Reti di Calcolatori. Protocolli data link layer per reti LAN

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1 Reti di Calcolatori Protocolli data link layer per reti LAN

2 Reti broadcast multi-access Sono usate spesso nelle LAN Il canale è condiviso fra N stazioni indipendenti Si devono risolvere i conflitti di accesso Allocazione statica (FDM o TDM) non è efficiente in ambienti altamente dinamici numero di stazioni variabile carico variabile (stazioni inattive) Allocazione dinamica (risoluzione dei conflitti di accesso) Collisione: due segnali trasmessi simultaneamente si sovrappongono e il segnale risultante sarà confuso Le stazioni possono rilevare le collisioni Una collisione corrisponde ad un errore di trasmissione 2

3 Mezzo Condiviso Un mezzo condiviso tra tutte le stazioni per trasmettere e ricevere Solo una stazione alla volta può trasmettere Le stazioni operano a turni Collision-Detection esempio: IEEE (Ethernet) hub hosts Bus (cavo condiviso) Collision-free hosts esempio: IEEE (Token Ring) Connessione da un host all altro 3

4 Collisione Concetto nato per le reti broadcast Trasmetti pacchetto Collisione? si Attendi un tempo casuale no La collisione viene rilevata ascoltando il canale e verificando che il segnale ricevuto corrisponda a quello trasmesso senza interferenze basta una minima sovrapposizione dei due pacchetti per farli andare persi. 4

5 CSMA [Carrier Sense Multiple Access] Protocolli con rilevamento della portante (Carrier Sense - CS) Migliorano l utilizzo del canale perché evitano le collisioni quando il canale è già impegnato CS Portante? no Trasmetti pacchetto si CS Portante? no Trasmetti pacchetto attesa casuale si Collisione? si Attendi un tempo casuale Collisione? si Attendi un tempo casuale no no 1-persistente non persistente 5

6 Rilevazione della portante Si utilizza la codifica Manchester per i segnali i bit sono codificati da transizioni (usa il doppio della banda) I livelli in presenza di segnale sono standardizzati IEEE 802.3: -0.85, L assenza di portante è codificata dal segnale nullo (linea idle) Codifica binaria 1 0 Codifica Manchester Codifica Manchester differenziale la transizione codifica 0 la mancanza di transizione codifica 1 6

7 CSMA/CD [Collision Detection] Il protocollo opera in tre diverse fasi: carrier sense: (rilevazione della trasmissione): ogni stazione che deve trasmettere ascolta il bus e decide di trasmettere solo se questo è libero (listen before talking); multiple access: nonostante il carrier sense è possibile che due stazioni, trovando il mezzo trasmissivo libero, decidano contemporaneamente di trasmettere; la probabilità di questo evento è aumentata dal fatto che il tempo di propagazione dei segnali sul cavo non è nullo, e quindi una stazione può credere che il mezzo sia ancora libero anche quando un'altra ha già iniziato la trasmissione; collision detection: se si verifica la sovrapposizione di due trasmissioni si ha una "collisione"; per rilevarla, ogni stazione, mentre trasmette un pacchetto, ascolta i segnali sul mezzo trasmissivo, confrontandoli con quelli da lei generati (listen while talking). 7

8 CSMA/CD [Collision Detection] Le stazioni bloccano la trasmissione quando rilevano una collisione t 0 slot di contesa frame frame frame frame periodo di trasmissione periodo di contesa periodo morto Alla fine di una trasmissione si può avere un periodo di contesa se 2 o più stazioni iniziano a trasmettere L ampiezza di ciascun slot di contesa dipende dal ritardo di propagazione (dalla distanza delle stazioni che trasmettono in contemporanea) I periodi morti si hanno quando nessuna stazione ha frame da trasmettere 8

9 CSMA/CD [Collision Detection] A seguito di un'avvenuta collisione si intraprendono le seguenti azioni: la stazione trasmittente sospende la trasmissione e trasmette una sequenza di jamming (interferenza trasmissiva) composta da 32 bit per ed un numero di bit compreso tra 32 e 48 per Ethernet v.2.0; questa sequenza permette a tutte le stazioni di rilevare l'avvenuta collisione; le stazioni in ascolto, riconoscendo il frammento di collisione costituitodalla parte di pacchetto trasmessa più la sequenza di jamming, scartano i bit ricevuti; la stazione trasmittente ripete il tentativo di trasmissione dopo un tempo pseudo-casuale per un numero di volte non superiore a 16. 9

10 Ritardi di linea e collisioni è il tempo di propagazione fra le stazioni più lontane Il tempo massimo per la rilevazione di una collisione è 2 (slot di contesa) t 0 A Il pacchetto deve durare più di 2 B A B inizia a trasmettere poco prima che l inizio del pacchetto di A arrivi in B B t A B A B t 0 + t 0 +2 B rileva la collisione e sospende la trasmissione. Il disturbo generato dalla collisione si propaga verso A A rileva la collisione e sospende la trasmissione. 10

11 Security & Privacy 802 Overview & Architecture Management Standard IEEE 802 Standard LAN che includono CSMA/CD, token bus, token ring Differenze al livello fisico e MAC ma compatibilità al livello data link Logical Link Data Link Bridging MAC CSMA/CD (Ethernet) Token Bus Token Ring DQDB Integrated services Wireless Demand Priority Access Physical Broadband LAN 11

12 Il progetto IEEE 802 Quando le prime LAN cominciarono a diffondersi (ARC, Ethernet, Token Ring, ecc.), l'ieee decise di costituire sei comitati per studiare il problema della standardizzazione delle LAN e delle MAN, complessivamente raccolti nel progetto IEEE 802. Tali comitati sono: Overview, Architecture, Bridging and Management; Logical Link Control; CSMA/CD (Carrier Sense, Multiple Access with Collision Detection); Token Bus; Token Ring; Metropolitan Area Networks - DQDB (Distributed Queue, Dual Bus). 12

13 Il progetto IEEE 802 A tali comitati in seguito se ne sono aggiunti altri tra cui: 802.3u 100BaseT; 802.3z 1000baseX 802.3ae 10GgaseX Broadband technical advisory group; Fiber-optic technical advisory group; Integrated data and voice networks; Network security; Wireless network; VG AnyLAN; Cable-TV based broadband communication network. Il lavoro di tali comitati si svolse in armonia con il modello di riferimento OSI, e la relazione esistente tra il progetto OSI, il progetto IEEE 802 e lo standard EIA/TIA 13

14 IEEE È lo standard contenente le specifiche generali del progetto 802; esso è composto da molte parti, tra cui: Part A (Overview and Architecture); Part B (Addressing Internetworking and Network Management); Part D (MAC Bridges). 14

15 IEEE IEEE 802 introduce l'idea che le LAN e le MAN devono fornire un'interfaccia unificata verso il livello Network (livello rete), pur utilizzando tecnologie trasmissive differenziate. Per ottenere tale risultato, il progetto IEEE 802 suddivide il livello Data Link in due sottolivelli: LLC (Logical Link Control); MAC (Media Access Control). 15

16 IEEE Il sottolivello LLC è comune a tutte le LAN, mentre il MAC è peculiare di ciascuna LAN, così come il livello fisico al quale è strettamente associato. Il sottolivello LLC è l'interfaccia unificata verso il livello Network ed è descritto nell'apposito standard IEEE 802.2, mentre i vari MAC sono descritti negli standard specifici di ogni rete locale (ad esempio il MAC CSMA/CD è descritto nello standard IEEE 802.3). Nel seguito, per facilità di lettura, si parlerà solo di reti locali (LAN), ma quanto detto vale ovviamente anche per le reti metropolitane (MAN), comprese anch'esse nel progetto IEEE

17 MAC Il sottolivello MAC è specifico di ogni LAN e risolve il problema della condivisione del mezzo trasmissivo. Esistono vari tipi di MAC, basati su principi diversi, quali la contesa, il token, la prenotazione e il round-robin. Il MAC è indispensabile in quanto a livello 2 (Data Link) le LAN implementano sempre una sottorete trasmissiva di tipo broadcast in cui ogni sistema riceve tutti i frame inviati dagli altri. 17

18 MAC Trasmettere in broadcast, cioè far condividere un unico canale trasmissivo a tutti i sistemi, implica la soluzione di due problemi: in trasmissione, verificare che il canale sia libero prima di trasmettere e risolvere eventuali conflitti di più sistemi che vogliano utilizzare contemporaneamente il canale; in ricezione, determinare a quali sistemi è effettivamente destinato il messaggio e quale sistema lo ha generato. 18

19 MAC La soluzione del primo problema è data dai vari algoritmi di MAC che, per poter soddisfare il requisito "apparecchiature indipendenti", devono essere algoritmi distribuiti su vari sistemi e non necessitare di un sistema master. La soluzione del secondo problema implica la presenza di indirizzi a livello MAC (quindi nella MAC-PDU) che trasformino trasmissioni broadcast in: tramissioni punto-a-punto, se l'indirizzo di destinazione indica un singolo sistema; trasmissioni punto-gruppo, se l'indirizzo di destinazione indica un gruppo di sistemi; trasmissioni effettivamente broadcast, se l'indirizzo di destinazione indica tutti i sistemi. 19

20 MAC Il MAC deve anche tener conto della topologia della LAN, che implica leggere variazioni sulle possibili modalità di realizzazione del broadcast: con topologie a bus, è un broadcast a livello fisico (elettrico), mentre con topologie utilizzanti canali punto-a-punto, quali l'anello, è un broadcast di tipo logico. Le reti locali hanno canali sufficientemente affidabili, quindi non è in genere necessario effettuare correzione degli errori. Se ciò fosse richiesto, sarebbe il sottolivello LLC ad occuparsene essendo il MAC sempre connectionless. 20

21 MAC PDU Nelle reti locali, al livello 2 OSI, sono presenti due tipi di PDU corrispondenti ai due sottolivelli LLC e MAC. Il formato della LLC-PDU è comune a tutte le reti locali, mentre quello della MAC-PDU è peculiare di ogni singolo MAC. Tuttavia alcuni campi principali, rappresentati in figura, sono presenti in tutte le MAC-PDU. In particolare una MAC-PDU contiene due indirizzi(sap), uno di mittente (MAC-SSAP) e uno di destinatario (MAC-DSAP), un campo INFO contenente la LLC-PDU (cioè il pacchetto di livello LLC) e una FCS (Frame Control Sequence) su 32 bit, cioè un codice a ridondanza ciclica (CRC) per l'identificazione di errori di trasmissione. 21

22 IEEE LLC (Logical Link Control) IEEE è lo standard del sottolivello LLC. Esso definisce sia i servizi forniti dal livello LLC, sia il protocollo che li implementa. LLC ha lo scopo di fornire un'interfaccia unificata con il livello network, il più simile possibile a quella delle reti geografiche. Per queste ultime l'osi ha accettato come standard i protocolli della famiglia HDLC e quindi LLC è stato progettato come una variante di HDLC per le reti locali. 22

23 IEEE LLC (Logical Link Control) LLC ha una sua PDU (LLC-PDU), illustrato in figura. Si osservi che nel contesto dei protocolli per reti locali si suole usare il termine ottetto al posto di byte. 23

24 IEEE LLC (Logical Link Control) In funzione dei valori assunti dal campo control, si distinguono tre tipi di PDU di cui il primo è il più importante: Unnumbered PDU (U-PDU). Si utilizzano per trasportare i dati di utente (nella modalità non connessa) per scopi di inizializzazione e per ragioni diagnostiche; Information PDU (I-PDU). Sono usate nella modalità connessa per trasportare i dati di utente; Supervisory PDU (S-PDU). Sono usate nella modalità connessa per trasportare le informazioni di controllo del protocollo. 24

25 Servizi LLC LLC offre al livello Network tre tipi di servizi: Unacknowledged connectionless service (LLC Type 1). In questa modalità il trasferimento dati è non connesso senza conferma. È la modalità preferita da molte architetture di rete proprietarie tra cui DECnet e TCP/IP; Connection oriented service (LLC Type 2). Questa modalità crea dei circuiti virtuali tra mittenti e destinatari prima di effettuare la trasmissione. È una modalità connessa, molto spesso adottata nelle architetture di rete IBM; Semireliable service (LLC Type 3). In questa modalità il trasferimento dati è non connesso, ma con conferma. È una modalità pensata per i protocolli da utilizzarsi in ambito di fabbrica. 25

26 Relazioni tra L3, LLC e MAC Ogni interfaccia di rete locale è gestita da un suo livello MAC. Su tale livello MAC si appoggia un livello LLC. Il livello MAC è implementato nell'hardware della scheda di rete locale, mentre il livello LLC è di solito realizzato in software. Ogni livello LLC può gestire un solo livello MAC: questo significa che un livello LLC non può avere funzionalità di "relaying" (non può inoltrare pacchetti) tra più MAC. Tale funzionalità di instradamento dei pacchetti è delegata al livello 3. 26

27 Relazioni tra L3, LLC e MAC 27

28 IEEE e Ethernet Standard per una LAN CSMA/CD 1-persistente (fino a 100Mbps) Ethernet è un prodotto che implementa (più o meno) IEEE Cavo Ethernet (bus condiviso) Computer mittente trasmette i bit di un frame Computer destinazione riceve una copia di ciascun bit Il segnale si propaga lungo tutto il cavo 28

29 Formato del frame IEEE Preambolo (7 byte) Vengono trasmessi 7 byte Produce un onda quadra a 10MHz per 5.6 s (56 bit x 0.1 s/bit) Permette la sincronizzazione del clock del mittente e del ricevente Codifica Manchester Start of frame (1 byte) Vale Indica l inizio del pacchetto 29

30 Indirizzamento Ethernet Gli indirizzi sono rappresentati su 6 byte (48 bit) Il frame contiene l indirizzo del mittente e del destinatario Individuale = 0 Gruppo = 1 Globale = 0 Locale = 1 Il bit IG definisce se il frame è indirizzato ad una singola stazione (unicast) o a un gruppo di stazioni (multicast) Un indirizzo composto da tutti 1 è riservato per il broadcast (il frame è ricevuto da tutte le stazioni) 30

31 Indirizzi Ethernet Il bit 46 distingue gli indirizzi locali da quelli globali Gli indirizzi globali sono assegnati dalla IEEE per assicurare l unicità degli indirizzi. Sono disponibili x indirizzi globali Tutte le stazioni vedono il frame e lo accettano se l indirizzo destinazione è compatibile con quello a loro assegnato Se la trasmissione è unicast solo la stazione con l indirizzo specificato nel campo destinazione del frame accetta il pacchetto. Le altre stazioni lo scartano Il riconoscimento dell indirizzo è a livello hardware Se l interfaccia è configurata in modo promiscuo, accetta tutti i pacchetti (snoop di rete) 31

32 Lunghezza del frame Un frame valido deve essere lungo almeno 64 byte Se si tolgono i 6+6 riservati agli indirizzi, i 2 per il campo length e i 4 del checksum, il campo dati deve avere almeno 46 byte (eventuale padding) La lunghezza minima di un pacchetto deve garantire che la trasmissione non termini prima che il primo bit abbia raggiunto l estremità più lontana e sia tornata indietro una eventuale collisione (per rilevare la collisione) A B A collisione B Per una LAN a 10 Mbps di 2.5 Km con 4 ripetitori un pacchetto deve durare almeno 51.2 s (64 byte) 32

33 Exponential Back-off Calcolo del tempo di attesa dopo una collisione Lo slot di contesa è pari a 2 (512 bit s per 10Mbps) slot di contesa frame frame Prima collisione: aspetta 0 o 1 slot Seconda collisione: aspetta 0,1,2 o 3 slot Collisione n: aspetta r slot con r scelto in modo casuale nell intervallo 0 r 2 k -1 dove k=min(n,10) Collisione 16: si notifica l errore di trasmissione 33

34 Exponential Back-off [continua] L algoritmo adatta l attesa al numero di stazioni che vogliono trasmettere Un intervallo di slot di attesa alto diminuisce la probabilità che due stazioni collidano di nuovo ma introduce un ritardo medio elevato frame 8 12 frame P(collisione)=1/16 16 slot Un intervallo di slot di attesa basso rende improbabile la risoluzione della collisione quando molte stazioni collidono 2 slot 100 stazioni 99 su slot 0 e 1 su slot 1 P(non collisione) = (0.5) 99 34

35 Prestazioni Analisi approssimata a carico costante Probabilità costante p di ritrasmissione per ogni slot k stazioni sempre pronte a trasmettere A è la probabilità che una stazione acquisisca il canale A = k p (1-p) k-1 A è massima per p=1/k [ A = (1-1/k) k-1 ] La probabilità che si abbiano j slot di contesa è Probabilità che: una stazione trasmetta le altre k-1 no per ogni stazione disponibile (k) A (1-A) j-1 Probabilità che: trasmissione nello slot j fallimento nei j-1 slot precedenti 35

36 Prestazioni [continua] Il numero medio di slot di contesa è 1/A Ogni slot ha durata 2, quindi l intervallo medio di contesa è 2 /A Se un frame medio impiega P per la trasmissione, l efficienza del canale è E = P/(P+ 2 /A) Diminuisce con la lunghezza della linea ( ) Aumenta con la dimensione F del frame (P=F/B) Decresce con il numero di stazioni pronte a trasmettere (carico) Più stazioni si aggiungono e più il traffico aumenta fino a saturare la LAN 36

37 Tecnologie Ethernet L insieme di protocolli Ethernet domina tuttora saldamente il mercato delle LAN La velocità di trasmissione originariamente era 10 Mbit/s su cavo coassiale Ethernet è evoluta su diversi mezzi trasmissivi (coassiale, doppino, fibra) fino a 10 Gbit/s (Gigabit Ethernet), passando da trasmissioni nel dominio elettrico a trasmissioni su fibra Ethernet, alle diverse velocità e per i diversi mezzi trasmissivi, è sempre stata standardizzata per permettere schede di interfaccia a basso costo, pensate per essere utilizzate in un PC 37

38 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 o switch: banda e cavi condivisi o dedicati ai terminali 38

39 Ethernet a 10, 100, 1000, Mb/s 50% 25% 25% Collegamento, in cavo metallico o fibra ottica, tra scatole. Se le scatole sono switch, aumenta la banda, migliora la gestibilità, ma abbiamo una rete a commutazione di pacchetto non controllata. Protocollo Spanning Tree per eliminazione cicli e recupero guasti. 39

40 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 di full-duplex: non serve un protocollo d accesso (Ethernet diventa una tecnica di framing e trasmissiva) i limiti di distanza sono puramente di tipo trasmissivo (possiamo raggiungere decine di chilometri) 40

41 Capacità [Mb/s] ,000 10,000 Evoluzione di Ethernet 10 Gigabit Ethernet Gigabit Ethernet Fast Ethernet Ethernet Distanza [km] 41

42 10Base5 AUI controller cuore cavo del transceiver spina a vampiro transceiver Thick Ethernet Cavo giallo con tacche ogni 2.5 m a indicare i punti di aggancio delle spine Il transceiver è un circuito elettronico che rileva la portante e le collisioni Il cavo del transceiver ha 5 doppini schermati (dati in ingresso, dati in uscita, controllo in e out, alimentazione) 42

43 10Base2 BNC Controller+ transceiver Thin Ethernet Il cavo è flessibile Il transceiver è in genere sul controller cavi BNC Connettore BNC a T 43

44 AUI Transceiver 44

45 10BaseT RJ45 Controller doppino Hub a 8 porte Topologia a stella Semplicità di manutenzione Distanza massima dall hub: 100m Tutte le stazioni collegate ad un hub sono nello stesso dominio di collisione Gli hub sono solo ripetitori del segnale (lavorano al livello fisico) Livello Fisico HUB 45

46 Connettore RJ-45 [Doppino] A B Pin Signal RxD (+) RxD (-) TxD (+) NC NC TxD (-) NC NC Description Receive Data (+) Receive Data (-) Trasmit Data (+) Transmit Data (-) 46

47 Fast Ethernet Riduce il tempo di bit a 100ns a 10ns Tutti i sistemi Fast Ethernet usano Hub Richiede una banda di 200 MBd (100 Mbps codifica Manchester) 100Base-T4 Utilizza una velocità di 25 MHz su 4 doppini cat 3 Un doppino trasmette verso l hub Un doppino riceve dall hub Due doppini sono orientabili a seconda del verso della trasmissione Non utilizza codifica Manchester Si utilizzano 3 livelli 0,1,2 Si trasmette un trit su 3 doppini (27 simboli = 4 bit + ridondanza) Si ha un canale nell altro verso a 33.3 Mbps 47

48 100Base-TX e 100Base-FX 100Base-TX Utilizza una velocità di 125 MHz su 2 doppini cat 5 (full-duplex) Un doppino trasmette verso l hub Un doppino riceve dall hub Utilizza una codifica 4B5B (4 bit in 5 periodi di clock) 100 Mbps bidirezionali 100Base-FX Utilizza due cavi di fibra multimodale (full-duplex) Un cavo trasmette verso l hub Un cavo riceve dall hub 100 Mbps bidirezionali 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 simboli speciali Codifica 8B10B 49

50 Gigabit Ethernet IEEE 802.3z specifica tre tipi di interfaccie fisiche: 1000Base LX: fibra multimodale 1000Base SX: fibra monomodale 1000Base CX: cavo di rame schermato 1000Base T: cavo STP o UTP (doppino in rame con 4 coppie schermato o non) Prevede le seguenti opzioni: SX: shortwavelength (850 nm) LX: longwavelength (1300 nm) standard 1000BASE - SX (850 nm) 1000BASE - LX (1300 nm) tipo di fibra MM MM MM MM MM MM MM SM diametro (µm) BW modale distanza (MHz km) minima (m) NA 2 to to to to to to t o to 5000

51 Livelli Gigabit Ethernet Media Access Control (MAC) MAC Layer Gigabit Media Independent Interface (GMII) (optional) Physical Layer FibreChannel Encoder/Decoder (8B10B) 1000BASE-T Encoder/decoder Lo standard Gigabit Ethernet specifica anche altri livelli fisici per trasmissioni a corta distanza, come doppini e cavi coassiali 1000BASE-LX LWL Fiber Optic 1000BASE-SX SWL Fiber Optic 1000BASE-CX Shielded Balanced Copper BASE-T UTP Category 5 SMF - 5km 50µ MMF - 550m 25 m 100 m 50µ MMF - 550m 62.5µ MMF m 62.5µ MMF - 500m 802.3z physical layer 802.3ab physical layer

52 Modifiche al protocollo In modalità half duplex, slot minimo portato da 64 a 512 bytes (se ho pacchetti piccoli le prestazioni sono basse) Collision domain di 200 m Solo topologie a stella Consente la tecnica frame bursting per mantenere il controllo del canale fino ad un massimo di 8192 bytes (l estensione della lunghezza minima del pacchetto è necessaria solo per il primo pacchetto) 52

53 Buffered Distributor Dispositivo che remotizza (rispetto al PC) il sottolivello MAC Opera sempre in full duplex Implementa un controllo di flusso tra il PC e il concentratore e memorizza localmente le trame fino a quando non riesce a trasmetterle Rende la massima distanza delle stazioni indipendente dal protocollo 53

54 Tipici 1 Gigabit Optical XCVRs Pin in Hole 1x9 GBIC SFP Pluggable SFF 54

55 10 Gigabit Ethernet Un comitato IEEE è attivo nella standardizzazione di 10 Gbit/s Ethernet Solo la modalità full duplex, senza CSMA-CD Soluzioni proposte: Seriale, con framing Ethernet, su distanze da LAN fino a 40 Km 650 m su fibra multimodo (MMF) 300 m su MMF installata 2 km su fibra monomodo (SMF) 10 km su SMF 40 km su SMF Seriale, su SONET, per distanze maggiori di 40 Km Per maggiori informazioni:

56 Obiettivi IEEE P802.3ae Mantenere il formato di trama di Ethernet Mantenere le dimensioni min/max del frame Funzionamento solo Full duplex Supportare solo cavi in fibra ottica 10.0 Gbps all interfaccia MAC-PHY Capacità in ambiente LAN PHY di 10 Gbps Capacità in ambiente WAN PHY di ~9.29 Gbps (compatibile con SONET) 56

57 Layer Model Livelli P802.3ae Modello di riferiment o OSI Applicazione Presentazione Sessione Trasporto Rete Collegamento Fisico Higher Layers LLC MAC Control MAC Reconciliation Sublayer (RS) XGMII XGMII XGMII 64B/66B PCS 64B/66B PCS WIS 8B/10B PCS PMA PMA PMA PMD PMD PMD MDI MDI MDI MEDIUM MEDIUM MEDIUM 10GBASE-R 10GBASE-W 10GBASE-X MDI = Medium Dependent Interface XGMII = 10 Gigabit Media Independent Interface PCS = Physical Coding Sublayer PMA = Physical Medium Attachment PMD = Physical Medium Dependent WIS = WAN Interface Sublayer 10GBASE-R: collegamenti su fibra punto punto 10GBASE-W: compatibile con standard SONET 10GBASE-X: usa WDM, 4 l a 2.5G in parallelo 57

58 10G su fibra ae 10GbaseF IEEE 802.3ae (10GBASE-F) pubblicata nel Febbraio tipologie su fibra 10GBASE-SR (fino a 300m con fibre multimodali XG) 10GBASE-LX4 (fino a 300m fibre multimodali 50- e 62.5-micron) 10GBASE-LR (fino a 10km con fibre monomodali) 10GBASE-ER (fino a 40km con fibre monomodali) ISO ha pubblicato ISO11801, 2 nd Edizione nel Settembre 2002 Fibre OM-1, OM-2, OM-3 e OS-1 Da oltre 2 anni sono disponibili sul mercato fibre ed elettroniche per 10G Media Access Control (MAC) Full Duplex 10 Gigabit Media Independent Interface (XGMII) or 10 Gigabit Attachment Unit Interface (XAUI) WWDM LAN PHY (8B/10B) Serial LAN PHY (64B/66B) Serial WAN PHY (64B/66B + WIS) WWDM PMD 1310 nm (LX4) Serial PMD 850 nm (SR) Serial PMD 1310 nm (LR) Serial PMD 1550 nm (ER) Serial PMD 850 nm (SW) Serial PMD 1310 nm (LW) Serial PMD 1550 nm (EW) 58

59 10G su fibra lunghezze d onda Device 850nm Seriale 1310nm WWDM 1310nm Seriale 1550nm Seriale 10GBASE-SR 10GBASE-SW 10GBASE-LX4 10GBASE-LR 10GBASE-LW 10GBASE-ER 10GBASE-EW 59

60 10G su fibra distanze supportate Fibre 62.5 MM 50 MM SM MHzlKm /Plus - SR 850 nm 26m 33m 66m 82/110m - LR 1310 nm Km ER 1550 nm Km LX nm MHzlKm 240m 300m 10 Km Nota : sono necessarie bretelle Mode conditioning per LX4 con fibre MM OM1 e OM2 60

61 Primi 10 Gigabit Optical XCVRS XENPACK FTRX 61 XGXS

62 Nome 10Base5 10Base2 Ecco una tassonomia dei principali standards con le loro limitazioni nella distanza Cavo coassiale grosso coassiale sottile Max segmento Nodi/ segmento 500m m 30 10Base-T doppino 100m Base-FL fibra ottica 10 Mbps Ethernet [Cablaggio] 2000m Nome 100Base-T4 100Base-TX 100Base-FX Cavo 4 doppini cat 3 doppino cat 5 fibra ottica Max segmento 100m 100m 2000m 100 Mbps (fast Ethernet) Nome Cavo 4 doppini 1000Base-T cat 5e fibra ottica 1000Base-SX multimode fibra ottica 1000Base-LX multimode fibra ottica 1000Base-LX singlemode Max segmento 100m 220m 500m 10Km 1000 Mbps (Giga Ethernet)

63 RPR IEEE Tecnologia di livello 2 per reti metropolitane di trasporto Basata su anello condiviso con riuso spaziale Offre protezione di livello carrier class basata su anelli Servizio con QoS diversa su un unica infrastruttura fisica Ridotto costo di gestione Alta capacità MAC indipendente dal livello fisico: si adatta ai livelli fisici di Ethernet o SONET 63

64 Tecnologia convergente Data TDM Video Mantenere gli standard di RPR semplici e lasciare ai costruttori la possibilità di differenziare i prodotti Vendor Specific Specific PHY Specific Service Intelligence (Adaptation, QoS, protocols) Ring Operations (Forwarding, Topology, Fairness, Protection) Optical Transmission Choice (Ethernet, SONET, new ones) Bound Scope Mantenere le operazioni indipendenti dal livello fisico 64

65 Resilient Packet Ring Doppio anello controrotante Entrambi gli anelli sono operativi in condizioni di normale funzionamento Procedure di Topology Discovery consentono ai nodi di conoscere l identità e la posizione lungo l anello degli altri nodi Sono previsti tre tipi di pacchetti: Data (di dimensione variabile fino a 9218 byte) Control (per Topology Discovery e Protection) Fairness (per comunicare le richieste di banda tra nodi) 65

66 Resilient Packet Ring Tre classi di servizio: Classe A: servizi garantiti in termini di banda e ritardo Classe B: servizi con garanzia di banda ma vincoli di ritardo meno stringenti Classe C: best-effort Recupero di guasti entro 50 ms (come SDH): Steering: si cambia l instradamento alla sorgente Wrapping: ripiegamento dell anello ai bordi del guasto (come 1:1) 66

67 Resilient Packet Ring Accesso basato su buffer insertion multiclasse RX PTQ STQ TX logic local traffic A B C PTQ: primary transmission queue STQ: secondary transmission queue 67

68 Controllo di equità Prenotazione e controllo di accettazione delle richieste per il traffico garantito Priorità nell accesso e nel transito tra diverse classi di traffico Shaping mediante token bucket Scambio controrotante di messaggi di controllo tra i nodi per notificare la congestione e per concordare un utilizzo equo della banda per il traffico non garantito 68

69 RPR: il meglio dai due mondi SONET Ethernet RPR Accesso equo alle risorse Alta efficienza sui anelli bidirezionali Latenza e jitter controllati Protezione in 50 millisecondi Ottimizzato per trasporto dati Y Y Economicamente valido per trasporto dati Y Y Y Y Y Y Y Y 69

70 RPR Alliance 70

71 IEEE (Token Ring) IEEE è l'evoluzione della rete locale Token Ring proposta da IBM in alternativa ad Ethernet. Lo standard prevede una topologia ad anello, con cablaggio stellare o a doppio anello. L'arbitraggio del canale trasmissivo avviene tramite token e quindi il protocollo è deterministico, con tempo di attesa limitato superiormente. La velocità trasmissiva è di 4 o 16 Mb/s e il throughput massimo di 3 o 12 Mb/s. 71

72 Token Ring Non utilizza un mezzo broadcast ma un insieme di collegamenti punto-punto associati in successione per realizzare una topologia ad anello Anello unidirezionale stazioni interfaccia dell anello 72

73 Interfaccia Token Ring Ogni bit che raggiunge l interfaccia è copiato in un buffer di 1 bit Il bit viene ritrasmesso sull anello dopo un eventuale controllo (ascolto) o modifica (trasmissione) Si ha un ritardo di 1 bit per ogni interfaccia Ritardo di 1 bit Ascolto Idle Trasmissione 73

74 Il Token Il token è una sequenza particolare di bit che circola sull anello quando tutte le stazioni sono inattive Quando una stazione vuole trasmettere, si impossessa del token e lo rimuove dall anello Una sola stazione può trasmettere (quella che possiede il token) byte Starting delimiter Access control Ending delimiter SD AC ED Token Il token è acquisito semplicemente cambiando un bit nel byte Access Control 74

75 La lunghezza dell Anello L anello deve avere un ritardo sufficiente per contenere un token completo circolante quando tutte le stazioni sono inattive La velocità di propagazione tipica è di 200m/ s Se la velocità di trasmissione è di RMbps, ogni bit occupa 200/R m J K 0 J K 0 SD I E 1 K J ED 1 K J R R AC 0 M R 0 P P P T I byte di start e end hanno dei bit che corrispondono a violazioni della codifica Manchester differenziale (J,K) Token bit 75

76 Gestione dell accesso Traffico scarso Traffico intenso Il token gira sull anello La stazione che ha un pacchetto da trasmettere preleva il token e trasmette il pacchetto Alla fine del pacchetto la stazione rimette il token nell anello Non appena una stazione termina la trasmissione e reimmette il token nell anello, la stazione successiva pronta a trasmettere prende possesso del token Il permesso di trasmissione circola lungo l anello implementando una politica round-robin 76

77 Il frame La quantità di dati contenuta in un frame è limitata dal tempo di possesso del token (10ms) no limit SD AC FC destination source data checksum ED FS Frame control indirizzi Frame status Il byte Frame Status permette di gestire l ack della ricezione (per questo è al termine del frame) Il ricevente indica se ha ricevuto e/o memorizzato i dati modificando opportunamente due bit (A=ack e C=copy) Quando il frame ha terminato il giro dell anello e torna al mittente, viene verificato l ack della trasmissione 77

78 Manutenzione dell anello L anello ha una stazione monitor controlla che il token non vada perso (utilizza un timer) gestisce le situazioni in cui l anello si spezza ripulisce l anello da frame corrotti o orfani (frame prodotti da stazioni che sono disattivate prima di ritirarlo) introduce ritardi se l anello non riesce a contenere i 24 bit del token Ogni stazione può funzionare da monitor Se una stazione si accorge che non c è monitor, trasmette un frame di controllo Claim Token. Se il frame ritorna, essa diviene il monitor Il monitor annuncia periodicamente la sua presenza con un frame di controllo Active Monitor Present. 78

79 FDDI: Fiber Distributed Data Interface E un token ring su fibra ottica a 100 Mb/s, con topologia a doppio anello controrotante. Caratteristiche: alta velocità e affidabilità ritardo poco dipendente dalle dimensioni della rete Ampiamente utilizzato negli anni 90 come backbone di reti LAN in ambito corporate o campus. 79

80 FDDI Velocità di trasmissione 125 Mb/s a livello fisico 100 Mb/s a livello Data Link Numero massimo di stazioni: 500 Lunghezza massima della rete: 100 km Distanza massima tra due stazioni 100 m su rame 2 km su fibra multimodale > 20 km su fibra monomodale 80

81 FDDI Topologia Logica: anello monodirezionale Topologia fisica: doppio anello controrotante albero doppio anello di alberi Protocollo d accesso (MAC) a token temporizzato; è sostanzialmente un estensione del Token Ring IEEE Dopo aver acquisito il token una stazione trasmette: traffico sincrono traffico asincrono (se rimane tempo) Per la protezione FDDI adotta la tecnica di ripiegamento di un anello a due fibre utilizzata anche da SONET/SDH 81

82 FDDI La massima distanza tra due stazioni è 2 km per i LED e 40 km per i laser PLL Local 100 MHz clock R x Elastic store T x Medium Access Control Queue T x /R x T x /R x topologia a doppio anello T x /R x T x /R x 82

83 FDDI Ogni nodo FDDI lungo l anello converte il signale dal dominio fotonico a quello elettronico, lo elabora e lo riconverte al dominio fotonico Le specifiche del livello fisico sono pensate per permettere implementazioni di basso costo: trasmettitori con LED a bassa potenza e MMF graded index il bilancio di potenza lascia un ampio margine per perdite di inserzione e splicing 83

84 Formato del pacchetto FDDI Data Frame PA SD FC DA SA Data FCS ED FS Token Frame PA SD FC ED PA (preamble): 16 simboli in codifica 4B/5B per agevolare la sincronizzazione (tale ridondanza richiede 125 Mbit/s al livello fisico) SD/ED (starting/end delimiter): due simboli riservati per delimitare il pacchetto FC (frame control): due simboli che definiscono il tipo di pacchetto DA (destination address) SA (source address) FCS (frame checking sequence): per rilevare gli errori FS (frame status) 84

85 Codifica di linea codific. decodif. di linea canale di linea k bits (k,n) n bits n bits (k,n) k bits La codifica di linea per FDDI (e altre simili codifiche di linea) è basata su una tabella di corrispondenza tra blocchi di k bit di ingresso e n bit di uscita, n>k Gli obbiettivi sono: bilanciamento della continua (10% for 4B/5B, introducendo una penalizzazione inferiore a 1 db) sincronizzazione dei clock (si garantisce un numero sufficiente di transizioni nei simboli di canale) delimitazione pacchetti (simboli riservati di start e stop) La velocità sulla linea cresce di un fattore n/k rispetto ai bit di utente 85

86 Fibre Channel Tecnologia pensata per l interconnessione ad alta velocità di periferiche e tra mainframe nei centri di calcolo Velocità fino al Gb/s con codifica di linea 8B/10B su fibre monomodali a 1300 nm Distanze fino a 10 km Mezzi trasmissivi: doppini, cavi coassiali, fibre ottiche Interlavoro con SCSI, Internet Protocol (IP), e altri protocolli Standard ANSI X

87 Scenario di uso 87

88 Modello di riferimento Fibre Channel Channels Networks ISO/OSI IPI SCSI HIPPI IP ATM FC-4 Transport Common Services FC-3 Framing Protocol/Flow Control FC-2 Data Link Encode/Decode FC-1 Physical 133 Mb/s 266 Mb/s 531 Mb/s 1062 Mb/s FC-0 88

89 FC-0 layer Livello fisico del sistema Mezzi fisici: Fibre (errore voluto per dire sia fiber, sia copper) Connettori, potenze, modulazioni. Equivalente OSI-1 Richisto BER minore di

90 FC-1 layer Definisce la codifica di linea secondo lo schema 8B/10B transmission encoding Importante schema (ereditato in Gigabit Ethernet) Parole di 8 bits sono trasmesse usando 10 bits Error detection (disparity control) Recupero e mantenimento di sincronizzazione 100% D.C. voltage balance Alcune sequenze ammissibili e non corripondenti a parole di codice sono usate per segnalazione (delimitazione frame, controllo di sequenza) 90

91 FC-2 Layer Livello che si occupa di specificare Formato di trama Gestisce la risequenzializzazione Flow Control Gestisce diverse classi di servizio Login/Logout di apparati Costruzione di topologia Segmentation and Reassembly 91

92 FC-2 Layer Diverse PDU sono identificate a livello 2: Ordered Set: trasmissione di 4 byte a scopo di segnalazione (SOF, EOF, R_RDY, ) Frame: unità dati base, più piccola di 2148 byte (36B+2112B) Sequence: composta da 1 o più frame (equivalente di una frase) Exchange: composta da 1 o più sequenze (equivalente di una conversazione) 92

93 FC-2: Formato di trama 4 bytes Start of Frame 24 bytes Frame header 64 bytes Optional header 2112 bytes Data Field 2048 bytes Payload 4 bytes CRC Error Check 4 bytes End of Frame CTL Source Address Destination Address Type Seq_Cnt Seq_ID Exchange_ID 93

94 FC-3: non ben definito. Implementato solo in apparati con più porte (es. gestione multicast) FC-4: specifica come trasportare protocolli di livello superiore Small Computer System Interface (SCSI) Internet Protocol (IP) FC-3 and FC-4 Layer High Performance Parallel Interface (HIPPI) Asynchronous Transfer Mode - (ATM-AAL5) Intelligent Peripheral Interface - 3 (IPI-3) (disk and tape) 94

95 Topologie Fibre Channel Topologie supportate: Point-to-point Arbitrated loop Fabric Si distinguono diversi tipi di porte: Node port: N_Port Loop port: L_Port Switch port: F_Port e loro combinazioni (FL_Port, ) 95

96 Topologia punto-punto N_port N_port Due e solo due N_ports connesse direttamente Bidirezionale Disponibilità di tutta la capacità Richiede comunque una fase di inizializzazione del link prima di essere operativa 96

97 Topologia Arbitrated Loop L_port L_port Topologia dominante: semplice L_port a mezzo trasmissivo condiviso Fino a 127 porte (che devono tutte essere L_port) L_port Utilizza uno schema distribuito per regolare l accesso Non ci sono limiti su quanto un dispositivo mantiene il controllo del loop Algoritmi di equità opzionali 97

98 Schema di arbitraggio Ogni dispositivo ottiene un indirizzo dinamico che prende il nome di Arbitrated Loop Physical Address (AL_PA) Quando deve trasmettere dei dati Trasmette un messaggio di prenotazione ARBx (x= AL_PA) lungo l anello Se riceve il messaggio Ha il diritto di usare l anello, e può iniziare le procedure di apertura verso un altra L_Port Dopo avere aperto la comunicazione, si ha un canale punto punto. Se più di un dispositivo richiede il possesso del canale Il messaggio a priorità più alta è inoltrato (ARBy si propaga se y<x) Quando il canale è di nuovo libero, x può ritentare 98

99 Inizializzazione degli indirizzi dinamici Gli AL_PA sono assegnati dinamicamente All acccensione (o dopo un evento di guasto) Una primitiva Link Initialization Primitive (LIP) è trasmessa lungo l anello Questo forza tutti i dispositivi a mandare un LIP In questa fase, l anello non è usabile 99

100 Address initialization 2 Si seleziona un loop master Ogni dispositivo manda un messaggio di Loop Initialization Master Select (LIMS) contenente il proporio Port Number Viene inoltrato solo il LIMS con valore minore Il dispositivo che riceve il proporio LIMS è eletto master Ogni dispositivo deve scegliere il proprio AL_PA Il master genera messaggi con una bitmap di 127 bit Ogni dispositivo tenta di riottenere il suo vecchio AL_PA Se già assegnato, chiede un altro AL_PA Il master manda un messaggio di CLoSe (CLS) e l anello è di nuovo operativo 100

101 Indirizzamento L indirizzo completo è di 3 byte In configurazione con fabric, viene assegnato dinamicamente durante la fase di login Prima del login di una Fabric, l N_Port S_ID è non definito (0x000000) La fabric espressamente assegna gli indirizzi In Arbitrated Loop, esistono anche gli indirizzi AL_PA. Dopo la fase di inizializzazione degli AL_PA, ogni N_port tenta un login (F_Login) verso una F_port per ottenere il proprio S_ID, per completare i tre byte dell indirizzo. Altrimenti, si lascia indefinito (0x0000) Nella configurazione Point-to-Point, le N_Port scelgono gli indirizzi da sole 101

102 Topologia con Fabric N_port N_port F_port F_port F_port F_port N_port N_port Configurazione commutata I mezzi fisici non sono condivisi (tutti canali point-to-point) Fino a 2 24 dispositivi Funzionalità avanzate (multicast, QoS) 102

103 Controllo di flusso Utilizza un approccio basato su crediti: Prima di scambiarsi dati, i dispositivi devono registrarsi tra di loro per concordare i crediti I crediti si riferiscono al numero di trame che un dispositivo può ricevere Ogni dispositivo sa quante trame gli altri dispositivi a lui collegati possono ricevere Dopo aver inviato un numero di trame tale da esaurire i crediti, la trasmissione deve essere interrotta, a meno che il dispositivo destinazione indichi di aver elaborato una o più trame e di essere pronto a riceverne di nuove 103

104 Controllo di flusso Due tipi di controllo di flusso Buffer-to-buffer da N_Port a N_Port o F_Port Ogni porta sa quanti crediti il ricevitore è disposto a ricevere (BB_Credit) Ogni frame ricevuto incrementa un contatore. Quando si raggiunge il valore BB_Credit, si interrompe la trasmissione Un segnale R_RDY decrementa il contatore (indica che un altro frame può essere inviato) End-to-end Tra N_port solamente Come per la modalità B-to-B si usano crediti Disponibilità di crediti viene comunicata tramite ACK (cumulativi) 104

105 Classi di servizio possibili Fibre channel ha standardizzato diverse classi di servizio: Class 1,,6 Sono scelte durante la fase di login tra due porte Si differenziano per l uso di flow control diversi Affinché la comunicazione possa avvenire, due N_Ports devono supportare almeno una classe di servizio in comune 105

106 Classi di Servizio Class 1 Dedicated circuitswitched connection Full bandwidth available, no multiplexing End-to-end flow control Video, voice Class 2 Connectionless with notification Allow multiplexing; No guarantee (out of order) Both B-to-B and E-to-E flow control Like LAN Class 3 Datagram service (no notification) Allow multiplexing; No guarantee B-to-B flow control Used for SCSI service Class 4 Fractional bandwidth allocation Virtual Circuit like class of service Usable only if a fabric is present Class 5 Isochroous service Not yet defined Class 6 Multicast support Allow replication (RAID configuration) Usable only if a fabric is present 106

107 HIPPI, ESCON, FICON, GeoPlex Diversi altri protocolli simili a Fibre Channel sono utilizzati nell interconnessione tra mainframe, supercalcolatori e periferiche: HIPPI (High Performance Parallel Interface): 800 Mbit/s; parallelo per trasmissione elettrica (25 m), seriale per distanze maggiori (su fibra) ESCON (Enterprise Serial Connection): fu introdotta da IBM; 200 Mbit/s, utilizzando LED e fibre multimodali FICON, GeoPlex, ecc: sono differenti evoluzioni di ESCON 107