Università degli studi di Salerno Laurea in Informatica I semestre 04/05 LAN ad Alta Velocità Prof. Vincenzo Auletta auletta@dia.unisa.it http://www.dia.unisa.it/professori/auletta/ 1 A Cosa Servono LAN ad alta velocità? La LAN è diventata un elemento indispensabile per ogni ufficio deve supportare ambienti di computazione distribuita Alta velocità serve perché I volumi di dati da trasferire sono in aumento L utente richiede applicazioni interattive Campi di applicazione Server farm centralizzate Workgroup backbone Principali Standard per LAN La Storia di Ethernet 2 Il comitato IEEE 802 ha prodotto diversi standard per LAN si differenziano per il protocollo MAC adottato ogni standard è legato ad un determinato tipo di applicazione Principali standard 802.3 (Ethernet) 802.11 (Wireless LAN) Altri standard (non ne parleremo) 802.5 (Token Ring) FDDI Fibre Channel LAN ATM 3 Progettata dalla Xerox per reti a bus ed a stella basata su accesso al mezzo per contesa (CSMA/CD) opera a 10 Mbps su cavo coassiale Adottata dalla IEEE come base per definire uno standard MAC con accesso al mezzo per contesa IEEE 802.3: piccole differenze Adottata dalla OSI come standard per reti LAN OSI 8802.3
Caratterisitche del Controllo di Accesso al Mezzo ALOHA 4 accesso casuale le stazioni tentano di accedere al mezzo ogni volta chenehannobisogno tempo di attesa non prevedibile contesa in ogni istante una sola stazione può utilizzare il mezzo Le stazioni competono per utilizzare il mezzo la contesa può non avere vincitori algoritmo di controllo derivato da reti radio ALOHA e slotted ALOHA 5 progettata all Università delle Hawaii per una rete a onde radio a commutazione di pacchetto collegava sedi poste in varie isole dell'arcipelago utilizzabile per qualunque tipo di rete a commutazione di pacchetto adatto a traffico bursty e basso carico bassa probabilità che due stazioni vogliano utilizzare il mezzo allo stesso istante 6 Algoritmo ALOHA Algoritmo ALOHA una stazione invia una trama e rimane in ascolto per un certo tempo (max round trip time + piccola costante) round trip time = doppio del ritardo di propagazione se una stazione riceve una trama correttamente manda un ACK se la sorgente non riceve l ACK durante il periodo di ascolto ritrasmette lal trama dopo un ritardo casuale dopo un certo numero di tentativi senza successo rinuncia il controllo della sequenza delle trame è effettuato dal livello superiore 7 Prestazioni di ALOHA una trama potrebbe essere danneggiata dal rumore o dalla trasmissione di un altra trama collisione anche per ACK una collisione rende inutilizzabili entrambe le trame anche una piccola sovrapposizione tra la trasmissione di due trame crea una collisione probabilità di collisione aumenta al crescere del carico massima percentuale di dati trasmessi correttamente 18%
8 Slotted ALOHA variante di ALOHA più efficiente il tempo è diviso in slot di lunghezza uniforme ogni slot consente la trasmissione di una trama una stazione deve attendere l inizio di uno slot per trasmettere si verifica una collisione solo se due stazioni decidono di trasmettere nello stesso slot massima percentuale di trame trasmesse correttamente 37% tutte le stazioni devono riconoscere gli istanti di inizio e fine degli slot serve un meccanismo di sincronizzazione 9 Protocolli con Rilevamento della Portante (Carrier Sense) Nei protocolli ALOHA le stazioni si comportano in maniera indipendente una stazione trasmette quando vuole, senza tener conto di quello che fanno gli altri se B inizia a trasmettere mentre A sta trasmettendo vanno distrutti entrambe le trame B non dovrebbe trasmettere se il canale è occupato una stazione può riconoscere se qualcuno sta trasmettendo rileva la presenza della portante sul canale CSMA CSMA Persistente e non Persistente 10 Carrier Sense Multiple Access (Multiaccesso con Rilevamento della Portante) prima di trasmettere una stazione aspetta che il canale sia libero rileva assenza di modulazione della portante se una stazione riceve una trama manda un ACK la sorgente aspetta un tempo ragionevole e se non riceve l ACK ritrasmette max RTT + tempo per accesso dell'ack al mezzo c'è una collisione solo se due stazioni iniziano a trasmettere a istanti molto vicini più efficiente di ALOHA 11 Esistono diverse versioni di CSMA differiscono per il comportamento della stazione CSMA persistente la stazione ascolta continuamente il canale quando lo trova libero può trasmettere immediatamente (1-persistente) o trasmettere con probabilità p (p-persistente) CSMA non persistente la stazione ascolta il canale a intervalli di tempo casuali se trova il canale libero trasmette
12 Rilevamento delle Collisioni CSMA/CD (Collision Detection) una stazione continua ad ascoltare il canale anche quando sta trasmettendo se rileva una collisione, interrompe la trasmissione e manda una sequenza jam sequenza anomala che segnala la presenza di collisioni dopo aver rilevato una collisione aspetta un tempo casuale (backoff) prima di ritrasmettere la trama 13 Prestazioni di CSMA utilizzo del canale inefficiente se c è una collisione il canale rimane comunque occupato per tutto il tempo necessario a trasmettere una trama utilizzo effettivo del mezzo dipende dal tempo di propagazione e dalla lunghezza delle trame funziona bene se il tempo di propagazione è molto più piccolo del tempo di trasmissione tutti le stazioni sanno subito che qualcuno ha occupato il canale la sorgente sa che c'è stata una collisione prima ancora di aver terminato la trasmissione della trama Esempio di Comportamento di CSMA/CD 1 A ha una trama per D C ha una trama per B B ha una trama per D Esempio di Comportamento di CSMA/CD 2 A ha una trama per D C ha una trama per B B ha una trama per D 14 istante t 0 : A rileva il canale libero ed inizia a trasmettere istante t 1 : B rileva il canale occupato e non trasmette ma C inizia a trasmettere 15 istante t 3 : C riceve la trama di A e rileva la collisione istante t 4 : anche A rileva la collisione
16 Riconoscimento di una Collisione su Cavo Coassiale su una LAN a bus con trasmissione su cavo coassiale in banda base la collisione produce un segnale di voltaggio molto più alto collisione individuata se il segnale ricevuto ha ampiezza "grande" funziona solo se il segnale percorre distanze ridotte l'attenuazione del cavo potrebbe ridurre l'ampiezza del segnale fino a farlo diventare normale limite alla massima distanza tra dispositivi 500 m (10Base5) 200m (10Base2) 17 Riconoscimento di una Collisione su Doppino sul doppino telefonico non c'è mai collisione sul cavo utilizzato solo per topologia a stella ogni cavo è utilizzato da una sola stazione una collisione logica è individuata dall'hub se c'e segnale su più porte contemporaneamente l'hub manda un segnale speciale su tutte le altre porte per segnalare la collisione Tempo di Rilevazione di una Collisione IEEE 802.3 18 L efficienza del protocollo CSMA/CD dipende criticamente dal ritardo con cui il nodo sorgente rileva che si è verificata una collisione il ritardo di rilevazione della collisione è al più due volte il tempo di propagazione (round trip time) 19 Derivato da Ethernet protocollo MAC per reti a multiplo accesso basato su CSMA/CD dimensioni limitate 2,5 km con 4 repeater può operare con diverse topologie e tipi di mezzo bus con cavo coassiale (10Base5, 10Base2) stella con doppino telefonico (10BaseT) stella con fibra ottica (10BaseF)
Specifiche del Livello Fisico Caratteristiche di IEEE 802.3 20 mezzo segnale topologia lunghezza segmento nodi per segmento 10Base5 10Base2 10BaseT 10BaseF cavo doppio Base Manchester bus 500 m 100 cavo sottile Base Manchester bus 185 m 30 UTP Base Manchester stella 100 m -- fibra ottica Manchester on-off stella 500 m 33 21 fissa un limite superiore alla dimensione della rete poiché il tasso di trasmissione è fissato si può calcolare un limite superiore al round trip time fissa una lunghezza minima λ per le trame ogni trama più corta della lunghezza minima è anomala (sequenza jam) i parametri sono scelti in modo che la sorgente rileva una collisione prima di aver trasmesso λ ottetti la sorgente interrompe la trasmissione le altre stazioni ricevono una trama di lunghezza minore di λ e rilevano la collisione Parametri Caratteristici di IEEE 802.3 Formato della Trama IEEE 802.3 tasso trasmissivo 10 Mbps (cod. Manchester) massima lung. frame 1518 bit 22 minima lung. frame durata slot lung. sequenza jam 512 bit 512 bit 32 bit numero tentativi 16 limite backoff 10 intervallo tra frame 9,6 µs 23 Preambolo 7 ottetti uguali (10101010) per sincronizzazione SFD (Start of Frame Delimiter) 1 ottetto segnala l'inizio della trama DA (Destination Address) indirizzo MAC del destinatario della trama indirizzo a 48 bit singolo o di gruppo
Formato della Trama IEEE 802.3 Formato della Trama IEEE 802.3 24 SA (Source Address) indirizzo MAC della stazione che ha inviato la trama come il DA Lunghezza lunghezza del campo dati in ottetti in Ethernet, invece, indica il protocollo che ha richiesto la trasmissione della trama 25 Data dati forniti dal protocollo superiore deve contenere almeno 46 ottetti se inferiore si aggiungono caratteri riempitivi FCS (Frame Check Sequence) controllo degli errori CRC-32 su tutto il frame tranne preambolo, SFD e l FCS stesso Trasmissione di una Trama Ritrasmissione di una Trama 26 Usa CSMA non persistente La stazione si mette in ascolto sul canale ad intervalli e inizia a trasmettere quando lo trova libero l'intervallo di tempo tra due rilevazioni è sufficiente alla ricezione di una trama durante la trasmissione ascolta il canale per rilevare le collisioni se rileva la collisione invia la sequenza jam la collisione è individuata prima della trasmissione del 32-imo bit 27 Una stazione può ritrasmettere una trama per un numero massimo di tentativi il ritardo tra due ritrasmissioni è scelto casualmente ed aumenta esponenzialmente ad ogni tentativo riduce probabilità che due trame vengano ritrasmesse sempre allo stesso istante algoritmo Truncated Binary Exponential Backoff ritardo calcolato come multiplo di slot e arrotondato per trasmettere un insieme di ottetti slot = max round trip + margine sicurezza all'i-imo tentativo sceglie a caso k [0, 2 i ] e attende il tempo corrispondente a k slot
Algoritmo di Trasmissione Ricezione di una Trama 28 29 il transceiver della stazione rileva il segnale sul canale e inibisce la trasmissione individua l'indirizzo della destinazione se è quello della sua stazione copia la trama in un buffer, altrimenti la ignora calcola l'fcs della trama ricevuta e lo confronta con quello contenuto nell header se non corrispondono viene segnalato un errore se la trama ha lunghezza inferiore a 512 bit viene segnalata una collisione Algoritmo di Ricezione IEEE 802.3 su Fibra Ottica 30 31 Lo standard IEEE 802.3 prevede tre diverse specifiche per reti che utilizzano la fibra ottica come mezzo trasmissivo 10BaseFP (passive) 10BaseFL (link) 10BaseFB (backbone) tutte le specifiche prevedono topologia a stella connessione stazione hub attraverso due fibre codifica Manchester rappresentata con assenza e presenza di luce
Specifica 10BaseFP Come Migliorare IEEE 802.3? 32 10-Base-FP fino a 33 stazioni collegate ad un dispositivo centrale con linee punto-punto fino a 500 m il dispositivo centrale è una stella passiva che riceve il segnale su una porta e lo ritrasmette su tutte le altre porte (come un hub) 10-Base-FL linea punto-punto tra due stazioni fino a 2 km 10-Base-FB linea punto-punto tra due ripetitori fino a 2 km usato per collegare hub a cascata (fino a 15) 33 al crescere del numero delle stazioni collegate alla rete il traffico aumenta a satura la rete la probabilità che una trama sia danneggiato da una collisione tende a 1 per migliorare le prestazioni si può aumentare il tasso di trasmissione ridurre il numero delle collisioni vogliamo mantenere la compatibilità con i cablaggi esistenti motivi di costo 34 Reti IEEE 802.3 Commutate realizzabili con LAN 10BaseT utilizza uno switch come dispositivo centrale lo switch è un commutatore di trame mette la trama in un buffer, legge l indirizzo del destinatario e smista il pacchetto sulla porta giusta se l'indirizzo non è noto la trama viene trasmessa in modalità broadcast la trama viene ricevuta solo dal destinatario si verifica una collisione solo se vengono trasmessi due trame alla stessa destinazione il segnale di collisione viene inviato su una linea dedicata 35 Schema dello Switch le entrate della tabella valgono per un certo periodo di tempo le relazioni indirizzo MAC porta sono mantenute in una tabella interna l'hub impara leggendo gli indirizzi sorgente delle trame ricevute
Collegamento a un Server LAN a 100 Mbps 36 in molte situazioni lo switch collega un insieme di client ad un server tuttoiltrafficodeiclient siconcentrasullaporta del server la probabilità di collisione è molto alta esistono switch che supportano porte a differenti velocità la porta del server ha tasso superiore lo switch funziona anche da multiplexer le richieste dei client sono multiplexate e trasmesse a blocchi sulla porta del server viceversa per le risposte del server 37 aumentando il tasso di trasmissione diminuisce il tempo medio che una trama deve attendere prima di essere trasmessa due possibili approcci aumentare il tasso mantenendo la compatibilità con il livello fisico di IEEE 802.3 definire un nuovo protocollo IEEE 802.3 a 100 Mb (Fast Ethernet) specifica definita nell'ambito dello standard IEEE 802.3 per supportare tassi di 100 Mbps stesso formato delle trame stesso protocollo MAC stesso cablaggio consente di passare da 10 Mbps a 100 Mbps senza modificare il cablaggio della rete definita a partire dalla specifica 10-Base-T Idea Base IEEE 802.3 prevede una lunghezza totale del cavo di 2.5 km lunghezza delle trame >= 512 bit diminuendo la lunghezza del cavo è possibile utilizzare CSMA/CD a tassi più alti il round trip time deve essere inferiore al tempo di trasmissione di una trama in 10-Base-T la massima distanza tra due stazioni è 200 m 38 39
40 Specifiche del Livello Fisico 1 100BaseT4 utilizza cavi UTP level 3-5 trasmissione bidirezionale 100BaseX adatta al doppino le tecniche di codifica e segnalazione usate per la fibra ottica trasmissione unidirezionale 41 Specifiche del Livello Fisico 2 100-Base-T4 cavi UTP di categoria 3-5 contengono quattro doppini 10BaseT utilizza solo due doppini in modalità halfduplex (uno in ogni direzione) 100BaseT4 utilizza tutti i doppini del cavo linee 1 e 2 in half-duplex linee 3 e 4 in duplex 100-Base-X utilizzabile con cavi UTP di categoria 5 (100BaseTX), cavi STP e fibra ottica (100BaseFX) ogni tipo di mezzo richiede un diverso sottostrato PDM utilizzata per dorsali perchè consentono di coprire distanze fino a 100 km 42 Gigabit Ethernet Nel '95 l IEEE 802.3 ha avviato la definizione di uno standard per supportare tassi di 1000 Mbps stesso protocollo MAC e formato delle trame di IEEE 802.3 modifica solo la specifica del mezzo trasmissivo e del metodo di trasmissione derivato e compatibile con 10-Base-T e 100- Base-T utilizza uno switch introduce l estensione della portante e la trasmissione consecutiva di trame 43 Modifiche a CSMA/CD Estensione della portante aggiunge simboli speciali per garantire che ogni trama sia lunga almeno 4096 bit garantisce che con un tasso di 1 Gbps il tempo di trasmissione sia superiore al tempo di propagazione Trasmissione consecutiva di trame consente l aggregazione di più trame piccole in una sola trama trasmessa interamente senza rilasciare il controllo del canale
Specifiche del Livello Fisico Codifica del Segnale 44 1000-Base-SX usa fibre ottiche multimodali fino a 550 m 1000-Base-LX usa fibre ottiche multimodali fino a 5 km 1000-Base-CX usa cavi STP speciali fino a 25 m 1000-Base-T usa cavi UTP fino a 100 m 45 Gigabit Ethernet utilizza una codifica del segnale del tipo mbnb ogni m bit da trasmettere ne vengono inviati n n > m per Gigabit Ethernet 8B10B 1000-Base-T usa 4D-PAM5 Questi schemi di codifica consentono utilizzo di hardware economico ed in grado di operare ad alti tassi per la generazione del segnale buon bilanciamento del segnale alta densità di transizioni del segnale buone capacità di rilevazione degli errori Esempio di Rete Gigabit Ethernet 10-Gbps Ethernet Pensata per costruire collegamenti ad alta velocità tra switch Utilizzabile anche per costruire MAN Utilizza solo fibre ottiche 4 specifiche differenti per coprire distanze da 300 m a 40 km Ogni specifica utilizza un tipo di fibra differente 46 47
48 LAN senza Fili (Wireless) tecnologia esistente da molti anni ma poco diffusa per alti costi, basse prestazioni, costi delle licenze e problemi di sicurezza negli ultimi anni sono state create nuove tecnologie che consentono di risolvere parzialmente molti di questi problemi vantaggi delle reti senza fili supporto per la mobilità degli utenti maggiore flessibilità nel progetto della rete per ridisegnare la rete non si deve modificare il cablaggio permette di superare difficoltà logistiche ostacoli naturali, vincoli architettonici costi di installazione ridotti 49 Applicazioni di LAN senza Fili alternativa ad una LAN cablata tradizionale elimina il problema del cablaggio estensione di una LAN cablata per coprire un area più grande interconnessione tra edifici distinti accesso mobile reti ad hoc utilizzata per un breve periodo (conferenze, fiere, eventi spettacolari) Esempi di LAN senza Fili: Rete a Singola Cella Esempi di LAN senza Fili: Rete a Celle Multiple combina tecnologie con e senza fili interconnette più reti senza fili tramite una rete cablata 50 il modulo di controllo (CM) agisce da interfaccia tra la rete cablata e la rete senza fili spesso ha funzionalità di router può governare l'accesso alla rete dei dispositivi wireless 51 ogni CM gestisce gli utenti di una cella CM vicini devono utilizzare frequenza di trasmissione distinte per evitare interferenze bisogna gestire il passaggio degli utenti da una cella all altra
Requisiti per una LAN senza fili 1 Requisiti per una LAN senza fili 2 52 deve soddisfare le stesse esigenze delle LAN cablate alta capacità e basso tasso di errore trasmissione broadcast piena connettività ma anche protocollo MAC molto efficiente per compensare la larghezza di banda ridotta elevato numero di dispositivi collegati in più celle robustezza e sicurezza della trasmissione utilizzo moderato delle batterie delle stazioni mobili 53 trasmissione su frequenze senza licenza protezione dalle interferenze tra reti adiacenti il protocollo MAC deve gestire la mobilità degli utenti tra le celle Handoff/Roaming l'indirizzamento a livello MAC deve consentire la configurazione dinamica della rete dispositivi si possono attaccare e staccare dalla rete a caldo 54 Tecnologie delle LAN senza Fili 1 Infrarossi larghezza di banda illimitata e non regolata da licenze dispositivi poco costosi il segnale non attraversa i muri e non ci sono interferenze tra reti vicine utilizzate per reti ad hoc nell ambito della stessa stanza collegamenti punto-punto non ci sono interferenze con reti adiacenti non ci sono possibilità di intercettazioni Soggetto ad interferenze da parte della luce (naturale o artificiale) 55 Tecnologie delle LAN senza Fili 2 microonde a banda stretta o spread spectrum trasmissione limitata ad una specifica gamma di frequenze in genere frequenze ISM (senza licenza) trasmissione a bassa potenza e basso raggio di copertura utilizzate per reti infrastrutturali a celle multiple ogni cella usa frequenze diverse Ogni cella ha un hub che funziona come una BS delle reti cellulari Possibili anche configurazioni punto-punto
IEEE 802.11 (Wireless LAN) Basic Service Set insieme di stazioni che eseguono lo stesso protocollo MAC per accedere ad un mezzo di trasmissione condiviso Extended Service Set più BSS interconnesse attraverso un sistema di distribuzione i BSS possono essere sovrapposti Servizi IEEE 802.11 Una rete 802.11 deve fornire nove servizi forniti dalla stazioni, dagli access point o dalla rete di distribuzione Divisi in due gruppi servizi per controllare l accesso e la sicurezza servizi per supportare la consegna di MSDU tra stazioni 56 57 MSDU è un blocco di dati fornito al protocollo MAC dallo strato superiore es. LLC PDU 58 Servizi IEEE 802.11 Distribuzione dei messaggi nel DS Distribuzione Scambio di messaggi tra stazioni in BSS distinti attraverso i rispettivi AP Integrazione Scambio di messaggi con una stazione di un altra LAN Associazione di una stazione con un BSS necessario per essere raggiungibili Associazione, Dissociazione, Riassociazione per gestire la mobilità delle stazioni Autenticazione del dispositivo che trasmette o riceve Autenticazione e Deautenticazione della stazione con l AP e viceversa Privatezza Per evitare che i messaggi possano essere intercettati Consegna MSDU 59 Tipi di Stazioni Le stazioni sono classificate in base alla loro mobilità Nessuna transizione stazione fissa o che si muove solo nell ambito di una BSS Transizione tra BSS stazione che si sposta tra i BSS della stessa ESS l ESS deve essere in grado di localizzare la stazione Transizione tra ESS mobilità totale non sempre gestita
Protocollo MAC Architettura IEEE 802.11 Si occupa di consegna affidabile dei dati, accesso al mezzo e sicurezza utilizza il protocollo DFWMAC (Distributed Foundation Wireless MAC) fornisce un controllo di accesso distribuito (DCF) su cui può essere utilizzato un controllo centralizzato (PCF) opzionale DCF è adatto a reti ad hoc o a reti con traffico bursty PCF è adatto a reti collegate al LAN cablate o a traffico sensibile ai ritardi 60 61 Comunicazione Affidabile Coordinamento Distribuito 62 Il numero di trame ricevute con errore è molto più alto che per reti cablate il ricevente invia un ACK per ogni trama ricevuta Comunicazione in due o quattro fasi Trama + ACK RTS + CTS + Trama + ACK Ogni comunicazione è atomica Non può essere interrotta dall invio di altre trame 63 Lo strato di coordinamento distribuito usa CSMA (senza rilevamento delle collisioni) Difficili da rilevare in reti wireless Una stazione aspetta che deve trasmettere 1. aspetta che il canale sia libero 2. aspetta per un unità di ritardo (IFS) e trasmette se il canale è rimasto libero, altrimenti aspetta 3. al termine della trasmissione aspetta un ritardo casuale e poi riprova Ritardi crescenti ad ogni tentativo ci sono tre diversi livelli di ritardi (livelli di priorità)
64 Coordinamento Centralizzato Metodo di accesso alternativo basato sul servizio offerto dal coordinamento distribuito una stazione di coordinamento (master) interroga periodicamente le altre stazioni le interrogazioni hanno priorità massima ogni stazione può solo rispondere alle interrogazioni del master lo standard prevede la coesistenza del coordinamento centralizzato e distribuito sulla stessa rete 65 Formato Trame Frame control contiene il tipo di trama (dati, controllo o gestione) ed altre informazioni di controllo Duration/Connection ID numero di microsecondi per cui il canale resterà allocato (PCF) Identificatore di connessione Indirizzi Sorgente, destinazione, stazione trasmittente e stazione ricevente Sequence control Numeri di sequenza per gestire frammentazione 66 Specifiche del Livello Fisico 802.11a Utilizza banda intorno ai 5 GHz e codifica FDM ortogonale Tassi fino a 54 Mbps 802.11b Utilizza banda intorno ai 2.4 GHz, trasmissione a sequenza diretta (spread spectrum) con chip rate di 11 MHz e codifica CCK Tassi fino a 11 Mbps 802.11g (compatibile con 11b) Combina tecniche di codifica delle precedenti specifiche Tassi fino a 54 Mbps