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Reti locali e standard IEEE 802.3
Indice
•
•
•
•
reti locali, caratteristiche
generalità del sottostrato MAC
standard IEEE 802
standard Ethernet (IEEE 802.3)
Reti locali ed Ethernet
Architettura degli elaboratori Modulo B - A.Memo
1
Reti locali
software
di rete
software
di rete
NIC
NIC
sistema di cablaggio
software
di rete
NIC
scheda
di rete
HUB
NIC
NIC
software
di rete
Reti locali ed Ethernet
software
di rete
Architettura degli elaboratori Modulo B - A.Memo
2
Reti locali: caratteristiche
• supporti di trasmissione
• tecniche di trasmissione (in banda base, in
larga banda, digitale su canale analogico)
• topologie di rete
• metodi di controllo degli accessi
• software di rete
• standard (IEEE 802)
Reti locali ed Ethernet
Architettura degli elaboratori Modulo B - A.Memo
3
Reti locali: supporti di trasmissione
doppino ritorto (UTP)
unshielded twisted pair
Cat. 1
Cat. 2
Cat. 3
Cat. 4
Cat. 5
sistemi di allarme e telefonia
voce, seriale e dati a bassa velocità (LocalTalk 4 Mbps)
dati (Ethernet 10 MBps, 10BaseT)
dati (TokenRing 16 Mbps)
dati (Fast Ethernet 100 Mbps)
figure tratte da PC Professionale - 1997
Reti locali ed Ethernet
Architettura degli elaboratori Modulo B - A.Memo
4
Reti locali: supporti di trasmissione
connettore BNC
•
•
•
•
cavo coassiale (coax)
interferenze e disturbi ridotti
difficile da installare, ma supporta distanze
maggiori
cavo grosso (thick coax, 10BASE5)
cavo sottile (thin coax, 10BASE2)
figure tratte da PC Professionale - 1997
Reti locali ed Ethernet
Architettura degli elaboratori Modulo B - A.Memo
5
Reti locali: supporti di trasmissione
n2
2
fibra ottica (fiber)
immune ai disturbi elettromagnetici, alta capacità
trasmissiva, bassa attenuazione, difficoltà di installazione
c
1
n1
1= angolo di incidenza
2= angolo di rifrazione
c= angolo critico
figure tratte da PC Professionale - 1997
Reti locali ed Ethernet
Architettura degli elaboratori Modulo B - A.Memo
6
Reti locali: supporti di trasmissione
1
1
2
3
2
4
4
3
50 
multimodale step-index
50 
fibra
monomodale
2-5 
multimodale graded-index
Reti locali ed Ethernet
Architettura degli elaboratori Modulo B - A.Memo
125 
7
Reti locali: supporti di trasmissione
tipo
standard
cavo coassiale grosso
cavo coassiale fino
doppino UTP
fibra ottica
10BASE5
10BASE2
10BASET
10BASEF
Reti locali ed Ethernet
Architettura degli elaboratori Modulo B - A.Memo
lunghezza
massima
500 m
185 m
100 m
2000 m
8
Reti locali: tecniche di trasmissione
• trasmissione in banda base
–
–
–
–
i bit vengono associati ad impulsi
necessitano di ripetitori
capacità del canale non suddivisibile
flusso bidirezionale
• trasmissione in larga banda
– analogica, mediante modulazione, monocanale
e multicanale
Reti locali ed Ethernet
Architettura degli elaboratori Modulo B - A.Memo
9
Reti locali: codifiche
1
1
0
0
1
0
0
0
1
1
0
0
1
0
0
0
Manchester
Manchester
differenziale
Reti locali ed Ethernet
Architettura degli elaboratori Modulo B - A.Memo
10
Reti locali: topologie di rete
• topologia fisica
– dipende dal cablaggio e dai dispositivi utilizzati
– bus, stella, anello a stella, ad albero
• topologia logica
– dipende dal metodo con cui i nodi di elaborazione si passano le informazioni
Reti locali ed Ethernet
Architettura degli elaboratori Modulo B - A.Memo
11
Reti locali: topologie di rete
• facilmente
espandibile
• cablaggio
ridotto
• sensibile al
terminatore
guasto del cavo
• adatta ad ambienti limitati
• std. Ethernet
rete a bus (linear bus)
giunti a “T”
Reti locali ed Ethernet
Architettura degli elaboratori Modulo B - A.Memo
12
Reti locali: topologie di rete
rete a stella (star)
concentratore
Reti locali ed Ethernet
AT&T
3B2/400
• semplice da installare e cablare
• insensibile al guasto di un satellite
• sensibile al guasto
del concentratore
• più costoso e meno
diffuso del bus
Architettura degli elaboratori Modulo B - A.Memo
13
Reti locali: topologie di rete
rete anello a stella (token ring)
MAU
Reti locali ed Ethernet
• simile alla stella
• cablatura consistente
• sensibile al guasto
del MAU
• meno diffuso del bus
• standard Token Ring
Architettura degli elaboratori Modulo B - A.Memo
14
Reti locali: topologie di rete
rete ad albero
backbone
HUB
Reti locali ed Ethernet
• rete a bus + rete a
stella
• facilità di espansione,
anche di blocchi
• connessione puntopunto tra host ed hub
• cablaggio abbastanza
critico
Architettura degli elaboratori Modulo B - A.Memo
15
Reti locali: controllo degli accessi
• accesso casuale
– chi deve trasmettere aspetta che il mezzo si
liberi, e poi prova (CSMA/CD)
• accesso distribuito
– algoritmo distribuito tra tutti i nodi (CSMA/CA,
Token Ring)
• accesso centralizzato
– un solo sistema controlla tutti gli altri nodi
(TDMA)
Reti locali ed Ethernet
Architettura degli elaboratori Modulo B - A.Memo
16
Reti locali: accesso casuale
• CSMA/CD , quando deve trasmettere:
– Carrier Sense: controlla se il mezzo è attualmente
in uso: in tal caso aspetta che si liberi
– Multiple Access: il messaggio trasmesso arriva a
tutti i nodi, che ne esaminano l’indirizzo di
destinazione, solo il destinatario lo mantiene
– Collision Detect: in caso di collisione i nodi se ne
accorgono, attendono un intervallo di tempo
casuale e variante, e poi ricominciano
Reti locali ed Ethernet
Architettura degli elaboratori Modulo B - A.Memo
17
Reti locali: accesso distribuito
• CSMA/CA , quando deve trasmettere:
– Carrier Sense: controlla se il mezzo è attualmente
in uso: in tal caso aspetta che si liberi
– Multiple Access: il messaggio trasmesso arriva a
tutti i nodi, che ne esaminano l’indirizzo di destinazione, solo il destinatario lo mantiene
– Collision Avoidance: i nodi che vogliono trasmettere, attendono un intervallo di tempo prefissato,
e se alla fine il mezzo è libero, lo usano
Reti locali ed Ethernet
Architettura degli elaboratori Modulo B - A.Memo
18
Reti locali: accesso distribuito
• Token ring , quando deve trasmettere:
– le stazioni si passano un breve messaggio (token)
– se il token arrivato è libero, chi lo riceve può
occuparlo e accodarli il suo messaggio
– il destinatario lo memorizza (gli altri lo passano)
– il mittente, quando riceve il suo messaggio, lo
elimina dalla rete, libera il token e lo passa al
successivo
Reti locali ed Ethernet
Architettura degli elaboratori Modulo B - A.Memo
19
Reti locali: accesso centralizzato
• TDMA , quando deve trasmettere:
– Time Division: l’utilizzo del mezzo è suddiviso
temporalmente, in tanti slot di tempo
– Multiple Access: ad ogni sistema viene attribuito
ciclicamente uno slot: per trasferire informazioni
può utilizzare solo il suo slot; se un nodo non
deve trasmettere, lo slot rimane vuoto
Reti locali ed Ethernet
Architettura degli elaboratori Modulo B - A.Memo
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Reti locali: software di rete
• Sistema operativo di rete peer-to-peer
– ogni sistema mette a disposizione le risorse
desiderate (Windows 95/98, for Workgroups)
– lento nel caso di risorse molto condivise
– non c’è un file server o un gestore centrale
– costo iniziale molto contenuto, facilmente
attivabile
– manca un file server
– sicurezza limitata
Reti locali ed Ethernet
Architettura degli elaboratori Modulo B - A.Memo
21
Reti locali: software di rete
• Sistema operativo di rete client/server
– il server fornisce l’accesso sicuro e protetto alle
risorse, ed il N.O.S. garantisce la concorrenza e la
trasparenza nell’accesso
– vantaggi: centralità, scalabilità, flessibilità,
interoperabilità, accessibilità
– svantaggi: costo, manutenzione tecnica, guasti
– server condiviso dall’utente (Windows NT)
– server dedicato (NetWare Novell)
Reti locali ed Ethernet
Architettura degli elaboratori Modulo B - A.Memo
22
Standard IEEE 802: generalità
• Sviluppato nei laboratori della Xerox negli
anni ‘70 con il nome di standard Ethernet
• nell’83 diventa uno standard: IEEE 802
• copre i primi due livelli OSI, e distingue il
livello 2 dipendente dal mezzo con quello
indipendente
Reti locali ed Ethernet
Architettura degli elaboratori Modulo B - A.Memo
23
Standard IEEE 802: generalità
802.2 LLC
Livello 2
MAC
802/3
MAC
802/4
MAC
802/5
MAC
802/6
PHM
802/3
PHM
802/4
PHM
802/5
PHM
802/6
Livello 1
Ethernet
Reti locali ed Ethernet
Token bus
Token ring
Architettura degli elaboratori Modulo B - A.Memo
DQDB
24
Standard IEEE 802: generalità
•
•
•
•
•
•
•
802.1 : specifiche generali del progetto
802.2 : Logical Link Control
802.3 : CSMA/CD (Ethernet)
802.4 : Token bus (LAN automazione ind.)
802.5 : Token ring
802.6 : DQDB (MAN)
...
Reti locali ed Ethernet
Architettura degli elaboratori Modulo B - A.Memo
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Standard IEEE 802:
generalità dello strato MAC
• Media Access Control (o MultiAccess Control)
regola la competizione per l’accesso al mezzo
• metodi di allocazione statica (predefinita)
– spreco di banda in assenza di trasmissione
• metodi di allocazione dinamica (in base alle
esigenze)
– protocolli a contesa, senza contesa ed a prenotazione
Reti locali ed Ethernet
Architettura degli elaboratori Modulo B - A.Memo
26
Generalità dello strato MAC
protocollo a contesa ALOHA
• Le stazioni trasmettono quando ne hanno la
necessità, e poi confrontano il trasmesso
con il ricevuto
• in caso di collisione aspettano un po’ e poi
riprovano
Reti locali ed Ethernet
Architettura degli elaboratori Modulo B - A.Memo
27
Generalità dello strato MAC
rendimento protocollo ALOHA
• tutti i frame hanno la stessa dimensione, e quindi la
loro durata di emissione è costante (FrameTime)
• N stazioni indipendenti che emettono mediamente
K frame in un FrameTime, hanno un periodo di
vulnerabilità che vale 2 • FrameTime
• Detto S il traffico utile trasferito (throughput) e G il
traffico totale (utile più ritrasmissioni)
S = G • e -2G
• throughput massimo = 0,184 per G = 0,5
Reti locali ed Ethernet
Architettura degli elaboratori Modulo B - A.Memo
28
Generalità dello strato MAC
Protocollo slotted ALOHA
• si divide il tempo in intervalli della dimensione di
un FrameTime e le stazioni possono trasmettere
solo all’inizio dell’intervallo
• il periodo di vulnerabilità si dimezza
• il traffico utile trasferito S ora vale
S = G • e -G
• throughput massimo = 0,368 per G = 1
(l’efficienza è ancora molto bassa)
Reti locali ed Ethernet
Architettura degli elaboratori Modulo B - A.Memo
29
Generalità dello strato MAC
Protocolli CSMA (1)
• nelle reti locali si può anche ascoltare prima di
trasmettere, per ridurre notevolmente le collisioni
• Carrier Sense Multiple Access
• 1-persistent: ascolto il canale, se è occupato
aspetto e poi trasmetto subito, se è libero
trasmetto, se collido aspetto un tempo random
(il ritardo di propagazione può indurre collisioni)
Reti locali ed Ethernet
Architettura degli elaboratori Modulo B - A.Memo
30
Generalità dello strato MAC
Protocolli CSMA (2)
• non-persistent: ascolto il canale, se è occupato
aspetto e poi trasmetto dopo un tempo random, se è
libero trasmetto, se collido aspetto un tempo random
(riduce ulteriormente le collisioni)
• p-persistent: (si applica a canali slotted) ascolto il
canale, se è occupato aspetto il prossimo slot e poi
riprovo, se è libero con probabilità (p) trasmetto,
con probabilità (1-p) aspetto il prossimo slot, se
collido aspetto un tempo random (si riduce l’intervallo
di vulnerabilità iniziale)
Reti locali ed Ethernet
Architettura degli elaboratori Modulo B - A.Memo
31
Generalità dello strato MAC
Protocolli CSMA/CD
Carrier Sense Multiple Access/ Collision Detection
• quando la stazione si accorge (quasi subito) di aver
colliso, interrompe la trasmissione
• l’intervallo di vulnerabilità vale al massimo il doppio del tempo di propagazione da un estremo
all’alto
A
Reti locali ed Ethernet
T
Architettura degli elaboratori Modulo B - A.Memo
B
32
Generalità dello strato MAC
Protocolli per reti ad anello
host
A
D
interfaccia
B
C
Reti locali ed Ethernet
tratto
punto-punto
unidirezionale
• non ci sono collisioni
fisiche, ma solo conflitti
di accesso alla globalità
della rete
• permette un accesso
deterministico
Architettura degli elaboratori Modulo B - A.Memo
33
Generalità dello strato MAC
Protocolli per reti ad anello
1
A
1
NO
B
2
D
A
4
SI
B
2
C
C
D
3
• ogni bit che arriva all’interfaccia viene letto,
copiato in un buffer, analizzato e ritrasmesso dopo
un bit-time
Reti locali ed Ethernet
Architettura degli elaboratori Modulo B - A.Memo
34
Generalità dello strato MAC
Protocolli per reti ad anello
• si può determinare la massima attesa prima di poter
trasmettere
• se tutte le stazioni devono trasmettere, l’efficienza
raggiunge il 100%
• se solo una deve trasmettere, l’efficienza è inferiore
rispetto al CSMA/CD
Reti locali ed Ethernet
Architettura degli elaboratori Modulo B - A.Memo
35
Generalità dello strato LLC
• rende indistinguibili ai livelli superiori i livelli
MAC e fisico relativi a mezzi diversi, fornendo
un’interfaccia unica
• se richiesto fornisce un servizio più affidabile del
livello MAC (datagram, datagram confermato,
collegamento affidabile e connesso)
• indirizzi LLC di un solo byte per specificare il
protocollo che dovrà gestire il livello superiore
Reti locali ed Ethernet
Architettura degli elaboratori Modulo B - A.Memo
36
Ethernet (802.3)
• Protocollo CSMA/CD di tipo 1-persistent
funzionanate a 10Mbps, derivato
dall’Ethernet
• chi riscontra una collisione emette un
disturbo (jamming) di 32 bit
• il tempo casuale per ritrasmettere è regolato
dall’algoritmo binary backoff exponential
Reti locali ed Ethernet
Architettura degli elaboratori Modulo B - A.Memo
37
Struttura fisica della rete
Tipo di rete Tipo di cavo Lungh.
Segmento
Numero
max nodi
Dim.
massima
10Base5
Coax grosso 500
100
2500
10Base2
Coax fino
186
30
910
10BaseT
UTP cl.3
100
2
500
100BaseTX
UTP cl.5
100
2
205
Reti locali ed Ethernet
Architettura degli elaboratori Modulo B - A.Memo
38
massima estensione 10Base2
RIP
segmento
0 nodi - 186 m
RIP
segmento popolato
max 30 nodi - 186 m
segmento popolato
max 30 nodi - 186 m
RIP
segmento
0 nodi - 186 m
RIP
segmento popolato
max 30 nodi - 186 m
segmento
0 nodi - 186 m
5 segmenti - 4 ripetitori - 3 segmenti popolati
Reti locali ed Ethernet
Architettura degli elaboratori Modulo B - A.Memo
39
standard 10Base2
figure tratte da PC Professionale - 1997
Reti locali ed Ethernet
Architettura degli elaboratori Modulo B - A.Memo
40
massima estensione 10BaseT
uplink verso
segmento
popolato
HUB
5 segmenti 4 ripetitori 3 segmenti
popolati
HUB
HUB
ogni link
punto-punto
max 100 m
Reti locali ed Ethernet
HUB
Architettura degli elaboratori Modulo B - A.Memo
41
10BaseT segmentata
HUB switch / BRIDGE
HUB
HUB
HUB
HUB
HUB
HUB
HUB
HUB
dominio di collisione
segmento a 10 Mbit condivisi
Reti locali ed Ethernet
dominio di collisione
segmento a 10 Mbit condivisi
Architettura degli elaboratori Modulo B - A.Memo
42
standard 10BaseT
figure tratte da PC Professionale - 1997
Reti locali ed Ethernet
Architettura degli elaboratori Modulo B - A.Memo
43
massima estensione 100BaseTX
HUB
uplink
5 m o più
dominio collisione
max 205 m
HUB
segmento max 100 m
3 segmenti - 2 ripetitori - 1 segmento popolato
Reti locali ed Ethernet
Architettura degli elaboratori Modulo B - A.Memo
44
struttura del frame 802.3
preamble start of frame destinazione
sorgente
lunghezza
pad
dati
checksum
preamble
start of frame
indirizzi
7
1
6
10101010 di sincronizzazione
10101011 di inizio trama
univoci a livello mondiale
lunghezza
2
Numero byte nel campo dati
dati
pad
0-1500 Provenienti dal livello superiore
0-46
fino a raggiungere la dimensione minima
del frame di 64 byte
4
codice CRC
checksum
Reti locali ed Ethernet
Architettura degli elaboratori Modulo B - A.Memo
45
Fast Ethernet (803.2u)
• vi sono tre categorie, in base al mezzo:
– 100BaseT4 (4 doppini classe 3)
– 100BaseTX (2 doppini classe 5) la più diffusa
– 100BaseFX (fibra multimodale)
Reti locali ed Ethernet
Architettura degli elaboratori Modulo B - A.Memo
46
funzionamento del TRANSCEIVER
• TRANSmitter/reCEIVER
• converte i segnali digitali della porta AUI
(Attachment Unit Interface) di una scheda
di interfaccia Ethernet (NIC) nei segnali atti
a pilotare uno specifico mezzo fisico
(10Base2, 10Base5, 10BaseT, …)
Reti locali ed Ethernet
Architettura degli elaboratori Modulo B - A.Memo
47
funzionamento del REPEATER
• dispositivo usato per superare la lunghezza
massima di un collegamento
• amplifica e rigenera il segnale
• ritrasmette anche le collisioni
repeater
in 10Base2 max 186 m
Reti locali ed Ethernet
in 10Base2 max 2x186 m
Architettura degli elaboratori Modulo B - A.Memo
48
funzionamento dell’HUB
• dispositivo che consente di cablare a stella una rete a bus: ripete il
segnale proveniente da una sua
porta in tutte le altre porte
• usato nelle reti 10BaseT e
100BaseTX
• permette l’inserimento o l’esclusione a caldo di una stazione, e
isola le stazioni guaste
Reti locali ed Ethernet
Architettura degli elaboratori Modulo B - A.Memo
HUB
49
funzionamento dello SWITCH
• dispositivo che crea una connessione tra una
porta entrante ed una uscente
• collega vari segmenti smistando selettivamente i pacchetti in transito
• riduce i domini di collisione ed aumenta la
banda di ogni segmento
Reti locali ed Ethernet
Architettura degli elaboratori Modulo B - A.Memo
50
funzionamento dello SWITCH
switch
01-80-A5-40-92-1B
seg. 1
seg. 2
seg. 3
segmento 1
segmento 2
01-80-A5-40-92-1B
01-80-A5-40-92-2A
01-80-A5-33-90-03
00-80-6A-27-4B-01
01-80-A5-40-92-2A
01-80-A5-33-90-03
Reti locali ed Ethernet
00-80-6A-27-4B-01
hub
Architettura degli elaboratori Modulo B - A.Memo
51
funzionamento del BRIDGE
seg. 1
seg. 2
01-80-A5-33-90-32
01-80-A5-33-90-32
00-80-6A-27-4B-1F
01-80-A5-33-90-03
00-80-6A-27-4B-01
00-80-6A-27-4B-1F
bridge
seg. 1
hub
00-80-6A-27-4B-31
seg. 2
01-80-A5-33-90-03
Reti locali ed Ethernet
00-80-6A-27-4B-01
Architettura degli elaboratori Modulo B - A.Memo
00-80-6A-27-4B-3A
52