Sistemi e Tecnologie della Comunicazione Lezione 15: data link layer: Ethernet e FastEthernet

Ethernet e IEEE 802.3 Ethernet nasce come protocollo CSMA/CD da una collaborazione DEC/Intel/Xerox, standardizzato nel 1978 Pochi anni dopo viene pubblicato lo standard IEEE 802.3, ereditato in seguito dall’ISO come 8802.3 con differenze minime che sono state poi accorpate Normalmente si utilizzano Ethernet ed IEEE 802.3 come sinonimi Ethernet, intesa come tecnologia, si e’ sviluppata a partire dalla prima versione a 10 Mbps, a cui e’ seguito un nuovo standard a 100 Mbps, quindi uno a 1000 Mbps ed uno successivo a 10 Gbps; e’ in corso di definizione uno standard a velocita’ superiore Ethernet nasce nel 1976: Bob Metcalfe studia il protocollo Aloha e va a lavorare in Xerox dove si stanno costruendo i primi Personal Computer, che non hanno connessioni esterne Sviluppa un protocollo a contesa che utilizza il cavo thick e va a 2.94 Mbps Il protocollo e’ un CSMA/CD con algoritmo di contesa a backoff esponenziale (si tenta, in caso di fallimento, al tentativo i si tenta dopo un intervallo random tra 0 e 2^i-1) In seguito DEC, Intel e Xerox producono uno standard a 10 Mbps (DIX) Xerox abbandona gli investimenti nello sviluppo di Ethernet e Metcalfe fonda la 3Com che fa schede Ethernet da mettere nei PC: ottima scelta

Cablaggio in Ethernet Lo standard prevede quattro tipi differenti di cablaggio per Ethernet: 10Base5: cavo coassiale di tipo thick, di lunghezza massima 500 m 10Base2: cavo coassiale di tipo thin, di lunghezza massima 185 m 10BaseT: doppino intrecciato, di lunghezza massima 100 m 10BaseF: fibra ottica capace di connessioni fino a 2000 m La nomenclatura indica la velocita’ (10 Mbps), il fatto che il segnale trasmesso e’ in banda base (Base), e (nei primi due casi) la lunghezza espressa in centinaia di metri

Schema dei cablaggi in rame

Cablaggio 10Base5 Cavo coassiale di tipo thick, di lunghezza massima 500 m; e’ possibile connettere al cavo, a distanza di 2.5 m, prese vampiro a cui connettere le stazioni; Alla presa vampiro e’ attaccato un transceiver, il modulo analogico che controlla il cavo per rilevare collisioni Il transceiver e’ connesso all’interfaccia di rete del calcolatore da un cavo apposito che puo’ essere lungo 50 m il cavo transceiver e’ generalmente costituito da 5 coppie di cui due sono dedicate al traffico nei due versi, due al controllo, una opzionale alla alimentazione del transceiver stesso esistono transceiver a cui possono essere collegate fino a 8 stazioni Il cavo coassiale deve essere terminato ai due estremi da un “tappo” a 50 Ohm per eliminare le riflessioni I problemi principali di questo tipo di cavo sono la rigidita’ del cavo la difficolta’ nell’identificare la sorgente di eventuali problemi (lunghezze eccessive, prese difettose, interruzioni totali o parziali del conduttore) la difficolta’ tecnica dell’inserimento di nuove stazioni tramite le prese a vampiro

Cablaggio 10Base2 Cavo coassiale di tipo thin, di lunghezza massima 185 m, anch’esso terminato ai due capi da impedenze a 50 ohm Le connessioni sono operate tramite connettori BNC a forma di T che permette di connettere alla T l’interfaccia della stazione (o un cavo thin che porta all’interfaccia della stazione, ma di lunghezza molto ridotta in quanto introduce riflessioni) In questa soluzione il transceiver risiede direttamente nella interfaccia di rete della stazione connessa I vantaggi rispetto al 10Base5 sono la maneggevolezza la semplicita’ di aggiunta di nuove stazioni (se la T e’ gia’ predisposta, altrimenti si deve interrompere il cavo) l’affidabilita’ dei connettori (maggiore che nel caso del 10Base5, ma comunque fonte di problemi)

Cablaggio 10BaseT Uno sviluppo tecnologico successivo ha portato alla realizzazione di uno schema di cablaggio che fa uso di doppini in rame Ogni stazione e’ collegata tramite un cavo UTP (cat. 3 o superiore) ad un dispositivo a piu’ porte chiamato HUB L’HUB non elabora i dati, ma costituisce dal punto di vista logico il mezzo condiviso: i cavi in rame vengono connessi dall’elettronica interna all’HUB in modo da simulare il mezzo condiviso L’HUB svolge le funzioni di un ripetitore, che rigenera il segnale e lo invia a tutte le linee connesse (tranne quella da cui ha ricevuto il frame) Se si verifica una trasmissione contamporanea di due o piu’ stazioni connesse all’HUB, si avra’ una collisione L’utilizzo di questa tecnica di cablaggio porta numerosi vantaggi dal punto di vista pratico semplicita’ di cablaggio (spesso potendo sfruttare il cablaggio telefonico preesistente) semplicita’ nella aggiunta, rimozione o spostamento delle stazioni connesse affidabilita’ meccanica del mezzo fisico e semplificazione della ricerca dei guasti Lo svantaggio di questa soluzione sta’ nella distanza limitata, che e’ di 100 m per l’UTP cat. 3, 200 m per l’UTP cat. 5

Cablaggio 10BaseF Si utilizza una coppia di fibre ottiche, di lunghezza massima 2 Km Generalmente utilizzato per interconnettere edifici o postazioni distanti Le specifiche prevedono la possibilita’ di interconnettere hub, stazioni e ripetitori

Ripetitori Per aumentare la distanza coperta dalla rete e’ possibile collegare piu’ cavi tra loro tramite ripetitori Dal punto di vista del data link layer, l’unica differenza di una struttura con ripetitori e’ data dal ritardo trasmissivo introdotto dalla loro presenza Lo standard prevede dei limiti alla estendibilita’ della rete tramite ripetitori: tra due transceiver non possono esserci piu’ di 4 ripetitori tra due transceiver non possono esserci piu’ di 2.5 Km L’utilizzo di ripetitori permette lo sviluppo di topologie diverse per il cablaggio di un edificio

Codifica Sul mezzo condiviso la condizione di “assenza di trasmissione” e’ necessariamente identificata da assenza di segnale Non sono quindi possibili codifiche che utilizzino il segnale a 0 volt per identificare un bit La necessita’ di trasferire l’informazione di clock assieme al segnale ha portato alla invenzione della codifica Manchester gia’ vista Lo standard Ethernet utilizza la codifica Manchester con segnali a +0.85 V e -0.85 V (altri protocolli, come token ring, fanno uso della codifica Manchester differenziale)

Struttura del frame Il frame inizia con un “preambolo” di 8 byte con sequenza 10101010 la codifica Manchester genera un segnale in onda quadra a 10 MHz di durata 6.4 μs che permette ai rivevitori di sincronizzarsi la sincronizzazione deve essere mantenuta per il resto del frame, utilizzando la caratteristica della codifica Manchester per aggiustare la sincronia Seguono due campi di indirizzo relativi alla destinazione ed alla sorgente del frame l’indirizzo e’ costituito da 2 o da 6 byte, ma le specifiche a 10 Mbps utilizzano solo campi da 6 byte

Indirizzo Ethernet L’indirizzo Ethernet normalmente viene indicato come sequenza di 6 byte, ciascuno rappresentato da una coppia di caratteri esadecimali, separati da “:” o da “-” (es: 08:00:2b:a2:01:5f) Per la destinazione sono previsti indirizzi ordinari (con il primo bit 0) ed indirizzi di gruppo (primo bit 1) l’indirizzo di gruppo permette la trasmissione multicast: un solo frame destinato e ricevuto da piu’ destinazioni (raramente utilizzata) l’indirizzo costituito da tutti 1 indica “per tutti” e permette la comunicazione broadcast (utilizzata da molti protocolli di livello superiore) Il secondo bit indica indirizzi globali (se vale 0) o a valenza locale (se vale 1) gli indirizzi globali sono assegnati dall’IEEE: ogni interfaccia di rete prodotta nel mondo ha un suo indirizzo globale che e’ unico gli indirizzi locali possono essere assegnati dall’amministratore di rete e non hanno garanzia di unicita’

Campo di tipo Segue un campo di 2 byte che serve ad indicare al ricevente cosa deve fare del frame ricevuto generalmente il livello 2 viene utilizzato da piu’ processi dello strato di rete simultaneamente il campo type indica al ricevente a quale processo e’ destinato il contenuto del frame

Campo dati e riempimento Il campo dati trasporta le informazioni del protocollo di livello 3 ed ha dimensione variabile, con un limite superiore La sua dimensione massima e di 1500 byte, e fa si che la lunghezza massima del frame Ethernet sia 1518 byte (preambolo elscuso) il valore massimo e’ determinato dal fatto che il transceiver deve ospitare l’intero frame in RAM, ed al momento della definizione dello standard la RAM era piu’ costosa di oggi Lo standard prevede che un frame Ethernet non possa essere inferiore a 64 byte In caso di necessita’ il campo dati e’ seguito da un campo di riempimento costituito da tutti 0 per fare in modo che la somma dati+riempimento sia di almeno 46 byte e’ compito dei livelli superiori forzare il campo dati ad essere almeno di 46 byte, od introdurre un indicatore di lunghezza per discriminare i dati dal riempimento

Requisito di lunghezza minima del frame Questo requisito e’ dovuto al fatto che una stazione deve poter identificare una collisione sul frame che sta’ trasmettendo Detto T l’intervallo di tempo per la propagazione del segnale lungo il mezzo tra le stazioni piu’ lontane, nel caso peggiore un eventuale segnale di collisione arriva al trasmittente dopo 2T secondi Se la trasmissione terminasse entro 2T secondi, la stazione riterrebbe di aver trasmesso con successo quando invece potrebbe essere avvenuta una collisione Lo standard Ethernet prevede la possibilita’ di avere 5 tratte da 500 m connesse da 4 ripetitori, ed il tempo di propagazione, tenuto in conto il ritardo introdotto dai ripetitori, e’ di circa 25 μs; il frame deve quindi durare almeno 50 μs che a 10 Mbps significano 500 bit Il frame trasmesso deve essere lungo almeno 500 bit (arrotondato a 512 bit = 64 byte)

Il campo di checksum L’ultimo campo e’ dedicato al checksum, realizzato tramite un codice CRC a 32 bit Il campo e’ utilizzato solo per determinare la correttezza del frame e scartare i frame errati E’ compito dei protocolli di livello superiore organizzare la ritrasmissione di dati mancanti

Differenze tra Ethernet ed IEEE 802.3 La standardizzazione IEEE (1997) ha introdotto due modifiche: l’ultimo byte del preambolo e’ trasformato in un byte di inizio frame (Start Of Frame) di valore 10101011 il campo “type” e’ stato trasformato nel campo “length”, e contiene la lunghezza del campo dati espressa in ottetti Fortunatamente al momento della standardizzazione nessuno aveva ancora utilizzato un type di valore inferiore a 1500 (e dopo e’ stato proibito) , per cui le due differenti definizioni possono coesistere sulla stessa LAN

Protocollo di accesso al mezzo La gestione dell’accesso al mezzo avviene tramite un algoritmo noto col nome di backoff esponenziale binario inizialmente una stazione si comporta secondo il protocollo 1-persistente dopo la prima collisione il tempo viene diviso in slot di 512 bit (51.2 μs) e la stazione attende un tempo casuale di 0 o 1 slot, poi riprova se avviene un’altra collisione la stazione attendera’ un numero di slot scelto a caso tra 0 e 3 in generale dopo la n-esima collisione il tempo di attesa sara’ scelto casualmente tra 0 e 2n-1, fino ad un massimo di 1023 intervalli (alla decima collisione consecutiva) raggiunto il valore di 1023, questo valore non viene piu’ aumentato, ed il protocollo ritenta la trasmissione fino a raggiungere 16 collisioni consecutive, limite oltre il quale il livello 2 comunica allo strato superiore un errore Questo meccanismo si adatta al carico presente sulla rete in condizioni di basso carico la stazione riesce rapidamente a trasmettere in condizioni di carico elevato, l’aumento esponenziale degli intervalli di attesa rende i tentativi sufficientemente rarefatti da permettere a tutte le stazioni di trasmettere

Prestazioni di Ethernet Come gli altri protocolli CSMA anche Ethernet presenta le seguenti caratteristiche in condizioni di basso carico i tempi di ritardo sono contenuti e l’efficienza assomiglia al CSMA 1-persistente con la miglioria legata al fatto che c’e’ rilevazione della collisione in condizioni di carico elevato crescono le collisioni, ma l’algoritmo di backoff esponenziale fa si che le stazioni mutino il loro comportamento rendendo il protocollo simile ad un CSMA p-persistente con p sempre piu’ piccolo quindi al crescere del carico l’andamento dell’efficienza tende ad appiattirsi su una percentuale di valore non nullo c’e’ una forte dipendenza dalla dimensione media dei frame trasmessi; piu’ piccolo e’ il frame, piu’ pesa l’overhead del periodo di contesa rispetto al periodo di trasmissione riuscita

Commutazione in Ethernet: lo switch Al crescere delle stazioni connesse aumenta l’inefficienza del protocollo Per risolvere questo problema si fa uso di un dispositivo, detto switch Lo switch e’ un oggetto costituito da una scheda interna (backplane) ad alta velocita’ trasmissiva su cui possono essere innestate svariate schede di linea, ciascuna contenente diversi connettori i connettori sono predisposti per doppini 10BaseT; ciascuno connette una stazione (o un hub, o un’altro switch) alla rete

Funzionamento dello switch Quando una stazione trasmette un frame, questo giunge allo switch Lo switch sa (vedremo dopo come) a quale porta di quale scheda e’ connessa la stazione a cui e’ destinato il frame se la stazione e’ connessa ad una porta della stessa scheda il frame e’ inoltrato su quella porta se la stazione e’ connessa ad una scheda diversa, il frame viene trasmesso internamente alla scheda di destinazione attraverso il backplane, e da li inviato sulla porta connessa alla stazione destinataria La scheda di backplane funziona con un protocollo proprietario, sviluppato dal produttore, generalmente a capacita’ molto superiore a 10 Mbps

Funzionamento dello switch (cont.) Quando due stazioni connesse alla stessa scheda trasmettono contemporaneamente: negli switch piu’ vecchi la scheda e’ di fatto un HUB: tutte le linee sono elettricamente connesse a formare un unico dominio di collisione, e la trasmissione contemporanea provoca una collisione gestita secondo il protocollo a contesa via backoff esponenziale binario va osservato che la collisione riguarda solo le stazioni connesse alla scheda in questione in questo caso e’ possibile solo una trasmissione per ogni scheda, ma diverse schede possono trasmettere frame in parallelo gli switch piu’ moderni dispongono di un buffer per ogni porta: il frame viene memorizzato ed inoltrato sulla porta di destinazione appena possibile in questo caso non esiste possibilita’ di collisione, perche’ ogni porta puo’ trasmettere e ricevere contemporaneamente senza influire sulle trasmissioni altrui sara’ lo switch ad occuparsi di memorizzare su buffer il frame se non puo’ inoltrarlo immediatamente in questo modo si realizza una comunicazione full duplex a piena banda

Funzionamento dello switch (cont.) E’ possibile utilizzare alcune porte di uno switch come accentratore di linee: una porta puo’ essere connessa ad un HUB o ad un’altro switch, in modo da separare i domini di collisione Questa tecnologia permette di aumentare notevolmente l’efficienza complessiva in condizioni di carico elevato, di fatto eliminando il problema delle collisioni o confinandolo entro rami distinti contenenti un numero di stazioni ridotto Utilizzando gli switch in cascata si possono realizzare topologie ad albero rendendo molto flessibile la struttura topologica della rete e piu’ semplice il suo sviluppo nel tempo

Apprendimento della topologia Per sapere su quale porta debba essere trasmesso il frame, lo switch deve creare e mantenere aggiornata una tabella relativa alla associazione tra indirizzo di destinazione e porta La costruzione manuale di questa tabella sarebbe troppo costosa in termini di gestione della rete, ed e’ stato opportunamente inventato un meccanismo di auto apprendimento Inizialmente questa tabella e’ vuota, e lo switch deve inoltrare ciascun frame ricevuto su tutte le porte connesse Poiche’ i frame contengono l’indirizzo del mittente, ad ogni frame che arriva lo switch impara che la stazione che ha inviato il frame e’ raggiungibile attraverso la porta da cui e’ arrivato il frame stesso Con il passare del tempo lo switch riempie la tabella e puo’ svolgere la sua funzione in modo sempre piu’ efficiente Tutti i frame broadcast e multicast continueranno a dover essere trasmessi su tutte le porte connesse (tranne quella di provenienza), cosi’ come i frame destinati ad indirizzi non presenti nella tabella L’aggiunta di stazioni connesse viene gestita dallo switch automaticamente attraverso il meccanismo di auto apprendimento

Limiti di funzionalita’ degli switch I limiti di funzionalita’ dello switch sono determinati dalla sua capacita’ di ritrasmettere i frame alla velocita’ necessaria Poiche’ lo switch permette una trasmissione full duplex su tutte le porte di ogni scheda, il backplane puo’ costituire il limite alla capacita’ di supportare il traffico generato negli switch moderni di elevata qualita’ il backplane e’ costruito in modo da garantire un throughput sufficiente alla trasmissione a piena banda di tutte le sue porte contemporaneamente negli switch piu’ vecchi o di qualita’ inferiore la capacita’ del backplane e’ comunque molto elevata, e si gioca sul fatto che difficilmente tutti trasmettono a piena banda nello stesso momento (questo e’ sempre vero in condizioni normali) Un altro problema puo’ derivare dal limite dei buffer: supponiamo che due stazioni trasmettano a piena banda verso una terza stazione lo switch riceve un traffico di 20 Mbps in ingresso, ma dispone di soli 10 Mbps in uscita verso la destinazione non e’ possibile smistare tutto il traffico In entrambe le situazioni i frame in eccesso verranno buttati via dallo switch: sara’ compito dei livelli superiori delle stazioni coinvolte gestire la situazione con ritrasmissioni e controllo di flusso

Fast Ethernet Nel 1992 IEEE ha riunito il comitato 802.3 per sviluppare un protocollo a 100 Mbps basato sulla tecnologia Ethernet Il lavoro si e’ sviluppato secondo una linea guida fondamentale: mantenere la compatibilita’ con le LAN esistenti Questo ha significato: mantenere lo stesso formato del frame mantenere le stesse interfacce mantenere le stesse regole procedurali

Fast Ethernet (cont.) L’aumento della velocita’ di un fattore 10 a parita’ di lunghezza minima del frame richiede che per rilevare le collisioni si debba accorciare di un fattore 10 la lunghezza massima del cavo Questo non avrebbe permesso di mantenere le strutture di cablaggio preinstallate La soluzione e’ stata di rinunciare al cavo coassiale; FastEthernet (802.3u) prevede come topologie possibili solo connessioni via hub o switch, utilizzando come mezzi trasmissivi UTP cat. 3: 100Base-T4 (max. 100 m) UTP cat. 5: 100Base-TX (max. 100 m) Fibra ottica: 100Base-FX (max 2000 m) nota: il protocollo – come vedremo – permette per il rame lunghezze maggiori; solo le specifiche limitano a 100 m la lunghezza dei cavi in rame, ma spesso si riesce a realizzare la connessione FastEthernet anche a 200 m

Codifiche per FastEthernet La codifca Manchester a 100 Mbps richiede 200 Mbaud, improponibile per i doppini alle distanze richieste, quindi si e’ cambiata la codifica gli apparati moderni, che gestiscono il clock piu’ accuratamente, e le distanze ridotte permettono di rinunciare ai benefici della codifica Manchester 100Base-T4: lo standard per l’UTP cat. 3 prevede l’utilizzo di 4 doppini con segnali ternari a 25 MHz (supportati dal cavo a 100 m di distanza) un doppino dedicato alla trasmissione in un verso, uno a quella in verso opposto, due commutabili si trasmette un segnale ternario: con tre doppini si hanno 27 simboli, che possono trasferire 4 bit di informazione con un po’ di ridondanza 25 MHz per 4 bit fornisce i 100 Mbps richiesti, ma non full duplex

Codifiche per FastEthernet (cont.) 100Base-TX: l’UTP cat. 5 a 100 m e’ capace di supportare una frequenza di 125 MHz Lo standard prevede l’utilizzo di due coppie (una per verso di trasmissione) utilizzanti una codifica a due livelli detta 4B/5B ereditata da FDDI (modificata per annullare la componente continua e per motivi spettrali) ogni gruppo di 5 periodi di clock contiene 32 combinazioni 16 sono utilizzate per per trasmettere 4 bit di dati, alcune delle altre per funzioni di controllo le 16 combinazioni dedicate ai dati sono state scelte opportunamente per garantire un adeguato numero di transizioni del segnale allo scopo di facilitare la sincronizzazione in ricezione 4 bit ogni 5 periodi di clock a 125 MHz fornisce i 100 Mbps desiderati, per ogni coppia di cavo, garantendo la comunicazione full duplex 100Base-FX: la connessione e’ realizzata tramite una coppia di fibre multimodali (una per ogni direzione) capaci di una distanza massima di 2000 m, ed utilizzano la codifica 4B/5B a 125 MHz convertita in segnale ottico

Caratteristiche del FastEthernet Lo standard cosi’ definito permette di utilizzare le stesse regole di protocollo di Ethernet per le connessioni in rame, sono possibili topologie ad albero tramite hub o switch ciascun hub costituisce un dominio di collisione; la collisione e’ gestita con il meccanismo di contesa regolato dall’algoritmo di backoff esponenziale binario di Ethernet la lunghezza massima del cavo per il funzionamento dell’algoritmo basato sulla rilevazione della collisione e’ 10 volte minore del limite per Ethernet, quindi pari a 250 m, compatibile con la lunghezza massima degli UTP per le connessioni in fibra la lunghezza delle specifiche eccede quella massima ammissibile per la corretta gestione delle collisioni, per cui 100Base-FX puo’ essere utilizzata solo con switch

Velocita’ miste Tutti gli switch possono utilizzare connessioni a velocita’ miste, con porte a 10 o 100 Mbps La velocita’ della porta generalmente (non sempre) puo’ essere negoziata dalle due interfacce all’atto della accensione delle macchine, cosi’ come la modalita’ di trasmissione (half duplex o full duplex) In questo modo e’ possibile pianificare una migrazione della rete da Ethernet a FastEthernet senza dover cambiare tutti gli apparati di commutazione e le interfacce nello stesso momento Le vecchie interfacce di rete, realizzate secondo lo standard Ethernet, non sono capaci di negoziare, ma gli switch possono capire da soli e configurare automaticamente la porta in modo opportuno (non sempre!) Gli switch di qualita’ (“manageble”, cioe’ configurabili) possono essere configurati manualmente per definire le modalita’ di funzionamento delle porte (essenziale per mettere d’accordo interfacce che non si parlano correttamente in fase di inizializzazione) Le porte in fibra non hanno queste caratteristiche: per le connessioni in fibra se si cambia la tecnologia dello switch si deve cambiare l’interfaccia