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Reti locali ed Ethernet Architettura degli elaboratori - Modulo B - A.Memo
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Reti locali e standard IEEE 802.3
• reti locali, caratteristiche
• generalità del sottostrato MAC
• standard IEEE 802
• standard Ethernet (IEEE 802.3)
Indice
Reti locali ed Ethernet Architettura degli elaboratori - Modulo B - A.Memo
2
softwaredi rete
NIC
softwaredi rete
NIC
Reti locali
softwaredi rete
NIC
softwaredi rete
NIC
softwaredi rete
NIC
HUBsistema di cablaggio
schedadi rete
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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)
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Reti locali: supporti di trasmissione
doppino ritorto (UTP)unshielded twisted pair
Cat. 1 sistemi di allarme e telefoniaCat. 2 voce, seriale e dati a bassa velocità (LocalTalk 4 Mbps)Cat. 3 dati (Ethernet 10 MBps, 10BaseT)Cat. 4 dati (TokenRing 16 Mbps)Cat. 5 dati (Fast Ethernet 100 Mbps)
figure tratte da PC Professionale - 1997
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Reti locali: supporti di trasmissione
cavo coassiale (coax)• interferenze e disturbi ridotti• difficile da installare, ma supporta distanze
maggiori• cavo grosso (thick coax, 10BASE5)• cavo sottile (thin coax, 10BASE2)
connettore BNC
figure tratte da PC Professionale - 1997
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Reti locali: supporti di trasmissione
fibra ottica (fiber)immune ai disturbi elettro-magnetici, alta capacità trasmissiva, bassa attenua-zione, difficoltà di installa-zione
1
2
c
n2
n1
1= angolo di incidenza2= angolo di rifrazionec= angolo critico
figure tratte da PC Professionale - 1997
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Reti locali: supporti di trasmissione1
2
3
4
1
2
3
4
multimodale step-index
multimodale graded-index
50
125
fibramono-modale
2-5 50
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Reti locali: supporti di trasmissione
tipo standardlunghezzamassima
cavo coassiale grosso 10BASE5 500 m
cavo coassiale fino 10BASE2 185 mdoppino UTP 10BASET 100 mfibra ottica 10BASEF 2000 m
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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
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Reti locali: codifiche
01 1 0 0 0 01
Manchester
01 1 0 0 0 01Manchesterdifferenziale
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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 elabora-
zione si passano le informazioni
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Reti locali: topologie di rete
giunti a “T”
terminatore
• facilmente espandibile
• cablaggio ridotto
• sensibile al guasto del cavo
• adatta ad am-bienti limitati
• std. Ethernet
rete a bus (linear bus)
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Reti locali: topologie di rete
rete a stella (star)
concentratoreAT&T3B2/400
• semplice da instal-lare e cablare
• insensibile al gua-sto di un satellite
• sensibile al guasto del concentratore
• più costoso e meno diffuso del bus
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Reti locali: topologie di rete
rete anello a stella (token ring)
• simile alla stella• cablatura consistente• sensibile al guasto
del MAU• meno diffuso del bus• standard Token Ring
MAU
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Reti locali: topologie di rete
rete ad albero• rete a bus + rete a
stella• facilità di espansione,
anche di blocchi• connessione punto-
punto tra host ed hub• cablaggio abbastanza
critico
HUB
backbone
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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)
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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
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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 desti-nazione, solo il destinatario lo mantiene
– Collision Avoidance: i nodi che vogliono trasmet-tere, attendono un intervallo di tempo prefissato, e se alla fine il mezzo è libero, lo usano
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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
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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
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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
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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)
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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
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Standard IEEE 802: generalità
802.2 LLC
MAC802/3
PHM802/3
MAC802/4
PHM802/4
MAC802/5
PHM802/5
MAC802/6
PHM802/6
Livello 2
Livello 1
Ethernet Token bus Token ring DQDB
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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)
• ...
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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
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Generalità dello strato MACprotocollo 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
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• 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
Generalità dello strato MACrendimento protocollo ALOHA
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Generalità dello strato MACProtocollo 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)
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Generalità dello strato MACProtocolli 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)
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Generalità dello strato MACProtocolli 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)
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Generalità dello strato MACProtocolli 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 dop-
pio del tempo di propagazione da un estremo all’alto
A BT
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Generalità dello strato MACProtocolli per reti ad anello
A
B
C
D
hostinterfaccia
trattopunto-punto
unidirezionale
• non ci sono collisioni fisiche, ma solo conflitti di accesso alla globalità della rete
• permette un accesso deterministico
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Generalità dello strato MACProtocolli per reti ad anello
A
D
C
B
1
2
NO
A
D
C
B
1
2
SI
4
3
• ogni bit che arriva all’interfaccia viene letto, copiato in un buffer, analizzato e ritrasmesso dopo un bit-time
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Generalità dello strato MACProtocolli 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
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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
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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
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Struttura fisica della rete
Tipo di rete Tipo di cavo Lungh.Segmento
Numeromax 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
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massima estensione 10Base2
RIP RIP
segmento popolatomax 30 nodi - 186 m
segmento0 nodi - 186 m
segmento popolatomax 30 nodi - 186 m
RIP RIP
segmento popolatomax 30 nodi - 186 m
segmento0 nodi - 186 m segmento
0 nodi - 186 m
5 segmenti - 4 ripetitori - 3 segmenti popolati
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standard 10Base2
figure tratte da PC Professionale - 1997
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massima estensione 10BaseT
HUB
HUB
HUB
uplink versosegmentopopolato
HUB
ogni linkpunto-puntomax 100 m
5 segmenti - 4 ripetitori - 3 segmenti popolati
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10BaseT segmentata
HUB
HUB
HUB
HUB
HUB
HUB
HUB
HUB
dominio di collisionesegmento a 10 Mbit condivisi
HUB switch / BRIDGE
dominio di collisionesegmento a 10 Mbit condivisi
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standard 10BaseT
figure tratte da PC Professionale - 1997
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massima estensione 100BaseTX
HUB
HUB
uplink5 m o più
segmento max 100 m
dominio collisionemax 205 m
3 segmenti - 2 ripetitori - 1 segmento popolato
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struttura del frame 802.3
preamble 7 10101010 di sincronizzazionestart of frame 1 10101011 di inizio tramaindirizzi 6 univoci a livello mondiale
lunghezza 2 Numero byte nel campo dati
dati 0-1500 Provenienti dal livello superiorepad 0-46 fino a raggiungere la dimensione minima
del frame di 64 bytechecksum 4 codice CRC
preamble start of frame destinazione sorgente lunghezza
dati pad checksum
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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)
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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, …)
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funzionamento del REPEATER
• dispositivo usato per superare la lunghezza massima di un collegamento
• amplifica e rigenera il segnale
• ritrasmette anche le collisioni
in 10Base2 max 186 m in 10Base2 max 2x186 m
repeater
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funzionamento dell’HUB
• dispositivo che consente di cabla-re 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’esclu-sione a caldo di una stazione, e isola le stazioni guaste
HUB
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funzionamento dello SWITCH
• dispositivo che crea una connessione tra una porta entrante ed una uscente
• collega vari segmenti smistando selettiva-mente i pacchetti in transito
• riduce i domini di collisione ed aumenta la banda di ogni segmento
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funzionamento dello SWITCH
01-80-A5-33-90-03 00-80-6A-27-4B-01
01-80-A5-40-92-2A
01-80-A5-40-92-1B seg. 1 01-80-A5-40-92-1Bseg. 2 01-80-A5-40-92-2Aseg. 3 01-80-A5-33-90-03
00-80-6A-27-4B-01
switch
hub
segmento 1
segmento 2
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funzionamento del BRIDGE
01-80-A5-33-90-03 00-80-6A-27-4B-01
hub
01-80-A5-33-90-32 00-80-6A-27-4B-1F bridge
00-80-6A-27-4B-3A
00-80-6A-27-4B-31
seg. 1 01-80-A5-33-90-3200-80-6A-27-4B-1F
seg. 2 01-80-A5-33-90-0300-80-6A-27-4B-01
seg. 1
seg. 2