover o semplicemente cavo Cross deve essere utilizzato ogni volta si abbia necessità di collegare apparati uguali (es. due pc, due switch, due router ) oppure apparati caratterizzati dallo stesso modello di pinout (es. router e PC, access point e PC ). La 26

27 figura che segue illustra chiaramente quando utilizzare un tipo di cavo piuttosto che un altro. 27

28 Fibre Ottiche Le fibre ottiche sono filamenti di materiali vetrosi realizzati in modo da poter condurre al loro interno la luce. Una fibra ottica è composta da due strati concentrici di materiale trasparente estremamente puro: un nucleo cilindrico centrale detto Core, ed un mantello o cladding attorno ad esso. La fibra ottica funziona come una specie di specchio tubolare. La luce che entra nel core ad un certo angolo (angolo limite) si propaga mediante una serie di riflessioni alla superficie di separazione fra i due materiali del core e del cladding. 28

29 All'esterno della fibra vi è una guaina protettiva detta Jacket che serve a dare resistenza agli stress fisici e alla corrosione ed evitare il contatto fra la fibra e l'ambiente esterno. 29

30 I vantaggi di una fibra ottica rispetto all utilizzo di un cavo in rame sono: Indipendenza da rumori e disturbi di natura elettromagnetica E possibile coprire distanze maggiori E possibile trasportare più dati: in altri termini sono in grado di garantire una maggiore banda Gli svantaggi di una fibra ottica rispetto all utilizzo di un cavo in rame sono: Maggiori costi economici per produrle 30

31 Costi economici maggiori per l installazione E possibile dividere le fibre in due classi: Fibre Ottiche Multimodali: caratterizzate da dimensione del Core e del Cladder più grandi e dal permettere il transito contemporaneo di più modi all interno del Core Fibre Ottiche Monomodali: caratterizzate da dimensione del Core e del Cladder più piccole e dal permettere il transito contemporaneo di un singolo modo all interno del Core. Un modo rappresenta un segnale luminoso inviato all interno della fibra ottica. 31

32 I vantaggi di una fibra ottica MONOMODALE rispetto all utilizzo di una MULTIMODALE sono: Dimensioni Core inferiori (9um) Minore dispersione, quindi minor perdita di energia del segnale luminoso Possibilità di coprire distanza più grandi Utilizzo tecnologia LASER come sorgente luminosa In genere le fibre ottiche sono utilizzate per connettere apparati di rete come switch, router e access point. A differenza delle 32

33 connessioni in rame non è necessario stabilire un Pin out o una tipologia di fibra dal momento che la tecnologia impiegata è differente. Per la connessione in fibra ottica gli apparati di rete utilizzano generalmente un modulo detto GBIC da inserire all interno di interfacce speciali di switch e router. La figura che segue mostra una generica GBIC presente in commercio. 33

34 Ethernet Con il termine Ethernet si è soliti riferirsi a un intera famiglia di standard, ovvero di documenti universalmente riconosciuti e compresi da tutti i calcolatori elettronici. Alcuni definiscono le modalità da adottare per la trasmissione su un cavo di rete, altre in che modo devono essere organizzati i dati e così via. La tabella che segue illustra gli standard Ethernet maggiormente diffusi nelle reti LAN. Tali standard sono stati sviluppati da IEEE. 34

35 IEEE, acronimo di Institute of Electrical and Electronic Engineers è un'associazione internazionale di scienziati professionisti che ha come obiettivo la promozione delle scienze tecnologiche. La denominazione formale di ciascun standard Ethernet inizia con la dicitura e ogni standard si differenzia dall altro per tipologia di cavo utilizzato, massima distanza coperta e massima velocità a cui è possibile trasmettere dati sul mezzo trasmissivo. Quest ultimo concetto prende il nome di Banda. Formalmente la banda è definita come la capacità (quindi velocità) di trasmissione dei dati su una rete informatica. Specifica il massimo valore di informazione che il mezzo trasmissivo è in grado di far transitare per ciascun secondo. 35

36 L unità di misura della Banda è il Bit al secondo (bit/s) e indica quanti bit dati è possibile far transitare sul canale in un secondo. 36

37 Proviamo a comprendere adesso la struttura di una denominazione comune IEEE. Prendiamo ad esempio lo standard 802.3u. La denominazione comune associata è: 100BASE-T VELOCITA O BANDA RAME TIPO TRASMISSIONE BANDA BASE 37

38 Per quanto riguarda l ultimo campo, le sigle in genere utilizzate sono: T: Indica l utilizzo di un cavo in rame SX: Indica l utilizzo di un cavo in fibra ottica. La S sta per Short-Range ovvero fibre in grado di coprire distanze non eccessive LX: Indica l utilizzo di un cavo in fibra ottica. La L sta per Long-Range ovvero fibre in grado di coprire grandi distanze Rispetto al modello ISO/OSI lo standard Ethernet definisce le specifiche di funzionamento dei livelli Fisico (livello 1) e Data- Link. Quest ultimo è suddiviso in due sotto livelli che prendono il nome di: 38

39 Logical Level Control: Fornisce rilevazione di errore e funge da interfaccia con il livello Network superiore Media Access Control: Il suo scopo è quello di disciplinare l'accesso multiplo di molteplici nodi ad un canale di comunicazione condiviso. Per far questo associa a ciascun nodo della rete un indirizzo univoco. Come ribadito più volte il livello Fisico (o Livello 1) si occupa solamente di trasmettere i dati sotto forma di segnali elettrici o luminosi all interno del canale. Il Livello 1 è un livello senza intelligenza in quanto: 39

40 Non può identificare i dispositivi Non può comunicare con i livelli superiori della pila OSI E in grado di riconoscere solo flussi di bit 40

41 Non è in grado di rilevare la sorgente di una trasmissione quando più dispositivi stanno trasmettendo contemporaneamente Non utilizza alcuna forma di Encapsulation per gestire le informazioni All interno di una rete LAN la funzione di livello intelligente è demandata al Data-Link, in grado di eseguire le seguenti funzioni: Utilizza uno schema di indirizzamento per identificare i dispositivi 41

42 In grado di comunicare con i livelli superiori per mezzo dello strato Logical Link Control (LLC) I bit sono organizzati in gruppi detti Frame Utilizza il Media Access Control (MAC) per identificare il sorgente di una trasmissione Inserisce in testa e in coda al Datagram (o Pacchetto) di Livello 3 dei campi (Header e Trailer) per la gestione delle comunicazioni 42

43 A livello Data Link, quindi, i bit di informazione sono raggruppati in delle strutture ordinate dette Frame o Trame. La struttura di un Frame Ethernet è riportata in figura Il Frame è composto da differenti campi. Ciascuno di esso svolge un ruolo ben definito necessario all instaurazione, alla gestione e alla terminazione di una comunicazione tra due nodi connessi in LAN. Un Frame Ethernet è composto da tre parti: 43

44 Header: Campo di Lunghezza Fissa composto da 22 Byte e suddiviso al suo interno in diversi settori Data and Pad: Campo di Lunghezza Variabile contenente il Datagram o Pacchetto di Livello 3. Il campo Data ha una lunghezza minima di 46 byte e può avere dimensione massima pari a 1500 byte. Se il Datagram ha dimensione inferiore a 46 byte si ricorre alla tecnica del Padding che consiste nell inserire nel campo Data dei byte di informazione fino al raggiungimento della lunghezza minima. Trailer: Campo di Lunghezza Fissa composto da 4 Byte e utilizzato per rilevare la presenza di errori in ricezione. 44

45 Nel dettaglio i settori del campo Header sono: Preamble (Preambolo): Utilizzato per la sincronizzazione ovvero per far sì che la trasmissione del frame avvenga in corrispondenza dell abilitazione di un segnale detto clock SFD (Start Frame Delimiter): Indica che nel byte successivo è contenuto l indirizzo del destinatario del frame. Destination (Destinazione): Identificativo (Indirizzo) del destinatario del frame Source (Sorgente): Identificativo (Indirizzo) della sorgente del frame. In altre parole è l indirizzo di chi spedisce il frame 45

46 Type (Tipo): Tipo di protocollo (di livello 3) trasportato all interno del frame. In genere è IPv4 oppure IPv6 Nodo A Nodo B Da un punto di vista teorico un Frame inviato dal Nodo A (sorgente) al Nodo B (destinatario) viaggia all interno del canale 46

47 senza subire alterazioni. Quindi, in linea teorica, il Frame ricevuto da B è identico in tutto e per tutto a quello inviato dal Nodo A. Nella realtà questo non accade mai in quanto il mezzo trasmissivo introduce dei ritardi ed è soggetto a disturbi tali da far variare il contenuto del Frame originale. Sicuramente da bambino avrai giocato a Il telefono senza fili : una persona inventa un messaggio e lo dice all orecchio del suo amico. Il suo amico a sua volta lo dirà all orecchio di un altro suo amico e così via. L ultimo della catena deve capire quale messaggio è stato inviato. Rifletti: tanti più bambini si uniranno al gioco, tanto più difficile sarà capire il messaggio di partenza, 47

48 questo perché ogni bambino, ovvero ogni nodo del canale introduce variazioni al messaggio di partenza. Nelle telecomunicazioni avviene la stessa identica cosa: a causa dei disturbi presenti sul mezzo è possibile che il Nodo B riceva un Frame del tutto differente da quello inviato dal Nodo A. Per capire se un frame è stato o meno corrotto (ovvero se sono presenti errori al suo interno), lo standard Ethernet utilizza un meccanismo detto Frame Check Sequence che funziona nel seguente modo. Il Nodo A prima di trasmettere esegue un calcolo matematico e pone il risultato all interno del campo FCS contenuto nel Trailer. 48

49 Il calcolo tiene conto dei campi: Destination Address Source Address Type Data In ricezione, il Nodo B applica lo stesso calcolo utilizzando i campi del Frame ricevuto. Se il risultato dell operazione è identico a quello riportato nel campo FCS del frame allora il frame non contiene errori; in caso contrario può essere scartato in quanto conterrà al suo interno sicuramente un errore. La figura che segue illustra il 49

50 diagramma di flusso del meccanismo FCS in trasmissione e in ricezione 50

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52 Indirizzamento Medium Access Control (MAC) Una delle funzioni svolte dal livello Data Link Utilizza è quella di utilizzare uno schema di indirizzamento per identificare i dispositivi connessi in LAN. Facciamo un gioco!! Supponiamo di essere a scuola in una classe composta da molti alunni tra cui Mario. Quale è la differenza tra i due messaggi riportati in figura? 52

53 Chiudi la Finestra!!! Paolo, chiudi la Finestra!!! MARIO MARIO In entrambi i casi il messaggio è ricevuto da tutti gli alunni presenti in classe. Nel primo caso come fa un alunno a capire se il messaggio è destinato a lui oppure no?? Nel secondo caso Paolo sa che il messaggio è rivolto a lui in quanto Mario ha inserito all interno del messaggio il suo nome: 53

54 Paolo, chiudi la Finestra!!!. Tutti gli altri alunni della classe ignoreranno il messaggio in quanto non diretto a loro. Il ragionamento è valido anche per una rete LAN. A ciascun nodo viene associato un nome detto Indirizzo. Quando un nodo deve trasmettere inserisce nel messaggio (Frame) l indirizzo del destinatario ed il proprio (sorgente). La frame viene ricevuta da tutti gli apparati in rete. Ciascun apparato svolge in maniera autonoma le seguenti operazioni: 1. Controlla se il frame è destinato a lui. Per farlo analizza il campo Destination MAC Address contenuto nell Header Data Link 54

55 2. Se destinato a lui, processa il frame e lo invia agli strati successivi dello stack TCP/IP per le opportune elaborazioni. 3. Se non è destinato a lui, lo scarta 55

56 L indirizzo associato a ciascun nodo prende il nome di Indirizzo MAC o MAC Address ed è unico per ciascun apparato. Ciò vuol dire che in tutto il mondo non è possibile trovare due MAC Address identici. L indirizzo MAC si compone infatti di due parti uguali a 24 bit: OUI (Organizational Unique Identifier): identificativo associato al produttore dell apparato. A livello mondiale viene associato a ciascun produttore un differente OUI Vendor Assigned: Numerazione interna scelta dal produttore. Ciascun produttore sceglie in che modo assegnare questa parte agli apparati. 56

57 In genere gli indirizzi MAC sono rappresentati come sequenza di 12 cifre esadecimali. Il sistema numerico esadecimale (spesso abbreviato come esa o hex) è un sistema numerico posizionale in base 16, cioè utilizza 16 simboli invece dei 10 del sistema numerico decimale tradizionale. Per l'esadecimale si usano in genere simboli da 0 a 9 per le prime dieci cifre, e poi le lettere da A a F per le successive sei cifre, per un totale di 16 simboli. 57

58 I Mac Address sono in genere divisi in: 58

59 Unicast MAC Address: Indirizzo MAC associato a una singola interfaccia (scheda) LAN Multicast MAC Address: Indirizzo MAC speciale che indica «un gruppo di dispositivi che risiedono in LAN in un dato momento» Broadcast MAC Address: Indirizzo MAC speciale che indica «tutti i dispositivi che risiedono in LAN in un dato momento» Pertanto se un nodo deve inviare lo stesso frame a tutti i nodi della rete, invia un singolo frame inserendo al suo interno l indirizzo MAC di destinazione di broadcast che è FF:FF:FF:FF:FF:FF 59

60 Protocollo CSMA/CD CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) è un protocollo utilizzato per gestire le comunicazioni tra apparati connessi sullo stesso mezzo fisico, detto condiviso. Se due nodi trasmettono contemporaneamente sul canale, non è più possibile distinguere le informazioni inviate da ciascun nodo; avviene quindi una collisione. Del resto, cosa avviene se due persone parlano contemporaneamente? Non si riesce a capire nulla! Una collisione avviene in genere in quanto un nodo invia il frame senza prima verificare se il canale è già in uso. 60

61 Il protocollo prevede che un nodo prima di trasmettere, controlli lo stato del canale. In altre parole verifica se sul canale sono già in corso trasmissioni da parte di altri nodi. Da un punto di vista strettamente tecnico, il nodo verifica la presenza o meno di un segnale elettrico detto Portante o Carrier; in gergo si dice che il nodo ascolta il canale. Se non sono in corso altre trasmissioni, invia il suo frame. In caso contrario prova nuovamente a trasmettere dopo aver atteso un arco di tempo di durata fissa e prestabilita. 61

62 A causa dei tempi di ritardo, questo modello nella realtà genera problemi. La propagazione del segnale elettrico all interno del canale non è infatti immediata, impiega un periodo di tempo che per quanto piccolo è comunque diverso da zero. 62

63 Per comprendere meglio cosa potrebbe accadere supponiamo che C, dopo aver rilevato il canale libero, inizi a trasmettere. Nello stesso istante anche A e D iniziano a trasmettere in quanto anch essi vedono il canale come libero. Questo perché il segnale portante inviato da C ancora non raggiunge A e D. Sul canale verrà quindi rilevata una collisione. Tutti i nodi proverebbero nuovamente a trasmettere dopo aver atteso lo stesso medesimo arco di tempo di durata prefissata: A, C, D generebbero nuovamente una collisione e questa situazione andrebbe avanti così all infinito. Per risolvere questo problema, quando un nodo rileva una collisione, invia sul canale un segnale detto Jam Signal. Essendo il canale condiviso, il segnale di Jam sarà ricevuto da tutti i nodi della rete che saranno quindi al corrente della presenza di una collisione. 63

64 Inoltre piuttosto che aspettare un arco di tempo di lunghezza fissa e prestabilita, in caso di collisione o canale occupato, ciascun nodo attende un tempo casuale detto Backoff time. Così facendo la probabilità che due nodi trasmettono contemporaneamente sul canale è ridotta al minimo. L insieme degli apparati che condividono il mezzo di trasmissione è anche detto Dominio di Collisione. 64

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