Lo standard per reti locali Ethernet e il progetto di una rete per una data realtà aziendale

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INTRODUZIONE 
 
Negli ultimi anni l‟informatica e la comunicazione hanno avuto una notevole evoluzione e 
attualmente l‟elaborazione e la trasmissione delle informazioni sono il supporto fondamentale di 
ogni attività. 
Per far si che le informazioni siano gestite efficacemente sono necessari sia i sistemi di 
elaborazione che le reti e i servizi di telecomunicazioni. 
Le reti nascono intorno agli anni ‟60, in un primo tempo sono costituite da computer e periferiche 
collegati a mainframe tramite cavi di tipo proprietario che possono essere utilizzati solo con gli 
apparati per cui sono stati progettati. 
 
Nei primi anni '70 tre industrie di alta tecnologia formarono il consorzio DIX per lo sviluppo di 
una rete locale. DIX, dalle iniziali dei tre membri, Digital Equipment Corp., Intel Corp. e Xerox 
Corp., lavorò per circa 10 anni su una prima versione di Ethernet, la 1.0, operante a 10 Mb/s. 
 
Nell'anno 1982 DIX pubblicò le specifiche di Ethernet versione 2.0: in quel momento nacque 
quella che sarebbe diventata la rete locale per antonomasia. 
In parallelo il comitato americano IEEE iniziò lo sviluppo dello standard 802.3 che è basato su 
Ethernet, ma che differisce da questo per alcune caratteristiche logiche, riferite al livello Data 
Link, ed elettroniche (livello Fisico) riferite ai transceiver ed ai repeater. Nel 1985 lo standard 
IEEE 802.3 è stato adottato dal comitato tecnico 97 dell'ISO come DIS (Draft International 
Standard) ISO/DIS 8802.3 e nel 1989 approvato come standard ISO 8802.3. 
 
Negli anni successivi il comitato IEEE ha lavorato per migliorare le caratteristiche e la flessibilità 
del livello fisico del 8802.3, aggiungendo l'uso di diversi mezzi trasmessivi. 
 
Sia recentemente, sia negli anni ‟80 e nei primi anni ‟90, Ethernet si è confrontata con molte sfide 
portate da altre tecnologie LAN, compresi token ring, FDDI e ATM. Alcune di queste altre 
tecnologie ebbero successo e per qualche anno acquisirono una parte di mercato. Ma, sin dalla sua 
invenzione a metà degli anni settanta , Ethernet ha continuato ad evolvere e a crescere e ha 
mantenuto la sua posizione dominante sul mercato. Oggi Ethernet è di gran lunga la tecnologia 
LAN prevalente. 
 
Le ragioni per il successo di Ethernet sono molte.  Ethernet è stata la prima LAN ad alta velocità 
applicata in modo diffuso. Poiché è stata sviluppata presto, i gestori delle reti acquisirono presto 
un‟ottima familiarità con Ethernet e quando apparvero sulla scena altre tecnologie essi furono 
riluttanti a cambiare. Altra chiave di successo è stata il fatto che token ring, FDDI e ATM sono 
molto più complesse e costose di Ethernet. Il motivo più invitante per passare a un‟altra tecnologia 
LAN era di solito il più alto tasso di trasmissione dei dati , ma Ethernet si è sempre adeguata con 
la proposta di versioni che operavano a velocità uguale o più alta. I primi anni ‟90 hanno visto 
anche l‟introduzione dell‟ Ethernet commutata (switched Ethernet), con effettivo incremento del 
tasso di dati trasmesso. Infine, poiché Ethernet è diventata così popolare, il suo hardware è 
diventato un prodotto reperibile con facilità e molto economico. Questi bassi costi sono anche 
dovuti al fatto che il protocollo di accesso multiplo di Ethernet , il CSMA/CD, è completamente 
decentralizzato, il che ha anche contribuito a semplificare il progetto. 
 
Attraverso le reti locali si soddisfa la necessità degli utenti di accedere a risorse comuni e di 
comunicare tra loro. Lo sviluppo tecnologico di mezzi fisici e di nuovi apparati spinge il campo
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delle reti verso una sempre maggiore diffusione. In particolare l‟impiego del twisted pair, 
evoluzione tecnologica del doppino telefonico, crea una forte analogia con i sistemi per cablaggio 
telefonico. 
I primi sistemi per cablaggio sono di tipo proprietario come IBM cabling system ma 
successivamente nasce l‟esigenza di normative tecniche comuni per i sistemi di cablaggio. 
Enti e organizzazioni internazionali emettono quindi standard per il cablaggio strutturato degli 
edifici e provvedono alle successive modifiche ed integrazioni per adeguare tali normative 
all‟evoluzione tecnologica
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PARTE 1: LO STANDARD PER LE RETI LOCALI ETHERNET 
 
 
La rete ethernet e lo standard IEEE 802.3 
- 
Cenni su Fast, Gigabit e 10 Gigabit Ethernet 
 
 
1.1 METODO DI ACCESSO CSMA/CD 
 
Le reti Ethernet e 802.3 sono nate con una topologia a bus basata su cavo coassiale, con velocità 
trasmissiva di 10Mb/s, e coinvolgono il livello 1 della pila OSI ed il sottolivello MAC del livello 2 
(figura 1). 
 
 
Figura 1.1 Relazione tra i livelli Osi ed Ethernet e 802.3 
 
Il MAC (Media Access Control), cioè il metodo usato per arbitrare l'utilizzo del canale 
trasmissivo tra le stazioni della rete, è il CSMA/CD, identico in Ethernet e in 802.3. Esso è stato 
progettato per l'utilizzo del cavo coassiale come mezzo trasmissivo, ma è stato mantenuto 
inalterato anche in seguito all'introduzione di altri mezzi trasmissivi quali la fibra ottica ed il 
doppino. CSMA/CD significa Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection e consiste 
in un protocollo totalmente distribuito, senza stazioni master, per permettere alle stazioni di 
condividere l'utilizzo del mezzo trasmissivo comune. Poiché mediante il collegamento a bus i 
trasmettitori delle stazioni si trovano ad essere "in parallelo", è necessario evitare che più stazioni 
trasmettano contemporaneamente. Tuttavia, il protocollo non esclude che ciò possa comunque 
avvenire, e prevede un meccanismo di riconoscimento di tale evento da parte delle stazioni 
coinvolte in modo chepossano ritentare la trasmissione in un tempo successivo. 
Il protocollo opera in tre diverse fasi: 
- carrier sense (rilevazione della trasmissione): ogni stazione che deve 
trasmettere ascolta il bus e decide di trasmettere solo se questo è libero 
(listen before talking); 
- multiple access: nonostante il carrier sense è possibile che due stazioni, 
trovando il mezzo trasmissivo libero, decidano contemporaneamente di
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trasmettere; la probabilità di questo evento è aumentata dal fatto che il 
tempo di propagazione dei segnali sul cavo non è nullo, e quindi una 
stazione può credere che il mezzo sia ancora libero anche quando un'altra ha 
già iniziato la trasmissione; 
- collision detection: se si verifica la sovrapposizione di due trasmissioni si 
ha una "collisione"; per rilevarla, ogni stazione, mentre trasmette un 
pacchetto, ascolta i segnali sul mezzo trasmissivo, confrontandoli con 
quelli da lei generati (listen while talking). 
Occorre evidenziare che la collisione non è un errore trasmissivo, ma è banda impiegata per 
arbitrare il canale. La presenza di un numero limitato di collisioni su una rete locale di questo tipo 
non è quindi un sintomo di malfunzionamenti, ma è funzionale all'arbitraggio della rete stessa . 
A seguito di un'avvenuta collisione si intraprendono le seguenti azioni: 
- la stazione trasmittente sospende la trasmissione e trasmette una sequenza 
di jamming (interferenza trasmissiva) composta da 32 bit per 802.3 ed un 
numero di bit compreso tra 32 e 48 per Ethernet v.2.0; questa sequenza 
permette a tutte le stazioni di rilevare l'avvenuta collisione; 
- le stazioni in ascolto, riconoscendo il frammento di collisione costituito 
dalla parte di pacchetto trasmessa più la sequenza di jamming, scartano i bit 
ricevuti; 
- la stazione trasmittente ripete il tentativo di trasmissione dopo un tempo 
pseudo-casuale per un numero di volte non superiore a 16. 
 
La schedulazione della ritrasmissione in base ad un tempo di attesa pseudocasuale evita che dopo 
una collisione le stesse stazioni che l'hanno generata ritrasmettano contemporaneamente; il tempo 
di attesa è determinato da un algoritmo di back-off detto truncated binary exponential backoff. Il 
ritardo è un multiplo intero dello slot time (512 bit, cioè 51.2 ms) preso come tempo base, e all'n-
esimo tentativo di ritrasmissione il numero di tempi base r da attendere è scelto casualmente 
nell'intervallo 0<=r < 2
k
, dove k = min (n,10). 
 
1.1.1 Parametri del protocollo 
 
Affinché le stazioni siano sempre in grado di rilevare le eventuali collisioni è necessario che siano 
rispettati alcuni vincoli tra i parametri di progetto della rete. 
In particolare, per garantire che la stazione trasmittente possa accorgersi della presenza di una 
qualsiasi collisione, è necessario che essa rimanga in trasmissione per un tempo sufficientemente 
lungo per permettere a tutte le possibili trasmissioni che generano collisione di propagarsi fino ad 
essa (si osservi che la collisione può essere rilevata soltanto durante la trasmissione, e non dopo). 
È sufficiente analizzare il caso peggiore, cioè quello in cui due stazioni, A e B, sono alle estremità 
opposte di una rete di estensione massima. Si supponga che A debba trasmettere e trovi il mezzo 
libero. Si supponga che anche B debba trasmettere, e verifichi la disponibilità del mezzo un istante 
prima che il primo bit della trasmissione di A la raggiunga. Non appena B inizia a trasmettere 
rileva la collisione, e invia la sequenza di jamming. Ma affinché anche A si accorga della 
collisione, la sua trasmissione deve durare finché l'inizio della trasmissione di B non si è 
propagato fino a lei. Quindi una trasmissione deve durare almeno il tempo necessario ad un bit per 
propagarsi da un estremo all'altro (da A a B) e poi al contrario (da B ad A). Questo tempo prende 
il nome di round trip delay, ed è uno dei parametri di progetto delle reti CSMA/CD. Altri
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parametri sono la dimensione massima della rete, la velocità di trasmissione (in bit/s), il numero 
minimo di bit per ogni pacchetto, la distanza minima tra i pacchetti. 
Nota la velocità di propagazione dei segnali sul cavo (circa 2/3 della velocità della luce nel vuoto) 
e decisa la velocità di trasmissione è possibile definire uno degli altri parametri e calcolare i 
rimanenti. In Ethernet la velocità di trasmissione è di 10 Mb/s, e la dimensione minima del 
pacchetto è fissata in 512 bit più 64 bit di preambolo per la sincronizzazione e di start frame 
delimiter; la durata della trasmissione di un pacchetto è quindi di almeno 57.6 ms, e questo è il 
massimo round trip delay ammissibile. La metà di tale tempo è il massimo tempo di propagazione 
di un segnale da un estremo all'altro della rete, che, alla velocità di propagazione di circa 2 •10
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m/s, corrisponderebbe ad una estensione massima di oltre 5 Km. In pratica, però, l'attenuazione 
introdotta dai cavi non consente di realizzare una rete di tale estensione senza ripetitori. Essi, 
insieme ai vari elementi attivi e passivi di collegamento, introducono dei ritardi nella 
propagazione dei segnali. Tali ritardi impongono, per non superare il massimo round trip delay, 
una riduzione dell'estensione totale dei cavi. È anche necessario introdurre un certo margine di 
sicurezza nei parametri temporali per considerare le tolleranze dei componenti. 
 
. 
1.1.2 Caratteristiche funzionali 
 
Il metodo di accesso CSMA/CD è responsabile delle seguenti operazioni: 
- trasmissione dei pacchetti: durante questa fase il MAC accetta un pacchetto 
dal livello superiore e fornisce una stringa seriale di bit al livello fisico per 
la loro trasmissione sul mezzo fisico; 
- ricezione dei pacchetti: durante questa fase il MAC riceve una stringa 
seriale di bit dal livello fisico e fornisce il pacchetto al livello superiore. Nel 
caso in cui il pacchetto non sia indirizzato alla stazione ricevente (singolo 
o multicast), né sia un pacchetto broadcast, viene scartato; 
- trasmissione in modalità differita di un pacchetto, quando il canale è 
occupato; 
- generazione del campo FCS per i pacchetti trasmessi; 
- controllo del campo FCS in ricezione: il MAC verifica che non ci siano 
errori nel pacchetto ricevuto confrontando il valore contenuto nel campo FCS 
del pacchetto ricevuto con quello calcolato localmente. In caso di errori scarta 
il pacchetto senza richiederne la ritrasmissione: il MAC gestisce infatti sempre 
un protocollo non connesso; 
- spaziatura dei pacchetti: il MAC garantisce che tra due pacchetti consecutivi 
intercorra un lasso di tempo minimo pari al parametro che viene 
identificato con i nomi di Inter Frame Spacing (IFS) o Inter Packet Gap 
(IPG). Questo tempo serve a delimitare la fine di un pacchetto e a separarlo 
da quello successivo; 
- rilevazione delle collisioni: il MAC interrompe la trasmissione quando 
rileva una collisione; 
- schedulazione delle ritrasmissioni: il MAC schedula la ritrasmissione a 
seguito di un'avvenuta collisione dopo il periodo di tempo calcolato tramite 
l'algoritmo di backoff; 
- jamming: il MAC trasmette un messaggio di jamming a seguito della rilevazione 
di una collisione e dopo aver interrotto la trasmissione del pacchetto;
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- verifica della lunghezza minima del pacchetto: il MAC scarta i pacchetti 
ricevuti che hanno una lunghezza inferiore al valore minimo ammesso (64 byte); 
 
- generazione del preambolo: in trasmissione il MAC prepone un preambolo 
al pacchetto che deve essere trasmesso; 
- rimozione del preambolo: in ricezione il MAC rimuove il preambolo. 
 
1.1.3 Collision domain 
 
In una singola rete CSMA/CD il mezzo trasmissivo è condiviso tra tutte le stazioni che se ne 
contendono l'utilizzo mediante il protocollo appena visto. Al crescere del numero di stazioni e/o 
del traffico aumenta la probabilità di collisioni e quindi diminuisce l'efficienza della rete. È 
possibile suddividere la rete in più sottoreti in modo che la contesa del mezzo avvenga soltanto tra  
le stazioni appartenenti ad una singola sottorete. Si dice che ciascuna sottorete rappresenta un 
singolo collision domain. Le stazioni separate da repeater fanno parte dello stesso collision 
domain, mentre fanno parte di collision domain diversi le stazioni separate da apparecchiature di 
rete che lavorano a livelli OSI superiori al Fisico (bridge, router o gateway) e che quindi sono in 
grado di decodificare gli indirizzi MAC e filtrare i pacchetti. 
 
 
1.1.4 Prestazioni 
 
La natura non deterministica del CSMA/CD rende complessa la valutazione delle prestazioni. 
È conservativo suggerire che CSMA/CD possa sopportare un carico medio del 30% (3 Mb/s come 
prestazione media effettiva) con picchi del 60% (6 Mb/s). È però indubbiamente vero che bisogna 
anche considerare il numero di stazioni attive sulla LAN e la direzione dei flussi di traffico. A 
parità di traffico totale, se vi sono poche stazioni molto attive le prestazioni sono migliori di 
quando vi sono molte stazioni mediamente meno attive. Nel caso limite di due sole stazioni le 
prestazioni possono raggiungere il 90%. 
Con un carico medio del 30% è stato osservato che il 50% dei pacchetti sono initially deferred, 
cioè nella fase di listen before talking trovano il mezzo trasmissivo occupato e, atteso che questo 
si liberi, vengono quindi trasmessi con successo al primo tentativo. Il 2-3% dei pacchetti hanno 
una single collision, cioè durante il primo tentativo di trasmissione entrano in collisione con un 
altro pacchetto e al secondo tentativo vengono trasmessi con successo. Infine qualche pacchetto su 
diecimila ha una multiple collision, cioè richiede più di due tentativi per essere trasmesso. 
In una rete ben funzionante con un carico del 30% è altamente improbabile osservare un pacchetto 
che non può essere trasmesso perchè supera il limite di 16 tentativi.
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1.1.5 Efficienza di Ethernet 
 
Quando un solo nodo ha un frame da spedire, può trasmettere alla velocità pieno della tecnologia 
Ethernet (10 Mbit/s, 100 Mbit/s, 1 Gbit/s, 10 Gbit/s). Comunque, se molti nodi hanno frame da 
trasmettere, l‟effettiva velocità di trasmissione del canale può essere molto inferiore. Definiamo 
l‟efficienza di Ethernet come la frazione di tempo a lungo termine  durante la quale i frame sono 
trasmessi sul canale senza collisioni quando c‟è un grande numero di nodi attivi,con ciascun nodo 
che ha una grande quantità di frame da spedire. Per presentare un‟approssimazione in forma 
chiusa dell‟efficienza di Ethernet, indichiamo con t
prop
 il tempo massimo necessario perché il 
segnale si propaghi fra due adattatori qualsiasi . Indichiamo con t
tras  
il tempo necessario per 
trasmettere un frame Ethernet di massime dimensioni (circa 1,2 ms per Ethernet a 10 Mbit/s). 
 
Efficienza=1 / (1 + 5t
prop
/t
tras
) 
 
Da questa formula vediamo che quando t
prop 
tende a 0, l‟efficienza tende ad 1. Questo concorda 
con il fatto che se il ritardo di propagazione è 0, i nodi in collisione abortiranno immediatamente 
senza sprechi per il canale. Ancora, quando t
tras 
 diventa molto grande, l‟efficienza si avvicina ad 
1. Anche questo è intuitivo, perché quando un frame si impossessa del canale può trattenerlo per 
un tempo molto lungo, allora il canale compirà lavoro produttivo per la maggior parte del tempo. 
 
 
1.2 ETHERNET VERSIONE 2.0 
 
Lo standard Ethernet si colloca nei primi due livelli della pila OSI senza seguire gli standard IEEE 
802 ed in particolare senza adottare il protocollo IEEE 802.2 LLC. 
La differenza principale è nel diverso tipo di imbustamento, differenza che è importante 
comprendere in quanto molti protocolli di livello 3 usano questa metodologia di imbustamento 
invece di usare quella 802.3. L'utilizzo di imbustamento Ethernet è comune anche su hardware 
802.3 in quanto è elevato il livello di interoperabilità e di convivenza tra i due standard. 
Le figure 1.1 e 1.2 mostrano le relazioni tra Ethernet e i livelli di riferimento OSI. 
 
1.2.1 Livello Fisico 
 
Le principali caratteristiche relative al livello fisico sono: 
- velocità trasmissiva 10 Mb/s; 
- 2.8 km di distanza massima ammessa tra le due stazioni più distanti; 
- 1024 stazioni al massimo in una LAN; 
- cavo coassiale di tipo thick (tipo RG213) come unico mezzo trasmissivo ammesso; 
- topologia a bus.