15. Data link layer: Ethernet e FastEthernet

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1 INFO-COM Dpt. Dipartimento di Scienza e Tecnica dell Informazione e della Comunicazione Università degli Studi di Roma La Sapienza 15. Data link layer: Ethernet e FastEthernet Prof. R. R. Cusani

2 Ethernet e IEEE Ethernet nasce come protocollo CSMA/CD da una collaborazione DEC/Intel/Xerox, standardizzato nel 1978 Pochi anni dopo viene pubblicato lo standard IEEE 802.3, ereditato in seguito dall ISO come con differenze minime che sono state poi accorpate Normalmente si utilizzano Ethernet ed IEEE come sinonimi Ethernet, intesa come tecnologia, si è sviluppata a partire dalla prima versione a 10 Mbps, a cui è seguito un nuovo standard a 100 Mbps, quindi uno a 1000 Mbps ed uno successivo a 10 Gbps è in corso di definizione uno standard a velocità superiore

3 Cablaggio in in Ethernet 3 Lo standard prevede quattro tipi differenti di cablaggio per Ethernet: 10Base5: cavo coassiale di tipo thick, di lunghezza massima 500 m 10Base2: cavo coassiale di tipo thin, di lunghezza massima 185 m 10BaseT: doppino intrecciato, di lunghezza massima 100 m 10BaseF: fibra ottica capace di connessioni fino a 2000 m La nomenclatura indica la velocità (10 Mbps), il fatto che il segnale trasmesso è in banda base (Base), e (nei primi due casi) la lunghezza espressa in centinaia di metri

4 Schema dei cablaggi in in rame 4

5 Cablaggio 10Base5 5 Cavo coassiale di tipo thick, di lunghezza massima 500 m; è possibile connettere al cavo, a distanza di 2.5 m, prese vampiro a cui connettere le stazioni; Alla presa vampiro è attaccato un transceiver, il modulo analogico che controlla il cavo per rilevare collisioni Il transceiver è connesso all interfaccia di rete del calcolatore da un cavo apposito che può essere lungo 50 m il cavo transceiver è generalmente costituito da 5 coppie di cui due sono dedicate al traffico nei due versi, due al controllo, una opzionale alla alimentazione del transceiver stesso esistono transceiver a cui possono essere collegate fino a 8 stazioni Il cavo coassiale deve essere terminato ai due estremi da un tappo a 50 Ohm per eliminare le riflessioni

6 Cablaggio 10Base5 6 I problemi principali di questo tipo di cavo sono la rigidità del cavo la difficoltà nell identificare la sorgente di eventuali problemi (lunghezze eccessive, prese difettose, interruzioni totali o parziali del conduttore) la difficoltà tecnica dell inserimento di nuove stazioni tramite le prese a vampiro

7 Cablaggio 10Base2 7 Cavo coassiale di tipo thin, di lunghezza massima 185 m, anch esso terminato ai due capi da impedenze a 50 ohm Le connessioni sono operate tramite connettori BNC a forma di T che permette di connettere alla T l interfaccia della stazione (o un cavo thin che porta all interfaccia della stazione, ma di lunghezza molto ridotta in quanto introduce riflessioni) In questa soluzione il transceiver risiede direttamente nella interfaccia di rete della stazione connessa I vantaggi rispetto al 10Base5 sono la maneggevolezza la semplicità di aggiunta di nuove stazioni (se la T è già predisposta, altrimenti si deve interrompere il cavo) l affidabilità dei connettori (maggiore che nel caso del 10Base5, ma comunque fonte di problemi)

8 Cablaggio 10BaseT 8 Uno sviluppo tecnologico successivo ha portato alla realizzazione di uno schema di cablaggio che fa uso di doppini in rame Ogni stazione è collegata tramite un cavo UTP (cat. 3 o superiore) ad un dispositivo a più porte chiamato HUB L HUB non elabora i dati, ma costituisce dal punto di vista logico il mezzo condiviso: i cavi in rame vengono connessi dall elettronica interna all HUB in modo da simulare il mezzo condiviso L HUB svolge le funzioni di un ripetitore, che rigenera il segnale e lo invia a tutte le linee connesse (tranne quella da cui ha ricevuto il frame) Se si verifica una trasmissione contemporanea di due o più stazioni connesse all HUB, si verifica una collisione

9 Cablaggio 10BaseT 9 L utilizzo di questa tecnica di cablaggio porta numerosi vantaggi dal punto di vista pratico semplicità di cablaggio (spesso potendo sfruttare il cablaggio telefonico preesistente) semplicità nella aggiunta, rimozione o spostamento delle stazioni connesse affidabilità meccanica del mezzo fisico e semplificazione della ricerca dei guasti Lo svantaggio di questa soluzione stà nella distanza limitata, che è di 100 m per l UTP cat. 3, 200 m per l UTP cat. 5

10 Cablaggio 10BaseF 10 Si utilizza una coppia di fibre ottiche, di lunghezza massima 2 Km Generalmente utilizzato per interconnettere edifici o postazioni distanti Le specifiche prevedono la possibilità di interconnettere hub, stazioni e ripetitori

11 Ripetitori 11 Per aumentare la distanza coperta dalla rete è possibile collegare più cavi tra loro tramite ripetitori Dal punto di vista del data link layer, l unica differenza di una struttura con ripetitori è data dal ritardo trasmissivo introdotto da essi Lo standard prevede dei limiti alla estendibilità della rete tramite ripetitori: tra due transceiver non possono esserci più di 4 ripetitori tra due transceiver non possono esserci più di 2.5 Km

12 Ripetitori 12 L utilizzo di ripetitori permette lo sviluppo di topologie diverse per il cablaggio di un edificio

13 Codifica 13 Sul mezzo condiviso la condizione di assenza di trasmissione è necessariamente identificata da assenza di segnale Non sono quindi possibili codifiche che utilizzino il segnale a 0 volt per identificare un bit La necessità di trasferire l informazione di clock assieme al segnale ha portato alla invenzione della codifica Manchester già vista Lo standard Ethernet utilizza la codifica Manchester con segnali a V e V (altri protocolli, come token ring, fanno uso della codifica Manchester differenziale)

14 Struttura del frame 14 Il frame inizia con un preambolo di 8 byte con sequenza la codifica Manchester genera un segnale in onda quadra a 10 MHz di durata 6.4 µs che permette ai rivevitori di sincronizzarsi la sincronizzazione deve essere mantenuta per il resto del frame, utilizzando la caratteristica della codifica Manchester per aggiustare la sincronia Seguono due campi di indirizzo relativi alla destinazione ed alla sorgente del frame l indirizzo è costituito da 2 o da 6 byte, ma le specifiche a 10 Mbps utilizzano solo campi da 6 byte

15 Indirizzo Ethernet 15 L indirizzo Ethernet normalmente viene indicato come sequenza di 6 byte, ciascuno rappresentato da una coppia di caratteri esadecimali, separati da : o da - (es: 08:00:2b:a2:01:5f) Per la destinazione sono previsti indirizzi ordinari (con il bit meno significativo del primo byte uguale a 0) ed indirizzi di gruppo (bit meno significativo del primo byte uguale a 1) l indirizzo di gruppo permette la trasmissione multicast: un solo frame destinato e ricevuto da più destinazioni (impiegata di rado) l indirizzo costituito da tutti 1 indica per tutti e permette il broadcast (utilizzato da molti protocolli di livello superiore)

16 Indirizzo Ethernet 16 Il secondo bit meno significativo del primo byte indica indirizzi globali (se vale 0) o a valenza locale (se vale 1) gli indirizzi globali sono assegnati dall IEEE: ogni interfaccia di rete prodotta nel mondo ha un suo indirizzo globale che è unico gli indirizzi locali possono essere assegnati dall amministratore di rete e non hanno garanzia di unicità

17 Campo di di tipo 17 Segue un campo di 2 byte che serve ad indicare al ricevente cosa deve fare del frame ricevuto generalmente il livello 2 viene utilizzato da più processi dello strato di rete simultaneamente il campo type indica al ricevente a quale processo è destinato il contenuto del frame Esempi 0800: frame che trasporta pacchetto IP 0806: ARP 86DD: IP V6 6003: DECnet svariatissimi protocolli proprietari di controllo a livello 2

18 Campo dati e riempimento 18 Il campo dati trasporta le informazioni del protocollo di livello 3 ed ha dimensione variabile, con un limite superiore La sua dimensione massima e di 1500 byte, e fa si che la lunghezza massima del frame Ethernet sia 1518 byte (preambolo escluso) il valore massimo è determinato dal fatto che il transceiver deve ospitare l intero frame in RAM, ed al momento della definizione dello standard la RAM era più costosa di oggi un frame Ethernet non può essere inferiore a 64 byte Eventualmente il campo dati è seguito da un campo di riempimento costituito da tutti 0 per fare in modo che la somma dati+riempimento sia di almeno 46 byte è compito dei livelli superiori forzare il campo dati ad essere almeno di 46 byte, od introdurre un indicatore di lunghezza per discriminare i dati dal riempimento

19 Requisito di di lunghezza minima del frame 19 Una stazione deve poter identificare una collisione sul frame che sta trasmettendo Detto T l intervallo di tempo per la propagazione del segnale lungo il mezzo tra le stazioni più lontane, nel caso peggiore un eventuale segnale di collisione arriva al trasmittente dopo 2T secondi Se la trasmissione terminasse entro 2T secondi, la stazione riterrebbe di aver trasmesso con successo quando invece potrebbe essere avvenuta una collisione Lo standard Ethernet prevede la possibilità di avere 5 tratte da 500 m connesse da 4 ripetitori, ed il tempo di propagazione, tenuto in conto il ritardo introdotto dai ripetitori, è di circa 25 µs; il frame deve quindi durare almeno 50 µs che a 10 Mbps significano 500 bit Il frame trasmesso deve essere lungo almeno 500 bit (arrotondato a 512 bit = 64 byte)

20 Il Il campo di di checksum 20 L ultimo campo è dedicato al checksum, realizzato tramite un codice CRC a 32 bit Il campo è utilizzato solo per determinare la correttezza del frame e scartare i frame errati è compito dei protocolli di livello superiore organizzare la ritrasmissione di dati mancanti

21 Differenze tra Ethernet ed ed IEEE La standardizzazione IEEE (1997) ha introdotto due modifiche: l ultimo byte del preambolo è trasformato in un byte di inizio frame (Start Of Frame) di valore il campo type è stato trasformato nel campo length, e contiene la lunghezza del campo dati espressa in ottetti Al momento della standardizzazione nessuno aveva ancora utilizzato un type di valore inferiore a 1500 (e dopo è stato proibito), per cui le due differenti definizioni possono coesistere sulla stessa LAN

22 Protocollo di di accesso al al mezzo 22 Si usa un algoritmo noto col nome di backoff esponenziale binario inizialmente una stazione si comporta secondo il protocollo 1- persistente dopo la prima collisione il tempo viene diviso in slot di 512 bit (51.2 µs) e la stazione attende un tempo casuale di 0 o 1 slot, poi riprova se avviene un altra collisione la stazione attenderà un numero di slot scelto a caso tra 0 e 3 in generale dopo la n-esima collisione il tempo di attesa sarà scelto casualmente tra 0 e 2 n -1, fino ad un massimo di 1023 intervalli (alla decima collisione consecutiva) raggiunto il valore di 1023, questo valore non viene più aumentato, ed il protocollo ritenta la trasmissione fino a raggiungere 16 collisioni consecutive, limite oltre il quale il livello 2 comunica allo strato superiore un errore

23 Protocollo di di accesso al al mezzo 23 Questo meccanismo si adatta al carico presente sulla rete in condizioni di basso carico la stazione riesce rapidamente a trasmettere in condizioni di carico elevato, l aumento esponenziale degli intervalli di attesa rende i tentativi sufficientemente rarefatti da permettere a tutte le stazioni di trasmettere

24 Prestazioni di di Ethernet 24 Come gli altri protocolli CSMA: in condizioni di basso carico i tempi di ritardo sono contenuti e l efficienza assomiglia al CSMA 1-persistente con la miglioria legata al fatto che c è rilevazione della collisione in condizioni di carico elevato crescono le collisioni, ma l algoritmo di backoff esponenziale fa si che le stazioni mutino il loro comportamento rendendo il protocollo simile ad un CSMA p-persistente con p sempre più piccolo quindi al crescere del carico l andamento dell efficienza tende ad appiattirsi su una percentuale di valore non nullo c è una forte dipendenza dalla dimensione media dei frame trasmessi; più piccolo è il frame, più pesa l overhead del periodo di contesa rispetto al periodo di trasmissione riuscita

25 Commutazione in in Ethernet: lo lo switch 25 Al crescere delle stazioni connesse diminuisce l efficienza del protocollo si usa lo switch Lo switch è costituito da una scheda interna (backplane) ad alta velocità trasmissiva su cui possono essere innestate svariate schede di linea, ciascuna contenente diversi connettori predisposti per doppini 10BaseT; ciascuno connette una stazione (o un hub, o un altro switch)

26 Funzionamento dello switch 26 Quando una stazione trasmette un frame, questo giunge allo switch Lo switch sa (vedremo dopo come) a quale porta di quale scheda è connessa la stazione a cui è destinato il frame se la stazione destinataria è connessa alla stessa porta della stessa scheda, lo switch butta via il frame se la stazione destinataria è connessa ad una diversa porta della stessa scheda il frame è inoltrato su quella porta se la stazione destinataria è connessa ad una scheda diversa, il frame viene trasmesso internamente alla scheda di destinazione attraverso il backplane, e da li inviato sulla porta connessa alla stazione destinataria La scheda di backplane funziona con un protocollo proprietario, del produttore, generalmente a capacità molto superiore a 10 Mbps

27 Funzionamento dello switch (cont.) 27 Quando due stazioni connesse alla stessa scheda trasmettono contemporaneamente: negli switch più vecchi la scheda è di fatto un HUB: tutte le linee sono elettricamente connesse a formare un unico dominio di collisione, e la trasmissione contemporanea provoca una collisione gestita secondo il protocollo a contesa via backoff esponenziale binario va osservato che la collisione riguarda solo le stazioni connesse alla scheda in questione in questo caso è possibile solo una trasmissione per ogni scheda, ma diverse schede possono trasmettere frame in parallelo

28 Funzionamento dello switch (cont.) 28 gli switch più moderni dispongono di un buffer per ogni porta: il frame viene memorizzato ed inoltrato sulla porta di destinazione appena possibile (modalità di trasmissione store and forward) in questo caso non esiste possibilità di collisione, perchè ogni porta può trasmettere e ricevere contemporaneamente senza influire sulle trasmissioni altrui sarà lo switch ad occuparsi di memorizzare su buffer il frame se non può inoltrarlo immediatamente in questo modo si realizza una comunicazione full duplex a piena banda

29 Funzionamento dello switch (cont.) 29 è possibile utilizzare alcune porte di uno switch come accentratore di linee: una porta può essere connessa ad un HUB o ad un altro switch, in modo da separare i domini di collisione Questa tecnologia permette di aumentare notevolmente l efficienza complessiva in condizioni di carico elevato, di fatto eliminando il problema delle collisioni o confinandolo entro rami distinti contenenti un numero di stazioni ridotto Utilizzando gli switch in cascata si possono realizzare topologie ad albero rendendo molto flessibile la struttura topologica della rete e più semplice il suo sviluppo nel tempo

30 Apprendimento della topologia 30 Per sapere su quale porta debba essere trasmesso il frame, lo switch deve creare e mantenere aggiornata una tabella relativa alla associazione tra indirizzo di destinazione e porta La costruzione manuale di questa tabella sarebbe troppo costosa in termini di gestione della rete, ed è stato opportunamente inventato un meccanismo di auto apprendimento Inizialmente questa tabella è vuota, e lo switch deve inoltrare ciascun frame ricevuto su tutte le porte connesse Poichè i frame contengono l indirizzo del mittente, ad ogni frame che arriva lo switch impara che la stazione che ha inviato il frame è raggiungibile attraverso la porta da cui è arrivato il frame stesso Con il passare del tempo lo switch riempie la tabella e può svolgere la sua funzione in modo sempre più efficiente

31 Apprendimento della topologia 31 Tutti i frame broadcast e multicast continueranno a dover essere trasmessi su tutte le porte connesse (tranne quella di provenienza), così come i frame destinati ad indirizzi non presenti nella tabella L aggiunta di stazioni connesse viene gestita dallo switch automaticamente attraverso il meccanismo di auto apprendimento

32 Limiti di di funzionalità degli switch 32 I limiti di funzionalità dello switch sono determinati dalla sua capacità di ritrasmettere i frame alla velocità necessaria Poichè lo switch permette una trasmissione full duplex su tutte le porte di ogni scheda, il backplane può costituire il limite alla capacità di supportare il traffico generato negli switch moderni di elevata qualità il backplane è costruito in modo da garantire un throughput sufficiente alla trasmissione a piena banda di tutte le sue porte contemporaneamente negli switch più vecchi o di qualità inferiore la capacità del backplane è comunque molto elevata, e si gioca sul fatto che difficilmente tutti trasmettono a piena banda nello stesso momento (questo è sempre vero in condizioni normali)

33 Limiti di di funzionalità degli switch 33 Un altro problema può derivare dal limite dei buffer: supponiamo che due stazioni trasmettano a piena banda verso una terza stazione lo switch riceve un traffico di 20 Mbps in ingresso, ma dispone di soli 10 Mbps in uscita verso la destinazione non è possibile smistare tutto il traffico In entrambe le situazioni i frame in eccesso verranno buttati via dallo switch: sarà compito dei livelli superiori delle stazioni coinvolte gestire la situazione con ritrasmissioni e controllo di flusso

34 Fast Ethernet 34 Nel 1992 IEEE ha riunito il comitato per sviluppare un protocollo a 100 Mbps basato sulla tecnologia Ethernet Il lavoro si è sviluppato secondo una linea guida fondamentale: mantenere la compatibilità con le LAN esistenti Questo ha significato: mantenere lo stesso formato del frame mantenere le stesse interfacce mantenere le stesse regole procedurali

35 Fast Ethernet (cont.) 35 L aumento della velocità di un fattore 10 a parità di lunghezza minima del frame richiede che per rilevare le collisioni si debba accorciare di un fattore 10 la lunghezza massima del cavo Questo non avrebbe permesso di mantenere le strutture di cablaggio preinstallate La soluzione è stata di rinunciare al cavo coassiale; FastEthernet (802.3u) prevede come topologie possibili solo connessioni via hub o switch, utilizzando come mezzi trasmissivi UTP cat. 3: 100Base-T4 (max. 100 m) UTP cat. 5: 100Base-TX (max. 100 m) Fibra ottica: 100Base-FX (max 2000 m) nota: il protocollo permette per il rame lunghezze maggiori; solo le specifiche limitano a 100 m la lunghezza dei cavi in rame, ma spesso si riesce a realizzare la connessione FastEthernet anche a 200 m

36 Codifiche per FastEthernet 36 La codifica Manchester a 100 Mbps richiede 200 Mbaud, impossibile per i doppini alle distanze richieste, quindi si è cambiata la codifica gli apparati moderni, che gestiscono il clock più accuratamente, e le distanze ridotte permettono di rinunciare ai benefici della codifica Manchester 100Base-T4: lo standard per l UTP cat. 3 prevede 4 doppini con segnali ternari a 25 MHz (supportati dal cavo a 100 m di distanza) un doppino dedicato alla trasmissione in un verso, uno a quella in verso opposto, due commutabili si trasmette un segnale ternario: con tre doppini si hanno 27 simboli, che possono trasferire 4 bit di informazione con un pò di ridondanza 25 MHz per 4 bit fornisce i 100 Mbps richiesti, ma non full duplex

37 Codifiche per FastEthernet (cont.) Base-TX: l UTP cat. 5 a 100 m è capace di supportare una frequenza di 125 MHz Lo standard prevede due coppie (una per verso di trasmissione) utilizzanti una codifica a due livelli detta 4B/5B ereditata da FDDI (modificata per annullare la componente continua e per motivi spettrali) ogni gruppo di 5 periodi di clock contiene 32 combinazioni 16 sono utilizzate per per trasmettere 4 bit di dati, alcune delle altre per funzioni di controllo le 16 combinazioni dedicate ai dati sono state scelte opportunamente per garantire un adeguato numero di transizioni del segnale allo scopo di facilitare la sincronizzazione in ricezione 4 bit ogni 5 periodi di clock a 125 MHz fornisce i 100 Mbps desiderati, per ogni coppia di cavo, garantendo la comunicazione full duplex

38 Codifiche per FastEthernet (cont.) Base-FX: la connessione è realizzata tramite una coppia di fibre multimodali (una per ogni direzione) capaci di una distanza massima di 2000 m, ed utilizzano la codifica 4B/5B a 125 MHz convertita in segnale ottico

39 Caratteristiche del FastEthernet 39 Lo standard così definito permette di utilizzare le stesse regole di protocollo di Ethernet per le connessioni in rame, sono possibili topologie ad albero tramite hub o switch ciascun hub costituisce un dominio di collisione; la collisione è gestita con il meccanismo di contesa regolato dall algoritmo di backoff esponenziale binario di Ethernet la lunghezza massima del cavo per il funzionamento dell algoritmo basato sulla rilevazione della collisione è 10 volte minore del limite per Ethernet, quindi pari a 250 m, compatibile con la lunghezza massima degli UTP per le connessioni in fibra la lunghezza delle specifiche eccede quella massima ammissibile per la corretta gestione delle collisioni, per cui 100Base-FX può essere utilizzata solo con switch

40 Velocità miste 40 Tutti gli switch possono utilizzare connessioni a velocità miste, con porte a 10 o 100 Mbps La velocità della porta generalmente (non sempre) può essere negoziata dalle due interfacce all atto della accensione delle macchine, così come la modalità di trasmissione (half duplex o full duplex) In questo modo è possibile pianificare una migrazione della rete da Ethernet a FastEthernet senza dover cambiare tutti gli apparati di commutazione e le interfacce nello stesso momento Le vecchie interfacce di rete, realizzate secondo lo standard Ethernet, non sono capaci di negoziare, ma gli switch possono capire da soli e configurare automaticamente la porta in modo opportuno (non sempre!)

41 Velocità miste 41 Gli switch di qualità ( manageble, cioè configurabili) possono essere configurati manualmente per definire le modalità di funzionamento delle porte (essenziale per mettere d accordo interfacce che non si parlano correttamente in fase di inizializzazione) Le porte in fibra non hanno queste caratteristiche: per le connessioni in fibra se si cambia la tecnologia dello switch si deve cambiare l interfaccia