Informatica Grafica e Multimedialità

RETI DI CALCOLATORI
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rucchio/Reti_Scano/
Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori
1
Indice
• Canali trasmissivi e topologie di rete
• Architettura di rete
– concetto di commutazione
• Tipi di trasmissione:
– seriale/parallela
– sincrona/asincrona
• LAN
– Ethernet
– IEEE 802.3
• Ripetitori
• Token ring
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2
Punto punto
• Due soli nodi collegati agli estremi
del canale lo utilizzano in modo
paritetico
A
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B
3
Multi punto
• Più nodi collegati ad un unico
canale: un nodo master gli altri
slave
Master
Slave
Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori
4
Broadcast
• Unico canale di comunicazione,
condiviso da tutti i nodi
• Un pacchetto inviato da un nodo
è ricevuto da tutti gli altri
• I pacchetti contengono l'indirizzo
del nodo destinazione
• Sono tipicamente usati nelle
LAN
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5
Topologie: BUS
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6
Topologie: stella
(a)
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(b)
7
Topologie: anello
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8
Architettura di rete
End System
Intermediate System
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9
Architettura di rete
• ES (End System)
– eseguono le applicazioni
– sono detti anche host o end node
– realizzano tutti i livelli OSI
• IS (Intermediate System)
– instradano i messaggi sulla rete
– sono detti anche router
– realizzano solo i primi tre livelli OSI
• Nodo o Sistema
– termine generico per ES e IS
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10
Nodi intermedi
Applicazione
Presentazione
Applicazione
Presentazione
Sessione
Trasporto
Rete
Sessione
Trasporto
Rete
Data Link
Fisico
ROUTER
Rete
Data Link Data Link
Fisico
Fisico
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Data Link
Fisico
11
La commutazione
• Circuito
– concepita per la telefonia
• Pacchetto
– concepita per i dati
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12
Commutazione di circuito
A
C
B
D
I commutatori creano dei circuiti punto-punto
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Commutazione di circuito
• 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
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14
Commutazione di pacchetto
A
C
D
C
C
C
N1
C
C
C
N2
B
C
B
A
D
N3
N4
D D D
D
L'informazione è raggruppata in pacchetti.
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15
Commutazione di pacchetto
FCS – Frame Check sequence
Indirizzo
Indirizzo
Mittente Destinatario
Header
Dati
FCS
Info
Tail
Coda
Testa
Packet
Pacchetto
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16
Commutazione di pacchetto
• Solo trasmissione digitale
• I pacchetti vengono instradati dagli IS
• I circuiti sono condivisi da tutti i nodi.
– Miglior sfruttamento della capacità
trasmissiva del canale
• La qualità della trasmissione non
dipende dalla distanza
• Gli IS controllano e possono recuperare
errori di trasmissione
• Tariffazione a volume
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Trasmissioni seriali e parallele
Seriale
1 0 1 0 0 1 1 1
0 0 1 1 1 0 0 1
Parallela
Bit 1
Bit 8
1
0
1
0
0
1
1
1
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0
0
1
1
1
0
0
1
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Trasmissione seriale
• ASINCRONA
– Ogni byte di informazione viene trasmesso
separatamente dagli altri. Il clock di
ricezione è solo nominalmente uguale a
quello di trasmissione.
• SINCRONA
– Le informazioni da trasmettere sono
strutturate in trame. Il trasmettitore e il
ricevitore sincronizzano i loro clock prima
della trasmissione e li mantengono
sincronizzati per tutta la durata della
trama.
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Trasmissione seriale asincrona
• S: Start Bit
• P: Parity Bit
• Stop Bits 1, 1.5, 2
DA 5 A 8 BIT
LINE
IDLE
S LSB
MSB P
STOP
BITS
1 CARATTERE
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Trasmissione seriale sincrona
• L'overhead di sincronizzazione è
ridotto
CARATTERE N
MSB LSB
CARATTERE N-1
MSB LSB
CARATTERE N+1
CLOCK
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Clock e data encoding
• Nella trasmissione seriale occorre
trasmettere sugli stessi fili dati e clock
• Esistono due tecniche:
– Il clock è "miscelato" con i dati in fase di
trasmissione ed estratto in ricezione
– L'informazione da trasmettere è codificata
in modo da avere un numero di transizioni
sufficienti a mantenere trasmettitore e
ricevitore sincronizzati
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Bipolar encoding
• Ad un 1 corrisponde un impulso positivo, ad uno 0
un impulso negativo (RZ: Return to Zero)
BIT da
Trasmettere
1
0
0
1
1
1
0
1
Bipolar
Encoding
Clock
estratto
BIT ricevuti
1
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0
0
1
1
1
0
1
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Phase encoding
• Codifiche Manchester:
– il tempo di bit è diviso in due ed a
metà vi è sempre una transizione
• Si tramettono clock e dati
insieme, ma la banda è doppia
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24
Codifiche Manchester
BIT
1
0
0
1
1
1
0
MANCHESTER
ENCODING
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25
LAN
•
•
•
•
•
Rete a commutazione di pacchetto
Reti Private
Alte prestazioni
Basso Costo
Definizione IEEE 802:
– È un sistema di comunicazione che
permette ad apparecchiature indipendenti
di comunicare tra di loro entro un'area
delimitata utilizzando un canale fisico a
velocità elevata e con basso tasso di
errore.
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LAN e OSI
7
6
5
4
3
2
1
Applicazione
Presentazione
Sessione
Trasporto
Rete
Data Link
LAN
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WAN
Fisico
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Data link e LAN
• Le LAN sono reti di tipo broadcast in cui
ogni stazione riceve i frame inviati da
tutte le altre stazioni
• Il broadcast può essere realizzato sia
con topologie broadcast quali il bus, sia
con topologie punto a punto quali l'anello
• I canali trasmissivi sono sufficientemente
affidabili e non è necessario in genere
correggere gli errori a questo livello
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Arbitraggio del canale
• Nelle LAN c’è un unico canale
trasmissivo condiviso da tutte le stazioni
• Occorre avere un algoritmo per:
– in trasmissione: determinare chi deve/può
utilizzare il canale (MAC: Media Access
Control)
– in ricezione: discriminare quali messaggi
sono destinati alla stazione tramite
l’utilizzo di indirizzi
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LAN Ethernet
• È una LAN concepita per topologie a bus
• Equidistribuzione della risorsa
trasmissiva
• Protocollo non deterministico con tempo
di attesa non limitato superiormente
• Velocità Trasmissiva: 10 Mb/s
• Throughput massimo: 4 Mb/s
• Arbitraggio del canale: tramite contesa
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30
Listening before talking
• Ogni stazione che debba
trasmettere ascolta il bus e
trasmette solo se questo è libero
• Appena iniziata la trasmissione si
può verificare una collisione a causa
del tempo di propagazione del
segnale non nullo
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31
Listening while talking
• Per evidenziare l'esistenza di
una collisione la stazione
trasmittente ascolta il bus anche
mentre trasmette
• In caso di collisione si sospende
la trasmissione
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Back-off
• In caso di collisione la stazione
ripeterà il tentativo dopo un
tempo casuale determinato da
un algoritmo di back-off
• La trasmissione può essere
ritentata al massimo 16 volte
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IEEE 802
(Local and Metropolitan Area Network)
Interfaccia unificata con il livello network
802.2 Logical Link Control
ISO 8802.2
LLC
LIVELLO
NETWORK
LIVELLO
DATA LINK
MAC
802.3
802.4
802.5
802.6
FDDI
ISO
8802.3
ISO
8802.4
ISO
8802.5
ISO
8802.6
ISO
9314
CSMA/CD TOKEN
BUS
TOKEN
RING
LIVELLO
FISICO
FDDI
Tecnologie trasmissive differenziate
Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori
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IEEE 802
• Il progetto IEEE 802 ha suddiviso il
livello data link in due sottolivelli:
– LLC: Logical Link Control. È
l’interfaccia comune a tutte le LAN
verso il livello network.
– MAC: Media Access Control. È
specifico per ogni LAN e risolve il
problema della condivisione del mezzo
trasmissivo
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IEEE 802.3
• Topologia: bus
• Cablaggio: bus, stella
• Arbitraggio del canale trasmissivo: tramite
contesa
• Tipologia del protocollo: non deterministico
• Velocità Trasmissiva: 10 Mb/s
• Throughput massimo: 4 Mb/s
• Evoluzione della rete Ethernet proposta da
Digital, Intel, Xerox (DIX).
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Sottolivello MAC
• Nelle LAN c’è un unico canale
trasmissivo condiviso da tutte le stazioni
• Occorre avere un algoritmo per:
– in trasmissione: determinare chi deve/può
utilizzare il canale
– in ricezione: discriminare quali messaggi
sono destinati alla stazione tramite
l’utilizzo di indirizzi
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Pacchetto MAC
Network
PDU
SSAP: Source Service Access Point
DSAP: Destination Service Access Point
LLC
PDU LLC-DSAP LLC-SSAP CONTROL NPDU
MAC
MAC-DSAP MAC-SSAP
PDU
LLC PDU
FCS
LIVELLO FISICO (es, coax + codice di Manchester)
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Indirizzi MAC
• Si compongono di due parti di 3 Byte:
– I tre byte più significativi indicano il lotto di
indirizzi acquistato dal costruttore della
scheda, detto anche vendor code.
– I tre meno significativi sono una
numerazione progressiva decisa dal
costruttore
– Esempio: MAC address 08-00-2b-3c-079a è una scheda prodotta da Digital in
quanto il lotto 08-00-2b è stato acquistato
da Digital
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Ricezione
• Ogni scheda di rete, quando riceve un
pacchetto, lo passa ai livelli superiori nei
seguenti casi:
– Broadcast: sempre
– Single: se il DSAP è uguale a quello
hardware della scheda (scritto in una
ROM) o a quello caricato da software in un
apposito buffer
– Multicast: se è stato abilitato via software
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40
Primitive di servizio
(a)
LLC LAYER
MAC
LAYER
CORRESPONDENT
LLC LAYER
MA.DATA.request
MA.DATA.confirm
MA.DATA.indication
(b)
MA.DATA.request
MA.DATA.indication
MA.DATA.confirm
(a)
(b)
TIME
usato da 802.3
usato da 802.4, 802.5, FDDI
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41
Il sottolivello LLC
• Definisce i protocolli usati per
realizzare una o più connessioni
logiche su di un singolo mezzo
fisico
• LLC deve essere utilizzabile con
uno qualunque dei MAC
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42
Il sottolivello LLC
Livello 3
OSI
Livello 3
TCP/IP
Altro
livello 3
Scelta basata
su LLC-DSAP
Sottolivello LLC
Sottolivello MAC
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43
Servizi LLC
• LLC offre al Livello 3 i seguenti
tipi di servizio:
– Tipo 1: Unacknowledged
Connectionless Service
– Tipo 2: Connection Oriented
Service
– Tipo 3: Semireliable Service
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44
Tipo 1
• Servizio non connesso
• Non esiste un acknowledge (ACK)
• Se il messaggio è perso o rovinato dai
disturbi non viene fatto nessun tentativo, a
questo livello, di recuperare l'errore
• Nessuna procedura di controllo di flusso: le
trame non sono numerate
• La trasmissione può essere punto-punto,
multipunto o broadcast
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45
Primitive LLC tipo 1
• Questo servizio LLC è molto semplice e
richiede solo due primitive:
– L.DATA.request
– L.DATA.indication
USER
L.DATA.request
LLC
LAYER
CORRESPONDENT
USER
L.DATA.indication
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46
Tipo 2
• Servizio connesso
• E’ il servizio più sofisticato che il
livello data link possa offrire al livello
network
• Sorgente e destinazione aprono una
connessione prima di trasferire i dati
e la chiudono al termine
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47
Tipo 2
• I frame sono numerati e il livello 2
garantisce che:
– ogni frame inviato sia ricevuto
correttamente
– ogni frame sia ricevuto esattamente solo
una volta
– tutti i frame siano ricevuti nell'ordine
corretto
• Esistono meccanismi di controllo di
flusso (flow control)
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Primitive LLC tipo 2
• Instaurazione della Connessione:
– L.CONNECT.request
– L.CONNECT.indication
– L.CONNECT.confirm
• Trasferimento dei dati:
– L.DATA_CONNECT.request
– L.DATA_CONNECT.indication
– L.DATA_CONNECT.confirm
Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori
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Primitive LLC tipo 2
• Chiusura della Connessione:
– L.DISCONNECT.request
– L.DISCONNECT.indication
– L.DISCONNECT.confirm
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IEEE 802 vs Ethernet
LIVELLO NETWORK
LIVELLO
DATA
LINK
LIVELLO
FISICO
LLC
Ethernet
versione
2.0
MAC
CSMA/CD
Ethernet V 2.0 di:
Digital, Intel, Xerox
Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori
802.2 Logical Link Control
ISO 8802.2
802.3
ISO
8802.3
802.5
ISO
8802.5
FDDI
ISO
9314
CSMA/CD
Standard ANSI/IEEE ed
ISO/IEC
51
Multiprotocollo in Ethernet
DECNET
TCP/IP
IPX
LIVELLO 3
Ethernet
V 2.0
COAX CABLE
+
Manchester
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LIVELLO 2
LIVELLO 1
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Multiprotocollo in IEEE 802.3
DECNET
TCP/IP
OSI
LIVELLO 3
LLC
IEE 802.2
MAC
IEEE 802.3
LIVELLO 2 - LLC
LIVELLO 2 - MAC
LIVELLO 1
10BASE5
10BASE2
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10BASET
FOIRL
(fibra)
10BASEF
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CSMA/CD
• CSMA/CD: Carrier Sense, Multiple Access
with Collision Detection
• Protocollo semplice e totalmente distribuito
• Per garantire buone prestazioni (collisioni
ridotte) bisogna non superare un carico:
– medio del 30% (3Mb/s)
– di picco del 60% (6Mb/s)
• Non avendo un ritardo massimo non è adatto
ad applicazioni real-time (anche se è stato
comunque usato in reti di fabbrica)
• È lo standard per LAN più diffuso quindi
disponibilità di componenti a basso costo
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Formato del pacchetto MAC
PDU LLC
SFD: Start Frame Delimiter
PREAMBLE SFD DSAP SSAP TYPE
7
OTTETTI
1
6
6
DATA
PAD
FCS
4
2
da 0 a 1500
da 0 a 46
La lunghezza del PAD è scelta in modo che
la lunghezza della trama MAC sia almeno 64 ottetti.
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Round trip collision delay
• È il tempo massimo che può intercorrere tra
quando una stazione trasmette il primo bit e
quando percepisce una collisione
B
A
Trasmissione da A a B
Collisione da B ad A
Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori
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Round trip collision delay
• È fissato dallo standard in 49.9 s
• La durata minima di un pacchetto è 51.2 s
– 512 bit - 64 byte
• Non vi è quindi ambiguità tra:
– pacchetti
– frammenti di collisione
• Il Round Trip Collision Delay pone limiti a:
– Lunghezza minima dei pacchetti 802.3
– Tempo massimo di propagazione sul cavo
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Connessioni hardware
Rete locale
MAU Medium attachment unit
Il Transceiver contiene:
• Alimentatore
• Trasmettitore
• Ricevitore
• Circuito di Rilevazione
delle Collisioni
Transceiver
Transceiver Cable
DTE Data terminal equipment
Scheda di Rete Locale
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MAU - DTE
• Il MAU effettua un test del circuito di
rilevazione delle collisioni, alla fine di
ogni trasmissione
• Il test prende i nomi di:
– CPT (Collision Presence Test)
– HeartBeat
– SQE Test (Signal Quality Error Test)
• Il MAU invia il risultato di tale test al DTE
sui fili del circuito di collisione
Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori
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Differenze nelle trame
Ethernet V.2.0
Preamble SFD DSAP SSAP Type
Ottetti 7
1
6
6
2
Data
FCS
da 46 a 1500
4
Lunghezza compresa tra 64 e 1518
Preamble SFD DSAP SSAP Length
Ottetti 7
1
6
Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori
6
Data
PAD FCS
2
da 0 a 1500 da 0 4
a 46
IEEE 802.3
60
Ripetitori
Stazione A
Stazione B
Applicazione
Applicazione
Presentazione
Presentazione
Sessione
Sessione
Trasporto
Trasporto
Rete
Rete
Ripetitore
Data Link
Fisico
Fisico
Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori
Fisico
Data Link
Fisico
61
Ripetitori: funzionalità
•
•
•
•
•
•
•
Amplificazione del segnale
Simmetrizzazione del segnale
Ritemporizzazione del segnale
Ripetizione
Rigenerazione del preambolo
Rilevazione delle collisioni
Generazione della sequenza di Jam
Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori
62
Ripetitori
• Un ripetitore introduce un ritardo
pari a circa 500 m di cavo
coassiale, oppure 50 bit, oppure 5
s
• Il ritardo introdotto diminuisce il
diametro massimo della rete
(fissato in circa 4200 m)
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63
Token ring
• Caratteristiche principali:
– Rete ad anello
– Stazioni collegate punto-punto
– Trasmissione su doppini
– MAC a Token
– Velocità 4 e 16 Mb/s
Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori
64
Anello
Token
e
pacchetti
Anello Unidirezionale
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65
Caratteristiche
• La trasmissione è di tipo punto-punto
unidirezionale tra due stazioni adiacenti:
– Ogni stazione ripete/rigenera il segnale
– Ogni pacchetto attraversa tutte le stazioni
sino a tornare alla stazione mittente
– L’effetto ottenuto è quello del broadcast
Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori
66
Multiprotocollo in IEEE 802.5
DECNET
OSI
TCP/IP
LIVELLO 3
LLC
IEE 802.2
LIVELLO 2 - LLC
MAC
IEEE 802.5
10BASET
Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori
LIVELLO 2 - MAC
FOIRL
LIVELLO 1
67
•
•
•
•
•
•
•
•
Formato del pacchetto
SD: Starting Delimiter
AC: Access Control
ED: End Delimiter
FC: Frame Control
RI: Routing Information
FS: Frame Status
DA: Destination Address
SA: Source Address
da 21 a 17796 ottetti
SD
AC
FC
DA
SA
RI
INFO
1
1
1
6
6
da 0
a 30
da 4
a 17749
Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori
FCS ED
4
1
FS
1
68
Arbitraggio tramite token
• La stazione mittente (A) aspetta il token (T)
• A trasforma il token nell’header del pacchetto
(D) e trasmette i dati
T
D
A
D
C
B
Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori
A
D
C
B
69
Arbitraggio tramite token
• La stazione destinataria (C), oltre a ripetere il
pacchetto, lo copia localmente
• La stazione mittente (A) toglie il pacchetto
dall’anello e genera un nuovo token
D
A
D
C DR
B
D
A
T
C
B
DR: Dati Ricevuti
Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori
70
Modalità di rilascio del token
• Normale
– La stazione mittente rigenera il token solo
dopo aver tolto il pacchetto dall’anello
– Eventualmente trasmette dei bit di
riempimento
– Sull’anello è presente o un pacchetto o il
token
– Inefficiente per anelli lunghi operanti a
16Mb/s
Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori
71
Modalità di rilascio del token
• Early Token Release
– La stazione mittente rigenera il
token immediatamente dopo aver
trasmesso il pacchetto
– Sull’anello possono essere
presenti il token e più pacchetti
Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori
72
Token Holding Timer - THT
• Una stazione quando ha
catturato il token può
trasmettere uno o più pacchetti
• Non deve superare il valore
impostato per il THT
• Il valore massimo di THT è di
8.9 ms
Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori
73