2000/2001 1

Reti Locali

Reti di Calcolatori

2000/2001 2

Dove Siamo?

2000/2001 3

L’interfaccia Data Link

2000/2001 4

LANs

Alto ThroughputBasso costoBrevi distanze (centinaia metri)Tipicamente con mezzo condiviso

In alcune nuove installazioni c’è switching

2000/2001 5

Protocolli su Canali in Broadcasting

Perché non usare FDM o TDM?Non funziona per via dell’alta dinamicità

del carico

Posso usare ATDM? (modalità asincrona)

… nascono i problemi di accesso concorrente!

2000/2001 6

Mezzo Condiviso

Un mezzo condiviso tra tutte le stazioni

Solo una stazione alla volta può trasmettere

Le stazioni operano a turni

2000/2001 7

Protocolli

Due grosse categorie:

Collision-Detection (Aloha-like) esempio IEEE 802.3 per Ethernet

Inerentemente collision-free esempio IEEE 802.5 per Token Ring

2000/2001 8

Topologie

2000/2001 9

Data Link Bit Encoding

2000/2001 10

Linea “Idle”

Nei modelli Carrier Sensitive occorre stabilire se c’è la portante.

L’assenza di portante si può codificare con segnale nullo - grazie alla codifica di Manchester

Sono standardizzati i livelli (e.g. IEEE 802.3: -0.85,+0.85)

2000/2001 11

Protocolli Aloha

1970 Norman Abranson (Hawai Univ.)applicato per comunicazioni radio

Fai trasmettere quando ci sono dati

se c’è collisione si risolve dopo

C’è una ricca letteratura sui modelli

Aloha

2000/2001 12

CSMA/CD

Carrier Sense (CS)Aspetta finchè la linea è “idle”Inizia a trasmettere un frame

Multiple Access (MA)Tutte le stazioni attaccate allo stesso

mezzoOgni stazione usa lo stesso algoritmo

E’ possibile la trasmissione simultanea

2000/2001 13

CSMA/CD [continua]

Trasmissione simultanea:Nascono interferenze note come collisioni

CSMA con Collision Detect (CD)Ascolta il mezzo Rivela interferenza da altra stazioneAspetta e prova di nuovo ...

2000/2001 14

Come si rileva la portante?

Si usano codifiche tipo Manchester …dunque …

Lo stato di “idle” è semplicemente e velocemente rilevabile! (vedi Esercizio no. 1)

2000/2001 15

Come si rilevano le collisioni?

Due o più generatori di “codice Manchester” … producono interferenza!

La stazione che trasmette “ascolta” e trova che il segnale è diverso da quello che ha trasmesso (problema di teoria delle linee di trasmissione)

2000/2001 16

Ritardi di Linea

Quanto tempo è necessario per rilevare una collisione?

Lower bound Prendo le stazioni più lontane sulla linea e

calcolo il tempo di riflessione dell’onda (andata e ritorno).

In pratica: circa 10 sec per 1 Km (10 MHz)

2000/2001 17

Spazio Tempo Discreto

Si definisce come unità di tempo il ritardo di andata e ritorno tra le stazioni più lontane.

IEEE 802.3: 2.5 Km con quattro ripetitori slot time: 512 bit (51.2 sec)

2000/2001 18

Exponential Back-off

Definisci “slot delay”: 512 bit (51.2 sec a 10MHz)Dopo la 1st collisione, scegli in modo random in {0,1} lo slot

delayDopo la 2nd collisione, scegli in modo random in {0,1,2,3} lo

slot delayFino ad un massimo di 16 trasmissioni prova in modo random

in {0 to 1023} lo slot delay

0 <= r < 2k-1

Dove r è il numero random, k = MIN(n,10) e n corrisponde all’ n-th tentativo di ri-trasmissione.

2000/2001 19

Collisioni

Studio statisticoMonitorizzazioneLa distanza e la velocitàL’uso di switches ...

2000/2001 20

Ethernet

La LAN più comuneStandardizzata con IEEE 802.3

Diverse Generazioni“Stesso” formato frames Diversa velocitàDiversi supporti fisici

2000/2001 21

La trasmissione Ethernet

Solo una stazione alla volta trasmetteI segnali si propagano su tutta la lineaTutte le stazioni ricevono tutti i framesControllo di accesso CSMA/CD

2000/2001 22

Ethernet – I mezzi trasmissivi

Nome Cavo Max Segmento

Nodi

10Base5 Coax Thick

500 m 100

10Base2 Coax Thin 200 m 30

10Base-T Doppino 100 m 1024

10Base-F Fibra 2000 m 1024

2000/2001 23

Ethernet - 10BASE5

Thick Ethernet (Thicknet)Cavo coassiale grosso

2000/2001 24

Transceivers

Ethernet prevede 2 livelli di circuiteria:

Analogica

Transceiver - rilievo portante e collisioni

Numerica

Trasformazione in messaggi verso l’interfaccia sull’host

2000/2001 25

Ethernet Wiring - 10BASE2

Thin Ethernet (Thinnet)cavo coassiale piccolo

2000/2001 26

Ethernet Wiring - 10BASE-T

Usa un hubDoppini

2000/2001 27

Ethernet - Cablaggio

2000/2001 28

IEEE 802.3 Frame Format

La sorgente riempie:Indirizzo di sorgenteIndirizzo destinatarioTipo di dati nel frame

type fieldCyclic Redundancy

nel campo FCS

2000/2001 29

Preamble

Cos’è?Sono 56 bit – 1010101… Questa sequenza in codifica Manchester genera un onda quadra.

1 0 1 0 1 0 1

10Mbps1 bit dura 0.1sec

56 bit durano 5.6sec

2000/2001 30

Preamble e StartOfFrame

1. A cosa serve?

2. Sincronizza clock sorgente e ricevitore

3. Prepara l’hardware al ricevimento del byte di StartOfFrame (10101011)

2000/2001 31

Indirizzamento Ethernet

Standardizzato dall’ IEEE48-bit per ogni stazione:

MSB: 0 indirizzi normali 1 indirizzi di gruppo (multicast)

Bit 46: 0 indirizzi locali 1 indirizzi globali

2000/2001 32

Indirizzamento Ethernet

Gli indirizzi globali sono assegnati dalla IEEE.Ogni fabbricante di schede ethernet possiede una parte di identificativo univoco.

Tolti 2 bit di controllo, rimangono 46 bit, cioè 7,0368×1013 possibili indirizzi globali.

Gli indirizzi Ethernet NON SONO indirizzi Internet

2000/2001 33

Possibili Destinazioni

1. Singola (unicast)2. Tutte le stazioni sulla LAN

(broadcast)indirizzo 1111….1

3. Un sottoinsieme delle stazioni su Ethernet (multicast)

2000/2001 34

Riconoscimento Indirizzo

Ogni frame contiene un indirizzo di destinazione

Tutte le stazioni ricevono tutti i frames

Le stazioni scartano i frames non destinati a loro

Importante: l’interfaccia per il riconoscimento dell’indirizzo è hardware, non software …

2000/2001 35

Indirizzo di Destinazione

2000/2001 36

Modo promiscuo

Progettato per testing/debuggingPermette di accettare tutti i frames Disponibile sulla maggior parte

dell’hardware Ethernet

2000/2001 37

Demultiplexing sul Frame Type Field

Interfaccia HardwareRiceve una copia di ogni frame trasmessoEsamina l’indirizzo Passa i frames accettati al software

Interfaccia softwareEsamina il tipo di framePassa il frame al corretto modulo software

2000/2001 38

Il Tipo di Frame

Ci sono centinaia DI tipi DI frames standardizzati (Digital-Intel-Xerox Ethernet).

Esempi:

Valore Significato

805C Stanford University Kernel V

8014 Silicon Graphics Co net. games

2000/2001 39

Vantaggi e Prestazioni

•È facile da installare senza disattivare la rete•Il protocollo è semplice•Non è adatta a trasmissione in tempo reale perché non deterministico

•A basso carico non esistono tempi di ritardo•A carico elevato le collisioni aumentano riducendo di molto l’efficienza della rete

2000/2001 40

High-speed Ethernet

Fast EthernetOpera a 100 Mb/s

Standardizzato in IEEE 802.3 come 100BASE-T e 100BASE-F

Gigabit EthernetOpera a 1 Gb/s

Principalmente su fibre ottiche e switches

2000/2001 41

Apparati HUB

Gli apparati HUB sono semplicemente dei ripetitori ed amplificatori di segnali.

Livello Fisico

Data Layer

Network Layer

2000/2001 42

Ethernet - Note Finali

La tipica odierna struttura è star-shaped bus

Per complementinews://comp.dcom.lans.ethernet

2000/2001 43

Topologia ad Anello:Token Ring

Ideata e standardizzata dall’IBMcon il codice 802.5Opera a 4Mb/s, 16Mb/s Sembra ormai abbandonata …

… ma è opportuno conoscerla ...

2000/2001 44

Trasmissione Token Ring

Le stazioni aspettano il loro turno prima di trasmettere. Quest’ultimo viene segnalato da un pacchetto particolare chiamato Token.

2000/2001 45

Token Passing

I frames viaggiano in modo unidirezionale

Le stazioni devono aspettare il token

per trasmettere

Il token circola senza sosta finchè una stazione vuole trasmettere

2000/2001 46

Trasmissione Token Ring

Trasmissione

1 bit di ritardo

Ascolto

1 bit di ritardo

Idle

1 bit di ritardo

2000/2001 47

The Token Frame

Quando nessuna stazione trasmette, il token frame viaggia di continuo sull’anello.

2000/2001 48

Il problema “Anello”

R

Supponendo che la velocità della rete

è di V Mbps, un bit viene iniettato

nell’anello ogni sec.

Poiché la velocità del segnale nel conduttore è di circa 205 m/sec,significa che un bit sull’anello è lungo:

Vl

205bit

205

2bit

VRn

V

1

2000/2001 49

Il problema “Anello”

Il problema è quindi quello di calcolare la lunghezza dell’anello in modo che tutto il token sia presente sul conduttore.

Questa situazione peggiora con la disattivazione delle macchine (soprattutto di notte).Quindi è necessario modificare i terminali presenti in modo che non vengano alimentati direttamente dal terminale a cui sono collegati.

2000/2001 50

L’accentratore di anello

Ecco perché si tende a realizzare un anello virtuale, accentrato in un singolo apparato di controllo e comunicazione. Una specie di HUB ma più complesso.

2000/2001 51

Token Ring: Ric. Indirizzo

Ogni frame contiene indirizzo destinazioneTutte le stazioni ricevono e ripetono

Importante: è l’hardware sul NIC non il software che controlla l’indirizzo

2000/2001 52

Token Ring: Ind. Destin.

2000/2001 53

Token Ring: Formato Frame

La sorgente riempie:Ind. sorgenteInd. destinazioneCRC nel campo FCS

Altre Stazioni possono cambiare:Frame Status

2000/2001 54

Attività di anello

A C r r A C r r

Il Frame Status

A: Indirizzo riconosciutoC: Frame copiato

Questi due bit segnalano al mittente del messaggio se il destinatario ha ricevuto tutte il pacchetto.Le possibili situazioni sono 3:

A = 0, C = 0: Destinatario del messaggio non esistente o non attivoA = 1, C = 0: Destinatario esistente ma frame non copiatoA = 1, C = 1: Destinatario esistente e frame copiato

2000/2001 55

Priorità dei frame

D

C

B

A

3

D

C

B

A

3

D

C

B

A

D

C

B

A 3

D

C

B

A3

D

C

B

A0

2000/2001 56

Manutenzione del token

Esiste nell’anello sempre una stazione MONITOR.

La stazione monitor emette periodicamente un pacchetto il quale indica che una stazione ha assuntoil controllo come postazione MONITOR.

Per verificare se un pacchetto è rimasto in circolo nell’anello in maniera persistente, il monitor setta ilMonitor Bit a 1 e aspetta che il frame passi di nuovo. Se il frame successivo ha questo bit settato, allora ilmonitor lo elimina dall’anello ed emette di nuovo un token a priorità bassa.

Se nessun token è in circolo nell’anello, allora il monitor attende per un tempo pari a tutto il percorsodi anello, e quindi emette un nuovo token.

2000/2001 57

Manutenzione del Monitor

Se la stazione monitor viene scollegata, la prima stazione che si accorge della situazione mette un messaggio chiamato CLAIM TOKEN sull’anello.

Questo messaggio avverte gli altri terminali che una stazione sta cercando di diventare monitor.

Se il frame circola per tutto l’anello e torna al mittente, allora questa stazione diviene monitor.

2000/2001 58

Ethernet vs Token Ring: Condizioni carico e garanzie

Ethernet è adatta per condizioni di carico basso-normale, ma non a pieno carico(non c’è bound sul worst case!)

Token Ring garantisce bounds sul pieno carico, ma ha grande overhead in condizioni di basso carico

2000/2001 59

Ethernet e Token Ring:Affidabilità

Discussa per Ethernet

Token Ring: Se apro l’anello per un guasto si blocca tutto!

2000/2001 60

Perchè il Token Ring ha perso?

Le LAN non lavorano tipicamente in condizioni di pieno carico!

IBM era il solo costruttoreCosti più altiMaggior complessità

2000/2001 61

Token Ring

Approfondimento:news://comp.dcom.lans.token-ring

2000/2001 62

Un Esempio di Ring: FDDI

Acronimo di Fiber Distribuited Data Interface

Usa fibre ottiche

Alta affidabilità (anello doppio)

Immune a interferenze

Standardizzato da ANSI

Trasmissione a 100 Mb/s

2000/2001 63

Caratteristiche

•È praticamente identica al Token Ring•È più costosa in termini di cavi, perché l’anello è doppio•La FDDI usa fibre multimodali perché più economiche•Utilizza emettitori LED invece di emettitori LASER. Questo tipo di emettitori è più economico e più sicuro.

La FDDI divide i terminali collegati in due classi: A e B a seconda se le stazioni sono collegate a tutti e due gli anelli o meno.

2000/2001 64

Codifica 4B/5B

La Codifica 4B/5B raggruppa 4 bit di sorgente ed emette 5 bit sul mezzo fisico.

Sorgente Mezzo fisico0000 111100001 010010010 101000011 101010100 010100101 010110110 011100111 011111000 100101001 100111010 101101011 101111100 110101101 110111110 111001111 11101

Non richiede una banda doppia come il Manchester

A causa della mancanza di un segnale facile che permettala sincronizzazione tra i terminali, la FDDI utilizza un lungopreambolo. Inoltre i clock sono molto precisi, in modo da ricevere frame abbastanza lunghi perderne la sincronizzazione.

2000/2001 65

FDDI: Il Recupero Guasti