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Reti Locali
Reti di Calcolatori
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Dove Siamo?
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L’interfaccia Data Link
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LANs
Alto ThroughputBasso costoBrevi distanze (centinaia metri)Tipicamente con mezzo condiviso
In alcune nuove installazioni c’è switching
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Protocolli su Canali in Broadcasting
Perché non usare FDM o TDM?Non funziona per via dell’alta dinamicità
del carico
Posso usare ATDM? (modalità asincrona)
… nascono i problemi di accesso concorrente!
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Mezzo Condiviso
Un mezzo condiviso tra tutte le stazioni
Solo una stazione alla volta può trasmettere
Le stazioni operano a turni
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Protocolli
Due grosse categorie:
Collision-Detection (Aloha-like) esempio IEEE 802.3 per Ethernet
Inerentemente collision-free esempio IEEE 802.5 per Token Ring
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Topologie
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Data Link Bit Encoding
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Linea “Idle”
Nei modelli Carrier Sensitive occorre stabilire se c’è la portante.
L’assenza di portante si può codificare con segnale nullo - grazie alla codifica di Manchester
Sono standardizzati i livelli (e.g. IEEE 802.3: -0.85,+0.85)
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Protocolli Aloha
1970 Norman Abranson (Hawai Univ.)applicato per comunicazioni radio
Fai trasmettere quando ci sono dati
se c’è collisione si risolve dopo
C’è una ricca letteratura sui modelli
Aloha
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CSMA/CD
Carrier Sense (CS)Aspetta finchè la linea è “idle”Inizia a trasmettere un frame
Multiple Access (MA)Tutte le stazioni attaccate allo stesso
mezzoOgni stazione usa lo stesso algoritmo
E’ possibile la trasmissione simultanea
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CSMA/CD [continua]
Trasmissione simultanea:Nascono interferenze note come collisioni
CSMA con Collision Detect (CD)Ascolta il mezzo Rivela interferenza da altra stazioneAspetta e prova di nuovo ...
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Come si rileva la portante?
Si usano codifiche tipo Manchester …dunque …
Lo stato di “idle” è semplicemente e velocemente rilevabile! (vedi Esercizio no. 1)
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Come si rilevano le collisioni?
Due o più generatori di “codice Manchester” … producono interferenza!
La stazione che trasmette “ascolta” e trova che il segnale è diverso da quello che ha trasmesso (problema di teoria delle linee di trasmissione)
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Ritardi di Linea
Quanto tempo è necessario per rilevare una collisione?
Lower bound Prendo le stazioni più lontane sulla linea e
calcolo il tempo di riflessione dell’onda (andata e ritorno).
In pratica: circa 10 sec per 1 Km (10 MHz)
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Spazio Tempo Discreto
Si definisce come unità di tempo il ritardo di andata e ritorno tra le stazioni più lontane.
IEEE 802.3: 2.5 Km con quattro ripetitori slot time: 512 bit (51.2 sec)
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Exponential Back-off
Definisci “slot delay”: 512 bit (51.2 sec a 10MHz)Dopo la 1st collisione, scegli in modo random in {0,1} lo slot
delayDopo la 2nd collisione, scegli in modo random in {0,1,2,3} lo
slot delayFino ad un massimo di 16 trasmissioni prova in modo random
in {0 to 1023} lo slot delay
0 <= r < 2k-1
Dove r è il numero random, k = MIN(n,10) e n corrisponde all’ n-th tentativo di ri-trasmissione.
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Collisioni
Studio statisticoMonitorizzazioneLa distanza e la velocitàL’uso di switches ...
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Ethernet
La LAN più comuneStandardizzata con IEEE 802.3
Diverse Generazioni“Stesso” formato frames Diversa velocitàDiversi supporti fisici
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La trasmissione Ethernet
Solo una stazione alla volta trasmetteI segnali si propagano su tutta la lineaTutte le stazioni ricevono tutti i framesControllo di accesso CSMA/CD
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Ethernet – I mezzi trasmissivi
Nome Cavo Max Segmento
Nodi
10Base5 Coax Thick
500 m 100
10Base2 Coax Thin 200 m 30
10Base-T Doppino 100 m 1024
10Base-F Fibra 2000 m 1024
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Ethernet - 10BASE5
Thick Ethernet (Thicknet)Cavo coassiale grosso
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Transceivers
Ethernet prevede 2 livelli di circuiteria:
Analogica
Transceiver - rilievo portante e collisioni
Numerica
Trasformazione in messaggi verso l’interfaccia sull’host
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Ethernet Wiring - 10BASE2
Thin Ethernet (Thinnet)cavo coassiale piccolo
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Ethernet Wiring - 10BASE-T
Usa un hubDoppini
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Ethernet - Cablaggio
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IEEE 802.3 Frame Format
La sorgente riempie:Indirizzo di sorgenteIndirizzo destinatarioTipo di dati nel frame
type fieldCyclic Redundancy
nel campo FCS
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Preamble
Cos’è?Sono 56 bit – 1010101… Questa sequenza in codifica Manchester genera un onda quadra.
1 0 1 0 1 0 1
10Mbps1 bit dura 0.1sec
56 bit durano 5.6sec
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Preamble e StartOfFrame
1. A cosa serve?
2. Sincronizza clock sorgente e ricevitore
3. Prepara l’hardware al ricevimento del byte di StartOfFrame (10101011)
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Indirizzamento Ethernet
Standardizzato dall’ IEEE48-bit per ogni stazione:
MSB: 0 indirizzi normali 1 indirizzi di gruppo (multicast)
Bit 46: 0 indirizzi locali 1 indirizzi globali
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Indirizzamento Ethernet
Gli indirizzi globali sono assegnati dalla IEEE.Ogni fabbricante di schede ethernet possiede una parte di identificativo univoco.
Tolti 2 bit di controllo, rimangono 46 bit, cioè 7,0368×1013 possibili indirizzi globali.
Gli indirizzi Ethernet NON SONO indirizzi Internet
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Possibili Destinazioni
1. Singola (unicast)2. Tutte le stazioni sulla LAN
(broadcast)indirizzo 1111….1
3. Un sottoinsieme delle stazioni su Ethernet (multicast)
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Riconoscimento Indirizzo
Ogni frame contiene un indirizzo di destinazione
Tutte le stazioni ricevono tutti i frames
Le stazioni scartano i frames non destinati a loro
Importante: l’interfaccia per il riconoscimento dell’indirizzo è hardware, non software …
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Indirizzo di Destinazione
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Modo promiscuo
Progettato per testing/debuggingPermette di accettare tutti i frames Disponibile sulla maggior parte
dell’hardware Ethernet
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Demultiplexing sul Frame Type Field
Interfaccia HardwareRiceve una copia di ogni frame trasmessoEsamina l’indirizzo Passa i frames accettati al software
Interfaccia softwareEsamina il tipo di framePassa il frame al corretto modulo software
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Il Tipo di Frame
Ci sono centinaia DI tipi DI frames standardizzati (Digital-Intel-Xerox Ethernet).
Esempi:
Valore Significato
805C Stanford University Kernel V
8014 Silicon Graphics Co net. games
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Vantaggi e Prestazioni
•È facile da installare senza disattivare la rete•Il protocollo è semplice•Non è adatta a trasmissione in tempo reale perché non deterministico
•A basso carico non esistono tempi di ritardo•A carico elevato le collisioni aumentano riducendo di molto l’efficienza della rete
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High-speed Ethernet
Fast EthernetOpera a 100 Mb/s
Standardizzato in IEEE 802.3 come 100BASE-T e 100BASE-F
Gigabit EthernetOpera a 1 Gb/s
Principalmente su fibre ottiche e switches
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Apparati HUB
Gli apparati HUB sono semplicemente dei ripetitori ed amplificatori di segnali.
Livello Fisico
Data Layer
Network Layer
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Ethernet - Note Finali
La tipica odierna struttura è star-shaped bus
Per complementinews://comp.dcom.lans.ethernet
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Topologia ad Anello:Token Ring
Ideata e standardizzata dall’IBMcon il codice 802.5Opera a 4Mb/s, 16Mb/s Sembra ormai abbandonata …
… ma è opportuno conoscerla ...
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Trasmissione Token Ring
Le stazioni aspettano il loro turno prima di trasmettere. Quest’ultimo viene segnalato da un pacchetto particolare chiamato Token.
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Token Passing
I frames viaggiano in modo unidirezionale
Le stazioni devono aspettare il token
per trasmettere
Il token circola senza sosta finchè una stazione vuole trasmettere
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Trasmissione Token Ring
Trasmissione
1 bit di ritardo
Ascolto
1 bit di ritardo
Idle
1 bit di ritardo
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The Token Frame
Quando nessuna stazione trasmette, il token frame viaggia di continuo sull’anello.
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Il problema “Anello”
R
Supponendo che la velocità della rete
è di V Mbps, un bit viene iniettato
nell’anello ogni sec.
Poiché la velocità del segnale nel conduttore è di circa 205 m/sec,significa che un bit sull’anello è lungo:
Vl
205bit
205
2bit
VRn
V
1
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Il problema “Anello”
Il problema è quindi quello di calcolare la lunghezza dell’anello in modo che tutto il token sia presente sul conduttore.
Questa situazione peggiora con la disattivazione delle macchine (soprattutto di notte).Quindi è necessario modificare i terminali presenti in modo che non vengano alimentati direttamente dal terminale a cui sono collegati.
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L’accentratore di anello
Ecco perché si tende a realizzare un anello virtuale, accentrato in un singolo apparato di controllo e comunicazione. Una specie di HUB ma più complesso.
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Token Ring: Ric. Indirizzo
Ogni frame contiene indirizzo destinazioneTutte le stazioni ricevono e ripetono
Importante: è l’hardware sul NIC non il software che controlla l’indirizzo
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Token Ring: Ind. Destin.
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Token Ring: Formato Frame
La sorgente riempie:Ind. sorgenteInd. destinazioneCRC nel campo FCS
Altre Stazioni possono cambiare:Frame Status
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Attività di anello
A C r r A C r r
Il Frame Status
A: Indirizzo riconosciutoC: Frame copiato
Questi due bit segnalano al mittente del messaggio se il destinatario ha ricevuto tutte il pacchetto.Le possibili situazioni sono 3:
A = 0, C = 0: Destinatario del messaggio non esistente o non attivoA = 1, C = 0: Destinatario esistente ma frame non copiatoA = 1, C = 1: Destinatario esistente e frame copiato
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Priorità dei frame
D
C
B
A
3
D
C
B
A
3
D
C
B
A
D
C
B
A 3
D
C
B
A3
D
C
B
A0
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Manutenzione del token
Esiste nell’anello sempre una stazione MONITOR.
La stazione monitor emette periodicamente un pacchetto il quale indica che una stazione ha assuntoil controllo come postazione MONITOR.
Per verificare se un pacchetto è rimasto in circolo nell’anello in maniera persistente, il monitor setta ilMonitor Bit a 1 e aspetta che il frame passi di nuovo. Se il frame successivo ha questo bit settato, allora ilmonitor lo elimina dall’anello ed emette di nuovo un token a priorità bassa.
Se nessun token è in circolo nell’anello, allora il monitor attende per un tempo pari a tutto il percorsodi anello, e quindi emette un nuovo token.
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Manutenzione del Monitor
Se la stazione monitor viene scollegata, la prima stazione che si accorge della situazione mette un messaggio chiamato CLAIM TOKEN sull’anello.
Questo messaggio avverte gli altri terminali che una stazione sta cercando di diventare monitor.
Se il frame circola per tutto l’anello e torna al mittente, allora questa stazione diviene monitor.
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Ethernet vs Token Ring: Condizioni carico e garanzie
Ethernet è adatta per condizioni di carico basso-normale, ma non a pieno carico(non c’è bound sul worst case!)
Token Ring garantisce bounds sul pieno carico, ma ha grande overhead in condizioni di basso carico
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Ethernet e Token Ring:Affidabilità
Discussa per Ethernet
Token Ring: Se apro l’anello per un guasto si blocca tutto!
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Perchè il Token Ring ha perso?
Le LAN non lavorano tipicamente in condizioni di pieno carico!
IBM era il solo costruttoreCosti più altiMaggior complessità
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Token Ring
Approfondimento:news://comp.dcom.lans.token-ring
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Un Esempio di Ring: FDDI
Acronimo di Fiber Distribuited Data Interface
Usa fibre ottiche
Alta affidabilità (anello doppio)
Immune a interferenze
Standardizzato da ANSI
Trasmissione a 100 Mb/s
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Caratteristiche
•È praticamente identica al Token Ring•È più costosa in termini di cavi, perché l’anello è doppio•La FDDI usa fibre multimodali perché più economiche•Utilizza emettitori LED invece di emettitori LASER. Questo tipo di emettitori è più economico e più sicuro.
La FDDI divide i terminali collegati in due classi: A e B a seconda se le stazioni sono collegate a tutti e due gli anelli o meno.
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Codifica 4B/5B
La Codifica 4B/5B raggruppa 4 bit di sorgente ed emette 5 bit sul mezzo fisico.
Sorgente Mezzo fisico0000 111100001 010010010 101000011 101010100 010100101 010110110 011100111 011111000 100101001 100111010 101101011 101111100 110101101 110111110 111001111 11101
Non richiede una banda doppia come il Manchester
A causa della mancanza di un segnale facile che permettala sincronizzazione tra i terminali, la FDDI utilizza un lungopreambolo. Inoltre i clock sono molto precisi, in modo da ricevere frame abbastanza lunghi perderne la sincronizzazione.
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FDDI: Il Recupero Guasti