Le reti locali

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LE RETI LOCALI

Una rete locale (LAN) è una rete di computer di dimensione limitata geograficamente e senza attraversamento di suolo pubblico.
Una rete LAN è caratterizzata dall’alta velocità (mezzo trasmissivo equamente condiviso da tutte le stazioni) e da un basso tasso di errore.
Le stazioni condividono un solo canale ad alta velocità, quando una stazione trasmette occupa temporaneamente tutta la banda di trasmissione; si devono usare protocolli di accesso al mezzo e stabilire indirizzi per individuare mittente e destinatario. Gli elementi fondamentali di una LAN sono i mezzi di trasmissione e le schede di rete con i corrispondenti driver che gestiscono i livelli fisico e datalink.

La topologia fisica di una rete descrive la disposizione geometrica dei suoi componenti, riguarda la forma e la struttura della LAN. La topologia logica descrive quali sono i percorsi seguiti nella comunicazione tra coppie di stazioni. La topologia fisica e logica in una rete possono essere diverse.
Nella topologia a bus ogni stazione è collegata ad un’unica linea, il bus. La topologia a stella collega tutti i nodi ad un punto comune (Hub), flessibili e poco costosa. Nella topologia ad anello ogni stazione è collegata con altre due in una disposizione circolare; per passare dalla stazione che trasmette a destinazione, un messaggio deve attraversare tutte le stazioni intermedie. Esiste anche una topologia a stella gerarchica, ossia più reti a stella collegate ad un altro hub.

Lo standard per le reti è IEEE 802. Lo standard 802 descrive il livello fisico e il livello di datalink. Il livello fisico descrive i mezzi di trasmissione usati e la topologia della rete. Il livello di datalink è diviso in due livelli: il MAC e l’ LLC, il MAC si occupa del metodo di accesso al canale condiviso e ha funzioni di framing e controllo degli errori, LLC si occupa del controllo di flusso. Di solito MAC è nella scheda di rete, LLC software.
Sia il livello MAC che LLC utilizzano indirizzi per individuare le entità che stanno comunicando a quel livello. L’indirizzo a livello MAC individua la scheda di rete, l’indirizzo a livello LLC individua il protocollo di livello di rete usato per la comunicazione.
x.1 (caratteristiche generali), x.2 (definisce il sottolivello LLC), x.3 (reti locali CSMA/CD), x.5 (reti locali token ring), x.6 (reti metropolitane DQDB), x.11 (reti locali wireless).

Lo strato LLC presenta al livello di rete un’interfaccia che non diepnde dallo specifico tipo di rete locale, è indipendente dal metodo di accesso, dalla topologia e dai mezzi trasmissivi. L’interfaccia al livello di rete è il più simile possibile a quella delle reti geografiche, LLC è una variante di HDLC per le reti locali solo che LLC non si appoggia sul livello fisico ma sul sottolivello MAC ed è il MAC ad occuparsi della delimitazione dei frame e del controllo degli errori. LLC si occupa del controllo di flusso. LLC offre tre tipi di servizi: non connesso non confermato, non connesso confermato, connesso e confermato (MAC offre solo servizi non connessi non confermati). Il livello di rete passa un pacchetto a LLC che aggiunge un’intestazione e passa il tutto al livello di MAC. Lo strato LLC permette anche di usare sulla stessa LAN protocolli di rete diversi.
Il formato del frame LLC è composto da: indirizzo del servizio di destinazione, indirizzo del servizio mittente, 1 byte di controllo e un campo dati di lunghezza variabile.

Per gli standard da 802.3 in poi il livello fisico definisce il cablaggio cioè i mezzi di trasmissione usati e la topologia della rete. Per ogni tipo di cablaggio il livello fisico descrive le distanze massime che possono essere raggiunte per una certa ampiezza di banda, definisce inoltre tutti i dettagli relativi alla trasmissione: connettori necessari, interfaccia fisica alla rete, metodo di codifica del segnale, sincronizzazione, livelli di tensione o livelli di lunghezza d’onda (rame o fibra ottica).
Il livello MAC si occupa della suddivisione in frame, del controllo degli errori e dei metodi d’accesso al mezzo. I servizi sono esclusivamente non connessi non confermati. Gli indirizzi a livello MAC individuano la scheda di rete che permette il collegamento alla rete.
Per il collegamento alla rete serve una scheda di rete, specifica per una certa LAN, la parte posteriore presenta una o più interfacce ognuna per uno specifico tipo di connettore. La scheda di rete di solito implementa il livello fisico e MAC della rete. La scheda di rete è chiamata anche NIC o MAU.
Gli indirizzi MAC identificano a livello hardware le schede di rete. L’indirizzo è formato da 6 byte che identificano univocamente la scheda di rete a livello mondiale (3 per il produttore della scheda e 3 come numero identificativo della scheda), per convenzione vengono rappresentati da 6 numeri esadecimali sperati dai due punti (FF:FF:FF:FF:FF:FF). I frame contengono indirizzo di destinazione e del mittente.
L’indirizzo di destinazione può essere anche l’indirizzo di broadcast, mentre un indirizzo di multicasting è identificato da un 1 nel bit meno significativo. Gli indirizzi MAC sono scritti in una ROM della scheda di rete.

La prima rete locale è stata Ethernet (802.3) sviluppata da Xerox. Ethernet era una rete a bus su cavo coassiale, con modalità di trasmissione half duplex, metodo di accesso CSMA/CD e velocità 10 Mbs. Lo standard 802.3 descrive un’intera famiglia di sistemi che usano il metodo di accesso CSMA/CD a una velocità che varia da 10 a 100 Mbs con diversi tipi di cablaggi.

In 802.3 a 10 Mbs la trasmissione in banda base è a 10 Mas e utilizza la codifica Manchester. Nella trasmissione in banda base tutte le stazioni trasmettono e ricevono sulla stessa banda di frequenza, di conseguenza può trasmettere sulla una stazione alla volta e inoltre una stazione può trasmettere e ricevere ma non contemporaneamente (half duplex). La codifica Manchester usa due livelli di tensione per trasmettere ogni bit. Il tempo necessario per inviare ciascun bit è diviso in due intervalli, tra un intervallo e l’altro c’è sempre una transazione tra due livelli di tensione diversi (dal basso all‘alto 0, dall‘alto al basso 1). L’assenza di variazione indica una violazione di codifica e viene usata per delimitare i frame. Questa codifica richiede il doppio della larghezza di banda perché gli impulsi sono metà della larghezza del bit time.
Sono definite 5 diverse MDI che si possono anche combinare fra di loro, ma a tutte si applicano le seguenti limitazioni: in una rete ci possono essere al massimo 5 segmenti di cavo con 4 ripetitori purché 2 di tali segmenti siano solo collegamenti tra ripetitori senza stazioni collegate, la rete può contenere al massimo 1024 dispositivi. I nomi delle MDI indicano la velocità (Mbs) e il metodo di trasmissione (in banda base) e terminano con una sigla che indica la lunghezza massima del cavo nei cavi coassiali o il tipo di cavo.
10base2: lunghezza massima dei cavi 185 metri, la topologia è a bus e ogni stazione è connessa al cavo mediante un connettore a T, al termine del bus deve esserci un terminatore per impedire la riflessione, in un segmento ci possono essere solo 30 stazioni.
10base5g: lunghezza massima 500 metri, la topologia è a bus e ogni stazione è collegata mediante una derivazione del cavo attraverso un dispositivo detto transceiver che mediante un ago permette il collegamento elettrico, in ogni segmento ci possono essere 100 stazioni.
10baseT: usa doppini telefonici intrecciati, la lunghezza massima di ogni cavo è di 100 metri e quindi il max è 500 metri, la topologia è a stella e ogni stazione è collegata mediante il cavo ad un sub, dal punto di vista logico la topologia è sempre a bus.
Vi sono poi i cablaggi che utilizzano le fibre ottiche, 10baseFOIRL usa fibre ottiche monolocali e permette di realizzare collegamenti soltanto tra sub con distanza max di 5000 metri; 10 baseF regolarmente l’uso della fibra ottica: 10baseFL (fibre ottiche multimodali, collegamenti fra sub e stazioni) , 10baseFP (usa stelle ottiche passive), 10baseFB (permette collegamenti tra sub trascurabili nel conteggio del numero massimo di ripetitori). Lo switch è un dispositivo multipara che lavora a livello di datalink, divide i domini di collisione, ogni porta ha il suo dominio, le stazioni all’interno di un segmento di rete possono comunicare fra di loro senza interferire con gli altri segmenti. Gli switch possono aumentare l’ampiezza di banda aggregata disponibile.
Il metodo di accesso al mezzo è a contesa (CSMA/CD). Una stazione che deve trasmettere controlla se il canale è libero prima di iniziare, se il canale è libero trasmette il frame e dopo averlo trasmesso invia sul canale 96 bit detti inter frame gap. Il MAC garantisce che tra due frame consecutivi ci sia un intervallo. Se il canale è occupato la stazione entra in una fase di back-off e aspetta. Può avvenire anche una collisione quindi la stazione continua ad ascoltare per rilevare eventuali collisioni. Il frame è composto da un preambolo per la sincronizzazione, 1 byte per l’inizio frame, indirizzo di MAC di destinazione e mittente, 2 byte per la lunghezza del campo dati, il campo dati e il controllo CRC. Ricapitolando i compiti del livello MAC sono gestire la suddivisione in frame utilizzando la violazione di codifica, calcolare il codice CRC in invio e in ricezione, assicurare il gap fra un frame e l’altro, rilevare collisioni, calcolare il tempo di attesa con l’algoritmo di back-off quando il canale è occupato.

Lo standard 802.3 a 100 Mbs è conosciuto come Fast Ethernet. deriva dalla tecnologia 10baseT, ma ha un livello fisico diverso per sostenere la maggior velocità di trasmissione. Le MDI definite sono 100baseFX (usa due cavi in fibra ottica multimodale, uno per ciascuna direzione, la lunghezza max è 400 metri, è un sistema full duplex, usa lo schema 100baseX), 100baseTX (sistema full duplex, usa lo schema 100baseX), 100baseT4 (usa tutte e 4 le coppie di fili, una è sempre per la stazione all‘hub, hub alla stazione, lavora in half duplex, usa lo schema 100base4T).
Gli schemi di trasmissione sono: lo schema 100baseX (usa la codifica 4B/5B che accetta gruppi di 4 bit codificati in simboli da 5 bit, per raggiungere i 100Mbs ha una trasmissione fisica di 125 Mbs), e lo schema 100base4T (usa la codifica 8B6T ossia lo strato fisico codifica ogni byte che riceve dal MAC in 6 simboli ternari, ogni simbolo viene inviato su una coppia, tre alla volta in due cicli, il cavo utilizza una frequenza di 25 MHz ).

Lo standard 802.5 deriva dalla rete token ring, una rete locale con topologia ad anello. Il metodo di accesso al mezzo è di tipo deterministi, c’è un token (gettone) che gira sulla rete, una sola stazione alla volta può impadronirsi del token e trasmettere. Una stazione dell’anello, che assume il ruolo di active monitor, controlla e regola il funzionamento dell’anello.
La trasmissione è in banda base, la trasmissione nell’anello può avvenire solo in una direzione quindicina stazione può ricevere e trasmettere ma non contemporaneamente (half duplex). La codifica Manchester differenziale usa due livelli di tensione per trasmettere ogni bit e bit time è diviso in due intervalli, al centro di ogni bit time c’è una transizione tra due livelli diversi, ma per codificare 0 è presente una transizione anche all’inizio del bit time, mentre per 1 è assente la transazione all’inizio. L’assenza della transizione al centro del bit time indica una violazione di codifica e viene usata per delimitare il frame.
La topologia fisica è a stella con le stazioni collegate ad un hub, la topologia logica è comunque ad anello, l’hub permette di passare il token tra le stazioni in modo circolare.
Quando una stazione riceve il token se ha dati da spedire può impossessarsene, il frame inviato contiene l’indirizzo del destinatario, il frame percorre l’anello e ogni stazione verifica se è il destinatario, il token è stato cambiato all’inizio in modo da bloccarlo finché il frame non venga ricevuto. Quando arriva al ricevente, copia il frame in un buffer, modifica l’intestazione per segnalare la ricezione e rimmette sulla linea il frame, quando torna al mittente questo lo elimina e sblocca il token.
Il comportamento della rete è governato da una stazione chiamata active monitor. il monitor può essere una stazione qualsiasi. Il monitor deve controllare che il token sia sempre presente sull’anello (usa un timer, se nessuno ha un token, allo scadere lo rigenera), eliminare i frame danneggiati, eliminare i frame orfani (la stazione mittente diventa inattiva), supportare cambiamenti dinamici (inserimento o eliminazione di stazioni), garantire che l’anello abbia dimensioni sufficienti a contenere l’intero token.

Il repeater lavora a livello fisico e funge da rigeneratore del segnale, l’hub lavora tra il livello fisico e di collegamento, è un ripetitore multipara, lo switch, che lavora tra il livello di collegamento e di rete è un ripetitore ma solo dove serve, il router lavora al livello di rete e cerca i percorsi di rete, i gateway sono al livello 7.

Per collegare tra loro più reti locali si possono usare i bridge, ci possono essere al massimo 7 bridge in una rete. Può essere necessario usare un bridge per collegare reti di natura diversa, suddividere quella che potrebbe essere un’unica rete per problemi di carico o distanza fisica, isolare parti di rete per motivi di sicurezza. Il bridge è un dispositivo che opera a livello di collegamento, ha un solo livello di LLC e tanti livelli MAC e fisico quante sono le diverse LAN che interconnette. Quando il bridge riceve un frame che deve passare da una rete ad un’altra il livello MAC relativo alla rete mittente toglie l’intestazione e passa i dati contenuti al livello LLC, il quale li passa al livello MAC dall’altra rete che aggiunge la nuova intestazione.
La ritrasmissione avviene con modalità store and forward cioè il bridge riceve interamente il frame prima di ritrasmetterlo. I bridge ritrasmettono solo i frame che devono effettivamente passare da una LAN all’altra, mantenendo separati i traffici locali.
I Transparent bridge possono essere collegati e funzionare senza problemi di configurazione. Quando il bridge riceve un frame, se le reti di provenienza e destinazione coincidono lo scarta, altrimenti deve decidere su quale porta inviarlo. Il bridge usa una tabella di instradamento, che elenca tutte le possibili destinazioni.Se il bridge non ha informazioni usa il flooding, cioè invia il frame a tutte le reti, tranne quella di provenienza.
Alcune informazioni vengono configurate staticamente altre vengono registrate dal bridge durante un processo di apprendimento detto backward learning, in pratica quando riceve un frame il bridge può registrare da quale stazione e su quale linea proviene e quindi come raggiungere la stazione mittente, vi è anche un’indicazione sull’orario, se non si ricevono frame da quella stazione dopo un po’ di tempo viene cancellata dalla lista. In pratica il bridge dispone di un processo di forwarding nel quale controlla se il pacchetto ricevuto senza errori, se è con errori lo scarta altrimenti controlla se l’indirizzo di destinazione è presente nel filtrino database, se non è presente inoltra il pacchetto attraverso tutte le porte tranne quella di provenienza (flooding), altrimenti si controlla se l’indirizzo di destinazione e del mittente si trovano nella stessa LAN, in questo caso il pacchetto viene scartato, in caso contrario viene inoltrato attraverso la porta corretta, dopo il forwarding entra il processo di learning dove si controlla se l’indirizzo sorgente è presente nel filtrino database, se non è presente viene aggiunto, altrimenti viene aggiornata la direzione e azzerato il timer. Per eseguire il flooding, si esegue uno spanning tree della rete, cioè si esegue una sospensione di alcuni rami per accelerare il processo.