Installare ed espandere questa rete è un'operazione molto semplice, a patto di seguire alcuni accorgimenti.

Transcript

1 Ethernet Ethernet è il tipo rete locale più diffuso nel mondo. Fin dalle sue origini, definite nel documento IEEE 802.3, rappresenta un sistema di comunicazione i cui punti chiave sono i costi contenuti e la semplicità d'installazione e gestione. L'accesso alla rete è disciplinato in modo non deterministico dal sistema CSMA/CD, che permette ad un computer di usare la rete solo se nessun altro la stava già usando. L'estensione che Ethernet può coprire varia da circa 200m a 2,5Km a seconda delle varie versioni, con velocità di 10Mbit/s, 100Mbit/s fino a 1000Mbit/s di Gigabit Ethernet. Possiede una struttura elettrica a bus: il segnale raggiunge tutti gli altri nodi seguendo un solo percorso. La struttura fisica invece può essere a bus o a stella, in cui i nodi si collegano ad un punto centrale. Il progetto Ethernet nacque nei primi anni 70 presso il Palo Alto Research Center (PARC) di Xerox. Successivamente è stato riveduto e aggiornato da tre società congiunte, Digital, Intel e Xerox (DIX), prima nel 1980, con il rilascio della prima versione di Ethernet, poi nel 1982 con l'uscita delle specifiche di Ethernet 2. Nel 1983 si è avuta la prima definizione ufficiale di Ethernet ad opera dell'ieee, nel documento 802.3, contenente le specifiche fisiche ed elettriche. Negli anni seguenti le specifiche sono state via via aggiornate, includendo il supporto per il cavo coassiale grosso e sottile, per il doppino UTP e per le fibre, con velocità sempre crescenti. E' comunque bene tenere presente che in condizioni normali, con numerosi nodi collegati, la velocità effettiva di trasmissione si aggira intorno al 40, 50% del valore dichiarato. Le varie versioni di Ethernet possiedono nomi come 10Base-2, 10Base-5, 10Base-T... Questo nome contiene informazioni riguardanti le caratteristiche salienti del tipo di rete. Il primo numero indica la velocità in Mbit/s. La parola Base sta per baseband. In una rete baseband il segnale viene trasmesso attraverso un'onda portante a 20Mhz, secondo la codifica Manchester. L'ultimo numero indica la distanza massima che può coprire un singolo segmento. Se invece di un numero è presente una lettera, questa indica il mezzo trasmissivo: T sta per Twisted pair, il doppino ritorto, F sta per Fiber, la fibra ottica. Questa versione di Ethernet è l'ideale quando il numero di computer da collegare rimane inferiore a poche decine. Si tratta probabilmente della soluzione meno costosa (per questo viene anche chiamata anche CheaperNet, ossia rete economica). Il cavo che connette le varie stazioni è un cavo coassiale. E' spesso chiamato "sottile" per distinguerlo dal cavo coassiale "grosso", usato nello standard 10Base-5, una rete ormai obsoleta a causa degli alti costi e delle numerose limitazioni. E' in grado di trasferire fino a 10Mbit/s, che si trasformano in 0,5-1 Mbyte/s nella pratica. Un singolo segmento può coprire una lunghezza di 200 metri, dopo i quali si rende necessaria l'installazione di un ripetitore. Il cablaggio di questa rete deve rispettare la regola 5-4-3, cioè ci possono essere al massimo cinque segmenti, separati da quattro ripetitori, e solo tre segmenti possono essere popolati, con max 30 stazioni per segmento. Si arriva in questo modo all'estensione massima di 1000m. Le connessioni avvengono tramite attacchi BNC. 1

2 Installare ed espandere questa rete è un'operazione molto semplice, a patto di seguire alcuni accorgimenti. Il cavo deve snodarsi da un computer all'altro toccando ogni stazione come in figura, senza creare anelli o derivazioni secondarie. Nel retro di ogni stazione, in corrispondenza della scheda di rete, è presente un connettore BNC a baionetta. Qui deve essere inserito sempre e solo un connettore a T. a sinistra e al centro, attacchi BNC a destra, un connettore a T Ai due capi del cavo devono esserci sempre e solo due terminatori da 50 Ohm (e non 75) di cui uno solo va messo a terra. Terminatore con messa a terra Non inserite uno o entrambi i capi del cavo direttamente nel connettore della scheda di rete. Anche se entra perfettamente non fatevi trarre in inganno, è 2

3 necessario il terminatore. Questo consiste di una resistenza che impedisce ai dati in transito di riflettersi indietro. Per unire due spezzoni di cavo sono disponibili appositi connettori. I connettori di tipo BNC si innestano prima a pressione, poi bisogna ruotarli di un quarto di giro per bloccarli. Per sbloccarli si segue il procedimento inverso. Attenzione a non tirare troppo senza prima sbloccarli! Tutto il materiale è facilmente reperibile in un buon negozio di informatica/elettronica. Una rete 10Base-2 si può collegare ad una rete 10Base-T se si dispone di un hub (concentratore, vedi la sezione 10Base-T) dotato di connettore BNC. La principale limitazione della rete 10Base-2 è la vulnerabilità ai guasti. E' infatti sufficiente una scheda di rete difettosa, o una qualsiasi interruzione sul cavo, per far cadere tutto il segmento. Inoltre, per l'individuazione del guasto, si rende necessario controllare ogni stazione. E' per questi motivi che non è consigliabile utilizzare la 10Base-2 su reti di una certa dimensione. La differenza principale tra questa versione e la 10Base-2 è la disposizione, che è a stella. Vediamo di capire di cosa si tratta spiegando le cose con ordine. Innanzi tutto non si usa più il cavo coassiale bensì il doppino ritorto non schermato, detto UTP (Unshielded Twisted Pair). E' molto simile al doppino telefonico ma ha otto fili al suo interno, ed usa connettori RJ45. La velocità rimane a 10 Mbit/s, ma la distanza massima è di 100 metri. Esistono due categorie di doppino. Quella di cat.3, più economico, e quella di cat.5, preferibile perché ha il vantaggio di essere compatibile con le reti 100Base-T (Fast Ethernet, 100Mbit/s) nel caso voleste in futuro aggiornare la rete a questo standard. Il suo costo inoltre, è ormai paragonabile a quello di cat.3. Connettore RJ45 Esiste anche una versione schermata detta STP (Shielded Twisted Pair), che copre una distanza di 500 metri ma è più costosa dell'utp. Spesso si rivela utile in ambito aziendale e in tutti quei casi nei quali il cavo deve attraversare zone con elevati disturbi. A differenza della 10Base-2, un capo del doppino va inserito direttamente nel retro della scheda, l'altro invece deve arrivare ad una delle porte libere dell'hub. L'hub, in inglese concentratore, è un dispositivo che ha due funzioni: e' un ripetitore di segnale, e ha il compito di riunire tutte le connessioni verso un singolo punto. Per questo si dice che la disposizione è a stella, come si vede in questa figura. 3

4 1 In vendita si trovano hub con un numero di porte che va da 4 a 48. Se dovessero finire le porte libere è possibile aggiungere alla rete altri hub, fino ad un massimo di quattro (anche qui vale la regola 5-4-3: essendo l'hub un ripetitore, al massimo possono esserne presenti quattro). La distanza massima è di 500m. Un hub supplementare viene collegato a quello di partenza attraverso una porta speciale, detta di "uplink" o anche "cascade". Questa è una porta speciale, si tratta di una porta "raddrizzata": in una porta normale, perchè tutto funzioni correttamente, il filo di trasmissione deve diventare all'altro capo quello di ricezione e viceversa, il collegamento tra due hub è invece come una prolunga e non necessita questi incroci. In questa figura si vede una rete con due hub, le porte rosse sono quelle di uplink. 1 4

5 Un'altra soluzione per aumentare il numero complessivo di porte, senza pero' sprecare segmenti per l'uplink, è data dagli hub su chassis (per le grandi aziende) e dagli hub impilabili (se il numero di nodi non è elevatissimo). Vale la pena ricordare che un hub non opera alcun controllo sui dati in transito, limitandosi a ritrasmettere tutto cio' che e' arrivato su tutte le porte attive. I pregi di questa organizzazione a stella sono l'espandibilità (per aggiungere una nuova stazione è sufficiente collegarla via doppino con una porta vuota dell'hub) e la bassa vulnerabilità ai guasti. Infatti, nel caso di malfunzionamento di un nodo, l'hub provvede automaticamente all'isolamento della porta corrispondente. Cosi' facendo il resto della rete puo' continuare a funzionare regolarmente senza risentire del guasto. E' anche possibile aggiungere e togliere connessioni in qualsiasi momento senza interferire con le altre stazioni collegate. Altro pregio della 10Base-T è la possibilità di poter ridistribuire in modo ottimale il traffico quando la rete si avvicina alla saturazione. E' infatti possibile intervenire suddividendo appropriatamente la rete in più segmenti, facendo uso di dispositivi come i bridge, gli switch e i router, messi a cavallo tra essi. La funzione di questi apparecchi è tutto sommato simile, in quanto consiste nel lasciare uscire il traffico da un segmento, solo se il destinatario dei dati trasmessi appartiene ad un segmento diverso da quello del mittente. Si prevengono così inutili intasamenti quando mittente e destinatario appartengono allo stesso segmento. La differenza tra questi apparecchi è spiegata nella pagina Bridge-Switch-Router La rete 10Base-T (così come la sua variante a 100Mbit/s), a causa della presenza di componenti come l'hub, e nelle reti più complesse, di switch, è un pò più costosa della 10Base-2, ma le sue indubbie qualità la rendono una scelta pressoché obbligata per le 5

6 aziende, dove il numero di stazioni è elevato ed è richiesta una buona scalabilità all'aumentare delle stazioni collegate. Se dovete collegare solo due computer, potete fare a meno dell'hub, a patto di utilizzare un cavo raddrizzato. Troverete maggiori informazioni nella sezione Reti Windows alla pagina Minireti Windows. Questa versione di Ethernet rappresenta l'evoluzione della 10Base-T. Condivide infatti moltissime caratteristiche con quest'ultima, come ad esempio la disposizione a stella e il doppino UTP (a patto di aver scelto quello di cat.5). Anche la distanza massima tra hub e stazione resta di 100 metri. La differenza sostanziale è la velocità massima, che è dieci volte maggiore, raggiungendo così i 100Mbit/s. Per questo motivo la 100Base-T viene anche chiamata Fast Ethernet. Per questo tipo di rete non vale più la regola 5-4-3: ora il numero massimo di segmenti scende a 3 ed il numero di hub installabili a 2, inoltre la lunghezza del segmento di uplink, che collega i due hub, è di soli cinque metri. Ne deriva che la lunghezza totale tra le due stazioni alle estremità sia di soli 205 metri (2 segmenti da 100 m. + uplink da 5 m.) contro i 500 della 10Base-T. Il limite dei 5 metri per l'uplink non è prestabilito, ma varia in funzione della lunghezza degli altri due segmenti, l'importante è che la lunghezza totale rimanga sotto i 205 metri. La versione più diffusa è la 100Base-TX che usa due coppie di doppino, una per inviare ed una per ricevere i dati, ed è l'unica capace di gestire connessioni full-duplex (200Mbit/s) a queste velocità. Le schede di tipo Fast Ethernet sono compatibili con il basso, quindi, anche se non avete ancora un hub da 100Mbit/s, potete sempre installarle e collegarle con una porta a 10Mbit/s. LA REGOLA La regola vale per tutti i tipi di reti Ethernet e dice che si possono collegare fino a 5 segmenti, intervallati da 4 ripetitori, e solo 3 segmenti possono essere popolati, gli altri due segmenti devono restare liberi e servono solo per collegare un ripetitore ad un altro. Una eccezione a questa regola è rappresentata dalla rete Fast Ethernet (100Base-T), dove possono essere collegati al massimo 3 segmenti separati da 2 hub. Il segmento centrale è un collegamento di uplink lungo 5 metri, usato per connettere i 2 hub. TOPOLOGIA Il collegamento fisico tra i nodi di una rete Ethernet può essere a bus o a stella, a seconda della versione. La topologia di cui sto parlando è la topologia fisica, che non va confusa con la topologia elettrica della rete, che in entrambi i casi rimane a bus. Questo significa che in qualsiasi rete Ethernet, il segnale tocca i nodi passando per un solo percorso, 6

7 indipendentemente da come essi sono collocati. Un esempio famoso di rete con disposizione non a bus è Token Ring, che ha una topologia elettrica ad anello. Le reti 10Base-2 e 10Base-5 hanno una topologia fisica a bus, quindi il cavo si snoda da un computer all'altro "toccando" ogni computer, senza creare anelli o derivazioni secondarie. Topologia a bus (10Base-5, 10Base-2) Le reti come la 10Base-T e la 100Base-TX, continuano ad avere una topologia elettrica a bus, ma la topologia fisica diventa a stella. Questo significa che tutte le macchine si collegano ad un punto, l'hub (in inglese concentratore) che, oltre a riunire a se tutte le connessioni, ha anche le funzioni di ripetitore. Topologia a stella (10Base-T, 100Base-TX) 7

8 Versione Velocità max. Lunghezza max. di un segmento N max. Lunghezza di nodi su totale un raggiungibile segmento 10Base-5 10Mbps 500m m. 4 10Base-2 10Mbps 200m m. 4 N max. di ripetitori N max. di segmenti Tipo cavo utilizzato di 5, di cui Coassiale 2 non grosso popolati 5, di cui Coassiale 2 non sottile popolati 10Base-T 10Mbps 100m.UTP 5, di cui 500m.STP 2 500m. 4 Doppino 2 non UTP/STP popolati 100Base- T 100Mbps 100m , di cui Doppino 1 per UTP l'uplink (cat.5) Quando una rete aumenta di dimensioni, le prestazioni peggiorarano in modo proporzionale. Per ridurre al minimo questa tendenza è possibile suddividere appropriatamente la rete in diversi segmenti, inserendo dispositivi come bridge, switch o router, a cavallo tra essi. A differenza degli hub, che si limitano a ritrasmettere i dati su tutte le porte esattamente come sono arrivati, i bridge, gli switch e i router sono in grado di smistare il traffico tra i vari segmenti, permettendo che i dati si propaghino fuori dal segmento solo se il destinatario dei dati trasmessi appartiene ad un segmento diverso da quello del mittente. Si prevengono così probabili intasamenti della rete quando mittente e destinatario appartengono allo stesso segmento. La differenza tra questi tre apparecchi è la seguente Il bridge, come dice il nome, è un ponte tra due reti. Il suo lavoro consiste nel fare in modo che i dati generati da una rete rimangano separati dall'altra, salvo quando il destinatario non appartenga proprio all'altra rete. Il bridge lavora al livello 2 del modello ISO/OSI, cioè a livello data link. Questo comporta che l'indirizzo in base al quale si decide se inoltrare o meno un messaggio, è un indirizzo di scheda di rete Ethernet, a 48 bit. Lo switch è un'evoluzione del bridge. Come quest'ultimo, il suo compito consiste nel far passare i dati solo ai segmenti interessati. A differenza del bridge, possiede diverse porte, ognuna collegata ad un segmento. Il traffico di un segmento viene propagato solo al segmento interessato. In pratica, è come se in uno switch fossero presenti tanti bridge. Molto efficaci per ottimizzare la velocità della rete sono gli switch 10/100, dove le porte sono tutte a 10Mbps eccetto una, a 100Mbps. Il vantaggio consiste nel poter 8

9 collegare la porta a 100Mbps ad un server centrale, e le altre porte, a 10Mps, ad altri computer o segmenti. In questo modo, il traffico diretto verso il server dispone di un canale dieci volte più veloce, sul quale possono viaggiare, contemporaneamente, i dati provenienti da una decina di porte da 10Mbps. Il router è quel dispositivo che, in una rete TCP/IP, determina quale sarà il prossimo nodo a cui inoltrare un pacchetto giunto in input, in modo da fargli raggiungere la sua destinazione. Un pacchetto può passare attraverso diversi router prima di raggiungere il nodo finale. Lavora con gli indirizzi a 32 bit di IP, a livello 3, cioè a livello network. La differenza tra gli indirizzi Ethernet a 48 bit e gli indirizzi IP a 32 bit è spiegata nella pagina Indirizzi IP. COME VIAGGIANO I DATI Un messaggio, quando viaggia sul cavo, non è altro che una lunga sequenza di bit, che possono essere 0 o 1. Esso raggiunge tutti i nodi collegati alla rete, indipendentemente da dove sia fisicamente posizionato il destinatario. I valori binari 0 e 1 sono rappresentati tramite la codifica Manchester. Essa presuppone che venga generata un onda quadra con frequenza di 20Mhz, la portante. Questa oscilla tra due valori di tensione predefiniti, uno positivo e l'altro negativo. Nel momento in cui l'onda cambia di segno è presente un 1 (da - a +) o uno 0 (da + a -). Prima di iniziare ricordo che, oltre ai dati veri e propri, il messaggio deve contenere al suo interno anche tante altre informazioni, tra cui troviamo l'indirizzo di destinazione. Troverete maggiori informazioni nella pagina Le trame Ethernet. In qualsiasi rete Ethernet, tutti i computer collegati rimangono sempre in ascolto. Quando qualcuno manda un messaggio in rete, tutti gli altri computer, o meglio, tutte le schede di rete, iniziano ad analizzare il messaggio in transito. La prima cosa che effettua una scheda di rete, è la lettura dell'indirizzo di destinazione, solitamente posizionato in posizione strategica in testa al messaggio. Solo se questo coincide con il proprio, il messaggio viene accettato e letto, altrimenti verrà scartato. 9

10 Esistono anche alcuni messaggi, detti di tipo broadcast, che vengono accettati da tutte le schede di rete in ascolto. Il metodo per disciplinare l'accesso alla rete è il CSMA/CD, Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection, accesso multiplo con rilevamento della portante/rilevamento di collisione. Ogni scheda di rete segue questa tecnica quando deve spedire un messaggio. Come è ragionevole pensare, la prima cosa da fare quando si vuole trasmettere, è verificare che la rete non sia già stata occupata da qualcun'altro, ossia non deve essere rilevata l'onda portante di cui abbiamo parlato prima. Se nessun altro sta trasmettendo, si è liberi di iniziare la trasmissione Controllare che nessuno stia trasmettendo, non assicura purtroppo che solo un computer alla volta inizi a trasmettere. Non è infatti infrequente che due o più computer, trovando la rete libera, inizino a trasmettere contemporaneamente. Inoltre bisogna considerare che i dati non raggiungono ogni estremità della rete in tempo nullo, ma viaggiano sul cavo con una certa velocità di propagazione. Basta quindi che due computer, fisicamente distanti qualche centinaio di metri, inizino a trasmettere in due istanti sufficientemente vicini perchè si ricrei la medesima situazione. In questi casi si ha una collisione. Questo evento non è così catastrofico come si potrebbe pensare. La scheda di rete, infatti, anche quando è in trasmissione, rimane costantemente in ascolto. Quando avviene una collisione, le onde generate si sommano, il risultato è che le oscillazioni dell'onda risultante variano tra intervalli di tensioni maggiori di quelli predefiniti. In questa situazione le schede coinvolte rilevano l' "onda anomala" e terminano di trasmettere, non subito, ma solo quando hanno inviato almeno 64 byte, in modo tale da permettere che anche tutte le altre schede di rete rilevino la collisione. Terminata la trasmissione, viene impostato un timer a durata casuale nella scheda di rete, allo scadere del quale si ritenta la comunicazione. Quando vogliamo inviare dati attraverso una rete Ethernet, c'è bisogno prima di tutto di una particolare struttura logica atta a contenerli. Questa struttura è fondamentale perchè permette che i dati arrivino al computer giusto e, per quanto è possibile, senza contenere errori o alterazioni. Questa struttura è il pacchetto Ethernet, spesso chiamato frame, oppure trama. Conterrà incapsulati i dati originali e, intorno ad essi, tutte quelle informazioni utili a soddisfare i requisiti di cui abbiamo appena parlato. Se qualcosa nella trasmissione va storto, il computer ricevente scarta il messaggio, ma voi non potete saperlo. In genere sono le applicazioni di alto livello che controllano il buon esito di un operazione. Esistono quattro tipi di trame. Le vedremo in ordine cronologico. Il primo modello di trama è stato definito nei primi anni 80 dallo standard Ethernet II, prima delle specifiche dell'ieee Ha una struttura molto semplice ed è stata adottata dall'ietf (Internet Engineering Task Force) come trama ufficiale, in virtù di alcune informazioni utili al traffico Internet. Contiene i seguenti campi 10

11 Preambolo; 7 byte contenenti una sequenza di , serve per sincronizzare tutte le stazioni in ascolto, con il segnale generato dalla scheda di rete. SFD, Start Frame Delimiter; un byte contenente la sequenza Con gli si accoda al preambolo, con l' 11 finale avverte che stanno per arrivare i dati veri e propri. Indirizzo di Destinazione; 48 bit (6 byte), contiene l'indirizzo fisico del nodo destinatario. Indirizzo di Provenienza; 48 bit (6 byte), contiene l'indirizzo fisico del nodo sorgente. Questi ultimi due campi di 48 bit contengono indirizzi di schede Ethernet. Tipo; 2 byte, contiene un valore che indica in quale ambiente è stato generato il pacchetto. Questo campo, in ambito Internet, si rivela particolarmente utile per riconoscere immediatamente alcuni messaggi di servizio. Dati; da 46 a 1500 byte. Sono i dati veri e propri. Se sono più lunghi di 1500 byte, si costruiranno altri pacchetti da 1500 byte, finchè non viene spedito tutto. FCS, Frame Check Sequence; contiene il risultato del calcolo CRC sul campo dati. Serve al destinatario, per controllare se i dati hanno subito qualche alterazione. La trama Ethernet II supporta TCP/IP ed IPX/SPX (NetWare). La seconda trama creata dopo Ethernet II, è Ethernet "raw" (grezza). Si tratta di una trama proprietaria, creata anch'essa prima che l'ieee emanasse la vera E' usata dalle stazioni Novell Netware 3.x, e supporta solo IPX/SPX. I campi sono molto simili, cambia solo il campo "tipo", che resta lungo 2 byte, ma ora viene usato per contenere la lunghezza della trama. Alla fine degli anni 80, l'ieee completò la trama Ethernet "standard" o anche Si differenzia dalla raw di Novell per l'aggiunta di 3 campi da 1 byte, sottratti al campo dati (che diventa lungo al massimo 1497 byte). I tre campi sono DSAP, Destination Service Access Point; indica a quale processo di alto livello bisogna consegnare la trama. SSAP, Source Service Access Point; indica il processo software di provenienza. Controllo; indica il tipo di trama, secondo uno standard definito dall' IEEE. La è la trama ufficiale di Netware 4.x, è in grado di gestire qualunque protocollo. Una quarta ultima variante, prodotta anche questa dall'ieee, è la SNAP. E' simile alla 802.2, ma vengono aggiunti due nuovi campi, sottraendo altri 5 byte al campo dati (che si riduce ad un massimo di 1492 byte). Il primo campo è di 3 byte e contiene un codice identificativo del fornitore, negli altri 2 byte ritroviamo lo stesso campo Tipo usato nella Ethernet II. 11