Università degli Studi di Bergamo

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1 Università degli Studi di Bergamo Facoltà di Ingegneria 3 Reti locali.1 Architetture Prof. Filippini

2 2 Le reti locali (Local Area Networks-LAN) sono reti di telecomunicazione pensate e ottimizzate per connettere numerosi e differenti tipi di apparecchiature in un area geografica limitata (un edificio, una fabbrica, un campus). La rete locale di solito appartiene, viene usata e gestita da una singola organizzazione. Le reti locali standardizzate dal comitato IEEE 802 sono reti di comunicazione peer-to-peer che utilizzano un mezzo condiviso. Occorre quindi progettare un sottolivello di accesso (Medium Access Control) per regolare l accesso al mezzo condiviso.

3 3! Diminuzione dei costi e aumento della capacità computazionale dei computer! Numero crescente di computer situati nello stesso edificio! Necessità di! interconnettere le varie apparecchiature! scambiare dati (per es. applicazioni groupware)! condividere risorse costose (per es. stampanti, database etc.)

4 4! Rete di laboratorio / Rete di ufficio! Automazione di fabbrica

5 5 Le reti locali (Local Area Networks-LAN) sono reti di telecomunicazione pensate e ottimizzate per connettere numerosi e differenti tipi di apparecchiature in un area geografica limitata (un edificio, una fabbrica, un campus). La rete locale di solito appartiene, viene usata e gestita da una singola organizzazione. Le reti locali standardizzate dal comitato IEEE 802 sono reti di comunicazione peer-to-peer che utilizzato un mezzo condiviso. Occorre quindi progettare un sottolivello di accesso (Medium Access Control) per regolare l accesso al mezzo condiviso.! Una rete locale interconnette varie apparecchiature senza richiedere nodi di switch intermedi. E un unico dominio di broadcast ed un unico dominio di collisione.

6 6! Un dominio di broadcast è quella porzione di rete in cui se una stazione trasmette una trama all indirizzo MAC di broadcast tutte le altre stazioni ricevono la trama.! Un dominio di collisione è quella porzione di rete in cui se due stazioni trasmettono contemporaneamente una trama si verifica una collisione.

7 7 Le reti locali (Local Area Networks-LAN) sono reti di telecomunicazione pensate e ottimizzate per connettere numerosi e differenti tipi di apparecchiature in un area geografica limitata (un edificio, una fabbrica, un campus). La rete locale di solito appartiene, viene usata e gestita da una singola organizzazione. Le reti locali standardizzate dal comitato IEEE 802 sono reti di comunicazione peer-to-peer che utilizzato un mezzo condiviso. Occorre quindi progettare un sottolivello di accesso (Medium Access Control) per regolare l accesso al mezzo condiviso.! La gestione della rete pesa unicamente sull organizzazione (utente)! I costi di acquisto delle apparecchiature e di gestione non possono essere condivisi tra più organizzazioni! Caratteristiche! bassi costi! semplicità! affidabilità e facilità di manutenzione! facile spostamento ed aggiunta di stazioni

8 8 Le reti locali (Local Area Networks-LAN) sono reti di telecomunicazione pensate e ottimizzate per connettere numerosi e differenti tipi di apparecchiature in un area geografica limitata (un edificio, una fabbrica, un campus). La rete locale di solito appartiene, viene usata e gestita da una singola organizzazione. Le reti locali standardizzate dal comitato IEEE 802 sono reti di comunicazione peer-to-peer che utilizzato un mezzo condiviso. Occorre quindi progettare un sottolivello di accesso (Medium Access Control) per regolare l accesso al mezzo condiviso.! Una buona percentuale del traffico si limita alle singole LAN o all interconnessione di LAN appartenenti alla stessa organizzazione! Molte apparecchiature condividono lo stesso mezzo! Trasmissioni veloci e a burst (terminali grafici, applicazioni in tempo reale)! => ALTI DATA RATE

9 9 Le reti locali (Local Area Networks-LAN) sono reti di telecomunicazione pensate e ottimizzate per connettere numerosi e differenti tipi di apparecchiature in un area geografica limitata (un edificio, una fabbrica, un campus). La rete locale di solito appartiene, viene usata e gestita da una singola organizzazione. Le reti locali standardizzate dal comitato IEEE 802 sono reti di comunicazione peer-to-peer che utilizzato un mezzo condiviso. Occorre quindi progettare un sottolivello di accesso (Medium Access Control) per regolare l accesso al mezzo condiviso.! Una grande varietà di apparecchiature devono poter essere collegate! Indipendenza dal costruttore! Possibilità di interconnessione con reti geografiche! => COMPATIBILITA => STANDARDIZZAZIONE

10 10! Comitato di standardizzazione IEEE 802 Medium Access Control Intercon nessione di LAN Data Link Layer Physical layer

11 11! Tecnologia e mezzo di trasmissione! Topologia! Protocolli di accesso utilizzati SISTEMA DI COMUNICAZIONE TOPOLOGIA PROTOCOLLI DI ACCESSO

12 12 LAN Bus Anello Mezzi CSMA/CD Stella Fibra ottica Cavo coassiale Doppino Controllo di token Baseband Broadband Carrierband

13 13! Topologia: indica il modo in cui le stazioni in rete sono interconnesse! A bus! Ad anello (ring)! A stella

14 14! Controllo d accesso! Trasmissioni contemporanee sul canale collidono.! Protocolli per controllare l accesso al mezzo condiviso in moda da evitare o limitare le collisioni.! Se le collisioni possono comunque avvenire Collision detection e ritrasmissione delle trame coinvolte nella collisione.! PROTOCOLLI DI ACCESSO MULTIPLO! Indirizzamento! Le trame vengono ricevute da tutte le stazioni. Meccanismo che consenta ad ogni nodo di riconoscere se sia o meno destinazione della trama ricevuta.

15 15! Le trasmissioni vengono divise in trame. Ciascuna stazione ha associato un indirizzo univoco (MAC address) associato dal costruttore della scheda di rete.! Il MAC address della stazione destinazione viene indicato nel campo destinazione dell header di trama.! Quando una stazione riceve una trama, verifica se il valore del campo destinazione della trama corrisponde ad un suo indirizzo. Solo in questo caso copia la trama ricevuta e la passa per ulteriori elaborazioni ai livelli superiori.

16 16! Unico mezzo trasmissivo condiviso dalle varie stazioni.! La trasmissione di una stazione si propaga per tutta la lunghezza del mezzo e viene ricevuta da tutte le stazioni.! Alla fine del bus il segnale è assorbito da un terminatore. terminatore tap

17 17! Degradazione segnale! Accesso! Protocollo di accesso con prenotazione Prenot. Prenot t Ciclo n Ciclo n+1! Protocollo di accesso a contesa Sensing, verifico se altre stazioni stanno trasmettendo Se libero, trasmetto Gestione collisioni

18 18! Sono realizzate con una cascata di canali punto-punto interconnessi da ripetitori (Trasmissioni punto-punto su mezzo broadcast) Repeater! I ripetitori svolgono un duplice ruolo: 1. ripetono sul link di uscita i bit ricevuti (dopo averli copiati nel caso la stazione sia destinazione della trama) 2. rappresentano l accesso alla rete per le stazioni

19 19! Controllo d ammissione (o d accesso)! Token! Gestione del token! Recupero del token! Riassorbimento delle trame! I pacchetti possono circolare indefinitamente in rete.! Soluzione: la stazione che ha generato una trama provvede al riassorbimento.! Scarsa robustezza ai guasti! Stazioni attive: se una si guasta l anello si interrompe

20 20 ASCOLTO Repeater Ritardo di attraversamento stazione (~ 1bit) Stazione TRASMISSIONE Repeater BYPASS (Stazione non attiva) Stazione Stazione

21 21! Node centrale ha due funzioni a seconda del tipo di rete! Hub, interconnessione di più doppini! Quando riceve una trama da una stazione ripete il segnale sulle linee in uscita verso tutte le altre stazioni! Punto di cablatura per reti ad anello! Aiuta nella gestione dei guasti

22 Logical Link Control CSMA/CD Token Ring WLAN Altre LAN UTP, STP, fibra, radio, etc! 802.1: Architettura ed interconnessione! 802.2: LLC, Stato data link! Stato fisico: rame, radio, fibra! MAC, Medium access control! Dipende dallo strato fisico! 802.3, 802.4, 802.5, , ,

23 23! Interfaccia unificata ai livelli superiori, nasconde il mezzo trasmissivo! Tre tipi di servizi:! connectionless senza riscontro! connection-oriented! connectionless con riscontro LLC DA LLC SA CTRL PAYLOAD Byte 1 1 1/2 Variabile! Destination Address! Source Address! Control

24 24! Indirizzi MAC, identificazione porta fisica! 6 byte ROM scheda Primi 3 byte: codice costruttore (OUI Organization Unique Identifier) Secondi 3 byte: numerazione progressiva! Indirizzi unicast, broadcast! Sequenza di bit, scrittura esadecimale 00:13:AB:D7:B3:F8 unicast FF:FF:FF:FF:FF:FF broadcast

25 25 LLC Header PAYLOAD MAC DA MAC SA PAYLOAD FCS Byte 6 6 Variabile 4! Destination Address! Source Address! Frame Check Sequence! CRC-32: Polinomio generatore per verificare integrità

26 26! Cavo coassiale RG-213! Un conduttore centrale in rame di tipo solido! Isolante in materiale espanso o compatto (teflon)! Due schermi in foglio di alluminio! Due schermi in calza! Ethernet 10Base5 (Thick Ethernet)! Cavo coassiale RG-58! Un conduttore centrale in rame di tipo trefolato! Isolante in materiale espanso o compatto! Uno schermo in foglio di alluminio e uno schermo in calza! Attenuazione 2.7 volte superiore al cavo Thick! Ethernet 10Base2 (Thin Ethernet)

27 27! Doppino non schermato UTP (Unshielded Twisted Pair)! A 1 coppia o due coppie per fonia! A 4 coppie nel cablaggio strutturato! Multicoppie (10, 20, 25, 50, 100, 300 coppie) sulle dorsali fonia! A volte su dorsali dati a basse o medie capacità! Doppino schermato FTP (Foiled Twisted Pair)! Doppino con schermo globale costituito da 1 foglio di alluminio e da 1 calza in rame! Ad es., 4 coppie singolarmente schermate in foglio + 1 schermo globale in calza! Utilizzato nel cablaggio strutturato! Ridottissima diafonia tra le coppie, costo elevato! Doppino schermato STP (Shielded Twisted Pair)! Doppino con singole coppie schermate più schermo globale

28 28! Fibre ottiche multimodo! La luce si propaga con diversi percorsi! LED poco costosi! Fibre ottiche monomodo! La luce si propaga in 1 modo! La fibra si comporta come guida d onda un solo modo di propagazione! Non si ha dispersione modale! Si trasmette con Laser, più costosi dei LED! Coprono distanze maggiori a capacità maggiori! Difficoltà interconnessione

29 29! Nasce negli anni 80! Stazioni passive! Coassiale Thick RG213! Velocità prop. min: 0.77c! Max distanza tra stazioni: 2.8km! Max num. stazioni: 1024! MAC: CSMA/CD

30 30 Byte Preamble 7 S F D 1 DA SA Len LLC PDU Pad FCS ! Preamble: sincronizzazione! Start Frame Delimiter! Destinazione and Source Address! Length: lunghezza payload! Pad: garantisce lunghezza minima della trama di 64byte! FCS! Lunghezza trama: [64,1518] byte

31 31! Il MAC non esegue multiplazione! La multiplazione è effettuata dal LLC! Ethernet è una realizzazione pre-standard ancora usata da IP! aziende Digital, Intel, Xerox! LLC non esiste! Il MAC esegue direttamente la multiplazione! Trama Ethernet con Ether-type invece che lunghezza (> 1536 byte) 0800: IP 0805: X : ARP 8035: RARP CSMA/CD IP, X.25, ARP, RARP Token Ring WLAN Altre LAN UTP, STP, fibra, radio, etc

32 32! Mixing Segment, in grado di connettere più di 2 transceiver (connessione a bus)! 10Base5/2: coassiale thick/thin! 10Base-FP: utilizzo di stelle ottiche passive! LinkSegment, in grado di connettere solo 2 transceiver (connessione punto-punto)! 10Base-T: doppino! 10Base-FL: fibra ottica! 10Base-FB: standard con caratteristiche di fault tolerance! In disuso! 10Broad36: cavo CATV! 1Base5: UTP

33 33! Manchester encoding

34 34! Cavo coassiale thick! 50 Ohm! Velocità prop. min: 0.77c! Max lunghezza segmento: 500m! Parametri! Distanza min tra due Tap: 2.5m! Max numero Tap per segmento: 100

35 35! Mezzo trasmissivo: cavo coassiale Thin! 50 Ohm! Velocità prop. min: 0.65c! Max lunghezza segmento: 185m! Parametri di configurazione! Distanza min tra due BNC: 0.5m! Max numero BNC per segmento: 30

36 36! Mezzo trasmissivo: Unshielded Twisted Pair - UTP (minimo 2 coppie)! 100 Ohm! Velocità minima di prop.: 0.59c! Lunghezza max segmento: 100m! Due doppini di cat 3, un doppino per TX e un doppino per RX! Hub: consente di connettere a stella più di 2 stazioni LAN come in un bus! Stazioni connesse a stella all hub, ognuna con due doppini! Opera come ripetitore multiporta

37 37! 10Base-F: segmento Ethernet in fibra! 10Base-FB (backbone)! Collegamento punto-punto in fibra due apparati Ethernet(non utenti)! Max lunghezza segmento 2000 m! Opera ritrasmissione sincrona (ritrasmette con proprio clock interno)! 10Base-FL (passive)! Fibra ottica che interconnette stazioni con collegamenti puntopunto! Max lunghezza segmento 2000 m! 10Base-FP (passive) Nessuna realizzazione!! Fibra ottica interconnette stazioni con stella ottica passiva e topologia stellare! Max lunghezza fibra 1000 m

38 38! Trasmissione di segnali analogici! Trasmissioni unidirezionali! Possibile FDM! Dim. max di un segmento: vari km! Notazione X BROAD Y Configurazione duale Configurazione split Riceve su f1 Trasmette su f1 Freq. translator/ remodulator Trasmette su f1 Riceve su f2

39 39! Estensione a 100Mb/s e mantenimento cablatura! Solo a stella, max raggio: 100m! Full-duplex grazie a centro stella! 4 sotto-standard per tre tipi di mezzi fisici:! 100BASE-TX 2 doppini UTP Cat. 5 o 2 doppini STP, con connettori RJ45! 100BASE-FX 2 fibre ottiche multimodo! 100BASE-T4 4 doppini UTP Cat. 3, con connettori RJ45 Usa 3 dei 4 doppini disponibili alla volta! 100BASE-T2 2 doppini UTP Cat. 3, con connettori RJ45 Entrambi doppini bidirezionali

40 40! 1Gb/s!! Problema dimensioni! Min lunghezza trama 512bit => 512byte (Carrier extension)! Burst di trame fino a 8192 byte (Frame bursting)! Utilizzi principali del Gigabit Ethernet! Realizzazione di un backbone veloce che collega apparati! Standard! Fibra ottica: 1000Base-LX, 1000Base-SX! Rame: 1000Base-CX, 1000Base-T! 10Gb/s ( 02): non più rete locale

41 41! Nasce negli anni 80 come alternativa a Ethernet! Topologia ad anello! Frequenza di cifra: 4/16 Mb/s! MAC: Trasferimento di permesso (token)! Cablatura con concentratore! Stati stazione: ascolto, trasmissione

42 42! Trasmissione punto-punto è più semplice del bus! Ma! problema ripetizione dei segnali con stazioni spente! problema segnali in circolo per tempo indeterminato! problema perdita del token

43 43! L utilizzo del canale avviene ciclicamente tramite un simbolo di controllo, control token, fatto circolare sull anello! I segnali, una volta immessi nell anello e fatti circolare, vanno poi tolti! Occorre una stazione master (active monitor) per il clock, per la generazione e il controllo dell unicità del token, della priorità e dell estrazione dei segnali! L active monitor viene eletto con procedura distribuita (tutte le stazioni sono uguali)

44 44 S D A C F C DA SA PAYLOAD FCS E D F S Byte Variable S D A C E D TOKEN Byte 1 1 1! Starting Delimiter! Access Control: Token, priorità, monitoraggio! Frame Control: Tipo di trama! Destination e Source Address! Frame Check Sequence! Ending Delimiter: Delimitatore e segnalazione errore di trama! Frame Status: Stazione destinatario ha ricevuto con successo

45 45! Nel terminale c è il ritardo di un bit che consente di catturare il token cambiando valore ad un bit nel campo AC (la trama prosegue senza un token valido)! Le trame vengono estratte da chi le ha immesse

46 46! In assenza di token:! ascolto e ripetizione! Quando si riceve il token:! cattura token! immissione trame! drenaggio anello (anche del proprio pacchetto)! immissione nuovo token Molteplici strategie (fine rx propria trama, inizio rx propria trama, fine tx propria trama, etc.) T 1 bit di ritardo T

47 47 Approfondimento

48 48! Ripetitore => Trasmettitore! Avviene in seguito alla cattura di un token.! Cattura di un token: quando un ripetitore in stato ricevente attaccato ad una stazione con trame d trasmettere riceve SD J K 0 J K P P P 0! cambia il token bit da 0 a 1 e appende le sue trame.! Trasmettitore => Ripetitore! Avviene quando la stazione riceve all altro capo dell anello l ultimo bit delle trame trasmesse. AC token bit

49 49! Single token! Il nuovo token viene generato dopo che la trama trasmessa è stata completamente ricevuta dalla stazione.! Single token with early release! Il nuovo token viene generato dopo che è stato ricevuto l header della trama trasmessa.! Multiple token! Il nuovo token viene generato alla fine della trasmissione della trama.

50 50! Active Monitor:! E eletta come Active Monitor la stazione con indirizzo più grande.! Svolge funzioni di supervisione e risoluzione di situazioni di errore.! ESEMPIO 1 Problema: circolazione indefinita di trame! Se la stazione sorgente si guasta dopo la trasmissione e prima della ricezione della trama questa non viene estratta.! AM: Il Monitor marca 1 il bit M delle trame. Se riceve una trama con M =1, questo significa che la trama ha già fatto almeno un giro completo e viene rimossa dal Monitor.

51 51! Active Monitor:! E eletta come Active Monitor la stazione con indirizzo più grande.! Svolge funzioni di supervisione e risoluzione di situazioni di errore.! ESEMPIO 2 Problema: perdita del token! Se la stazione che trattiene il token per eseguire la trasmissione non lo ritrasmette si osserva assenza di attività sull anello.! AM: Il Monitor ha un timer che viene azzerato ad ogni trama valida o token ricevuto. Se il timer supera un time-out il Monitor trasmette un nuovo token.

52 52! Utile per privilegiare applicazioni real time.! La priorità indicata nel campo Access Control (AC) del token limita l accesso alle stazioni che abbiano da trasmettere trame con priorita maggiore o uguale di quella specificata.! Una stazione che vuole trasmettere ad una data priorita richiede che venga rilasciato un token con tale priorita utilizzando il sottocampo reservation bit nell AC di un pacchetto in transito. In particolare una stazione scrive in AC la priorita richiesta purche il valore corrente dei reservation bit sia minore della priorita da richiedere.

53 53 - Affidabilita : Mezzo trasmissivo attivo (soluzioni: bypass stazioni, cablaggio a stella) - MAC centralizzato - Ritardo di accesso minimo anche in assenza di traffico + Accesso al canale ordinato + Efficienza di banda elevata anche per traffico elevato + Massimo ritardo di accesso garantito + Possibile differenziazione nell accesso al canale tramite il meccanismo a priorita. Adatto per applicazioni con vincoli sul ritardo di trasmissione.