ELEMENTI di RETI LOCALI (LOCAL AREA NETWORKS)

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1 ELEMENTI di RETI LOCALI (LOCAL AREA NETWORKS) Franco Callegati N. 1 TIPI di RETI AREA DISTANCE NETWORK PARALLEL COMPUTER Mainboards System Room 0.1 m 1 m 10 m Massive parallel Multi processor Cluster COMPUTER NETWORKS Building Blocks City State Continent Planet 100 m 1 Km 10 Km 100 Km 1000 Km Km LANs Extended LANs MAN WAN WAN WAN Franco Callegati N. 2 1

2 LAN: Local Area Networks Infrastruttura di telecomunicazioni che consente ad apparati indipendenti di comunicare in un area limitata attraverso un canale fisico ad elevata bit rate con bassi tassi di errore: INDIPENDENTI: assenza di architetture master-slaves LIMITATA: area privata, senza vincoli di legge UN canale fisico usato da tutte le workstations ELEVATA BIT RATE: uso esclusivo dell intera banda anche se per brevi intervalli Franco Callegati N. 3 LAN: Architettura Protocolli Standard (layer 2 modello ISO-OSI): IEEE 802 Cablaggio (layer 1 modello ISO-OSI): EIA\TIA 568 Franco Callegati N. 4 2

3 PROGETTO IEEE 802 Network layer LLC Logical Link Control MAC Data Link layer CSMA/CD Token Token DQDB Wireless Bus Ring Physical layer Franco Callegati N. 5 I sottolivelli del Data Link LLC è comune a tutte le LAN Implementa l interfaccia verso lo strato di rete Viene descritto nello standard IEEE Sostanzialmente riprende HDLC MAC è specifico per ogni LAN Risolve il problema dell accesso ad un mezzo di trasmissione condiviso fra tutti gli utenti della LAN Dati d utente LLC Header LLC PDU MAC LLC Header Header MAC Trailer MAC PDU Franco Callegati N. 6 3

4 Indirizzamento nelle LAN Indirizzo MAC Numerosi calcolatori sono connessi alla LAN Si deve specificare a quale calcolatore sono destinate le informazioni In genere esiste un associazione univoca fra interfacce di rete dei calcolatori e indirizzo MAC Indirizzo LLC (LSAP) È il SAP che identifica un LLC-user (entità di strato 3) LLC-user può essere Un processo attivo nel calcolatore Un processo che risiede in un hardware separato (concentrazione di terminali) Franco Callegati N. 7 Topologie Alcune tipiche topologie per reti LAN sono Bus bidirezionale Bus unidirezionale Anello Franco Callegati N. 8 4

5 Protocolli MAC Controllano l accesso al mezzo di trasmissione Solitamente si condivide il mezzo con multiplazione a divisione di tempo Protocolli MAC sono di tipo CONTROLLATO non ammettono collisioni A CONTESA ammettono collisioni CAP - Channel Access Procedure E' l'insieme delle procedure che la stazione effettua per realizzare l'accesso al canale CRA - Collision Resolution Algorithm E' l'insieme delle procedure che la stazione effettua per rivelare ed eventualmente recuperare situazioni di collisione Franco Callegati N. 9 Broadcast I protocolli MAC definiti in ambito IEEE 802 realizzano reti di tipo broadcast Ogni stazione riceve i dati inviati tutte le altre stazioni Il broadcast viene realizzato sia con topologie a bus sia con topologie ad anello Ne consegue che in una LAN 802 l invio di un messaggio a tutte le altre stazioni sia assai immediato Alcuni protocolli di livello superiore come ARP fanno uso di questa caratteristica Franco Callegati N. 10 5

6 Prestazioni delle LAN F lunghezza della trama d massima distanza fra due stazioni della LAN C velocità di trasmissione sul mezzo v velocità di propagazione del segnale Un parametro molto significativo per il calcolo delle prestazioni è: a = Cd / vf T = F/C è il tempo di trasmissione di una trama MAC d/v è il tempo di propagazione di un singolo bit sulla LAN Cd/v si può interpretare come il numero di bit che possono essere presenti contemporaneamente sulla LAN a è la lunghezza della LAN misurata in trame MAC Franco Callegati N. 11 Prestazioni ideali In un sistema ideale Una stazione trasmette una trama Le altre stazioni devono aspettare che la trama sia ricevuta prima di poter trasmettere a loro volta La trama viene ricevuta trama dopo un tempo T 0 pari alla somma del tempo di trasmissione più il tempo di propagazione T 0 = F/C + d/v L efficienza della rete locale è pari a η = (F/C) / T 0 = (F/C)/(F/C + d/v) = 1/(1+a) Franco Callegati N. 12 6

7 η Prestazioni ideali S = 1/(1+a) è anche il massimo throughput (traffico smaltito) della LAN Se G è il traffico offerto allora S = G finché non si raggiunge il limite sull utilizzazione una volta raggiunto il limite S = η a S a=1 a=0.2 a= G Franco Callegati N. 13 Protocolli a contesa: Aloha E' nato per collegare tra loro le università delle isole Hawaii. Prevede un collegamento via satellite che riceve i segnali e li ritrasmette amplificati su una frequenza diversa. MAC - CAP Quando il trasmettitore ha una trama da trasmettere la trasmette. Quando la trama arriva al satellite viene ritrasmessa verso tutte le stazioni; anche la stazione trasmittente riceve la trama ed ha quindi conferma della corretta trasmissione (nessuna collisione) MAC - CRA Quando due stazioni trasmettono contemporaneamente i segnali collidono e si interferiscono; il satellite non riceve correttamente In caso di collisione la stazione non ritrasmette subito; si sceglie l istante per la ritrasmissione in modo aleatorio all'interno di un intervallo di lunghezza prefissata Tb (tempo di back-off) Franco Callegati N. 14 7

8 Prestazioni Aloha: traffico offerto Le stazioni che hanno rilevato una collisione e devono ritrasmettere sono dette backlogged Il trasmettitore di ogni stazione accetta una sola trama alla volta Una stazione backlogged si occupa solamente di ritrasmettere la trama perduta nella collisione Le stazioni inviano trame nuove con frequenza λ i Le stazioni backlogged ritrasmettono con frequenza λ r T = lunghezza media della trama A 0 = λ T è il traffico offerto alla rete locale G = λ r T è il traffico offerto totale al protocollo di accesso, comprensivo delle ritrasmissioni G A 0 Franco Callegati N. 15 Prestazioni Aloha S= traffico smaltito P 0 = probabilita' di non collisione S = G P 0 Si definisce intervallo di vulnerabilità l'intervallo all'interno del quale una trasmissione può dar luogo a collisione Nel caso di ALOHA vale 2 T È sufficiente che il primo bit della trama considerata si sovrapponga all ultimo bit di una trama precedente Il primo bit di una nuova trama si sovrapponga all ultimo bit della trama considerata Nessuna trama deve essere trasmessa per un tempo T prima dell inizio della trasmissione considerata e per un tempo T successivo T T T Collisione t Franco Callegati N. 16 8

9 Aloha: prestazioni Ipotizziamo i pacchetti da trasmettere arrivino secondo un processo di Poisson con frequenza media di arrivo λ Le collisioni con successive ritrasmissioni generano delle correlazioni fra gli arrivi Il numero medio di pacchetti da trasmettere nell unità di tempo effettivi è λ r > λ Il traffico è approssimativamente di Poisson se l intervallo di back off è abbastanza lungo rispetto a T Nell ipotesi di avere trame tutte di lunghezza uguale a T La probabilità di non avere una trasmissione in 2T è P 0 = e -2λrT = e -2G Quindi la probabilità il numero medio di trasmissioni aventi successo (traffico smaltito S) è pari a S= G e -2G Franco Callegati N. 17 Aloha: throughput In condizioni di equilibrio statistico il numero di trame ricevute dai trasmettitori deve essere uguale al numero di trame trasmesse A 0 = S Il valore massimo di S è pari a 0.18 per G=0.5 S Compromesso fra numero di tentativi e relativi successi A 0 Troppe collisioni L intersezione fra il valore di A0 e la curva S(G) indica i punti di lavoro del protocollo Pochi tentativi di trasmissione G Franco Callegati N. 18 9

10 Stabilità Il traffico offerto è in realtà funzione del numero k di stazioni backlogged A0 = λt(n-k) G(k) è una funzione monotona di k S(G(k)) ha una forma simile a quella già evidenziata 0.25 S(k) A0 > S K cresce A0 < S K diminuisce A 0 (k) 3 punti di stabilità 2 sono stabili 1 instabile Un aumento eccessivo di A0 può portare ad una situazione di troppe collisioni 0 0 N k Franco Callegati N. 19 Slotted Aloha Un possibile miglioramento: SLOTTED ALOHA. Il sistema lavoro in modo sincrono Le trame vengono trasmesse in corrispondenza di istanti predefiniti l'intervallo di vulnerabilità si riduce a T P 0 = e -G S = Ge -G Franco Callegati G N. 20 S 10

11 Ethernet (IEEE 802.3) Topologia: two-way bus Bit rate: 10, 100, 1000 Mbit/s Protocollo MAC di tipo CSMA/CD Carrier Sensing Multiple Access with Collision Detect Protocollo ad accesso casuale Tempo di attesa non limitato superiormente Franco Callegati N. 21 CSMA/CD Carrier sensing: ogni stazione che debba trasmettere ascolta il bus e trasmette solo se è libero; Multiple access: una volta iniziata la trasmissione i dati inviati da una stazione possono collidere con quelli di un altra questo avviene a causa del ritardo di propagazione non nullo Collision detection: Una stazione è in grado di rilevare l avvenuta collisione mantenendosi in ascolto sul mezzo In caso di collisione: si ferma subito la trasmissione si invia una particolare sequenza di bits (jamming) per informare tutte le altre stazioni dell avvenuta collisione Franco Callegati N

12 CSMA persistent? Se il bus è occupato, cosa fare quando si libera? Strategia 1-persistent: si trasmette immediatamente Se due o più stazioni sono in attesa di trasmettere la collisione è assicurata! Strategia non-persistent: le stazioni riprovano ad ascoltare il bus dopo un tempo casuale Si riduce la probabilità di collisione ma può accadere che il bus rimanga inutilizzato per qualche tempo alla fine della trasmissione Strategia p-persistent: si trasmette immediatamente con probabilità p, si riprova dopo un tempo casuale con probabilità 1-p Si cerca un compromesso fra ottimizzazione l utilizzazione del bus e riduzione della probabilità di collisione Franco Callegati N. 23 Inter Frame Gap IFG Una stazione che voglia trasmettere attende che il bus sia libero Quando non rivela più una portante Attende per un periodo di tempo detto inter frame gap Quindi trasmette Volendo trasmettere un altro frame La stazione deve attendere un IFG fra la fine della trasmissione del frame precedente e l inizio della trasmissione del nuovo frame I frame sono separati da intervalli pari a un IFG IFG è uguale al tempo di trasmissione di 96 bit Franco Callegati N

13 Slot Time Si definisce Slot time il tempo necessario per la trasmissione di 512 bit Lo slot time è di poco superiore alla somma: Del tempo di andata e ritorno del segnale Del tempo necessario per rilevare la collisione e lanciare la sequenza di jamming Il tempo necessario per la trasmissione di un frame di 64 byte è leggermente superiore Quando una stazione trasmette avrà sempre la possibilità di rilevare una collisione prima di avere terminato la trasmissione Franco Callegati N. 25 Dimensioni della rete Lo slot time impone dei vincoli sulla struttura fisica della rete Ethernet a 10 Mbit/s Il bus in cavo coassiale può raggiungere una lunghezza di circa 3000 m Nel caso di 10BASE-T la lunghezza di un segmento di doppino deve essere di circa 100m per limiti di tipo fisico Ethernet a 100 Mbit/s L aumento di velocità provoca un accorciamento del tempo di trasmissione Il diametro della rete è limitato a circa 200 m Franco Callegati N

14 Back off La collisione non è un errore di trasmissione ma è il modo per gestire l accesso multiplo ed è quindi inevitabile In caso di collisione la stazione ritenterà la trasmissione Algoritmo di back-off: avvenuta una collisione si può ritentare dopo un tempo T detto intervallo di back off N è il numero di tentativi di trasmissione effettuato e n 16 Il tempo T viene determinato come segue T = r τ r è scelto casulamente nell intervallo 0 r < 2 k dove k = min(n,10) τ è uno slot time Franco Callegati N. 27 Collision Domain Una singola LAN CSMA/CD dove 2 o più stazioni che provano a trasmettere contemporaneamente possono collidere viene detta dominio di collisione Stazioni connesse mediante repeaters sono nello stesso dominio di collisione Stazioni connesse mediante bridge, router o gateway appartengono a domini di collisione distinti; HUB di solito si comporta come repeater Franco Callegati N

15 Ethernet vs. IEEE Network Layer MAC Ethernet IEEE LLC MAC IEEE Physical layer Ethernet Physical layer IEEE Franco Callegati N. 29 Formato del Frame Ethernet Preamble Start Frame Delimiter Destination Address Source Address Length / Type LLC Data Pad Frame Check Sequence 7 byte 1 byte 6 byte 6 byte 2 byte byte 4 byte Extension b 0 b 7 Ordine di trasmissione Franco Callegati N

16 Indirizzi Solo la stazione destinataria di un frame deve leggere il frame stesso Per questo le interfacce di rete sono dotate di un indirizzo univoco Gli indirizzi Ethernet sono composti da 48 bit Sono univoci a livello mondiale (cablati hardware nell'interfaccia) E' possibile specificare un singolo destinatario b0-78-e8-fd oppure un invio in broadcast a tutte le stazioni ff-ff-ff-ff-ff-ff Franco Callegati N. 31 Campi del frame Preamble 7 byte tutti uguali a ; producono, a 10 Mbps, un'onda quadra a 10 Mhz per 5,6 µs, che consente al ricevitore di sincronizzare il suo clock con quello del trasmettitore. SFD uguale a ha la funzione di flag di inizio frame Lunghezza indica quanti byte ci sono nel campo dati (da 0 a 1500). Dati contiene il payload del livello superiore. Pad Se il frame (esclusi preambolo e delimiter) è più corto di 64 byte, con questo campo lo si porta alla lunghezza di 64 byte Checksum è un codice di controllo dell errore di tipo polinomiale Franco Callegati N

17 Quale Ethernet? 10BASE5 È lo standard originale per la trasmissione a 10Mbit/s su cavo coassiale grosso 10BASE2 10 Mbit/s su cavo coassiale sottile (thin wire) 10BASE-T 10 Mbit/s su doppino (twisted pair) 100BASE-TX e 100BASE-FX 100 Mbit/s su doppino (TX) o fibra ottica (FX) 1000BASE-X e 1000BASE-T 1 Gbit/s su fibra ottica o doppino Franco Callegati N. 33 Ethernet: parametri principali Slot time 512 bit times (51.2s) Inter frame spacing 9.6 s Attempt limit 16 Back-off limit 10 Jam size Max frame size Min frame size Address size 32 to 48 bit 1518 bytes 64 bytes 48 bit Franco Callegati N

18 TOKEN RING e IEEE Token Ring sviluppato dai laboratori IBM nel 1976; Topologia: logicamente un anello ma fisicamente una stella con cavi STP 1 bit rates: 4 Mbit/s (vecchie versioni), 16 Mbit/s; In 1982 IEEE costituisce il comitato che standardizza il Token Ring per i livelli fisico e MAC Nel 1993 IEEE produce un document (802.5 Q/Draft 3) per l impiego dei cavi UTP Franco Callegati N. 35 MAC del Token Ring E' un protocollo controllato in cui non si possono verificare collisioni Token = diritto alla trasmissione si può realizzare mediante una trama che gira continuamente sull anello La CAP funziona come segue accede al mezzo condiviso chi è in possesso del token la stazione che vuole trasmettere attende che passi un token libero, lo occupa e vi appende le informazioni in coda. Tempo di accesso: tempo che la stazione deve attendere per vedere il token libero Tempo di latenza tempo che impiega un bit a fare un giro completo dell'anello dipende dalla lunghezza dell anello e dal ritardo introdotto dalle stazioni Franco Callegati N

19 Rimozione delle trame La trama deve essere rimossa dall anello una volta ricevuta. Rimozione con modalità diffusiva la trama viene rimossa dalla stazione trasmittente che libera anche il token Rimozione con modalità parzialmente diffusiva la trama viene rimossa dalla stazione ricevente che libera anche il token Con la tecnica parzialmente diffusiva il token si libera prima però si hanno i seguenti svantaggi: cambiamento dell'ordine di trasmissione e maggiore aleatorietà del tempo di accesso mancanza di una verifica di correttta trasmissione aumento del tempo di latenza a causa della necessità di memorizzare almeno il token in ciascuna stazione. Franco Callegati N. 37 Formato della trama Token Trama generale 1 byte SD AC ED 1 byte 6 byte 6 byte SD AC FC DA SA Dati FCS ED FS SD: Starting delimiter AC: Access control FC: Frame Control DA/SA: Destination/Source Address FCS: Frame Check Sequence ED: Ending Delimiter FS: Frame Status Franco Callegati N

20 Campi della trama Access control 3 bit 1 bit Priority bits Token Mon. Reservation bits Il token bit indica se il token è libero o occupato Contiene un bit modificato solo dal Monitor (controllore della rete) per identificare trame che non sono rimosse Contiene altri bit per la gestione delle priorità Frame status Contiene il bit C di frame copied che conferma la ricezione della trama Contiene il bit A di address recognized posto a 1 che riconosce il proprio indirizzo Ending delimiter Contiene il bit E = error detected posto a 1 se una stazione rileva un errore (FCS errato, simboli non permessi) Franco Callegati N. 39 APPARATI DI INTERNETWORKING Franco Callegati N

21 REPEATERS Apparato attivo che collega 2 o più mezzi di trasmissione Estende il mezzo di trasmissione Amplificatione del segnale : ripete i segnali verso tutte le porte di uscita Decodifica i flussi di bit entranti, li ricodifica e li sincronizza Gestisce la collisione: dopo aver rilevato una collisione, trasmette la sequenza di jamming su tutte le porte Rigenera il sincronismo ma con ritardo (5.3 µs or 530m or 53bits) Oppure non lo rigenera ma taglia l header: massimo numero di repeaters in cascata Franco Callegati N. 41 BRIDGE Eseguono semplici algoritmi di routing e calcolano le tabelle di routing Due tipi principali: Transparent bridge: tabelle di routing sono sui bridges Source routing bridge: tables sono nelle workstations che devono specificare l intero percorso da seguire all atto della trasmissione Transparent bridges: packet forwarding learning process Spanning Tree algorithm per la rimozione dei cicli Franco Callegati N

22 BRIDGE vs. ROUTER Entrambi consentono un incremento del numero di stazioni collegate e di suddividere il traffico di rete aumentando le prestazioni Bridge collega fisicamente reti differenti ma logicamente sono la stessa: le regole di cablaggio si applicano separatamente per ogni rete ma il protocollo di rete vede un unica rete Router separa una rete sia fisicamente sia logicamente Router è più robusto ( percorsi ridondanti) ed assicura più sicurezza (firewalls) Routers impiegati principalmente in WANs (Internet) Franco Callegati N. 43 Routing o Bridging? Davvero pochi apparati sono bridges puri o routers puri (brouters, multi-protocol routers, ) Bridge: data link layer Router: network layer Bridge: single hop packet forwarding Router: multi hop packet forwarding Bridge non esegue: hop count fragmenting and reassembling congestion notification intermediate addressing Franco Callegati N

23 Bridge VS Routers Indirizzi: Bridge: usa solo indirizzi IEEE 802 (MAC); non hanno significati topologici e sono preassegnati dai costruttori Router: usa indirizzi (IP p.es.) assegnati e gestiti nelle singole LANs Packet forwarding: Bridge: non esegue riordino dei pacchetti Router: esegue riordino dei pacchetti Franco Callegati N. 45 BRIDGES: PROS Plug & play mentre routers devono essere attentamente configurati Meno costosi Inoltrano protocolli non instradabili: alcuni protocolli di comunicazione (LAT) non sono gestibili dai routers sicchè occorre usare i bridges per inoltrare i relativi pacchetti da LAN a LAN Franco Callegati N

24 SWITCH Utile per superare colli di bottiglia della banda disponibile Divide le reti in più piccoli collision domains (Ethernet) or anelli (Token Ring) al fine di fornire ad ogni stazione di lavoro più banda E un bridge multiporta con talvolta caratteristiche dei routers Usato per connettere reti tradizionali 10Mbps) a reti ad alta velocità come Fast Ethernet, FDDI, Gigabit Ethernet,... Franco Callegati N. 47 ESEMPIO Switch o Router (Collapsed backbone) Switch Al 3 piano Server Area 3 Switch Al 2 piano Server Area 2 Switch Al 1piano Server Area 1 Franco Callegati N