Reti di Calcolatori Lezione 11 a.a. 2005/06 Reti di Calcolatori Andrea Frosini

Nel modello di riferimento: Application Transport Network Data Link Sottolivello MAC Fisico Reti di Calcolatori Andrea Frosini

Struttura del frame IEEE 802.3 Preamble Start of frame Indirizzi Lunghezza dati Dati Pad Checksum • Preamble: 7 byte uguali a 10101010 che producono a 10 Mbps un’onda quadra per 5.6 µsec per la sincronizzazione • Start of frame: 1 byte delimitatore uguale a 10101011 (in Ethernet è un byte uguale a 10101010) • Indirizzi (destinazione e sorgente): specifica mittente e destinatario, gruppo di destinatari (multicast) oppure broadcast a tutte le stazioni (indirizzo 111111) • Lunghezza: numero di byte nel campo Dati (al massimo 1500 byte) • Dati: contiene il pacchetto di livello Network • Pad: utilizzato per garantire che il frame sia lungo almeno 64 byte (esclusi Preamble e Start of frame) • Checksum: bit di controllo calcolati tramite CRC (polinomio generatore CRC-32) Reti di Calcolatori Andrea Frosini

Indirizzi delle schede di rete Per poter riconoscere ciascuna stazione, ad ogni scheda di rete è assegnato un unico identificatore a 6 byte (= 48 bit) Ad esempio: 00:50:DA:61:A7:83 Se il bit più significativo di un indirizzo è posto a 1, l’indirizzo è di tipo multicast: specifica un gruppo di stazioni Se tutti i bit di un indirizzo sono posti a 1, l’indirizzo è di tipo broadcast: specifica tutte le stazioni della rete locale Se il bit 46 (adiacente al bit più significativo) è posto a 1, l’indirizzo della scheda di rete è locale ed assegnato dall’amministratore di rete; in caso contrario, esso è globale ed assegnato da IEEE Reti di Calcolatori Andrea Frosini

Lunghezza minima del frame I E’ importante riuscire a stabilire quale deve essere la lunghezza minima di un frame per evitare 1. confusione tra segnali “spazzatura” e segnali significativi 2. mancato rilevamento di collisioni La lunghezza minima del frame dipende essenzialmente dal round-trip time della rete 1. In caso di problemi nella trasmissione di un frame, può accadere che questo venga spezzato o inviato solo parzialmente. In tal caso la linea di trasmissione si riempie di piccoli pezzi di sequenze di bit che possono creare confusione nei riceventi. Ethernet assume che ogni frame abbia una lunghezza di almeno 64 byte così da eliminare la maggior parte di tali segnali indesiderati. Reti di Calcolatori Andrea Frosini

Lunghezza minima del frame II 2. Assumiamo che se una stazione trasmette un frame senza rilevare collisioni, lo consideri trasmesso con successo. Sia  il tempo che impiega un segnale per coprire la massima distanza tra due host. La seguente situazione potrebbe verificarsi: - Host1 inizia a trasmettere un frame troppo “corto” - Dopo un tempo  -  anche Host2 comincia a trasmettere ed avviene una collisione  -  Reti di Calcolatori Andrea Frosini

Lunghezza minima del frame III - Host2 rileva la collisione e produce 32 bit di rumore (jam) per avvertire le altre stazioni bang crash tam tam bonk - Host1 finisce di trasmettere il frame prima che il rumore della collisione la raggiunga bang crash tam tam bonk In tal caso Host1 considera il suo frame inviato con successo anche se il destinatario potrebbe non averlo ricevuto. Reti di Calcolatori Andrea Frosini

Lunghezza minima del frame IV Per prevenire la situazione descritta in precedenza occorre che la lunghezza del frame sia maggiore di 2  Ad esempio, supponendo che gli elettroni in un cavo in rame abbiano una velocità di 200 000 km/sec, e che la distanza massima tra due host sia di 2500 m, il tempo massimo di attraversamento della rete è pari a 2500 / 200 106 = 12.5 µsec, perciò il round trip time (andata e ritorno) è pari a circa 25 µsec In realtà i componenti elettronici come i ripetitori introducono ulteriori ritardi; sapendo che se ne possono avere al massimo quattro tra ciascuna coppia di stazioni, possiamo assumere un round trip time massimo pari a 50 µsec Se assumiamo una LAN con velocità di trasmissione pari a 10 Mbps, la lunghezza minima del frame deve essere pari a 50 10-6 sec × 10 106 bit/sec = 500 bit (64 byte escludendo gli 8 byte iniziali di Preamble e Start of frame) Reti di Calcolatori Andrea Frosini

Protocollo MAC dell’IEEE 802.3 E’ sostanzialmente il protocollo 1-persistent CSMA/CD: • Prima di trasmettere si aspetta che il canale sia libero • Appena si libera, si inizia a trasmettere • Chiunque rileva una collisione genera un burst di rumore (jam) lungo 32 bit • In caso di collisione, ciascun trasmittente aspetta un ritardo casuale e poi ricomincia da capo Reti di Calcolatori Andrea Frosini

Binary Exponential Backoff Algorithm I L’intervallo di tempo casuale in caso di collisione è regolato da un algoritmo detto Binary Exponential Backoff • dopo una collisione il tempo è discretizzato in slot di lunghezza 51.2 µsec (sufficienti per trasmettere 512 bit o equivalentemente 64 byte) • il tempo di attesa è sempre un multiplo di uno slot • il tempo di attesa è scelto a caso, per ciascun utente, in un intervallo il cui estremo superiore dipende dal numero n di collisioni consecutive che si sono verificate: 0  tempo attesa (calcolato in slot)  (2n - 1) • dopo 16 collisioni consecutive viene segnalato un errore al livello superiore Reti di Calcolatori Andrea Frosini

Binary Exponential Backoff Algorithm II L’algoritmo consente di mantenere a livelli accettabili sia il numero di collisioni che il ritardo medio per la trasmissione di un frame Supponendo che due stazioni vogliano trasmettere contemporaneamente: • dopo la prima collisione, vi è una probabilità del 50% che si verifichi una seconda collisione • dopo la seconda collisione, vi è una probabilità del 25% che si verifichi una terza collisione • dopo la terza collisione, vi è una probabilità del 12.5% che si verifichi una quarta collisione • dopo la n-esima collisione (n  10), vi è una probabilità inferiore allo 0.1% che si verifichi un’altra collisione Reti di Calcolatori Andrea Frosini

Prestazioni di IEEE 802.3 L’analisi teorica delle prestazioni di IEEE 802.3 è molto complessa, e dipende dal modello di traffico adottato: generalmente Poissoniano (ogni stazione trasmette in un dato istante con la stessa probabilità). L’efficienza del canale, cioè il numero di collisioni tra frame al variare del traffico, dipende da principalmente da - tprop = tempo di propagazione del canale - ttras = tempo di trasmissione del frame - dimensioni del frame Le prestazioni reali dello standard IEEE 802.3 sono migliori di quelle teoriche: • tollera un carico medio del 30% (3 Mbps) con picchi del 60% (6 Mbps) • con un carico del 30%, solo il 2–3% dei frame ha una collisione • con un carico del 30%, solo pochi frame su 10 000 hanno due o più collisioni Reti di Calcolatori Andrea Frosini

Efficienza del canale in termini di lunghezza del frame Efficienza di Ethernet su linea a 10 Mbps con time slot di 512 bit Reti di Calcolatori Andrea Frosini

Switched hub (Ethernet commutata) La gestione delle collisioni diventa sempre più difficoltosa al crescere del traffico nella rete e spesso sono necessari sistemi HW che ne aiutino la gestione. In particolare, gli switched hub (o semplicemente switch), collegano le stazioni dividendole in domini di collisione indipendenti l’uno dall’altro Ciascun dominio include un certo numero di stazioni (tra 1 e 8) Una collisione all’interno di un dominio è gestita come una normale collisione All’interno dello switch, si esamina l’indirizzo destinazione di ogni frame arrivato senza collisioni, poi, se necessario, si indirizza il frame sulla porta di destinazione in un altro dominio di collisione L’uso di uno switch può migliorare il throughput della rete di un ordine di grandezza Reti di Calcolatori Andrea Frosini

Standard IEEE 802.3u — Fast Ethernet Lo standard IEEE 802.3u (emanato nel 1995 e chiamato spesso Fast Ethernet) prevede un aumento della velocità di trasmissione da 10 Mbps a 100 Mbps La principale difficoltà consiste nella rilevazione delle collisioni (lunghezza minima del frame vs. distanza massima tra ciascuna coppia di stazioni) E’ basata sulla topologia a stella, come 10BASE-T, ma ha tre varianti principali: • 100BASE-T4 (usa 4 doppini di categoria 3) • 100BASE-T2 (usa 2 doppini di categoria 3) • 100BASE-TX (usa 2 doppini di categoria 5) • 100BASE-FX (usa 1 cavo a fibre ottiche) Reti di Calcolatori Andrea Frosini

Standard IEEE 802.3z — Gigabit Ethernet I Lo standard IEEE 802.3z è stato emanato nel 1998. Usa il formato standard Ethernet ed compatibile con 10BASE-T e 100BASE-T, ma la velocità arriva a 1 Gbps Permette sia il collegamento punto a punto tra due stazioni, che il collegamento a stella tramite hub o switch Quattro varianti principali: Nome Mezzo trasmissivo Segmento max 1000BASE-SX Fibra ottica multimodale 550 m 1000BASE-LX Fibra ottica mono o multimodale 5000 m 1000BASE-CX Due doppini schermati (STP) 25 m 1000BASE-T Quattro doppini cat. 5 100 m Reti di Calcolatori Andrea Frosini

Standard IEEE 802.3z — Gigabit Ethernet II Può operare in due modalità: • Full-duplex: si usano switch senza collisioni (domini di collisione di dimensione 1), quindi la lunghezza max dei segmenti non è dovuta alla rilevazione delle collisioni • Half-duplex: si usano hub, quindi vi sono collisioni gestite con CSMA/CD. Poiché il frame minimo di 64 byte può essere trasmesso in soli 512 nanosecondi, la distanza massima tra due stazioni dovrebbe essere ridotta a 25 m. Per arrivare fino a 200 m: – l’hardware aggiunge dati al frame fino a 512 byte (carrier extension) – è possibile inviare più frame in sequenza (frame bursting) In ogni caso, la velocità è così alta che Gigabit Ethernet deve avere un controllo di flusso (frame di tipo “PAUSE”) Reti di Calcolatori Andrea Frosini

IEEE 802.4 (Token Bus) Lo standard IEEE 802.4 descrive una LAN chiamata Token Bus: • Al livello Fisico è un “bus” (un unico canale di tipo broadcast), come IEEE 802.3 • Progettata per applicazioni “real-time” (il ritardo massimo di trasmissione di un frame è limitato) • Logicamente le stazioni sono disposte ad anello (ciascuna conosce gli indirizzi delle stazioni a “destra” e “sinistra”) • L’arbitraggio del canale è basato sulla circolazione di un token • Il mezzo trasmissivo è costituito da uno o due cavi coassiali broadband • Ha velocità di 1, 5, e 10 Mbps E’ uno standard ormai in disuso Reti di Calcolatori Andrea Frosini

IEEE 802.5 (Token Ring) Lo standard IEEE 802.5 descrive una LAN chiamata Token Ring: • A livello Fisico è di tipo punto a punto, ma le stazioni sono disposte ad anello • A livello Data Link è di tipo broadcast (la rete Token Ring è considerata una rete broadcast) • Basato sul modello di rete locale proposto dall’IBM se ne differenzia per la velocità di 1 Mbps, non prevista da IBM • L’arbitraggio del canale (logico) formato dai link è basato su token • Velocità di trasmissione: 1 Mbps, 4 Mbps, 16 Mbps, 100 Mbps Reti di Calcolatori Andrea Frosini

IEEE 802.5: interfaccia tra stazione e anello • Ciascuna stazione è connessa all’anello da una interfaccia • In ciascuna interfaccia entrano due link punto a punto dell’anello, e due linee di input/output verso la stazione • Ciascuna interfaccia opera in due modalità: listen mode e transmit mode Reti di Calcolatori Andrea Frosini

IEEE 802.5 Il token Quando tutte le stazioni sono inattive, una particolare sequenza di 3 byte chiamata token (gettone) circola sull’anello La trasmissione è possibile solo subito dopo aver ricevuto il token Poiché un solo token circola, una sola stazione può trasmettere in ciascun istante L’anello deve essere in grado di contenere interamente il token Ma … da quanti bit deve essere formato il token al massimo? Reti di Calcolatori Andrea Frosini

IEEE 802.5 Lunghezza di un bit Se la rete ad anello ha un tasso di trasmissione di R Mbps, viene trasmesso 1 bit ogni 1/R µsec Con una velocità di propagazione del segnale tipicamente di 200 m/µsec, ogni bit occupa 200/R metri dell’anello Ad esempio, una rete ad anello lunga 500 m e con data rate di 4 Mbps può contenere in ciascun istante solo 500 × 4 / 200 = 10 bit Quindi è necessario introdurre ritardi in ciascuna stazione in modo che l’anello sia in grado di contenere almeno il token (24 bit). Il ritardo viene introdotto dall’interfaccia di ogni stazione che viene attraversata. Tale ritardo è usualmente di un bit (125 µsec). Reti di Calcolatori Andrea Frosini

IEEE 802.5 Il token SD AC ED Byte 1 1 1 SD, ED (Starting Delimiter e Ending Delimiter): sono due byte che violano la codifica Manchester differenziale: HIGH/HIGH e LOW/LOW AC (Access Control): serve per il controllo dell'accesso. Sono 8 bit organizzati in PPP T M RRR - i tre bit P indicano la priorità attuale - il bit M serve per il controllo di frame orfani - il bit T, detto token bit, identifica un token (0) o un frame (1) - i tre bit R indicano la priorità richiesta Reti di Calcolatori Andrea Frosini

IEEE 802.5 Il frame SD AC ED 1 1 1 2/6 2/6 no limit 4 1 1 Frame Control Destination Address Source Address Frame Status Data Checksum ED Frame Control: distingue frame dati da quelli di controllo Checksum: come in IEEE 802.3 Frame Status: contiene due bit A (arrivato) e due bit C (copiato) che sono duplicati per aumentare la robustezza del protocollo. Tale campo non è compreso nel checksum Reti di Calcolatori Andrea Frosini

IEEE 802.5 Trasmissione di un frame Se una stazione vuole trasmettere un frame: 1. aspetta l’arrivo del token (in listen mode, quindi ritrasmettendo subito tutti i bit in transito, cioè facendoli passare senza alterazioni); il token è lungo tre byte, ma viene riconosciuto per mezzo di un bit nel byte centrale (parte CD) 2. trasforma il byte centrale del token nel secondo byte del frame da trasmettere, e lo trasmette (si passa da listen mode a transmit mode; il primo byte di ciascun frame è sempre uguale al primo byte del token) 3. trasmette il resto del frame (in transmit mode); durante la trasmissione del frame, scarta tutti i bit del proprio frame che hanno già completato il giro dell’anello 4. trasmette altri frame se ne ha da spedire ed ha ricevuto il token da meno di 10 msec (token-holding time) 5. scarta i restanti bit dei frame che hanno completato il giro dell’anello 6. rigenera il token (in transmit mode) e ritorna in listen mode Reti di Calcolatori Andrea Frosini

IEEE 802.5 Ricezione di un frame Per ricevere un frame una stazione opera solo in listen mode: 1. per ciascun frame che si sta ricevendo, controlla l’indirizzo di destinazione 2. se l’indirizzo di destinazione coincide con quello dell’interfaccia: • invia il frame alla stazione • ritrasmette il frame sull’anello (eventualmente modificandolo se deve confermare l’avvenuta ricezione) Tutto questo operando su di un solo bit alla volta! Reti di Calcolatori Andrea Frosini

IEEE 802.5 Il mezzo trasmissivo Ciascun collegamento punto a punto di una rete IEEE 802.5 generalmente realizzato da un doppino intrecciato; altri mezzi trasmissivi come la fibra ottica sono possibili - La lunghezza massima di ciascun collegamento con doppino intrecciato varia tra 150 m e 340 m - Il numero massimo di stazioni è 260 - Il cablaggio è effettuato tramite un wire center • fisicamente assomiglia ad una topologia a stella, in realtà è sempre un anello (star-shaped ring) • consente di cortocircuitare automaticamente una stazione se una interfaccia o un collegamento non funziona • più wire center possono essere collegati tra loro Reti di Calcolatori Andrea Frosini

IEEE 802.5 Codifica Manchester differenziale Nello standard IEEE 802.5 si utilizza la codifica di Manchester differenziale Ciascun bit di dati è codificato da una transizione tra due valori di tensione: • HIGH = un valore compreso tra +3.0 e +4.5 Volts • LOW = un valore compreso tra -4.5 e -3.0 Volts Il bit di dati 0 è codificato da una transizione del bit fisico all’inizio del bit logico Il bit di dati 1 è codificato dall’assenza di una transizione del bit fisico all’inizio di un bit logico In ogni caso, in mezzo al bit logico vi è sempre una transizione Reti di Calcolatori Andrea Frosini

IEEE 802.5 Ack del frame Quando una interfaccia riceve un frame avente il suo indirizzo destinazione, ritrasmette il frame settando ad 1 i bit A del Frame Status Se inoltre il frame viene inviato alla stazione, imposta ad 1 anche i bit C del Frame Status Quando il trasmittente legge i bit di ritorno: • Se A=0 e C=0: la stazione destinazione non è nell’anello • Se A=1 e C=0: la stazione destinazione è nell’anello ma non può accettare il frame (ad esempio, buffer pieni) • Se A=1 e C=1: la stazione destinazione ha ricevuto il frame senza problemi Reti di Calcolatori Andrea Frosini

IEEE 802.5 Rilevamento di errori Ciascuna interfaccia effettua un controllo dei bit in transito Se una qualsiasi interfaccia rileva un errore (ad esempio, una codifica di Manchester illegale), imposta a 1 un bit E nell’ Ending Delimiter del frame Inoltre l’interfaccia destinazione imposta a 1 il bit E se il campo Checksum rileva un errore di trasmissione Reti di Calcolatori Andrea Frosini

IEEE 802.5 Priorità dei frame Il campo Access Control contiene alcuni bit Priority che identificano la priorità del frame da trasmettere (maggiore valore = maggiore priorità) Se una stazione vuole trasmettere con una certa priorità n: • deve attendere un token con un valore minore o uguale a n in Priority • può prenotare la priorità del prossimo token scrivendo n nei bit Reservation del campo Access Control dei frame in transito Il protocollo è complicato: esistono regole per cercare di evitare che i frame con bassa priorità siano completamente “tagliati fuori” Reti di Calcolatori Andrea Frosini

IEEE 802.5 Stazione monitor Un protocollo apposito permette di scegliere una stazione dell’anello come monitor. Ogni stazione può diventare monitor, ma ad ogni istante ne esiste uno solo. La stazione monitor deve: • controllare (usando un timer) che il token non vada perso • togliere i frame danneggiati dall’anello controllando il formato e/o il checksum di ogni frame in transito • togliere i frame orfani utilizzando il bit Monitor nel campo Access Control di ogni frame. Un frame diventa orfano quando la rete è lunga, il frame è corto, ed il trasmittente viene isolato prima che possa rimuovere il frame dall’anello • introdurre ritardi se l’anello non può contenere i 24 bit del token Reti di Calcolatori Andrea Frosini

IEEE 802.5 Vantaggi e svantaggi il mezzo trasmissivo usa tecnologia hardware punto a punto: ben collaudata, semplice, affidabile la circuiteria delle interfacce è completamente digitale l’uso di wire center permette di escludere una stazione o interfaccia guasta “automaticamente” ha supporto per traffico “real-time” i frame hanno ridotta dimensione minima e alta dimensione massima ha ottime prestazioni in termini di efficienza e throughput per carichi elevati la stazione monitor è un punto debole il ritardo di trasmissione non è mai trascurabile ed aumenta con la dimensione della rete Reti di Calcolatori Andrea Frosini