3 H2 N Parte3

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Modulo 7:Topologie di connessione

per LAN wired

Parte 3

Protocolli e Architetture di Rete 2009/2010 – Livello H2N 3.119

Contesti applicativi delle LAN

• Utilizzano tecnologie e architetture ormai ben consolidate e relativamente poco costose

• Sono estremamente diffuse e le tecnologie trovano applicazione in contesti diversi:– Personal LAN a basso costo e capacità limitata – contesti Small Office – Home Office (SOHO), dove si

collegano pochi PC e qualche dispositivo di rete (stampante, lettori CD/DVD, access point WiFi, ecc.)

– Back-end network– Storage Area Networks– fino a backbone LAN dove si realizzano reti LAN di

grandi dimensioni collegando varie LAN tra loro (tipico esempio: campus universitario)

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Back end LAN + Backbone LAN• Le LAN che costituiscono gli elementi fondamentali di

accesso a Internet sono dette back end LAN e possono essere collegate mediante backbone LAN

• Le back end LAN realizzano sistemi (dipartimentali) di medie dimensioni, interconnettendo server, dispositivi di storage, PC, ecc., con le seguenti caratteristiche:– Media-alta capacità di traffico (tipicamente 100 Mbps o 1 Gps)– Accessi distribuiti– Distanza limitata tra i componenti– Costi ridotti

• Le backbone LAN servono per interconnettere diverse back end LAN e devono garantire:– Affidabilità– Elevata capacità di traffico (tipicamente, 1 Gbps o 10 Gps)


Storage Area Network (SAN)• Utilizzate per separare le esigenze di storage da quelle dei

server• Si condividono dispositivi di storage anche di grandi

capacità (hard disk, tape library, CD array, …)• Architetture

fondamentali perrealizzare sistemidi backup

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Topologie per LAN

• Albero

• Bus

• Anello

• Stella


Topologie per LAN

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Topologia a bus

• È il metodo più semplice di connettere in rete degli host (schema originale di Ethernet). Consiste di un singolo cavo (chiamato dorsale o segmento) che connette in modo lineare tutti gli host

• I messaggi sono inviati a tutti gli host come segnali elettrici e vengono accettati solo dall’host il cui indirizzo MAC è contenuto nel segnale di origine

host

adattatore


Topologia a bus

• I dati trasmessi da un host, se non vengono interrotti, viaggiano da un capo all’altro del cavo, rimbalzano e tornano indietro impedendo ad altri host di inviare segnali

• A ciascuna estremità del cavo viene applicato un componente chiamato terminatore che assorbe i dati liberi rendendo disponibile il cavo per l’invio di altri dati

• Se un cavo viene tagliato o se uno dei capi viene scollegato, e quindi uno o più capi sono privi di terminatore, i dati rimbalzeranno interrompendo l’attività su tutta la rete (rete inattiva)

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Modalità per trasmissione su bus1. L’host C si appresta a

spedire un frame a A

2. L’host B riceve il frame, ma non essendo diretto a lui, lo ignora e lo inoltra

3. L’host A riceve il frame e lo inoltra


Topologia ad anello

• Gli host sono connessi tramite un unico cavo circolare privo di terminatori

• I segnali sono inviati lungo il circuito chiuso passando attraverso ciascun host che funge da ripetitore e ritrasmette il segnale (se non è il destinatario)

Alternativa (storica) di Ethernet:

Token Ring, dove il possesso del

token determinava il diritto di un host a

trasmettere un frame

host

adattatore

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Modalità per trasmissione su anello1. L’host C si appresta a spedire

un frame a A

2. L’host B riceve il frame, ma non essendo diretto a lui, lo ignora e lo inoltra

3. L’host A riceve il frame e lo inoltra

4. L’host A “assorbe” il frame che ha immesso nella rete


Topologia a stella

• Gli host sono connessi ad un componente centrale: i messaggi da qualunque mittente a qualunque destinatario sono inviati attraverso tale componente

• La maggior parte delle reti Ethernet moderne sono progettate con topologia a stella

host

adattatore

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Topologia a stella

• Nel caso di interruzione di uno dei cavi di connessione di un host al componente centrale, solo quell’host verrà isolato dalla rete

• In caso di mancato funzionamento del componente centrale saranno interrotte tutte le attività di rete

• Elevato traffico sul componente centrale

• Ethernet 10BaseT (con doppino in rame, rate 10 Mbps)

• Ethernet 10BaseF (con fibra ottica, rate 10 Mbps)• Ethernet 100BaseT o “Fast Ethernet” (con doppino in

rame, rate 100 Mbps)

Modulo 8:Interconnessione di LAN

Parte 3

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Interconnettere LAN

• Perché non creare un’unica grande LAN quando vi sono da interconnettere molti host?

• Motivazioni– Sarebbe possibile supportare una quantità limitata di

traffico: su una singola LAN, tutte gli host devono condividere la stessa larghezza di banda

– Lunghezza limitata: lo standard 802.3 specifica la massima lunghezza del cavo

– Ci sarebbe un unico grande “dominio di collisione” (ciascun host può collidere con molti host)


Apparati di rete

• Esitono diversi apparati di rete dipendenti da:– topologia di interconnessione degli host– numero degli host collegati– efficienza delle comunicazioni (anche in

funzione del traffico previsto)

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Tipi di apparati di rete

• Hub

• (Bridge)

• Switch

• Switch di livello 3


Hub

• Dispositivo di livello fisico dotato di due o più interfacce. Essenzialmente, è un ripetitore che opera a livello di singoli bit: ripete i bit ricevuti su una interfaccia a tutte le altre interfacce

• Ogni nodo connesso costituisce un segmento di LAN

Hub

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Vantaggi degli hub

• Dispositivi semplici ed estremamente economici E’ la tecnologia migliore per piccole LAN con poco traffico (small office – home office)

• Estende la massima distanza fra coppie di nodi (con doppino: 100m fra host e hub 200m tra due host)

• Trasparente: non necessita di alcun cambiamento agli adattatori LAN degli host

• Confinamento dei guasti: un guasto su un segmento di LAN non impedisce il traffico sugli altri segmenti


Svantaggi degli hub

• Gli hub non isolano il dominio delle collisioni (non implementano la rilevazione della portante): il traffico di un host può collidere con il traffico di ogni altro host che risieda in un qualsiasi segmento della LAN collegato all’hub

• In pratica, dal punto di vista del traffico, una LAN collegata mediante hub è equivalente ad una topologia a bus (non è equivalente per i guasti a livello di segmento)

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Limiti (generali) di Ethernet

• Ciascuna tecnologia Ethernet ha limitazioni relative a:– numero massimo di host consentiti in un dominio di

collisione– massima distanza fra due host in un dominio di

collisione– massimo numero di livelli in uno schema multi-livello

• Queste caratteristiche limitano sia il massimo numero di host collegabili, sia il raggio di azione geografico di una LAN multilivello


Gerarchie di hub

Gli hub possono anche essere organizzati in gerarchie(o design multi-livello), con un hub di backbone (dorsale) al vertice e vari hub che interconnettono singole LAN

Dip. di Ingegneria Informazione Dip. Ingegneria Meccanica Dip. Ingegneria Materiali

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Design multi-livello con hub

PRO– Fornisce confinamento dei guasti: se un hub funziona

male, viene disconnesso dall’hub di livello superiore e le altre porzioni della LAN continuano a funzionare

CONTRO– Singoli domini di collisione diventano un unico dominio

di collisione– L’unico dominio di collisione impedisce l’aumento della

capacità di traffico trasmettibile (la stessa di quella trasmettibile su un singolo segmento di LAN)

– Generalmente NON si possono connettere tipi differenti di Ethernet (es., 10BaseT e 100baseT) perché non è in grado di effettuare il buffering dei frame


Bridge• Dispositivo di livello 2 (link layer)• Opera a livello di frame Ethernet, esaminando

l’header dei frame ed inoltrandoli selettivamente, sulla base dell’indirizzo MAC della loro destinazione

• Quando un frame deve essere inoltrato su un segmento di LAN, il bridge usa il protocollo CSMA/CD (con attesa esponenziale) per trasmettere

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Hub e Bridge/Switch

• Un bridge è “più intelligente” di un hub perché è in grado di andare a leggere l’indirizzo del destinatario all’interno di un frame che gli arriva

• Un bridge svolge funzioni di filtraggio: dato che è in grado di capire il MAC address del destinatario, manda il pacchetto solo sulla porta di uscita su cui sa che c’è il destinatario


Hub e Bridge/Switch

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Tipica architettura• Un bridge può essere utilizzato per realizzare

LAN multi-livello con diversi vantaggi rispetto all’utilizzo di un hub di backbone


Bridge


Vantaggi dei bridge

• Isola i domini di collisione producendo un aumento del massimo throughput totale, e non limita il numero degli host, né la copertura geografica

• Può connettere tipi diversi di Ethernet dal momento che è un dispositivo store-and-forward

• Trasparente: non necessita di alcun cambiamento agli adattatori LAN degli host

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Filtraggio ed inoltro dei frame

• Filtraggio dei frame– I frame destinati ad host dello stesso segmento non

sono inoltrati sugli altri segmenti della LAN– Il meccanismo di filtraggio consente di aumentare

sensibilmente il traffico sulla rete: se, ad esempio, in ciascun segmento di LAN il traffico è prevalentemente locale, la capacità complessivamente disponibile è pari a quella di ciascun segmento moltiplicata per il numero dei segmenti

• Inoltro dei frame– Come si fa a sapere qual è il segmento di LAN su cui

deve essere inoltrato un frame?


Metodi di filtraggio e inoltro

• I bridge imparano quali host possono essere raggiunti attraverso quali interfacce– Mantengono delle tabelle di filtraggio costruite automaticamente

senza bisogno dell’intervento di amministratori di rete– Quando viene ricevuto un frame, il bridge “impara” la locazione del

mittente– Registra la locazione del mittente nella tabella di filtraggio

• Record per la tabella di filtraggio:– Indirizzo MAC dell’host, Interfaccia del Bridge, Time-To-Live (TTL)

che è il periodo di validità delle informazioni memorizzate nella tabella di filtraggio

– Record vecchi nella tabella di filtraggio vengono scartati (TTL può essere configurato a 60 minuti)

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Procedura di filtraggio

if (destinazione è sulla LAN dalla quale il frame è stato ricevuto)

then elimina il frame;else{ guarda nella tabella di filtraggio;

if (trovi un record per la destinazione)then inoltra il frame sull’interfaccia indicata;else flooding;

/* inoltra il frame a tutte le interfacce trannequella da cui il frame è arrivato*/

}


Autoapprendimento: esempio

Si supponga che C mandi un frame a D e D rispondacon un frame a C

C manda un frame, il bridge non ha informazioni su D, cosìinoltra su entrambe le LAN 2 e 3

Il bridge nota che C è sulla porta 1 Il frame è ignorato nella LAN 3 Il frame è ricevuto da D

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Autoapprendimento: esempio (2)

D genera la risposta per C, manda il suo frame Il bridge vede un frame da D Il bridge nota che D è sull’interfaccia 2 Il bridge sa che C è sull’interfaccia 1, così inoltra

selettivamente il frame attraverso l’interfaccia 1

C 1C 1


Autoapprendimento: svantaggio

• Se si sposta l’host A dalla LAN 1 alla LAN 3, su quale interfaccia lo switch inoltra i frame? – I frame sono inoltrati sul segmento di LAN sbagliato (1)

fino a quando l’host A non invia il primo frame (modifica tabella di filtraggio) o fino allo scadere del TTL per la entry relativa ad A (cancellazione della entry dalla tabella)

C 1C 1

Di solito (es., nei sistemi Windows) ogni host che si collega alla rete manda un frame per avvisare della sua presenza

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Esempio: instradamentofra più reti locali interconnesse

Bridge

IngegneriaMatematica Fisica

A

B

Il nodo A della LAN di Matematica vuole comunicare col nodo B della LAN di Ingegneria


Esempio (2)

A

1. Il nodo A spedisce all’HUB un pacchetto destinato a B

2. L’HUB rispedisce il pacchetto che gli arriva da A su tutte le altre porte

3. Il pacchetto arriva quindi ai nodi C, D, E e al BRIDGE

HUB

Bridge

E

D

CMatematica

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Esempio (3)

A

4. Tutti i nodi guardano il MAC address del destinatario

5. I nodi C, D ed E vedono che il pacchetto non è per loro e lo scartano

6. Il BRIDGE invece capisce che quel pacchetto è per un nodo della LAN di Ingegneria

HUB

Bridge

E

D

CMatematica


Esempio (4)

Bridge

IngegneriaMatematica Fisica

A

B

7. Il BRIDGE spedisce il pacchetto solamente verso l’HUB di Ingegneria e non verso l’HUB di Fisica (filtraggio)

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Esempio (5)

X

8. L’HUB di Ingegneria manda il pacchetto a tutti i nodi di Ingegneria

9. Il pacchetto arriva quindi ai nodi X, Y, Z ed al nodo B

10.Il nodo B capisce che il pacchetto è per lui e lo legge

11.Tutti gli altri nodi vedono che il pacchetto non è per loro e lo scartano

HUB

Bridge

B

Z

YIngegneria


Affidabilità delle LAN

• Per aumentare l’affidabilità di una rete, è desiderabile avere ridondanza ovvero cammini alternativi dalla sorgente alla destinazione

• Però, con cammini multipli possono crearsi dei cicli e conseguentemente i bridge potrebbero moltiplicare e inoltrare frame

Soluzione Spanning tree

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Spanning tree• Lo spanning tree è un sottoinsieme della topologia

originaria che non contiene cicli• Si può organizzare l’architettura di bridge e hub in uno

spanning tree disabilitando un sottoinsieme di interfacce• La riattivazione, in caso di necessità, è una semplice

operazione di riconfigurazione softwareDisabilitata


LAN con percorsi alternativi

• Lo spanning tree è un sottoinsieme della topologia originaria che non contiene cicli

• Si può organizzare l’architettura di bridge e hub in uno spanning tree disabilitando un sottoinsieme di interfacce

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Switch

• Sono in pratica dei bridge adalte prestazioni con molte interfacce (almeno 8)– Inoltro di frame a livello 2– Filtraggio utilizzando indirizzi MAC

• Spesso lo switch è usato con singoli host con gli host interconnessi a stella mediante lo switch (in alternativa all’uso di un hub)


Dispositivo switch 10/100

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Switch: vantaggi (1)• Come nel caso dei bridge, a differenza del caso

degli hub, consentono un’architettura Ethernet senza collisioni (accesso dedicato e full duplex)

• Esempio di switching:– Traffico tra A-B e tra A’-B’

simultaneo, senza collisioni


Switch: vantaggi (2)• Consentono la combinazione di interfacce eterogenee

(10/100/1000 Mbps) condivise (shared) e dedicate• Consentono la realizzazione di architetture abbastanza complesse


10Base2 hub 10BaseT hub 100BaseT hub

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Tipi di commutazione per switch

• Switch con commutazione store-and-forward– Quando un frame è instradato attraverso un commutatore store-

and-forward, è raccolto e immagazzinato nella sua totalità prima che il commutatore inizi a trasmetterlo sulla linea di uscita

• Switch con commutazione cut-through– Il frame è inoltrato dalla porta di input dello switch a quella di output

senza aspettare che tutto il frame sia arrivato al commutatore– E’ sufficiente che sia giunta la parte del frame contenente l’indirizzo

di destinazione e che il canale di uscita sia libero PRO: miglioramento delle prestazioni CONTRO: possibile inoltro di frame “difettosi” (non c’è

possibilità di verificare la correttezza del byte di controllo)


Hub e switch

Hub (mezzo condiviso)

Switch (routing a livello 2)

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Bridge e switch• Lo switch può essere visto come un hub full-duplex che

incorpora logiche per operare come un bridge multi-porta• Bridge

– gestiscono i frame a livello software– analizzano e inoltrano un frame alla volta– usano solo commutazione store-and-forward

• Switch– effettuano il riconoscimento degli indirizzi e l’inoltro dei frame a

livello hardware– hanno percorsi paralleli multipli e quindi possono gestire molti

frame contemporaneamente– possono usare commutazione cut-through

NOTA: I bridge stanno “soffrendo” commercialmente in quanto in tutte le nuove installazioni si preferiscono usare switch con funzionalità di bridge piuttosto che bridge


Tipica architettura LAN dipartimentale• Migliaia di dispositivi connessi, interconnettendo diverse

sottoreti LAN separate (MAC broadcast di frame limitati a una sottorete)

• Uso anche di switch di layer 3 (con indirizzamento e inoltro dei pacchetti a livello IP, tipo router)

• PC interconnessi a switch di layer 2 con link tipicamente a 100 Mbps

• Server connessi direttamente a switch di layer 2 o layer 3 tipicamente a 1 Gbps

• Connettività wireless LAN disponibile per utenti mobili• Switch di layer 3 costituiscono il core della LAN

– Formano la dorsale (backbone) locale– Interconnessione del core a 1 Gbps– Connessione a switch di layer 2 da 100 Mbps a 1 Gbps

• Router forniscono interconnessione alla rete WAN

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Tipicaarchitettura

dipartimentale

Modulo 9:Cablaggio strutturato

Parte 3

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• Prese di rete a cui l’utente può collegare i propri sistemi (telefono, computer, ecc.)

• Cavi in rame o in fibra ottica• Connettori di cui sono dotate le estremità dei cavi• Dispositivi di commutazione: hub, bridge, switch

(principalmente)• Armadi e rack in cui sono installati i dispositivi di

commutazione• Locali tecnici in cui possono essere collocati gli

armadi e i rack

Cablaggio


Cablaggio strutturato

• L’elaborazione e la trasmissione delle informazioni sono diventate il centro delle attività economiche delle imprese

• Metodologia di progetto e realizzazione degli impianti di telecomunicazione (fonia/dati) per dotare un edificio o un complesso di edifici (l’importante è non coinvolgere terreno pubblico o provato di terzi) di un unico sistema di cablaggio, universale e integrato

Il cablaggio strutturato prevede l’integrazione dei diversi servizi in un’unica infrastruttura polivalente

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Necessità del cablaggio strutturato

• Le diverse apparecchiature informatiche e di telecomunicazione utilizzavano mezzi fisici diversi con topologie di connessione diversa

• Ampliare o modificare i sistemi richiedeva l’uso di mezzi ed apparati dello stesso costruttore

• Presenza, nelle stesse infrastrutture di canalizzazione, di impianti disomogenei specifici per ogni sistema

• Non essendoci un metodo di progettazione univoco, ogni sistema si presentava a se stante, dedicato alle singole applicazioni voce, dati, video


Necessità del cablaggio strutturato• Necessario a causa della crescente complessità

di impianti telefonici e di reti dati

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Opportunità del cablaggio strutturato

• Il cablaggio strutturato è reso possibile dalla diffusione planetaria della tecnologia Ethernet, che è diventata uno standard de facto per le LAN

• Si parla di un numero di nodi installati e operativi superiori al 90% dell’installato mondiale, mentre il restante 10% è suddiviso tra tecnologie meno popolari o in via di “estinzione”, quali Token Ring, FDDI, ATM


Cosa si integra

• Reti locali

• Terminali

• Fonia

• Controllo degli accessi

• Rilevamento presenze

• Sicurezza

• TV a circuito chiuso

(prossimamente) Realizzaz. “edificio intelligente”

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Cablaggio strutturato: standard

• Necessità di regole e protocolli standard per il cablaggio strutturato

• Standard per il cablaggio di edifici commerciali ad uso ufficio:– EIA/TIA 568-A (standard americano)– ISO/IEC 11801 (standard internazionale)– EN 50173 (standard europeo)


Cablaggio strutturato: standard

Gli standard descrivono:– Elementi del cablaggio– Geometrie impiantistiche ammesse– Topologie ammesse– Dorsali– Mezzi trasmissivi

– Norme per l’installazione e per il collaudo– Documentazione– Norme di durata minima di validità progetto

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Cablaggio strutturato: standard• Tutti gli standard specificano una geometria

realizzativa di base “a stella”• A partire da questa geometria, mediante cavi di

raccordo si realizzano differenti topologie– A stella: il cablaggio consiste di collegamenti punto-

punto isolati, ciascuno dedicato al collegamento tra una coppia di apparati attivi

– A bus: il cablaggio consiste di un cavo unico con le estremità libere, condiviso da tutti gli apparati attivi

– Ad anello: come per la topologia a bus, ma con le due estremità raccordate tra di loro a formare un anello


Geometria a stella – Topologia a stella

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Geometria a stella – Topologia a bus


Geometria a stella – Topologia a anello

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Esempio di cablaggio strutturato

Armadio di edificio Presa

utente

Armadiodi piano

Cavo didistribuzione

di pianoDorsale

di edificio

Dorsale dicomprensorio


Aspettative• Secondo lo standard TIA il tempo di vita medio

dell’impianto di cablaggio passivo è di circa 7-10 anni• Nel tempo di vita medio dell’impianto, l’evoluzione

tecnologica dell’hardware attivo (schede, apparati, computer, processori, ecc.) milgliora l’elettronica di almeno 3-4 volte

• Sviluppo prevedibile di Ethernet: 1 Gbps 10 Gbps• Sarà richiesto al sistema di cablaggio un incremento

prestazionale crescente in relazione alla maggiore necessità di ampiezza di banda dovuta ai nuovi sviluppi tecnologici (dati, voce, voiceIP, video, videoconferenze, Internet, ecc.) Si va verso la possibilità di realizzazione di un

“Edificio intelligente”

3 H2 N Parte3

Technology

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