Ethernet

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Ethernet
Storia
Ethernet è il nome di un protocollo per reti locali, sviluppato a livello sperimentale da Robert Metcalfe e David Boggs, suo assistente, alla Xerox PARC. La data ufficiale è il 1973 quando Metcalfe scrisse un promemoria ai suoi capi della Xerox sulle potenzialità di Ethernet. Nel 1976 Metcalfe e Boggs pubblicano un articolo dal titolo Ethernet: Distributed Packet-Switching For Local Computer Networks.
L'obiettivo originale dell'esperimento era ottenere una trasmissione affidabile a 3Mbps su cavo coassiale in condizioni di traffico contenuto, ma in grado di tollerare bene occasionali picchi di carico. Per regolamentare l'accesso al mezzo trasmissivo era stato adottato un protocollo di tipo CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access / Collision Detect).
Schema di una rete Ethernet
Connettori RJ 45
Il successo dell'esperimento suscitò forte interesse e portò alla formazione di un gruppo di imprese, costituito da Xerox Corporation, Intel Corporation e Digital Equipment Corporation, che nel 1978 portarono alla standardizzazione 802.3 e il 30 settembre 1980 a pubblicare la versione 1.0 dello standard Ethernet.
Intanto Metcalfe lasciò Xerox nel 1979 per promuovere l'uso del PC e delle LAN per cui fondò 3Com. Metcalfe spesso attribuisce il successo di 3Com a Jerry Saltzer. Questi collaborò alla stesura di un articolo importantissimo che suggeriva che l'architettura token-ring fosse teoricamente superiore alla Ethernet. Con questo le grosse aziende decisero di non puntare su Ethernet mentre, al contrario, 3Com potè creare un business intorno al sistema riuscendo a guadagnarsi un ottimo vantaggio tecnico e a dominare sul mercato quando Ethernet prese piede.
Successivamente, l'interesse delle imprese del settore aumentò al punto che l'IEEE costituì alcuni gruppi di studio finalizzati a perfezionare e consolidare Ethernet, nonché a creare numerosi altri standard correlati. Uno dei risultati raggiunti fu la pubblicazione, nel 1985, della prima versione dello standard IEEE 802.3, basato sull'originale specifica Ethernet, ma non completamente identificabile con essa. In seguito, lo standard Ethernet come tale non è più stato mantenuto, ma il termine continua ad essere usato quasi come fosse un sinonimo di IEEE 802.3, sebbene i due standard non coincidano affatto.
I motivi del successo
Ethernet attualmente è il sistema LAN più diffuso per diverse ragioni:
• È nata molto presto e si è diffusa velocemente per cui l'uscita di nuove tecnologie come FDDI e ATM hanno trovato il campo occupato;
• Rispetto ai sistemi concorrenti è più economica e facile da usare e la diffusione delle componenti hardware ne facilitano l'adozione;
• Funziona bene e genera pochi problemi (cosa rara nel campo informatico);
• É adeguata all'utilizzo con TCP/IP;
• Nonostante i suoi concorrenti fossero più veloci nella trasmissione dati, la Ethernet si è sempre adeguata.
Frame
Nonostante Ethernet abbia diverse topologie, l'elemento comune è nella struttura del frame che viene definito DIX (DEC, Intel, Xerox) ed è rimasto fedele alla versione originale:
Questo è il frame ricevuto dallo strato di rete nella pila di protocolli. Gli elementi sono:
• Preamble Preambolo (8 byte): I primi 7 byte hanno valore 10101010, mentre l'ultimo è 10101011. I primi 7 servono a svegliare gli adattatori del ricevente e a sincronizzare gli orologi con quelli del mittente. La serie dei due bit a 1 indicano al destinatario che sta arrivando del contenuto importante;
• Destination MAC address Indirizzo di destinazione (6 byte): Questo campo contiene l'indirizzo LAN dell'adattatore di destinazione, se l'indirizzo non corrisponde lo strato fisico del protocollo lo scarta e non lo invia agli strati successivi.
• Source MAC address Indirizzo sorgente (6 byte);
• EtherType Campo tipo (2 byte): Questo campo indica il tipo di protocollo in uso durante la trasmissione;
• Payload Campo dati (da 46 a 1500 byte): contiene i dati reali e possono essere di lunghezza variabile in base all'MTU della Ethernet. Se i dati superano la capacità massima, vengono suddivisi in più pacchetti;
• FCS Controllo a ridondanza ciclica (CRC) (4 byte): permette di rilevare se sono presenti errori di trasmissione, in pratica il ricevente calcola il CRC mediante un algoritmo e lo confronta con quello ricevuto in questo campo.
É molto simile al frame IEEE 802.3 tranne che per il campo tipo che nell'802.11 diventa Tipo o Lunghezza e il preambolo ridotto a 7 byte con 1 byte trasformato in Start of Frame.
Indirizzo Ethernet
Gli indirizzi sono tutti a 6 byte in quanto Ethernet definisce uno schema di indirizzamento a 48 bit: ogni nodo collegato, quindi, ha un indirizzo Ethernet univoco di questa lunghezza. Esso corrisponde all'indirizzo fisico della macchina ed è associato all'hardware.
Sono anche detti indirizzi hardware, indirizzi MAC (o MAC address) o indirizzi di livello 2.
Tipologia di trasmissione
Ethernet è una tecnologia che fornisce al livello di rete un servizio senza connessione, in pratica il mittente invia il frame nella LAN senza alcun handshake iniziale, questo frame viene inviato in modalità broadcast (o a bus condiviso) e attraversa tutta la LAN. Quando viene ricevuto da tutti gli adattatori presenti sulla LAN quello che vi riconoscerà il suo indirizzo di destinazione lo recepirà mentre tutti gli altri lo scarteranno.
Il frame ricevuto può contenere errori verificabili dal controllo CRC, ma Ethernet di per sé è inaffidabile perché questo frame rovinato, che non supera il controllo CRC, viene semplicemente scartato. Sarà compito degli altri strati provvedere alla ri-trasmissione (ad esempio TCP), ma il sistema non fornisce nessun ausilio, per cui ri-trasmetterà un pacchetto richiesto da un livello diverso ma il sistema lo tratta come un qualsiasi altro frame. Ciò, tuttavia, rende Ethernet semplice ed economica.
La gestione delle collisioni e dell'occupazione simultanea del canale di trasmissione viene gestita mediante il CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection).
Per approfondimenti vedere articolo principale CSMA/CD.
La codifica usata per i segnali binari è la codifica Manchester.
Negli ultimi sistemi Ethernet il problema non si presenta in quanto con il Gigabit Ethernet e gli switch si tende sempre più a trasformare una Ethernet in una connessione peer-to-peer.
Efficienza
Ethernet utilizza un algoritmo di accesso multiplo alla rete detto CSMA/CD. Ciò permette all'Ethernet, in certe condizioni, di avere un'efficienza di trasmissione del 100%.
L'efficienza è vista come la frazione di tempo a lungo termine durante la quale sono trasmessi frame senza collisioni con altri mittenti.
Ethernet con ripetitori e hub
Rete con hub centrale
Ethernet tende a crescere ma il cavo Ethernet ha una capacità limitata sia in lunghezza sia in capacità di traffico, per cui le LAN di grosse dimensioni vengono suddivise in reti più ridotte interconnesse tra loro da particolari nodi tra i quali possiamo trovare dei ripetitori, degli hub o elementi più sofisticati come bridge o switch.
Il ripetitore semplicemente replica il segnale ricevuto. Il cavo Ethernet può quindi assumere lunghezze molto maggiori alle sue capacità. L'unico vincolo è che tra due computer ci devono essere al massimo due ripetitori per salvaguardare la temporizzazione di CSMA/CD.
Per approfondimenti vedere l'articolo correlato hub.
Ethernet con bridge e switch
Rete complessa collegata da più switch
Il bridge è un elemento di interconnessione più sofisticato dell'hub perché opera sui pacchetti e non sui segnali elettrici. Con questo sistema si possono creare segmenti di LAN indipendenti in cui le collisioni e i ritardi restano limitati.
Molti bridge sono adattativi o ad apprendimento per cui sono provvisti di un software con elenchi di indirizzi per ogni scheda ethernet che posseggono. In questo modo quando arriva un pacchetto, estrapolano l'indirizzo di destinazione, e inviano lo stesso pacchetto nel segmento giusto in base agli elenchi associati alle schede.
Per approfondimenti vedere l'articolo correlato bridge.
Molto più sofisticati sono gli switch che sono composti da un numero elevato di schede ethernet che consente ad ogni host di essere connesso direttamente. Allo switch viene poi collegato uno o più cavi Ethernet ad alta velocità che collegano altri segmenti di LAN.
In questo modo lo switch intercetta i pacchetti e li ridireziona ad un host oppure sui segmenti Ethernet. La gestione dei pacchetti, quindi, è ottimizzata perché questi sono subito reindirizzati alla destinazione evitando, per quanto possibile, collisioni. In questo modo ogni scheda ha un suo dominio di collisione.

Esempio



  



Come usare