Capitolo 5 - parte 2. Corso Reti ed Applicazioni Mauro Campanella. M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2005 Cap 5-2 pag.

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1 Capitolo 5 - parte 2 Corso Reti ed Applicazioni Mauro Campanella M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2005 Cap 5-2 pag. 1

2 ARP e routing Spedire un datagramma da A a B attraverso un router R A conosce l indirizzo IP di R A R B In un router c è una tablella ARP per ciascuna rete IP a cui è connesso M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2005 Cap 5-2 pag. 2

3 A crea un datagramma IP con sorgente A e destinazione B Nella sua tabella di routing, A individua il router: A usa ARP per ottenere il MAC address di A crea un frame di livello 2 con il MAC address di R come destinazione, il frame continene il datagramma IP da A a B Il livello data link di A invia il frame A R B M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2005 Cap 5-2 pag. 3

4 Il livello data link di R riceve il frame R rimuove il datagramma IP dal frame Ethernet, vede che è destinato a B R guarda la sua tabella di routing per instadare il datagramma -> B è direttamente connesso R usa ARP per ottenere il MAC address per B R crea un frame di livello 2 con destinazione il MAC address di B. Il frame contiene il datagramma IP da A a B. R lo invia A R B M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2005 Cap 5-2 pag. 4

5 Ethernet La tecnologia LAN dominante - perché: Economica: 10 per 100Mbs! Più diffusa tecnologia LAN Più semplice ed economica di token ring e ATM Scelta della velocità : 10, 100, 1000, Mbps Lo schizzo originale di Metcalfe per Ethernet M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2005 Cap 5-2 pag. 5

6 Struttura del Frame Ethernet L adattatore che spedisce incapsula i datagrammi IP (o di altri protocolli di rete) in un frame Ethernet (incluso padding) 4 Preambolo: 7 bytes con il pattern seguiti da un byte con il pattern (Usato per sincronizzare i clock degli adattatori) Tipo: indica il protocollo di livello superiore, soprattutto IP, ma anche Novell IPX o AppleTalk M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2005 Cap 5-2 pag. 6

7 Indirizzi: 6 bytes Struttura del Frame Ethernet (2) Se l adattatore riceve un frame con il proprio indirizzo MAC come destinazione, oppure con indirizzo destinazione broadcast (es: ARP packet), passa il contenuto del frame al protocollo di rete Altrimenti scarta il frame CRC: controllato dal ricevitore, se viene rilevato un errore il frame è scartato senza avvertire, né l host, né l altro adattatore Protocollo semplice implementato in HW M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2005 Cap 5-2 pag. 7

8 Modello di servizio di Ethernet Connectionless: l adattatore che spedisce e quello che riceve non stabiliscono una connessione Inaffidabile: l adattatore che riceve non manda ack o nack a quello che spedisce È possibile che vengano persi pacchetti di livello rete Saranno recuperati se l applicazione usa TCP, oppure se autonomamente garantisce l affidabilità Altrimenti l applicazione subirà una perdita di dati M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2005 Cap 5-2 pag. 8

9 Ethernet usa CSMA/CD Il tempo non è diviso in slot e quindi non è necessario sincronizzare globalmente i clock degli adattatori frame di lunghezza variabile Ciascun adattatore inizia a trasmettere indipendentemente - accesso casuale Un adattatore non trasmette se sente che qualcun altro sta trasmettendo - carrier sense il mezzo è condiviso (multiple access) Un adattatore che sta trasmettendo si ferma quando si accorge che un altro adattatore ha iniziato a trasmettere - collision detection - Dopo una collisione, un adattatore aspetta un tempo casuale prima di riprovare a trasmettere M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2005 Cap 5-2 pag. 9

10 L algoritmo CSMA/CD di Ethernet Un adattatore riceve un datagramma dallo strato superiore e crea il frame Se sente che il canale è libero, inizia a trasmettere il frame; se è occupato aspetta che sia libero e poi trasmette Se rileva una collisione durante la trasmissione, si ferma ed invia il segnale di JAM (per aiutare l altro adattatore a rilevare la collisione) Dopo una collisione, entra nello stato di backoff exponenziale: dopo la m-esima collisione, l adattatore sceglie un numero casuale K tra 0 e 2 m -1, e aspetta K*512 bit times prima di ritrasmettere Quando è riuscito a trasmettere tutto il frame senza collisioni, considera il frame trasmesso con successo M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2005 Cap 5-2 pag. 10

11 L algoritmo CSMA/CD di Ethernet (2) Segnale di JAM: garantisce che tutti gli altri trasmettitori rilevino la collisione - 48 bits; Bit time: 0,1 microsec per 10 Mbps Ethernet; per m=10, l attesa è circa 50 msec Dopo 10 collisioni l adattatore rinuncia alla trasmissione backoff exponenziale: scopo: adattare i tentativi di ritrasmissione al carico sotto forte carico le attese saranno più lunghe Prima collisione: sceglie K in {0,1}; il ritardo è K x 512 bit times Dopo la seconda collisione: {0,1,2,3} Dopo 10 collisioni, {0,1,2,3,4,,1023} M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2005 Cap 5-2 pag. 11

12 Algoritmo MAC per Ethernet CSMA/CD + backoff esponenziale // In attesa Ricezione un pacchetto dallo strato superiore; K := 0; n :=0; // K: random wait time; n: no. di collisioni repeat: wait for K * 512 bit-time; while (network busy) wait; wait for 96 bit-time after detecting no signal; transmit and detect collision; if {detect collision} stop and transmit a 48-bit jam; n ++; m:= min(n, 10) // n è il numero delle collisioni {scegli K a caso da {0, 1, 2,, 2 m -1}} if n < 16 goto repeat else giveup M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2005 Cap 5-2 pag. 12

13 Efficienza di CSMA/CD T prop = massimo tempo di propagazione tra 2 nodi T trans = durata della trasmissione del frame di dimensione massima efficienza = (5 T prop / T trans ) L efficienza tende a 1, se T prop tende a 0 (è immediato il riscontro di collisioni con minore perdita tempo) L efficienza tende a 1, se T trans tende a infinito (una volta catturato il canale è bene usato) Molto meglio di ALOHA, ma sempre decentralizzato, semplice ed economico M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2005 Cap 5-2 pag. 13

14 Technologie Ethernet : 10Base2 10: 10Mbps; 2: lunghezza del cavo fino a 200 metri Cavo coassiale sottile, topologia a bus Si usano ripetitori per connettere più segmenti I ripetitori copiano i bit che leggono su una interfaccia su tutte le altre interfacce: sono dispositivi di livello fisico Tecnologia ormai obsoleta M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2005 Cap 5-2 pag. 14

15 10BaseT e 100BaseT Velocità di 10/100 Mbps; 100Mbps è fast ethernet T: Twisted Pair (fili di rame in doppini incrociati) I nodi sono connessi ad un hub: topologia stellare ; max distanza tra nodi e hub: 100 m Gli hub sono ripetitori di livello fisico: I bit che arrivano su una interfaccia vengono ripetuti su tutte le altre Non c è buffering dei frame Nodi Gli hub non implementano CSMA/CD: sono gli adattatori a riconoscere le collisioni Funzionalità degli hub per la gestione della rete: monitoraggio ed isolamento nodi malfunzionanti hub M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2005 Cap 5-2 pag. 15

16 Codifica Manchester Usata in 10BaseT e 10Base2 Ogni bit ha una transizione Permette ai clock del miittente e del destinatario di sincronizzarsi Non serve un clock centralizzato È una funzionalità di livello fisico M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2005 Cap 5-2 pag. 16

17 Gbit Ethernet Usa il formato di frame standard Ethernet Collegamenti punto-punto o canali condivisi in shared mode usa CSMA/CD per essere efficente, su rame le distanze tra i nodi devono essere modeste esistono dispositivi simili agli hub, chiamati Buffered Distributors, ma soprattutto si usano switch Se il canale è occupato, possono immagazzinare frame sulle porte di ingresso Collegamenti punto-punto sono Full-Duplex a 1Gbps Già disponibile 10 Gbps Ethernet M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2005 Cap 5-2 pag. 17

18 Connettere i segmenti di LAN Ripetitori Hub livello fisico Copiano i bit Inoltrano tutto su tutte le interfacce Uniscono i domini di collisione Half duplex Singola tecnologia ethernet ripetitori con molte porte Bridge livello data link Copiano i frame Filtrano i frame e li inoltrano selettivamente Separano i domini di collisione Full duplex Tecnologie eterogenee Switch bridge con molte porte M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2005 Cap 5-2 pag. 18

19 Interconnettere con gli HUB Un hub di backbone connette diversi segmenti di LAN Rigenera il segnale Estende la distanza massima tra i nodi e il numero di nodi ma: I domini di collisione vengono uniti se un nodo in CS e uno in EE trasmettono contemporaneamente si ha collisione la banda disponibile è condivisa tra tutti i dipartimenti Non si possono interconnettere 10BaseT & 100BaseT M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2005 Cap 5-2 pag. 19

20 Bridge Dispositivo di livello di data link memorizza e inoltra frame Ethernet esamina l intestazione del frame Usa il MAC address sorgente per imparare su quale porta risiede un adattatore inoltra selettivamente i frame basandosi sul MAC address di destinazione Quando deve inoltrare un frame su un segmento, usa CSMA/CD con gli altri adattatori sul segmento trasparente: gli adattatori non si accorgono della sua esistenza plug-and-play, autoapprendente, non richiede configurazione M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2005 Cap 5-2 pag. 20

21 Bridge: isolamento del traffico L installazione di un bridge divide la LAN in segmenti I bridge filtrano i frame: normalmente i frame interni ad una LAN non sono inoltrati ad altri segmenti di LAN I segmenti diventano domini di collisione separati Dominio di collisione bridge Dominio di collisione = hub = host segmento LAN segmento LAN Domini di collisione LAN (sottorete IP) Dominio di broadcast M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2005 Cap 5-2 pag. 21

22 Bridge: inoltro Dominio di collisione bridge Dominio di collisione = hub = host Dominio di collisione Come decidere su quale segmento di lan inoltrare un frame? Analogo al problema di routing a livello IP. M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2005 Cap 5-2 pag. 22

23 Bridge: autoapprendimento Un bridge ha una tabella di inoltro Voce nella tabella di inoltro: <mac address, interfaccia, Time Stamp> Le voci sono eliminate dopo un periodo di tempo fissato (il TTL può essere 60 min) Il bridge impara quali host sono raggiungibili attraverso quali interfacce Quando riceve un frame, impara il segmento LAN da cui proviene il mittente Memorizza o aggiorna una voce nella tabella di inoltro M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2005 Cap 5-2 pag. 23

24 Bridge: algoritmo filtraggio e inoltro Quando un bridge ha ricevuto un frame: dst_mac indirizzo MAC destinazione del frame in_if interfaccia da cui arriva il frame fwd_tab tabella di inoltro find_fwd ricerca nella tabella di inoltro out_if = find_fwd(fwd_tab,dst_mac); if (out_if == in_if) then ignora il frame; else if (out_if == null) // MAC sconosciuto then inoltra il frame su tutte le interfacce tranne in_if - flooding; else inoltra il frame su out_if; M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2005 Cap 5-2 pag. 24

25 Bridge: esempio di apprendimento C spedisce un frame a D, e D risponde a C Il bridge riceve il frame da C Annota nella tabella di inoltro che C è sulla interfaccia 1 D non è nella tabella, spedisce il frame sulle interfacce 2 e 3 (flooding) D riceve il frame M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2005 Cap 5-2 pag. 25

26 Bridge: esempio di apprendimento (2) D invia un frame a C Il bridge riceve il frame Annota nella tabella di inoltro che D è sulla interfaccia 2 Il bridge sa già che C è sulla interfaccia 1, quindi inoltra selettivamente il frame sull interfaccia 1 M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2005 Cap 5-2 pag. 26

27 Interconnessione senza backbone Non consigliabile per due ragioni: l hub di Computer Science è un single point of failure tutto il traffico tra EE e SE passa sul segmento di CS M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2005 Cap 5-2 pag. 27

28 Configurazione con backbone Raccomandata! il bridge separa i domini di collisione Sugli hub passa solo il traffico locale Ma il bridge è ancora un single point of failure M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2005 Cap 5-2 pag. 28

29 Bridge: Spanning Tree Per migliorare l affidabilità si creano percorsi multipli tra gli hub, ma questo crea percorsi ciclici i bridge potrebbero moltiplicare i frame e inoltrarli all infinito Soluzione: disabilitare una parte delle interfacce per trasformare una rete con cicli in uno spanning tree (albero coprente privo di loop) Porta disabilitata M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2005 Cap 5-2 pag. 29

30 Bridge: Spanning Tree (2) In caso di guasti di un collegamento o di un apparato, alcune delle interfacce che erano in stand-by vengono riattivate e la rete torna connessa Richiede un tempo di convergenza (decine di secondi) Il protocollo STP è plug & play, ma Porta disabilitata Link Interrotto Porta che torna in esercizio M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2005 Cap 5-2 pag. 30

31 Caratteristiche dei bridge Separano i domini di collisione Migliora il throughput complessivo della rete Uniscono i domini di broadcast Un frame broadcast raggiunge tutta la rete Se sono tanti possono intasare Numero di nodi e copertura geografica illimitati Possono interconnettere diversi tipi di ethernet (es: 10Base2 100BaseT 1000BaseSX) Sono transparenti ( plug-and-play ): non richiedono configurazione M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2005 Cap 5-2 pag. 31

32 Bridges vs. Routers Sono dispositivi store-and-forward router: dispositivi di livello rete Bridges: dispositivi di livello di data link I router mantengono tabelle di routing (una voce per rete connessa) ed eseguono algoritmi di routing I bridge mantengono tabelle di inoltro (una voce per adattatore attivo) ed eseguono autoapprendimento, fitraggio e spanning tree M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2005 Cap 5-2 pag. 32

33 Routers vs. Bridge Bridge: vantaggi operazioni più semplici, richiedono meno modifiche ai pacchetti le tabelle sono apprese automaticamente e svantaggi Se ci sono percorsi multipli, il traffico può usare solo i link selezionati dallo spanning tree, anche se ci sarebbe altra banda disponibile uso subottimale della capacità della rete non proteggono dalle tempeste di broadcast occupano una voce di tabella per ogni host scalabilità limitata M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2005 Cap 5-2 pag. 33

34 Router: vantaggi Routers vs. Bridges possono supportare topologie più varie, i cicli sono limitati dal TTL IP (e da buoni protocolli di routing cg!) proteggono dalle tempeste di broadcast e svantaggi Richiedono configurazione di indirizzi IP sulle interfacce e di default gateway sugli host (non plug and play) Gli host non possono essere spostati plug&play da una rete all altra (ma c è DHCP ) devono modificare i pacchetti occupano una voce di tabella di routing per ogni rete I bridge sono adeguati per reti piccole (decine o centinaia di host), i router sono usati in reti più grandi (migliaia) M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2005 Cap 5-2 pag. 34

35 Switch Ethernet Essenzialmente un bridge con molte interfacce con una struttura HW veloce e distribuita Inoltro di frame a livello 2, usando indirizzi LAN Switching: possono parlare contemporaneamente A-con-A e B-con-B, senza collisioni Molte interfacce (decine) Rete tipica: stella di host connessi su switch Ethernet, senza collisioni M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2005 Cap 5-2 pag. 35

36 Switch Ethernet store & forward switching: il frame viene ricevuto completamente, controllato e poi inoltrato (tipico) cut-through switching: il frame viene inoltrato dalla porta di ingresso a quella di uscita senza attendere che sia completamente ricevuto Leggera riduzione della latenza Non può controllare il checksum Combinazioni di interfacce a banda condivisa/dedicata, a 10/100/1000 Mbps 24 porte 10/100 condivise, 2 uplink 10/100 dedicato 24 porte 10/100, 2 uplink Gbit, tutto dedicato M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2005 Cap 5-2 pag. 36

37 Un esempio di LAN Dedicated Shared M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2005 Cap 5-2 pag. 37

38 Confronto hub bridge router switch Isolamento del traffico no si si si plug & play si si no si Routing ottimale no no si no cut through si no no possibile M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2005 Cap 5-2 pag. 38

39 Il Cablaggio ai tempi del coassiale Ethernet basata su cavo coassiale: Topologia a bus lo stesso cavo serve molti host Un host o un cavo malfunzionante influenza tutti, e bisogna andarlo a cercare (magari a km di distanza) Diversi segmenti sono concentrati nello stesso locale tecnico, con Repeater, bridge, router, Hub o switch venivano aggiunti nelle stanze più popolate o più attive e connessi al cavo coassiale Prime forme di cablaggio strutturato: cavo coassiale canalizzato, cavi andata e ritorno per un solo host M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2005 Cap 5-2 pag. 39

40 Cablaggio strutturato (ultime due lezioni) Ethernet basata su hub o switch Topologia inerentemente stellare Ogni host ha un cavo dedicato verso l apparato di distribuzione Edifici predisposti con prese RJ45 in tutti i locali attestate in un armadi di distribuzione, cavi canalizzati Sistema modulare: apparato - patch - cavo canalizzato - patch - host Il cablaggio può servire anche altri tipi di utenza (telefoni, ma non solo) E se non basta si mette uno switch nella stanza Edifici complessi, campus: struttura gerarchica del cablaggio, fibre e multicoppia di backbone M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2005 Cap 5-2 pag. 40