Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori1
RETI DI CALCOLATORI
http://staff.polito.it/bartolomeo.montr
ucchio/Reti_Scano/
Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori2
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 Calcolatori3
Punto punto
• Due soli nodi collegati agli estremi del canale lo utilizzano in modo paritetico
A B
Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori4
Multi punto
Master
Slave
• Più nodi collegati ad un unico canale: un nodo master gli altri slave
Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori5
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 Calcolatori6
Topologie: BUS
Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori7
Topologie: stella
(a) (b)
Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori8
Topologie: anello
Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori9
Architettura di rete
End System
Intermediate System
Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori10
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 Calcolatori11
Nodi intermedi
ReteRete
Data LinkData Link
FisicoFisico
ApplicazioneApplicazione
PresentazionePresentazione
SessioneSessione
TrasportoTrasporto
ReteRete
Data LinkData Link
FisicoFisicoData LinkData Link
FisicoFisico
ApplicazioneApplicazione
PresentazionePresentazione
SessioneSessione
TrasportoTrasporto
ReteRete
Data LinkData Link
FisicoFisico
ROUTER
Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori12
La commutazione
• Circuito– concepita per la telefonia
• Pacchetto– concepita per i dati
Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori13
Commutazione di circuito
AA
DDBB
CC
I commutatori creano dei circuiti punto-punto
Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori14
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 Calcolatori15
Commutazione di pacchetto
L'informazione è raggruppata in pacchetti.
A
DB
C
N3 N4
N2N1C CD C C
D D DC A
C C
D
B
Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori16
Commutazione di pacchetto
IndirizzoMittente
IndirizzoDestinatario
Dati FCS
Header
Testa
Info Tail
CodaPacket
Pacchetto
FCS – Frame Check sequence
Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori17
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 Calcolatori18
Trasmissioni seriali e parallele
10
00
1
111
0
00
1
10
1
1
1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 1 1 0 0 1
Bit 1
Bit 8
Parallela
Seriale
Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori19
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 Calcolatori20
Trasmissione seriale asincrona
LSB PMSB STOPBITS
SLINEIDLE
DA 5 A 8 BIT
1 CARATTERE
• S: Start Bit
• P: Parity Bit
• Stop Bits 1, 1.5, 2
Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori21
Trasmissione seriale sincrona
LSB MSB
CARATTERE N
MSB LSB
CARATTERE N-1 CARATTERE N+1
• L'overhead di sincronizzazione è ridotto
CLOCK
Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori22
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 Calcolatori23
Bipolar encoding
1 0 0 1 1 1 0 1
• Ad un 1 corrisponde un impulso positivo, ad uno 0 un impulso negativo (RZ: Return to Zero)
1 0 0 1 1 1 0 1
BIT daTrasmettere
BipolarEncoding
Clock estratto
BIT ricevuti
Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori24
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 Calcolatori25
Codifiche Manchester
1 0 0 1 1 1 0 BIT
MANCHESTERENCODING
Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori26
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 Calcolatori27
LAN e OSI
ApplicazioneApplicazione
PresentazionePresentazione
SessioneSessione
TrasportoTrasporto
ReteRete
Data Link Data Link
Fisico Fisico
6
54321
7
LAN WAN
Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori28
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 Calcolatori29
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 Calcolatori30
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 Calcolatori31
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 Calcolatori32
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 Calcolatori33
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 Calcolatori34
IEEE 802
FDDI802.3 802.4 802.5
FDDI
802.2 Logical Link ControlISO 8802.2
802.6
LIVELLONETWORK
LIVELLODATA LINK
LIVELLOFISICO
LLC
MAC
CSMA/CD TOKENBUS
TOKENRING
Interfaccia unificata con il livello network
Tecnologie trasmissive differenziate
ISO8802.3
ISO8802.4
ISO8802.5
ISO8802.6
ISO9314
(Local and Metropolitan Area Network)
Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori35
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 Calcolatori36
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 Calcolatori37
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 Calcolatori38
Pacchetto MAC
LLC-DSAP LLC-SSAP CONTROL NPDU
MAC-DSAP MAC-SSAP LLC PDU FCSMACPDU
LLCPDU
NetworkPDU
LIVELLO FISICO (es, coax + codice di Manchester)
SSAP: Source Service Access PointDSAP: Destination Service Access Point
Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori39
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-07-9a è una scheda prodotta da Digital in quanto il lotto 08-00-2b è stato acquistato da Digital
Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori40
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 Calcolatori41
Primitive di servizio
LLC LAYER MACLAYER
CORRESPONDENTLLC LAYER
MA.DATA.requestMA.DATA.confirm
MA.DATA.request
MA.DATA.indication
MA.DATA.indication
TIMEMA.DATA.confirm
(a)
(b)
(a) usato da 802.3
(b) usato da 802.4, 802.5, FDDI
Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori42
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 Calcolatori43
Il sottolivello LLC
Livello 3OSI
Livello 3TCP/IP
Altrolivello 3
Sottolivello MAC
Sottolivello LLC
Scelta basatasu LLC-DSAP
Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori44
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 Calcolatori45
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 Calcolatori46
Primitive LLC tipo 1
• Questo servizio LLC è molto semplice e richiede solo due primitive:– L.DATA.request
– L.DATA.indication
USER LLC
LAYERCORRESPONDENT
USERL.DATA.request
L.DATA.indication
Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori47
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 Calcolatori48
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 Calcolatori49
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 Calcolatori50
Primitive LLC tipo 2
• Chiusura della Connessione:– L.DISCONNECT.request
– L.DISCONNECT.indication
– L.DISCONNECT.confirm
Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori51
IEEE 802 vs EthernetLIVELLO NETWORK
LIVELLODATA LINK
LIVELLOFISICO
LLC
MAC
CSMA/CDCSMA/CD
Ethernet V 2.0 di:Digital, Intel, Xerox
Standard ANSI/IEEE ed ISO/IEC
802.3ISO
8802.3
802.2 Logical Link ControlISO 8802.2
Ethernetversione
2.0
802.5ISO
8802.5
FDDIISO9314
Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori52
Multiprotocollo in Ethernet
LIVELLO 3
LIVELLO 2
LIVELLO 1
EthernetV 2.0
COAX CABLE +
Manchester
DECNET TCP/IP IPX
Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori53
Multiprotocollo in IEEE 802.3
LIVELLO 3
LIVELLO 2 - LLC
LIVELLO 2 - MAC
LIVELLO 1
LLCIEE 802.2
MACIEEE 802.3
10BASE5 10BASE2 10BASETFOIRL(fibra)
DECNET TCP/IP OSI
10BASEF
Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori54
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 Calcolatori55
Formato del pacchetto MAC
6 6 27 1
PREAMBLE SFD DSAP SSAP TYPE DATA FCSPAD
da 0 a 1500
da 0 a 46
4
La lunghezza del PAD è scelta in modo chela lunghezza della trama MAC sia almeno 64 ottetti.
OTTETTI
PDU LLCSFD: Start Frame Delimiter
Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori56
Round trip collision delay
• È il tempo massimo che può intercorrere tra quando una stazione trasmette il primo bit e quando percepisce una collisione
A B
Trasmissione da A a B
Collisione da B ad A
Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori57
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 Calcolatori58
Connessioni hardware
Scheda di Rete Locale
Rete locale
Transceiver
Transceiver Cable
Il Transceiver contiene:• Alimentatore• Trasmettitore• Ricevitore• Circuito di Rilevazione delle Collisioni
MAU Medium attachment unit
DTE Data terminal equipment
Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori59
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 Calcolatori60
Differenze nelle trame
Preamble SFD DSAP SSAP Data PAD FCS
7 1 6 6 2 da 0 a 1500 da 0a 46
4
Lunghezza compresa tra 64 e 1518
Ottetti
Preamble SFD DSAP SSAP Data FCS
7 1 6 6 2 da 46 a 1500 4Ottetti
Ethernet V.2.0
IEEE 802.3
Length
Type
Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori61
Ripetitori
Applicazione
Presentazione
Sessione
Trasporto
Rete
Data Link
Fisico Fisico
Applicazione
Presentazione
Sessione
Trasporto
Rete
Data Link
FisicoFisico
Ripetitore
Stazione A Stazione B
Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori62
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 Calcolatori63
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 Calcolatori64
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 Calcolatori65
Anello
Tokene
pacchetti
Anello Unidirezionale
Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori66
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 Calcolatori67
Multiprotocollo in IEEE 802.5
LIVELLO 3
LIVELLO 2 - LLC
LIVELLO 2 - MAC
LIVELLO 1
LLCIEE 802.2
MACIEEE 802.5
10BASET FOIRL
DECNET TCP/IP OSI
Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori68
Formato del pacchetto
SD AC
da 21 a 17796 ottetti
FC DA SA RI INFO FCS ED FS
da 0a 30
da 4a 17749
4 1 11 1 1 6 6
• SD: Starting Delimiter• AC: Access Control• ED: End Delimiter• FC: Frame Control• RI: Routing Information• FS: Frame Status• DA: Destination Address• SA: Source Address
Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori69
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 C
B D
D
A C
B
Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori70
Arbitraggio tramite token
D
DR
T
• 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 C
B
D
A C
BDR: Dati Ricevuti
Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori71
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 Calcolatori72
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 Calcolatori73
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