Corso di laurea in INFORMATICA

Corso di laureainINFORMATICA RETI di CALCOLATORI A.A. 2003/2004 Tecnologie di rete: reti locali Alberto Polzonetti alberto.polzonetti@unicam.it

La comunicazione tra due computer consiste nella trasmissione di informazione tra una fonte A ed una destinazione B mediante il trasferimento di energia elettrica o elettromagnetica Condizioni necessarie : Apparati di trasmissione e ricezione Mezzi trasmissivi Energia trasportata deve rappresentare l’informazione alla fonte INTRODUZIONE Lezione 3 (03/04) Tecnologie di rete: reti locali

NON ESISTE UN VINCOLO OBBLIGATORIO TRA LA FORMA DI RAPPRESENTAZIONE DELL'INFORMAZIONE ALLA FONTE E LA MODALITÀ DI TRASMISSIONE: È POSSIBILE, INFATTI, USARE UN SISTEMA DI TRASMISSIONE DIGITALE PER INVIARE INFORMAZIONE ANALOGICA ALLA FONTE E VICEVERSA. Rappresentazione dell’informazione DIGITALE ANALOGICA Lezione 3 (03/04) Tecnologie di rete: reti locali

Trasmissione analogica NELLA TRASMISSIONE ANALOGICA SI STABILISCE UN RAPPORTO CONTINUO TRA IL FENOMENO RAPPRESENTATO ED IL SUO VETTORE, TALE CHE PER OGNI VARIAZIONE DI STATO NELLA FONTE SI HA UNA VARIAZIONE DI STATO NEL VETTORE. Lezione 3 (03/04) Tecnologie di rete: reti locali

Trasmissione digitale • Le informazioni della fonte, che possono essere già in formato digitale, oppure che vanno digitalizzate al momento della trasmissione, sono veicolate in forma di bit. • Ogni bit viene codificato mediante uno o più impulsi discreti e discontinui del vettore, che sono denominati elementi del segnale. • Allo zero corrisponde una codifica ed all'uno ne corrisponde un'altra Lezione 3 (03/04) Tecnologie di rete: reti locali

Diffusione della trasmissione digitale • I costi delle tecnologie digitali sono diminuiti con un ritmo assai sostenuto. • L'enorme diffusione dei computer ha posto all'ordine del giorno l'integrazione di tutte le tecnologie in un'unica piattaforma digitale. • La trasmissione digitale delle informazioni consente una maggiore efficienza e qualità nella comunicazione, poiché è meno soggetta ai disturbi che si possono verificare lungo il canale di trasmissione, e soprattutto perché consente di utilizzare una serie di tecniche per la correzione degli errori. • La trasmissione digitale garantisce una sicurezza ed una riservatezza quasi assoluta della comunicazione, poiché le informazioni digitali possono essere facilmente sottoposte a processi di cifratura che ne impediscono l'intercettazione. Lezione 3 (03/04) Tecnologie di rete: reti locali

Caratteristiche dei segnali analogici • L’ampiezza è costituita dalle dimensioni o dall’intensità della forma d’onda. • è generalmente rappresentata dal simbolo “A” ed è misurata in volt, ampere o watt a seconda del tipo di segnale. • La frequenza (rappresentata dalla lettera “f”) è costituita dal numero di cicli al secondo dell’onda, espressi in hertz (Hz). • Il periodo (generalmente rappresentato dal simbolo T) è l’inverso della frequenza; in pratica periodo = T = 1/f • Il termine fase (rappresentato dal simbolo Φ ) descrive la posizione della forma d’onda rispetto al tempo 0 • Questo valore viene misurato in gradi o radianti (180° = Π radianti). Lezione 3 (03/04) Tecnologie di rete: reti locali

Caratteristiche dei segnali digitali • L'unità di misura dell'informazione in formato digitale è il bit. • la velocità di trasmissione si misura in bit al secondo (bps). • Il numero di cambiamenti di un segnale in un secondo è rappresentato dal baud • La velocità di trasmissione di un canale digitale è proporzionale all'ampiezza dell'intervallo di frequenze elettromagnetiche che vi possono essere veicolate, detta larghezza di banda. • Ciascun mezzo fisico ha un limite alla più alta frequenza con la quale può passare da un segnale all’altro • LARGHEZZA DI BANDA (cicli al secondo / Hertz / Hz) pari alla più alta frequenza con cui si può passare da un segnale all’altro • Si può pensare come il più veloce segnale sinusoidale che si può trasmettere nel dispositivo • Ogni dispositivo trasmissivo ha una larghezza di banda finita indipendentemente che si trasmetta su doppino o su fibra Lezione 3 (03/04) Tecnologie di rete: reti locali

Velocità e larghezza di banda • TEOREMA DEL CAMPIONAMENTO DI NYQUIST Max BIT RATE = 2 H log2 V bit/sec. V= livelli di quantizzazione del segnale H= larghezza di banda • Segnale vocale a 4KHz • 256 livelli di quantizzazione • 8 bit x 8000 campioni al secondo • 64.000 bps Lezione 3 (03/04) Tecnologie di rete: reti locali

Effetti del rumore • TEOREMA DI SHANNON RAPPORTO SEGNALE / RUMORE Decibel (dB) = 10 Log S/N Max BIT RATE = H log2 (1 + S/N) bit/sec. • Segnale vocale a 4KHz • 30 dB • 4000 log2 (1+1000) • 40.000 bps Lezione 3 (03/04) Tecnologie di rete: reti locali

Teoria dell’informazione • IL TEOREMA DI NYQUIST INCORAGGIA A RICERCARE METODI DI CODIFICA DEI BIT IN QUANTO UNA CODIFICA INGEGNOSA PERMETTE LA TRASMISSIONE DI UN MAGGIOR NUMERO DI BIT PER UNITÀ DI TEMPO. • IL TEOREMA DI SHANNON RENDE CHIARO CHE, INDIPENDENTEMENTE DA QUANTO INGEGNOSE POSSANO ESSERE LE TECNICHE DI CODIFICA, LE LEGGI DELLA FISICA PONGONO UNA LIMITAZIONE FONDAMENTALE AL NUMERO DI BIT AL SECONDO CHE POSSONO ESSERE TRASMESSI DAI DISPOSITIVI REALI. Lezione 3 (03/04) Tecnologie di rete: reti locali

Mezzi Guidati Conduttori in rame Fibre Ottiche Mezzi non guidati Onde Radio Microonde Raggi Infrarossi Laser CANALI FISICI DI TRASMISSIONE Lezione 3 (03/04) Tecnologie di rete: reti locali

CONDUTTORI IN RAME • Scarsa resistenza elettrica e quindi maggiori distanze • Minimizzazione dell’interferenza su due fili vicini • Coppia simmetrica intrecciata (DOPPINO TELEFONICO) • CAVO COASSIALE (COAX) Lezione 3 (03/04) Tecnologie di rete: reti locali

Doppini telefonici • non schermato (UTP) • Classificati in base alla qualità in cinque categorie : • Categoria 1 più bassa (telefono) • Categoria 5 più alta (banda sino a 100Mhz) • Doppino schermato (STP) Lezione 3 (03/04) Tecnologie di rete: reti locali

Vantaggi e svantaggi delle fibre • Non sono soggette a fenomeni di interferenza • Trasportano i segnali molto più lontano dei conduttori in rame • Capacità della luce di codificare informazioni superiore e quindi maggiori informazioni • Una sola fibra contro due cavi • Installazioni più costose • Manutenzione più costosa (difficile da individuare dove si è spezzata) • Riparazione più complessa Lezione 3 (03/04) Tecnologie di rete: reti locali

Mezzi non guidati Le onde elettromagnetiche viaggiano alla velocità della luce e possono indurre una corrente in un dispositivo ricevente (antenna) • f = c • = lunghezza d’onda f = frequenza c = velocità della luce Onde 1Mhz sono lunghe 300 mt Onde di 1 cm hanno una frequenza di 30GHz Lezione 3 (03/04) Tecnologie di rete: reti locali

Caratteristiche del segnale determinate dallo spettro La larghezza di banda indica l’ampiezza fra i limiti superiore e inferiore delle frequenze di un canale di comunicazione. E’ solo una misura valida per le frequenze e non quantifica direttamente il volume di dati per un supporto di trasmissione. La larghezza di banda indica genericamente i bit disponibili per secondo. Lezione 3 (03/04) Tecnologie di rete: reti locali

COMUNICAZIONE PUNTO PUNTO e RETI LOCALI • Indipendenza di un collegamento dagli altri • Due calcolatori della rete possono scegliere la modalità di comunicazione • Sicurezza e riservatezza • MA………………………… Lezione 3 (03/04) Tecnologie di rete: reti locali

LOCAL AREA NETWORK (LAN) • 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. [definizione IEEE ] Lezione 3 (03/04) Tecnologie di rete: reti locali

Caratteristiche di una LAN • Hanno sempre un solo canale trasmissivo ad alta velocità condiviso nel tempo da tutti i sistemi collegati • Quando un sistema trasmette diventa proprietario temporaneamente dell’intera capacità trasmissiva della rete • La trasmissione è sempre di tipo broadcast • Alcune complicazioni: • È necessaria la presenza di indirizzi • Occorre arbitrare l’accesso all’unico mezzo trasmissivo (protocolli di reti locali) Lezione 3 (03/04) Tecnologie di rete: reti locali

Attributi di una LAN • Affidabilità: tecnologia consolidata • Flessibilità: • LAN di soli PC o integrazione PC-Mainframe • supporto simultaneo di più architetture di rete tra di loro incompatibili ai livelli più alti • Modularità: componenti standard di molti costruttori perfettamente interscambiabili • Espandibilità: secondo le esigenze dell’utente, facilitata da una accurata progettazione a priori • Gestibilità: tramite protocolli di management (SNMP) Lezione 3 (03/04) Tecnologie di rete: reti locali

Elementi Principali Lezione 3 (03/04) Tecnologie di rete: reti locali

Il modello di rete locale IEEE 802 • IEEE 802 ha suddiviso il livello Data-Link in due sottolivelli: • LLC: Logical Link Control comune a tutte le LAN ed è l'interfaccia unificata verso il livello network. • MAC: Media Access Control specifico per ogni LAN e risolve il problema della condivisione del mezzo trasmissivo. • Nelle LAN il livello MAC realizza sempre una rete di tipo broadcast • Il broadcast può essere realizzato: • con topologie intrinsecamente broadcast quali il bus • con topologie punto a punto quali l'anello • I canali trasmissivi sono sufficientemente affidabili e non è necessario in genere correggere gli errori a livello MAC Lezione 3 (03/04) Tecnologie di rete: reti locali

Non esiste uno standard sul formato dei pacchetti Ogni singola tecnologia stabilisce i dettagli dell’esatta forma di dato in un pacchetto FRAME è in generale il pacchetto usato da una particolare tipo di rete LA TRAMA NELLE LAN Lezione 3 (03/04) Tecnologie di rete: reti locali

La maggiore complessità delle reti deriva dal fatto che i sistemi di trasmissione sono soggetti a fenomeni di interferenza in grado di generare dati casuali e di modificare o distruggere dati in transito Le tecniche di rilevazione degli errori comprendono tutte una aggiunta di una piccola quantità di informazione dipendente dai dati da trasmettere CONTROLLO DI PARITA’ Se i dati contengono un numero pari di bit 1 il bit di parità è 0; altrimenti è 1 SOMME DI CONTROLLO Si fa la somma dei bit da trasmettere CONTROLLO A RIDONDANZA CICLICA (CRC) Rileva un numero di errori maggiori senza appesantire le informazioni di controllo ERRORI DI TRASMISSIONE Lezione 3 (03/04) Tecnologie di rete: reti locali

La tecnica di controllo di parità (parity check) è in grado di rilevare errori che modificano un solo bit ma non quelli che modificano un numero pari di bit Il carattere 00000000 può diventare 11111111 continuando ad avere parità pari 48 65 6C 6C 6F 20 77 6F 72 6C 64 2E H e l l o W o r l d . Probabilità e rilevamento errori Somma di controllo (checksum) a 16 bit 4865 + 6C6C + 6F20 + 776F + 726C + 642E = 71FC • Facilità di calcolo e quantità ridotta di informazione aggiuntiva • Impossibilità di rilevare errori comuni • 0001 0010 0011 0001 checksum 0111 • 0011 0000 0001 0011 checksum 0111 Lezione 3 (03/04) Tecnologie di rete: reti locali

COME SPECIFICARE IL DESTINATARIO ? • Problema: • Mettere in comunicazione diretta due calcolatori senza disturbare gli altri che comunque ricevono copia di tutti i dati in transito • Assegnare a ciascuna stazione un numero identificativo • INDIRIZZO DI ACCESSO AL MEZZO (Media ACcess address) • Il frame deve dunque contenere l’indirizzo del destinatario, ma anche quello del mittente per facilitare la risposta Lezione 3 (03/04) Tecnologie di rete: reti locali

header Payload o Data Area FCS DSAP SSAP PDU del livello LLC CRC MAC PDU (FRAME) • I campi principali di una MAC PDU sono: • Gli indirizzi (detti SAP: Service Access Point) univoci a livello mondiale: • DSAP: Destination SAP • SSAP: Source SAP • La PDU contenente i dati • La FCS (Frame Control Sequence): un CRC su 32 bit per il controllo dell’integrità della trama Lezione 3 (03/04) Tecnologie di rete: reti locali

Indirizzi MAC n Sono standardizzati dalla IEEE n sono lunghi 6 byte, cioè 48 bit n si scrivono come 6 coppie di cifre esadecimali Lezione 3 (03/04) Tecnologie di rete: reti locali

Struttura Indirizzi MAC n Si compongono di due parti grandi 3 Byte ciascuna: n I tre byte più significativi indicano il lotto di indirizzi acquistato dal costruttore della scheda, detto anche vendor code o OUI (Organization Unique Identifier). n I tre meno significativi sono una numerazione progressiva decisa dal costruttore Lezione 3 (03/04) Tecnologie di rete: reti locali

ALCUNI OUI Lezione 3 (03/04) Tecnologie di rete: reti locali

La scheda di rete • Si occupa dei dettagli di trasmissione e ricezione • Lavora in maniera indipendente dal computer • Sfrutta l’indirizzo fisico per cestinare il frame oppure per trasferirlo al computer Lezione 3 (03/04) Tecnologie di rete: reti locali

Indirizzo fisico • Deve essere unico in una LAN • Come si assegna un indirizzo alla stazione e chi è responsabile dell’unicità ? • Indirizzi statici • Assegnati dai costruttori e non cambia se non si cambia la scheda di rete • Indirizzi configurabili • I costruttori mettono a disposizione switch o software per determinare l’indirizzo da parte dei clienti • Indirizzi dinamici • Sono assegnati automaticamente alla stazione ad ogni riavvio Lezione 3 (03/04) Tecnologie di rete: reti locali

Indirizzi MAC • Sono di tre tipi: • Unicast: di una singola stazione • Multicast: di un gruppo di stazioni • Broadcast: di tutte le stazioni (ff-ff-ff-ff-ff-ff) • Ogni scheda di rete quando riceve un pacchetto lo passa ai livelli superiori nei seguenti casi: • Broadcast: sempre • Unicast: 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 ne è stata abilitata la ricezione via software Lezione 3 (03/04) Tecnologie di rete: reti locali

Indirizzi di gruppo • Servono tipicamente per scoprire i nodi adiacenti • Esistono due modi diversi di impiego: • Solicitation: • la stazione che è interessata a scoprire chi offre un dato servizio invia un pacchetto di multicast con l’indirizzo di quel servizio • Le stazioni che offrono tale servizio rispondono alla solicitation. • Advertisement: • le stazioni che offrono un servizio periodicamente trasmettono un pacchetto di multicast per informare di tale offerta tutte le altre stazioni Lezione 3 (03/04) Tecnologie di rete: reti locali

IEEE 802.3 CSMA-CD n Topologia: bus n Cablaggio: bus, stella n Arbitraggio del canale trasmissivo: tramite contesa n Tipologia del protocollo: non deterministico, cioè ad accesso casuale n Velocità Trasmissiva: 10 Mb/s n Throughput massimo o efficienza del canale ( quando tutti gli elementi della rete trasmettono) : 4 Mb/s n Evoluzione della rete Ethernet proposta da Digital, Intel, Xerox (DIX) n IEEE 802.3u: versione a 100 Mb/s Lezione 3 (03/04) Tecnologie di rete: reti locali

Topologia a bus • Un solo lungo cavo al quale sono collegati i computer • L’interruzione del cavo principale blocca la rete • Bisogna regolare gli accessi al bus • Mentre un mittente trasmette un frame ad un destinatario gli altri calcolatori devono aspettare • Il segnale trasmesso dal mittente si propaga in entrambe le direzioni lungo tutto il bus Lezione 3 (03/04) Tecnologie di rete: reti locali

Coordinamento della trasmissione • Per coordinare le trasmissioni Ethernet sente se c’e’ corrente nel bus • Protocollo distribuito di controllo Carrier Sense Multiple Access (CSMA) • Multiple access: molti computer sono connessi ed ognuno può trasmettere • Carrier sense : il computer prima di trasmettere testa il mezzo trasmissivo per vedere se c’e’ portante Lezione 3 (03/04) Tecnologie di rete: reti locali

Il computer A invia i dati A E A E Il computer E invia i dati prima che il segnale lo raggiunga Collisioni • Più postazioni possono simultaneamente inviare dati • I segnali interferiranno quando raggiungono lo stesso punto nel bus • L’interferenza (collisione) non causa danni fisici ma impedisce la trasmissione collisione Lezione 3 (03/04) Tecnologie di rete: reti locali

Rilevamento delle collisioni (back-off) • Controllo dei segnali in transito • Se il segnale del bus differisce da quello trasmesso significa che siamo in presenza di collisione (Collision Detect) [CD] • Interruzione della trasmissione trasmettendo un particolare segnale (jamming) in modo tale che tutte le stazioni vengono messe a conoscenza dell’avvenuta collisione • Ripresa della trasmissione dopo un tempo di attesa scelto a caso sino ad un tempo massimo per evitare il ripetersi della collisione • Per evitare una catena di collisioni si richiede che a fronte di due collisioni consecutive si raddoppi il tempo di attesa massimo e così via Lezione 3 (03/04) Tecnologie di rete: reti locali

Specifiche del protocollo CSMA/CD • Il tempo necessario per rilevare una collisione non è mai superiore al doppio del ritardo di propagazione più lungo • Definito dal parametro adimensionale a • Più a è piccolo e maggiore è l’efficienza ( minore banda sprecata) • Il pacchetto deve avere una lunghezza minima (64 byte) ed il bus una lunghezza massima (500 mt) Lezione 3 (03/04) Tecnologie di rete: reti locali

Intestazione del frame CARICO o BLOCCO DATI Lunghezza fissa Lunghezza variabile header Payload o Data Area Indirizzo del destinatario Indirizzo mittente Lunghezza preambolo DATI CRC 8 6 6 2 46 - 1500 4 carico intestazione Formato dei frame FRAME ETHERNET Lezione 3 (03/04) Tecnologie di rete: reti locali

Fast Ethernet • IEEE 802.3u detto anche 100BASE-T • evoluzione di Ethernet 802.3 10BASE-T • Velocità dieci volte superiore : Data Rate 100Mb/s • Distanze dieci volte inferiori (200m + 20m) • 200m sono sufficienti per cablare a stella attorno ad un HUB una rete di 100m di raggio (200m di diametro) • Tre sotto-standard per tre tipi di mezzi fisici: • 100BASE-T4 (doppino, su 4 coppie) • 100BASE-TX (doppino, su 2 coppie) • 100BASE-FX (fibra ottica) • Mantiene il vecchio algoritmo CSMA/CD implementato con successo su 10baseT: • 70.000.000 di nodi installati • 30.000.000 di nodi venduti ogni anno • più di 200 produttori • Ethernet 10/100 Lezione 3 (03/04) Tecnologie di rete: reti locali

Gigabit Ethernet • Standard denominato IEEE 802.3z che rappresenta una evoluzione di Ethernet • Offre i vantaggi tipici di Ethernet: • semplicità del metodo di accesso CSMA/CD • alta scalabilità tra le diverse velocità di trasmissione • Permette di velocizzare le moltissime LAN Ethernet già esistenti con costi contenuti tramite: • sostituzione degli apparati di rete (hub, switch,moduli, interfacce) • Fornisce una banda di 1 Gb/sec. • Utilizzo : • realizzazione di backbone ad alte prestazioni per collegare ripetitori e switch: • in sostituzione dei backbone Fast Ethernet • in sostituzione ad una backbone FDDI • connessione di server a 1Gb/s Lezione 3 (03/04) Tecnologie di rete: reti locali

IEEE 802.5 TOKEN RING n Topologia: anello n Cablaggio: stella n Arbitraggio del canale trasmissivo: token n Velocità Trasmissiva: 4 o 16 Mb/s n Throughput massimo: 3 o 12 Mb/s n Rete proposta da IBM in alternativa a Ethernet Lezione 3 (03/04) Tecnologie di rete: reti locali

Topologia ad anello • Semplifica il coordinamento degli accessi • Semplifica l’individuazione di eventuali malfunzionamenti • Il guasto di un elemento porta al blocco della rete Lezione 3 (03/04) Tecnologie di rete: reti locali

Tecnologia TOKEN RING • Il mittente deve attendere il permesso • Una volta ottenuto il permesso ha il completo controllo del mezzo • I dati passano da stazione a stazione sino a ritornare dal mittente • Il destinatario al passaggio del frame ne fa una copia Lezione 3 (03/04) Tecnologie di rete: reti locali

TOKEN PASS (passaggio del testimone) • Per ottenere il permesso si usa un particolare messaggio (TOKEN) costituito da una sequenza di bit da non confondere con la frame • Il mittente attende l’arrivo del token • Se ne impossessa e trasmette il frame • Rimette il token nell’anello • Questo protocollo assicura che tutti i computer della rete trasmetteranno a turno (metodo equo) • La gestione del token è demandata all’hardware della rete Lezione 3 (03/04) Tecnologie di rete: reti locali

Accesso fisico TOKEN Una rete TOKEN RING è logicamente un anello, ma per ragioni di semplicità di cablaggio deve essere cablata come un stella o un doppio anello Lezione 3 (03/04) Tecnologie di rete: reti locali

ISO 9314 Fiber Distribuited Data Interface (FDDI) n Topologia: anello n Cablaggio: anello o stella n Arbitraggio del canale trasmissivo: token n Velocità Trasmissiva: 100 Mb/s n Throughput massimo: 80 Mb/s n Primo standard per reti locali concepito per operare su fibra ottica Lezione 3 (03/04) Tecnologie di rete: reti locali

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