Sistemi e Tecnologie della
Comunicazione
Lezione 16: data link layer: Gigabit Ethernet, Wireless (strato fisico)
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Gigabit Ethernet
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Fast Ethernet ha sbaragliato la concorrenza
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Qualsiasi altro protocollo del momento (FDDI, Token ring, Token bus) non ha
retto alla concorrenza
Tuttavia alcuni fattori hanno spinto a cercare soluzioni piu’ veloci
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costi bassi (in particolare per le connessioni in rame)
alta velocita’
alte prestazioni (grazie alla tecnologia di switching)
flessibilita’ di topologia (e’ banale aggiungere, rimuovere, spostare stazioni o interi
rami della rete)
compatibilita’ all’indietro, con possibilita’ di migrare progressivamente la propria
infrastruttura di rete
alcuni nuovi protocolli promettevano prestazioni migliori (ATM), anche se a costi
molto elevati
esigenze di banda sempre superiore, per applicazioni multimediali interattive, o in
generale per la crescita esponenziale delle dimensioni dei dati da trattare e della
cresciuta velocita’ di elaborazione degli stessi da parte dei calcolatori
Nel 1995 IEEE inizia a lavorare su un nuovo incremento di velocita’ per
Ethernet, e nel 1998 viene pubblicato lo standard 802.3z (Gigabit Ethernet)
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Caratteristiche di Gigabit Ethernet
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L’obiettivo e’ lo stesso: realizzare un protocollo 10 volte piu’ veloce
mantenendo tutte le caratteristiche del precedente (stessa struttura e
dimensione del frame, stesso schema di indirizzamento, stesso tipo di
servizio non affidabile)
Di nuovo si e’ deciso di fare a meno della connettivita’ su coassiale (a
maggior ragione, per gli stessi motivi)
Come Fast Ethernet, Gigabit Ethernet prevede due modalita’ operative
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full duplex (quella normale): la connessione e’ tra due switch o tra la stazione e lo
switch; le porte sono dotate di buffer e le collisioni non sono possibili, quindi non
c’e’ utilizzo di CSMA/CD
half duplex: la connessione e’ con un hub, che non e’ dotato di buffer e connette
elettricamente le linee in ingresso; c’e’ possibilita’ di collisione e va utilizzato
CSMA/CD
La gestione delle collisioni riduce di un fattore 100 la dimensione massima
della connessione rispetto ad Ethernet (25 m); per estendere questo limite a
200 m si utilizzano due tecniche:
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
carrier extension: l’interfaccia inserisce riempitivi per portare la dimensione del
frame ad almeno 512 byte; poiche’ questa aggiunta e’ eseguita dall’hardware e
rimossa dalla interfaccia in ricezione, le specifiche del protocollo non cambiano
frame bursting: permette a chi trasmette di inviare piu’ di un frame per volta; se
l’aggregato non raggiunge i 512 byte, si applica ancora il carrier extension
3
Collisioni in Gigabit Ethernet
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
Queste specifiche rendono il protocollo
meno efficiente in occasione di trasmissioni
di frame piccoli
L’utilizzo di Gigabit Ethernet in modalita’
CSMA/CD (con HUB) e’ raramente
applicata, anche perche’ il costo di uno
switch e’ di poco superiore a quello di un
HUB
4
Specifiche per i mezzi trasmissivi
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Gigabit Ethernet specifica l’utilizzo di
diversi mezzi trasmissivi:
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1000Base-SX: fibra ottica multimodale (fino a
550 m)
1000Base-LX: fibra ottica monomodale (fino a
5000 m)
1000Base-T: 4 coppie di cavo UTP cat. 5 (fino
a 100 m)
1000Base-CX: 2 coppie di cavo STP (fino a 25
m) (raramente utilizzata)
5
Codifiche in Gigabit Ethernet

Su fibra si utilizza una codifica nota come 8B/10B: una sequenza di 8
bit e’ codificata utilizzando 10 bit:

1024 codeword per 8 bit: c’e’ margine per scegliere opportunamente le
codeword in modo che

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
non ci siano mai piu’ di 4 bit uguali consecutivi
non ci siano mai piu’ di sei 0 o sei 1
spesso una sequenza ha piu’ codeword associate, e viene scelta la
migliore in funzione delle precedenti inviate per mantenere alternanza tra
0 ed 1 ed annullare la componente continua che passa nell’elettronica di
conversione ottico/elettrico
Su rame si utilizzano tutte le quattro coppie del cavo UTP in modalita’
duplex con un simbolo a 5 livelli
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
ogni ciclo di clock trasmette 5 simboli per coppia: 2 bit piu’ un simbolo
usato per segnali di controllo si ciascuna coppia
8 bit per ciclo a 125 MHz danno il throughput di 1 Gbps
la modalita’ di trasmissione duplex si realizza con una elettronica
complessa finalizzata al trattamento del segnale per separare l’ingresso
dall’uscita
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Controllo di flusso in GE
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Poiche’ lo standard ammette la connessione di
una stazione GE con una FE o Ethernet, e’ stato
introdotto un meccanismo per il controllo di
flusso a livello MAC
Lo switch comunica all’interfaccia GE della
stazione di sospendere le trasmissioni di frame
utilizzando un frame Ethernet normale, con tipo
0x8808 (seguito da parametri nel campo dati,
indicanti tra l’altro per quanto tempo sospendere
la trasmissione)
Un meccanismo analogo esiste nelle specifiche di
Fast Ethernet
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Reti wireless
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Motivazioni:
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principalmente la diffusione di computer portatili, per offrire
mobilita’ senza perdita di connessione
un altro fattore e’ l’estensibilita’ della rete senza necessita’ di
cablaggio
Bande trasmissive ISM
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lo strato fisico e’ realizzato con la trasmissione omnidirezionale in
modulazione digitale di una portante
esistono bande di frequenza dedicate all’utilizzo senza necessita’
di registrazione ed allocazione
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

queste bande si chiamano ISM (Industrial, Scientific, Medical)
la legislazione specifica determinate caratteristiche obbligatorie per
utilizzare queste bande, come ad esempio la potenza massima di
trasmissione e l’utilizzo di tecniche trasmissive spread spectrum
le bande utilizzate nelle trasmissioni wireless sono a 2.4 GHz ed a
5 GHz

in questa regione le trasmissioni competono con apparati
radiocomandati, telefoni cordless, forni a microonde, …
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Standard 802.11x
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
L’IEEE ha definito diversi standard nel corso del
tempo per le trasmissioni wireless
Questi standard sono
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
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IEEE 802.11 con tre differenti tecniche trasmissive (IR,
FHSS, DSSS) e velocita’ ad 1 o 2 Mbps nella banda a
2.4 GHz
IEEE 802.11b a velocita’ 1, 2, 5.5 e 11 Mbps nella
banda a 2.4 GHz
IEEE 802.11g fino a 54 Mbps nella banda a 2.4 GHz
IEEE 802.11a con velocita’ fino a 54 Mbps nella banda
a 5 GHz
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Strato fisico per le reti 802.11
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802.11 ad infrarosso
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utilizza trasmissioni a 0.85 e 0.95 micron
supporta velocita’ a 1 e 2 Mbps
di fatto non utilizzato
802.11 FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)
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utilizza 79 canali ad 1 MHz a partire da 2.4 GHz con la tecnologia
Frequency Hopping: la trasmissione salta ad intervalli temporali
definiti (minori di 400 ms) da una frequenza ad un’altra secondo
una sequenza pseudocasuale nota a tutti
la banda disponibile ad ogni istante e’ 1 MHz
questa tecnica fornisce sicurezza (impossibile seguire la
comunicazione senza conoscere la sequenza pseudocasuale)
supporta standard ad 1 e 2 Mbps, con codifiche a 2 o 4 simboli
con (G)FSK
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Strato fisico per le reti 802.11 (cont.)
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802.11 DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)



il tempo di un bit viene suddiviso in m intervalli temporali
il valore trasmesso e’ la combinazione in or esclusivo dei bit dei
dati (di durata Tb) combinati con una sequenza pseudocasuale o
predefinita di bit, ciascuno di durata Tc=Tb/m, detti chip
lo standard opera nella banda a 2.4 GHz ed utilizza una sequenza
fissa di 11 chip (sequenza di Barker) per codificare un bit di dati
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Strato fisico per le reti 802.11 (cont.)

802.11 DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) (cont.)

la banda disponibile e’ suddivisa in 14 canali di 5 MHz ciascuno, a
partire da 2.412 GHz


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
le stazioni debbono essere configurate per determinare il canale
utilizzato
non tutti i canali sono disponibili in tutti i paesi
in USA il canale 14 e’ proibito, in Spagna sono ammessi solo il 10 e
l’11, in Italia sono tutti ammessi
le antenne trasmettono a 11 MHz; con modulazioni PSK a 2 o 4
livelli e 11 chip per bit lo standard permette trasmissioni a 1 o 2
Mbps

poiche’ l’ampiezza di banda del segnale inviato e’ intorno ai 22 MHz,
nonostante i filtri dell’elettronica per non interferire due trasmissioni
indipendenti nella stessa area debbono utilizzare canali separati da
almeno 5 canali
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Strato fisico per le reti 802.11 (cont.)

Sono stati definiti nuovi standard nella banda a 2.4 GHz,
per ottenere velocita’ piu’ elevate con tecniche di
modulazione piu’ complesse:

802.11b (High Rate-DSSS)




prevede trasmissioni a 1 e 2 Mbps in modalita’ compatibile con
802.11, e velocita’ a 5.5 e 11 Mbps
la velocita’ di trasmissione e’ adattabile dinamicamente in funzione
della potenza del segnale, del carico e del rumore presenti
il suo campo di azione si aggira, in assenza di ostacoli, attorno ai
150/200 m
802.11g


questa e’ l’evoluzione di 802.11b che prevede un data rate fino a 54
Mbps, compatibile all’indietro con 802.11b
anche in questo caso la velocita’ si adatta dinamicamente in funzione
del livello del segnale
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Strato fisico per le reti 802.11 (cont.)

802.11a





questo standard prevede l’utilizzo della banda a 5 GHz
per trasmettere fino a 54 Mbps
utilizza differenti tecniche di encoding e di
modulazione per supportare velocita’ di 6, 9, 12, 18,
24, 36, 48 e 54 Mbps
il suo campo di azione copre poche decine di metri
questo standard e’ ancora poco diffuso
e’ incompatibile con gli standard a 2.4 GHz, ma
esistono stazioni che possono comunicare
contemporaneamente nelle due bande
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CSMA: stazione nascosta
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

Come esempio consideriamo tre stazioni A, B e C tali che B sia a
portata di A e di C, ma A e C non possano rilevare le rispettive
trasmissioni
Se C sta trasmettendo dati a B, A non potra’ rilevare l’occupazione
del canale in quanto e’ fuori portata
A iniziera’ a trasmettere ed il suo segnale arrivera’ a B interferendo
con i dati che C sta’ trasmettendo
Questo e’ detto problema della stazione nascosta
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CSMA: stazione esposta




Se nelle stesse ipotesi supponiamo che A stia trasmettendo verso
un’altra destinazione, e che B desideri inviare dati a C
B ascolta il canale e lo trova occupato, quindi non trasmette
In realta’ il canale sarebbe disponibile (nella ipotesi che la
destinazione della trasmissione di A sia fuori dalla portata di B)
perche’ in C i segnali non interferirebbero
Questo e’ il problema della stazione esposta
16
MACA


L’inefficacia del protocollo CSMA deriva dal fatto che per
le trasmissioni wireless quello che conta e’ l’interferenza
in prossimita’ del ricevente, mentre l’analisi della portante
che puo’ fare una stazione e’ solo in prossimita’ di se
stessa, cioe’ del trasmittente
Il protocollo MACA (Multiple Access with Collision
Avoidance) tenta di risolvere il problema nel seguente
modo:

il trasmettitore A invia un piccolo frame (RTS: Request To Send)
al ricevitore B



il frame RTS contiene la richiesta di trasmettere un frame a B,
specificandone la lunghezza
il ricevitore B trasmette un piccolo frame di conferma (CTS: Clear
To Send) ad A, con le stesse informazioni del RTS
quando A riceve il CTS trasmette il frame di dati a B
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MACA (cont.)

Tutte le stazioni che ricevono il frame RTS sanno che




Queste stazioni attenderanno senza trasmettere un tempo
sufficiente alla trasmissione dei dati
Le stazioni nascoste non vedono il frame RTS, ma vedono
il frame CTS, quindi sanno che


B rispondera’ con un CTS
in seguito A trasmettera’ un frame di dati di lunghezza specificata
in RTS
trasmesso il CTS B dovra’ ricevere il frame di dati, di lunghezza
specificato nel CTS
Queste stazioni attenderanno senza trasmettere per il
tempo necessario alla trasmissione del frame di A (che
loro non vedranno in quanto nascoste, ma sanno che ci
sara’)
18
MACA (cont.)


Collisioni saranno possibili se un frame RTS venisse
trasmesso contemporaneamente verso una destinazione
collocata nel campo di ricezione dei due trasmittenti: i
due frame andranno perduti
In questo caso la stazione che non riceve il CTS dopo un
timeout applica l’algoritmo di backoff esponenziale binario
e ritenta
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MACAW

Il protocollo MACAW (MACA per Wireless)
introduce migliorie specifiche per le applicazioni
wireless



nella maggior parte dei casi la mancanza di ACK a
livello 2 provoca la ritrasmissione solo a livello 4, con
grossi ritardi
per questo motivo e’ stato introdotto l’utilizzo di frame
di ACK con meccanismo stop-and-wait
il tempo in cui le stazioni che hanno ascoltato il RTS o
il CTS devono attendere include anche per il tempo
necessario per l’ACK
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