Le reti LAN e lo standard 802
In questo articolo, Le reti LAN e lo standard 802, analizziamo le modalità con le quali le reti LAN accedono al mezzo trasmissivo utilizzando i protocolli di accesso alla rete specificati dagli standard 802 (ETHERNET)
Indice dei contenuti
- Introduzione - Lo standard 802 - Sottolivello superiore LLC: 802.2 - Sottolivello inferiore MAC: 802.3 - Ethernet- Gli indirizzi MAC - Rilevamento delle collisioni Ethernet - CSMA/CD - Gli Switch- Funzionamento dello switch - Struttura di uno switch layer 2 - Dalla CSMA/CD allo switching - Tecnologie Ethernet ed evoluzione- Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet
Introduzione
Nel mese di febbraio del 1980 gli enti di standardizzazione IEEE, ISO, ANSI hanno dato vita ad un progetto con l'obiettivo di stabilire come devono essere realizzate le reti LAN ai livelli fisico e data link del modello ISO/OSI in termini di servizi disponibili e di protocolli per l'espletamento di tali servizi. Tale progetto ha preso il nome dal mese (2) e dall'anno (80) in cui ebbe inizio. Naque così il progetto IEEE 802. Tale progetto, in continuo aggiornamento, si propone dunque di standardizzare le principali tecnologie di rete e definire un'insieme di regole per passare da una tecnologia all'altra
Lo standard 802
Gli standard introdotti dal Progetto 802 stabilirono 20 categorie con cui identificare i diversi modi di accedere al canale di trasmissione già commercializzate e quelle ancora in fase progettuale: Standard IEEE 802Descrizione802Overview and Architecture802.1Bridging and Management802.2Logical Link Control802.3CSMA/CD Access Method (Ethernet)802.4Token-Passing Bus Access Method802.5Token Ring Access Method802.6DQDB Access Method (Distributed Queue Dual Bus)802.7Broadband (Technical Advisory Group)802.8Fiber-Optic (Technical Advisory Group)802.9Isochronous LAN802.10Interoperable LAN/MAN Security802.11Wireless LAN (Wi-Fi)802.12Demand Priority Access Method (100VG-AnyLAN)802.13Cable-TV Based Broadband Networks (mai completato)802.14Cable Modem LAN802.15Wireless PAN (Bluetooth)802.16Broadband Wireless MAN (WiMAX)802.17Resilient Packet Ring (RPR)802.18Radio Regulatory (Technical Advisory Group)802.19Coexistence (Technical Advisory Group)802.20Mobile Broadband Wireless Access Il problema di fondo che il progetto IEEE 802 si è proposto di risolvere, oltre alla standardizzazione e l'interoperabilità delle diverse tecnologie di rete, è stato quello di stabilire degli algoritmi di accesso al canale cioè definire delle tecniche che consentissero di evitare eventuali conflitti tra più stazioni che vogliono trasmettere sullo stesso mezzo trasmisivo. Ci sono due possibilità: La tecnica a contesa: se due o piu stazioni vogliono tarsmettere simultaneamente il conflitto viene risolto secondo alcune regole di mediazione. Le prestazioni possono essere calcolate solo statisticamente, in relazione alla probabilità che all’inizio di una trasmissione non vi sia una contesa tra stazioni per l’accesso al mezzo trasmissivo. Non è quindi possibile stabilire a priori l’intervallo di tempo necessario per portare a termine una trasmissione. La più nota tecnica a contesa è la CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) basata sulla gestione delle collisioni. Le reti Ethernet (IEEE 802.3) con hub e velocità di 10 Mbps utilizzano questa tecnica (verrà poi soppiantata dalle tecniche di switching con l'introduzione degli switch). Un’altra tecnica è la CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) basata sulla prevenzione delle collisioni. Le reti Wi-Fi (IEEE 802.11) utilizzano questa tecnica che verrà approfondita nelle lezioni successive La tecnica deterministica: dà luogo a reti deterministiche, in cui ogni trasmissione avviene in un istante definito e sicuramente va a buon fine, dato che in quell’istante la stazione trasmittente è l’unica a possedere l’accesso al canale. Le prestazioni delle reti non a contesa possono essere determinate con precisione, rendendo le reti particolarmente adatte alle trasmissioni in real time. Le più note tecniche deterministiche sono quelle basate su un token (gettone) che autorizza a trasmettere chi se ne impossessa. Lo standard Token Ring (IEEE 802.5) utilizza questa tecnica Le architetture di rete hanno dovuto tenere conto delle diverse tecnologie e dei metodi di accesso alternativi standardizzati dal Progetto 802. In particolare il livello Data Link di ISO/OSI è stato suddiviso in due sottolivelli: LLC (Logical Link Control) e MAC (Media Access Control) che rappresentano il cuore del Progetto 802
In questo senso i due grandi problemi descritti in precedenza sono stati risolti definendo i due sottolivelli: - LLC --> soluzione al problema dell'interfaccia unificata verso il livello Network - MAC --> soluzione al problema dell'accesso al mezzo trasmissivo condiviso Analizziamoli nel dettaglio.
Sottolivello superiore LLC: 802.2
Il sottolivello superiore è l’LLC che ha il fondamentale compito di fornire un’interfaccia unificata verso il livello Network, pur a fronte di tecnologie trasmissive e mezzi fisici differenziati. Può inoltre occuparsi del controllo del flusso di trasferimento dei dati Il formato della trama dell'LLC è il seguente:
Poiché a livello di Network possono operare vari protocolli (il principale è IP), il sottolivello LLC deve individuare qual è il protocollo usato per la comunicazione. Proprio per questo scopo il frame di LLC contiene due indirizzi, da un byte ciascuno, detti DSAP (Destination Service Access Point) e SSAP (Source Service Access Point), che rappresentano rispettivamente l’identificatore del protocollo di livello superiore, cui deve essere consegnato il frame (PDU) ricevuto, e l’identificatore del protocollo di livello superiore, da cui il packet è arrivato nel dialogo tra due peer entity.
Il bit meno significativo (LSB) dell'indirizzo DSAP (Destination Service Access Point) nell'LLC (Logical Link Control), fare attenzione, da specifica 802.2 il LSB è quello a sinistra, indica se l'indirizzo si riferisce a un singolo SAP (Service Access Point) o a un gruppo di SAP. Nello specifico, se il bit meno significativo è 0, si tratta di un indirizzo individuale, mentre se è 1, si tratta di un indirizzo di gruppo. Analogamente il LSB del SSAP vale 0 se si tratta di un comando mentre vale 1 se si tratta di una risposta. Il sottolivello LLC prevede 3 modi di funzionamento: - Unacknowledged Connectionless Service: costituito solo da primitive di trasferimento dati, è un servizio non affidabile e non orientato alla connessione. - Connection Oriented Service: costituito da primitive di trasferimento e di apertura e chiusura di una connessione con le funzioni per il controllo di errore, di flusso e di conservazione della sequenza - Semireliable Connectionless Service: costituito anch’esso solo da primitive di trasferimento dati ma, pur essendo non orientato alla connessione, prevede una conferma di ricezione (ACK) per i datagrammi inviati e garantisce la consegna ordinata dei dati trasmessi Il campo Control può essere lungo 1 o 2 byte e avere 3 formati: - il formato information è usato per le trame che trasportano i dati in modalità connessa e ha anche la possibilità di trasportare un acknowledge (ACK) per la trasmissione nella direzione inversa (tecnica detta di piggybacking). Le trame di questo formato sono dette I-frame; - il formato supervisor non prevede la presenza del campo information nella trama ed è usato per trasportare informazioni di controllo relative agli I-frame; per esempio, fornire un ACK in assenza di traffico nella direzione inversa oppure operare il controllo di flusso. Le trame di questo formato sono dette S-frame; - il formato unnumbered è utilizzato per due scopi diversi: trasportare dati di utente in modalità non connessa e trasportare messaggi di controllo del collegamento (inizializzazione, diagnostica, ecc.). Le trame di questo formato sono dette U-frame. Il campo NETWORK PDU (o information) può avere 0 o più byte (non è stabilito un limite massimo, ma PDU troppo grandi potrebbero essere frammentate dal sottolivello MAC) che contengono la PDU che il livello superiore (Network Layer) si attende di ricevere dal sottolivello MAC in ricezione o invia al sottolivello MAC in trasmissione.
Sottolivello inferiore MAC: 802.3 - Ethernet
Tutto quanto descritto nel documento 802.3 rappresenta di fatto tutta la tecnologia Ethernet, o meglio, una famiglia di tecnologie che comprende sia protocolli del livello Data Link, sia le tecnologie del livello Fisico a essi associate
Ethernet è nata a metà anni ’70 nei laboratori Xerox PARC (Palo Alto Research Center - California), presso i quali Robert Metcalfe progettò una rete con topologia a bus con cavi coassiali
Gli standard attuali, definiti nello standard IEEE 802.3, privilegiano: - una topologia a stella con uno switch come centro della stella - un cablaggio realizzato con doppini di rame intrecciati o cavi in fibra ottica (il cavo coassiale è ormai superato) con velocità che vanno dai 100 Mbps fino a 100 Gbps - la trasmissione dei dati in banda base: il segnale che contiene l'informazione è inviato direttamente, senza essere modulato, e quindi, senza essere trasferito in una banda di frequenza diversa dalla propria - la codifica Manchester e le sue varianti Come detto in precedenza, il sottolivello inferiore MAC risolve il problema dell’accesso al mezzo trasmissivo condiviso. Cioè il suo compito è arbitrare l’accesso all’unico mezzo trasmissivo comune tra tutti i sistemi che hanno necessità di trasmettere in una determinata rete. Quindi mentre l’LLC è unico, si avrà invece uno standard MAC (condiviso tra sottolivello MAC e livello Physical) diverso per ogni tipo di rete e mezzo fisico di trasmissione. Una trama del sottolivello MAC – Ethernet è costituita da: - un’intestazione (header); - i dati ricevuti dal livello LLC; - una coda (trailer). In particolare, la trama «Ethernet II» (la versione che ha sostituito quella iniziale) hanno una lunghezza variabile da 64 e 1518 byte (escludendo preambolo ed SFD) e prevede i campi mostrati nella figura seguente:
- Preambolo (7 byte): serve per delimitare la trama (framing). È una sequenza di bit (1 e 0) che si alternano per permettere al ricevente di sincronizzarsi con il trasmittente; - SFD (Start Frame Delimiter) (1 byte): è sempre impostato con i bit «10101011». Avvisa il ricevente che i successivi 6 byte sono l’indirizzo di destinazione; - Indirizzo MAC di destinazione (6 byte): contiene l’indirizzo MAC della scheda di interfaccia di rete del dispositivo a cui è destinato il messaggio; - Indirizzo MAC di origine o mittente (6 byte): contiene l’indirizzo MAC della scheda di interfaccia di rete del dispositivo che genera il messaggio; - Tipo (2 byte): in «Ethernet II» questo campo contiene un numero che identifica il protocollo di rete sovrastante, incapsulato nella trama Ethernet. I valori presenti nel campo Tipo sono, per esempio, 0800 (in esadecimale) per IPv4 o 86DD per IPv6; - Dati (minimo 46 byte, massimo 1500 byte): contiene i dati ricevuti dal livello superiore (la trama del livello LLC). Se il campo ha una lunghezza inferiore, allora deve essere “completato” con caratteri di riempimento. Questo garantisce che la dimensione del frame raggiunga almeno 64 byte, essenziale per evitare che la trasmissione di frame troppo corti provochi la mancata rilevazione delle collisioni che possono capitare quando due stazioni trasmettono nello stesso istante; - FCS (Frame Check Sequence) (4 byte): contiene il codice a 32 bit, generato con la ecnica dei polinomi a ridondanza ciclica (CRC) per la rilevazione deglierrori Non esiste un segnalatore di fine frame. Tale ruolo è assunto dall’inter-frame spacing (o IFG inter-packet GAP), che ha lo scopo di definire lo spazio temporale minimo tra due frame consecutivi. Il valore minimo standardizzato per l’inter-frame spacing delle reti Ethernet è di 96 bit time. Lo spazio temporale minimo tra due frame consecutivi dipende dalla velocità trasmissiva, quindi 96 bit time corrispondono a 9,6 μs a 10 Mbps, 960 ns a 100 Mbps, 96 ns a 1 Gbps, 9,6 ns a 10 Gbps e così via per le altre velocità. Notare come la distanza minima in termini temporali tra due frame consecutivi si riduca molto all’aumentare della velocità trasmissiva. Gli indirizzi MAC L’indirizzo MAC, o fisico (Physical Address), è formato da 6 byte (48 bit), e individua univocamente una scheda di rete a livello mondiale: - i fornitori dei dispositivi ricevono da IEEE un codice univoco di 3 byte (6 cifre esadecimali), chiamato identificatore univoco dell’organizzazione (OUI – Organizationally Unique Identifier), - a questo codice è aggiunto un numero di serie di 3 byte per ogni singola scheda, chiamato Network Interface Controller Specific
Un indirizzo MAC identifica il dispositivo o, meglio, la sua «interfaccia di rete». È cablato nella ROM della scheda NIC (Network Interface Card) (Figura 6), e viene caricato nella RAM all’avvio del sistema. È compito del produttore garantire che ogni suo dispositivo abbia un indirizzo MAC differente. Gli indirizzi MAC possono essere: - unicast: individuano una singola stazione - multicast: individuano un gruppo. Ad esempio FF:FF:FF:X:XX:XX indica tutti gli host con scheda di rete di qualsiasi produttore e con prima cifra del 3° byte compresa tra 0 e F - broadcast: individuano tutti gli host connessi alla rete e può essere solo FF:FF:FF:FF:FF:FF Per ambienti Windows possiamo identificare l'indirizzo MAC digitando il comando ipconfig/all al prompt dei comandi:
Ricercando in rete E8-F4-08 ad esempio dal sito https://maclookup.app/ otteniamo:
Per ambienti LINUX possiamo identificare i MAC address attraverso il comando ifconfig -a Quando una stazione vuole inviare un messaggio, deve inserire nei campi dell’intestazione della trama il proprio indirizzo e quello di destinazione (Figura). Quando una stazione riceve il messaggio, deve controllare se l’indirizzo MAC di destinazione corrisponde al proprio. In questo caso l’adattatore di rete estrae i dati e li passa al livello superiore.
Rilevamento delle collisioni Ethernet - CSMA/CD Iniziamo con la definizione di due importanti concetti: Il dominio di collisione di una rete è un’area in cui può verificarsi una collisione. Una collisione è la sovrapposizione di due segnali su un canale di trasmissione. Le collisioni si verificano nelle comunicazioni half-duplex, non in quelle full-duplex. Se c’è una collisione, i due computer coinvolti devono interrompere l’invio dei dati e riprovare successivamente a trasmettere. Gli hub e i repeater creano un unico dominio di collisione uno per ciascuna porta. Il dominio di broadcast di una rete è l’insieme degli host che ricevono un messaggio trasmesso in broadcast da uno di essi. Nella tabella seguente si evidenzia come l’impiego nelle LAN di apparati di rete quali hub, switch o router, abbia conseguenze sui domini di collisione e di broadcast presenti nella rete
Le reti Ethernet più datate, ad esempio in reti realizzate con HUB (che ricordiamo è un dipositivo che lavora a livello 1 del modello ISO/OSI physical layer), di tipo half-duplex (trasmissione bidirezionale ma una per volta) trasmettono utilizzando una tecnica a contesa che non prevede prenotazioni e relativo uso esclusivo del canale. Read the full article

















