Reti e problematiche di Rete: Reti geografiche e reti locali

Reti e problematiche di Rete: Reti geografiche e reti locali Enrico Cavalli - enrico.cavalli@unibg.it Università di Bergamo - Anno Accademico 2008-2009 Reti Locali Reti geografiche e reti locali 2 1

Applicazioni delle LAN LAN di personal computer Basso costo Elevato tasso trasmissivo e livelli di errore bassi Condivisione dei dispositivi Reti Back end e reti SAN (Storage Area Networks) che interconnettono sistemi di grandi dimensioni, super computer e dispositivi per la memorizzazione di massa Tassi trasmissivi elevati, interfacce ad alta velocità Accesso al mezzo trasmissivo distribuito Estensione limitata Numero limitato di apparati collegati LAN di dorsale Per l interconnessione di LAN Preferibili ad un unica LAN per: Affidabilità, Capacità, Costo Reti geografiche e reti locali 3 Caratteristiche delle LAN Elementi caratteristici delle LAN Trasmissione broadcast Elevato tasso trasmissivo e livelli di errore bassi Non ci sono decisioni di instradamento Stretto legame tra il livello fisico e il livello datalink Controllo sulla condivisione del mezzo fisico Reti geografiche e reti locali 4 2

Topologie Due modi di operare per il nodo centrale: come ripetitore in modalità broadcast, come switch ritrasmettendo il messaggio verso il solo destinatario Reti geografiche e reti locali 5 Topologie a Bus Trasmissione multipunto, accesso al mezzo trasmissivo per mezzo di un tap Trasmissione bidirezionale, full duplex, broadcast; si propaga attraverso il mezzo trasmissivo e viene assorbita da un terminatore La connessione Full duplex fra la stazione ed il tap permette la trasmissione e ricezione dei segnali contemporaneamente Un messaggio trasmesso è ascoltato da tutte le stazioni Ogni stazione deve essere identificata univocamente mediante un indirizzo (ogni scheda di rete è caratterizzata da un indirizzo univoco) La trasmissione deve essere regolata: Per evitare collisioni Per evitare che una stazione monopolizzi il mezzo trasmissivo I dati sono trasmessi in blocchi di dimensione ridotta, detti trame (frame). Reti geografiche e reti locali 6 3

Protocollo di accesso del mezzo: MAC Definizione di due livelli sopra il livello fisico MAC (Medium Access Control) per la rilevazione degli errori e l indirizzamento delle trame LLC (Logical Link Control) con la funzione di interfaccia verso i livelli più alti e indirizzamento verso l applicazione Reti geografiche e reti locali 7 Relazione con il modello OSI LLC (Logical Link Control): gestione di un interfaccia verso i livelli più alti e la realizzazione del controllo di flusso e d errore Codifica e decodifica dei segnali - Generazione e rimozione del preambolo - Trasmissione dei bit - Specifiche relative al mezzo di trasmissione ed alla topologia MAC (Media Access Control): assemblaggio ed estrazione dei dati in una trama con indirizzi e rilevazione dell errore, gestione dell accesso al mezzo Reti geografiche e reti locali 8 4

Protocollo di accesso del mezzo: MAC La trama MAC contiene l indirizzo della scheda destinazione e l indirizzo della scheda di origine nella LAN La trama MAC è diversa nei diversi sistemi di LAN. Per mettere in comunicazioni due LAN serve un dispositivo in grado di attuare la conversione delle trame Un Bridge è un apparecchiatura per interconnetere LAN che dispongono di un sottolivello MAC di diverso formato Un Bridge usato nella interconnessione di reti di identico tipo ha lo scopo di filtrare il traffico in rete e ridurre il numero di trame in circolazione Un Bridge ha tabelle per riconoscere il posizionamento degli host nelle reti interconnesse Reti geografiche e reti locali 9 Protocolli LAN Reti geografiche e reti locali 10 5

Formato della trama MAC Formato di una generica trama MAC Reti geografiche e reti locali 11 Trasmissione di trame - LAN a Bus Reti geografiche e reti locali 12 6

LAN ad Anello Una serie di ripetitori collegati per formare un percorso chiuso. Ricevono i dati e li ritrasmettono allo stesso tasso trasmissivo. La trasmissione è unidirezionale I dati sono trasmessi in trame. Una trama circola nell anello sino a tornare alla sorgente che la rimuove Serve un controllo di accesso al mezzo per determinare quando una stazione può inserire trame Reti geografiche e reti locali 13 Controllo di Accesso al Mezzo Controllo centralizzato Controllo maggiore e logica di accesso alla stazione più semplice Evita il problema di dover coordinare azioni indipendenti Punto critico in caso di guasti Potenziale collo di bottiglia Controllo Distribuito Tecniche asincrone adatte al traffico imprevedibile delle LAN Round robin - Adatte nel caso di molte stazioni che hanno dati da trasmette per un lungo periodo, penalizzanti per poche stazioni che vogliono trasmettere Prenotazione - Adatte al traffico a flusso continuo A contesa - Adatte al traffico impulsivo: le stazioni sono in competizione per l accesso al mezzo, tecnica distribuita, semplice da realizzare, efficiente per traffico moderato, collassa all aumentare del traffico Reti geografiche e reti locali 14 7

LAN a Bus Bilanciamento del segnale Il segnale deve essere sufficientemente forte per soddisfare i requisiti del ricevitore anche dopo l attenuazione causata dall attraversamento del mezzo trasmissivo Deve mantenere un rapporto segnale-rumore adeguato Non deve essere così forte da sovraccaricare il trasmettitore Deve soddisfare le precedenti condizioni per ogni coppia di stazioni nella rete La soluzione abituale a tali problemi è suddividere la rete in segmenti di dimensione limitata (poche centinaia di metri) Più segmenti possono essere collegati per mezzo di ripetitori od amplificatori Mezzi trasmissivi Doppino (in genere nella versione UTP) Fibra ottica Cavo coassiale Reti geografiche e reti locali 15 LAN ad Anello L anello è costituito da un numero di ripetitori ognuno connesso ad altri due mediante collegamenti unidirezionali che formano un percorso chiuso. Unico percorso chiuso; attraversato dai bit in un unica direzione I dati sono trasferiti bit per bit da un ripetitore al successivo I ripetitori rigenerano e ritrasmettono il segnale I ripetitori eseguono le operazioni di immissione, ricezione e rimozione dei dati I ripetitori agiscono come punti di collegamento degli apparati La rimozione delle trame può avvenire per effetto della stazione trasmittente o di quella ricevente. E preferita la prima soluzione in quanto: permette il riscontro di avvenuta ricezione permette la gestione del multicasting Reti geografiche e reti locali 16 8

Potenziali problemi dell anello L interruzione di un qualsiasi collegamento disabilita la rete Un guasto al ripetitore disabilita la rete L installazione di nuovi ripetitori per collegare nuove stazioni richiede l identificazione dei due ripetitori topologicamente adiacenti Problemi di sincronizzazione I pacchetti non sono mai assorbiti: serve un modo per rimuovere i pacchetti dalla rete usando tecniche di back up per proteggersi da ogni errore La maggior parte di questi problemi può essere gestita con l architettura star-ring Reti geografiche e reti locali 17 Architettura Star Ring (anello a stella) La configurazione ad anello impone limiti al numero di ripetitori sull anello ed il funzionamento dell anello non dipende dal reale percorso dei cavi Realizzare i collegamenti tra ripetitore in un unico sito, un concentratore, con numerosi vantaggi Accesso centralizzato del segnale su ogni linea Più semplice identificare i guasti: è possibile lanciare un messaggio nell anello ed identificare la porzione di percorso priva di errori, disconnettere il segmento difettoso e ripararlo in un secondo tempo Nuovi ripetitori possono essere inseriti facilmente nella rete I relay di bypass possono essere collocati nel concentratore Il percorso tra ripetitori tende ad essere costante, l architettura porta ad impiegare una grande quantità di cavi LAN ad anelli multipli connessi mediante bridge Reti geografiche e reti locali 18 9

LAN a Stella Rinnovato interesse nell uso del doppino, nel contesto delle Lan a bus, nella versione UTP, in una struttura di cablaggio a stella (a volte preesistente) Costi di installazione bassi Una base installata preesistente è spesso disponibile Sistemi integrati di cablaggio fonia - dati Elemento centrale della stella è un elemento attivo, dal punto di vista del segnale, detto hub Ogni stazione è connessa all hub con due linee: una per trasmettere ed una per ricevere L hub ripete il segnale in ingresso su tutte le linee uscenti Distanza hub - stazione limitata a 100 m (500m per fibra ottica) Logicamente è un bus trasmisioni simultanee da più stazioni sono soggette a collisioni Fisicamente è una stella Reti geografiche e reti locali 19 Topologia a Stella a due livelli Reti geografiche e reti locali 20 10

Hub e commutatori Switch Hub a condivisione del mezzo: Hub centrale che ritrasmette il segnale su tutte le linee in uscita, può trasmettere una sola stazione per volta, con Lan a 10Mbps, la capacità totale è di 10Mbps Hub per LAN commutate (switch): l hub agisce come un commutatore, ritrasmette una trama in ingresso sulle linee appropriate, le altre linee possono essere utilizzate, con due coppie di linee attive la capacità globale sale a 20Mbps Reti geografiche e reti locali 21 Bridge Vi è spesso la necessità di andare oltre i limiti di una singola LAN per fornire interconnessione ad altre LAN o WAN mediante bridge o router Router: dispositivo in grado di connettere diverse LAN alle WAN Bridge è un dispositivo semplice Connette LAN simili (esistono anche bridge che permettono la conversione di formato MAC) Protocolli identici per livello fisico e di linea Al bridge è richiesto un ammontare ridotto di elaborazione Perché usare un bridge Maggior affidabilità di una rete partizionata in segmenti Maggiori performance di più reti ridotte Sicurezza: si possono implementare misure di sicurezza mirate Geografia dei dispositivi Reti geografiche e reti locali 22 11

Funzioni di un bridge Leggere tutte le trame trasmesse su una LAN ed accettare quelle indirizzate a stazioni su altre LAN (funzione di filtro) Ritrasmettere tutte le trame alla seconda LAN usando il protocollo di accesso al mezzo di quest ultima Effettuare queste operazioni in ogni direzione Aspetti importanti: Il bridge non effettua alcuna modifica al contenuto o al formato delle trame ricevute (su LAN identiche) Il bridge deve avere un buffer in grado di supportare il traffico di picco Il bridge deve contenere funzionalità di instradamento e di indirizzamento, e potrebbe connettere più di due LAN Le operazioni di bridge devono essere trasparenti per le stazioni: il bridge permette di estendere LAN senza modifiche nell hardware o nel software della rete Reti geografiche e reti locali 23 Operazioni svolte dal bridge Reti geografiche e reti locali 24 12

Connessione di due LAN tramite bridge Incapsulamento dei dati in presenza di un bridge Reti geografiche e reti locali 25 Instradamento Le grandi LAN complesse necessitano di definire percorsi alternativi per bilanciare il carico delle reti riconfigurare il carico in caso di guasto Il bridge deve decidere dove ritrasmettere la trama Il bridge deve decidere a quale LAN ritrasmettere la trama Instradamento fisso: viene selezionato un percorso per ogni coppia di LAN sorgente-destinazione Effettuato al momento della configurazione Nel caso di percorsi multipli viene selezionato quello con il minor numero di hop Modificato in seguito a modifiche nella topologia Reti geografiche e reti locali 26 13

Instradamento Apprendimento a ritroso: adatto per topologie senza cicli Approccio Spanning Tree: i bridge determinano automaticamente una tabella di instradamento ed aggiornano tale tabella in base ad eventuali cambiamenti nella topologia anche in caso di cicli Reti geografiche e reti locali 27 LAN multiple Reti geografiche e reti locali 28 14

Sistemi di LAN Reti geografiche e reti locali 29 Sistemi LAN Ethernet CSMA/CD Token Ring Fibra Ottica LAN senza fili Per gestire il controllo dell accesso al mezzo fisico Protocolli a contesa, esempio Ethernet Protocolli a rotazione: esempio Token Ring Reti geografiche e reti locali 30 15

Ethernet (CSMA/CD) - IEEE 802.3 Carriers Sense Multiple Access with Collision Detection Accesso multiplo a rilevazione di portante con rilevazione della collisione Tecnica ad accesso casuale o a contesa Lo standard maggiormente diffuso per reti a BUS o BUS cablata con una stella Non deterministico Si degrada per la presenza di un elevato numero di stazioni Opera come nel caso della conversazione umana fra persone educate Reti geografiche e reti locali 31 CSMA/CD Le stazioni trasmettono come sotto specificato e continuano ad ascoltare il mezzo mentre stanno trasmettendo per riconoscere una possibile collisione CSMA 1) Se il mezzo è libero trasmettere ed andare a 3) 2) Continuare ad ascoltare il canale finchè si libera e quindi trasmettere immediatamente CD 3) Se viene rilevata una collisione durante la trasmissione, trasmettere un breve segnale di jamming, per assicurarsi che tutte le stazioni capiscano che c è stata una collisione, e interrompere immediatamente la trasmissione 4) Dopo avere trasmesso il segnale di jamming attendere una quantità di tempo casuale e quindi tentare una nuova trasmissione Reti geografiche e reti locali 32 16

CSMA/CD T 0 : A trasmette, mentre B, C sono pronte a trasmettere. T 1 : B si accorge della trasmissione ma non C che inizia a trasmettere T 2 : C rileva la collisione e cessa di trasmettere mentre A prosegue nella trasmissione sino a T 3 quando il fronte della collisione la raggiunge Reti geografiche e reti locali 33 Attesa e Ritrasmissione Se la stazione che vuole trasmettere trova il mezzo occupato: Aspetta un tempo casuale e riprova (non persistente). E se nel frattempo il canale si è liberato ed è stato occupato da un altra stazione? Continua ad ascoltare sino a quando il mezzo si libera (1 persistente). Se ci sono più stazioni in attesa ci sarà una collisione Un compromesso tra le due precedenti scelte: rimane in ascolto e quando il mezzo si libera trasmette con probabilità p e rimane in attesa per un tempo casuale con probabilità (1-p) (p-persistente). p scelto in base al numero di stazioni Attesa dopo la collisione: Attesa esponenziale binaria: il ritardo casuale è raddoppiato in caso di ulteriori collisione. Stop dopo 16 collisioni Reti geografiche e reti locali 34 17

Riconoscimento della collisione Tempo per riconoscere una collisione: finestra di collisione. Non maggiore del doppio del tempo di propagazione del segnale per il tratto di maggiore lunghezza Una regola importante è che le trame siano abbastanza lunghe da permettere la rilevazione della collisione prima della fine della trasmissione Nei bus in banda base la collisione produce oscillazione di tensione più alte di quelle della normale trasmissione Il segnale si attenua per la distanza: anche per questa ragione la distanza è limitata a 500m (10Base5) o 200m (10Base2) Per i doppini (impiegati nella topologia a stella) il riconoscimento della collisione avviene nell hub mediante la presenza di attività su più di una porta Reti geografiche e reti locali 35 Trama MAC - IEEE 802.3 Preambolo: sequenza di 0,1 per stabilire la sincronizzazione di bit SFD: Delimitatore inizio trama - 10101011 DA: Destination address SA: Source Addreess Length LLC Data PAD: byte di completamento per assicurare che la trama sia sufficientemente lunga per rilevare la collisione FCS: Frame Check Sequence - un codice a controllo ciclico Reti geografiche e reti locali 36 18

Token Ring - IEEE 802.5 Protocollo MAC: Quando tutte le stazioni sono inattive nell anello circola una speciale trama (Token) Una stazione per trasmettere deve impossessarsi del token La stazione modifica un bit del token e lo trasforma in una trama di trasmissione La trama circola nell anello e viene riassorbita dalla stazione che l ha emessa: La stazione emette un nuovo token Tecnica deterministica Può essere inefficiente in caso di carico limitato della rete Per carichi elevati diventa round-robin Può essere adattata per gestire priorità Reti geografiche e reti locali 37 Token Ring A vuole trasmettere un messaggio per C. Attende il token e vi appende il messaggio che, ignorato da D arriva a C. C vuole trasmettere un messaggio per A e D. Per farlo deve attendere di ricevere un nuovo token. Reti geografiche e reti locali 38 19

Trama MAC - IEEE 802.5 SD: Una sequenza di segnali che identifica l inizio di una trama AC: Usato per la gestione delle priorità, delle prenotazioni e per riconoscere il tipo di trama FC: Usato per la gestione della trama DA: Destination address SA: Source Addreess Data Unit : i dati LLC FCS: Codice di controllo ciclico ED: contiene anche un bit di errore FS: contiene i bit di indirizzo riconosciuto e di trama copiata Reti geografiche e reti locali 39 FDDI 100Mbps - Gbps Applicazioni: LAN e MAN Simile a Token Ring, ne differisce perchè: La stazione che vuole trasmettere si impossessa del token senza modificarlo La stazione, successivamente, trasmette una o più trame dati Il rilascio di un nuovo token avviene non appena la stazione ha terminato di trasmettere Reti geografiche e reti locali 40 20

FDDI Nell FDDI una stazione che vuole trasmettere attende e cattura il token togliendolo dall anello e trasmette una o più trame. La stazione che ha trasmesso delle trame dati rilascia un nuovo token non appena ha terminato le trasmissioni, abilitando altre stazioni a trasmettere. Reti geografiche e reti locali 41 Applicazioni delle LAN senza fili Estensione delle LAN Interconnessione tra edifici Accesso mobile Reti ad hoc Control Module (CM) - interfaccia verso una LAN di wireless con funzioni di bridge o di router User Module (UM) - controllano un certo numero di stazioni Reti geografiche e reti locali 42 21

LAN Wireless a cella singola Reti geografiche e reti locali 43 LAN Wireless a cella multipla Reti geografiche e reti locali 44 22

LAN senza fili Reti geografiche e reti locali 45 HUB, SWITCH, BRIDGE, ROUTER HUB: un dispositivo che collega più postazioni di lavoro di una LAN a stella e invia i dati in ingresso a tutte le connessioni attive (lavora a livello fisico) SWITCH: Combinazione di HUB e BRIDGE e collega più stazioni come un HUB ma può filtrare i frame fornendo una segmentazione della rete. Esamina la trama MAC per scoprire l indirizzo destinazione e indirizzare verso il percorso appropriato BRIDGE: connette LAN ROUTER: Collega reti dove una ha un livello MAC e l altra non ce l ha e interconnette reti differenti. Può svolgere servizi di FIREWALL ovvero di proteggere le macchine nella LAN Reti geografiche e reti locali 46 23

Un paio di cose non dette Numeri di IP statici e dinamici Ogni utente deve avere un numero di IP? Come gestirli? Quale IP a un utente che si sposta? DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol ) Reti geografiche e reti locali 47 Un paio di cose non dette Cosa succede dentro una LAN La LAN conosce indirizzi di scheda, non indirizzi IP Il protocollo ARP (Address Resolution Protocol) è un protocollo usato per mappare indirizzi IP di rete sugli indirzzi hardware della rete locale noti al sottolivello MAC Reti geografiche e reti locali 48 24

Mettendo tutto assieme payload incapsulamento Protocol Data Unit Protocol Data Unit: datagram package frame Reti geografiche e reti locali Grazie per la vostra attenzione Reti geografiche e reti locali 50 25