Prof. PIER LUCA MONTESSORO Facoltà di Ingegneria

(1)

RETI DI CALCOLATORI

Prof. PIER LUCA MONTESSORO Facoltà di Ingegneria

Università degli Studi di Udine

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Nota di Copyright

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Lezione 18

IEEE 802.3: Ethernet

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Lezione 18: indice degli argomenti

• La rete Ethernet / IEEE 802.3

• Formato del pacchetto 802.3

• Protocollo MAC CSMA/CD

• Parametri di funzionamento del protocollo

• Sottostandard di livello fisico

• Fast Ethernet (IEEE 802.3u)

• Gigabit Ethernet (IEEE 802.3z)

• 10 Gigabit Ethernet (IEEE 802.3ae)

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Ethernet

Nasce a metà degli anni ’70, dal progetto di Bob Metcalfe, studente di dottorato al MIT Nasce a metà degli anni ’70, dal progetto di

Bob Metcalfe, studente di dottorato al MIT

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La rete Ethernet / IEEE 802.3

802.2 Logical Link Control ISO 8802.2

LLC

MAC 802.3

CSMA/

CD

ISO 8802.3

802.4

TOKEN SU BUS

ISO 8802.4

802.5

TOKEN SU ANELLO

ISO 8802.5

FDDI ISO 9314

interfaccia unificata verso il livello network

data linkfisico

...

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La rete Ethernet / IEEE 802.3

• Commercializzata all’inizio degli anni ’80:

• topologia a bus su cavo coassiale

• 10 Mb/s, throughput massimo 4 Mb/s

• protocollo MAC CSMA/CD

• Successivamente:

• topologia a stella (cablaggio strutturato)

• doppini in rame e fibre ottiche

• evoluzione a 100 Mb/s (802.3u), 1 Gb/s

(802.3z) e 10 Gb/s (802.3ae)

(8)

Formato del pacchetto 802.3

(9)

Formato del pacchetto 802.3

DSAP SSAP dati

(LLC-PDU)

pre. SFD len pad FCS

Preambolo: permette la

sincronizzazione del ricevitore

Start Frame Delimiter: delimita l’inizio della trama

6 6 2

7 1

da 0 a 1500

da 0

a 46 4 ottetti (byte)

(10)

Formato del pacchetto 802.3

Source Service Access Point:

indirizzo MAC del mittente Destination Service Access Point:

indirizzo MAC del destinatario DSAP SSAP dati

(LLC-PDU)

6 6 2

7 1

da 0 a 1500

da 0

(11)

Formato del pacchetto 802.3

dati (Protocol Data Unit) di

pertinenza del sottolivello LLC lunghezza del

campo dati

DSAP SSAP dati

(LLC-PDU)

6 6 2

7 1

da 0 a 1500

da 0

(12)

Formato del pacchetto 802.3

Frame Check Sequence: codici per il controllo degli errori di trasmissione se necessario, allunga il pacchetto

affinché sia lungo almeno 64 ottetti DSAP SSAP dati

(LLC-PDU)

6 6 2

7 1

da 0 a 1500

da 0

a 46 4 otteti (byte)

(13)

Protocollo MAC CSMA/CD

(14)

“CS”: Carrier Sense

QUALCUNO STA TRASMETTENDO?

A B C D

E F

G

(15)

“CS”: Carrier Sense

IL MEZZO È LIBERO:

POSSO INIZIARE LA TRASMISSIONE

A B C D

E F

G

(16)

“MA”: Multiple Access (?)

BLA BLA BLA ...

A B C D

E F

G

(17)

“MA”: Multiple Access (?)

BLA BLA BLA ...

A B C D

E F

G

DOVREI TRASMETTERE,

MA DEVO ASPETTARE

(18)

“CS”: Carrier Sense (II)

A B C D

E F

G

IL MEZZO

È LIBERO IL MEZZO

È LIBERO

(19)

“MA”: Multiple Access (!)

BLA BLA BLA ...

A B C D

E F

G

BLA BLA BLA ...

(20)

“CD”: Collision Detection

A B C D

E F

G

C’È STATA UNA

COLLISIONE! C’È STATA UNA

COLLISIONE!

(21)

Annullamento della trasmissione

SEQUENZA DI JAMMING

A B C D

E F

G

SEQUENZA DI

JAMMING

(22)

Backoff

A B C D

E F

G

ATTENDO PRIMA DI RIPROVARE

ATTENDO

PRIMA DI

RIPROVARE

(23)

Parametri di funzionamento

del protocollo

(24)

Collision detection

• Una stazione può rilevare una collisione confrontando il segnale da essa generato con quello effettivamente presente sul

mezzo fisico

• La stazione può rilevare la collisione soltanto durante la trasmissione

• Bisogna considerare il tempo di

propagazione del segnale

(25)

Caso limite

A B

rete di estensione massima

(26)

Caso limite

A B

IL MEZZO È LIBERO:

POSSO INIZIARE LA

TRASMISSIONE

(27)

Caso limite

A B

BLA BLA BLA ...

il segnale si propaga

ASCOLTO SE IL MEZZO

È LIBERO

(28)

Caso limite

A B

IL MEZZO È LIBERO:

POSSO INIZIARE LA TRASMISSIONE

il segnale si propaga

BLA BLA

BLA ...

(29)

Caso limite

A B

BLA BLA

BLA ... BLA BLA

BLA ...

collisione!

(30)

Caso limite

A B

BLA BLA BLA ...

inizio del

pacchetto di B sequenza di jamming

C’È STATA UNA

COLLISIONE!

(31)

Caso limite

A B

C’È STATA UNA

COLLISIONE!

(32)

Caso limite

A B

sequenza di jamming

(33)

Round trip delay

• È il tempo di propagazione del segnale sul cavo nel caso peggiore

• Per poter rlievare le collisioni, la durata della trasmisisone deve essere almeno pari al round trip delay (collision window)

A B

andata

ritorno

(34)

Parametri del protocollo 802.3

• Velocità trasmissiva:

• 10 Mb/s

• Bit time:

• 100 ns (1 / 10 Mbit/s)

• Dimensione minima di un pacchetto

• 512 bit

• Durata minima della collision window:

• 100 ns • 512 bit = 51.2 μs

(35)

Estensione massima teorica

• Velocità di propagazione:

• v

_p

≅ 2 • 10

⁸

m/s

• Estensione massima teorica:

• L

_max

= v

_p

• collision window / 2 =

2 • 10

⁸

m/s • 51.2 μs / 2 ≅ 5 km

A B

L_max

(36)

Estensione massima in pratica

• Il segnale si attenua troppo e deve essere rigenerato dai “repeater”

A B

repeater

Δt ≅ 5.3 μs

L_max ≅ 2 km

(37)

Repeater

sessione trasporto network data link

fisico

applicazione presentazione 5

4 3 2 1 7 6

sessione trasporto network data link

fisico

applicazione presentazione

5 4 3 2 1 7 6

fisico fisico

(38)

Repeater

• Amplificazione, ripristino della simmetria e del sincronismo del segnale

• “Carrier Sense” e ripetizione delle trame su tutte le porte (eccetto quella di arrivo)

• Rigenerazione del preambolo

• Collision Detection e generazione della sequenza di jamming

• Funzioni di test

Ormai in disuso, sostituiti da switch

(39)

Sottostandard di livello fisico a 10 Mb/s

(40)

Sottostandard di livello fisico

• Tutti i sottostandard 802.3 lavorano a 10 Mb/s

• Codifica di livello fisico: Manchester

• Frequenza fondamentale del segnale:

10 MHz

(41)

10BASE-5, 10BASE-2

• Entrambi basati su coassiale

• 10BASE-5: cavo “thick” (spesso),

lunghezza massima 500 m, utilizzato per le dorsali

• 10BASE-2: cavo “thin”, sottile, lunghezza massima 185 m, utilizzato per il

cablaggio fino ai posti di lavoro

• Non più conformi con gli standard per cablaggio strutturato

OBSOLETI! OBSOLETI!

(42)

Standard per fibra ottica a 10 Mb/s

• FOIRL: usa la fibra ottica per connettere i repeater

• 10baseFL: è un’evoluzione del FOIRL per connettere repeater o stazioni

• 10baseFB: è uno standard in fibra ottica con caratteristiche di fault tolerance

• distanza massima: 2 km

• 10baseFP: è uno standard che fa uso di stelle ottiche passive

OBSOLETI! OBSOLETI!

(43)

10BASE-T

• Usa il doppino (T: “Twisted pair”) di categoria 3 o superiore

• Lunghezza massima 100 m

• Topologia stellare con repeater (detto in questo caso “hub” o “concentratore”) al centro

• Conforme agli standard di cablaggio

strutturato

(44)

10BASE-T

repeater

Rx

Tx

Rx

(45)

10BASE-T: ripetizione delle trame

repeater

(46)

10BASE-T: collisione

repeater

sequenza di jamming

(47)

Evoluzione della rete Ethernet

(48)

Evoluzione della rete Ethernet

• 100 Mb/s (Fast Ethernet):

• IEEE 802.3u

• 1 Gb/s (Gigabit Ethernet):

• IEEE 802.3z, IEEE 802.3ab, IEEE 802.3x

• 10 Gb/s (10 Gigabit Ethernet):

• IEEE 802.3ae

(49)

Fast Ethernet e Gigabit Ethernet

• Vengono mantenuti:

• protocollo MAC CSMA/CD

• formato del pacchetto

• Vengono modificati alcuni parametri del protocollo:

• Fast Ethernet: si riduce il diametro massimo della rete

• Gigabit Ethernet: si aumenta la durata

minima della trasmissione

(50)

10 Gigabit Ethernet

• Viene mantenuto il formato del pacchetto

• Viene abbandonata la condivisione del sistema trasmissivo

→ Soltanto collegamenti punto-punto full duplex

(51)

Fast Ethernet (IEEE 802.3u)

(52)

Parametri del protocollo

• Bit rate: 100 Mb/s

• Bit time: 10 ns

• Durata minima del pacchetto: 5.12 μs

• Estensione massima della rete: circa 200 metri

• NOTA: 200 m sono sufficienti per un

cablaggio stellare con un concentratore

al centro e 100 m di raggio

(53)

Fast Ethernet e cablaggio strutturato

concentratore Fast Ethernet

max 100 m

BRIDGE O SWITCH COLLEGANO I

CONCENTRATORI

DI DIVERSI PIANI

(54)

Livello fisico

• Topologia stellare, conforme agli standard di cablaggio strutturato

• Quattro sotto-standard:

• 100BASE-T4 (obsoleto, doppino di categoria 3, 4 coppie utilizzate)

• 100BASE-T2 (obsoleto, doppino di categoria 3, 2 coppie utilizzate)

• 100BASE-TX

(doppino di categoria 5, 2 coppie utilizzate)

• 100BASE-FX (fibra ottica multimodale)

(55)

100BASE-X

• Trasmissione in full-duplex su 2 canali

• Utilizza i sottostandard PMD (Physical Medium Dependent) di FDDI

• 100BASE-TX

• due coppie UTP o FTP di categoria 5 (TP-PMD di FDDI, MLT3 con 4B5B)

• 100BASE-FX

• coppia di fibre ottiche

(ANSI X3.166 - ISO/IEC 9314-3 di FDDI,

NRZI con 4B5B)

(56)

Gigabit Ethernet (IEEE 802.3z)

(57)

Parametri del protocollo

• Mantenendo il protocollo MAC CSMA/CD e la dimensione minima del pacchetto, la durata minima della trasmissione si

ridurrebbe di un ulteriore fattore 10

→ estensione massima della rete: 20 m (!!!)

• In Gigabit Ethernet si estende la durata minima della trasmissione allungando il pacchetto quando necessario (carrier extension)

→ estensione massima: circa 200 m

(58)

Parametri del protocollo

Ethernet Fast Ethernet bit rate

bit time

Inter-packet gap slot time

10 Mb/s 100 ns

9.6 μs 51.2 μs

100 Mb/s 10 ns 0.96 μs 5.12 μs

1 Gb/s 1 ns 96 ns 4.096 μs

Gigabit Ethernet

(59)

min. 64 byte (512 bit times)

min. 4096 bit times (512 + 3584) copertura FCS

tempo utile in cui si può rilevare la collisione (4159 bit times)

Estensione del pacchetto corto

DSAP SSAP dati

(LLC-PDU)

SFD len pad FCS

6 6 2

pre.

7 1

da 0 a 1500

da 0

extension da 0 a 448

(60)

Tipi di PMD: fibra ottica

• 1000BASE-SX

• fibra ottica multimodale a 850 nm (uso di SWL= Short Wavelength Laser)

• 500 m per 50/125, 220 m per 62.5/125

• 1000BASE-LX

• fibra ottica multimodale e monomodale a

1300 nm (uso di LWL= Long Wavelength Laser)

• 5 km per fibra monomodale

NOTA: utilizzano una codifica 8B10B

(61)

Tipi di PMD: rame

• 1000BASE-T (IEEE 802.3ab)

• cavo di categoria 5E o superiore

• 100 metri

Codifica di livello fisico PAM5 con simboli

a 125 Mbaud in full-duplex su 4 coppie

(62)

Altre funzionalità

• Frame bursting

• una stazione può trasmettere più

pacchetti in successione senza rilasciare il mezzo trasmissivo fino al burst-limit che è di 65536 bit (8192 ottetti)

• il primo pacchetto va comunque esteso

se troppo corto

(63)

Altre funzionalità

• Standard IEEE 802.3x

• modifiche necessarie al MAC IEEE 802.3 per supportare la modalità operativa Full- Duplex

• meccanismo di controllo di flusso per link full-duplex (pacchetti “pause”)

• valido per tutte le diverse tipologie di reti di Ethernet (10/100/1000 Mb/s)

• obbligatorio su Gigabit Ethernet,

opzionale su Ethernet e Fast Ethernet

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10 Gigabit Ethernet (IEEE 802.3ae)

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10 Gigabit Ethernet

• Mantiene il formato della trama 802.3

• Non prevede l’utilizzo di repeater (quindi non utilizza il protocollo MAC CSMA/CD né la carrier extension)

• Impiegata per il collegamento full-duplex tra switch

• Prevede esclusivamente l’utilizzo di fibra

ottica multimodale o monomodale

(66)

Livello fisico

• Due livelli fisici differenti:

• LAN PHY per reti locali

(10GBASE-SR, 10GBASE-LR, 10GBASE-ER, 10GBASE-LX4, 10GBASE-SW, 10GBASE-LW)

• WAN PHY per reti geografiche

(10GBASE-LW, 10GBASE-EW)

(67)

Livello fisico

• Codifica 64B/66B oppure 8B10B (a seconda del livello fisico)

• Distanze massime:

• 300 metri su fibra multimodale

• da 2 a 40 km su fibra monomodale

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10 Gigabit Ethernet nelle WAN

• La velocità prevista non è esattamente 10 Gb/s, ma circa 9.6 Gb/s

→compatibilità con il flusso dati OC-192 SONET / STM-64 SDH

• Il WAN PHY di 10 Gbit Ethernet utilizza un sottoinsieme delle funzionalità di

SONET/SDH e parte dei campi di

intestazione non sono utilizzati

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Bibliografia

• “Reti di Computer”

• Parte del capitolo 4

• Libro “Reti locali: dal cablaggio all’internetworking”

contenuto nel CD-ROM omonimo

• Capitolo 6, 7, 8 e 11

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