Reti Locali - Unibg · Reti geografiche e reti locali 31 Ethernet (CSMA/CD) -IEEE 802.3...

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Enrico Cavalli - enrico.cavalli@unibg.it

Università di Bergamo - Anno Accademico 2008-2009

Reti e problematiche di Rete:

Reti geografiche e reti locali

Reti geografiche e reti locali 2

Reti Locali

Applicazioni delle LAN

� LAN di personal computer

� Basso costo

� Elevato tasso trasmissivo e livelli di errore bassi

� Condivisione dei dispositivi

� Reti Back end e reti SAN (Storage Area Networks) che interconnettono sistemi di grandi dimensioni, super computer e dispositivi per la memorizzazione di massa

� Tassi trasmissivi elevati, interfacce ad alta velocità

� Accesso al mezzo trasmissivo distribuito

� Estensione limitata

� Numero limitato di apparati collegati

� LAN di dorsale

� Per l’interconnessione di LAN

� Preferibili ad un’unica LAN per: Affidabilità, Capacità, Costo

Caratteristiche delle LAN

Elementi caratteristici delle LAN

� Trasmissione broadcast

� Elevato tasso trasmissivo e livelli di errore bassi

� Non ci sono decisioni di instradamento

� Stretto legame tra il livello fisico e il livello datalink

� Controllo sulla condivisione del mezzo fisico

Topologie

Due modi di operare per il nodo centrale: come ripetito-

re in modalità broadcast, come switch ritrasmettendo

il messaggio verso il solo destinatario

Topologie a Bus

� Trasmissione multipunto, accesso al mezzo trasmissivo per mezzo di un tap

� Trasmissione bidirezionale, full duplex, broadcast; si propaga attraverso il mezzo trasmissivo e viene assorbita da un terminatore

� La connessione Full duplex fra la stazione ed il tap permette latrasmissione e ricezione dei segnali contemporaneamente

� Un messaggio trasmesso è ascoltato da tutte le stazioni

� Ogni stazione deve essere identificata univocamente mediante un indirizzo (ogni scheda di rete è caratterizzata da un indirizzo univoco)

� La trasmissione deve essere regolata:

� Per evitare collisioni

� Per evitare che una stazione monopolizzi il mezzo trasmissivo

� I dati sono trasmessi in blocchi di dimensione ridotta, detti trame(frame).

Protocollo di accesso del mezzo: MAC

Definizione di due livelli sopra il livello fisico

� MAC (Medium Access Control) per la rilevazione degli errori e l’indirizzamento delle trame

� LLC (Logical Link Control) con la funzione di interfaccia verso i livelli più alti e indirizzamento verso l’applicazione

Relazione con il modello OSI

Codifica e decodifica dei segnali - Generazione e

rimozione del preambolo -Trasmissione dei bit -

Specifiche relative al mezzo di trasmissione ed alla

topologia

• LLC (Logical Link Control): gestione di un’interfaccia verso i livelli più alti e la realizzazione del controllo di flusso e d’errore

• MAC (Media Access Control): assemblaggio ed estrazione dei dati in una trama con indirizzi e rilevazione dell’errore, gestione dell’accesso al mezzo

Protocollo di accesso del mezzo: MAC

� La trama MAC contiene l’indirizzo della scheda destinazione e l’indirizzo della scheda di origine nella LAN

� La trama MAC è diversa nei diversi sistemi di LAN. Per mettere in comunicazioni due LAN serve un dispositivo in grado di attuare la conversione delle trame

� Un Bridge è un’apparecchiatura per interconnetere LAN che dispongono di un sottolivello MAC di diverso formato

� Un Bridge usato nella interconnessione di reti di identico tipo ha lo scopo di filtrare il traffico in rete e ridurre il numero di trame in circolazione

� Un Bridge ha tabelle per riconoscere il posizionamento degli host nelle reti interconnesse

Protocolli LAN

Formato della trama MAC

Formato di una generica trama MAC

Trasmissione di trame - LAN a Bus

LAN ad Anello

� Una serie di ripetitori collegati per formare un percorso chiuso. Ricevono i dati e li ritrasmetto-no allo stesso tasso trasmissivo. La trasmissione è unidirezionale

� I dati sono trasmessi in trame. Una trama circola nell’anello sino a tornare alla sorgente che la rimuove

� Serve un controllo di accesso al mezzo per determinare quando una stazione può inserire trame

Controllo di Accesso al Mezzo

� Controllo centralizzato

� Controllo maggiore e logica di accesso alla stazione più semplice

� Evita il problema di dover coordinare azioni indipendenti

� Punto critico in caso di guasti

� Potenziale collo di bottiglia

� Controllo Distribuito

� Tecniche asincrone adatte al traffico imprevedibile delle LAN

� Round robin - Adatte nel caso di molte stazioni che hanno dati da trasmette per un lungo periodo, penalizzanti per poche stazioni che vogliono trasmettere

� Prenotazione - Adatte al traffico a flusso continuo

� A contesa - Adatte al traffico impulsivo: le stazioni sono in competi-zione per l’accesso al mezzo, tecnica distribuita, semplice da realizzare, efficiente per traffico moderato, collassa all’aumentare del traffico

LAN a Bus

� Bilanciamento del segnale� Il segnale deve essere sufficientemente forte per soddisfare i requisiti

del ricevitore anche dopo l’attenuazione causata dall’attraversamento del mezzo trasmissivo

� Deve mantenere un rapporto segnale-rumore adeguato

� Non deve essere così forte da sovraccaricare il trasmettitore

� Deve soddisfare le precedenti condizioni per ogni coppia di stazioni nella rete

� La soluzione abituale a tali problemi è suddividere la rete in segmenti di dimensione limitata (poche centinaia di metri)

� Più segmenti possono essere collegati per mezzo di ripetitori od amplificatori

� Mezzi trasmissivi� Doppino (in genere nella versione UTP)

� Fibra ottica

� Cavo coassiale

LAN ad Anello

� L’anello è costituito da un numero di ripetitori ognuno connesso ad altri due mediante collegamenti unidirezionali che formano un percorso chiuso.

� Unico percorso chiuso; attraversato dai bit in un’unica direzione

� I dati sono trasferiti bit per bit da un ripetitore al successivo

� I ripetitori rigenerano e ritrasmettono il segnale

� I ripetitori eseguono le operazioni di immissione, ricezione e rimozione dei dati

� I ripetitori agiscono come punti di collegamento degli apparati

� La rimozione delle trame può avvenire per effetto della stazionetrasmittente o di quella ricevente. E’ preferita la prima soluzione in quanto:

� permette il riscontro di avvenuta ricezione

� permette la gestione del multicasting

Potenziali problemi dell’anello

� L’interruzione di un qualsiasi collegamento disabilita la rete

� Un guasto al ripetitore disabilita la rete

� L’installazione di nuovi ripetitori per collegare nuove stazioni richiede l’identificazione dei due ripetitori topologicamente adiacenti

� Problemi di sincronizzazione

� I pacchetti non sono mai assorbiti: serve un modo per rimuovere i pacchetti dalla rete usando tecniche di back up per proteggersi da ogni errore

� La maggior parte di questi problemi può essere gestita con l’architettura star-ring

Architettura Star Ring (anello a stella)

� La configurazione ad anello impone limiti al numero di ripetitori sull’anello ed il funzionamento dell’anello non dipende dal reale percorso dei cavi

� Realizzare i collegamenti tra ripetitore in un unico sito, un concentratore, con numerosi vantaggi

� Accesso centralizzato del segnale su ogni linea

� Più semplice identificare i guasti: è possibile lanciare un messaggio nell’anello ed identificare la porzione di percorso priva di errori, disconnettere il segmento difettoso e ripararlo in un secondo tempo

� Nuovi ripetitori possono essere inseriti facilmente nella rete

� I relay di bypass possono essere collocati nel concentratore

� Il percorso tra ripetitori tende ad essere costante, l’architettura porta ad impiegare una grande quantità di cavi

� LAN ad anelli multipli connessi mediante bridge

LAN a Stella

� Rinnovato interesse nell’uso del doppino, nel contesto delle Lan a bus, nella versione UTP, in una struttura di cablaggio a stella (a volte preesistente)

� Costi di installazione bassi

� Una base installata preesistente è spesso disponibile

� Sistemi integrati di cablaggio fonia - dati

� Elemento centrale della stella è un elemento attivo, dal punto di vista del segnale, detto hub� Ogni stazione è connessa all’hub con due linee: una per trasmettere ed

una per ricevere

� L’hub ripete il segnale in ingresso su tutte le linee uscenti

� Distanza hub - stazione limitata a 100 m (500m per fibra ottica)

� Logicamente è un bus – trasmisioni simultanee da più stazioni sono soggette a collisioni

� Fisicamente è una stella

Topologia a Stella a due livelli

Hub e commutatori

Switch

� Hub a condivisione del mezzo: Hub centrale che ritrasmette il segnale su tutte le linee in uscita, può trasmettere una sola stazione per volta, con Lan a 10Mbps, la capacità totale è di 10Mbps

� Hub per LAN commutate (switch): l’hub agisce come un commutatore, ritrasmette una trama in ingresso sulle linee appropriate, le altre linee possono essere utilizzate, con due coppie di linee attive la capacità globale sale a 20Mbps

Bridge

� Vi è spesso la necessità di andare oltre i limiti di una singola LAN per fornire interconnessione ad altre LAN o WAN mediante bridgeo router

� Router: dispositivo in grado di connettere diverse LAN alle WAN

� Bridge è un dispositivo semplice

� Connette LAN simili (esistono anche bridge che permettono la conversione di formato MAC)

� Protocolli identici per livello fisico e di linea

� Al bridge è richiesto un ammontare ridotto di elaborazione

� Perché usare un bridge

� Maggior affidabilità di una rete partizionata in segmenti

� Maggiori performance di più reti ridotte

� Sicurezza: si possono implementare misure di sicurezza mirate

� Geografia dei dispositivi

Funzioni di un bridge

� Leggere tutte le trame trasmesse su una LAN ed accettare quelle indirizzate a stazioni su altre LAN (funzione di filtro)

� Ritrasmettere tutte le trame alla seconda LAN usando il protocollo di accesso al mezzo di quest’ultima

� Effettuare queste operazioni in ogni direzione

� Aspetti importanti:

� Il bridge non effettua alcuna modifica al contenuto o al formato delle trame ricevute (su LAN identiche)

� Il bridge deve avere un buffer in grado di supportare il traffico di picco

� Il bridge deve contenere funzionalità di instradamento e di indirizzamento, e potrebbe connettere più di due LAN

� Le operazioni di bridge devono essere trasparenti per le stazioni: il bridge permette di estendere LAN senza modifiche nell’hardware o nel software della rete

Operazioni svolte dal bridge

Connessione di due LAN tramite bridge

Incapsulamento dei dati in

presenza di un bridge

Instradamento

� Le grandi LAN complesse necessitano di definire percorsi alternativi

� per bilanciare il carico delle reti

� riconfigurare il carico in caso di guasto

� Il bridge deve decidere dove ritrasmettere la trama

� Il bridge deve decidere a quale LAN ritrasmettere la trama

� Instradamento fisso: viene selezionato un percorso per ogni coppia di LAN sorgente-destinazione

� Effettuato al momento della configurazione

� Nel caso di percorsi multipli viene selezionato quello con il minor numero di hop

� Modificato in seguito a modifiche nella topologia

Instradamento

� Approccio Spanning Tree: i bridge determinano automaticamente una tabella di instradamento ed aggiornano tale tabella in base ad eventuali cambiamenti nella topologia anche in caso di cicli

� Apprendimento a ritroso: adatto per topologie senza cicli

LAN multiple

Sistemi di LAN

Sistemi LAN

� Ethernet CSMA/CD

� Token Ring

� Fibra Ottica

� LAN senza fili

� Per gestire il controllo dell’accesso al mezzo fisico

� Protocolli a contesa, esempio Ethernet

� Protocolli a rotazione: esempio Token Ring

Ethernet (CSMA/CD) - IEEE 802.3

� Carriers Sense Multiple Access with Collision Detection

� Accesso multiplo a rilevazione di portante con rilevazione della collisione

� Tecnica ad accesso casuale o a contesa

� Lo standard maggiormente diffuso per reti a BUS o BUS cablata con una stella

� Non deterministico

� Si degrada per la presenza di un elevato numero di stazioni

� Opera come nel caso della conversazione umana fra persone educate

CSMA/CD

Le stazioni trasmettono come sotto specificato e continuano ad ascoltare ilmezzo mentre stanno trasmettendo per riconoscere una possibile collisione

� CSMA

1) Se il mezzo è libero trasmettere ed andare a 3)

2) Continuare ad ascoltare il canale finchè si libera e quindi trasmettere immediatamente

� CD

3) Se viene rilevata una collisione durante la trasmissione, trasmettere un breve segnale di jamming, per assicurarsi che tutte le stazioni capiscano che c’è stata una collisione, e interrompere immediatamente la trasmissione

4) Dopo avere trasmesso il segnale di jamming attendere una quantità di tempo casuale e quindi tentare una nuova trasmissione

CSMA/CD

� T0: A trasmette, mentre B, C sono pronte a trasmet-tere. T1: B si accorge della trasmissione ma non C che inizia a trasmettere

� T2: C rileva la collisione e cessa di trasmettere mentre A prosegue nella trasmissio-ne sino a T3 quando il fronte della collisione la raggiunge

Attesa e Ritrasmissione

Se la stazione che vuole trasmettere trova il mezzo occupato:

� Aspetta un tempo casuale e riprova (non persistente). E se nel frattempo il canale si è liberato ed è stato occupato da un’altra stazione?

� Continua ad ascoltare sino a quando il mezzo si libera (1 persistente). Se ci sono più stazioni in attesa ci sarà una collisione

� Un compromesso tra le due precedenti scelte: rimane in ascolto e quando il mezzo si libera trasmette con probabilità p e rimane in attesa per un tempo casuale con probabilità (1-p) (p-persistente). p scelto in base al numero di stazioni

Attesa dopo la collisione:

� Attesa esponenziale binaria: il ritardo casuale è raddoppiato in caso di ulteriori collisione. Stop dopo 16 collisioni

Riconoscimento della collisione

� Tempo per riconoscere una collisione: finestra di collisione. Non maggiore del doppio del tempo di propagazione del segnale per il tratto di maggiore lunghezza

� Una regola importante è che le trame siano abbastanza lunghe da permettere la rilevazione della collisione prima della fine della trasmissione

� Nei bus in banda base la collisione produce oscillazione di tensione più alte di quelle della normale trasmissione

� Il segnale si attenua per la distanza: anche per questa ragione la distanza è limitata a 500m (10Base5) o 200m (10Base2)

� Per i doppini (impiegati nella topologia a stella) il riconoscimento della collisione avviene nell’hub mediante la presenza di attività su più di una porta

Trama MAC - IEEE 802.3

� Preambolo: sequenza di 0,1 per stabilire la sincronizzazione di bit � SFD: Delimitatore inizio trama - 10101011� DA: Destination address� SA: Source Addreess� Length

� LLC Data� PAD: byte di completamento per assicurare che la trama sia sufficientemente lunga

per rilevare la collisione� FCS: Frame Check Sequence - un codice a controllo ciclico

Token Ring - IEEE 802.5

Protocollo MAC:

� Quando tutte le stazioni sono inattive nell’anello circola una speciale trama (Token)

� Una stazione per trasmettere deve impossessarsi del token

� La stazione modifica un bit del token e lo trasforma in una trama di trasmissione

� La trama circola nell’anello e viene riassorbita dalla stazione che l’ha emessa: La stazione emette un nuovo token

� Tecnica deterministica

� Può essere inefficiente in caso di carico limitato della rete

� Per carichi elevati diventa round-robin

� Può essere adattata per gestire priorità

Token Ring

� A vuole trasmettere un messaggio per C. Attende il token e vi appende il messaggio che, ignorato da D arriva a C.

� C vuole trasmettere un messaggio per A e D. Per farlo deve attendere di ricevere un nuovo token.

Trama MAC - IEEE 802.5

� SD: Una sequenza di segnali che identifica l’inizio di una trama

� AC: Usato per la gestione delle priorità, delle prenotazioni e per riconoscere il tipo di trama

� FC: Usato per la gestione della trama

� DA: Destination address

� SA: Source Addreess

� Data Unit : i dati LLC

� FCS: Codice di controllo ciclico

� ED: contiene anche un bit di errore

� FS: contiene i bit di indirizzo riconosciuto e di trama copiata

� 100Mbps - Gbps

� Applicazioni: LAN e MAN

� Simile a Token Ring, ne differisce perchè:

� La stazione che vuole trasmettere si impossessa del token senza modificarlo

� La stazione, successivamente, trasmette una o piùtrame dati

� Il rilascio di un nuovo token avviene non appena la stazione ha terminato di trasmettere

� Nell’FDDI una stazione che vuole trasmettere atten-de e cattura il tokentogliendolo dall’anello e trasmette una o più trame.

� La stazione che ha trasmesso delle trame dati rilascia un nuovo token non appena ha terminato le trasmissioni, abilitando altre stazioni a trasmettere.

Applicazioni delle LAN senza fili

� Estensione delle LAN

� Interconnessione tra edifici

� Accesso mobile

� Reti ad hoc

� Control Module (CM) - interfaccia verso una LAN di wireless con funzioni di bridge o di router

� User Module (UM) - controllano un certo numero di stazioni

LAN Wireless a cella singola

LAN Wireless a cella multipla

LAN senza fili

HUB, SWITCH, BRIDGE, ROUTER

� HUB: un dispositivo che collega più postazioni di lavoro di una LAN a stella e invia i dati in ingresso a tutte le connessioni attive (lavora a livello fisico)

� SWITCH: Combinazione di HUB e BRIDGE e collega più stazioni come un HUB ma può filtrare i frame fornendo una segmentazione della rete. Esamina la trama MAC per scoprire l’indirizzo destinazione e indirizzare verso il percorso appropriato

� BRIDGE: connette LAN

� ROUTER: Collega reti dove una ha un livello MAC e l’altra non ce l’ha e interconnette reti differenti. Può svolgere servizi di FIREWALL ovvero di proteggere le macchine nella LAN

Un paio di cose non dette

� Numeri di IP statici e dinamici

� Ogni utente deve avere un numero di IP ?

� Come gestirli ?

� Quale IP a un utente che si sposta ?

� DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol )

Un paio di cose non dette

� Cosa succede dentro una LAN

� La LAN conosce indirizzi di scheda, non indirizzi IP

� Il protocollo ARP (Address Resolution Protocol) è un protocollo usatoper mappare indirizzi IP di rete sugli indirzzi hardware della retelocale noti al sottolivello MAC

Mettendo tutto assieme in

payload

Protocol Data Unit

datagram

package

Protocol Data Unit:

Grazie per la vostra attenzione

Reti geografiche e reti locali

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