RETI DI CALCOLATORI http://staff.polito.it/bartolomeo.mont rucchio/Reti_Scano/ Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori 1 Indice • Canali trasmissivi e topologie di rete • Architettura di rete – concetto di commutazione • Tipi di trasmissione: – seriale/parallela – sincrona/asincrona • LAN – Ethernet – IEEE 802.3 • Ripetitori • Token ring Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori 2 Punto punto • Due soli nodi collegati agli estremi del canale lo utilizzano in modo paritetico A Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori B 3 Multi punto • Più nodi collegati ad un unico canale: un nodo master gli altri slave Master Slave Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori 4 Broadcast • Unico canale di comunicazione, condiviso da tutti i nodi • Un pacchetto inviato da un nodo è ricevuto da tutti gli altri • I pacchetti contengono l'indirizzo del nodo destinazione • Sono tipicamente usati nelle LAN Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori 5 Topologie: BUS Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori 6 Topologie: stella (a) Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori (b) 7 Topologie: anello Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori 8 Architettura di rete End System Intermediate System Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori 9 Architettura di rete • ES (End System) – eseguono le applicazioni – sono detti anche host o end node – realizzano tutti i livelli OSI • IS (Intermediate System) – instradano i messaggi sulla rete – sono detti anche router – realizzano solo i primi tre livelli OSI • Nodo o Sistema – termine generico per ES e IS Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori 10 Nodi intermedi Applicazione Presentazione Applicazione Presentazione Sessione Trasporto Rete Sessione Trasporto Rete Data Link Fisico ROUTER Rete Data Link Data Link Fisico Fisico Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori Data Link Fisico 11 La commutazione • Circuito – concepita per la telefonia • Pacchetto – concepita per i dati Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori 12 Commutazione di circuito A C B D I commutatori creano dei circuiti punto-punto Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori 13 Commutazione di circuito • Bassa utilizzazione del canale trasmissivo – il canale è occupato anche quando non si trasmette • Canale di trasmissione dati trasparente • La qualità del canale peggiora all'aumentare della distanza • Fatturazione a tempo Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori 14 Commutazione di pacchetto A C D C C C N1 C C C N2 B C B A D N3 N4 D D D D L'informazione è raggruppata in pacchetti. Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori 15 Commutazione di pacchetto FCS – Frame Check sequence Indirizzo Indirizzo Mittente Destinatario Header Dati FCS Info Tail Coda Testa Packet Pacchetto Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori 16 Commutazione di pacchetto • Solo trasmissione digitale • I pacchetti vengono instradati dagli IS • I circuiti sono condivisi da tutti i nodi. – Miglior sfruttamento della capacità trasmissiva del canale • La qualità della trasmissione non dipende dalla distanza • Gli IS controllano e possono recuperare errori di trasmissione • Tariffazione a volume Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori 17 Trasmissioni seriali e parallele Seriale 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 1 1 0 0 1 Parallela Bit 1 Bit 8 1 0 1 0 0 1 1 1 Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori 0 0 1 1 1 0 0 1 18 Trasmissione seriale • ASINCRONA – Ogni byte di informazione viene trasmesso separatamente dagli altri. Il clock di ricezione è solo nominalmente uguale a quello di trasmissione. • SINCRONA – Le informazioni da trasmettere sono strutturate in trame. Il trasmettitore e il ricevitore sincronizzano i loro clock prima della trasmissione e li mantengono sincronizzati per tutta la durata della trama. Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori 19 Trasmissione seriale asincrona • S: Start Bit • P: Parity Bit • Stop Bits 1, 1.5, 2 DA 5 A 8 BIT LINE IDLE S LSB MSB P STOP BITS 1 CARATTERE Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori 20 Trasmissione seriale sincrona • L'overhead di sincronizzazione è ridotto CARATTERE N MSB LSB CARATTERE N-1 MSB LSB CARATTERE N+1 CLOCK Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori 21 Clock e data encoding • Nella trasmissione seriale occorre trasmettere sugli stessi fili dati e clock • Esistono due tecniche: – Il clock è "miscelato" con i dati in fase di trasmissione ed estratto in ricezione – L'informazione da trasmettere è codificata in modo da avere un numero di transizioni sufficienti a mantenere trasmettitore e ricevitore sincronizzati Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori 22 Bipolar encoding • Ad un 1 corrisponde un impulso positivo, ad uno 0 un impulso negativo (RZ: Return to Zero) BIT da Trasmettere 1 0 0 1 1 1 0 1 Bipolar Encoding Clock estratto BIT ricevuti 1 Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori 0 0 1 1 1 0 1 23 Phase encoding • Codifiche Manchester: – il tempo di bit è diviso in due ed a metà vi è sempre una transizione • Si tramettono clock e dati insieme, ma la banda è doppia Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori 24 Codifiche Manchester BIT 1 0 0 1 1 1 0 MANCHESTER ENCODING Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori 25 LAN • • • • • Rete a commutazione di pacchetto Reti Private Alte prestazioni Basso Costo Definizione IEEE 802: – È un sistema di comunicazione che permette ad apparecchiature indipendenti di comunicare tra di loro entro un'area delimitata utilizzando un canale fisico a velocità elevata e con basso tasso di errore. Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori 26 LAN e OSI 7 6 5 4 3 2 1 Applicazione Presentazione Sessione Trasporto Rete Data Link LAN Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori WAN Fisico 27 Data link e LAN • Le LAN sono reti di tipo broadcast in cui ogni stazione riceve i frame inviati da tutte le altre stazioni • Il broadcast può essere realizzato sia con topologie broadcast quali il bus, sia con topologie punto a punto quali l'anello • I canali trasmissivi sono sufficientemente affidabili e non è necessario in genere correggere gli errori a questo livello Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori 28 Arbitraggio del canale • Nelle LAN c’è un unico canale trasmissivo condiviso da tutte le stazioni • Occorre avere un algoritmo per: – in trasmissione: determinare chi deve/può utilizzare il canale (MAC: Media Access Control) – in ricezione: discriminare quali messaggi sono destinati alla stazione tramite l’utilizzo di indirizzi Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori 29 LAN Ethernet • È una LAN concepita per topologie a bus • Equidistribuzione della risorsa trasmissiva • Protocollo non deterministico con tempo di attesa non limitato superiormente • Velocità Trasmissiva: 10 Mb/s • Throughput massimo: 4 Mb/s • Arbitraggio del canale: tramite contesa Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori 30 Listening before talking • Ogni stazione che debba trasmettere ascolta il bus e trasmette solo se questo è libero • Appena iniziata la trasmissione si può verificare una collisione a causa del tempo di propagazione del segnale non nullo Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori 31 Listening while talking • Per evidenziare l'esistenza di una collisione la stazione trasmittente ascolta il bus anche mentre trasmette • In caso di collisione si sospende la trasmissione Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori 32 Back-off • In caso di collisione la stazione ripeterà il tentativo dopo un tempo casuale determinato da un algoritmo di back-off • La trasmissione può essere ritentata al massimo 16 volte Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori 33 IEEE 802 (Local and Metropolitan Area Network) Interfaccia unificata con il livello network 802.2 Logical Link Control ISO 8802.2 LLC LIVELLO NETWORK LIVELLO DATA LINK MAC 802.3 802.4 802.5 802.6 FDDI ISO 8802.3 ISO 8802.4 ISO 8802.5 ISO 8802.6 ISO 9314 CSMA/CD TOKEN BUS TOKEN RING LIVELLO FISICO FDDI Tecnologie trasmissive differenziate Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori 34 IEEE 802 • Il progetto IEEE 802 ha suddiviso il livello data link in due sottolivelli: – LLC: Logical Link Control. È l’interfaccia comune a tutte le LAN verso il livello network. – MAC: Media Access Control. È specifico per ogni LAN e risolve il problema della condivisione del mezzo trasmissivo Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori 35 IEEE 802.3 • Topologia: bus • Cablaggio: bus, stella • Arbitraggio del canale trasmissivo: tramite contesa • Tipologia del protocollo: non deterministico • Velocità Trasmissiva: 10 Mb/s • Throughput massimo: 4 Mb/s • Evoluzione della rete Ethernet proposta da Digital, Intel, Xerox (DIX). Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori 36 Sottolivello MAC • Nelle LAN c’è un unico canale trasmissivo condiviso da tutte le stazioni • Occorre avere un algoritmo per: – in trasmissione: determinare chi deve/può utilizzare il canale – in ricezione: discriminare quali messaggi sono destinati alla stazione tramite l’utilizzo di indirizzi Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori 37 Pacchetto MAC Network PDU SSAP: Source Service Access Point DSAP: Destination Service Access Point LLC PDU LLC-DSAP LLC-SSAP CONTROL NPDU MAC MAC-DSAP MAC-SSAP PDU LLC PDU FCS LIVELLO FISICO (es, coax + codice di Manchester) Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori 38 Indirizzi MAC • Si compongono di due parti di 3 Byte: – I tre byte più significativi indicano il lotto di indirizzi acquistato dal costruttore della scheda, detto anche vendor code. – I tre meno significativi sono una numerazione progressiva decisa dal costruttore – Esempio: MAC address 08-00-2b-3c-079a è una scheda prodotta da Digital in quanto il lotto 08-00-2b è stato acquistato da Digital Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori 39 Ricezione • Ogni scheda di rete, quando riceve un pacchetto, lo passa ai livelli superiori nei seguenti casi: – Broadcast: sempre – Single: se il DSAP è uguale a quello hardware della scheda (scritto in una ROM) o a quello caricato da software in un apposito buffer – Multicast: se è stato abilitato via software Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori 40 Primitive di servizio (a) LLC LAYER MAC LAYER CORRESPONDENT LLC LAYER MA.DATA.request MA.DATA.confirm MA.DATA.indication (b) MA.DATA.request MA.DATA.indication MA.DATA.confirm (a) (b) TIME usato da 802.3 usato da 802.4, 802.5, FDDI Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori 41 Il sottolivello LLC • Definisce i protocolli usati per realizzare una o più connessioni logiche su di un singolo mezzo fisico • LLC deve essere utilizzabile con uno qualunque dei MAC Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori 42 Il sottolivello LLC Livello 3 OSI Livello 3 TCP/IP Altro livello 3 Scelta basata su LLC-DSAP Sottolivello LLC Sottolivello MAC Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori 43 Servizi LLC • LLC offre al Livello 3 i seguenti tipi di servizio: – Tipo 1: Unacknowledged Connectionless Service – Tipo 2: Connection Oriented Service – Tipo 3: Semireliable Service Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori 44 Tipo 1 • Servizio non connesso • Non esiste un acknowledge (ACK) • Se il messaggio è perso o rovinato dai disturbi non viene fatto nessun tentativo, a questo livello, di recuperare l'errore • Nessuna procedura di controllo di flusso: le trame non sono numerate • La trasmissione può essere punto-punto, multipunto o broadcast Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori 45 Primitive LLC tipo 1 • Questo servizio LLC è molto semplice e richiede solo due primitive: – L.DATA.request – L.DATA.indication USER L.DATA.request LLC LAYER CORRESPONDENT USER L.DATA.indication Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori 46 Tipo 2 • Servizio connesso • E’ il servizio più sofisticato che il livello data link possa offrire al livello network • Sorgente e destinazione aprono una connessione prima di trasferire i dati e la chiudono al termine Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori 47 Tipo 2 • I frame sono numerati e il livello 2 garantisce che: – ogni frame inviato sia ricevuto correttamente – ogni frame sia ricevuto esattamente solo una volta – tutti i frame siano ricevuti nell'ordine corretto • Esistono meccanismi di controllo di flusso (flow control) Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori 48 Primitive LLC tipo 2 • Instaurazione della Connessione: – L.CONNECT.request – L.CONNECT.indication – L.CONNECT.confirm • Trasferimento dei dati: – L.DATA_CONNECT.request – L.DATA_CONNECT.indication – L.DATA_CONNECT.confirm Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori 49 Primitive LLC tipo 2 • Chiusura della Connessione: – L.DISCONNECT.request – L.DISCONNECT.indication – L.DISCONNECT.confirm Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori 50 IEEE 802 vs Ethernet LIVELLO NETWORK LIVELLO DATA LINK LIVELLO FISICO LLC Ethernet versione 2.0 MAC CSMA/CD Ethernet V 2.0 di: Digital, Intel, Xerox Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori 802.2 Logical Link Control ISO 8802.2 802.3 ISO 8802.3 802.5 ISO 8802.5 FDDI ISO 9314 CSMA/CD Standard ANSI/IEEE ed ISO/IEC 51 Multiprotocollo in Ethernet DECNET TCP/IP IPX LIVELLO 3 Ethernet V 2.0 COAX CABLE + Manchester Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori LIVELLO 2 LIVELLO 1 52 Multiprotocollo in IEEE 802.3 DECNET TCP/IP OSI LIVELLO 3 LLC IEE 802.2 MAC IEEE 802.3 LIVELLO 2 - LLC LIVELLO 2 - MAC LIVELLO 1 10BASE5 10BASE2 Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori 10BASET FOIRL (fibra) 10BASEF 53 CSMA/CD • CSMA/CD: Carrier Sense, Multiple Access with Collision Detection • Protocollo semplice e totalmente distribuito • Per garantire buone prestazioni (collisioni ridotte) bisogna non superare un carico: – medio del 30% (3Mb/s) – di picco del 60% (6Mb/s) • Non avendo un ritardo massimo non è adatto ad applicazioni real-time (anche se è stato comunque usato in reti di fabbrica) • È lo standard per LAN più diffuso quindi disponibilità di componenti a basso costo Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori 54 Formato del pacchetto MAC PDU LLC SFD: Start Frame Delimiter PREAMBLE SFD DSAP SSAP TYPE 7 OTTETTI 1 6 6 DATA PAD FCS 4 2 da 0 a 1500 da 0 a 46 La lunghezza del PAD è scelta in modo che la lunghezza della trama MAC sia almeno 64 ottetti. Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori 55 Round trip collision delay • È il tempo massimo che può intercorrere tra quando una stazione trasmette il primo bit e quando percepisce una collisione B A Trasmissione da A a B Collisione da B ad A Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori 56 Round trip collision delay • È fissato dallo standard in 49.9 s • La durata minima di un pacchetto è 51.2 s – 512 bit - 64 byte • Non vi è quindi ambiguità tra: – pacchetti – frammenti di collisione • Il Round Trip Collision Delay pone limiti a: – Lunghezza minima dei pacchetti 802.3 – Tempo massimo di propagazione sul cavo Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori 57 Connessioni hardware Rete locale MAU Medium attachment unit Il Transceiver contiene: • Alimentatore • Trasmettitore • Ricevitore • Circuito di Rilevazione delle Collisioni Transceiver Transceiver Cable DTE Data terminal equipment Scheda di Rete Locale Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori 58 MAU - DTE • Il MAU effettua un test del circuito di rilevazione delle collisioni, alla fine di ogni trasmissione • Il test prende i nomi di: – CPT (Collision Presence Test) – HeartBeat – SQE Test (Signal Quality Error Test) • Il MAU invia il risultato di tale test al DTE sui fili del circuito di collisione Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori 59 Differenze nelle trame Ethernet V.2.0 Preamble SFD DSAP SSAP Type Ottetti 7 1 6 6 2 Data FCS da 46 a 1500 4 Lunghezza compresa tra 64 e 1518 Preamble SFD DSAP SSAP Length Ottetti 7 1 6 Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori 6 Data PAD FCS 2 da 0 a 1500 da 0 4 a 46 IEEE 802.3 60 Ripetitori Stazione A Stazione B Applicazione Applicazione Presentazione Presentazione Sessione Sessione Trasporto Trasporto Rete Rete Ripetitore Data Link Fisico Fisico Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori Fisico Data Link Fisico 61 Ripetitori: funzionalità • • • • • • • Amplificazione del segnale Simmetrizzazione del segnale Ritemporizzazione del segnale Ripetizione Rigenerazione del preambolo Rilevazione delle collisioni Generazione della sequenza di Jam Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori 62 Ripetitori • Un ripetitore introduce un ritardo pari a circa 500 m di cavo coassiale, oppure 50 bit, oppure 5 s • Il ritardo introdotto diminuisce il diametro massimo della rete (fissato in circa 4200 m) Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori 63 Token ring • Caratteristiche principali: – Rete ad anello – Stazioni collegate punto-punto – Trasmissione su doppini – MAC a Token – Velocità 4 e 16 Mb/s Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori 64 Anello Token e pacchetti Anello Unidirezionale Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori 65 Caratteristiche • La trasmissione è di tipo punto-punto unidirezionale tra due stazioni adiacenti: – Ogni stazione ripete/rigenera il segnale – Ogni pacchetto attraversa tutte le stazioni sino a tornare alla stazione mittente – L’effetto ottenuto è quello del broadcast Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori 66 Multiprotocollo in IEEE 802.5 DECNET OSI TCP/IP LIVELLO 3 LLC IEE 802.2 LIVELLO 2 - LLC MAC IEEE 802.5 10BASET Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori LIVELLO 2 - MAC FOIRL LIVELLO 1 67 • • • • • • • • Formato del pacchetto SD: Starting Delimiter AC: Access Control ED: End Delimiter FC: Frame Control RI: Routing Information FS: Frame Status DA: Destination Address SA: Source Address da 21 a 17796 ottetti SD AC FC DA SA RI INFO 1 1 1 6 6 da 0 a 30 da 4 a 17749 Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori FCS ED 4 1 FS 1 68 Arbitraggio tramite token • La stazione mittente (A) aspetta il token (T) • A trasforma il token nell’header del pacchetto (D) e trasmette i dati T D A D C B Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori A D C B 69 Arbitraggio tramite token • La stazione destinataria (C), oltre a ripetere il pacchetto, lo copia localmente • La stazione mittente (A) toglie il pacchetto dall’anello e genera un nuovo token D A D C DR B D A T C B DR: Dati Ricevuti Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori 70 Modalità di rilascio del token • Normale – La stazione mittente rigenera il token solo dopo aver tolto il pacchetto dall’anello – Eventualmente trasmette dei bit di riempimento – Sull’anello è presente o un pacchetto o il token – Inefficiente per anelli lunghi operanti a 16Mb/s Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori 71 Modalità di rilascio del token • Early Token Release – La stazione mittente rigenera il token immediatamente dopo aver trasmesso il pacchetto – Sull’anello possono essere presenti il token e più pacchetti Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori 72 Token Holding Timer - THT • Una stazione quando ha catturato il token può trasmettere uno o più pacchetti • Non deve superare il valore impostato per il THT • Il valore massimo di THT è di 8.9 ms Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori 73