Introduzione alle reti locali ad alta velocità: dallo switching al Gb/s
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1 Teach Convegni Networking ad Alta Velocità: le nuove LAN e il Multi-Layer switching Milano, novembre 1997 Introduzione alle reti locali ad alta velocità: dallo switching al Gb/s Pier Luca Montessoro Università degli Studi di Udine Dip. di Ing. Elettrica, Gestionale e Meccanica montessoro@uniud.it www: 1
2 Nota di Copyright Questo insieme di trasparenze (detto nel seguito slides) è protetto dalle leggi sul copyright e dalle disposizioni dei trattati internazionali. Il titolo ed i copyright relativi alle slides (ivi inclusi, ma non limitatamente, ogni immagine, fotografia, animazione, video, audio, musica e testo) sono di proprietà degli autori indicati a pag. 1. Le slides possono essere riprodotte ed utilizzate liberamente dagli istituti di ricerca, scolastici ed universitari afferenti al Ministero della Pubblica Istruzione e al Ministero dell Università e Ricerca Scientifica e Tecnologica, per scopi istituzionali, non a fine di lucro. In tal caso non è richiesta alcuna autorizzazione. Ogni altra utilizzazione o riproduzione (ivi incluse, ma non limitatamente, le riproduzioni su supporti magnetici, su reti di calcolatori e stampate) in toto o in parte è vietata, se non esplicitamente autorizzata per iscritto, a priori, da parte degli autori. L informazione contenuta in queste slides è ritenuta essere accurata alla data della pubblicazione. Essa è fornita per scopi meramente didattici e non per essere utilizzata in progetti di impianti, prodotti, reti, ecc. In ogni caso essa è soggetta a cambiamenti senza preavviso. Gli autori non assumono alcuna responsabilità per il contenuto di queste slides (ivi incluse, ma non limitatamente, la correttezza, completezza, applicabilità, aggiornamento dell informazione). In ogni caso non può essere dichiarata conformità all informazione contenuta in queste slides. In ogni caso questa nota di copyright non deve mai essere rimossa e deve essere riportata anche in utilizzi parziali. 2
3 Sommario Il sottolivello MAC nelle LAN e la condivisione della banda trasmissiva La tecnica switching Fast Ethernet, Gigabit Ethernet e High Speed Token Ring Che fine ha fatto il controllo di flusso? (impiego ragionato degli switch) Oltre la tecnologia: dove serve l'alta velocità? 3
4 Il sottolivello MAC Interfaccia unificata con il livello network LIVELLO NETWORK LLC Logical Link Control ISO LIVELLO DATA LINK MAC FDDI ISO ISO ISO 9314 ISO ISO LIVELLO FISICO CSMA/CD (Ethernet) TOKEN RING FDDI Wireless AnyLAN Tecnologie trasmissive differenziate 4
5 Breve storia dei protocolli MAC Assunzioni generali: N stazioni indipendenti Singolo canale trasmissivo condiviso (shared LAN) Non ci sono altri canali per l arbitraggio Trasmissione broadcast dei pacchetti (sfruttata dai livelli superiori) Identificazione delle stazioni mittente e destinataria mediante indirizzi (di livello MAC) scritti nel pacchetto Principali protocolli scelti per l arbitraggio del canale: CSMA/CD (Ethernet 802.3) Token ring (CSMA/CD) 5
6 Breve storia dei protocolli MAC Principale obiettivo: GARANTIRE LA MUTUA ESCLUSIONE NELL UTILIZZO DEL CANALE CONDIVISO Se un pacchetto viene trasmesso completamente, salvo errori di trasmissione, arriva a destinazione In altre parole: se la rete è occupata (o sovraccarica) il pacchetto NON PARTE 6
7 Ethernet (CSMA/CD) Carrier Sense le stazioni, prima di trasmettere, ascoltano se il mezzo trasmissivo è libero?? concentratore (hub) 7
8 Ethernet (CSMA/CD) Multiple Access più stazioni possono iniziare a trasmettere contemporaneamente, dando luogo ad una collisione bla bla... bla bla... concentratore (hub) 8
9 Ethernet (CSMA/CD) Collision Detection durante la trasmissione viene controllato il canale per rilevare la presenza di collisioni se si verifica una collisione la trasmissione viene abortita e ritentata in seguito!! TRASMISSIONE ANNULLATA concentratore (hub) 9
10 Ethernet (CSMA/CD) Parametri di progetto (per poter rilevare le collisioni) durata minima della trasmissione (round trip delay): 51.2 µs lunghezza minima del pacchetto: 512 bit (64 ottetti) velocità di trasmissione: 10 Mb/s distanza minima fra i pacchetti (Inter Packet Gap - IPG): 9.6 µs estensione massima della rete: 4 Km velocità di propagazione nel mezzo: circa m/s alla velocità di 10 Mb/s un bit è lungo 20 metri! 10
11 Ethernet (CSMA/CD) Vantaggi non richiede stazioni master: il protocollo è completamente distribuito una stazione può entrare o uscire dalla rete in qualunque momento, senza interferire con le altre semplice e poco costoso molto diffusa (economia di scala) Svantaggi efficienza limitata: max 60% (6 Mb/s per 802.3) protocollo non deterministico teoricamente (caratteristica ininfluente nei casi pratici) 11
12 Token Ring Prima di trasmettere una stazione deve catturare il token (trasformandolo nell inizio della trama) 12
13 Token Ring Ogni stazione ripete i dati ricevuti verso la successiva, tranne quella mittente, che rimuove il pacchetto dall anello 13
14 Token Ring Infine, la stazione mittente reimmette il token nell anello 14
15 Token Ring Vincoli L anello deve essere più lungo del token (3 byte) Numero massimo di stazioni limitato dal livello MAC, lunghezza massima dei cavi limitata dal livello fisico Sconnessione automatica delle stazioni spente o guaste cablaggio stellare relay di bypass concentratori attivi Parametri di progetto Velocità 4 Mb/s o 16 Mb/s numero massimo di stazioni: 260 (con 40 ripetitori) 15
16 Token Ring Vantaggi deterministico efficiente affidabile Svantaggi richiede inizializzazione dell anello, introduzione del token, sorveglianza che non vada perduto e che l anello non si interrompa più complesso di Ethernet meno diffuso più costoso (minore economia di scala) 16
17 Limiti di una shared LAN Estensione fisica della rete Numero massimo di stazioni Condivisione della banda all aumentare del numero di stazioni la banda media disponibile per ciascuna diminuisce partizionamento della rete mediante bridge/switch 17
18 Sommario Il sottolivello MAC nelle LAN e la condivisione della banda trasmissiva La tecnica switching Fast Ethernet, Gigabit Ethernet e High Speed Token Ring Che fine ha fatto il controllo di flusso? (impiego ragionato degli switch) Oltre la tecnologia: dove serve l'alta velocità? 18
19 Bridge Livelli Superiori BRIDGE Livelli Superiori MAC MAC Relay MAC MAC Fisico Fisico Fisico Fisico Le tabelle di instradamento sono calcolate tramite l osservazione degli indirizzi MAC (backward learning) A B C D E F BRIDGE da A per E A è a sinistra! 19
20 Bridge Separano gruppi di stazioni all interno dei quali agisce un singolo protocollo MAC indipendentemente dall attività degli altri gruppi Terminologia Ethernet: separano i domini di collisione Aumenta la banda complessiva della rete È possibile superare le estensioni massime imposte dal MAC È possibile collegare reti con MAC diversi (translating bridge) Continua a propagarsi ovunque il traffico broadcast di livello 2 20
21 Spanning tree Il backward learning funziona solo su reti con topologia ad albero Le topologie magliate (per ragioni di fault-tolerance) sono trasformate in topologie ad albero tramite un algoritmo di spanning-tree che: opera periodicamente (ogni secondo) decide quali porte porre in stato di forwarding e quali in stato di blocking Le reti Token Ring possono fare a meno del backward learning e dello spanning tree se utilizzano il source routing le stazioni scrivono nel pacchetto il percorso che deve seguire (RI, Routing Information) 21
22 Spanning tree e source routing LAN 1 LAN 3 LAN 5 LAN 2 BRIDGE A BRIDGE B LAN 4 porte in stato di blocco BRIDGE C pacchetto RI = A, B LAN 5 BRIDGE A BRIDGE B BRIDGE C 22
23 Switch Sono bridge multiporta ad alte prestazioni Velocità trasmissiva interna molto superiore a quella delle singole porte Possibilità di inoltrare pacchetti simultaneamente tra coppie di porte disgiunte Basso tempo di latenza con tecnica cut-through (possibile soltanto in certe condizioni) Possibilità di collegare LAN a velocità differenti (indispensabile lo store & forward, come nei bridge) 23
24 Full duplex La tecnologia trasmissiva nelle LAN è half-duplex, ma su doppino e su fibra ottica i canali RX e TX sono fisicamente distinti i bridge/switch confinano il protocollo MAC ad una coppia di porte È possibile la comunicazione in full-duplex NOTA: il protocollo di livello MAC non serve più, serve soltano un protocollo di linea! 24
25 Sommario Il sottolivello MAC nelle LAN e la condivisione della banda trasmissiva La tecnica switching Fast Ethernet, Gigabit Ethernet e High Speed Token Ring Che fine ha fatto il controllo di flusso? (impiego ragionato degli switch) Oltre la tecnologia: dove serve l'alta velocità? 25
26 Fast Ethernet 802.3u Mb/s repeater 10 Mb/s, 512 bit (pacchetto min.) round trip delay: 51.2 µs Mb/s switch 100 Mb/s, 512 bit (pacchetto min.) round trip delay: 5.12 µs il diametro della rete si riduce a 205 m (cablaggio orizzontale in UTP) 26
27 Gigabit Ethernet 802.3z Per non ridurre di un altro fattore 10 il diametro massimo della rete, estende la lunghezza dei pacchetti troppo corti Ethernet Fast Gigabit Ethernet Ethernet Velocità trasmissiva 10 Mb/s 100 Mb/s 1 Gb/s Bit Time 100 ns 10 ns 1 ns Inter Packet Gap 9.6 µs 0.96 µs 96 ns Slot Time 51.2 µs 5.12 µs µs È ancora possibile l impiego di un repeater con stazioni entro un raggio di 100 metri 27
28 Estensione di un pacchetto corto Si appende un estensione costituita da particolari simboli per garantire uno slot time di almeno 4096 bit times PREAM. SFD DSAP SSAP LEN. / TYPE LLC PDU / DATA PAD FCS Extension (3584 bit) min. 64 byte (512 bit times) copertura FCS min bit times ( ) tempo utile in cui si può rilevare la collisione (4159 b/t) 28
29 Frame bursting Una stazione può iniziare la trasmissione di più pacchetti senza rilasciare il mezzo trasmissivo fino al burst-limit che è di bit (8192 ottetti) la stazione che trasmette in burst-mode deve: estendere il primo pacchetto se di lunghezza inferiore allo slot time (i successivi non richiedono l estensione) riempire lo spazio dell Inter Packet Gap (IPG) con dei bit di estensione (Fill) le altre stazioni devono attendere il rilascio del mezzo trasmissivo e trasmettere in modalità differita Pacchetto con eventuale estensione IPG con Fill Pacchetto Pacchetto IPG con Fill Pacchetto Burst-Limit bit Durata della trasmissione (Carrier Sense) 29
30 Gigabit Ethernet, VLAN e layer 3 switch Elevatissima disponibilità di banda Elevato numero di stazioni servite Fisicamente contigui Layer 3 switch (subnet = rete fisica) Fisicamente distanti Necessità di suddividerle in gruppi di elaboratori... Virtual LAN 30
31 Livello fisico: mezzi trasmissivi 1000BASE-SX che opera su fibra ottica multimodale a 850 nm (utilizza SWL= Short Wavelenth Laser) fino a 300 m (62.5/125 µm) o 550 m (50/125 µm) 1000BASE-LX che opera su fibra ottica multimodale e monomodale a 1300 nm (utilizza LWL= Long Wavelenth Laser) fino a 550 m (62.5/125 e 50/125 µm) o 3 Km (9/125 µm) 1000BASE-CX che opera su cavo a due coppie 150 Ω (STP a specifiche ISO/IEC 11801) fino a 25 metri 1000BASE-T draft per cavo di cat. 5 fino a 100 m 31
32 Esempio di impiego: shared Repeater 1 Gb/s Switch 10/1000 Mb/s 1000 Mb/s Half-Duplex Switch 100/1000 Mb/s 10 Mb/s Stazioni a bassa velocità 100 Mb/s Stazioni ad alta velocità 32
33 Esempio di impiego: switched Switch 100/1000 Mb/s Switch 10/1000 Mb/s 1000BASE-LX MMF 62.5/ m 1000BASE-LX SMF 9/ Mb/s Full- 3 Km Duplex Switch 100/1000 Mb/s 10 Mb/s Stazioni a bassa velocità 100 Mb/s Stazioni ad alta velocità 33
34 High-Speed Token Ring Mantiene MAC di Token Ring a 4/16 Mb/s Basato su tecnologia switch (con source routing) Livello fisico: rame Fast Ethernet (con adattatori integrati nelle schede per i cavi a 100 Ω) fibra ottica FDDI Interoperabilità con Fast Ethernet (tramite switch) Prevede un cammino di migrazione dal Token Ring a 4/16 Mb/s per preservare gli investimenti fatti 34
35 E ATM? Nasce per smistare ad alta velocità su una rete fisica (WAN) di un network provider traffico misto in termini di: tipologia (dati, audio video, ecc. - attualmente prevalentemente telefonia e trasmissione dati di reti IP) clienti Tecnicamente: orientata alla connessione pacchetti di lunghezza fissa (detti celle) di 53 byte instradamento (detto commutazione ) realizzato in hardware tramite gli switch ATM (da non confondere con gli switch di Ethernet o Token Ring) 35
36 E ATM? Principali applicazioni: WAN: collegamenti permanenti punto-a-punto tramite PVC (Permanent Virtual Channel) LAN: dorsali ATM nelle LAN Servono: LAN pacchetti non connesse broadcast best effort emulazione del funzionamento delle LAN tecniche per ottimizzare il traffico IP ATM celle connesse no broadcast QoS 36
37 Sommario Il sottolivello MAC nelle LAN e la condivisione della banda trasmissiva La tecnica switching Fast Ethernet, Gigabit Ethernet e High Speed Token Ring Che fine ha fatto il controllo di flusso? (impiego ragionato degli switch) Oltre la tecnologia: dove serve l'alta velocità? 37
38 Controllo di flusso Regola la velocità di trasmissione del mittente ( produttore ) in funzione della capacità di ricezione del destinatario ( consumatore ) Nelle linee punto-punto e nelle shared LAN questo modello viene mantenuto Nelle switched LAN la rete stessa si comporta come consumatore, in quanto può non essere in grado di recapitare tutti i pacchetti ricevuti 38
39 Controllo di flusso Problema: gli switch, operando a livello MAC, non dispongono di protocolli per il controllo di flusso Soluzioni: generare finte collisioni per inibire la trasmissione di ulteriori pacchetti funziona soltanto localmente (singolo switch) può creare problemi di management (segnalazione di guasti) scartare i pacchetti La ritrasmissione dei pacchetti scartati è gestita al livello 4 (TCP) dalla CPU degli host (e non dalle schede di rete) 39
40 Esempio 10 Mb/s repeater 10 Mb/s Grazie al protocollo MAC, la velocità aggregata dei dati che possono essere inviati dai client è la stessa del collegamento del server 40
41 Esempio 10 Mb/s switch 10 Mb/s I client trovano sempre il mezzo libero (a meno che non stiano ricevendo pacchetti - in modalità half duplex) lo switch può ricevere fino a 30 Mb/s dai client esauriti i buffer, scarta i pacchetti 41
42 Esempio 10 Mb/s switch A 100 Mb/s 100 Mb/s switch B Generare finte collisioni sulle porte di A non ferma i client collegati a B 42
43 Dottore, è grave? NO: attualmente la velocità degli host è il fattore limitante la migrazione delle dorsali e delle porte dei server verso 100 Mb/s e 1 Gb/s riduce il rischio di congestioni persistenti Prevenzione (anche senza Gigabit Ethernet): modellare il flusso del traffico aumentare la velocità dei client solo dove e quando serve 43
44 Sommario Il sottolivello MAC nelle LAN e la condivisione della banda trasmissiva La tecnica switching Fast Ethernet, Gigabit Ethernet e High Speed Token Ring Che fine ha fatto il controllo di flusso? (impiego ragionato degli switch) Oltre la tecnologia: dove serve l'alta velocità? 44
45 Una riflessione Perché negli ultimi dieci anni ho cambiato 5 volte il PC, ma i floppy sono sempre gli stessi? 5\YcYbTY \e^wqfydq 45
46 Dove serve l alta velocità? Dorsali cablaggio in fibra ottica Server nelle sale dei centri di calcolo, raggiungibili in fibra o in meno di 25 m in rame NON nei client Attenzione ai miti sul cablaggio! 46
Febbraio 1998 GIGABIT ETHERNET. Pietro Nicoletti. p.nicol@inrete.it. GIGABIT - 1 Copyright: si veda nota a pag. 2
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