Politecnico di Milano Facoltà di Ingegneria dell Informazione IEEE 802.X

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1 Politecnico di Milano Facoltà di Ingegneria dell Informazione IEEE 802.X 1

2 LAN Il progetto IEEE 802 Comitati IEEE per standardizzare l'evoluzione delle LAN (e MAN) Overview, Architecture, Bridging and Management Logical Link Control CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) 802.3u 100BaseT; 802.3z 1000BaseT Token Ring Wireless network Struttura del progetto IEEE 802 Strati superiori Rete LLC MAC CSMA/CD Logical link control Token ring Wireless LAN Altre LAN Collegamento dati PL UTP, STP, radio, fibra, ecc. Fisico IEEE 802 OSI

3 Strato fisico Doppino UTP Cat. 1: per telefonia analogica Cat. 2: per telefonia digitale e trasm. dati a bassa capacità Cat 3: B=16 MHz Ethernet 10BaseT e 100BaseT4, Token Ring 4 Mb/s Cat. 4: B=20 MHz Token Ring 16 Mb/s Cat. 5: B=100 MHz Ethernet 100Base-TX, FDDI MLT-3 Cat. 5E: B=100 MHz reti locali Gigabit Ethernet 1000Base-TX Introdotto per (Ri)Classificare i Cablaggi UTP Cat. 5 che soddisfano Test di verifica per il supporto di Gigabit Ethernet Cat. 6: B=250 MHz su 100 m Cat. 7: B=600 MHz, 7A fino a 1000MHz

4 Connettore RJ45 10Base-T Contatti 1 TD+ 2 TD- 3 RD+ 4 Non Utilizzato 5 Non Utilizzato 6 RD- 7 Non Utilizzato 8 Non utilizzato

5 Strato fisico Fibre ottiche multimodo: la luce si propaga con diversi percorsi: Step-index (oggi non più utilizzate) Graded-index (utilizzate tipicamente nelle reti locali) La variazione continua degl indici di rifrazione rallenta i raggi centrali La banda passante molto superiore a quelle step-index Finestra I e II (850 e 1300 nm) Si trasmette con LED poco costosi Fibre ottiche monomodo: la luce si propaga in 1 modo La fibra si comporta come guida d onda: un solo modo di propagazione Non si ha dispersione modale (no percorsi multipli) La banda passante è elevatissima Lavorano in finestra II e III (1300 e 1500 nm) Si trasmette con Laser Più costosi dei LED Coprono distanze maggiori a capacità maggiori Difficoltà interconnessione Aumenta al diminuire delle dimensioni del core

6 Strato fisico Fibre ottiche

7 Strato fisico Radio Esistono più range di frequenze utilizzabili: 900MHz, 2.5GHz, 5GHz, 60 GHz Canali non ortogonali

8 Strato fisico Codifica di canale Codice utilizzato in Ethernet: Manchester SFD bit sequence Manchester Encoding (10 Mbps)

9 Topologie Rete Reti a Bus Stella B D F Albero Hub A C E G A B C D E Hub Hub Hub A B C D E F

10 Il livello di linea, Il filtraggio è effettuato a livello MAC Anche la costruzione della trama e il rilevamento d errore sono effettuati a livello MAC Logical Link Control (LLC) Medium Access Control (MAC) PHY SAP MAC Filtraggio SAP broadcast

11 Il livello di linea, Le altre funzionalità classiche del livello di linea (multiplazione e recupero d errore) sono svolte nel sottostrato Logical Link Control Logical Link Control (LLC) Multiplazione Medium Access Control (MAC) PHY

12 LLC IEEE Servizio 1: senza connessione e senza riscontro. Il più usato perché il mezzo fisico causa pochissimi errori Servizio 2: trasferimento a connessione con recupero d errore derivato dall HDLC (ABME) Servizio 3: trasferimento senza connessione con riscontro Tutti i servizi offerti dal LLC utilizzano un incapsulamento di tipo HDLC

13 LLC- SAP LLC IEEE Bridge Logical Link Control (LLC) Medium Access Control (MAC) variabile DSAP SSAP Destinazione Sorgente Servizio di tipo 1 Servizio senza connessione e senza recupero d errore. Sostanzialmente fornisce solo la Multiplazione SAP 02 LLC sublayer management 06 Internet protocol 42 MAC Bridge Controllo (03) payload HDLC Unnumbered Information

14 MAC Il livello MAC Risolve il problema della condivisione del mezzo trasmissivo Necessario poiché a livello data Link le LAN usano una sottorete trasmissiva broadcast Problemi connessi ad una sottorete condivisa trasmissiva di tipo broadcast Trasmissione: verifica di canale libero prima di trasmettere il messaggio Ricezione: determinazione dell'effettivo destinatario del messaggio Soluzioni Trasmissione: uso di algoritmo tipico del MAC Ricezione: uso di indirizzi a livello MAC (nella MAC-PDU) che trasformano trasmissioni broadcast in Comunicazioni punto-punto (ultimo bit =0) Comunicazioni punto-gruppo (ultimo bit =1) Comunicazioni broadcast

15 MAC MAC-PDU DA, SA: 48 bit FCS: codice CRC a 32 bit Tipi indirizzo di destinazione Single Multicast Broadcast (FF-FF-FF-FF-FF-FF) Scheda che riceve una trama Verifica integrità Analizza indirizzo Trasferisce al livello LLC se MAC-DA broadcast MAC-DA single con indirizzo uguale a quello della scheda MAC-DA multicast con indirizzo di scheda nel gruppo LLC Header Information LLC PDU MAC DA MAC SA Information FCS MAC PDU Byte 6 6 variabile 4

16 MAC Indirizzi MAC 6 byte nella ROM della scheda Primi 3 byte: codice costruttore (OUI Organization Unique Identifier) Secondi 3 byte: numerazione progressiva OUI Numero di serie C F 0 1 A 5 5 D E 4 bit Indirizzo MAC FCS D(X)=X 32 +X 26 +X 23 +X 22 +X 16 +X 12 +X 11 +X 10 +X 8 +X 7 +X 6 +X 4 + X 2 +X+1

17 MAC Indirizzi MAC Ordine trasmissione bit dipendente dal protocollo e 802.4: primo bit è il meno significativo del primo byte e FDDI: primo bit è il più significativo del primo byte Formato canonico scelto da IEEE coincide con quello di Reti con altro formato devono effettuare conversione

18 Ethernet - Nascita Late 1960: ALOHA network Norman Abramson, University of Hawaii Applicazione: rete radio tra isole Primo protocollo ad accesso casuale (Pure Aloha/Slotted Aloha) May 22, 1973: Ethernet memo Bob Metcalfe (Xerox Palo Alto Research Center) Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection and expo backoff Frequenza di cifra: 3 Mbit/s Original Metcalfe drawing June 1976 presentation at National Computer Conference US Patent Multipoint Data Communication System with Collision Detection end : US Patent for Ethernet Repeater

19 Ethernet Standardizzazione 1979: Metcalfe start-up - 3COM 1980: DIX Ethernet Standard DIX = Digital-Intel-Xerox vendor consortium Prodotti interscambiabili tra le tre società fondatrici 1982: Xerox rilascia il trademark Ethernet 1985: IEEE Ethernet diventa standard IEEE Mbit/s: 10BASE5 Thick coaxial supplement a:10base2 Thin coaxial Piccole modifiche allo standard DIX Inizio della interoperabilità

20 IEEE Ethernet Ethernet sviluppata da Digital, Intel, Xerox negli anni 70 Successivamente standardizzata come IEEE (1985) e come ISO (1989) Caratteristiche Topologia a bus Frequenza di cifra: 10 Mbit/s Metodo di accesso CSMA-CD Strati superiori Rete LLC MAC PL CSMA/CD Logical link control Token ring Wireless LAN UTP, STP, radio, fibra, ecc. Altre LAN Collegamento dati Fisico IEEE 802 OSI

21 Protocollo Ethernet - IEEE Il protocollo d accesso è la variante 1- persistent del CSMA-CD Se al momento del comando di trasmissione il canale è sentito libero, si trasmette effettivamente Se al momento della trasmissione il canale è sentito occupato, si attende la fine e poi si trasmette Se si scopre la collisione, la trasmissione viene abortita, non prima di aver trasmesso altri 32 bit (jamming sequence)

22 Protocollo Ethernet - IEEE I tempi vengono misurati in unità di 51.2 µs, dette slots (niente a che vedere con gli slots TDMA) Uno slot è pari al tempo di trasmissione di 512 bit (minimo pacchetto in rete) A seguito di una collisione la trasmissione viene ritentata dopo X time slots X è scelto fra 0 e 2 K con K minimo fra il numero di collisioni consecutive e 10 (exponential binary backoff) Sono consentiti fino a 16 tentativi

23 La trama IEEE La minima lunghezza della trama MAC è di 512 bit (slot) pari a 51.2 µs La velocità di propagazione media è di 2 x 10 8 m/s (5 µs/km) Dal vincolo τ<t/2 segue una distanza massima teorica di 5 Km Per non abbassare troppo le prestazioni si fissa il diametro a 2.5 Km

24 IEEE Strato MAC MAC-PDU: trama IEEE Preambolo (7 byte): consente la sincronizzazione in ricezione SFD - Start Frame Delimiter (1 byte): contiene una violazione del codice Manchester Destination address, DA (6 byte) Source address, SA (6 byte) Length (2 byte): lunghezza del campo LLC PDU Data ( byte): lunghezza variabile Pad (0-46 byte): garantisce lunghezza minima trama (64 byte) FCS - Frame Check Sequence (4 byte) byte S Preamble F DA SA Len. LLC-PDU Pad FCS D Byte

25 IEEE Strato MAC Trasmissione/ricezione trame Il MAC riceve l unità informativa dal livello superiore e genera una stringa seriale da trasmettere sul mezzo fisico Il MAC garantisce una spaziatura minima tra trame trasmesse (interframe spacing) Il MAC riceve una stringa seriale di bit sul mezzo fisico e fornisce l unità informativa al livello superiore Il MAC scarta le trame più corte della lunghezza minima (64 byte) Gestione campo FCS Generazione campo FCS per le trame da trasmettere Controllo correttezza campo FCS nelle trame ricevute Gestione preambolo Generazione preambolo per le trame da trasmettere Rimozione preambolo nelle trame ricevute

26 IEEE Strato MAC Principali parametri Ethernet Slot time 512 bit time (51.2 µs) (tempo attesa prima di ritrasm.) Inter Frame Gap (IFG) 9.6 µs distanza minima tra due trame Attempt limit: 16 max numero tentativi di ritrasmissioni Backoff limit: 10 numero tentativi oltre il quale non aumenta più la casualità del backoff time Jam size 32 bit lunghezza sequenza di jam Min frame size 64 byte Max frame size 1518 byte

27 Multiplazione in IEEE Il MAC non esegue multiplazione La multiplazione è effettuata dal LLC Logical Link Control (LLC) Medium Access Control (MAC) SAP LLC SAP MAC 02 LLC sublayer management 06 Internet protocol 42 MAC Bridge SAP broadcast PHY

28 Multiplazione in Ethernet Ethernet è una realizzazione prestandard ancora usata da IP L LLC non esiste Il MAC esegue direttamente la multiplazione IP ARP Medium Access Control (MAC) PHY SAP MAC SAP broadcast

29 La trama Ethernet 7 Sync SD Destinaz. Sorgente Ether- type payload 4 FCS IFS La trama differisce nell uso del campo lunghezza qui chiamato Ether-type. Serve per multiplare direttamente senza far uso di LLC ed è passato dal protocollo sovrastante Ether-type Internet Protocol protocollo X protocollo ARP protocollo RARP Non serve il campo length perché non esiste PAD (è il livello superiore che eventualmente aggiunge il PAD) Il minimo payload è di 46 byte

30 Convivenza Ethernet IFS Sync SD Destinaz. Sorgente Ether-type length payload FCS Nelle LAN convivono i due protocolli (IP usa Ethernet) Si distinguono le due trame perché Length è minore di 1536 Ether-type porta valori maggiori di 1536 (hex 0600)

31 Fast Ethernet E l estensione del alla velocità di 100 Mb/s. Ciò non consente l interoperabilità con versione a 10 Mb/s a livello fisico Per mantenere l interoperabilità a livello Bridge viene mantenuta la trama MAC della versione a 10 Mb/s, anche nelle lunghezze ammesse Viene poi usato lo stesso MAC ma si riduce il raggio d azione a 250 m Eth. a 10 Mb/s bridge Eth. a 100 Mb/s 2.5 Km 250 m

32 IEEE 802.3u Fast Ethernet Ethernet 10 Mbit/s: half-duplex con CSMA-CD Fast Ethernet: 100Base-T 100 Mbit/s Half-duplex: come nella rete a 10 Mbit/s Full-duplex: ammessa per mezzo di LAN switch LAN Switch Collegamenti punto-punto senza collisioni Spezza il dominio di collisione in tanti domini quante sono le sue porte Mantiene un unico dominio di broadcast Switch A B C D E

33 IEEE 802.3u Fast Ethernet Fast Ethernet: Ethernet 10 volte più veloce Mantiene il MAC di Ethernet CSMA/CD Mantiene il formato della trama Parametri fisici Rate = 100 Mbit/s BitTime = 10 ns IFG = 0.96 µs SlotTime = 512 bit (5.12 µs)

34 Giga Ethernet A fine 98 è stato introdotto lo standard 802.3z in cui le funzionalità CSMA-CD sono state estese a 1 Gb/s Per mantenere lo stesso MAC ma evitare di ridurre il diametro della rete a 25 m si aumenta la dimensione dello slot (e della minima trasmissione sul canale) da 512 bit a 512 byte Per non aumentare la minima dimensione della trama dati (512 bit) si ricorre a una tecnica nota come carrier extension, trasmettendo simboli diversi fino a che si è raggiunto 512 byte trama carrier extension 512 byte t

35 Giga Ethernet trama carrier extension 512 byte t Ai fini del protocollo, della scoperta della collisione etc, il diametro di rete resta 200 m L efficienza scende con le trame corte (la carrier extension è uno spreco) Con le trame lunghe almeno 512 byte non c è bisogno di carrier extension, quindi non c è spreco

36 Frame bursting Per alzare l efficienza si consente a un terminale la trasmissione di trame multiple alzando il limite del burst fino a bit (8192 byte, precedente 1500 byte) La prima trama, se corta, deve sottostare comunque alla regola del carrier extension Max trama byte trama carrier extension trama trama 512 byte t 8192 byte

37 IEEE 802.3z-ab Gigabit Ethernet Offre i vantaggi tipici di Ethernet Semplicità del metodo di accesso CSMA/CD (stesso MAC) Alta scalabilità con diverse frequenze di cifra: 10, 100, 1000 Mbit/s Permette di velocizzare le LAN Ethernet già esistenti con costi bassi Tramite sostituzione degli apparati di rete (NIC, HUB, Switch) Gigabit Ethernet: IEEE 802.3z standard nel 1998 Fornisce una banda di 1 Gbit/s Half-Duplex quando si usano Repeater/Hub Metodo di accesso CSMA/CD con formato di trama esteso Full-Duplex per connessioni Switch Switch & Switch EndSys Formato e dimensione di trama uguali a Ethernet/802.3 Utilizzi principali del Gigabit Ethernet Macchine ad alte prestazioni Realizzazione di un backbone veloce, che collega gli Switch

38 Gigabit Ethernet Trama Carrier extension: nuova lunghezza minima (512 byte) per avere massima estensione di rete simile a Fast Ethernet Formato di trama compatibile con Ethernet e Fast Ethernet byte byte Byte S Preamble F DA SA Len. LLC-PDU Pad FCS D Extension Frame bursting: ammessa la trasmissione di più trame consecutive separate da IFG di durata minima (96 ns) La prima trama nel burst è trattata con carrier extension (se necessario) A partire dalla seconda trama l estensione delle trame più corte di 512 byte non è più richiesta Massima lunghezza del burst: 8192 byte

39 Gigabit Ethernet Configurazione

40 Tecnologia Ethernet Uso combinato in uno scenario complessivo PBX Business router IP PoP switch Ethernet Gigabit Ethernet ring Eth 10/100 Mbit/s over UTP5 alternative Eth 10 Mbit/s over (VDSL) building switch Eth with optical long reach GbE Dual optical fibre Gigabit Ethernet Reach up to 10 km cabinet Copper pair Eth 10 Mbit/s (VDSL) Low density area