1 Sistemi e Tecnologie della Comunicazione Lezione 16: data link layer: Gigabit Ethernet, Wireless (strato fisico)

2 Gigabit Ethernet Fast Ethernet ha sbaragliato la concorrenza costi bassi (in particolare per le connessioni in rame) alta velocita’ alte prestazioni (grazie alla tecnologia di switching) flessibilita’ di topologia (e’ banale aggiungere, rimuovere, spostare stazioni o interi rami della rete) compatibilita’ all’indietro, con possibilita’ di migrare progressivamente la propria infrastruttura di rete Qualsiasi altro protocollo del momento (FDDI, Token ring, Token bus) non ha retto alla concorrenza Tuttavia alcuni fattori hanno spinto a cercare soluzioni piu’ veloci alcuni nuovi protocolli promettevano prestazioni migliori (ATM), anche se a costi molto elevati esigenze di banda sempre superiore, per applicazioni multimediali interattive, o in generale per la crescita esponenziale delle dimensioni dei dati da maneggiare e della cresciuta velocita’ di elaborazione degli stessi da parte dei calcolatori Nel 1995 IEEE inizia a lavorare su un nuovo incremento di velocita’ per Ethernet, e nel 1998 viene pubblicato lo standard 802.3z (Gigabit Ethernet)

3 Caratteristiche di Gigabit Ethernet L’obiettivo e’ lo stesso: realizzare un protocollo 10 volte piu’ veloce mantenendo tutte le caratteristiche del precedente (stessa struttura e dimensione del frame, stesso schema di indirizzamento, stesso tipo di servizio non affidabile) Di nuovo si e’ deciso di fare a meno della connettivita’ su coassiale (a maggior ragione, per gli stessi motivi) Come Fast Ethernet, Gigabit Ethernet prevede due modalita’ operative full duplex (quella normale): la connessione e’ tra due switch o tra la stazione e lo switch; le porte sono dotate di buffer e le collisioni non sono possibili, quindi non c’e’ utilizzo di CSMA/CD half duplex: la connessione e’ con un hub, che non e’ dotato di buffer e connette elettricamente le linee in ingresso; c’e’ possibilita’ di collisione e va utilizzato CSMA/CD La gestione delle collisioni riduce di un fattore 100 la dimensione massima del cavo rispetto ad Ethernet (25 m); per estendere questo limite a 200 m si utilizzano due tecniche: carrier extension: l’interfaccia inserisce riempitivi per portare la dimensione del frame ad almeno 512 byte; poiche’ questa aggiunta e’ eseguita dall’hardware e rimossa dalla interfaccia in ricezione, le specifiche del protocollo non cambiano frame bursting: permette a chi trasmette di inviare piu’ di un frame per volta; se l’aggregato non raggiunge i 512 byte, si applica ancora il carrier extension

4 Collisioni in Gigabit Ethernet Queste specifiche rendono il protocollo meno efficiente in occasione di trasmissioni di frame piccoli Tuttavia l’utilizzo di Gigabit Ethernet in modalita’ CSMA/CD (con HUB) e’ raramente applicata, anche perche’ il costo di uno switch e di poco superiore a quello di un HUB

5 Specifiche per i mezzi trasmissivi Gigabit Ethernet specifica l’utilizzo di diversi mezzi trasmissivi: 1000Base-SX: fibra ottica multimodale (fino a 550 m) 1000Base-LX: fibra ottica monomodale (fino a 5000 m) 1000Base-T: 4 coppie di cavo UTP cat. 5 (fino a 100 m) 1000Base-CX: 2 coppie di cavo STP (fino a 25 m) (raramente utilizzata)

6 Codifiche in Gigabit Ethernet Su fibra si utilizza una codifica nota come 8B/10B: una sequenza di 8 bit e’ codificata utilizzando 10 bit: 1024 codeword per 8 bit: c’e’ margine per scegliere opportunamente le codeword in modo che non ci siano mai piu’ di 4 bit uguali consecutivi non ci siano mai piu’ di sei 0 o sei 1 spesso una sequenza ha piu’ codeword associate, e viene scelta la migliore in funzione delle precedenti inviate per mantenere alternanza tra 0 ed 1 ed annullare la componente continua che passa nell’elettronica di conversione ottico/elettrico Su rame si utilizzano tutte le quattro coppie del cavo UTP in modalita’ duplex con un simbolo a 5 livelli ogni ciclo di clock trasmette 5 simboli per coppia: 2 bit piu’ un bit usato per segnali di controllo si ciascuna coppia 8 bit per ciclo a 125 MHz danno il throughput di 1 Gbps la modalita’ di trasmissione duplex si realizza con una elettronica complessa finalizzata al trattamento del segnale per separare l’ingresso dall’uscita

7 Controllo di flusso in GE Poiche’ lo standard ammette la connessione di una stazione GE con una FE o Ethernet, e’ stato introdotto un meccanismo per il controllo di flusso a livello MAC Lo switch comunica all’interfaccia GE della stazione di sospendere le trasmissioni di frame utilizzando un frame Ethernet normale, con tipo 0x8808 (seguito da parametri nel campo dati, indicanti tra l’altro per quanto tempo sospendere la trasmissione) Un meccanismo analogo esiste nelle specifiche di Fast Ethernet

8 Reti wireless Motivazioni: principalmente la diffusione di computer portatili, per offrire mobilita’ senza perdita di connessione un altro fattore e’ l’estensibilita’ della rete senza necessita’ di cablaggio Bande trasmissive ISM lo strato fisico e’ realizzato con la trasmissione omnidirezionale in modulazione digitale di una portante esistono bande di frequenza dedicate all’utilizzo senza necessita’ di registrazione ed allocazione queste bande si chiamano ISM (Industrial, Scientific, Medical) la legislazione specifica determinate caratteristiche obbligatorie per utilizzare queste bande, come ad esempio la potenza massima di trasmissione e l’utilizzo di tecniche trasmissive spread spectrum le bande utilizzate nelle trasmissioni wireless sono a 2.4 GHz ed a 5 GHz in questa regione le trasmissioni competono con apparati radiocomandati, telefoni cordless, forni a microonde, …

9 Standard x L’IEEE ha definito diversi standard nel corso del tempo per le trasmissioni wireless Questi standard sono IEEE con tre differenti tecniche trasmissive (IR, FHSS, DSSS) e velocita’ ad 1 o 2 Mbps nella banda a 2.4 GHz IEEE b a velocita’ 1, 2, 5.5 e 11 Mbps nella banda a 2.4 GHz IEEE a con velocita’ fino a 54 Mbps nella banda a 5 GHz IEEE g fino a 54 Mbps nella banda a 2.4 GHz

10 Strato fisico per le reti ad infrarosso utilizza trasmissioni a 0.85 e 0.95 micron supporta velocita’ a 1 e 2 Mbps di fatto non utilizzato FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) utilizza 79 canali ad 1 MHz a partire da 2.4 GHz con la tecnologia Frequency Hopping: la trasmissione salta ad intervalli temporali definiti (minori di 400 ms) da una frequenza ad un’altra secondo una sequenza pseudocasuale nota a tutti la banda disponibile ad ogni istante e’ 1 MHz questa tecnica fornisce sicurezza (impossibile seguire la comunicazione senza conoscere la sequenza pseudocasuale) e solidita’ contro il multipath fading (quando arriva il segnale riflesso la ricezione e’ gia’ spostata su un altro canale) supporta standard ad 1 e 2 Mbps, con codifiche a 2 o 4 simboli con (G)FSK

11 Strato fisico per le reti (cont.) DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) il tempo di un bit viene suddiviso in m intervalli temporali il valore trasmesso e’ la combinazione in or esclusivo dei bit dei dati (di durata Tb) combinati con una sequenza pseudocasuale o predefinita di bit, ciascuno di durata Tc=Tb/m, detti chip lo standard opera nella banda a 2.4 GHz ed utilizza una sequenza fissa di 11 chip (sequenza di Barker) per codificare un bit di dati

12 Strato fisico per le reti (cont.) DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) (cont.) la banda disponibile e’ suddivisa in 14 canali di 5 MHz ciascuno, a partire da GHz le stazioni debbono essere configurate per determinare il canale utilizzato non tutti i canali sono disponibili in tutti i paesi in USA il canale 14 e’ proibito, in Spagna sono ammessi solo il 10 e l’11, in Italia sono tutti ammessi le antenne trasmettono a 11 MHz; con modulazioni PSK a 2 o 4 livelli e 11 chip per bit lo standard permette trasmissioni a 1 o 2 Mbps poiche’ l’ampiezza di banda del segnale inviato e’ intorno ai 22 MHz, nonostante i filtri dell’elettronica per non interferire due trasmissioni indipendenti nella stessa area debbono utilizzare canali separati da almeno 5 canali

13 Strato fisico per le reti (cont.) b questo standard prevede l’utilizzo della banda a 2.4 GHz per trasmettere fino a 11 Mbps utilizza la tecnica HR-DSSS (High Rate DSSS) questa tecnica utilizza codeword non fisse prevede trasmissioni a 1 e 2 Mbps in modalita’ compatibile con DSSS e velocita’ a 5.5 e 11 Mbps b prevede l’utilizzo di codeword a 8 chip, sempre a 11 MHz utilizzando PSK a 4 livelli (2 chip per simbolo) la trasmissione a 2.75 Mchip/s trasmette 2 o 4 bit per chip producendo i rate a 5.5 o 11 Mbps la velocita’ di trasmissione e’ adattabile dinamicamente in funzione della potenza del segnale, del carico e del rumore presenti il suo campo di azione si aggira, in assenza di ostacoli, attorno ai 150/200 m

14 Strato fisico per le reti (cont.) a questo standard prevede l’utilizzo della banda a 5 GHz per trasmettere fino a 54 Mbps utilizza la tecnica OFDM (Orthogonal FDM) similmente ad ADSL utilizza 52 canali distinti, di cui 48 per i dati e 4 per la sincronizzazione, con sottoportanti separate di MHz (per un totale di 20 MHz disponibili) a differenza della FDM classica, le frequenze delle sottoportanti sono scelte in modo tale che lo spettro di ogni sottoportante modulata abbia ampiezza zero in corrispondenza della frequenza della altre sottoportanti (da qui il termine orthogonal) utilizza differenti tecniche di encoding e di modulazione per supportare velocita’ di 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 e 54 Mbps a 250 KHz di symbol rate il suo campo di azione copre poche decine di metri questo standard e’ stato definito da poco, ed ancora poco diffuso

15 Strato fisico per le reti (cont.) g questa e’ l’evoluzione di b che prevede un data rate fino a 54 Mbps utilizza la stessa tecnica OFDM di a nella banda di frequenze a 2.4 GHz, con tecniche di modulazione piu’ complesse ultimo arrivato tra gli standard, non ha ancora un utilizzo diffuso ancora da verificare sul campo la reale possibilita’ di andare alla velocita’ massima

16 CSMA: stazione nascosta Come esempio consideriamo tre stazioni A, B e C tali che B sia a portata di A e di C, ma A e C non possano rilevare le rispettive trasmissioni Se C sta trasmettendo dati a B, A non potra’ rilevare l’occupazione del canale in quanto e’ fuori portata A iniziera’ a trasmettere ed il suo segnale arrivera’ a B interferendo con i dati che C sta’ trasmettendo Questo e’ detto problema della stazione nascosta

17 CSMA: stazione esposta Se nelle stesse ipotesi supponiamo che A stia trasmettendo verso un’altra destinazione, e che B desideri inviare dati a C B ascolta il canale e lo trova occupato, quindi non trasmette In realta’ il canale sarebbe disponibile (nella ipotesi che la destinazione della trasmissione di A sia fuori dalla portata di B) perche’ in C i segnali non interferirebbero Questo e’ il problema della stazione esposta

18 MACA L’inefficacia del protocollo CSMA deriva dal fatto che per le trasmissioni wireless quello che conta e’ l’interferenza in prossimita’ del ricevente, mentre l’analisi della portante che puo’ fare una stazione e’ solo in prossimita’ di se stessa, cioe’ del trasmittente Il protocollo MACA (Multiple Access with Collision Avoidance) tenta di risolvere il problema nel seguente modo: il trasmettitore A invia un piccolo frame (RTS: Request To Send) al ricevitore B il frame RTS contiene la richiesta di trasmettere un frame a B, specificandone la lunghezza il ricevitore B trasmette un piccolo frame di conferma (CTS: Clear To Send) ad A, con le stesse informazioni del RTS quando A riceve il CTS trasmette il frame di dati a B

19 MACA (cont.) Tutte le stazioni che ricevono il frame RTS sanno che B rispondera’ con un CTS in seguito A trasmettera’ un frame di dati di lunghezza specificata in RTS Queste stazioni attenderanno senza trasmettere un tempo sufficiente alla trasmissione dei dati Le stazioni nascoste non vedono il frame RTS, ma vedono il frame CTS, quindi sanno che trasmesso il CTS B dovra’ ricevere il frame di dati, di lunghezza specificato nel CTS Queste stazioni attenderanno senza trasmettere per il tempo necessario alla trasmissione del frame di A (che loro non vedranno in quanto nascoste, ma sanno che ci sara’)

20 MACA (cont.) Collisioni saranno possibili se un frame RTS venisse trasmesso contemporaneamente verso una destinazione collocata nel campo di ricezione dei due trasmittenti: i due frame andranno perduti In questo caso la stazione che non riceve il CTS dopo un timeout applica l’algoritmo di backoff esponenziale binario e ritenta

21 MACAW Il protocollo MACAW (MACA per Wireless) introduce migliorie specifiche per le applicazioni wireless nella maggior parte dei casi la mancanza di ACK a livello 2 provoca la ritrasmissione solo a livello 4, con grossi ritardi per questo motivo e’ stato introdotto l’utilizzo di frame di ACK con meccanismo stop-and-wait si e’ anche notato che CSMA puo’ essere utilizzato per impedire ad una stazione di trasmettere un RTS durante la trasmissione di un altro RTS verso la stessa destinazione infine si e’ modificato l’algoritmo di backoff in modo da applicarlo separatamente ai diversi flussi trasmissivi