Reti Locali - Unibg · Reti geografiche e reti locali 31 Ethernet (CSMA/CD) -IEEE 802.3...
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Enrico Cavalli - [email protected]
Università di Bergamo - Anno Accademico 2008-2009
Reti e problematiche di Rete:
Reti geografiche e reti locali
Reti geografiche e reti locali 2
Reti Locali
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Reti geografiche e reti locali 3
Applicazioni delle LAN
� LAN di personal computer
� Basso costo
� Elevato tasso trasmissivo e livelli di errore bassi
� Condivisione dei dispositivi
� Reti Back end e reti SAN (Storage Area Networks) che interconnettono sistemi di grandi dimensioni, super computer e dispositivi per la memorizzazione di massa
� Tassi trasmissivi elevati, interfacce ad alta velocità
� Accesso al mezzo trasmissivo distribuito
� Estensione limitata
� Numero limitato di apparati collegati
� LAN di dorsale
� Per l’interconnessione di LAN
� Preferibili ad un’unica LAN per: Affidabilità, Capacità, Costo
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Caratteristiche delle LAN
Elementi caratteristici delle LAN
� Trasmissione broadcast
� Elevato tasso trasmissivo e livelli di errore bassi
� Non ci sono decisioni di instradamento
� Stretto legame tra il livello fisico e il livello datalink
� Controllo sulla condivisione del mezzo fisico
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Topologie
Due modi di operare per il nodo centrale: come ripetito-
re in modalità broadcast, come switch ritrasmettendo
il messaggio verso il solo destinatario
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Topologie a Bus
� Trasmissione multipunto, accesso al mezzo trasmissivo per mezzo di un tap
� Trasmissione bidirezionale, full duplex, broadcast; si propaga attraverso il mezzo trasmissivo e viene assorbita da un terminatore
� La connessione Full duplex fra la stazione ed il tap permette latrasmissione e ricezione dei segnali contemporaneamente
� Un messaggio trasmesso è ascoltato da tutte le stazioni
� Ogni stazione deve essere identificata univocamente mediante un indirizzo (ogni scheda di rete è caratterizzata da un indirizzo univoco)
� La trasmissione deve essere regolata:
� Per evitare collisioni
� Per evitare che una stazione monopolizzi il mezzo trasmissivo
� I dati sono trasmessi in blocchi di dimensione ridotta, detti trame(frame).
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Protocollo di accesso del mezzo: MAC
Definizione di due livelli sopra il livello fisico
� MAC (Medium Access Control) per la rilevazione degli errori e l’indirizzamento delle trame
� LLC (Logical Link Control) con la funzione di interfaccia verso i livelli più alti e indirizzamento verso l’applicazione
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Relazione con il modello OSI
Codifica e decodifica dei segnali - Generazione e
rimozione del preambolo -Trasmissione dei bit -
Specifiche relative al mezzo di trasmissione ed alla
topologia
• LLC (Logical Link Control): gestione di un’interfaccia verso i livelli più alti e la realizzazione del controllo di flusso e d’errore
• MAC (Media Access Control): assemblaggio ed estrazione dei dati in una trama con indirizzi e rilevazione dell’errore, gestione dell’accesso al mezzo
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Protocollo di accesso del mezzo: MAC
� La trama MAC contiene l’indirizzo della scheda destinazione e l’indirizzo della scheda di origine nella LAN
� La trama MAC è diversa nei diversi sistemi di LAN. Per mettere in comunicazioni due LAN serve un dispositivo in grado di attuare la conversione delle trame
� Un Bridge è un’apparecchiatura per interconnetere LAN che dispongono di un sottolivello MAC di diverso formato
� Un Bridge usato nella interconnessione di reti di identico tipo ha lo scopo di filtrare il traffico in rete e ridurre il numero di trame in circolazione
� Un Bridge ha tabelle per riconoscere il posizionamento degli host nelle reti interconnesse
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Protocolli LAN
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Formato della trama MAC
Formato di una generica trama MAC
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Trasmissione di trame - LAN a Bus
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LAN ad Anello
� Una serie di ripetitori collegati per formare un percorso chiuso. Ricevono i dati e li ritrasmetto-no allo stesso tasso trasmissivo. La trasmissione è unidirezionale
� I dati sono trasmessi in trame. Una trama circola nell’anello sino a tornare alla sorgente che la rimuove
� Serve un controllo di accesso al mezzo per determinare quando una stazione può inserire trame
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Controllo di Accesso al Mezzo
� Controllo centralizzato
� Controllo maggiore e logica di accesso alla stazione più semplice
� Evita il problema di dover coordinare azioni indipendenti
� Punto critico in caso di guasti
� Potenziale collo di bottiglia
� Controllo Distribuito
� Tecniche asincrone adatte al traffico imprevedibile delle LAN
� Round robin - Adatte nel caso di molte stazioni che hanno dati da trasmette per un lungo periodo, penalizzanti per poche stazioni che vogliono trasmettere
� Prenotazione - Adatte al traffico a flusso continuo
� A contesa - Adatte al traffico impulsivo: le stazioni sono in competi-zione per l’accesso al mezzo, tecnica distribuita, semplice da realizzare, efficiente per traffico moderato, collassa all’aumentare del traffico
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LAN a Bus
� Bilanciamento del segnale� Il segnale deve essere sufficientemente forte per soddisfare i requisiti
del ricevitore anche dopo l’attenuazione causata dall’attraversamento del mezzo trasmissivo
� Deve mantenere un rapporto segnale-rumore adeguato
� Non deve essere così forte da sovraccaricare il trasmettitore
� Deve soddisfare le precedenti condizioni per ogni coppia di stazioni nella rete
� La soluzione abituale a tali problemi è suddividere la rete in segmenti di dimensione limitata (poche centinaia di metri)
� Più segmenti possono essere collegati per mezzo di ripetitori od amplificatori
� Mezzi trasmissivi� Doppino (in genere nella versione UTP)
� Fibra ottica
� Cavo coassiale
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LAN ad Anello
� L’anello è costituito da un numero di ripetitori ognuno connesso ad altri due mediante collegamenti unidirezionali che formano un percorso chiuso.
� Unico percorso chiuso; attraversato dai bit in un’unica direzione
� I dati sono trasferiti bit per bit da un ripetitore al successivo
� I ripetitori rigenerano e ritrasmettono il segnale
� I ripetitori eseguono le operazioni di immissione, ricezione e rimozione dei dati
� I ripetitori agiscono come punti di collegamento degli apparati
� La rimozione delle trame può avvenire per effetto della stazionetrasmittente o di quella ricevente. E’ preferita la prima soluzione in quanto:
� permette il riscontro di avvenuta ricezione
� permette la gestione del multicasting
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Potenziali problemi dell’anello
� L’interruzione di un qualsiasi collegamento disabilita la rete
� Un guasto al ripetitore disabilita la rete
� L’installazione di nuovi ripetitori per collegare nuove stazioni richiede l’identificazione dei due ripetitori topologicamente adiacenti
� Problemi di sincronizzazione
� I pacchetti non sono mai assorbiti: serve un modo per rimuovere i pacchetti dalla rete usando tecniche di back up per proteggersi da ogni errore
� La maggior parte di questi problemi può essere gestita con l’architettura star-ring
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Architettura Star Ring (anello a stella)
� La configurazione ad anello impone limiti al numero di ripetitori sull’anello ed il funzionamento dell’anello non dipende dal reale percorso dei cavi
� Realizzare i collegamenti tra ripetitore in un unico sito, un concentratore, con numerosi vantaggi
� Accesso centralizzato del segnale su ogni linea
� Più semplice identificare i guasti: è possibile lanciare un messaggio nell’anello ed identificare la porzione di percorso priva di errori, disconnettere il segmento difettoso e ripararlo in un secondo tempo
� Nuovi ripetitori possono essere inseriti facilmente nella rete
� I relay di bypass possono essere collocati nel concentratore
� Il percorso tra ripetitori tende ad essere costante, l’architettura porta ad impiegare una grande quantità di cavi
� LAN ad anelli multipli connessi mediante bridge
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LAN a Stella
� Rinnovato interesse nell’uso del doppino, nel contesto delle Lan a bus, nella versione UTP, in una struttura di cablaggio a stella (a volte preesistente)
� Costi di installazione bassi
� Una base installata preesistente è spesso disponibile
� Sistemi integrati di cablaggio fonia - dati
� Elemento centrale della stella è un elemento attivo, dal punto di vista del segnale, detto hub� Ogni stazione è connessa all’hub con due linee: una per trasmettere ed
una per ricevere
� L’hub ripete il segnale in ingresso su tutte le linee uscenti
� Distanza hub - stazione limitata a 100 m (500m per fibra ottica)
� Logicamente è un bus – trasmisioni simultanee da più stazioni sono soggette a collisioni
� Fisicamente è una stella
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Topologia a Stella a due livelli
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Hub e commutatori
Switch
� Hub a condivisione del mezzo: Hub centrale che ritrasmette il segnale su tutte le linee in uscita, può trasmettere una sola stazione per volta, con Lan a 10Mbps, la capacità totale è di 10Mbps
� Hub per LAN commutate (switch): l’hub agisce come un commutatore, ritrasmette una trama in ingresso sulle linee appropriate, le altre linee possono essere utilizzate, con due coppie di linee attive la capacità globale sale a 20Mbps
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Bridge
� Vi è spesso la necessità di andare oltre i limiti di una singola LAN per fornire interconnessione ad altre LAN o WAN mediante bridgeo router
� Router: dispositivo in grado di connettere diverse LAN alle WAN
� Bridge è un dispositivo semplice
� Connette LAN simili (esistono anche bridge che permettono la conversione di formato MAC)
� Protocolli identici per livello fisico e di linea
� Al bridge è richiesto un ammontare ridotto di elaborazione
� Perché usare un bridge
� Maggior affidabilità di una rete partizionata in segmenti
� Maggiori performance di più reti ridotte
� Sicurezza: si possono implementare misure di sicurezza mirate
� Geografia dei dispositivi
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Funzioni di un bridge
� Leggere tutte le trame trasmesse su una LAN ed accettare quelle indirizzate a stazioni su altre LAN (funzione di filtro)
� Ritrasmettere tutte le trame alla seconda LAN usando il protocollo di accesso al mezzo di quest’ultima
� Effettuare queste operazioni in ogni direzione
� Aspetti importanti:
� Il bridge non effettua alcuna modifica al contenuto o al formato delle trame ricevute (su LAN identiche)
� Il bridge deve avere un buffer in grado di supportare il traffico di picco
� Il bridge deve contenere funzionalità di instradamento e di indirizzamento, e potrebbe connettere più di due LAN
� Le operazioni di bridge devono essere trasparenti per le stazioni: il bridge permette di estendere LAN senza modifiche nell’hardware o nel software della rete
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Operazioni svolte dal bridge
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Connessione di due LAN tramite bridge
Incapsulamento dei dati in
presenza di un bridge
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Instradamento
� Le grandi LAN complesse necessitano di definire percorsi alternativi
� per bilanciare il carico delle reti
� riconfigurare il carico in caso di guasto
� Il bridge deve decidere dove ritrasmettere la trama
� Il bridge deve decidere a quale LAN ritrasmettere la trama
� Instradamento fisso: viene selezionato un percorso per ogni coppia di LAN sorgente-destinazione
� Effettuato al momento della configurazione
� Nel caso di percorsi multipli viene selezionato quello con il minor numero di hop
� Modificato in seguito a modifiche nella topologia
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Instradamento
� Approccio Spanning Tree: i bridge determinano automaticamente una tabella di instradamento ed aggiornano tale tabella in base ad eventuali cambiamenti nella topologia anche in caso di cicli
� Apprendimento a ritroso: adatto per topologie senza cicli
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LAN multiple
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Sistemi di LAN
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Sistemi LAN
� Ethernet CSMA/CD
� Token Ring
� Fibra Ottica
� LAN senza fili
� Per gestire il controllo dell’accesso al mezzo fisico
� Protocolli a contesa, esempio Ethernet
� Protocolli a rotazione: esempio Token Ring
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Ethernet (CSMA/CD) - IEEE 802.3
� Carriers Sense Multiple Access with Collision Detection
� Accesso multiplo a rilevazione di portante con rilevazione della collisione
� Tecnica ad accesso casuale o a contesa
� Lo standard maggiormente diffuso per reti a BUS o BUS cablata con una stella
� Non deterministico
� Si degrada per la presenza di un elevato numero di stazioni
� Opera come nel caso della conversazione umana fra persone educate
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CSMA/CD
Le stazioni trasmettono come sotto specificato e continuano ad ascoltare ilmezzo mentre stanno trasmettendo per riconoscere una possibile collisione
� CSMA
1) Se il mezzo è libero trasmettere ed andare a 3)
2) Continuare ad ascoltare il canale finchè si libera e quindi trasmettere immediatamente
� CD
3) Se viene rilevata una collisione durante la trasmissione, trasmettere un breve segnale di jamming, per assicurarsi che tutte le stazioni capiscano che c’è stata una collisione, e interrompere immediatamente la trasmissione
4) Dopo avere trasmesso il segnale di jamming attendere una quantità di tempo casuale e quindi tentare una nuova trasmissione
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CSMA/CD
� T0: A trasmette, mentre B, C sono pronte a trasmet-tere. T1: B si accorge della trasmissione ma non C che inizia a trasmettere
� T2: C rileva la collisione e cessa di trasmettere mentre A prosegue nella trasmissio-ne sino a T3 quando il fronte della collisione la raggiunge
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Attesa e Ritrasmissione
Se la stazione che vuole trasmettere trova il mezzo occupato:
� Aspetta un tempo casuale e riprova (non persistente). E se nel frattempo il canale si è liberato ed è stato occupato da un’altra stazione?
� Continua ad ascoltare sino a quando il mezzo si libera (1 persistente). Se ci sono più stazioni in attesa ci sarà una collisione
� Un compromesso tra le due precedenti scelte: rimane in ascolto e quando il mezzo si libera trasmette con probabilità p e rimane in attesa per un tempo casuale con probabilità (1-p) (p-persistente). p scelto in base al numero di stazioni
Attesa dopo la collisione:
� Attesa esponenziale binaria: il ritardo casuale è raddoppiato in caso di ulteriori collisione. Stop dopo 16 collisioni
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Riconoscimento della collisione
� Tempo per riconoscere una collisione: finestra di collisione. Non maggiore del doppio del tempo di propagazione del segnale per il tratto di maggiore lunghezza
� Una regola importante è che le trame siano abbastanza lunghe da permettere la rilevazione della collisione prima della fine della trasmissione
� Nei bus in banda base la collisione produce oscillazione di tensione più alte di quelle della normale trasmissione
� Il segnale si attenua per la distanza: anche per questa ragione la distanza è limitata a 500m (10Base5) o 200m (10Base2)
� Per i doppini (impiegati nella topologia a stella) il riconoscimento della collisione avviene nell’hub mediante la presenza di attività su più di una porta
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Trama MAC - IEEE 802.3
� Preambolo: sequenza di 0,1 per stabilire la sincronizzazione di bit � SFD: Delimitatore inizio trama - 10101011� DA: Destination address� SA: Source Addreess� Length
� LLC Data� PAD: byte di completamento per assicurare che la trama sia sufficientemente lunga
per rilevare la collisione� FCS: Frame Check Sequence - un codice a controllo ciclico
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Token Ring - IEEE 802.5
Protocollo MAC:
� Quando tutte le stazioni sono inattive nell’anello circola una speciale trama (Token)
� Una stazione per trasmettere deve impossessarsi del token
� La stazione modifica un bit del token e lo trasforma in una trama di trasmissione
� La trama circola nell’anello e viene riassorbita dalla stazione che l’ha emessa: La stazione emette un nuovo token
� Tecnica deterministica
� Può essere inefficiente in caso di carico limitato della rete
� Per carichi elevati diventa round-robin
� Può essere adattata per gestire priorità
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Token Ring
� A vuole trasmettere un messaggio per C. Attende il token e vi appende il messaggio che, ignorato da D arriva a C.
� C vuole trasmettere un messaggio per A e D. Per farlo deve attendere di ricevere un nuovo token.
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Trama MAC - IEEE 802.5
� SD: Una sequenza di segnali che identifica l’inizio di una trama
� AC: Usato per la gestione delle priorità, delle prenotazioni e per riconoscere il tipo di trama
� FC: Usato per la gestione della trama
� DA: Destination address
� SA: Source Addreess
� Data Unit : i dati LLC
� FCS: Codice di controllo ciclico
� ED: contiene anche un bit di errore
� FS: contiene i bit di indirizzo riconosciuto e di trama copiata
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FDDI
� 100Mbps - Gbps
� Applicazioni: LAN e MAN
� Simile a Token Ring, ne differisce perchè:
� La stazione che vuole trasmettere si impossessa del token senza modificarlo
� La stazione, successivamente, trasmette una o piùtrame dati
� Il rilascio di un nuovo token avviene non appena la stazione ha terminato di trasmettere
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FDDI
� Nell’FDDI una stazione che vuole trasmettere atten-de e cattura il tokentogliendolo dall’anello e trasmette una o più trame.
� La stazione che ha trasmesso delle trame dati rilascia un nuovo token non appena ha terminato le trasmissioni, abilitando altre stazioni a trasmettere.
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Applicazioni delle LAN senza fili
� Estensione delle LAN
� Interconnessione tra edifici
� Accesso mobile
� Reti ad hoc
� Control Module (CM) - interfaccia verso una LAN di wireless con funzioni di bridge o di router
� User Module (UM) - controllano un certo numero di stazioni
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LAN Wireless a cella singola
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LAN Wireless a cella multipla
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LAN senza fili
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HUB, SWITCH, BRIDGE, ROUTER
� HUB: un dispositivo che collega più postazioni di lavoro di una LAN a stella e invia i dati in ingresso a tutte le connessioni attive (lavora a livello fisico)
� SWITCH: Combinazione di HUB e BRIDGE e collega più stazioni come un HUB ma può filtrare i frame fornendo una segmentazione della rete. Esamina la trama MAC per scoprire l’indirizzo destinazione e indirizzare verso il percorso appropriato
� BRIDGE: connette LAN
� ROUTER: Collega reti dove una ha un livello MAC e l’altra non ce l’ha e interconnette reti differenti. Può svolgere servizi di FIREWALL ovvero di proteggere le macchine nella LAN
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Un paio di cose non dette
� Numeri di IP statici e dinamici
� Ogni utente deve avere un numero di IP ?
� Come gestirli ?
� Quale IP a un utente che si sposta ?
� DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol )
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Un paio di cose non dette
� Cosa succede dentro una LAN
� La LAN conosce indirizzi di scheda, non indirizzi IP
� Il protocollo ARP (Address Resolution Protocol) è un protocollo usatoper mappare indirizzi IP di rete sugli indirzzi hardware della retelocale noti al sottolivello MAC
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Mettendo tutto assieme in
caps
ulam
ento
payload
Protocol Data Unit
datagram
package
frame
Protocol Data Unit:
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Grazie per la vostra attenzione
Reti geografiche e reti locali