reti locali ad ad alta velocità alta velocità : : dallo

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Introduzione alle Introduzione alle reti locali

reti locali ad ad alta velocità alta velocità : : dallo

dallo switching al switching al Gb Gb /s /s

Pier Luca Montessoro

Università degli Studi di Udine

Dip. di Ing. Elettrica, Gestionale e Meccanica e-mail: montessoro@uniud.it

www: http://www.uniud.it/~montessoro Teach Convegni

Networking ad Alta Velocità: le nuove LAN e il Multi-Layer switching Milano, 17-18 novembre 1997

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Sommario Sommario

■ Il sottolivello MAC nelle LAN e la condivisione della banda trasmissiva

■ La tecnica switching

■ Fast Ethernet, Gigabit Ethernet e High Speed Token Ring

■ Che fine ha fatto il controllo di flusso?

(impiego ragionato degli switch)

■ Oltre la tecnologia: dove serve l'alta velocità?

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802.12 802.3 802.5 FDDI

FDDI

802.2 Logical Link Control ISO 8802.2

802.11

NETWORK

LIVELLO DATA LINK

LIVELLO FISICO LLC

MAC

CSMA/CD (Ethernet)

TOKEN RING

Wireless

Interfaccia unificata con il livello network

Tecnologie trasmissive differenziate

ISO 8802.3

ISO 8802.5

ISO 9314

ISO 8802.11

ISO 8802.12 AnyLAN

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Breve storia dei protocolli MAC Breve storia dei protocolli MAC

■ Assunzioni generali:

■ N stazioni indipendenti

■ Singolo canale trasmissivo condiviso (shared LAN)

➨ Non ci sono altri canali per l’arbitraggio

➨ Trasmissione broadcast dei pacchetti (sfruttata dai livelli superiori)

■ Identificazione delle stazioni mittente e destinataria

mediante indirizzi (di livello MAC) scritti nel pacchetto

■ Principali protocolli scelti per l’arbitraggio del canale:

■ CSMA/CD (Ethernet 802.3)

■ Token ring (CSMA/CD)

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■ GARANTIRE LA MUTUA ESCLUSIONE

NELL’UTILIZZO DEL CANALE CONDIVISO

➨ Se un pacchetto viene trasmesso completamente, salvo errori di trasmissione, arriva a destinazione

■ In altre parole:

■ se la rete è occupata (o sovraccarica) il pacchetto NON PARTE

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Ethernet 802.3 (CSMA/CD) Ethernet 802.3 (CSMA/CD)

■ Carrier Sense

■ le stazioni, prima di trasmettere, ascoltano se il mezzo trasmissivo è libero

? ?

concentratore (hub)

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■ più stazioni possono iniziare a trasmettere

contemporaneamente, dando luogo ad una collisione

concentratore (hub)

bla bla ... bla bla ...

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Ethernet 802.3 (CSMA/CD) Ethernet 802.3 (CSMA/CD)

■ Collision Detection

■ durante la trasmissione viene controllato il canale per rilevare la presenza di collisioni

■ se si verifica una collisione la trasmissione viene abortita e ritentata in seguito

concentratore (hub) TRASMISSIONE ANNULLATA

! !

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■ durata minima della trasmissione (round trip delay): 51.2 µs

■ lunghezza minima del pacchetto: 512 bit (64 ottetti)

■ velocità di trasmissione: 10 Mb/s

■ distanza minima fra i pacchetti (Inter Packet Gap - IPG):

9.6 µs

■ estensione massima della rete: 4 Km

■ velocità di propagazione nel mezzo: circa 2⋅10⁸ m/s

alla velocità di 10 Mb/s un bit “è lungo” 20 metri!

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Ethernet 802.3 (CSMA/CD) Ethernet 802.3 (CSMA/CD)

■ Vantaggi

■ non richiede stazioni master: il protocollo è completamente distribuito

■ una stazione può entrare o uscire dalla rete in

qualunque momento, senza interferire con le altre

■ semplice e poco costoso

■ molto diffusa (economia di scala)

■ Svantaggi

■ efficienza limitata: max 60% (6 Mb/s per 802.3)

■ protocollo non deterministico teoricamente (caratteristica ininfluente nei casi pratici)

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(trasformandolo nell’inizio della trama)

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Token Ring 802.5 Token Ring 802.5

■ Ogni stazione ripete i dati ricevuti verso la successiva,

tranne quella mittente, che rimuove il pacchetto dall’anello

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Token Ring 802.5 Token Ring 802.5

■ Vincoli

■ L’anello deve essere più lungo del token (3 byte)

■ Numero massimo di stazioni limitato dal livello MAC, lunghezza massima dei cavi limitata dal livello fisico

■ Sconnessione automatica delle stazioni spente o guaste

■ cablaggio stellare

■ relay di bypass

■ concentratori attivi

■ Parametri di progetto 802.5

■ Velocità 4 Mb/s o 16 Mb/s

■ numero massimo di stazioni: 260 (con 40 ripetitori)

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■ deterministico

■ efficiente

■ affidabile

■ Svantaggi

■ richiede inizializzazione dell’anello, introduzione del token, sorveglianza che non vada perduto e che

l’anello non si interrompa

■ più complesso di Ethernet

■ meno diffuso

■ più costoso (minore economia di scala)

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Limiti di una shared LAN Limiti di una shared LAN

■ Estensione fisica della rete

■ Numero massimo di stazioni

■ Condivisione della banda

■ all’aumentare del numero di stazioni la banda media disponibile per ciascuna diminuisce

partizionamento della rete

mediante bridge/switch

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Bridge Bridge

■ Le tabelle di instradamento sono calcolate tramite

l’osservazione degli indirizzi MAC (backward learning)

Fisico Fisico Fisico Fisico

MAC Relay MAC

MAC MAC

Livelli Superiori

BRIDGE

A B C D E F

da A per E A è a sinistra!

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singolo protocollo MAC indipendentemente dall’attività degli altri gruppi

■ Terminologia Ethernet: “separano i domini di collisione”

■ Aumenta la banda complessiva della rete

■ È possibile superare le estensioni massime imposte dal MAC

■ È possibile collegare reti con MAC diversi (translating bridge)

■ Continua a propagarsi ovunque il traffico broadcast di livello 2

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Spanning tree Spanning tree

■ Il backward learning funziona solo su reti con topologia ad albero

■ Le topologie magliate (per ragioni di fault-tolerance) sono trasformate in topologie ad albero tramite un algoritmo di spanning-tree che:

■ opera periodicamente (ogni secondo)

■ decide quali porte porre in stato di forwarding e quali in stato di blocking

■ Le reti Token Ring possono fare a meno del backward learning e dello spanning tree se utilizzano il source routing

■ le stazioni scrivono nel pacchetto il percorso che deve seguire (RI, Routing Information)

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LAN 1

LAN 4

BRIDGE A BRIDGE B

LAN 2

LAN 3

BRIDGE C

porte in stato di blocco

LAN 5

BRIDGE A BRIDGE B

RI = A, B

pacchetto

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Switch Switch

■ Sono bridge multiporta ad alte prestazioni

■ Velocità trasmissiva interna molto superiore a quella delle singole porte

■ Possibilità di inoltrare pacchetti simultaneamente tra coppie di porte disgiunte

■ Basso tempo di latenza con tecnica cut-through (possibile soltanto in certe condizioni)

■ Possibilità di collegare LAN a velocità differenti

(indispensabile lo store & forward, come nei bridge)

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■ su doppino e su fibra ottica i canali RX e TX sono fisicamente distinti

■ i bridge/switch confinano il protocollo MAC ad una coppia di porte

■ È possibile la comunicazione in full-duplex

NOTA: il protocollo di livello MAC non serve più, serve soltano un protocollo di linea!

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Sommario Sommario

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■ 10 Mb/s, 512 bit (pacchetto min.)

■ round trip delay: 51.2 µs

■ 100 Mb/s, 512 bit (pacchetto min.)

■ round trip delay: 5.12 µs

■ il diametro della rete si riduce a 205 m (cablaggio orizzontale in UTP)

512 bit

@ 100 Mb/s switch

repeater

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Gigabit Ethernet 802.3z Gigabit Ethernet 802.3z

■ Per non ridurre di un altro fattore 10 il diametro massimo della rete, estende la lunghezza dei pacchetti troppo corti

■ È ancora possibile l’impiego di un repeater con stazioni entro un raggio di 100 metri

Ethernet Fast Ethernet

Gigabit Ethernet Velocità trasmissiva 10 Mb/s 100 Mb/s 1 Gb/s

Bit Time 100 ns 10 ns 1 ns

Inter Packet Gap 9.6 µs 0.96 µs 96 ns Slot Time 51.2 µs 5.12 µs 4.096 µs

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per garantire uno slot time di almeno 4096 bit times

min. 64 byte (512 bit times)

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

tempo utile in cui si può rilevare la collisione (4159 b/t) min. 64 byte (512 bit times)

PREAM. SFD DSAP SSAP LEN. / TYPE

LLC PDU /

DATA PAD FCS Extension (3584 bit)

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Pacchetto con eventuale estensione

IPG con Fill

Pacchetto

IPG con Fill

Pacchetto Pacchetto

Burst-Limit 65536 bit

Frame bursting Frame bursting

■ Una stazione può iniziare la trasmissione di più pacchetti senza rilasciare il mezzo trasmissivo fino al burst-limit che è di 65536 bit (8192 ottetti)

■ la stazione che trasmette in burst-mode deve:

■ estendere il primo pacchetto se di lunghezza inferiore allo slot time (i successivi non richiedono l’estensione)

■ riempire lo spazio dell’Inter Packet Gap (IPG) con dei bit di estensione (Fill)

■ le altre stazioni devono attendere il rilascio del mezzo trasmissivo e trasmettere in modalità differita

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di banda

Elevato numero di stazioni servite

Necessità di suddividerle in gruppi di elaboratori...

Layer 3 switch (subnet = rete fisica)

Fisicamente distanti

Virtual LAN

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Livello fisico: mezzi trasmissivi Livello fisico: mezzi trasmissivi

■ 1000BASE-SX che opera su fibra ottica multimodale a 850 nm (utilizza SWL= Short Wavelenth Laser)

■ fino a 300 m (62.5/125 µm) o 550 m (50/125 µm)

■ 1000BASE-LX che opera su fibra ottica multimodale e

monomodale a 1300 nm (utilizza LWL= Long Wavelenth Laser)

■ fino a 550 m (62.5/125 e 50/125 µm) o 3 Km (9/125 µm)

■ 1000BASE-CX che opera su cavo a due coppie 150 Ω (STP a specifiche ISO/IEC 11801)

■ fino a 25 metri

■ 1000BASE-T draft per cavo di cat. 5

■ fino a 100 m

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Repeater 1 Gb/s

Switch 10/1000 Mb/s

Switch

100/1000 Mb/s

Stazioni a bassa velocità

Stazioni ad alta velocità

1000 Mb/s Half-Duplex

100 Mb/s 10 Mb/s

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Esempio di impiego: switched Esempio di impiego: switched

Switch 10/1000 Mb/s

Switch

100/1000 Mb/s

Stazioni a bassa velocità

Stazioni ad alta velocità

1000 Mb/s Full- Duplex

100 Mb/s 10 Mb/s

Switch

100/1000 Mb/s

1000BASE-LX MMF 62.5/125 550 m

1000BASE-LX SMF 9/125 3 Km

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■ Basato su tecnologia switch (con source routing)

■ Livello fisico:

■ rame → Fast Ethernet (con adattatori integrati nelle schede per i cavi a 100 Ω)

■ fibra ottica → FDDI

■ Interoperabilità con Fast Ethernet (tramite switch)

■ Prevede un cammino di migrazione dal Token Ring a 4/16 Mb/s per preservare gli investimenti fatti

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E ATM?

■ Nasce per smistare ad alta velocità su una rete fisica

(WAN) di un network provider traffico misto in termini di:

■ tipologia (dati, audio video, ecc. - attualmente

prevalentemente telefonia e trasmissione dati di reti IP)

■ clienti

■ Tecnicamente:

■ orientata alla connessione

■ pacchetti di lunghezza fissa (detti celle) di 53 byte

■ instradamento (detto “commutazione”) realizzato in hardware tramite gli switch ATM (da non confondere con gli switch di Ethernet o Token Ring)

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■ WAN: collegamenti permanenti punto-a-punto tramite PVC (Permanent Virtual Channel)

■ LAN: dorsali

■ ATM nelle LAN

■ Servono:

■ emulazione del funzionamento delle LAN

■ tecniche per ottimizzare il traffico IP LAN

pacchetti

non connesse broadcast best effort

ATM celle

connesse no broadcast QoS

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Sommario Sommario

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(“produttore”) in funzione della capacità di ricezione del destinatario (“consumatore”)

■ Nelle linee punto-punto e nelle shared LAN questo modello viene mantenuto

■ Nelle switched LAN la rete stessa si comporta come

“consumatore”, in quanto può non essere in grado di recapitare tutti i pacchetti ricevuti

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Controllo di flusso Controllo di flusso

■ Problema:

■ gli switch, operando a livello MAC, non dispongono di protocolli per il controllo di flusso

■ Soluzioni:

■ generare finte collisioni per inibire la trasmissione di ulteriori pacchetti

■ funziona soltanto localmente (singolo switch)

■ può creare problemi di management (segnalazione di guasti)

■ scartare i pacchetti

■ La ritrasmissione dei pacchetti scartati è gestita al livello 4 (TCP) dalla CPU degli host (e non dalle schede di rete)

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repeater

10 Mb/s 10 Mb/s

■ Grazie al protocollo MAC, la velocità aggregata dei dati che possono essere inviati dai client è la stessa del

collegamento del server

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Esempio Esempio

■ I client trovano sempre il mezzo libero (a meno che non stiano ricevendo pacchetti - in modalità half duplex)

■ lo switch può ricevere fino a 30 Mb/s dai client

■ esauriti i buffer, scarta i pacchetti

switch 10 Mb/s

10 Mb/s

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■ Generare finte collisioni sulle porte di A non ferma i client collegati a B

switch A 10 Mb/s

100 Mb/s

switch B 100 Mb/s

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Dottore, è grave?

■ NO:

■ attualmente la velocità degli host è il fattore limitante

■ la migrazione delle dorsali e delle porte dei server verso 100 Mb/s e 1 Gb/s riduce il rischio di congestioni

persistenti

■ Prevenzione (anche senza Gigabit Ethernet):

■ modellare il flusso del traffico

■ aumentare la velocità dei client solo dove e quando serve

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Una riflessione Una riflessione

■ Perché negli ultimi dieci anni ho cambiato 5 volte il PC, ma i floppy sono sempre gli stessi?

5\YcYbTY

\e^WQfYdQ

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■ cablaggio in fibra ottica

■ Server

■ nelle sale dei centri di calcolo, raggiungibili in fibra o in meno di 25 m in rame

■ NON nei client

Attenzione ai miti sul cablaggio!

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