Cap.6 Ethernet Fundamentals

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1 CCNA_1 (Versione 3.1) Networking basics Marco Ciampi Ithum Learning License 2/45 Questo documento e tutto il materiale prodotto da Ithum S.r.l. e dai suoi collaboratori in qualità di autori originari costituisce una opera intellettuale protetta dal diritto d autore e/o dalle altre leggi applicabili. Tale opera (si veda anche l appendice Materiale allegato) è messa a disposizione sulla base dei termini della presente Ithum Learning License ovvero della Licenza concessa da Ithum Srl per l utilizzo del materiale prodotto. È proibita ogni utilizzazione dell opera che non sia autorizzata ai sensi della presente licenza o del diritto d autore. Ithum Srl e gli autori originari, in qualità di licenzianti, concedono l utilizzo dell opera con i diritti e doveri di seguito elencati. Con il semplice esercizio sull opera di uno qualunque dei diritti di seguito elencati, si accetta e ci si impegna a rispettare integralmente ed a far rispettare a terzi i termini e le condizioni della presente licenza. L opera può essere riutilizzata così come è oppure riadattata alle proprie esigenze come specificato da quanto segue. Ithum S.r.l. e gli autori originari concedono: L utilizzo dell opera per fini educativi ed informativi personali; La riproduzione, distribuzione, comunicazione e/o esposizione in pubblico, rappresentazione, esecuzione o recitazione dell'opera; La creazione di opere derivate; Alle seguenti imprescindibili condizioni: 1. Si deve sempre e comunque riconoscere il contributo di Ithum S.r.l. e dell'autore originario, dandone evidenza scritta e documentata; 2. In occasione di ogni atto di utilizzo o distribuzione si deve sempre chiarire e far accettare agli altri i termini della licenza di questa opera; 3. In caso di utilizzo ai fini commerciali si deve sempre preventivamente contattare Ithum S.r.l. e l'autore originario per negoziarne coinvolgimento e compensi; 4. Se si ottiene il permesso documentato dal titolare del diritto d'autore (Ithum S.r.l. e l autore originario) è possibile rinunciare ad ognuna di queste condizioni. Le utilizzazioni libere e gli altri diritti non sono in nessun modo limitati da quanto sopra. Per qualsiasi informazione è possibile scrivere a [email protected].

2 Contenuti Concetti su reti Ethernet 1. Introduzione a Ethernet 2. Standard IEEE per Ethernet 3. Ethernet e modello OSI 4. Nomenclatura 5. Frame Layer 2 6. Struttura del frame Ethernet 7. Campi del frame Ethernet Operare con reti Ethernet 1. Logical Link Control (LLC) 2. Ethernet CSMA/CD 3. Timing Ethernet 4. Errori e collisioni 5. Auto-negotiazione Ethernet 3/45 Obiettivi Concetti generali su Ethernet Caratteristiche e nomenclatura delle varie tecnologie Ethernet Comparazione tra modello OSI ed Ethernet Indirizzamento (fisico) Struttura del frame e processamento Nomi e funzioni dei campi del frame Caratteristiche del CSMA/CD Timing, interframe spacing e tempo di backoff Errori e collisioni Auto-negoziazione in modalità half e full duplex 4/45

3 Introduzione ad Ethernet Ethernet è la tecnologia per Reti Locali più diffusa al mondo È una famiglia di tecnologie, più che una singola tecnologia LAN, comprensibile grazie al modello di riferimento OSI Le specifiche Ethernet, a seconda delle tecnologie impiegate, supportano mezzi e bande differenti e varianti a livello 1 e 2. Il frame base e lo schema di indirizzamento è compatibile con tutte le tecnologie Ethernet Esistono diverse strategie per controllare l accesso al mezzo trasmissivo e la trasmissione da parte delle stazioni e delle altre periferiche di rete Per comprendere ed intervenire sulle rete, è essenziale capire come le periferiche accedono al mezzo trasmissivo Le diverse tecnologie di Ethernet hanno in comune il formato del frame e lo schema di indirizzamento 5/ Introduzione ad Ethernet Tecnologie Ethernet: Legacy Ethernet Fast Ethernet Gigabit Ethernet Possibili velocità : 10 Mbps 100 Mbps Mbps Mbps Punti di forza: Semplicità di installazione e gestione Abilità nell adattarsi alle nuove tecnologie Affidabilità e robustezza (reliability) Bassi costi di installazione e aggiornamento Ethernet utilizza segnali in banda base, sfruttando l intera banda del mezzo trasmissivo 6/45

4 Introduzione ad Ethernet La maggior parte del traffico in Internet ha origine e finisce con connessioni Ethernet: Si è sviluppata nel tempo per andare incontro alle crescenti esigenze delle reti LAN Si è aggiornata costantemente per adattarsi ai nuovi mezzi trasmissivi (maggiore banda e minor tasso di errori) Storia di Ethernet: 1970: l Università delle Hawaii crea Alohanet, tecnologia dalla quale prese spunto il metodo di accesso CSMA/CD, tuttora usato da Ethernet; scopo della ricerca era condividere lo stesso mezzo fisico tra più host. 1980: prima realizzazione industriale (open standard) da parte di un consorzio formato da Digital Equipment Company, Intel e Xerox (DIX) 1985: L IEEE inizia la pubblicazione degli standard relativi alle reti locali. Lo standard per Ethernet sarà l : Standard a 100 Mbps 1998/1999: Standard a Mbps 7/ Standard IEEE per Ethernet Gli standard per le LAN sono sviluppati dalla IEEE ed iniziano con 802; sono compatibili con quelli ISO Lo standard per Ethernet è IEEE (sostanzialmente Ethernet e lo standard sono la stessa cosa) Le specifiche Ethernet supportano diversi mezzi fisici di accesso, diversi bandwidth e variazioni di livello 1 e 2 L IEEE non ha come fine quello di forzare i produttori di equipaggiamenti per le reti ad essere completamente acquiescenti con tutti i particolari dello standard, però si prefigge di: Fornire le informazioni necessarie per costruire device che soddisfino le richieste di compatibilità con gli standard Ethernet Promuovere spirito innovativo nei produttori Gli standard garantiscono: Bandwidth minima Operabilità (specificando il numero max. di stazioni per segmento) Lunghezza massima di un segmento Numero massimo di ripetitori tra due stazioni 8/45

5 9/ Standard IEEE per Ethernet Regole per il naming: Ad ogni nuova tecnologia ethernet viene associato un nome standard (p.e. 100Base-T) composto delle seguenti parti: Numero che indica la velocità in Mbps (Ex:100) La parola BASE che sta ad indicare il metodo di segnalazione usato (nel caso di Ethernet si tratta sempre di segnali in banda base) Una o più lettere utilizzate per indicare il tipo di mezzo fisico usato (F= fibra ottica, T = rame UTP, TX, FX, LX) A : velocità di trasmissione B : tipo di trasmissione (banda base, banda traslata) C : massima distanza di trasmissione (unità in centinaia di metri) Il formato base dell unità di dati(frame) rimane consistente per tutte le forme di Ethernet Standards IEEE Ethernet e modello OSI Lo standard Ethernet divide il Layer 2 in due sotto strati Media Access Control (MAC): (caratteristica tradizionale del Layer 2) che si occupa delle transizioni in basso verso il mezzo Logical link control (LLC): (nuova caratteristica) che si occupa delle transizioni in alto verso lo strato network Ethernet opera, rispetto al modello OSI in 2 aree: Livello Fisico (Physical Layer) parte inferiore del Livello Dati (Data Link Layer), chiamato MAC Sublayer (sottolivello Media Access Control) 10/45

6 11/ Ethernet e modello OSI OSI Model Layer Ethernet e modello OSI Può descrivere solamente flussi di bit Non può comunicare con i layer di livello superiore direttamente Non può identificare il nome dei computer ne l indirizzo Non può decidere quale computer trasmetterà i dati da un gruppo nel quale tutti stanno cercando di farlo Layer 2 Fornisce un processo di indirizzamento basato su una convenzione fissa per i nomi (MAC Addressing) Usa il framing per organizzare e raggruppare i bit Usa un sistema chiamato Media Access Control (MAC) per regolamentare le trasmissioni Comunica con i protocolli dai layer superiori usando il logical link control (LLC) 12/45

7 Ethernet e modello OSI OSI Layer 1 e 2 assieme costituiscono il protocollo di accesso Sono indipendenti da: Sistemi Operativi Protocolli di livello superiore TCP/IP, IPX/SPX Sono spesso indicati come: Metodi d accesso Protocolli di accesso Tecnologie di accesso Accessi al mezzo Protocolli LAN Protocolli WAN Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, Token Ring, FDDI, Frame Relay, ATM, PPP, HDLC, e così via 13/ Nomenclatura Indirizzamento MAC Address: Regola di indirizzamento per identificare univocamente i dispositivi che compongono una LAN IL MAC Address è caratteristico della NIC È stampato nella ROM (Read-Only Memory) e per questo viene anche detto BIA: Burned-In- Addresses) Viene caricato in RAM durante il processo d inizializzazione della NIC L indirizzo MAC ha una lunghezza complessiva di 48 bit (rappresentati con 12 cifre esadecimali): Le prime 6 cifre esadecimali (24 bit) identificano il produttore: OUI (Organizational Unique Identifier); sono assegnato dalla IEEE Le seconde 6 cifre esadecimali (24 bit) identificano il serial number dell interfaccia NIC; sono assegnate dal costruttore hardware Identifica il Manufacturer Identificano il serial-number (gestito a livello locale) 14/45

8 Frame Layer 2 Il Frame è la PDU (Protocol Data Unit) per il livello 2. Il framing aiuta ad ottenere informazioni essenziali che altrimenti non si riuscirebbe a ricavare dal solo flusso di bit codificati Ci sono diversi tipi di frame, a seconda dello standard Ciascun frame è diviso in campi (field), composti da Byte: Start frame field: per avviare la comunicazione Frame Check Sequence field (FCS): controlla la sequenza in ricezione per individuare gli errori che capitano durante la comunicazione Addres frame field: per indicare indirizzi MAC Sorgente e Destinazione della comunicazione Length / type field: a seconda della tecnologia, indica l esatta lunghezza del Frame in Byte (Length Field), oppure il tipo di Frame in base al protocollo di Layer 3 che manda la richiesta (Type Field) Data field: dati veri e propri 15/45 16/ Frame Layer 2 Tutti i frame contengono informazioni sui nomi come il nome del nodo sorgente (Source MAC Address) e quello del nodo destinazione (Destination MAC Address) Tutti i frame, a prescindere dalla tecnologia, iniziano con una sequenza iniziale di bit Il campo Length specifica l esatta lunghezza del frame in byte Alcuni frame hanno un campo Type che specifica il protocollo di strato 3 che invia la richiesta Generic Frame Format Consiste in due parti: - User Application Data - Encapsulated Bytes da inviare a destinazione Possono essere aggiunti Padding Bytes per motivi di timing Il campo FCS (Frame Check Sequence) contiene un numero che è calcolato dal nodo sorgente in base ai dati del frame. Viene aggiunto nella parte finale del frame da spedire. Quando il frame viene ricevuto, il campo FCS viene ricalcolato dal nodo destinazione e confrontato con quello ricevuto CRC, Two-Dimensional Parity, Internet Checksum

9 Frame Layer 2 Il campo FCS (Frame Check Sequence) contiene un numero che è calcolato dal nodo sorgente in base ai dati del frame. Viene aggiunto nella parte finale del frame da spedire. Quando si riceve un frame, viene ricalcolato il campo FCS dal nodo destinazione e confrontato con quello ricevuto Possibili metodi per calcolare il Frame Check Sequence Number: Cyclic Redundancy Check (CRC): compie il calcolo in base al campo dei dati Two-dimensional parity: aggiunge un ottavo bit in modo da creare una sequenza di 8 bit e che abbia un numero pari o dispari di cifre binarie pari ad uno Internet checksum: somma i valori di tutti i bit nel campo dati per arrivare al totale 17/ Struttura del Frame Ethernet Paragone tra formati del frame IEEE Ethernet Ethernet II L SFD è la fine dell informazione di timing: sequenza di bit /45

10 Campi del Frame Ethernet Alcuni dei campi del Frame Ethernet 802.3: Preamble: alternanza prefissata di 1 e 0 usata come segnale di sincronizzare asincrono nelle reti a 10 Mbps ed in altre lente. Le versioni di Ethernet più veloci sono sincrone Start Frame Delimiter: ottetto di bit che delimita la fine della trasmissione ( ) Destination Address: contiene il MAC Address di destinazione. Può essere unicast, multicast (gruppo), o broadcast (tutti i nodi) Source Address: contiene il MAC Address sorgente Length/Type: - Se il valore è minore di 1536, (0x600 in esadecimale), indica la lunghezza del frame. L interpretazione della lunghezza è usata quando il Sublayer LLC da l identificazione del protocollo. Il valore di type specifica il protocollo dei livelli superiori al fine di ricevere dati, a processamento Ethernet completato. Lenght indica il numero di byte di dati che seguono. - Se il valore è uguale o maggiore a 1536, indica che la tipologia ed i contenuti del campo dati sono decodificati per il protocollo indicato. 19/ Campi del Frame Ethernet Data and Pad: contiene i dati da trasmettere; può essere di qualsiasi lunghezza purchè il frame non ecceda la sua lunghezza massima (MTU) che per Ethernet è di 1500 ottetti FCS (Frame Check Sequence): contiene un numero che è calcolato dal nodo sorgente in base ai dati del frame. Ethernet richiede che il frame non sia più corto di 46 byte né più lungo di 1518 Il campo Pad è necessario per garantire una lunghezza minima 20/45

11 6.1.3 e Logical Link Control (LLC) Permette a parte dello strato Data Link di funzionare indipendentemente dalle tecnologie di accesso della LAN (protocolli/metodi) Fornisce servizi ai protocolli dello strato sopra, mentre comunica con le tecnologie di accesso al di sotto LAN access technologies: Ethernet Token Ring FDDI Partecipa al processo di incapsulamento dei dati Crea una PDU LLC tra il Layer 3 ed il MAC sublayer Aggiunge informazioni di controllo ai dati dello strato network per aiutare a consegnare il pacchetto, grazie a due campi: Destination Service Access Point (DSAP) Source Service Access Point (SSAP) Supporta protocolli degli strati superiori sia connection-less che connectionoriented Permette a più protocolli di livello alto di condividere un link fisico singolo (multiplexing) 21/ Common LAN Technologies Esempi di tecnologie LAN: Ethernet Token Ring FDDI Tecnologie deterministiche e non-deterministiche Token Ring e FDDI sono deterministiche perchè l accesso al mezzo condiviso è regolato da un token Ethernet è non-deterministica perchè l accesso al mezzo condiviso non è regolato da alcun meccanismo. 22/45

12 Common LAN Technologies Protocolli del MAC Ethernet (IEEE 802.3) Topologia logica a bus Topologia fisica a stella o stella estesa Non deterministica Primo arrivato, primo servito (se libero) Token Ring (IEEE 802.5) Logica ad anello Fisica a stella Deterministica Un Token controlla il traffico Tecnologia più vecchia in declino FDDI (IEEE 802.5) Topologia logica ad anello Topologia fisica a doppio anello Deterministica Un token controlla il traffico Tecnologia vicina alla fine della sua esistenza 23/ CSMA/CD Il metodo di accesso CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection) ha tre scopi/funzioni: Trasmettere e ricevere pacchetti dati Decodificare pacchetti dati e controllarne la validità degli indirizzi prima di farli passare ai layer successivi Individuare gli errori all interno dei pacchetti dati o nella rete 24/45

13 Processo CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access con Collision Detection 25/ Timing Ethernet: Bit Time Bit time In una tecnologia Ethernet se il cavo è quieto una qualsiasi stazione inizierà subito a trasmettere. Il segnale elettrico che si propaga ha un Delay (tempo fisico di attraversamento del cavo), ma anche una Latency dovuta al Forwarding che i device di rete attraversati impongono. In tale scenario è dunque possibile che più stazioni inizino a trasmettere contemporaneamente. Il risultato è una collisione. o Se l host lavora in full-duplex può ricevere mentre trasmette, quindi nessuna collisione è possibile Se lavorasse in half-duplex allora viene prima emesso un preambolo di 64 bit di sincronizzazione, poi tutti gli altri campi del frame Per versioni di Ethernet da o sotto i 10 Mbps si è in una situazione di asincronia, ma per compatibilità rimangono i campi preambolo e SFD. Sopra i 100 Mbps si è in una situazione di sincronismo. 26/45

14 27/ Timing Ethernet: Interframe Spacing Tempo di interframe Il minimo spazio tra 2 frame che non collidono è detto spazio interframe. Si misura dall ultimo bit dell FCS al primo bit del preambolo del secondo frame. Dopo che un frame è stato spedito, tutte le stazioni su una Ethernet a 10 Mbps devono aspettare un minimo di 96 bit-times prima di essere autorizzate a trasmettere un frame. E vero anche per Ethernet più veloci, ma il tempo sarà ovviamente più breve (anche se sempre 96 bit-times). Questo spacing gap serve per far si che le stazioni più lente abbiano il tempo di processare il frame precedente e preparsi per il prossimo. (Dato che i repeater passati allungano il latency time, potrei pensare che per uscire da una collisione entro in una congestione, ma ci sono mezzi di controllo per questo.) Dopo una collisione tutti gli host aspettano a trasmettere, soprattutto quelle che si sono scontrate, che aspettano un tempo random, per evitare che si riscontrino. 28/ Timing Ethernet: Slot Time Slot time Per le Ethernet fino a 1000 Mbps si definisce che la trasmissione non debba essere inferiore ad uno slot time. Uno Slot Time è 64 ottetti (512 bit-times) per Ethernet da 100 o 10 Mbps, 512 ottetti (4096 bit-times) per quelle a 1000 Mbps. Lo slot time si calcola assumendo la massima lunghezza di cavo in una rete grande al massimo della legalità. Tutti i delay di propagazione dell hardware attraversato sono considerati al massimo ed il segnale di jam, usato in caso di collisione, è di 32-bit. Lo slot time attualmente in uso è appena più lungo del tempo che teoricamente serve per viaggiare tra i due punti più lontani del dominio di collisione, collidere con un altra trasmissione all ultimo istante possibile e quindi avere i frammenti della collisione che tornano verso la sending station e sono rilevati. Affinchè il sistema lavori bene, la prima stazione deve apprendere della collisione prima che termini l emissione del frame di grandezza più piccola possibile. Per permettere ad una Ethernet a 1000 Mbps di operare in half-duplex è stato aggiunto un campo di estensione quando si mandano i frame piccoli solamente per mantenere il trasmettitore sufficientemente occupato per il tempo necessario a che il frammento di collisione ritorni.

15 Error Handling La presenza di collisioni limita la banda (la portata) La maggior parte delle collisioni si ha presto nel frame, prima dell SFD: in tali casi non si riporta nulla dell accaduto ai layer superiori. 29/45 30/ Tipologie di collisioni Tipologie di collisione Tipi di collisione che possono verificarsi: Local Remote Late Una Local Collision su: cavo coassiale è tale per cui 2 forme d onda si sovrappongono cavo UTP, se in half-duplex: c è segnale sul paio RX mentre manda qualcosa sul cavo TX Una Remote Collision si ha se un frame è lungo meno della lunghezza minima, ha una checksum dell FCS invalida ma non mostra segni di collisioni locali. Solitamente tali collisioni si hanno sulla parte estrema di una connessione reiterata. Late Collision: avvengono dopo i primi 64 ottetti. La Ethernet non ritrasmette automaticamente un frame che ha subito tale collisione, perché la NIC ormai ha figurato tutto come andato a buon fine. Saranno i layer alti a dover rendersi conto che un frame si è perso.

16 Ethernet Errors: Long Frame e Short Frame LONG FRAME SHORT FRAME Collision or Runt Trasmissioni contemporanee che avvengono prima che sia passato uno slot time. Late collision Trasmissioni contemporanee che avvengono dopo che è passato uno slot time. Jabber, long frame and range errors Trasmissioni troppo lunghe o di lunghezza illegale. Short frame, collision fragment or runt Trasmissione illegalmente corta. FCS error Trasmissione con dati corrotti. Alignment error Numero di bit trasmessi insufficienti o eccessivi. Range error Il numero di ottetti effettivi ed il numero riportato non corrispondono. Ghost or jabber Preambolo insolitamente lungo o situazione di Jam. 31/ Errori FCS Errori di FCS Un alto numero di errori FCS da una sola stazione indicano di solito una NIC difettosa e/o dei driver corrotti, o ancora un cavo difettoso che collega l host alla rete. Se gli errori sul Frame Check Sequence sono associati a più stazioni, allora si possono ricondurre a un cablaggio pessimo, a versioni difettate delle NIC e dei loro driver, una porta difettosa dell hub o troppo rumore indotto nei cavi da sorgenti non considerate adeguatamente. 32/45

17 Autonegoziazione Ethernet Negoziazione automatica della configurazione, al fine di raggiungere le prestazioni più elevate possibili del link (Fast Ethernet). L auto-negoziazione per reti 10BASE-T richiede che ogni stazione trasmetta un impulso (Normal Link Pulse) ogni 16 millisecondi, ogni volta che non sia impegnata a trasmettere. Serie di NLP (Fast Link Pulse) sono usati per far si che anche versioni vecchie di 10BASE-T possano lavorare correttamente. Quando si riceve un FLP burst da questo si capisce cosa offre il partner del link e ambedue si allineano alla più alta configurazione comune di performance possibile. Se cade il link provano a ristabilire tutto come durante l ultima negoziazione e, se va male, si aspetta il prossimo burst. Coinvolge la parte più bassa del layer fisico. E opzionale tranne che per la Gigabit Ethernet (si può disabilitare). Pensata per le implementazioni UTP si è estesa anche alla fibra. 33/45