Capitolo 5 - parte 1. Corso Reti ed Applicazioni Mauro Campanella

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1 Capitolo 5 - parte 1 Corso Reti ed Applicazioni Mauro Campanella

2 Strato di data link: introduzione Terminologia: host e router e altre componenti attive della rete sono nodi I canali di comunicazione fra nodi adiacenti sono linee (link), su un mezzo fisico quale cavo di rame o fibra oppure senza cavi (wireless) link L unità di trasmissione al livello 2 è detta frame. Il frame avvolge il datagramma, che avvolge il segmento, che avvolge il messaggio, M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 5-1 pag. 2

3 Link layer: introduzione Il livello di data link ha la responsabilità di trasferire un datagramma su una linea che collega un nodo a quello adiacente. E una funzione locale, che non è più end to end. E indipendente dal protocollo di livello superiore (p.e. IP). Il cammino completo dal nodo sorgente a quello destinazione può essere composto da molte linee, ciascuna con un suo data link. Ogni particolare protocollo di data link può offrire servizi aggiuntivi diversi allo strato di rete (per esempio un trasferimento di tipo affidabile). M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 5-1 pag. 3

4 I servizi offerti dal livello di data link Verso lo strato di rete: trasporto di un datagramma da un nodo ad uno adiacente in modo senza connessione e senza riscontro (Ethernet) senza connessione con riscontro (Wireless) orientato alla connessione con riscontro (HDLC) Come altri strati è infatti possibile garantire anche nel data link che una sequenza di bit sia consegnata più o meno affidabilmente da un nodo all altro. Il tipo di data link scelto dipenderà dall affidabilità intrinseca del mezzo trasmisivo (fibra o wireless per esempio) M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 5-1 pag. 4

5 Compiti dei protocolli di data link I protocolli hanno alcuni compiti fondamentali: verso lo strato di rete: incapsulare il datagramma in una struttura (frame), aggiungendo un header, ed a volte una coda (trailer) verso lo strato fisico: convertire un flusso di bit grezzo in una sequenza di frame. Dare quindi una struttura a sequenze di bit. utilizzare un indirizzo per la sorgente e destinazione diverso da quello di rete (IP, o Appletalk o SNA ) garantire una controllo ed eventuale correzione di errore di bit, robusta, soprattutto nel caso di mezzi trasmissivi rumorosi come le onde radio avere una serie di regole per accedere allo strato trasmissivo (MAC medium access control). M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 5-1 pag. 5

6 Realizzazione dei protocolli di data link La realizzazione della trasmissione può essere half-duplex, in cui ogni nodo agli estremi della linea può trasmettere e ricevere, ma non contemporaneamente full-duplex, che permette la ricezione e trasmissione simultanea La realizzazione dipende inoltre dalla topologia logica scelta. Le principali sono: punto-punto (seriale, linea modem) a mezzo condiviso (Ethernet, Wireless) ad anello (FDDI, Token Ring) Ognuna di queste topologie può essere trasformata in una stella. M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 5-1 pag. 6

7 Realizzazione dei protocolli di data link Nella processo di creazione di frame da una sequenza di bit, può essere creato più di un frame. La separazione di un frame dall altro è cruciale e si può ottenere: contatore di caratteri (non robusto in caso di errori) non più utilizzato sequenza d inizio e fine (flag byte) con byte stuffing. Viene usata una particolare sequenza di byte iniziale e finale. Se la sequenza appare nel campo dati, viene preceduta da un carattere speciale di escape. In caso di errore, la sequenza permette di risincronizzare sorgente e destinatario. sequenze iniziali e finali (di bit) con bit stuffing. Analogo al byte stuffing, ma il flag non è multiplo di 8 bit. M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 5-1 pag. 7

8 Realizzazione dei protocolli di data link Il livello di data link può implementare inoltre: controllo di flusso con finestra a scorrimento di dimensione di frame pari ad 1 (stop and wait) o superiore (HDLC) ritrasmissione di frame (da 1 a più a seconda della dimensione della finestra) Il numero dei protocolli inventati è infinito, la loro standardizzazione è storicamente a carico di IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) e di IETF per Internet e per la definizione del funzionamento di IP su protocolli definiti da IEEE. M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 5-1 pag. 8

9 Adattatori nodo mittente datagramma frame protocollo di link layer frame nodo di ricezione interfacce Il data link è realizzato nelle interfacce (dette NIC Network Interface Card). P.e. schede Ethernet PCI, PCMCI, o Il mittente: incapsula il datagramma aggiunge bit di correzione d errore, controllo di flusso, interfacce Il ricevente: controlla gli errori, effettua controllo di flusso, estrae il datagramma L interfaccia è praticamente autonoma per gli strati di data link e fisico. M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 5-1 pag. 9

10 Ricerca degli errori Vi sono due possibili strategie per la ricerca di errori (di bit): includere informazione aggiuntiva che permetta la pura identificazione dell occorrenza di un errore. Adatto a mezzi in cui gli errori sono rari e conviene semplicemente ritrasmettere, come la fibra ottica. includere abbastanza informazione che permetta sia la scoperta che la correzione di un errore (tecnica chiamata spesso Forward Error Correction o FEC). Adatta nel caso di mezzi trasmissivi con molti errori, come le onde radio. M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 5-1 pag. 10

11 Ricerca degli errori Qualunque tecnica finita non è mai in grado di scoprire tutti gli errori, né di correggere tutti gli errori riscontrati. In genere, maggiore è il numero di bit dedicati alla correzione e scoperta aggiunti, migliore è l accuratezza. Un altro problema è che la distribuzione degli errori non segue solo una disribuzione casuale, ma spesso gli errori avvengono in blocchi vicini (burst). Per esempio nelle specifiche delle linee di trasmissione dati si distingue: - il numero di errori per unità di tempo (normalmente il secondo) - il numero di secondi con più di un errore - il numero di secondi con molti errori. M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 5-1 pag. 11

12 Controllo di parità Il calcolo di parità con singolo bit permette di scoprire errori di un bit (ma non un burst con cambi pari ) Il calcolo di parità su una matrice bidimensionale in più corregge errori di singolo bit parità di riga d bit dati bit di parità parità di colonna 0 0 errore di parità nessun errore di parità errore di parità correggibile M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 5-1 pag. 12

13 Codici di pura scoperta errori Abbiamo già incontrato l algoritmo di checksum, che è largamente utilizzato dai protocolli Internet, ma non permette una accuratezza molto elevata nel riconoscimento di errori a burst. E stato introdotto il codice di controllo a ridondanza ciclica (CRC) di tipo polinomiale. Tali codici permettono, con una aggiunta di un numero limitato di bit, (in genere 16 o 32) alla parte dati, un alta efficacia di identificazione degli errori di bit. M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 5-1 pag. 13

14 CRC Presi D bit di dati, si sceglie uno schema polinomiale di r+1 termini G (generatore), noto sia al mittente che al ricevente. Vengono calcolati r bit di CRC (R) e posti di seguito a D, così che <D,R> sia esattamente divisibile per G (modulo 2). Tale schema può identificare tutti i blocchi di errori inferiori od eguali a r. Per blocchi più grandi la probabilità che gli errori non vengano rivelati è 1/2 (r-1). Per i protocolli della famiglia IEEE 802 si usano 32 bit di parità CRC (r=32). bit dati da inviare bit CRC formula matematica M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 5-1 pag. 14

15 Protocolli ad accesso multiplo Il canale di trasmissione è singolo e condiviso in ascolto e trasmissione (per esempio wireless). Quindi due trasmissioni simultanee possono interferire, causando errori. Il protocollo di accesso multiplo è un algoritmo distribuito che specifica come tale condivisione può avvenire, cioè le regole per l accesso al canale. Ethernet Wireless Satellite M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 5-1 pag. 15

16 Protocollo ad accesso multiplo ideale Nel caso che il canale condiviso sia a R bit/s: 1. Se un nodo vuole trasmettere lo fa alla velocità R. 2. Quando M nodi vogliono trasmettere, ognuno invia ad una velocità media R/M. 3. Decentralizzato completamente: nessun nodo di coordinamento nessuna sincronizzazione temporale o di intervalli. 4. Semplice. M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 5-1 pag. 16

17 Protocollo ad accesso multiplo Tre soluzioni tecniche principali (tipi di Medium Access Control): Suddivisione del canale divide il canale in elementi più piccoli (blocchi temporali, frequenze, codice) dedica un elemento ad un nodo ad uso esclusivo Accesso Casuale canale indiviso, con collisioni meccanismo di recupero dalle collisioni A rotazione accesso condiviso coordinato per evitare collisioni M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 5-1 pag. 17

18 MAC a suddivisione del canale: TDMA TDMA: Accesso Multiplo a Divisione di Tempo Ogni nodo ha accesso al mezzo a turno per un periodo di tempo fissato. Se non ha nulla da trasmettere lo spazio è inutilizzato. Esempio: 6 nodi di cui solo 1,3,4 trasmettono frame TDM (Time Division Multiplexing): il canale è diviso in N intervalli temporali, uno per ogni utente. Inefficente a basso carico. M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 5-1 pag. 18

19 MAC a suddivisione del canale: FDMA FDMA: frequency division multiple access Lo spettro del canale diviso in bande di frequenza assegnate una per nodo. Esempio: 6 nodi di cui solo 1,3,4 trasmettono frame Ogni banda ha solo una frazione della capacità totale (radio). Nella fibra però la divisione a lunghezza d onda (WDM) permette un ideale uso efficente. bande di frequenza tempo M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 5-1 pag. 19

20 MAC a suddivisione del canale: CDMA CDMA (Code Division Multiple Access) Vi è un codice unico assegnato ad ogni nodo. Tutti i nodi usano la stessa frequenza, ma ogni nodo codifica i propri dati secondo il proprio codice (per esempio un fattore moltiplicativo per la frequenza base di emissione). Se i codici sono ortogonali, sia la trasmissione che la decodifica avvengono con minima interferenza (come nelle trasmissioni video da satellite). M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 5-1 pag. 20

21 Protocolli ad accesso casuale Simili al protocollo ideale. Quando un nodo deve trasmettere: utilizza l intera capacità R del canale non vi è coordinamento a priori Nel caso di collisioni il protocollo specifica: come identificare le collisioni come ripristinare la situazione e recuperare (per esempio fermandosi, aspettando un tempo casuale e ritrasmettendo) In ordine crescente storico e di efficacia: ALOHA a slot, ALOHA CSMA, CSMA/CD M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 5-1 pag. 21

22 ALOHA a slot Ipotesi: frame di misura identica tempo suddiviso in slot eguali al tempo necessario alla trasmissione di 1 frame i nodi iniziano a trasmettere solo all inizio dello slot i nodi sono sincronizzati se due o più nodi trasmettono nello stesso slot, tutti i nodi identificano la collisione. Funzionamento: quando un nodo ottiene un nuovo frame trasmette nella prima slot in assenza di collisione, trasmette ancora nella prossima slot in caso di collisione, il nodo ritrasmette il frame con probabilità p nelle slot sucessive fino a riuscita. M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 5-1 pag. 22

23 ALOHA a slot A favore: un nodo singolo può trasmettere in continuazione alla massima velocità decentralizzato completamente semplice Contro necessità di sincronizzazione collisioni slot inutilizzate i nodi non possono identificare la collisione in tempi inferiori alla durata della slot (tempo totale di invio del frame) M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 5-1 pag. 23

24 Efficenza di Aloha a slot L efficienza è definita come la frazione sul lungo periodo di slot utilizzate con successo in caso di flusso costante dai nodi. Prendiamo N nodi, ciascuno con molti frame, che trasmette con probabilità p La probabilità che il primo nodo abbia successo in una slot è = p(1-p) N-1 La probabilità un qualsiasi nodo riesca è = Np(1-p) N-1 Sia p* il valore che, ad N fissato, massimizza Np(1-p) N-1 Allora, calcolando il limite di Np*(1-p*) N-1 per N che tende all infinito si ha: 1/e =.37 Nel caso migliore: il canale è usato utilmente solo nel 37% del tempo. M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 5-1 pag. 24

25 ALOHA senza slot Permette di semplificare eliminando la sincronizzazione, ma aumentando la probabilità di collisione. Ogni nodo trasmette non appena ha un frame, ma un frame inviato a partire da t 0 può entrare in collisione con altri frame se inviati nell intervallo [t 0-1,t 0 +1] (frame di eguale lunghezza). in sovrapposizione con l inizio del frame di i in sovrapposizione con la fine del frame di i M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 5-1 pag. 25

26 Efficenza di Aloha semplice P(successo per un nodo) = P(trasmissione del nodo) x P(nessun altro trasmetta in [t 0-1,t 0 ] x P(nessun altro trasmetta in [t 0, t 0 +1] = p. (1-p) N-1. (1-p) N-1 = p. (1-p) 2(N-1) ottimizzando p e nel limite di N che tende all infinito si ha... = 1/(2e) =.18 Che è la metà del valore precedente M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 5-1 pag. 26

27 CSMA (Carrier Sense Multiple Access) Un notevole miglioramento si ha se si ascolta prima di trasmettere (i circuiti sono già presenti nell interfaccia). CSMA: ascolto della portante ad accesso multiplo: se il canale è libero si inizia a trasmettere se i canale è occupato si ritarda la trasmissione Ma vi è ancora la possibilità di collisioni. M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 5-1 pag. 27

28 Collisioni CSMA distanza spaziale dei nodi collisioni: a causa del ritardo di propagazione due nodi possono non notare la trasmissione della altro collisioni: spreco dell intero tempo di trasmissione (almeno) note: sia la distanza che il la velocità di propagazione determinano la possibilità di collisione M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 5-1 pag. 28

29 CSMA/CD (Collision Detection) Il miglioramento aggiuntivo è rimanere in ascolto prima e durante la trasmissione per identificare una collisione. CSMA/CD: ascolto della portante e ritardo nell invio collisioni identificate immediatamente nel caso di collisione la trasmissione viene immediatamente interrotta, diminuendo lo spreco del tempo di utilizzo del canale L identificazione della collisione è: facile per linee basate su fili (misura dell altezza del segnale) difficile nel wireless dato che il ricevitore viene spento durante la trasmissione M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 5-1 pag. 29

30 CSMA/CD collision detection rivelazione della collisione/ tempo di interruzione M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 5-1 pag. 30

31 Protocolli di accesso a turno Polling: un nodo master a turno chiede agli altri nodi slave di trasmettere Svantaggi: latenza speco di banda per il polling singolo punto di fallimento A passaggio di testimone (token): un token (piccolo frame) di controllo viene passato sequenzialmente da un nodo all altro (Fiber Distributed Data Interface, 2 anelli controrotanti) Svantaggi: latenza singolo punto di fallimento (token) un nodo non può mai usare l intera banda M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 5-1 pag. 31

32 Tecnologie di LAN Nelle LAN sono usate tecnologie di data link a mezzo condiviso. Oggi la famiglia dei protocolli Ethernet (nella versione CSMA/CD con persistenza 1, da 10 Mb/s a 10 Gb/s) è la più diffusa, con qualche dinosauro (Token Ring IBM a 16 Mb/s e FDDI a 100 Mb/s per l affidabilità). M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 5-1 pag. 32

33 Indirizzamento di data link Abbiamo visto come sia necessario avere un indirizzo a livello di data link indipendente da quello dello strato di rete. Questo indirizzo è comunemente noto come indirizzo MAC, che per traslato è usato anche come sinonomo di indirizzo Ethernet o fisico (con confusione di strati e protocolli) L indirizzo è presente in tutte le tecnologie di data link, anche in quelle pensate per un uso su linee punto-punto, non ad accesso condiviso. Nel caso di LAN è in genere un indirizzo di 48 bit, unico e definito a livello mondiale e scritto permanentemente nell interfaccia di rete in una ROM M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 5-1 pag. 33

34 Indirizzamento di data link Esempio: interfaccia M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 5-1 pag. 34

35 Indirizzamento di data link nella LAN La distribuzione degli indirizzi MAC è gestita da IEEE. Ogni costruttore compra una porzione dello spazio di indirizzi globale. Il costruttore è identificato univocamente da un codice che utilizza i primi 3 byte e assegna internamente gli altri 3 (circa 16,8 milioni di indirizzi) per assicurare che siano unici nella stessa LAN. In pratica il costrutture può assegnare a due interfacce lo stesso indirizzo, ma le vende in due zone molto distanti fra loro. Questo principio di località permette di spostare senza riconfigurazione una interfaccia fra LAN diverse. M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 5-1 pag. 35

36 Esempio di uso di indirizzi MAC E necessario un meccanismo che permetta al nodo A di scoprire l indirizzo MAC di B, per poter inviare frame. A B E Indirizzo sorgente e destinazione MAC Indirizzo sorgente e destinazione IP Ind. MAC di A Ind. MAC di B Ind. IP di A Ind. IP di B dati frame datagramma M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 5-1 pag. 36

37 ARP: Address Resolution Protocol Permette, conoscendo l indirizzo IP del destinatario, di identificare il suo indirizzo MAC (se sulla stessa LAN) interfaccia Ogni nodo IP (Host, Router) su una rete locale si costruisce una cache di indirizzi MAC, detta tabella di ARP. Ogni ingresso nella tabella consiste della tripletta <ind. IP, ind. MAC, TTL> Il valore di TTL (Time To Live) fornisce la scadenza dell ingresso ed è tipicamente 20 minuti. Ad ogni utilizzo dell ingresso, TTL viene rinnovato. M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 5-1 pag. 37

38 Il protocollo ARP E definito nella RFC 826 per Ethernet ed è stato ampliato anche ad FDDI ed altri protocolli di data link. ARP non è un protocollo basato su IP, ma direttamente sul data link. ARP richiede che il nodo mittente conosca l indirizzo IP del destinatario. Nel caso che un nodo non conosca l indirizzo MAC del destinatario, invia un frame broadcast (FF-FF-FF-FF-FF-FF) di richiesta che contiene l indizzo IP del destinatario. Il destinatario risponde con il proprio indirizzo MAC. Da quel momento il resto del traffico si svolge via unicast MAC (a livello sia di data link che di IP). M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 5-1 pag. 38