Dispositivi di rete. Ripetitori. Hub

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1 Ripetitori Dispositivi di rete I ripetitori aumentano la distanza che può essere ragginta dai dispositivi Ethernet per trasmettere dati l'uno rispetto all'altro. Le distanze coperte dai cavi sono limitate in parte dal fatto che il segnale viene attenuato quando la trasmissione avviene lungo un filo. I ripetitori sono in grado di ricevere un segnale debole e generare un nuovo segnale pulito da trasmettere in uscita. Per svolgere questo compito, un ripetitore riceve un segnale elettrico (anche debole) su una porta di ingresso, genera un segnale pulito che viene inviato alla porta di uscita. La figura seguente illustra una situazione di questo tipo; nell'esempio il segnale inviato da Betty a Fred è riportato in basso nella figura. I ripetitori non sono in grado di estendere all'infinito una rete LAN. Per quanto riguarda una rete 10BaseT, il numero di ripetitori ammesso tra due dispositivi utente è limitato dalla regola 5 4 3; in sintesi questa regola afferma che si possono avere al massimo 5 cavi e 4 ripetitori tra due dispositivi utente di qualsiasi tipo. La cifra 3 di questa regola afferma che solo 3 dei cinque cavi in questione sono collegati direttamente a dispositivi utente. Hub Le specifiche IEEE che definiscono le reti 10BaseT e definiscono l'utilizzo di hub Ethernet per queste reti hanno risolto un paio di problemi che si erano riscontrati nei precedenti standard Ethernet. In primo luogo, risultava difficile effettuare l'installazione del cavo coassiale delle reti LAN 10Base2 e 10base5, in parte a causa della topologia a bus della rete stessa. La soluzione 10BaseT ha rappresentato il primo tipo di soluzione che prevedeva l'utilizzo di una nuova topologia fisica di cablaggio, che prese il nome di topologia a stella. La topologia a stella utilizza un cavo per collegare ciascun dispositivo a un hub Ethernet, il che rende molto più semplice l'installazione di un

2 nuovo dispositivo. L'installazione veniva semplificata anche perché si utilizzano cavi UTP, più sottili e flessibili. Il cablaggio UTP era anche meno costoso rispetto al cablaggio con il cavo coassiale, pertanto le reti Ethernet diventavano anche economicamente alla portata di molte aziende. I cavi UTP delle reti 10BaseT erano però in grado di supportare una lunghezza massima del cavo di 100 m, una distanza inferiore a quella prevista per le reti 10Base5 (500 m) e 10base2 (185 m). Per superare questo limite, le reti 10BaseT permisero l'utilizzo di ripetitori e di hub. Gli hub delle reti 10BaseT prevedevano le due funzioni principali illustrate di seguito. Analogamente ai ripetitori, gli hub ricevono i segnali elettrici su una porta, rigenerano il segnale e lo trasmettono sulle porte di uscita. Gli hub prevedono più prese RJ 45 per collegare i cavi UTP per mezzo di connettori RJ 45, in modo da realizzare una topologia a stella. La combinazione di queste due funzioni permette agli hub di impostare un percorso elettrico in grado di raggiungere ciascuna scheda NIC e di instradare i segnali rigenerati su tutte le porte di uscita, analogamente a un ripetitore. NOTA. La maggior parte degli hub prevedono da 4 a 24 porte, il più delle volte in numero multiplo di quattro, allo scopo di collegare a un hub i dispositivi dislocati in un'area ristretta e di collegare a sua volta l'hub con altri hub e switch. NOTA. Dato che ripetono qualsiasi segnale elettrico, gli hub e i ripetitori generano un solo dominio di collisione. Questa espressione fa riferimento a un gruppo di dispositivi per i quali, se due qualsiasi di questi dispositivi inviano simultaneamente un frame Ethernet, si sovrappongono i segnali e si distruggono entrambi i frame. La regola è giustificata proprio dalla necessità di temporizzare la trasmissione rispetto a un dominio di collisione. Dato che gli hub ripetono un segnale elettrico ricevuto su tutte le porte, a eccezione della porta che ha ricevuto il segnale, il segnale inviato da un dispositivo viene instradato su tutti gli altri dispositivi collegati all'hub. La figura 5.12 illustra un esempio di questo tipo.

3 I ripetitori e gli hub offrono una serie di vantaggi nella realizzazione delle reti LAN. Un ripetitore estende la distanza coperta da una rete LAN, mentre un hub estende la distanza ed è in grado di mettere a disposizione una postazione di collegamento per la creazione di una topologia fisica a stella. La creazione di reti LAN con ripetitori e hub provoca però l'impostazione del collegamento di dispositivi in un singolo dominio di collisione. Bridge I bridge consentono di collegare più segmenti della rete LAN e di instradare il traffico tra i diversi segmenti, quando necessario. Nell'instradamento del traffico i bridge si comportano come i ripetitori, in quanto eseguono il forwarding di un segnale elettrico rigenerato. A differenza di ripetitori e hub, i bridge adottano una logica di controllo per definire il forwarding dei frame. Questa logica si basa sui protocolli Ethernet che riguardano il livello 2 OSI, pertanto i bridge vengono considerati dispositivi di livello 2. Per stabilire quando eseguire il forwarding dei frame, i bridge adottano la logica indicata di seguito. 1. Viene esaminato il segnale in ingresso, si interpreta il segnale come sequenza di 0 e 1, poi si individua l'indirizzo MAC di destinazione riportato nel frame. 2. Nel caso in cui l'indirizzo MAC di destinazione sia raggiungibile dal bridge per mezzo di un'interfaccia differente rispetto a quella dalla quale ha ricevuto il frame, questo viene instradato utilizzando un segnale pulito e rigenerato; questa procedura prende il nome di forwarding. 3. Nel caso in cui l'indirizzo MAC di destinazione sia raggiungibile dal bridge per mezzo della stessa interfaccia dalla quale ha ricevuto il frame, il frame stesso viene scartato; questa procedura prende il nome di filtraggio. Le figure 5.13 e 5.14 mostrano un paio di esempi relativi rispettivamente a operazioni di filtraggio e di forwarding. La figura 5.13 mostra un bridge che riceve un frame inviato da Fred all'indirizzo MAC di destinazione di Barney; in questo caso il bridge stabilisce di non effettuare il forwarding del frame. Di seguito viene illustrata la procedura schematizzata nella figura 5.13 nella pagina succesiva. 1. Fred invia dalla propria scheda NIC un frame Ethernet, i cui dati sono preceduti dall'indirizzo MAC di destinazione definito da 02:00:16:16.16: L'hub ripete il frame sulle altre porte di uscita. 3. Barney riceve il segnale elettrico, stabilisce che l'indirizzo MAC di destinazione coincide proprio con il proprio indirizzo MAC, pertanto elabora i dati che ha ricevuto. 4. Il bridge riceve il segnale sulla propria porta numero 0 e individua l'indirizzo MAC di destinazione, definito da 02:00:16:16.16:16. La tabella di bridge afferma che l'indirizzo 02:00:16:16.16:16 può essere raggiunto per mezzo della porta di uscita 0, che coincide con la porta che ha ricevuto il frame. Di conseguenza, il bridge non deve effettuare il forwarding del frame.

4 Questo esempio permette anche di evidenziare il miglioramento delle prestazioni introdotto dalla presenza dei bridge. Quando si verificano le azioni illustrate nella figura 5.13, altri dispositivi relativi all'hub visibile a destra possono inviare contemporaneamente dei frame, per esempio Betty a Wilma. Anche in questo caso il bridge non deve effettuare il forwarding dei frame e non si verificano collisioni. La figura 5.14 illustra un esempio relativo alla stessa rete schematizzata nella figura 5.13, ma in questo caso Fred invia un frame a Wilma. Di conseguenza il bridge stabilisce che è necessario eseguire una operazione di forwarding verso la porta 1 visibile a destra. Di seguito è indicata la procedura che viene eseguita in questo esempio. Si può notare che i primi due passi sono identici a quelli illustrati nella figura Fred invia dalla propria scheda NIC un frame Ethernet, i cui dati sono preceduti dall'indirizzo MAC di destinazione definito da 02:00:21:21:21: L'hub ripete il frame sulle altre porte di uscita. 3. Barney riceve il segnale elettrico e decide di non elaborare il frame in quanto l'indirizzo MAC di destinazione del frame non coincide con il proprio indirizzo MAC.

5 4. Il bridge riceve il segnale sulla propria porta numero 0 e individua l'indirizzo MAC di destinazione, definito da 02:00:21:21:21:21. La tabella di bridge afferma che 02:00:21:21:21:21 può essere raggiunto dalla porta 1, una porta diversa da quella di ingresso del segnale. Di conseguenza, il bridge esegue il forwarding del frame. 5. L'hub visibile a destra ripete il segnale in uscita su tutte le sue interfacce collegate. 6. Wilma riceve ed elabora il frame mentre Betty riceve lo stesso segnale e lo ignora, in quanto l'indirizzo MAC di destinazione del frame non coincide con l'indirizzo MAC di Betty. I bridge segmentano le reti LAN in diversi domini di collisione. Un frame inviato da Fred non può per esempio entrare in collisione con un frame inviato da Wilma, il quanto il bridge memorizza il frame e attende che i segmenti della rete LAN siano privi di traffico. Di seguito sono riportate alcune indicazioni che riguardano i vantaggi di utilizzo dei bridge. I bridge offrono gli stessi vantaggi di un ripetitore, in quanto eseguono sempre il forwarding di un segnale rigenerato. I bridge non devono rispettare la regola dei ripetitori 10BaseT; di conseguenza, da un punto di vista tecnico è possibile realizzare una rete LAN di grandi dimensioni collegando un certo numero di bridge.

6 I bridge segmentano le reti LAN in più domini di collisione. I bridge presentano anche una serie di svantaggi. I bridge disponibili in commercio prevedono in genere un numero limitato di porte, il più delle volte solo due. Di conseguenza, i bridge non offrono gli stessi vantaggi di un hub, che rappresenta invece una soluzione comoda per collegare più PC in una rete LAN. I prossimi dispositivi che verranno presentati, ovvero gli switch Ethernet, offrono tutti questi vantaggi. Dato che gli switch eseguono le stesse operazioni dei bridge, ma più velocemente e con più funzionalità, molti produttori non propongono più prodotti bridge per le reti Ethernet. Switch Ethernet Gli switch offrono gli stessi vantaggi di ripetitori, hub e bridge. Gli switch LAN più recenti offrono inoltre una serie di altre funzionalità. In effetti, al momento la maggior parte delle reti LAN utilizza gli switch solo per il fatto che non esistono più i bridge, gli switch sono più veloci degli hub, hanno più o meno lo stesso prezzo e poi le reti LAN richiedono la presenza di ripetitori solo nel caso in cui si debbano coprire distanze considerevoli dei cavi. Di seguito sono indicate le funzioni fondamentali di uno switch. Analogamente a un hub, uno switch mette a disposizione un gran numero di porte a cui collegare i cavi, in modo da collegare una topologia fisica di cablaggio a stella. Analogamente a ripetitori, hub e bridge, quando si esegue il forwarding di un frame lo switch rigenera un segnale elettrico pulito a forma d'onda quadra. Analogamente ai bridge, uno switch utilizza la stessa logica di forwarding/filtro su ciascuna porta. Analogamente ai bridge, gli switch separano una rete LAN in più domini di collisione. La figura 5.15 illustra un esempio di switch che esegue il forwarding di un frame in funzione della propria tabella di indirizzi MAC. Vengono utilizzati gli stessi PC degli esempi precedenti e in questo esempio Fred invia un frame a Barney (02:00:16:16:16). Lo switch esegue il forwarding sulla porta 2 e non sulle porte 3 e 4.

7 La tabella di indirizzi MAC e delle porte prende il nome di tabella di switch. Gli switch collocano ciascuna porta di switch in un distinto dominio di collisione. La figura 5.16 mostra un esempio in cui tutti e quattro i dispositivi collegati a uno switch inviano simultaneamente un frame e tutti i frame vengono distribuiti senza provocare collisioni.

8 Gli switch evitano le collisioni tenendo presente le condizioni in cui lo switch potrebbe provocare una collisione. Invece di inviare il frame e provocare la collisione, lo switch memorizza temporaneamente il frame in un buffer di memoria. In questo modo lo switch è in grado di instradare il frame quando la collisione non si può più verificare