M. Pedicini

Prima Parte Prima Parte Il protocollo per le reti locali di tipo ethernetIl protocollo per le reti locali di tipo ethernet

di Marco Pedicini (IAC – Consiglio Nazionale delle Ricerche)di Marco Pedicini (IAC – Consiglio Nazionale delle Ricerche)

Roma, Maggio 2003

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1.Introduzione alle reti locali: il modello di riferimento OSI, lo standard Ethernet, lo standard IEEE802,

trame singlecast, multicast e broadcast;

2.Lo standard ethernet/802.3: 10Base5, 10BaseT, FOIRL, 10BaseFL, 10BaseFB;

3.Lo standard 802.3u (Fast-Ethernet): 100BaseT, 100BaseT4, 100BaseFX;

4.Lo standard 802.3z (Gigabit ethernet): funzionalità dell'ethernet a 1 Gb/s, regole di configurazione;

5.Ethernet full-duplex: funzionalità;

6.Bridge, router, brouter: il transparent bridging, funzioni principali ed applicazioni, lo spanning tree 802.1d, come è strutturato e come si configura, Router e brouter confrontati con i bridge;

7.Ethernet switching: full e segment switching: le Lan Virtuali (VLAN) e gli standard 802.1p e 802.1q;

8.Strumenti di verifica e ricerca guasti;

9.Glossario termini;

10.Bibliografia-Sitografia;

Sommario:

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Computer Networking: le reti

● Il campo del computer networking nasce negli anni '60, con l'invenzione della commutazione di pacchetto, con l'evoluzione di internet e l'affermazione di alcuni produttori della infrastruttura di rete.

● In questo modulo affronteremo alcuni aspetti che riguardano le reti locali di calcolatori, il modulo successivo sarà dedicato alle reti geografiche.

● Le reti locali (LAN) e le reti geografiche (WAN) costituiscono l'infrastruttura fisica della interconnessione tra sistemi computazionali, queste connessioni vengono gestite tramite protocolli che permettono il controllo delle informazioni inviate e ricevute dai sistemi e che costituiscono l'infrastruttura logica.

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● In funzione dell'ambito operativo e delle distanze coperte si classificano come: Ambito Distanza Rete

Calcolatori Paralleli Circuito Stampato 0.1 m Massive ParallelSistema 1 m MultiprocessoreStanza 10 m Cluster

Reti di Calcolatori Edificio 100 m Reti LocaliComprensorio 1 Km Reti Locali EsteseCittà 10 Km Reti MetropolitaneNazione 100 Km Reti GeograficheContinente 1.000 Km Reti GeografichePianeta 10.000 Km Reti Geografiche

– Il primo gruppo di reti si utilizza per l'interconnessione di più processori all'interno della stessa unità di calcolo (calcolatori paralleli).

– Il secondo gruppo prende il nome di reti di calcolatori e riguarda l'interconnessione di elaboratori eterogenei.

Tipi di Rete

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Reti corporate & multiprotocol

● Corporate (aziendale): una rete di calcolatori aziendale deve servire un'intera azienda per tutte le sue funzioni e in tutte le sue sedi eventualmente distribuite sul terrirorio. Inoltre un'azienda deve essere efficientemente connessa anche ad altre aziende appartenenti alla stessa holding.

● Multiprotocol (multiprotocollo): una rete non può e non deve essere legata ad un unico protocollo e ad un'unica architettura di rete, questo perchè nello sviluppo stesso delle tecnologie di rete si è seguito un approccio dal basso (bottom-up) in cui reti nate e sviluppate per soddisfare esigenze particolari sono state successivamente integrate per formare una rete aziendale.

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L'infrastruttura di rete

● Il nucleo dell'infrastruttura di rete è costituita da una trama di routers (letteralmente instradatori);

● Soddisfano l'esigenza su come avviene il trasferimento dell'informazione ed essenzialmente questo può avvenire con due modalità:

– Circuit switching (commutazione di circuito): in cui un circuito viene assegnato ad una singola chiamata (reti telefoniche);

– Packet-switching (commutazione di pacchetto): in cui i dati subiscono uno spezzettamento prima di essere inviati.

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● Commutazione di circuito (concepita per la telefonia): ● Bassa utilizzazione del canale trasmissivo: il canale è occupato

anche quando non si trasmette; ● Canale di trasmissione dati trasparente ● La qualità del canale peggiora all'aumentare della distanza● Fatturazione a tempo

● Commutazione di pacchetto (concepita per i dati): ● Solo trasmissione digitale ● I pacchetti vengono instradati dagli IS (intermediate systems) ed i

circuiti sono condivisi da tutti i nodi, miglior sfruttamento della capacita' trasmissiva del canale

● La qualità della trasmissione non dipende dalla distanza ● Gli IS controllano e possono recuperare errori di trasmissione● Tariffazione a volume

Reti commutate

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● Condivisione Rigida: si divide canale in piccole porzioni e si allocano porzioni canale in modo esclusivo;

● Tre possibili modalita' vengono adottate nel caso della multiplazione con allocazione statica:

– Time Division (multiplazione a divisione di tempo, TDMA),

– Frequency Division (multiplazione a divisione di frequenza, FDMA),

– Code Division (multiplazione a divisione di codice, CDMA);

● Se usate per accesso multiplo, è necessario comunicare allocazione ai nodi.

Condivisione del Canale

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Tassonomia delle reti

● Una rete a datagram non è ne orientata alla connessione ne una rete priva di connessione (connectionless);

● Internet fornisce al livello delle applicazioni sia servizi orientati alla connessione (TCP) sia servizi privi di connessione (UDP).

Telecommunicationnetworks

Circuit-switchednetworks

FDM TDM

Packet-switchednetworks

Virtual circuitsNetworks

DatagramNetworks

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● L'accesso al canale di comunicazione puo' avvenire in due modalita': mediante multiplazione di un canale e mediante accesso multiplo; in entrambi i casi il problema e' quello della condivisone del canale.

– Multiplazione: problema concentrato

● tutti i flussi disponibili in un unico punto di accesso al canale,

– router, ponte radio, satellite, stazione base di rete cellulare.

– Accesso multiplo: problema distribuito

● i flussi accedono al canale da punti differenti e/o distanti,

– Reti locali, terminali mobili rete cellulare, stazioni di terra in comunicazioni via satellite.

Reti a Commutazione di pacchetto: il multiplexing

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● Internet permette alle applicazioni distribuite che vengono eseguite sui sistemi connessi alla rete, di scambiarsi dati (tra le applicazioni tipiche ricordiamo: la connessione remota, la posta elettronica, la navigazione sul world-wide-web, lo scambio di messaggi, la condivisione di files, etc).

● Internet fornisce alle applicazioni due tipi di servizi: un servizio orientato alla connessione affidabile ed uno orientato alle connessioni non affidabili. In parole povere il primo servizio garantisce che i dati trasmessi saranno consegnati all'applicazione che li ha richiesti in modo esatto e completo, il secondo tipo di connessione non garantisce nulla a proposito dei dati trasferiti. Un'applicazione distribuita su internet può utilizzare uno o entrambi questi servizi.

L'interconnessione di Reti

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I diversi standard considerati nella progettazione delle reti

● Le architetture proprietarie. Esistono oggi molte reti proprietarie che hanno grande diffusione a livello nazionale e internazionale e che non possono certamente essere ignorate anche se non sono assolutamente standard. Esse sono progettate in base a scelte indipendenti ed arbitrarie dei costruttori. Esempi sono IBM/SNA, Digital/DECnet-IV e Novell/IPX.

● Gli standard "de facto". Un esempio estremamente significativo è il TCP/IP, sistema di rete a larghissima diffusione non riconosciuto da nessun organismo internazionale di standardizzazione. Un altro esempio è Ethernet v.2.0, che è oggi la rete locale più diffusa, spesso confusa con IEEE 802.3.

● Gli standard "de iure", emessi dall'ISO (International Standard Organization) e dal CCITT (Comité Consultatif International de Telegraphie et Telephonie). Tra questi spiccano il progetto IEEE/ISO 802 (per le reti locali) e l'OSI (Open Systems Interconnection). -

● L'evoluzione tecnologica. Essa non può certo essere fermata in attesa che gli enti di standardizzazione abbiano completato il loro lavoro. Ad esempio, per definire lo standard ATM (Asynchronous Transfer Mode), le ditte realizzatrici di prodotti si sono riunite in un consorzio (ATM Forum) i cui lavori per le proposte di standardizzazione procedono molto più speditamente di quelli del CCITT.

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● Nella definizione della struttura e dei protocolli di rete si applica un modello a livelli (7 livelli) che permette di abbassare la complessita' di presentazione del canale di trasmissione. Un modello teorico astratto e standardizzato e' dato dal modello ISO/OSI. In tale modello, ogni livello funzionale ottiene dal livello sottostante un canale di comunicazione astratto con caratteristiche tecniche di livello piu' basso e fornisce un canale di comunicazione con relativi servizi al livello superiore.

● OSI significa Open System Interconnect, e comprende oltre al modello ISO/OSI una serie di protocolli e di specifiche non proprietarie.

● I livelli si astrazione che sono determinati dallo standard ISO/OSI enumerati in ordine di complessita' decrescente sono: applicazione, presentazione, sessione, trasporto, rete, data link, fisico.

Il modello di riferimento per le reti (ISO/OSI)

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Scopi del modello OSI

● Fornire una base comune su cui sviluppare gli standard per l'interconnessione dei sistemi informatici.

● Fornire un modelli rispetto al quale è possibile confrontare le architetture di rete proprietarie.

● OSI fornisce quindi, un modello di riferimento e non definisce servizi o protocolli specifici che sono invece demandati ad altri enti (IEEE, CCITT etc)

● Le componenti dei sistemi sono: i sistemi, la connessione e il processo applicativo che deve scambiare i dati.

● Per gestire la complessità progettuale il modello OSI è costruito su una architetura a livelli le cui componenti principali sono: i livelli, le entità, i punti di accesso (SAP), le connessioni.

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Modello a livelli (ISO/OSI)

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I sistemi intermedi (IS)

● In generale lo scambio di informazione non avviene direttamente tra i due sistemi finali sui quali vengono eseguite le applicazioni che devono scambiare i dati:

● E la trasmissione può in generale implicare l'attraversamento di sistemi intermedi (IS) che assumono la funzionalità di relaying. Essi assumono diversi nomi a seconda del livello in cui avviene il relaying: repeater (livello 1), bridge (livello 2), router (livello 3), gateway (livello 7).

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Protocol Data Unit

● Ogni livello N aggiunge ai dati ricevuti dal livello superiore alcune informazioni di controllo del protocollo N, dette comunemente "busta di livello N".

● I dati e la busta costituiscono i dati che verranno passati al livello inferiore che opererà in modo analogo.

● I dati generati da un protocollo di livello N sono detti N -PDU (Protocol Data Unit).

● Una volta attraversata l'interfaccia tra il livello N e il livello N-1, una (N -1)-SDU (Service Data Unit).

● La PDU di livello N-1 viene quindi costruita preponendo alla (N-1)-SDU una (N -1)-PCI (Protocol Control Information).

● Scopo della PCI è quello di contenere le informazioni di controllo del protocollo.

● Molto spesso al termine PDU vengono sostituiti quelli meno precisi, ma di uso comune, di pacchetto o trama. Nell'ambito di un pacchetto il PCI rappresenta l'header del pacchetto stesso, già definito busta.

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Le primitive OSI

● Il modello di riferimento OSI standardizza la modalità di utilizzo dei servizi offerti da un dato livello N ad un livello N+1.

● Lo standard prevede quattro primitive di servizio: Request, Indication, Response (non è usata a livello 2) e Confirm;

● Le modalità operative previste sono due:

– servizi con conferma (confirmed): in tali servizi il livello N+1 ricevente conferma l'avvenuta ricezione;

– servizi senza conferma (unconfirmed): in tali servizi il livello N+1 ricevente non conferma l'avvenuta ricezione.

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Protocolli Connessi e Non-connessi● Per tutti i livelli superiori al livello fisico sono definite due modalità operative:

– Modalità connessa (CONS: Connection Oriented Network Service): lo scambio di dati tramite pacchetti ricorda le frasi scambiate tra due interlocutori al telefono. Vi sono tre momenti principali: creazione della connessione (il comporre il numero telefonico e il "pronto" alla risposta); trasferimento dei dati (la conversazione telefonica); chiusura della connessione (i saluti finali e il posare il microtelefono).

– Modalità non connessa (CLNS: ConnectionLess Network Service): la spedizione di un pacchetto è simile alla spedizione di una lettera ordinaria con il sistema postale. Tutto avviene in una sola fase lasciando cadere la lettera nella buca delle lettere. La lettera deve contenere sulla busta l'indirizzo completo del destinatario. Non vi è alcun riscontro diretto che la lettera giunga a destinazione correttamente.

● Un dato livello può fornire al livello superiore servizi di tipo connesso, non-connesso o entrambi. Questa è una scelta progettuale che varia per ogni livello, da architettura ad architettura. Lo standard originale ISO 7498 prevedeva solo la modalità connessa ma, vista l'importanza della modalità non connessa, è stata aggiunta in seguito come emendamento allo standard stesso (ISO 7498/Addendum 1).

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Principali Protocolli OSI

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Lo standard Ethernet

● Nei primi anni '70 tre industrie di alta tecnologia formarono il consorzio DIX per lo sviluppo di una rete locale. DIX, dalle iniziali dei tre membri, Digital Equipment Corp., Intel Corp. e Xerox Corp., lavorò per circa 10 anni su una prima versione di Ethernet, la 1.0, operante a 10 Mb/s.

● Nell'anno 1982 DIX pubblicò le specifiche di Ethernet versione 2.0: in quel momento nacque quella che sarebbe diventata la rete locale per antonomasia.

● Anche il comitato americano IEEE iniziò lo sviluppo dello standard 802.3 che è basato su Ethernet, ma che differisce da questo per alcune caratteristiche logiche, riferite al livello Data Link, ed elettroniche (livello Fisico) riferite ai transceiver ed ai repeater.

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IEEE 802.3

● Nel 1985 lo standard IEEE 802.3 è stato adottato dal comitato tecnico 97 dell'ISO come DIS (Draft International Standard) ISO/DIS 8802.3 e nel 1989 approvato come standard ISO 8802.3.

● Negli anni successivi il comitato IEEE ha lavorato per migliorare le caratteristiche e la flessibilità del livello fisico del 8802.3, aggiungendo l'uso di diversi mezzi trasmissivi; l'ultimo supplemento è stato pubblicato il 13 ottobre 1993.

● I costi ridotti degli apparati e la grande facilità di progettare e realizzare reti di piccole dimensioni sono state le chiavi di successo di Ethernet e, sebbene ormai quasi tutti gli apparati in commercio siano conformi alle specifiche 802.3, essi vengono spesso identificati con il nome originale Ethernet.

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Gli standard dell'IEEE per le reti locali

●Standardizzati negli anni '80 dal progetto IEEE 802, che ha definito:

– 802.1 (Higher Layers and Management): introduzione all'Internetworking di LAN, contiene le specifiche generali del progetto 802 ed è uno standard composto da molte parti tra cui:

● 802.1 Part A: Overview and Architecture ● 802.1 Part B: Addressing Internetworking and Network

Management ● 802.1 Part D: MAC Bridges;

– 802.2: sottolivello LLC;

– 802.3: CSMA/CD (algoritmo su cui è basato Ethernet);

– 802.4: Token Bus;

– 802.5: Token Ring;

– 802.6: DQDB (per reti metropolitane o MAN).

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Ulteriori standard IEEE per le reti locali

● Agli standard originariamente considerati si sono poi aggiunti:

– 802.7: Broadband Technical Advisory Group

– 802.8: Fiber-Optic Technical Advisory Group

– 802.9: Integrated Data and Voice Networks

– 802.10: Network Security

– 802.11: Wireless Networks

– 802.12: 100 base VG

– 802.13: 100 base X

– 802.15: Bluetooth

– 802.17: Resilient Packet Ring

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Definizione dell'IEEE 802 delle LAN

● Definiamo rete locale (LAN – Local Area network) un sistema di comunicazione che permette a sistemi indipendenti di comunicare tra loro entro un'area delimitata utilizzando un canale fisico a velocita' elevata e con basso tasso di errore.

● Le esigenze che determinano l'impiego di una rete di tipo LAN sono:

– La comunicazione è di tipo impulsivo (o a burst; un sistema o non trasmette oppure trasmette una gran quantita' di dati);

– La velocita' di trasmissione richiesta è elevata;

– Il canale di comunicazione è condiviso tra tutti i sistemi.

● Gli elementi principali che caratterizzano le LAN:

– Caratteristiche fisiche: cablaggio strutturato (standardizzato con EIA/TIA 568, ISO/IEC 11801);

– Carattersitiche logiche: protocolli di comuncazione (insieme di protocolli standard IEEE 802);

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a) Piccola estensione geografica;

b) Mezzo trasmissivo condiviso, può trasmettere solo un nodo alla volta;

c) Motivazioni: traffico impulsivo per il quale,

i. canale dedicato sarebbe male utilizzato,

ii. quando trasmetto voglio alta velocità;

d) Trasmissione broadcast: comodo per traffico broadcast e multicast (ma e' necessario specificare un indirizzo destinatario per ottenere unicast);

e) Topologie: bus, anello, stella, bus monodirezionale.

Caratterizzazione delle Reti Locali

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Attributi di una LAN

●Affidabilità: la tecnologia delle LAN è assolutamente consolidata e consente di ottenere affidabilità elevatissime, tali da permettere a molti costruttori di produrre schede di rete locale con garanzia illimitata;

●Flessibilità: le LAN sono utilizzate per applicazioni disparate, dalle LAN di soli PC all'integrazione PC-mainframe, fungendo da supporto unificato per più architetture di rete, tra loro incompatibili ai livelli superiori del modello OSI;

●Modularità: le LAN possono essere realizzate utilizzando componenti di molti costruttori diversi, perfettamente interscambiabili;

●Espandibilità: le LAN sono strutture appositamente concepite per fornire una crescita graduale nel tempo, secondo le esigenze dell'utente;

●Gestibilità: la maggior parte dei componenti delle LAN prodotti negli ultimi anni sono concepiti per essere gestiti mediante accessi remoti utilizzando il protocollo SNMP (Simple Network Management Protocol), che è un protocollo applicativo basato su UDP/IP.

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ISO/OSI vs. Ethernet/IEEE 802

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Sottolivelli del livello Data-link

IEEE 802 ha suddiviso il livello Data-Link in due sottolivelli:

LLC (Logical Link Control) è comune a tutte le LAN ed è l'interfaccia verso il livello network; i servizi e i protocolli di questo sottolivello sono descritti nello standard IEEE 802.2;

MAC (Media Access Control) è specifico per ogni architettura di rete e risolve il problema della condivisione del mezzo trasmissivo, nel seguito vedremo solo il livello MAC specifico di ethernet.

802.3 Media Access Control

802.2 Logical Link ControlLLC

MAC

Il MAC è indispensabile in quanto abbiamo già visto che le LAN implementano sempre una sottorete di tipo broadcast in cui ogni sistema riceve tutti i frames inviati dagli altri sistemi.

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Il livello MAC (Media Access Control)

● Nelle LAN il livello MAC realizza sempre una rete di tipo broadcast: – ogni stazione a livello data link riceve le trame inviate da tutte le altre

stazioni. ● La condivisione del canale trasmissivo comporta due problemi:

– In trasmissione, verificare che il canale sia libero prima di trasmettere e risolvere i conflitti nel caso in cui più sistemi tentino di accedere il canale nello stesso momento,

– In ricezione, determinare a quale sistema è destinato un messaggio e chi lo ha generato.

● Il broadcast può essere realizzato: – con topologie intrinsecamente broadcast quali il bus,– con topologie punto a punto quali l'anello;

● I canali trasmissivi sono sufficientemente affidabili e non è necessario in genere correggere gli errori a livello MAC.

● Le LAN sono connectionless a livello MAC IEEE 802.3.

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Indirizzi MAC

● Gli indirizzi MAC sono lunghi 6 bytes, si scrivono per convenzione in esadecimale e sono univoci a livello mondiale. Sono scritti dal costruttore in una ROM della scheda, e possono eventualmente essere sostituiti da indirizzi scritti in un buffer della scheda.

● Un indirizzo è composto di due serie di 3 bytes:

– OUI (Organization Unique Identifier): sono i tre bytes più significativi e individuano univocamente il costruttore della scheda.

– I tre bytes meno significativi sono assegnati dal costruttore della scheda alla scheda stessa (attenzione non al modello ma alla scheda stessa).

● Ad esempio un MAC address:

MAC 08 00 2B 3C 07 9A

sta ad indicare una scheda prodotta dal costruttore Digital Eq. Corp. il cui identificativo è 08-00-2B.

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Classi di indirizzi MAC

● La soluzione del secondo problema implica la presenza di indirizzi a livello MAC (quindi nella MAC-PDU) che trasformino trasmissioni broadcast in:

– tramissioni punto-punto, se l'indirizzo di destinazione indica un singolo sistema;

– trasmissioni punto-gruppo, se l'indirizzo di destinazione indica un gruppo di sistemi;

– trasmissioni effettivamente broadcast, se l'indirizzo di destinazione indica tutti i sistemi.

● Gli indirizzi MAC possono quindi essere di tre tipi:

– Single: indirizzo riferito ad un unico sistema;

– Multicast: riferito ad un gruppo di sistemi;

– Broadcast: riferito a tutti i sistemi.

● Gli indirizzi di gruppo servono principalmente per scoprire quali altri sistemi sono collegati alla rete locale, quali servizi questi mettono a disposizione e le relazioni esistenti tra gli indirizzi MAC e gli indirizzi di livello 3. La trasmissione in multicast ha due diverse modalità d'impiego: solicitation oppure advertisement.

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IEEE 802.2: Logical Link Control

● Protocollo per reti locali ispirato a HDLC (High level datalink control). ● Standard ISO 8802/2.● Principali caratteristiche:

– protocollo orientato al carattere (non si utilizzano i delimitatori 01111110),– non si controllano gli errori (non è previsto un campo per il CRC, cyclic

redundancy code),– Le LLC-PDU contengono indirizzo sorgente e indirizzo destinazione:

Destination Address Source Address Control Information1 byte 1 byte 1 o 2 bytes m bytes

● In particolare il campo di controllo può contenere:

– Unnumbered PDU (U-PDU). Si utilizzano per trasportare i dati di utente (nella modalità non connessa) per scopi di inizializzazione e per ragioni diagnostiche;

– Information PDU (I-PDU). Sono usate nella modalità connessa per trasportare i dati di utente;

– Supervisory PDU (S-PDU). Sono usate nella modalità connessa per trasportare le informazioni di controllo del protocollo.Protocollo per reti locali ispirato a HDLC (High level datalink control).

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Gli indirizzi LLC

● Scopo di LLC è anche quello di fornire un supporto standard alla convivenza di più protocolli di livello superiore (ad esempio, DECnet, TCP/IP) sulla stessa LAN. A tal fine LLC ha un suo SAP (Service Access Point, LLC-SAP) che viene utilizzato per distinguere tra i protocolli di network che su di esso si appoggiano.

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I servizi forniti da LLC

● LLC offre al livello network tre tipi di servizi:

– Unacknowledged connectionless service (LLC Type 1). In questa modalità il trasferimento dati è non connesso senza conferma. È la modalità preferita da molte architetture di rete proprietarie tra cui DECnet e TCP/IP;

– Connection oriented service (LLC Type 2). Questa modalità crea dei circuiti virtuali tra mittenti e destinatari prima di effettuare la trasmissione. È una modalità connessa, molto spesso adottata nelle architetture di rete IBM;

– Semireliable service (LLC Type 3). In questa modalità il trasferimento dati è non connesso, ma con conferma. È una modalità pensata per i protocolli da utilizzarsi in ambito di fabbrica.

● I sistemi possono realizzare uno o più tipi di servizi LLC secondo la seguente classificazione: - Classe I: realizza solo i servizi LLC tipo 1; - Classe II: realizza i servizi LLC tipo 1 e 2; - Classe III: realizza i servizi LLC tipo 1 e 3; - Classe IV: realizza tutti i tre tipi di servizi LLC.

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CSMA/CD (Ethernet)

● Sicuramente e' la tecnologia LAN di maggior successo negli ultimi 20 anni.

● E' stata sviluppata negli anni '70 presso lo Xerox Palo Alto Research Center (PARC), e costituisce un esempio di tecnologia LAN del tipo Carrier Sense, Multiple Access with Collision Detect (CSMA/CD).

● L'algoritmo di base su cui funziona ethernet non e' stato cambiato in modo sostanziale ma nel corso degli anni e' stato adattato per funzionare a diverse velocita' e su diversi mezzi fisici.

● Come indicato dall'acronimo CSMA e' un protocollo per una rete di trasmissione ad accesso multiplo; un insieme di nodi inviano e ricevono dati su di un canale condiviso.

● Si puo' pensare a ethernet come ad un bus dati con piu' dispositivi connessi.

● Il termine “Carrier Sense” indica che i dispositi sono in grado di distinguere se il canale e' occupato oppure libero. Mentre il termine “Collision Detect” indica che un nodo puo' durante una trasmissione individuare se anche un altro nodo era in fase di trasmissione e quindi ha creato una interferenza nella trasmissione.

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Il protocollo CSMA/CD

● Le reti Ethernet e 802.3 sono nate con una topologia a bus basata su cavo coassiale, con velocità trasmissiva di 10Mb/s, e coinvolgono il livello 1 della pila OSI ed il sottolivello MAC del livello 2. Il MAC, cioè il metodo usato per arbitrare l'utilizzo del canale trasmissivo tra le stazioni della rete, è il CSMA/CD, identico in Ethernet e in 802.3.

● Il protocollo opera in tre diverse fasi:

– carrier sense (rilevazione della trasmissione): ogni stazione che deve trasmettere ascolta il bus e decide di trasmettere solo se questo è libero (listen before talking);

– multiple access nonostante il carrier sense è possibile che due stazioni, trovando il mezzo trasmissivo libero, decidano contemporaneamente di trasmettere; la probabilità di questo evento è aumentata dal fatto che il tempo di propagazione dei segnali sul cavo non è nullo, e quindi una stazione può credere che il mezzo sia ancora libero anche quando un'altra ha già iniziato la trasmissione;

– collision detection se si verifica la sovrapposizione di due trasmissioni si ha una "collisione"; per rilevarla, ogni stazione, mentre trasmette un pacchetto, ascolta i segnali sul mezzo trasmissivo, confrontandoli con quelli da lei generati (listen while talking).

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CSMA/CD: lo jamming

● A seguito di un'avvenuta collisione si intraprendono le seguenti azioni:

– la stazione trasmittente sospende la trasmissione e trasmette una sequenza di jamming (interferenza trasmissiva) composta da 32 bit per 802.3 ed un numero di bit compreso tra 32 e 48 per Ethernet v.2.0; questa sequenza permette a tutte le stazioni di rilevare l'avvenuta collisione;

– le stazioni in ascolto, riconoscendo il frammento di collisione costituito dalla parte di pacchetto trasmessa più la sequenza di jamming, scartano i bit ricevuti;

– la stazione trasmittente ripete il tentativo di trasmissione dopo un tempo pseudo-casuale per un numero di volte non superiore a 16.

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Ethernet v. 2.0

● Lo standard Ethernet si colloca nei primi due livelli della pila OSI senza seguire gli standard IEEE 802 ed in particolare senza adottare il protocollo IEEE 802.2 LLC.

● La differenza principale è nel diverso tipo di imbustamento, differenza che è importante comprendere in quanto molti protocolli di livello 3 usano questa metodologia di imbustamento invece di usare quella 802.3.

● L'utilizzo di imbustamento Ethernet è comune anche su hardware 802.3 in quanto è elevato il livello di interoperabilità e di convivenza tra i due standard.

● Livello Fisico: le principali caratteristiche relative al livello fisico sono: velocità trasmissiva 10 Mb/s; 2.8 km di distanza massima ammessa tra le due stazioni più distanti; 1024 stazioni al massimo in una LAN; cavo coassiale di tipo thick (tipo RG213) come unico mezzo trasmissivo ammesso; topologia a bus.

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Ethernet v. 2.0: livello data-link

● Il pacchetto Ethernet ha una lunghezza variabile compresa tra 64 e 1518 ottetti. ● In testa al pacchetto c'è un preambolo di 7 ottetti (sequenza alternata di uni e di zeri) che serve alla

stazione ricevente per sincronizzarsi sul clock di quella trasmittente;● Segue c'è un ottetto di SFD (Start Frame Delimiter, corrispondente alla sequenza di bit 11010101)

che indica l'inizio del pacchetto. ● Un campo di destination address è contenuto l'indirizzo della stazione a cui è destinato il pacchetto,

e nel campo di source address è contenuto l'indirizzo della stazione che ha generato il pacchetto. ● Nel campo type è contenuto il codice associato al protocollo di livello superiore che ha generato la

PDU contenuta nel campo data (i valori possibili per tale campo sono riportati in appendice A, paragrafo A.2).

● Il campo FCS (Frame Check Sequence) contiene il valore di CRC calcolato sulla base dei campi descritti precedentemente.

● Si noti che non esiste un segnalatore di fine pacchetto: tale ruolo è assunto dall'Inter Packet Gap, la cui durata non può quindi scendere sotto il valore minimo fissato in 9.6 ms.

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Ethernet: configurazioni a livello fisico

● Velocità trasmissione: 10 Mb/s (100 Mb/s, 1 Gb/s, ... )

● Stazioni: max 1024 separate da max 2.8 Km

● Mezzi trasmissivi:

– cavo coassiale schermato a 50 Ohm (10base 2)

– doppino telefonico UTP da 100 Ohm (10base T)

– fibra ottica (100 Mb/s e 1 Gb/s)

● Topologie: a bus, a stella.

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Ethernet: temporizzazioni

● Slot time = 512 bit time (51.2 µs)

– unità base di attesa prima di una ritrasmissione (pari ad un pacchetto di dimensione minima)

● Attempt limit n=16

– Massimo numero di tentativi di ritrasmissione

● Backoff limit = 10

– Numero di tentativi oltre al quale non aumenta più il valor medio del back-off

● In caso di n-esima collisione di un pacchetto, si ritrasmette dopo ritardo casuale tra 0 e 2^(k-1) slot time, con k=min(n, 10)

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Ethernet: parametri e temporizzazioni

● Inter Packet Gap = 9.6 µs (distanza minima tra due pacchetti)

● Jam size = da 32 a 48 bit (lunghezza della sequenza di jamming)

● Max frame size = 1518 ottetti (lunghezza massima del pacchetto, esclude preambolo e interpacket gap)

● Min frame size = 64 ottetti (512 bit) (lunghezza minima del pacchetto)

● Address size = 48 bit (lunghezza indirizzi MAC)

● Pacchetto minimo 512 bit, ovvero 51.2 µs

● Ritardo di propagazione massimo end-to-end (round trip delay) ammesso dallo standard: 45 µs

● Si rispetta la condizione che il ritardo di propagazione non eccede la minima durata del pacchetto per garantire il rilevamento delle collisioni.

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Lo standard IEEE 802.3

● Lo standard 8802.3 si colloca al livello 1 della pila OSI e al sottolivello MAC del livello 2, mentre il Logical Link Control è demandato allo standard 8802.2.

● IEEE 802.3 nasce come architettura a bus su cavo coassiale ed evolve successivamente verso topologie a stella basate sull'utilizzo di cavi UTP e fibre ottiche.

● Le velocità trasmissive sono 1 Mb/s (versione 1Base5) e 10 Mb/s (versioni 10Base5, 10Base2, 10BaseT, 10BaseF, 10Broad36), e il metodo di accesso è il CSMA/CD.

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IEEE 802.3: livello fisico

Le principali caratteristiche relative al livello Fisico sono:

● Velocità trasmissiva 10 Mb/s;

● 4 km di distanza massima ammessa tra le due stazioni più distanti (caso di 2 link in fibra ottica 10BaseFL da 2 km ciascuno, con due stazioni connesse agli estremi ed un ripetitore interposto tra i link in fibra ottica);

● Massimo di 1024 stazioni collegabili;

● Mezzi trasmissivi ammessi:

– cavo coassiale di tipo thick (standard 10Base5, 10Base2),

– cavo coassiale di tipo thin,

– Doppini (10BaseT),

– fibre ottiche multimodali (10BaseF),

– cavo CATV;

● Topologie ammesse: bus, punto-punto, stella.

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IEEE 802.3: datalink (sottolivello MAC)

● Le funzioni dello standard 802.3 relative al sottolivello MAC coincidono con quelle del protocollo CSMA/CD.

● I parametri del sottolivello MAC sono:

– Slot time = 512 bit time (51.2 µs)

● unità base di attesa prima di una ritrasmissione (pari ad un pacchetto di dimensione minima)

– Inter Packet Gap: 9.6 µs

● Distanza minima tra due pacchetti

– Attempt limit n = 16

● Massimo numero di tentativi di ritrasmissione

– Backoff limit n = 10

● Numero di tentativi oltre al quale non aumenta più il valor medio del back-off.

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IEEE 802.3: datalink (parametri sottolivello MAC)

● Jam size = 32 bits (lunghezza della sequenza di jamming)

● Max frame size = 1518 ottetti (lunghezza massima del pacchetto, esclude preambolo e interpacket gap)

● Min frame size = 64 ottetti (512 bit) (lunghezza minima del pacchetto)

● Address size = 48 bit (lunghezza indirizzi MAC)

● Pacchetto minimo 64 bytes, ovvero 512 bits, ovvero 51.2 µs

● SFD (start frame delimiter) sequenza di bit (11010101) delimita l'inizio del pacchetto.● PAD e' un campo che contiene dei bit per garantire la lunghezza minima di 64 bit per il

pacchetto.● Length indica il numero di bytes contenuti nel campo DATA,● FCS (frame check sequence) contiene il valore CRC associato ai campi che lo precedono.

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Formato delle Ethernet PDU (Protocol Data Units)

● Il primo bit, normalmente a zero nell'indirizzo sorgente unicast, viene rimosso ed utilizzato per distinguere i comandi dalle risposte.

● Il campo di controllo è di 8 bit nelle PDU non numerate, di 16 nelle PDU numerate.

● La dimensione massima dipende dai vincoli del livello MAC.

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Transceiver e Controller

● I transceiver variano a seconda del mezzo trasmissivo che interfacciano ed a seconda delle specifiche relative ai supplementi di 802.3.

● Il transceiver è l'elemento che permette la trasmissione/ricezione dei pacchetti tra l'interfaccia (Ethernet controller) ed il mezzo trasmissivo (cavo coassiale). L'interfaccia è collegata al transceiver tramite un cavo transceiver

● Vi e' una diversa tempistica del segnale di heartbeat rispetto al protocollo Ethernet 2 che ora assume anche un altro nome - SQE test (Signal Quality Error test) - e della possibilità di abilitare o disabilitare questo segnale.

● I transceiver sono anche detti MAU (Medium Attachment Unit) e sono composti da due parti:

– PMA (Physical Medium Attachment)

– MDI (Medium Dependent Interface).

● Un controller 802.3 ha le stess funzioni del controller ethernet e inoltre puo' avere il tranceiver integrato al suo interno

● Il segnale SQE test e' incompatibile tra i transceiver Ethernet v.2 e un controller 802.3.

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Repeater e Cavo● Il cavo AUI (Attachment Unit Interface) ha le stesse funzioni del cavo

tranceiver per Ethernet ma ha un migliore collegamento per cui ne risulta una comunicazione meno disturbata.

● Il ripetitore lavora a livello fisico e ripete i segnali ricevuti su un segmento a tutti gli altri segmenti.

– ripete le stringhe di bit ricevuti su un segmento e le trasmette sugli altri segmenti con un'ampiezza di segnale appropriata;

– assicura che la simmetria dei segnali sia entro la tolleranza richiesta dalle specifiche del MAU (transceiver); – decodifica, secondo il metodo Manchester, le stringhe seriali di bit ricevute su una porta e le ricodifica prima

di ritrasmetterle sulle altre porte, ritemporizzando quindi tutti i bit da trasmettere; – si occupa della gestione della collisione: se viene rilevata su una qualunque porta, il ripetitore trasmette la

sequenza di jam di 96 bit su tutte le porte; tale sequenza serve a garantire la propagazione della collisione su tutti i segmenti;

– rigenera il preambolo: il ripetitore deve trasmettere un minimo di 56 bit di preambolo seguiti dallo SFD; – quando riceve un frammento di collisione inferiore a 96 bit incluso il preambolo, estende questo frammento

con una sequenza di jam in modo che il numero di bit ritrasmessi sia uguale a 96; – protegge i segmenti connessi ad esso da errori di jabber (pacchetti troppo lunghi); quando si accorge che sta

trasmettendo una stringa di bit per un periodo continuativo superiore a 5 ms interrompe la trasmissione e la riabilita dopo un tempo che va da 9.6 a 11.6 ms;

– può opzionalmente isolare una porta (e quindi partizionare la rete), per un determinato periodo di tempo, quando su questa si verificano più di 30 collisioni consecutive;

– Il ripetitore può ospitare al suo interno i transceiver integrati.

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10Base5 – Coax

● Le specifiche di questo standard riguardano le caratteristiche dei MAU e dei mezzi trasmissivi che sono relative alla velocità trasmissiva di 10 Mb/s (numero indicato nel primo campo del nome dello standard) e sono basate su un segmento di 500 m (5 unità da 100 m, numero indicato nel secondo campo del nome dello standard) dove si connettono le stazioni.

● Il MAU 10Base5 è in grado di trasmettere e ricevere dei segnali elettrici lungo un segmento coassiale thick di 500 m.

● L'elemento MDI (Medium Dependent Interface) è costituito dai circuiti driver e receiver per il cavo coassiale e da un sistema di accoppiamento meccanico chiamato tap.

● Il segmento 10Base5 è costituito da un cavo coassiale da 50 W di tipo RG213 (chiamato anche "cavo thick" o "cavo giallo" o "cavo Ethernet"), le cui specifiche sono le stesse richieste dall'Ethernet v. 2.0.

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10Base5 – Coax (Regole di configurazione)

● Le regole di configurazione riguardanti il singolo segmento da 500 m sono le stesse di Ethernet v. 2.0 e sono:

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10Base5 – FOIRL

● In alternativa al cavo coassiale e al relativo MAU è possibile utilizzare fibra ottica e un FOMAU (Fiber Optic MAU).

● Il FOMAU (chiamato normalmente MAU o transceiver FOIRL) è in grado di trasmettere e ricevere segnali ottici lungo un segmento in fibra ottica di lunghezza massima pari a 1000 m; questo segmento è di tipo link e viene chiamato con il nome di FOIRL (Fiber Optic Inter Repeater Link).

● Il FOMAU è composto da due componenti:– un FOPMA (Fiber Optic Physical Medium Attachment);– un FOMDI (Fiber Optic Medium Dependent Interface) che è costituito

dagli emettitori basati su LED, dai ricevitori e dai connettori che sono utilizzati per connettere fisicamente la fibra ottica.

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10Base5 – FOIRL (funzionalita' del FOMAU)

● Le funzioni principali del FOMAU sono le seguenti: -

● funzione di trasmissione: la stringa di bit ricevuta dal ripetitore viene trasmessa sulla fibra ottica;

● funzione di ricezione: la stringa di bit ricevuta dalla fibra ottica viene trasmessa al ripetitore;

● funzione di rilevamento della collisione;

● funzione di optical-idle: in assenza di dati trasmette un segnale di idle che consiste in una sequenza periodica di impulsi ottici aventi una frequenza di 1 MHz con tolleranza +25% -15%;

● funzione di jabber: quando il FOMAU riceve dall'interfaccia una stringa di bit di lunghezza superiore alla massima interrompe la funzione di trasmissione;

● funzione di low light level detection: quando riceve dei segnali ottici di intensità inferiore ad una certa soglia di sicurezza interrompe la funzione di ricezione.

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10Base5 – FOIRL (FOMAU, caratteristiche ottiche)

Le caratteristiche ottiche del FOMAU sono le seguenti:

– trasmissione sulla fibra ottica tramite l'impiego di LED che lavorano alla lunghezza d'onda di 850 nm;

– valore di picco del segnale ottico trasmesso: -12 dBm ± 2 dB misurato con un accoppiamento tramite fibra ottica 62.5/125 mm;

– sensibilità del ricevitore: da -27 a -9 dBm;

Il power budget che si ha a disposizione sul link è di 13 dB; questo è il risultato della differenza tra il segnale di picco trasmesso con il limite di tolleranza peggiore, e la sensibilità massima del ricevitore: 27 - 14 = 13 dB. A questo valore bisogna sottrarre 1 dB di tolleranza sull'accoppiamento della fibra ottica, più 3 dB di margine per il degrado della sorgente ottica dovuto al tempo di vita del LED, per cui si ottiene un budget reale di 9 dB.

I connettori utilizzati sono il tipo "ST" per le fibre ottiche con il cladding da 125 mm (50/125, 62.5/125) e il tipo "F-SMA" per la fibra 100/140.

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10BaseT

● Le specifiche di questo standard riguardano le caratteristiche dei MAU e dei mezzi trasmissivi alla velocità di 10 Mb/s (numero indicato nel primo campo del nome dello standard) su un segmento di Twisted Pair (doppino) come indicato dalla "T" presente nel secondo campo del nome dello standard.

● 10BaseT ammette la connessione di due sole stazioni in modalità punto-punto.

● La particolarità di questo standard implica l'utilizzo di ripetitori multiporta per poter connettere più di due stazioni in rete e la topologia è quindi di tipo stellare.

● Pertanto, data l'esatta corrispondenza di specifiche con gli standard per i cablaggi strutturati sia in termini di topologia che in termini di caratteristiche elettriche dei mezzi trasmissivi, lo standard 10BaseT è particolarmente adatto per essere utilizzato in tali installazioni.

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10BaseT: MAU

● Il MAU (transceiver) 10BaseT è in grado di trasmettere e ricevere dei segnali elettrici lungo un segmento di doppino (normalmente UTP di categoria 3 o superiore) di circa 100 m. L'elemento MDI (Medium Dependent Interface) è costituito dai circuiti driver e receiver per il doppino e da una presa RJ45 (jack a 8 contatti con chiave centrale).

● Assegnazione dei contatti (assegnazione che corrisponde alle coppie 2 e 3 degli standard per i cablaggi strutturati):

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10BaseT: MAU (funzionalita')

Le funzioni principali del MAU 10BaseT sono: ● funzione di trasmissione: trasferisce i dati codificati secondo la codifica Manchester dal

circuito DO (Data Output) alla coppia di trasmissione TD (Transmit Data); se sul circuito DO non c'è alcuna trasmissione in corso trasmette sulla coppia TD un segnale di idle detto TP_IDL;

● funzione di ricezione: trasferisce i dati codificati ricevuti sulla coppia RD (Receive Data) al circuito DI (Data In);

● funzione di rilevamento della collisione: quando rileva simultaneamente la presenza di dati sia sulla coppia RD che sul circuito DO, riporta un segnale di collisione sul circuito CI (Collision In);

● SQE test: invia un segnale di test del circuito di rilevazione delle collisioni sul circuito CI alla fine della trasmissione del pacchetto;

● funzione di jabber: quando riceve una stringa di dati da DO superiore alla lunghezza massima ammessa del pacchetto 802.3 interrompe la funzione di trasmissione;

● funzione di loopback: durante il trasferimento dei dati dal circuito DO alla coppia TD esegue anche lo stesso trasferimento dei dati verso il circuito DI;

● funzione di link integrity test: protegge la rete dalle conseguenze di un'eventuale rottura del link RD; se in un intervallo di tempo compreso tra 50 e 150 ms il MAU non riceve dei dati oppure il segnale TP_IDL, entra in uno stato di link test fail.

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10BaseT: MAU (caratteristiche del cavo)

Il segmento 10BaseT è costituito da un cavo avente come minimo due coppie ritorte da 100 W con le seguenti caratteristiche minime:

– impedenza 100 ± 15 W misurata alle frequenze comprese tra 1 e 16 MHz; - velocità di propagazione minima 0.585 c, dove c è la velocità della luce;

– attenuazione massima del segmento, includendo cavi e connettori, 11.5 dB nelle frequenze comprese tra 5 e 10 MHz;

– valore minimo richiesto di attenuazione di diafonia tra le coppie (NEXT) per un cavo UTP a 4 coppie: 26 - 15 log10(f/10) dB nell'intervallo di frequenza compreso tra 5 e 10 MHz, dove "f" è la frequenza espressa in MHz;

– valore minimo richiesto di attenuazione di diafonia tra le coppie (NEXT) per un cavo UTP a 25 coppie: 30 - 15 log10(f/10) dB nell'intervallo di frequenza compreso tra 5 e 10 MHz, dove "f" è la frequenza espressa in MHz.

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10BaseF

● Lo standard 10BaseF si occupa di regolamentare l'utilizzo della fibra ottica come mezzo trasmissivo per LAN 802.3.

● Esso si suddivide in tre sotto-standard che sono:

– 10BaseFP basato sull'utilizzo di stelle ottiche passive;

– 10BaseFB basato su una trasmissione sincrona sulla fibra ottica;

– 10BaseFL compatibile con il precedente standard FOIRL, ma notevolmente migliorato.

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10BaseFB

● Le specifiche di questo standard riguardano le caratteristiche dei MAU e dei mezzi trasmissivi per la velocità di 10 Mb/s su segmenti in fibra ottica con funzione di dorsale tra due ripetitori (FB: Fiber Backbone).

● Una delle prime bozze identificava questo standard con il nome 10BaseFA (Fiber Active) in quanto permetteva sia la connessione di ripetitori, sia di stazioni. Il comitato IEEE ha poi limitato lo standard definitivo a semplici funzioni di dorsale: è quindi possibile utilizzare dei segmenti 10BaseFB soltanto per interconnettere due ripetitori. Questa limitazione non ha ragioni di tipo funzionale e aziende come la Chipcom e la Lannet producono ancora oggi transceiver compatibili alle specifiche 10BaseFB che servono per interconnettere le stazioni alle stelle attive.

● Lo standard 10BaseFB, essendo di tipo sincrono, si presta meglio di altri alla costruzione di transceiver fault-tolerant; questi transceiver sono dotati di 2 porte in fibra ottica, di cui una main ed una backup. Nel caso di un guasto sul main link il transceiver commuta in breve tempo (circa 20 ms) sulla porta di backup.

● Non è possibile scindere fisicamente il MAU dal ripetitore in quanto formano un unico insieme.

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10BaseFB: MAU, caratteristiche

● Le caratteristiche principali del MAU 10BaseFB sono le seguenti:

– la velocità trasmissiva è di 10 Mb/s;

– opera su un segmento in fibra ottica che può avere una lunghezza massima di 2000 m;

– trasmette i dati ed il segnale di idle in modo sincrono con i bit di clock e quindi riceve i dati senza aver bisogno di risincronizzarsi su ogni pacchetto;

– prevede una connessione point-to-point tra due ripetitori, e permette dei cablaggi a topologia stellare quando è utilizzato con ripetitori multiporta.

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10BaseFB: MAU, funzionalita'

● Le funzioni principali del MAU 10BaseFB sono le seguenti:– trasmette i messaggi ricevuti dal ripetitore sulla fibra ottica; questa funzione si suddivide

in tre sottofunzioni: conversione dei segnali elettrici in ottici, generazione del segnale SIDL (Synchronous IDLe) quando riceve il messaggio di output idle dal ripetitore, generazione del segnale RF (Remote Fault) in caso di guasto del link;

– in assenza di dati trasmette il segnale di synchronous idle che serve per mantenere sempre agganciati in frequenza i transceiver posti ai due estremi di un segmento in fibra ottica; esso ha una frequenza costante di 2.5 MHz;

– in caso di ricezione con presenza di anomalie quali: jabber (pacchetto di lunghezza superiore al massimo consentito), low-light (segnale ottico insufficiente), invalid data (dati non validi), lock-lost (perdita della sincronizzazione), trasmette il segnale di remote-fault che ha una frequenza di 1.667 MHz;

– riceve i segnali ottici dalla fibra ottica e trasmette i messaggi al ripetitore; questa funzione si suddivide in due sottofunzioni: conversione dei segnali ottici in elettrici, rilevazione dei segnali di SIDL e RF e interpretazione di quelli RF;

– rileva la collisione nel caso in cui ci sia simultaneità di ricezione del segnale d'ingresso del ripetitore e di quello di uscita verso il MAU;

– le funzioni di jabber e di loopback sono simili a quelle degli altri tipi di MAU; – la funzione di gestione delle condizioni di guasto (fault condition) che possono essere: low

light, receive jabber, invalid data e remote fault.

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10BaseFB: regole di configurazione

● Le regole di configurazione riguardanti il segmento 10BaseFB sono:

– può solo interconnettere due ripetitori e quindi le connessioni alle stazioni non sono ammesse;

– la lunghezza massima del segmento è di 2000 m.

● Dal momento che non è necessario risincronizzarsi su ogni pacchetto ricevuto, il ripetitore non necessita di rigenerare i bit persi del preambolo poiché, essendo il MAU ricevente agganciato perfettamente in frequenza con quello trasmittente, non si ha perdita di bit.

● Non c'è il rischio di riduzione dell'Inter Packet Gap dovuta alla perdita di alcuni bit del preambolo, e questo permette di poter avere parecchi segmenti 10BaseFB in cascata.

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10BaseFL

● Le specifiche di questo standard riguardano le caratteristiche dei MAU e dei mezzi trasmissivi per la velocità di 10 Mb/s (numero indicato nel primo campo del nome dello standard) su segmenti in fibra ottica di tipo link (FL: Fiber Link) cioè per interconnettere ripetitori e stazioni in modalità punto-punto e stellare.

● Il modello di riferimento di una connessione 10BaseFL è mostrato lo stesso delle connessioni 10BaseT.

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10BaseFL: caratteristiche

● Le caratteristiche principali del MAU 10BaseFL sono le seguenti:

– la velocità trasmissiva è di 10 Mb/s;

– opera su un segmento in fibra ottica che può avere una lunghezza massima di 2000 m;

– permette al DTE o al ripetitore di verificare la connessione al MAU e di questo al mezzo trasmissivo tramite un segnale OPT_IDL;

– prevede una connessione punto-punto tra due MAU, e permette dei cablaggi a topologia stellare quando è utilizzato con dei ripetitori multiporta.

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10BaseFL: MAU, funzionalita'

Funzioni principali del MAU 10BaseFL: ● funzione di trasmissione: trasferisce i dati codificati secondo la codifica Manchester dal

circuito DO (Data Output) alla fibra ottica trasmittente (OTD); se sul circuito DO non c'è alcuna trasmissione in corso trasmette sulla fibra ottica un segnale di idle detto OPT_IDL;

● funzione di ricezione: trasferisce i dati codificati ricevuti sulla fibra ottica (ORD) al circuito DI (Data Input);

● funzione di rilevamento della collisione: quando rileva simultaneamente la presenza di dati sia sulla fibra ottica ricevente (ORD) che sul circuito DO, riporta un segnale di collisione sul circuito CI (Collision Input);

● Signal Quality Error (SQE) test: invia un segnale di test del circuito di rilevazione delle collisioni sul circuito CI alla fine della trasmissione del pacchetto;

● funzione di jabber: quando riceve una stringa di dati da DO superiore alla lunghezza massima ammessa del pacchetto 802.3 interrompe la funzione di trasmissione;

● funzione di loopback: durante il trasferimento dei dati dal circuito DO alla fibra ottica trasmittente OTD esegue anche lo stesso trasferimento dei dati verso il circuito DI;

● funzione di link integrity test: protegge la rete dalle conseguenze di un'eventuale rottura del link ORD; se si verifica una condizione di lowlight level, entra in uno stato di link test fail;

● segnalazione di low-light level: diventa attiva quando il segnale ottico in ricezione (ORD) scende sotto la soglia di -32.5 dBm.

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10BaseFL: regole di configurazione

● Il segmento 10BaseFL consiste in una connessione punto-punto in fibra ottica tra due MAU, le cui regole di configurazione sono:

– può interconnettere sia ripetitori, sia stazioni;

– la lunghezza massima del segmento è di 2000 m.

● Il MAU 10BaseFL è compatibile con il MAU FOIRL, ma quando è connesso ad esso la lunghezza del segmento si riduce a 1000 m. Le caratteristiche ottiche sono uguali a quelle dei MAU 10BaseFB.

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Lo standard 802.3u: Fast Ethernet

● I costruttori di reti locali sono alla continua ricerca di soluzioni tecnologiche che consentano di ottenere reti locali più veloci, meno costose e più affidabili. Varie sono le proposte di evoluzioni, la più importante delle quali è senza dubbio l'adozione della tecnica ATM.

● Tra le novità appena apparse sul mercato le più significative riguardano:

– il miglioramento delle reti locali già esistenti, in particolare quelle di derivazione Ethernet,

– La creazione di reti locali wireless, cioè senza fili.

● L'evoluzione verso il primo obiettivo ha portato alla disponibilità di una serie di prodotti che vengono presentati con vari nomi commerciali: Ethernet switch, Ethernet dedicato, Ethernet a 100 Mb/s (100BaseT e 100VG AnyLAN). Essi mirano a migliorare la più diffusa rete locale (Ethernet) fornendo a ciascun posto di lavoro 10 Mb/s dedicati oppure 100 Mb/s condivisi o dedicati.

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100BaseT (IEEE 802.3u)● E' l'unica LAN che possa definirsi "Ethernet a 100 Mb/s", poiché mantiene inalterato il

classico algoritmo CSMA/CD implementato su 10BaseT, operando però a 100 Mb/s.

● La dimensione minima del pacchetto non è stata alterata e si è quindi dovuto ridurre di un fattore 10 il round trip delay e quindi il diametro della rete. Questo ha imposto la revisione di numerosi parametri ad esso collegati.

● In 100BaseT i valori fissati per i principali parametri sono:

– velocità trasmissiva 100 Mb/s;

– bit time 10 ns;

– Inter Packet Gap (IPG) 0.96 ms;

– slot time 512 bit, cioè 5.12 ms.

● 100BaseT usa l'interfaccia esistente del livello MAC IEEE 802.3 e la connette attraverso uno strato chiamato Media Independent Interface (MII) a una famiglia di sublayer fisici che comprende: 100BaseT4 PHY, 100BaseTX PHY e 100BaseFX PHY.

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Schema riassuntivo di IEEE 802.3u

● La necessità di uno standard più omogeneo ha portato il comitato 802.3u a definire nelle bozze conclusive una architettura più compatta:

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IEEE 802.3u: configurazione

● A causa dell'aumento della velocità trasmissiva di un fattore dieci e del mantenimento del protocollo CSMA/CD e del formato dei pacchetti IEEE 802.3, la massima distanza ammessa tra due end node si riduce a circa 210 m (limite comprensivo del ritardo introdotto dal repeater). Questo consente comunque di cablare 100BaseT attorno ad un hub con 100 m di raggio, e quindi 200 m di diametro, e di avere il 5% di tolleranza. Pertanto, 100BaseT è compatibile con gli standard per il cablaggio strutturato.

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Ethernet Switching

● Il termine Ethernet switching indica una rete Ethernet in cui sono presenti degli switch in luogo dei concentratori.

● Gli Ethernet switch sono a tutti gli effetti dei bridge con una porta dedicata verso ogni stazione e un buon rapporto prestazioni/prezzo.

● In funzione del fornitore e della politica commerciale a volte possono essere sprovvisti della possibilità di impostare entry statiche nel filtering database o dell'algoritmo di spanning tree (non indispensabile in quanto lavorano tipicamente su topologie stellari).

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Ethernet Switching

● Tecnologia Ethernet in cui sono usati switch al posto degli hub

● Gli Ethernet switch sono bridge, spesso con una porta dedicata per ogni stazione

● Instradamento

– cut-through (minore ritardo, non controllo FCS)

● Possibile se stesso MAC su tutte porte, stessa velocità su tutte le porte, porta destinazione libera, trama unicast

– store-and-forward

– Fragment free (non trasmetto pacchetti collisi)

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Ethernet dedicato: Full Duplex

● Per la comunicazione punto-punto tra due bridge o due switch è possibile utilizzare due canali Ethernet classici (half-duplex) in parallelo, ciascuno in modo monodirezionale, ottenendo un canale Ethernet dedicato full-duplex.

● Questi sono dei canali molto particolari in quanto non soggetti a collisione (in ogni direzione c'è una sola stazione che può trasmettere e quindi per definizione non può collidere con nessun'altra) e quindi i limiti di distanza non sono più dettati dal livello MAC, ma solo dal livello Fisico.

● La soluzione full-duplex è utilizzabile sia in associazione allo standard 10BaseT che al 100BaseT.

● Le distanze massime ammesse sono tipicamente di 100 m su cavo UTP, 2 Km su fibra ottica multimodale e 50 Km su fibra otttica monomodale.

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Reti Locali Virtuali

● La tecnologia delle reti locali virtuali (Virtual LAN o VLAN) fa riferimento alla capacità offerta dagli switch e dai router di configurare più reti logiche sopra un'unica rete locale fisica.

● Ogni Virtual LAN è costituita da un insieme di segmenti di rete locale che possono comprendere una singola stazione (segmenti punto-punto) o un gruppo di stazioni (segmenti condivisi).

● Le stazioni appartenenti ad una VLAN sono logicamente interconnesse a livello Data Link, anche se fisicamente sono collegate su segmenti diversi

● Operando unicamente a livello di centro di gestione della rete è possibile creare più domini, cioè più reti locali virtuali, su una infrastruttura trasmissiva comune senza alcun intervento a livello Fisico.

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VLAN: esempio

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Apparati di Interconnessione

● Repeater e Hub (livello 1)

– servono per superare le limitazioni di alcuni mezzi trasmissivi ● Bridge e Switch (livello 2)

– hanno algoritmi di instradamento molto semplici

– si utilizzano normalmente per interconnessioni locali● Router (livello 3)

– hanno algoritmi di instradamento sofisticati

– si utilizzano normalmente per interconnessioni geografiche ● Gateway (livello 7)

– si utilizzano per interconnettere architetture di rete diverse (es. SNA e Internet)

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Repeater

● È un apparato di livello 1 (fisico), quindi intepreta solo i segnali elettrici e ha come unità trasmissiva il singolo bit

● Il repeater serve ad estendere la lunghezza del canale trasmissivo su LAN omogenee

● Porta a realizzare topologie ad albero su canali broadcast

● Rigenera stringhe di bit ricevute su un canale e le ritrasmette sugli altri canali

● 3R: regeneration, reshaping, retiming

– Può introdurre ritardi

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HUB (concentratore)

● È un repeater multiporta

● È un concentratore di cablaggio (opera a livello fisico)

● Serve a collassare una topologia a bus o ad anello in un topologia a stella, semplificando (e rendendo più affidabili) le operazioni di cablaggio e manutenzione

● Ovviamente, non aumenta la capacità trasmissiva

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● Interconnettono LAN anche con livelli fisici e MAC diversi, ma con lo stesso LLC

● Se protocolli sono diversi, necessaria traduzione delle intestazioni (PCI)

● Funzionano in modalità store and forward

● Non intervengono sul contenuto dei pacchetti

● Intelligenza di instradamento limitata

● LAN interconnesse da bridge sono separate

Bridge

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Bridge: caratteristiche

● Tutte le stazioni credono di essere collegate alla stessa LAN (trasparenza). Le LAN interconnesse sono dette anche LAN estese.

● Migliorano affidabilità prestazioni (diversità spaziale, sfrutto località del traffico)

● Permettono estensione geografica della rete

● Si può introdurre sicurezza (separazione del traffico)

● Introduce ritardi di store and forward

● Introduce problemi di equità (fairness) nella condivisone della banda aggregata disponibile

● Possibilità di perdita di pacchetti per overflow delle memorie

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Bridge

● È necessario che ogni apparato abbia un indirizzo di livello 2 unico all interno della LAN estesa

● Le procedure più comuni di instradamento su LAN estese sono:

– transparent bridge (spanning tree)

– source routing (legato a Token Ring) ● Ogni bridge ha un suo indirizzo (bridge_ID) e un identificativo per

ogni porta (port_ID)

● Funzioni fondamentali di un bridge:

– frame forwarding: ritrasmissione di trame ricevute con filtraggio degli indirizzi

– address learning: acquisizione di indirizzi e creazione tabella contenente coppie (indirizzo MAC destinazione, port_id del bridge)

– esecuzione algoritmo spanning tree per eliminare anelli logici da topologia fisica

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Spanning tree: address learning

● Indirizzi non memorizzati in modo statico, ma inseriti in tabella in modo dinamico

● Per ogni trama ricevuta

– leggo indirizzo MAC sorgente S e lo associo alla porta X da cui ricevo trama (eventualmente cancellando vecchia entry)

– aggiorno timer associato alla entry (S, X)

● Timer necessario per adattarsi automaticamente a variazioni topologiche e ridurre dimensione tabelle

● Algoritmo backward learning

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Spanning tree: frame forwarding

● Quando riceve trama corretta con indirizzo MAC unicast con destinazione D da porta X:

– si cerca nel database a quale porta e collegato D,

– se associato a porta X, si scarta trama,

– se associato a porta Y, inoltra trama su porta Y;

– se non presente in tabella, inoltra trama su tutte porte (attive) tranne X

● Se ricevo da porta X trama MAC multicast e/o broadcast:

– Inoltro su tutte le porte (attive) tranne X.

M. Pedicini

Bridge: algoritmo spanning tree

● Algoritmo backward learning funziona se in topologia non ci sono anelli

● Creo albero logico tra bridge per eliminare anelli, abilitando solo alcune porte

● Requisiti: identificativo unico bridge_id per ogni bridge (indirizzo)

– indirizzo multicast che raggiunga tutti bridge,

– identificativo unico per ogni porta di ogni bridge e costo associato ad ogni porta.

M. Pedicini

Backward learning con anelli

● Q trasmette ad X =>

– B1 e B2 ricevono pacchetto e deducono che Q è raggiungibile da porta B

● Se B1 e B2 hanno memorizzato in tabella indirizzo di X

● B1 trasmette pacchetto su porta A =>

– B2 deduce che Q è raggiungibile da porta A

● B2 trasmette pacchetto su porta A =>

– B1 deduce che Q è raggiungibile da porta A

● X riceve due copie del pacchetto, B1 e B2 non sono in grado di raggiungere Q

M. Pedicini

Algoritmo di spanning tree● Si identifica un bridge radice

● Ogni bridge abilita una porta, detta porta radice, con cui raggiunge a minima distanza il bridge radice => ogni bridge è associato ad un livello dell albero (ma non lo sa)

● Su ogni LAN si elegge un unico bridge attivo (designato) Òsi definisce l albero e si collegano le LAN all albero

● Le porte abilitate sono la porta radice e le porte designate di ogni bridge

● Realizzazione dello spanning tree:

– Si inviano PDU dette BPDU, su tutte le porte, all'indirizzo multicast cui rispondono i bridge, indicando:

● Bridge_ID, port_ID e costo verso la radice

– Inizialmente tutti bridge si dichiarano radice

– Quando ricevono BPDU da bridge con bridge_ID minore, rinunciano a dichiararsi radice

M. Pedicini

Switch

● È funzionalmente equivalente ad un bridge che opera su più di 2 porte

● Sono associati a topologie a stella o ad albero (cablaggio strutturato)

● Spesso ha una sola stazione per porta collegata

● Talvolta non supporta l algoritmo spanning tree

● Supporta le LAN virtuali (V LAN)

M. Pedicini

Router, Gateway e Brouter

● Un router e' un dispositivo di livello 3 (rete),

– I router sono spesso multiprotocollo.

● I gateway permettono di collegare sistemi appartenenti ad architetture di rete diverse:

– Lavorando a livello applicativo si collocano a livello 7 OSI,

– Esempio classico di gateway è quello per la posta elettronica.

● Un brouter e' un dispositivo che permette di inoltrare (bridging o forwarding) alcuni pacchetti e di instradarne altri (routing):

– La decisione tra bridging e routing e' gestita da alcuni parametri di configurazione.

M. Pedicini

Half o Full duplex?

● Le LAN sono intrinsecamente half duplex

● Con switching il mezzo fisico condiviso

– Diventa punto-punto half duplex tra due stazioni

– puo diventare full duplex

● Ho canali fisici indipendenti ● Se full duplex transceiver non devono rilevare collisione

● Dominio di collisione non diventa più un vincolo per la distanza tra stazione e switch

M. Pedicini

Ethernet a 100Mb/s

● Velocità di trasmissione, lunghezza minima del pacchetto e RTT sono legati

● Per realizzare una Ethernet a 100Mb/s bisogna

– aumentare dimensione pacchetto

– ridurre dimensione rete

– modificare il protocollo

● Due soluzioni:

– Fast Ethernet (100Base-T) [3com, Digital, Intel, SUN...]

– 100VG AnyLAN [HP, AT&T, Cisco, IBM...]

M. Pedicini

● Esistono due standard:

– 802.3u per la proposta 3Com-Synoptics

– 802.12 per la proposta HP-AT&T

● Inoltre:– Gigabit ethernet o IEEE 802.3z

– Esiste anche su doppino per distanze limitate

Gigabit Ethernet:

Ethernet a 100Mb/s e oltre

M. Pedicini

Fast Ethernet – IEEE 802.3u

● IEEE 802.3u anche detto 100Base-T e' un evoluzione di Ethernet 802.3 10Base-T e 10Base-F.

● Mantiene inalterato l'algoritmo CSMA-CD realizzato con 10Base-T e la dimensione dei pacchetti

● Comprende quattro sotto-standard per mezzi fisici (doppino di cat 3 su 4 coppie T4, doppino di cat 3 su 2 coppie T2, doppino di cat 5 su 2 coppie T5, fibra ottica FX)

● Trasmissione codifica 8B6T

● Riduce le dimensioni della rete

– la massima distanza tra due stazioni scende a 210m

– e' comunque sufficiente per il cablaggio a stella (attorno ad un HUB) di una rete di 100m di raggio.

● Interoperabilità con Ethernet 10Base-T

M. Pedicini

100VG AnyLAN

● VG da Voice Grade (uso di comuni doppini telefonici)

● Mantiene solo il formato della trama Ethernet

● Sostituisce il MAC a collisione con uno ad accesso su richiesta (Round Robin) e con priorità

● Garanzia su ritardo di accesso

– Alta priorità prevale su round robin a bassa priorità (si termina la tx del pacchetto)

● Dimensione rete da 500m a 6km

– numero di hub

– mezzo fisico utilizzato 4 canali half duplex ● 4 canali half duplex

● Codifica NRZ a 25Mbit/s per ogni canale

M. Pedicini

Gigabit Ethernet IEEE 802.3z ● Uso formato di trama 802.3

● Uso protocollo MAC CSMA-CD (trasmissione punto punto con switch)

● Operazioni half duplex e full duplex

● Backward compatibility con mezzi fisici già installati (fibre mono e multimodali, doppino)

● Aumenta di un fattore 10 dimensione minima di pacchetto con padding di caratteri speciali

● Codifica 8B10B

● Specifica i seguenti tipi di interfaccie fisiche:

– 1000Base LX: fibra multimodale

– 1000Base SX: fibra monomodale

– 1000Base CX: cavo di rame schermato

– 1000Base T: cavo STP o UTP (doppino in rame con 4 coppie schermato o non)

M. Pedicini

Modifiche al protocollo

● Slot portato da 64 a 512 bytes (se ho pacchetti piccoli le prestazioni sono basse)

● Collision domain di 200 m

● Solo topologie a stella

● Consente la tecnica frame bursting per mantenere il controllo del canale fino ad un massimo di 8192 bytes (l'estensione della lunghezza minima del pacchetto è necessaria solo per il primo pacchetto)

M. Pedicini

Buffered Distributor

● Dispositivo che remotizza (rispetto al PC) il sottolivello MAC

● Opera sempre in full duplex

● Implementa un controllo di flusso tra il PC e il concentratore e memorizza localmente le trame fino a quando non riesce a trasmetterle

● Rende la massima distanza delle stazioni indipendente dal protocollo

M. Pedicini

10 Gigabit Ethernet

● Un comitato IEEE 802.3 è attivo nella standardizzazione di 10 Gbit/s Ethernet

● Solo la modalità full duplex, senza CSMA-CD

● Soluzioni proposte:

– Seriale, con framing Ethernet, su distanze da LAN fino a 40 Km ● 650 m su fibra multimodo (MMF) ● 300 m su MMF installata ● 2 km su fibra monomodo (SMF) ● 10 km su SMF ● 40 km su SMF

– Seriale, su SONET, per distanze maggiori di 40 Km

M. Pedicini

Evoluzione di Ethernet

● Ethernet è un insieme di protocolli che ha dominato il mercato delle LAN

● La velocità di trasmissione originariamente era 10 Mbit/s su cavo coassiale

● Ethernet è evoluta su diversi mezzi trasmissivi (coassiale, doppino, fibra) fino a 1 Gbit/s (Gigabit Ethernet), passando da trasmissioni nel dominio elettrico a trasmissioni su fibra

● E' in fase di standardizzazione Ethernet a 10 Gbit/s

● Ethernet, alle diverse velocità e per i diversi mezzi trasmissivi, è sempre stata standardizzata per permettere schede di interfaccia a basso costo, pensate per essere utilizzate in un PC

M. Pedicini

Ethernet a 10, 100, 1000, &Mb/s

● Banda confrontabile con la velocità interna dei terminali

● Cavo coassiale condiviso

● Distanza limitata (~ 1 km) da attenuazione e ritardi di propagazione

● Bassi costi dovuti a semplicità ed economia di scala

● Hub (switch): banda e cavi condivisi (dedicati) ai terminali

● Collegamento in cavo metallico o fibra ottica.

● Se le scatole sono switch, aumenta la banda, migliora la gestibilità, ma rete a commutazione di pacchetto non controllata.

● Protocollo Spanning Tree per eliminazione cicli e recupero guasti.

M. Pedicini

Ethernet a 10, 100, 1000, & Mb/s

● Le porte dello switch possono operare in half duplex o full duplex (un trasmettitore parla sempre con lo stesso ricevitore).

● Nel caso full duplex:

– Non serve un protocollo d accesso (Ethernet diventa una tecnica di framing e trasmissiva)

● Limiti di distanza puramente di tipo trasmissivo (si possono raggiungere decine di chilometri)