Applicazioni 4 1. Reti di PC Desktop su ogni scrivania a basso costo Condivisione risorse Comunicazione veloce (applicazioni multimediali) Prof. Roberto De Prisco TEORIA - Lezione 7 LAN e Ethernet Università degli studi di Salerno Laurea e Diploma in Informatica 2. Back-end networks Interconnessione tra mainframe e batterie di memorie di massa numero di dispositivi limitato distanza ridotta elevati tassi di trasmissione 3. Dorsali LAN interconnettono LAN locali a bassa velocità strategie flessibili per l internetworking svantaggi della LAN unica minore affidabilità più facilmente saturabile LAN 2 Architettura 5 LAN = Local Area Network Reti che coprono un area geografica limitata Ufficio Edificio Campus Enorme diffusione negli ultimi 20 anni Architettura flessibile che può soddisfare svariate esigenze Costo abbastanza limitato Alti tassi trasmissivi, tipicamente 10/100 Mbps Ultimamente anche oltre, fino a 1 Gbps Copre i 2 strati più bassi del modello OSI Utilizza il modello di riferimento IEEE 802 Livello fisico Codifica e decodifica dei segnali Sincronizzazione Trasmissione e ricezione dei bit Media access control (MAC) Gestione accesso al mezzo Rilevazione errori di trasmissione Assemblaggio delle trame Riconoscimento indirizzo Estrazione dati dalla trama Logical link control (LLC) Gestione dell interfaccia verso altri livelli Controllo del flusso Gestione errori LAN 3 Elementi cruciali 6 Consiste di Un mezzo trasmissivo condiviso da vari nodi Hardware e software per interfacciare gli apparati al mezzo e regolarne l accesso La trasmissione è di tipo broadcast Ogni bit spedito da una stazione può essere captato da tutte le altre Comunicazione punto-punto I dati spediti contengono l identificativo del destinatario I dati vengono spediti in blocchi detti trame Topologia Anello Bus Albero Stella Mezzo trasmissivo Il doppino telefonico Il cavo coassiale La fibra ottica Infrarossi, microonde (senza fili) Tecnica di controllo d accesso al mezzo (MAC, Media Access Control) 1
Topologia a BUS 7 Bilanciamento del segnale 10 Nodi collegati al mezzo di trasmissione tramite un dispositivo hardware (tap) Collegamento full duplex Al termine del bus il segnale viene assorbito da un terminatore Il segnale deve essere sufficientemente forte Essere ricevibile dalla destinazione Ma non troppo forte non superare la potenza del trasmettitore della sorgente e la capacità di ricezione del ricevitore È difficile soddisfare tutte le esigenze dei nodi collegati al mezzo In genere si divide la rete in piccoli segmenti ogni segmento ha un amplificatore o un repeater Trasmissione 8 Topologia ad albero 11 Trasmissione si propaga su tutto il mezzo tutte le stazioni ricevono il frame Serve un meccanismo per individuare la destinazione di un frame ogni stazione un indirizzo univoco generalizzazione del bus cavo con derivatori ma senza cicli radice dell'albero detta dispositivo di testa (head end) Serve un meccanismo per regolare la trasmissione evitare collisioni Esempio 9 Topologia ad anello 12 Nodi formano un ciclo Uniti da collegamenti punto-punto ogni nodo collegato ad un repeater ogni repeater riceve i dati su un collegamento e li trasmette su un altro collegamenti unidirezionali unico percorso tra una coppia di nodi il repeater immette o estrae dalla rete i frame diretti al nodo collegato ogni repeater ripristina il segnale possibile coprire maggiori distanze 2
Trasmissione 13 Stati del repeater 16 il frame viaggia sul ciclo chiuso ogni repeater lo riceve, lo ripristina e lo ritrasmette il frame contiene l'indirizzo della destinazione se il repeater riconosce l'indirizzo di destinazione lo passa al nodo collegato Listen In ascolto di eventuali trame da prendere Trasmit Abilita il nodo a trasmettere Bypass Come se non ci fosse quando il frame ritorna alla sorgente viene rimosso il protocollo MAC stabilisce quando possono essere immessi frame sulla rete Esempio 14 Funzione dello stato listen 17 Scandisce il flusso di bit alla ricerca di pattern fissati indirizzo del nodo collegato token per poter trasmettere copia i bit in ingresso e li passa al nodo collegato contemporaneamente li trasmette sul link in uscita modifica i bit es. per mandare l ACK di ricezione Repeater 15 Funzione dello stato trasmit 18 Ha il compito di ritrasmettere i dati lungo l anello Può funzionare in entrambe le direzioni Se riceve frame da entrambe le direzioni si verifica una collisione (dati vengono persi) Unisce due segmenti di cavo Si occupa della rimozione dei frame spediti In genere non effettua buffering né isola logicamente segmenti di rete Se ilnodoha deidatidatrasmettereed il repeater ha il permesso di trasmettere riceve bit dal nodo e li trasmette sul link in uscita Bit ricevuti durante la trasmissione se appartengono allo stesso pacchetto che si sta trasmettendo la lunghezza dell anello è inferiore alla lunghezza del frame li ripassa al nodo che può controllarli come forma di riscontro se appartengono ad altri pacchetti Alcune strategie di controllo ammettono più pacchetti sulla rete Deve bufferizzare quello in arrivo per trasmetterli dopo 3
Funzioni dello stato bypass 19 Hub e switch 22 I segnali vengono propagati senza nessun ritardo migliori prestazioni se un repeater non funziona può essere isolato dalla rete il repeater non rigenera il segnale Utile per saltare nodi non attivi Topologia a stella 20 Tipi di switch 23 Ogni nodo è connesso direttamente ad un nodo centrale utilizza due collegamenti puntopunto uno per trasmettere e l'altro per ricevere doppino (100 m) o fibra ottica (500 m) il dispositivo centrale replica un messaggio entrante su tutte le porte in uscita simula un bus logico se due nodi trasmettono contemporaneamente c'è una collisione Store and forward Accetta l input, lo bufferizza e poi lo spedisce Tempo di elaborazione può essere significativo Non genera collisioni Cut through Legge l indirizzo della destinazione in testa la frame Inizia a trasmettere non appena ha riconosciuto l indirizzo Può generare collisioni e quindi danneggiare i frame Hub e switch 21 Mezzi trasmissivi 24 Hub ritrasmette il segnale in ingresso su una porta su tutte le altre porte solo un computer alla volta può trasmettere in una LAN a 10 Mbps la capacità totale è 10 Mbps Switch (detto anche switched hub) agisce come commutatore di frame il frame in ingresso è instradato sulla porta collegata alla destinazione può utilizzare più linee in parallelo capacità totale = 10 Mbps * numero di frame trasmessi nessuna modifica all hardware o al software dei nodi ogni dispositivo ha risorse dedicate scala meglio Sostanzialmente influenzano la velocità di trasmissione Nomi: XXX Base YYY XXX è la velocità in Mbps YYY identifica il tipo di cavo 10Base-T, 100Base-T 10 Mbps, Cavo UTP (unshielded Twisted pair, doppino) Molto diffuso, i cavi di categoria 5 supportano 100Mbps 10Base-2, 10 Mbps, Cavo coasiale sottile 10Base-5 10 Mpbs, Cavo coassiale doppio 1000Base-F, 1000Mbps, Fibra ottica 4
MAC: Media Access Control 25 Storia di Ethernet 28 Occorre regolare l accesso al mezzo trasmissivo Solo un nodo alla volta può trasmettere Due tecniche: Centralizzata Maggiore controllo, semplicità. Collo di bottiglia, singolo punto di fallimento. Poco usata. Distribuita Ogni nodo ha una propria logica per gestire l accesso. Deve essere preparato a gestire eventuali collisioni. Molto diffusa. Come effettuare il controllo? Sincrono ad ogni connessione viene allocata la disponibilità di certe risorse la connessione può usare solo le sue risorse Asincrono accesso concesso a richiesta Il papà di Ethernet è Robert Metcalfe Lavorava su reti radio alla Xerox PARC Progetto noto come AlohaNet (rete radio alle Hawaii) Lo schema di trasmissione era inefficiente; utilizzo del mezzo era del 17-18% Metcalfe sviluppò un metodo alternativo per l accesso al mezzo trasmissivo Utilizzo del mezzo del 90% Il progetto fu chiamato Ethernet Dal fatto che il mezzo trasmissivo era stato chiamato Ether in un disegno di Metcalfe Tecniche di accesso 26 Ethernet: CSMA/CD 29 1. Round robin l'accesso viene concesso a turno ad ogni nodo utile se molti nodi devono trasmettere grandi quantità di dati per periodi di tempo lunghi 2. Prenotazione il tempo di utilizzo del mezzo diviso in slot i nodi prenotano gli slot in cui vogliono trasmettere utile per traffico regolare (streamed) 3. Contesa I nodi si contendono l'uso del mezzo È possibile che nessuno si aggiudichi il mezzo utile per traffico non regolare (bursty) vantaggi semplice da implementare in modo distribuito efficiente in situazioni di scarso traffico svantaggi tende a collassare in situazioni di traffico intenso Per gestire l accesso al mezzo trasmissivo Ethernet usa CSMA: Carrier Sense Multiple Access CD: Collision Detection CSMA I nodi che accedono al mezzo possono accorgersi che ci sono trasmissioni (Carrier Sense) L accesso è permesso a tutti contemporaneamente (Multiple Access) CD Ovviamente possono esserci delle collisioni se due nodi tentano di spedire dati contemporaneamente La sovrapposizione di più di un segnale viene avvertita (Collision Detection) MAC e Ethernet 27 Ethernet 30 Cosa è Ethernet? Sostanzialmente è un protocollo MAC Fisicamente è un interfaccia tra il computer ed il mezzo trasmissivo Regola l utilizzo del mezzo trasmissivo Tipi di Ethernet Standard: velocità fino a 10 Mbps Fast Ethernet: fino a 100 Mbps Gigabit Ethernet: fino ad un 1 Gbps Molti computer (soprattutto i portatili) oggi vengono venduti con una scheda di rete Ethernet (10/100Mbps) Ethernet è il tipo di rete più usato Per trasmettere Un nodo prima controlla lo stato del mezzo Se il mezzo è libero, inizia la trasmissione Altrimenti aspetta. Quando il mezzo diventa libero trasmette Se durante la trasmissione viene rilevata una collisione Si trasmette un breve segnale di disturbo per far sì che tutti si accorgano della collisione Si interrompe la trasmissione Si attende un tempo casuale e quindi si riprova a trasmettere 5
Ethernet 31 Bridge 34 Per collegare 2 o più LAN servono dispositivi chiamati bridge o router Bridge collega due reti identiche Cioè che usano lo stesso livello fisico e di linea Il bridge non deve trasformare i dati Router può collegare LAN eterogenee Perché usare i bridge e non avere un unica LAN (con hub e switch)? Formato trame Ethernet 32 Bridge 35 7 byte HEAD FSD 1byte 6 byte 6 byte DA SA Len DATI FCS HEAD: preambolo per la sincronizzazione Sequenza di 0 1 alternati FSD: delimitatore di inizio frame: 10101011 DA: Indirizzo del destinatario 2 byte SA: Indirizzo della sorgente (mittente) Len: lunghezza in byte del campo DATI 46-1500 byte 4 byte DATI: il frame da spedire Può essere sia il frame del livello superiore (LLC) Oppure informazioni di controllo di Ethernet Il Pad (riempimento) è usato per assicurare che il frame sia abbastanza grande per una corretta rilevazione delle collisioni FCS: Frame Checking Sequence, un codice di controllo ciclico Pad Affidabilità La rete viene partizionata in sottoreti indipendenti (un guasto in una rete non influenza le altre) Prestazioni Le prestazioni peggiorano all ingrandirsi della rete Sicurezza Si può aumentare la sicurezza mantenendo traffici di dati diversi (contabilità, gestione del personale, strategie, etc.) separate Geografia È più semplice avere due LAN per coprire due aree fisicamente separate, anziché una sola LAN che le copra entrambe Indirizzi Ethernet 33 Funzione di un bridge 36 Ogni scheda di rete Ethernet ha un indirizzo univoco 6 byte, quindi 48 bit 00:C0:B0:02:15:75 Un bridge che collega due reti A e B deve Leggere tutte le trame trasmesse su A ed accettare quelle con destinazione B Trasmettere tali trame su B Viceversa da B ad A I costruttori di schede Ethernet hanno degli insiemi di indirizzi che possono usare Dovrebbero produrre schede con un indirizzo univoco Due schede Ethernet con lo stesso indirizzo sulla stessa rete creano problemi 6
Più reti 37 Wireless e wired 40 Moduli di controllo (CM) che agiscono da interfaccia tra la rete cablata e la rete wireless governa l'accesso alla rete dei dispositivi wireless Problema 38 Wireless a più celle 41 Se tutti i bridge copiano tutti i frame si creano duplicati I bridge devono essere abbastanza intelligenti da decidere quali trame copiare e quali no Instradamento fisso Si decide un percorso fra ogni coppia di nodi Solo i bridge sul percorso instradano le trame Instradamento spanning tree I bridge determinano automaticamente una tabella di istradamento e la aggiornano Basato su uno spanning tree (albero ricoprente) Non ci sono cicli LAN senza fili 39 Collegamenti senza fili 42 Stanno avendo grande diffusione Motivazioni del successo mobilità degli utenti flessibilità del progetto della rete possibile ridisegnare la rete senza sostituire cablaggio superamento difficoltà logistiche ostacoli naturali, vincoli architettonici costi di installazione ridotti In passato trascurate per ridotte prestazioni di sistemi wireless banda di pochi kbps Collegamento tra edifici Quando non è possibile stendere un cavo In genere collegano router o bridge Accesso mobile fornisce l'accesso ad un hub da terminali mobili es. computer portatili, palmari, cellulari esempi di utilizzo Portatili in un azienda Rete di campus 7
Riepilogo 43 LAN e Ethernet Varie topologie Bus Albero Anello Stella Hub, Switch, Bridge e Router Cenni a reti wireless Riferimento: Stallings, Capitolo 13 (e Par. 14.1) 8