Sistemi e Tecnologie della
Comunicazione
Lezione 15: data link layer: Ethernet e FastEthernet
1
Ethernet e IEEE 802.3




Ethernet nasce come protocollo CSMA/CD da una
collaborazione DEC/Intel/Xerox, standardizzato nel 1978
Pochi anni dopo viene pubblicato lo standard IEEE 802.3,
ereditato in seguito dall’ISO come 8802.3 con differenze
minime che sono state poi accorpate
Normalmente si utilizzano Ethernet ed IEEE 802.3 come
sinonimi
Ethernet, intesa come tecnologia, si e’ sviluppata a partire
dalla prima versione a 10 Mbps, a cui e’ seguito un nuovo
standard a 100 Mbps, quindi uno a 1000 Mbps ed uno
successivo a 10 Gbps; e’ in corso di definizione uno
standard a velocita’ superiore
2
Cablaggio in Ethernet

Lo standard prevede quattro tipi differenti di
cablaggio per Ethernet:
10Base5: cavo coassiale di tipo thick, di lunghezza
massima 500 m
 10Base2: cavo coassiale di tipo thin, di lunghezza
massima 185 m
 10BaseT: doppino intrecciato, di lunghezza massima
100 m
 10BaseF: fibra ottica capace di connessioni fino a 2000
m
La nomenclatura indica la velocita’ (10 Mbps), il fatto che
il segnale trasmesso e’ in banda base (Base), e (nei
primi due casi) la lunghezza espressa in centinaia di
metri

3
Schema dei cablaggi in rame
4
Cablaggio 10Base5



Cavo coassiale di tipo thick, di lunghezza massima 500 m; e’ possibile
connettere al cavo, a distanza di 2.5 m, prese vampiro a cui connettere le
stazioni;
Alla presa vampiro e’ attaccato un transceiver, il modulo analogico che
controlla il cavo per rilevare collisioni
Il transceiver e’ connesso all’interfaccia di rete del calcolatore da un cavo
apposito che puo’ essere lungo 50 m




il cavo transceiver e’ generalmente costituito da 5 coppie di cui due sono dedicate
al traffico nei due versi, due al controllo, una opzionale alla alimentazione del
transceiver stesso
esistono transceiver a cui possono essere collegate fino a 8 stazioni
Il cavo coassiale deve essere terminato ai due estremi da un “tappo” a 50
Ohm per eliminare le riflessioni
I problemi principali di questo tipo di cavo sono



la rigidita’ del cavo
la difficolta’ nell’identificare la sorgente di eventuali problemi (lunghezze eccessive,
prese difettose, interruzioni totali o parziali del conduttore)
la difficolta’ tecnica dell’inserimento di nuove stazioni tramite le prese a vampiro
5
Cablaggio 10Base2




Cavo coassiale di tipo thin, di lunghezza massima 185 m,
anch’esso terminato ai due capi da impedenze a 50 ohm
Le connessioni sono operate tramite connettori BNC a
forma di T che permette di connettere alla T l’interfaccia
della stazione (o un cavo thin che porta all’interfaccia
della stazione, ma di lunghezza molto ridotta in quanto
introduce riflessioni)
In questa soluzione il transceiver risiede direttamente
nella interfaccia di rete della stazione connessa
I vantaggi rispetto al 10Base5 sono



la maneggevolezza
la semplicita’ di aggiunta di nuove stazioni (se la T e’ gia’
predisposta, altrimenti si deve interrompere il cavo)
l’affidabilita’ dei connettori (maggiore che nel caso del 10Base5,
ma comunque fonte di problemi)
6
Cablaggio 10BaseT






Uno sviluppo tecnologico successivo ha portato alla realizzazione di uno schema di
cablaggio che fa uso di doppini in rame
Ogni stazione e’ collegata tramite un cavo UTP (cat. 3 o superiore) ad un dispositivo a
piu’ porte chiamato HUB
L’HUB non elabora i dati, ma costituisce dal punto di vista logico il mezzo condiviso: i
cavi in rame vengono connessi dall’elettronica interna all’HUB in modo da simulare il
mezzo condiviso
L’HUB svolge le funzioni di un ripetitore, che rigenera il segnale e lo invia a tutte le
linee connesse (tranne quella da cui ha ricevuto il frame)
Se si verifica una trasmissione contamporanea di due o piu’ stazioni connesse all’HUB,
si avra’ una collisione
L’utilizzo di questa tecnica di cablaggio porta numerosi vantaggi dal punto di vista
pratico




semplicita’ di cablaggio (spesso potendo sfruttare il cablaggio telefonico preesistente)
semplicita’ nella aggiunta, rimozione o spostamento delle stazioni connesse
affidabilita’ meccanica del mezzo fisico e semplificazione della ricerca dei guasti
Lo svantaggio di questa soluzione sta’ nella distanza limitata, che e’ di 100 m per l’UTP
cat. 3, 200 m per l’UTP cat. 5
7
Cablaggio 10BaseF



Si utilizza una coppia di fibre ottiche, di
lunghezza massima 2 Km
Generalmente utilizzato per interconnettere
edifici o postazioni distanti
Le specifiche prevedono la possibilita’ di
interconnettere hub, stazioni e ripetitori
8
Ripetitori



Per aumentare la distanza coperta dalla rete e’ possibile collegare piu’
cavi tra loro tramite ripetitori
Dal punto di vista del data link layer, l’unica differenza di una
struttura con ripetitori e’ data dal ritardo trasmissivo introdotto dalla
loro presenza
Lo standard prevede dei limiti alla estendibilita’ della rete tramite
ripetitori:



tra due transceiver non possono esserci piu’ di 4 ripetitori
tra due transceiver non possono esserci piu’ di 2.5 Km
L’utilizzo di ripetitori permette lo sviluppo di topologie diverse per il
cablaggio di un edificio
9
Codifica




Sul mezzo condiviso la condizione di “assenza di
trasmissione” e’ necessariamente identificata da
assenza di segnale
Non sono quindi possibili codifiche che utilizzino il
segnale a 0 volt per identificare un bit
La necessita’ di trasferire l’informazione di clock
assieme al segnale ha portato alla invenzione
della codifica Manchester gia’ vista
Lo standard Ethernet utilizza la codifica
Manchester con segnali a +0.85 V e -0.85 V (altri
protocolli, come token ring, fanno uso della
codifica Manchester differenziale)
10
Struttura del frame

Il frame inizia con un “preambolo” di 8 byte con sequenza 10101010



la codifica Manchester genera un segnale in onda quadra a 10 MHz di
durata 6.4 μs che permette ai rivevitori di sincronizzarsi
la sincronizzazione deve essere mantenuta per il resto del frame,
utilizzando la caratteristica della codifica Manchester per aggiustare la
sincronia
Seguono due campi di indirizzo relativi alla destinazione ed alla
sorgente del frame

l’indirizzo e’ costituito da 2 o da 6 byte, ma le specifiche a 10 Mbps
utilizzano solo campi da 6 byte
11
Indirizzo Ethernet


L’indirizzo Ethernet normalmente viene indicato come sequenza di 6
byte, ciascuno rappresentato da una coppia di caratteri esadecimali,
separati da “:” o da “-” (es: 08:00:2b:a2:01:5f)
Per la destinazione sono previsti indirizzi ordinari (con il bit meno
significativo del primo byte uguale a 0) ed indirizzi di gruppo (bit
meno significativo del primo byte uguale a 1)



l’indirizzo di gruppo permette la trasmissione multicast: un solo frame
destinato e ricevuto da piu’ destinazioni (raramente utilizzata)
l’indirizzo costituito da tutti 1 indica “per tutti” e permette la
comunicazione broadcast (utilizzata da molti protocolli di livello
superiore)
Il secondo bit meno significativo del primo byte indica indirizzi globali
(se vale 0) o a valenza locale (se vale 1)


gli indirizzi globali sono assegnati dall’IEEE: ogni interfaccia di rete
prodotta nel mondo ha un suo indirizzo globale che e’ unico
gli indirizzi locali possono essere assegnati dall’amministratore di rete e
non hanno garanzia di unicita’
12
Campo di tipo

Segue un campo di 2 byte che serve ad indicare
al ricevente cosa deve fare del frame ricevuto



generalmente il livello 2 viene utilizzato da piu’
processi dello strato di rete simultaneamente
il campo type indica al ricevente a quale processo e’
destinato il contenuto del frame
Es.





0800: frame che trasporta pacchetto IP
0806: ARP
86DD: IP V6
6003: DECnet
… svariatissimi protocolli proprietari di controllo a
livello 2
13
Campo dati e riempimento


Il campo dati trasporta le informazioni del protocollo di livello 3 ed ha
dimensione variabile, con un limite superiore
La sua dimensione massima e di 1500 byte, e fa si che la lunghezza
massima del frame Ethernet sia 1518 byte (preambolo elscuso)



il valore massimo e’ determinato dal fatto che il transceiver deve ospitare
l’intero frame in RAM, ed al momento della definizione dello standard la
RAM era piu’ costosa di oggi
Lo standard prevede che un frame Ethernet non possa essere
inferiore a 64 byte
In caso di necessita’ il campo dati e’ seguito da un campo di
riempimento costituito da tutti 0 per fare in modo che la somma
dati+riempimento sia di almeno 46 byte

e’ compito dei livelli superiori forzare il campo dati ad essere almeno di
46 byte, od introdurre un indicatore di lunghezza per discriminare i dati
dal riempimento
14
Requisito di lunghezza minima del frame





Questo requisito e’ dovuto al fatto che una stazione deve poter
identificare una collisione sul frame che sta’ trasmettendo
Detto T l’intervallo di tempo per la propagazione del segnale lungo il
mezzo tra le stazioni piu’ lontane, nel caso peggiore un eventuale
segnale di collisione arriva al trasmittente dopo 2T secondi
Se la trasmissione terminasse entro 2T secondi, la stazione riterrebbe
di aver trasmesso con successo quando invece potrebbe essere
avvenuta una collisione
Lo standard Ethernet prevede la possibilita’ di avere 5 tratte da 500
m connesse da 4 ripetitori, ed il tempo di propagazione, tenuto in
conto il ritardo introdotto dai ripetitori, e’ di circa 25 μs; il frame deve
quindi durare almeno 50 μs che a 10 Mbps significano 500 bit
Il frame trasmesso deve essere lungo almeno 500 bit (arrotondato a
512 bit = 64 byte)
15
Il campo di checksum



L’ultimo campo e’ dedicato al checksum,
realizzato tramite un codice CRC a 32 bit
Il campo e’ utilizzato solo per determinare
la correttezza del frame e scartare i frame
errati
E’ compito dei protocolli di livello superiore
organizzare la ritrasmissione di dati
mancanti
16
Differenze tra Ethernet ed IEEE 802.3

La standardizzazione IEEE (1997) ha introdotto due
modifiche:



l’ultimo byte del preambolo e’ trasformato in un byte di inizio
frame (Start Of Frame) di valore 10101011
il campo “type” e’ stato trasformato nel campo “length”, e
contiene la lunghezza del campo dati espressa in ottetti
Fortunatamente al momento della standardizzazione
nessuno aveva ancora utilizzato un type di valore inferiore
a 1500 (e dopo e’ stato proibito) , per cui le due differenti
definizioni possono coesistere sulla stessa LAN
17
Protocollo di accesso al mezzo

La gestione dell’accesso al mezzo avviene tramite un algoritmo noto col
nome di backoff esponenziale binario






inizialmente una stazione si comporta secondo il protocollo 1-persistente
dopo la prima collisione il tempo viene diviso in slot di 512 bit (51.2 μs) e la
stazione attende un tempo casuale di 0 o 1 slot, poi riprova
se avviene un’altra collisione la stazione attendera’ un numero di slot scelto a caso
tra 0 e 3
in generale dopo la n-esima collisione il tempo di attesa sara’ scelto casualmente
tra 0 e 2n-1, fino ad un massimo di 1023 intervalli (alla decima collisione
consecutiva)
raggiunto il valore di 1023, questo valore non viene piu’ aumentato, ed il
protocollo ritenta la trasmissione fino a raggiungere 16 collisioni consecutive,
limite oltre il quale il livello 2 comunica allo strato superiore un errore
Questo meccanismo si adatta al carico presente sulla rete


in condizioni di basso carico la stazione riesce rapidamente a trasmettere
in condizioni di carico elevato, l’aumento esponenziale degli intervalli di attesa
rende i tentativi sufficientemente rarefatti da permettere a tutte le stazioni di
trasmettere
18
Prestazioni di Ethernet

Come gli altri protocolli CSMA anche Ethernet presenta le
seguenti caratteristiche




in condizioni di basso carico i tempi di ritardo sono contenuti e
l’efficienza assomiglia al CSMA 1-persistente con la miglioria
legata al fatto che c’e’ rilevazione della collisione
in condizioni di carico elevato crescono le collisioni, ma l’algoritmo
di backoff esponenziale fa si che le stazioni mutino il loro
comportamento rendendo il protocollo simile ad un CSMA
p-persistente con p sempre piu’ piccolo
quindi al crescere del carico l’andamento dell’efficienza tende ad
appiattirsi su una percentuale di valore non nullo
c’e’ una forte dipendenza dalla dimensione media dei frame
trasmessi; piu’ piccolo e’ il frame, piu’ pesa l’overhead del periodo
di contesa rispetto al periodo di trasmissione riuscita
19
Commutazione in Ethernet: lo switch




Al crescere delle stazioni connesse aumenta l’inefficienza del
protocollo
Per risolvere questo problema si fa uso di un dispositivo, detto switch
Lo switch e’ un oggetto costituito da una scheda interna (backplane)
ad alta velocita’ trasmissiva su cui possono essere innestate svariate
schede di linea, ciascuna contenente diversi connettori
i connettori sono predisposti per doppini 10BaseT; ciascuno connette
una stazione (o un hub, o un’altro switch) alla rete
20
Funzionamento dello switch


Quando una stazione trasmette un frame, questo giunge
allo switch
Lo switch sa (vedremo dopo come) a quale porta di quale
scheda e’ connessa la stazione a cui e’ destinato il frame




se la stazione destinataria e’ connessa alla stessa porta della
stessa scheda, lo switch butta via il frame
se la stazione destinataria e’ connessa ad una diversa porta della
stessa scheda il frame e’ inoltrato su quella porta
se la stazione destinataria e’ connessa ad una scheda diversa, il
frame viene trasmesso internamente alla scheda di destinazione
attraverso il backplane, e da li inviato sulla porta connessa alla
stazione destinataria
La scheda di backplane funziona con un protocollo
proprietario, sviluppato dal produttore, generalmente a
capacita’ molto superiore a 10 Mbps
21
Funzionamento dello switch (cont.)

Quando due stazioni connesse alla stessa scheda trasmettono
contemporaneamente:

negli switch piu’ vecchi la scheda e’ di fatto un HUB: tutte le linee sono
elettricamente connesse a formare un unico dominio di collisione, e la
trasmissione contemporanea provoca una collisione gestita secondo il
protocollo a contesa via backoff esponenziale binario



va osservato che la collisione riguarda solo le stazioni connesse alla scheda in
questione
in questo caso e’ possibile solo una trasmissione per ogni scheda, ma diverse
schede possono trasmettere frame in parallelo
gli switch piu’ moderni dispongono di un buffer per ogni porta: il frame
viene memorizzato ed inoltrato sulla porta di destinazione appena
possibile (modalita’ di trasmissione store and forward)



in questo caso non esiste possibilita’ di collisione, perche’ ogni porta puo’
trasmettere e ricevere contemporaneamente senza influire sulle trasmissioni
altrui
sara’ lo switch ad occuparsi di memorizzare su buffer il frame se non puo’
inoltrarlo immediatamente
in questo modo si realizza una comunicazione full duplex a piena banda
22
Funzionamento dello switch (cont.)



E’ possibile utilizzare alcune porte di uno switch come
accentratore di linee: una porta puo’ essere connessa ad
un HUB o ad un’altro switch, in modo da separare i
domini di collisione
Questa tecnologia permette di aumentare notevolmente
l’efficienza complessiva in condizioni di carico elevato, di
fatto eliminando il problema delle collisioni o confinandolo
entro rami distinti contenenti un numero di stazioni
ridotto
Utilizzando gli switch in cascata si possono realizzare
topologie ad albero rendendo molto flessibile la struttura
topologica della rete e piu’ semplice il suo sviluppo nel
tempo
23
Apprendimento della topologia







Per sapere su quale porta debba essere trasmesso il frame, lo switch deve
creare e mantenere aggiornata una tabella relativa alla associazione tra
indirizzo di destinazione e porta
La costruzione manuale di questa tabella sarebbe troppo costosa in termini di
gestione della rete, ed e’ stato opportunamente inventato un meccanismo di
auto apprendimento
Inizialmente questa tabella e’ vuota, e lo switch deve inoltrare ciascun frame
ricevuto su tutte le porte connesse
Poiche’ i frame contengono l’indirizzo del mittente, ad ogni frame che arriva
lo switch impara che la stazione che ha inviato il frame e’ raggiungibile
attraverso la porta da cui e’ arrivato il frame stesso
Con il passare del tempo lo switch riempie la tabella e puo’ svolgere la sua
funzione in modo sempre piu’ efficiente
Tutti i frame broadcast e multicast continueranno a dover essere trasmessi su
tutte le porte connesse (tranne quella di provenienza), cosi’ come i frame
destinati ad indirizzi non presenti nella tabella
L’aggiunta di stazioni connesse viene gestita dallo switch automaticamente
attraverso il meccanismo di auto apprendimento
24
Limiti di funzionalita’ degli switch


I limiti di funzionalita’ dello switch sono determinati dalla sua capacita’ di
ritrasmettere i frame alla velocita’ necessaria
Poiche’ lo switch permette una trasmissione full duplex su tutte le porte di
ogni scheda, il backplane puo’ costituire il limite alla capacita’ di supportare il
traffico generato



Un altro problema puo’ derivare dal limite dei buffer:




negli switch moderni di elevata qualita’ il backplane e’ costruito in modo da
garantire un throughput sufficiente alla trasmissione a piena banda di tutte le sue
porte contemporaneamente
negli switch piu’ vecchi o di qualita’ inferiore la capacita’ del backplane e’
comunque molto elevata, e si gioca sul fatto che difficilmente tutti trasmettono a
piena banda nello stesso momento (questo e’ sempre vero in condizioni normali)
supponiamo che due stazioni trasmettano a piena banda verso una terza stazione
lo switch riceve un traffico di 20 Mbps in ingresso, ma dispone di soli 10 Mbps in
uscita verso la destinazione
non e’ possibile smistare tutto il traffico
In entrambe le situazioni i frame in eccesso verranno buttati via dallo
switch: sara’ compito dei livelli superiori delle stazioni coinvolte gestire la
situazione con ritrasmissioni e controllo di flusso
25
Fast Ethernet



Nel 1992 IEEE ha riunito il comitato 802.3 per
sviluppare un protocollo a 100 Mbps basato sulla
tecnologia Ethernet
Il lavoro si e’ sviluppato secondo una linea guida
fondamentale: mantenere la compatibilita’ con le
LAN esistenti
Questo ha significato:



mantenere lo stesso formato del frame
mantenere le stesse interfacce
mantenere le stesse regole procedurali
26
Fast Ethernet (cont.)



L’aumento della velocita’ di un fattore 10 a parita’ di
lunghezza minima del frame richiede che per rilevare le
collisioni si debba accorciare di un fattore 10 la lunghezza
massima del cavo
Questo non avrebbe permesso di mantenere le strutture
di cablaggio preinstallate
La soluzione e’ stata di rinunciare al cavo coassiale;
FastEthernet (802.3u) prevede come topologie possibili
solo connessioni via hub o switch, utilizzando come mezzi
trasmissivi




UTP cat. 3: 100Base-T4 (max. 100 m)
UTP cat. 5: 100Base-TX (max. 100 m)
Fibra ottica: 100Base-FX (max 2000 m)
nota: il protocollo – come vedremo – permette per il rame
lunghezze maggiori; solo le specifiche limitano a 100 m la
lunghezza dei cavi in rame, ma spesso si riesce a realizzare la
connessione FastEthernet anche a 200 m
27
Codifiche per FastEthernet

La codifca Manchester a 100 Mbps richiede 200 Mbaud,
improponibile per i doppini alle distanze richieste, quindi
si e’ cambiata la codifica


gli apparati moderni, che gestiscono il clock piu’ accuratamente, e
le distanze ridotte permettono di rinunciare ai benefici della
codifica Manchester
100Base-T4: lo standard per l’UTP cat. 3 prevede l’utilizzo
di 4 doppini con segnali ternari a 25 MHz (supportati dal
cavo a 100 m di distanza)



un doppino dedicato alla trasmissione in un verso, uno a quella in
verso opposto, due commutabili
si trasmette un segnale ternario: con tre doppini si hanno 27
simboli, che possono trasferire 4 bit di informazione con un po’ di
ridondanza
25 MHz per 4 bit fornisce i 100 Mbps richiesti, ma non full duplex
28
Codifiche per FastEthernet (cont.)


100Base-TX: l’UTP cat. 5 a 100 m e’ capace di supportare una
frequenza di 125 MHz
Lo standard prevede l’utilizzo di due coppie (una per verso di
trasmissione) utilizzanti una codifica a due livelli detta 4B/5B
ereditata da FDDI (modificata per annullare la componente continua
e per motivi spettrali)





ogni gruppo di 5 periodi di clock contiene 32 combinazioni
16 sono utilizzate per per trasmettere 4 bit di dati, alcune delle altre per
funzioni di controllo
le 16 combinazioni dedicate ai dati sono state scelte opportunamente per
garantire un adeguato numero di transizioni del segnale allo scopo di
facilitare la sincronizzazione in ricezione
4 bit ogni 5 periodi di clock a 125 MHz fornisce i 100 Mbps desiderati,
per ogni coppia di cavo, garantendo la comunicazione full duplex
100Base-FX: la connessione e’ realizzata tramite una coppia di fibre
multimodali (una per ogni direzione) capaci di una distanza massima
di 2000 m, ed utilizzano la codifica 4B/5B a 125 MHz convertita in
segnale ottico
29
Caratteristiche del FastEthernet

Lo standard cosi’ definito permette di utilizzare le
stesse regole di protocollo di Ethernet

per le connessioni in rame, sono possibili topologie ad
albero tramite hub o switch



ciascun hub costituisce un dominio di collisione; la collisione e’
gestita con il meccanismo di contesa regolato dall’algoritmo di
backoff esponenziale binario di Ethernet
la lunghezza massima del cavo per il funzionamento
dell’algoritmo basato sulla rilevazione della collisione e’ 10
volte minore del limite per Ethernet, quindi pari a 250 m,
compatibile con la lunghezza massima degli UTP
per le connessioni in fibra la lunghezza delle specifiche
eccede quella massima ammissibile per la corretta
gestione delle collisioni, per cui 100Base-FX puo’
essere utilizzata solo con switch
30
Velocita’ miste






Tutti gli switch possono utilizzare connessioni a velocita’ miste, con porte a
10 o 100 Mbps
La velocita’ della porta generalmente (non sempre) puo’ essere negoziata
dalle due interfacce all’atto della accensione delle macchine, cosi’ come la
modalita’ di trasmissione (half duplex o full duplex)
In questo modo e’ possibile pianificare una migrazione della rete da Ethernet
a FastEthernet senza dover cambiare tutti gli apparati di commutazione e le
interfacce nello stesso momento
Le vecchie interfacce di rete, realizzate secondo lo standard Ethernet, non
sono capaci di negoziare, ma gli switch possono capire da soli e configurare
automaticamente la porta in modo opportuno (non sempre!)
Gli switch di qualita’ (“manageble”, cioe’ configurabili) possono essere
configurati manualmente per definire le modalita’ di funzionamento delle
porte (essenziale per mettere d’accordo interfacce che non si parlano
correttamente in fase di inizializzazione)
Le porte in fibra non hanno queste caratteristiche: per le connessioni in fibra
se si cambia la tecnologia dello switch si deve cambiare l’interfaccia
31