Evoluzione delle LAN - Andrea VigoEvoluzione delle LAN L'evoluzione dei prodotti per le LAN è ... i...

Settembre 1996

LAN_NEW- 1 Copyright: si veda nota a pag. 2

Evoluzione delle LAN

Silvano [email protected]

http://www.polito.it/~silvano

Pier Luca [email protected]

http://www.uniud.it/~montessoro

Pietro [email protected]

Settembre 1996


Nota di CopyrightQuesto insieme di trasparenze (detto nel seguito slides) è protetto dalle leggisul copyright e dalle disposizioni dei trattati internazionali. Il titolo ed icopyright relativi alle slides (ivi inclusi, ma non limitatamente, ogni immagine,fotografia, animazione, video, audio, musica e testo) sono di proprietà degliautori indicati a pag. 1.Le slides possono essere riprodotte ed utilizzate liberamente dagli istituti diricerca, scolastici ed universitari afferenti al Ministero della Pubblica Istruzionee al Ministero dell’Università e Ricerca Scientifica e Tecnologica, per scopiistituzionali, non a fine di lucro. In tal caso non è richiesta alcunaautorizzazione.Ogni altra utilizzazione o riproduzione (ivi incluse, ma non limitatamente, leriproduzioni su supporti magnetici, su reti di calcolatori e stampate) in toto o inparte è vietata, se non esplicitamente autorizzata per iscritto, a priori, da partedegli autori.L’informazione contenuta in queste slides è ritenuta essere accurata alla datadella pubblicazione. Essa è fornita per scopi meramente didattici e non peressere utilizzata in progetti di impianti, prodotti, reti, ecc. In ogni caso essa èsoggetta a cambiamenti senza preavviso. Gli autori non assumono alcunaresponsabilità per il contenuto di queste slides (ivi incluse, ma nonlimitatamente, la correttezza, completezza, applicabilità, aggiornamentodell’informazione).In ogni caso non può essere dichiarata conformità all’informazione contenutain queste slides.In ogni caso questa nota di copyright non deve mai essere rimossa e deveessere riportata anche in utilizzi parziali.

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ATMATM

100baseT

100baseVG

FastEthernet AnyLAN

FDDI

CDDI

Ethernet

SwitchedEthernet

TokenRing

Scegliere la tecnologia corretta

Gigabit Ethernet

SwitchedToken-Ring

SwitchedFDDI Ethernet

full-duplex

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Evoluzione delle LANL'evoluzione dei prodotti per le LAN èdovuta a:

necessità maggiore di bandadiminuzione dei costi

I prodotti di nuova generazione disponibilisono:

Switched LANEthernet a 100Mb/sATM per uso privato

Quelli annunciati:Gigabit Ethernet

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Il fattore cablaggio

Ethernet

Token-RingFDDI

HUBConcentratore

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Collapsed backboneLe LAN nascono con topologie a

bus o anello

Con il cablaggio strutturato diventanostelle o alberi

Viene introdotto il concetto di CollapsedBackbone:

topologia stellare gerarchicail backbone è collassato nel centro stella

Vantaggi:semplicità di gestioneapplicabilità a tutte le LAN:

Ethernet, Token Ring, FDDI, ATM

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Il collapsed backbone in praticaCablaggio strutturato conforme allenormative EIA/TIA 568 o ISO/IEC 11801Concentratori (HUB) che trasformano:

i bus in stelle nel caso di ethernetgli anelli in stelle nel caso di token ring e FDDI

I concentratori permettono di avere:banda condivisa se funzionano come ripetitori:

Ethernet, Token Ring, FDDI, Fast Ethernetbanda dedicata se utilizzano tecniche diswitching:

Ethernet, Token Ring, FDDI, Fast Ethernet, ATM

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Fault-ToleranceUnico centro stella

un singolo guasto può bloccare la rete

Fault-Tolerance su collapsed backbone:centro stella ridondato

Concentratore

S S S

Concentratore

S S S

Concentratore

S S S

ConcentratorePrimario

ConcentratoreSecondario

Percorso primario Percorso secondario

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Banda condivisa o dedicata?

HUBConcentratore SWITCH

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Gli switchSi sostituiscono ai repeater nei centri stellaHanno una banda aggregata moltosuperiore a quella della singola porta

Molte trasmissioni in contemporanea

Derivati dalla tecnologia dei bridge:Ethernet SwitchToken-Ring SwitchFDDI Switch

Anche ATM ha il concetto di switch:commutatore di celledifferenze sostanziali rispetto ai bridge

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Ethernet SwitchingIntrodotto da Kalpana

per soddisfare la maggior necessità di bandatrasmissiva rispetto al passatoper superare la difficoltà di offrire la bandanecessaria con una tecnologia di tipo shared

La tecnologia è detta Data Switchnon viene fatto lo store and forward dell’interopacchetto come nei bridgericevuto l’indirizzo MAC di destinazione si decidese e dove ritrasmettere il pacchetto mentre laricezione è ancora in corso

Lascia passare eventuali pacchetti corrottipoiché non può controllare la FCS

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Tecniche di Ethernet switchingStore-and-Forward

utilizzata dai bridge (prevista da IEEE 802.1d)il pacchetto viene ricevuto interamente e poiritrasmesso

Cut through o On-The-Fly Switchingtecnica sviluppata da Kalpanala decisione di inoltro viene presa durante iltransito del pacchetto nello switch

Fragment free:prima di iniziare a ritrasmettere il pacchetto siaspetta comunque un tempo pari alla collisionwindow (51.2 µµs)

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Cut-through Switching

SWITCH

Porta 1

Porta 5P

orta

3

Porta 2

Porta 1 Porta 6

Po

rta

7

Porta 8

B

A

BA

FCS Inform. Length Source Destin.

I tempi di latenza sono molto bassi 10÷60 µµsQuando lo Switch legge il campo DestinationAddress MAC decide dove inoltrare il pacchetto

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Limiti di Ethernet switchingLe tecniche Cut through e Fragment freepossono essere utilizzate solo se:

su tutte le porte è presente lo stesso tipo di MACtutte le porte hanno la stessa velocità trasmissivala porta di destinazione è liberail pacchetto non è broadcast o multicast

Altrimenti occorre fare Store & ForwardPer i pacchetti corti

Cut through, Fragment free e Store & Forwardsono equivalenti

Il Cut through inoltra anche i frammenti dicollisione

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Store & ForwardOpera come un Bridge Multiporta ad alteprestazioniPuò interconnettere MAC diversi:

Ethernet, FDDI, ATM

Può operare a velocità diverse:10 Mb/s (802.3)100 Mb/s (802.3u)

Non inoltra pacchetti contenenti erroripoiché controlla il CRCNon inoltra i frammenti di collisione.

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Esempio #1Switching con connessioni a pari velocità

si può applicare con successo in una LAN conapplicazioni di tipo peer-to-peeri flussi dei traffici sono tipicamente tra stazionidiverse

Flussi di traffico

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Esempio #2Switch con connessioni a velocità diverse

adatta per applicazioni Client-Serverserver connesso ad alte prestazioni (esempio 100Mb/s), i client a medie

Server con connessione 100BaseT

Flussi di traffico

Client con connessioni10BaseT

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Half o full duplex?Le LAN sono strutture intrinsecamente half-duplex:

trasmette una sola stazione per volta

Lo switching ridimensiona molto il ruolo delmezzo fisico condiviso:

spesso il mezzo trasmissivo diventa punto-punto:sono collegati unicamente la stazione e lo switch

I mezzi trasmissivi punto-punto possonoessere full-duplex:

entrambe le stazioni possono trasmetterecontemporaneamentele trasmissioni avvengono su canali fisici diversi

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Ethernet full-duplexAttualmente utilizzata per le dorsali:

raddoppia la banda disponibileconnessioni Bridge-to-Bridge o Switch-to-Switch

Necessita di particolari transceiver in cuinon viene rilevata la collisione:

i transceivers normali inviano un segnale dicollisione all’interfaccia quando si ha la presenzadi attività contemporanea su TX e RX

La distanza tra due stazioni full-duplexdipende solo dalle caratteristiche del mezzotrasmissivoè indipendente dal diametro del dominio dicollisione

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Differenze sui Transceiver

ConnessionitraTransceiverstandard

ConnessionitraTransceiverper linkFull-Duplex

MAU MAUCABLE

Coll.detect

DO

DI

CI

DO

DI

CI

TX TX

RX RX

Coll.detect

MAU MAUCABLE

Coll.detect

DO

DI

CI

DO

DI

CI

TX TX

RX RX

Coll.detect

DO = Data Output DI = Data Input CI = Collision Input

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Limiti di distanzaIn Ethernet full-duplex:

nel caso del doppino telefonico la distanzamassima è di 100 mnel caso di fibra ottica multimodale 62.5/125 µµm ladistanza massima è di 2 Kmnel caso di fibra ottica monomodale e transceiverdotati di laser di categoria II la distanza massimapuò raggiungere i 50 Km

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FDDI SwitchingPensato inizialmente dalla DigitalEquipment e realizzato con il prodottoGigaSwitchGli Switch FDDI utilizzano la tecnicaBridging di Store and Forward

I tempi di store del pacchetto sono ridotti di unfattore 10 rispetto ad Ethernet

Gli switch FDDI hanno una banda aggregatamolto elevata, dell’ordine di alcuni Gb/s

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FDDI Full-DuplexFDDI Full-Duplex è una soluzioneproprietaria in quanto non definita dallostandard.

L’apparato trasmette contemporaneamentesull’anello primario e su quello secondario con ilrisultato di avere 200 Mb/s di bandaIn caso di guasto riutilizza l’anello secondario perriconfigurare l’anello e degrada quindi a 100 Mb/sLa stazione FDDI Full-Duplex è dotata di 2 MAC dicui uno connesso all’anello primario ed uno aquello secondario

Viene normalmente usato nelle connessioniSwitch-to-Switch per offrire una dorsale adalte prestazioni

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FDDI Switching e Full-Duplex

Servers

. . .EDIFICIO 1

Servers

. . .EDIFICIO 2

200 Mb/sFDDIFull-Duplex

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Evoluzione dei canali

Switch

Backbone(10-100 Mb/s)Stazioni

dell’utente10-16Mb/s

100baseT100VG AnyLan

FDDI su rame (CDDI)ATM

100VG AnyLan ?FDDIATM

Gigabit Ethernet

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Ethernet a 100Mb/sEsistono due standard:

802.3u per la proposta 3Com-Synoptics802.12 per la proposta HP-AT&T

Esistono proposte per realizzare entro il ‘98Gigabit Ethernet

IEEE 802.3z

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IEEE 802.3u802.3u detto anche 100BASE-T

evoluzione di Ethernet 802.3 10BASE-T

Tre sotto-standard per tre tipi di mezzi fisici:100BASE-T4 (doppino, su 4 coppie)100BASE-TX (doppino, su 2 coppie)100BASE-FX (fibra ottica)

Mantiene il vecchio algoritmo CSMA/CDimplementato con successo su 10baseT:

70.000.000 di nodi installati30.000.000 di nodi venduti ogni annopiù di 200 produttori

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IEEE 802.3uMantiene il formato del pacchetto di 802.3Velocità dieci volte superiore

Data Rate 100Mb/sBit time 10nsInterpacket gap 0.96µµsSlot time 512 bit (5.12µµs)

Distanze dieci volte inferiori (200m + 20m)200m sono sufficienti per cablare a stella attornoad un HUB una rete di 100m di raggio (200m didiametro)

Codifica fisica: MLT-3 o 8B/6T

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Cablaggio Strutturato per 802.3u

HUB100m

BRIDGE

HUB100m

Router

210m

10m

Backbone

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IEEE 802.12Detto anche 100VG AnyLAN

precedentemente 100BASE-VG

Nuovo MAC di tipo demand priority:concepito per reti a stella gerarchica con HUB

protocollo Round-Robindue livelli di priorità

applicazioni multimediali (ritardi limitati)applicazioni classiche

Diametro della rete da 500 a 6000 metri:mezzi trasmissivi utilizzatinumero di Hub

Trasporto trame Ethernet e Token Ring

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Demand Priorityup

2

Level 1“Root” Hub

Level 2Hub

1 3

3

2

1 n

up

n

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Categoria 3 e 4(100 metri)

Categoria 5 eSTP (150 metri)

Level 1 “Root” hub

Level 2 hub

Level 2 hub

Max. 7livelli incascata

Fibra (2000 metri)

100VG-AnyLAN

Level 3 hub

Dicembre 1996


802.12Cavi utilizzabili:

UTP cat. 3, necessita di 4 coppiecavi 25 coppie (solo con codifica 5B/6B)STPFibra

Quartet SignalingUtilizza le tutte le 4 coppie disponibili sulcablaggio strutturato:

minimizza la banda trasmissivamassimizza il rapporto segnale/rumoresemplifica la modulazione

4 coppie permettono l’utilizzo di NRZ a 2 livelli

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Quartet SignalingOgni doppino porta 25Mb/s3 stati principali:

HUB

ENDNODE

Node to HUBdata transfer

HUB

ENDNODE

HUB to Nodedata transfer

HUB

ENDNODE

Arbitrates

LowFreq.Tone

LowFreq.Tone

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End Node to HubDemand Priority Control Signal

TP1 TP2Ready to Receive Silence SilenceIdle Tone 1 Tone 1Normal Priority Request Tone 1 Tone 2High Priority Request Tone 2 Tone 1Training Idle Tone 2 Tone 2

TP1 = Twisted Pair 1TP2 = Twisted Pair 2

Tone 1 = 0.937MHzTone 2 = 1.875MHz

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Hub to End NodeDemand Priority Control Signal

TP3 TP4Ready to Receive Silence SilenceIdle Tone 1 Tone 1Incoming Tone 1 Tone 2Reserved Tone 2 Tone 1Training Idle Tone 2 Tone 2

TP3 = Twisted Pair 1TP4 = Twisted Pair 2

Tone 1 = 0.937MHzTone 2 = 1.875MHz

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End Node: Ricezione

HUB

ENDNODE

Idleo

ReqXIdle

HUB

ENDNODE

Idleo

ReqXIncoming

HUB

ENDNODE

Ready toReceive(silence)

Incoming

HUB

ENDNODE

Packet Packet

1 2

3 4

X = High o Low

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End Node: Trasmissione

HUB

ENDNODE

Idle Idle

HUB

ENDNODE

ReqX Idle

HUB

ENDNODE

Ready toReceive(silence)

ReqX

HUB

ENDNODE

Packet Packet

1 2

3 4

X = High o Low

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Demand Priority ProtocolI pacchetti entrano nell’Hub e sonoritrasmessi dopo 3µµs durante cui:

Si ascoltano le richieste di trasmissioneSi manda la segnalazione di Incoming a tutti inodi eccetto il source:

i nodi sospendono l’invio dei toni

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Round-Robin: alta priorità

HUBReqH

ReqHReqL

ReqL

Prima si servono le richieste ad alta prioritàin round-robin

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Round-Robin: bassa priorità

HUB

ReqL

ReqL

Quindi si servono quelle a bassa priorità,sempre in round-robin, riprendendo da dovesi era smesso

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IEEE 802.10Standard for “Interoperable LAN/MANSecurity” (SILS)Definisce i numerosi aspetti del problemasicurezza applicato alle LAN/MAN:

riservatezzaindentificazioneprevenzione dell’osservazione dei pacchetti...

L’identificazione delle trame MAC permetteinoltre di estendere le LAN virtuali sulledorsali FDDI

ATM ha un supporto nativo per le VLAN

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LAN virtuali (VLAN)Le LAN estese, quando crescono troppo didimensione, sono fonte di problemi:

elevato traffico di multicast/broadcastrouting tra le sottoreti IPsicurezza

Si introduce il concetto di LAN virtuali:unica infrastruttura fisicadefinizione di più sottoreti logiche separate

Le LAN virtuali possono coprire:il singolo Switchl’intera LAN estesa

Settembre 1996


LAN virtuali - singolo SwitchSi possono raggruppare due o più portedello Switch in un dominio di broadcast

Stazione 1Stazione 2

Stazione 6

Stazione 7

Stazione 8

Stazione 10 Stazione 11

Stazione 15Stazione 13Stazione 12 Stazione 14

Dominio progettazione

Dominiorilascioprodotti

Dominio produzione

Dominio amministrazione

Stazione 9

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VLAN a livello MACOccorre distinguere quali pacchetti sonodestinati a quali VLAN a livello di dorsale

assenza di uno standardproblemi di interoperabilità per le stazioniconnesse direttamente sulla dorsale

Switch SwitchVLAN 1 VLAN 2

BackboneVLAN 1

VLAN 1 VLAN 2 VLAN 2 VLAN 1

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VLAN di livello MACPossibili soluzioni:

Frame Taggingsi utilizza encapsulation a livello di dorsaleproposto, ad esempio, da Digital per EnVision

Packet Taggingsi inserisce un header aggiuntivo dopo quelloMACCisco propone di usare IEEE 802.10

Frame Filteringnon si marcano i pacchetti sulla dorsale, ma sieffettua un filtering sul source addressproposto, ad esempio, da Cabletron

ATM LAN Emulationstandard

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Frame TaggingDA, SA

VLAN Protocol

Original

Packet

Tag Indica a quale VLANappartiene ilpacchetto

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Packet TaggingMAC Header

IEEE 802.10 Header

Data

LLC/SNAP Header

Indica a quale VLANappartiene ilpacchetto

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IEEE 802.1qGruppo di lavoro per uno standard sulleVLANDue proposte attualmente in discussione:

schema di VLAN Tagging a 1 livelloaggiunge un nuovo ethertype e 2 bytes di VLAN-ID

schema di VLAN Tagging a 2 livellipiù potente e più semplice da supportare in HWper protocolli di livello 3

Attenzione!!!le realizzazioni proprietarie probabilmente nonsaranno aggiornabili allo standard in quantocontenute in ASIC

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One and two level explicit tagging

Switch Switch

DES SRC

One level explicit tagging

SRC DES

Dati

VSRC VDES

Two levels explicit taggingSRC DES

Dati

VDES VSRC DES SRC

VLAN-ID

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Two-Layer Tagging Model

SWITCH FABRIC

Non-FabricDevices

FabricSwitches/Routers

Non-taggingSwitches

S

S

S

Non-fabric port

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Lan virtuali di livello 3Necessitano di switch che operino a livello 3

Le LAN virtuali vengono create associando due opiù indirizzi di livello 3 alla stessa LAN diappartenenza.

Address Table

...406 ...409 ...312 ...315

Layer 3Switch

...512 ...506 ...420 ...414

...406 VLAN 1

...409 VLAN 1

...312 VLAN 2

...315 VLAN 2

...512 VLAN 1

...506 VLAN 1

...420 VLAN 2

...414 VLAN 2

Switches SharingAddress Tables

Layer 3Switch

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IEEE 802.11Draft tuttora in fase di discussione perwireless LANNuovo protocollo di livello MAC a causadelle differenti caratteristiche (in particolareaffidabilità) del mezzo fisico rispetto alleLAN wired3 tecniche di trasmissione:

Direct Sequence Spread SpectrumFrequency Hopping Spread SpectrumInfrarossi

Settembre 1996


ATMATM: Asynchronous Transfer ModeCommutazione di celle di lunghezza fissa

53 byte

Mezzi trasmissivi velocitipicamente >= 150 Mb/s

Bassi ritardiidoneo per dati, voce e immagini video

Tecnologia su cui basare il B-ISDNSi possono realizzare LAN, ma ATM non èinserito nel progetto IEEE 802!

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Commutazione di Cella

Cella = 53 Ottetti

485

ATMSwitch

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La cella ATM

8 7 6 5 4 3 2 1

“Cosa devo dire”

“Dove devo andare”

123456

53

Payload

Header

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Elementi di una rete ATM

Private NNI

Bridge /Router

Public NNI

Public UNI

Private ATMNetwork

Public ATMNetwork

Public UNI

Bridge /Router Private

UNI

Private UNI

Public UNI

Private UNI

Public UNI

Public UNI

Private UNI

Public UNI

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Canali Virtuali

4 Mbps (Conferenza a 3)

50 Mbps (Trasferimento di Immagini)

Rete ATM

ATM Switch

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Differenze tra LAN e ATMLe reti locali:

Sono non connesseUsano pesantemente broadcast e multicast

Molte architetture di rete:Sono state ottimizzate per le reti localiNon hanno un livello 3Fanno advertisement e solicitation dei servizi inbroadcast/multicast

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LAN ibride

HUB 802.3/ATM(Bandwidth > 2.4Gb/s)

10Mb/s

10Mb/s

155Mb/s

ATM Switch

DorsaleATM

155Mb/s

ATM

ATM50/150Mb/s

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Le soluzioniATM Forum LAN Emulation

Standard per far apparire una rete ATM come unaLAN 802.XNecessità di serverVersione 1.0 - Gennaio 1995

IETF (Internet Engineering Task Force)RFC per specificare come mettere i protocolli dialto livello nelle celle ATMRFC 1577 “Classical IP and ARP over ATM”

In prospettiva:Modificare pesantemente i protocolli per sfruttarele peculiarità di ATM

Settembre 1996


... e le Gigabit EthernetArriveranno nel 1997-1998

avranno il livello fisico di Fibre-channelsaranno probabilmente 2

Gigabit Ethernet (IEEE 802.3z)1 Gb/s full-duplex50 m con cavi UTP di categoria 5500 m su fibra ottica multimodale2 Km su fibra ottica monomodale

Gigabit AnyLANhalf-duplex1 GB/s su fibra ottica500 Mb/s su cavo di categoria 5, a 100 m

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