2.4 Reti Ethernet

2.6 Fast Ethernet

2.7 Gigabit Ethernet

2.8 10 Gigabit Ethernet

2.4. Reti Ethernet

       La rete Ethernet, proposta nel 1973 dal gruppo di aziende Digital-Intel-Xerox (DIX), è utilizzato per brevi distanze. Successivamente le sue specifiche sono convogliate, nell’anno 1980, nello standard IEEE802.3 a sua volta diversificato in varie sottocategorie in funzione della massima velocità di funzionamento e del tipo di supporto utilizzato: cavo coassiale, doppino telefonico, fibra ottica.

       Il supporto fisico di base è un cavo coassiale per alta frequenza del tipo RG8 (thick Ethernet) o RG58 (thin Ethernet) con terminale a BNC (British Naval Connector).

       Il tipo di rete è a bus o a stella ed utilizza il metodo d’accesso a contesa CSMA/CD.

       Il protocollo dei dati supporta il formato HDLC, la massima velocità di trasmissione è di 10Mbps, 100Mbps per la Fast Ethernet e 1Gbps per la Gigabit Ethernet.

       I dati sono trasmessi in banda base con codifica Manchester o altre codifiche simili.

       La distanza massima tra due nodi adiacenti va da poche decine di metri a 500 metri in funzione della massima velocità di trasferimento dei dati e del supporto fisico utilizzato.  

       I dati da trasmettere vengono frazionati in pacchetti ognuno dei quali contiene una campo di intestazione di 18 byte e un campo dati di lunghezza compresa tra 46 e 1500 byte. Se il campo dati è vuoto vengono comunque trasmessi 46 byte come riempitivo. La lunghezza complessiva del pacchetto è, quindi, compresa tra 64 e 1518 byte.

       Il formato del pacchetto, secondo la specifica 802.2, prevede otto campi, di seguito elencati:

1.    Preambolo. È  costituito da 7 byte uguali dal codice binario 10101010 (HEX: AA) e serve per la sincronizzazione dei nodi ricevitori; se la rete funziona a 10Mbps, la durata del preambolo è pari a 5.6µs (7byte · 8bit · 0.1µs).

2.    Inizio trama. È costituito dal byte 10101011 (HEX: AB) e segnala la fine del preambolo e quindi l’inizio del pacchetto dati vero e proprio.

3.    MAC address del nodo di destinazione. È  costituito da 6 byte. Se tutti i bit sono a 1 i dati vengono inviati a tutti i nodi;

4.    MAC address del nodo di origine. È costituito anch’esso da 6 byte;

5.    Tipo. È costituito da 2 byte. Contiene informazioni di servizio che cambiano di significato in funzione dell’ambiente in cui ci si trova ( Novell NetWare, AppleTalk, Internet, ecc.)

6.    Campo dati. È costituito da una lunghezza che va da 0 a 1500 byte.

7.    Campo riempitivo. È di lunghezza variabile in funzione della quantità di dati del precedente campo dati. Questo campo garantisce che la lunghezza della trama complessiva sia almeno di 64byte anche in assenza di dati da trasmettere. In questo ultimo caso la lunghezza di tale campo è di 46byte.

8.    Campo controllo. È costituito da 4 byte. Contiene il codice ciclico di ridondanza (CRC) dei campi indirizzo del nodo di destinazione, di origine e del campo dati. I 18 byte del campo di intestazione sono la somma dei byte occupati nei campi MAC address, tipo e campo di controllo.

Fig.6. – Trama Ethernet (specifica 802.2).

       Nella rete Ethernet in cavo, l’impedenza caratteristica del cavo coassiale è di 50 Ohm; per evitare fenomeni di riflessione la linea va chiusa su una impedenza resistiva  di 50 Ohm in entrambi gli estremi.

       Per evitare attenuazioni, la lunghezza massima della linea è stabilita in 500 metri (10Base-5 con cavo coassiale spesso RG8, thick Ethernet) o in 200 metri (10Base-2 con cavo coassiale sottile e più robusto RG58, thin Ethernet).

       I segmenti addizionali devono essere collegati con un apparecchio ripetitore locale col solo compito di rigenerare il segnale elettrico e filtrare le componenti spurie ma non se ne possono usare più di due, pertanto il numero massimo di segmenti è 3.

       I ripetitori remoti hanno il compito di collegare due reti locali fisicamente separate e sono tra loro collegati mediante una connessione punto-punto che non deve superare la lunghezza di 1000 metri.

       In fig.7 si mostra una tipica struttura LAN Ethernet costituita da 6 segmenti. I primi 3 segmenti sono collegati tra loro attraverso 2 ripetitori locali. Analogamente, gli altri 3 segmenti sono anch’essi collegati tra loro da 2 ripetitori locali. Le 2 sottoreti sono, invece, connesse tra loro attraverso una coppia di ripetitori remoti tramite collegamento punto-punto. 

Fig.7. - Esempio di LAN Ethernet in cavo coassiale, ripetitori locali e remoto.

Ciascuna stazione è collegata al cavo coassiale da una scheda di rete denominata transceiver con le funzioni di codifica-decodifica dei dati e di stabilire l’accesso al canale.        Le funzioni associate alla codifica/decodifica sono:

·      generazione/rimozione del preambolo per la sincronizzazione;

·      codifica/decodifica col codice Manchester;

Le funzioni svolte per l’accesso al canale sono:

·      ascolto della portante in linea per controllare se quest’ultima è libera;

·      rivelazione delle collisioni;

·      trasmissione e ricezione dei dati codificati.

La soluzione mostrata in fig.7, tuttavia, rappresenta una tipologia di rete ormai superata poiché utilizza il cavo coassiale con i suoi problemi di fragilità e di collegamento di tipo half-duplex.

       Si mostra, in fig.8, il collegamento tra il connettore della scheda di rete al bus in cavo coassiale di una rete locale. Un connettore con sagoma a T consente il collegamento alla scheda di rete e a due spezzoni di cavo coassiale con attacco a BNC.  Il connettore a T collegato alla scheda di rete dell’ultimo PC del BUS, come in figura, presenta una terminazione da 50W per simulare una linea di lunghezza infinita.

       La terminazione presenta un attacco a BNC ed al suo interno contiene una resistenza da 50W pari all’impedenza caratteristica del cavo.

Fig.8

       Al giorno d’oggi, però, si preferisce realizzare reti con topologia a stella o misti, come mostrato nella precedente fig.2, con cavo UTP o in fibra ottica a 100Mbps, 1Gbps o 10Gbps che utilizzano apparati di rete di commutazione come gli SWITCH piuttosto che apparati di rete concentratori come gli HUB.

2.5. Evoluzione delle reti Ethernet

       In questi ultimi anni si sono succedute numerose versioni dei protocolli di rete tendenti ad ottimizzare questa o quella specifica.

       Nella seguente tabella 1 si riassumono le varie tecnologie Ethernet secondo le specifiche IEEE802.3.

Tabella 1. – tipologie delle reti Ethernet

       Nel 1985 sono stati approvati gli standard 10Base-5 e 10Base-2.

       Lo standard Ethernet 10Base-2, in particolare, noto anche come Thin Ethernet, consente trasmissioni a 10Mbps in banda base su cavo coassiale sottile con diametro intorno a 5mm.  denominato, in sigla, RG-58.

       La distanza massima è di 200m. La topologia è a BUS e si estende da un nodo all’altro attraverso un collegamento a BNC.

       La scheda di rete inserita nel computer presenta una presa a BNC che consente il collegamento al BUS. Affinché quest’ultimo possa estendersi agli altri nodi, si inserisce nella presa a BNC, presente sulla scheda di rete, un adattatore BNC a T, come descritto nella precedente fig.8, in modo da consentire il collegamento di due spezzoni di BUS come si mostra in fig.9.

Fig.9. - Collegamento del BUS di rete  a due nodi utilizzando adattatore BNC a T.

       Agli estremi del BUS si inserisce una resistenza di terminazione del valore di 50Ohm col compito di impedire riflessioni del segnale in transito sulla linea.

       L’interruzione del cavo in un qualsiasi punto fa “cadere” la rete. È  una soluzione economica e flessibile ideale per ambienti di lavoro limitati ad un locale come, ad esempio, un laboratorio scolastico.

       Tale rete si presta ad essere utilizzata con gerarchia paritaria (connessione peer-to-peer): ogni macchina può utilizzare le risorse di tutte le altre macchine.

       È economica perché non richiede l’utilizzo di HUB, è flessibile perché per l’aggiunta di un nodo è sufficiente aggiungere una tratta di cavo coassiale. Prima di installare il software di rete è opportuno stabilire a priori le risorse che ciascun nodo mette a disposizione della rete, il nome e le password da attribuire a ciascun nodo.  Fra gli svantaggi annoveriamo:

·      velocità ridotta ad un massimo di 10Mbps, limite difficilmente raggiungibile;

·      connettori BNC non sempre efficienti;

·      dorsali volanti esposte a stress fisici;

·      difficile manutenzione in caso di guasto per l’impossibilità di isolarlo da una postazione centrale;

·      a causa della non elevata qualità del cavo, è bene tenere la lunghezza della linea al di sotto di 100m.

       Nel 1990 è stato approvato lo standard 10Base-T funzionante su doppino telefonico noto con la sigla UTP (Unshield Twisted Pair = Coppia intrecciata non schermata) di categoria 3 – 4, 5 o 5e.   I connettori per questo tipo di cavo sono quelli usati nella telefonia americana, conosciuti con la sigla RJ-45, molto simili ai connettori a clip RJ11 usati nella telefonia italiana. Il connettore RJ45, però, è ad 8 contatti mentre quello telefonico RJ11 è a 4 contatti. Al primo, pertanto, si possono attestare 4 coppie di cavo intrecciato mentre al secondo solo 2 coppie.

       La trasmissione è in banda base a 10 Mbps con topologia a stella. Al centro della stella è ubicato un concentratore, denominato HUB, col compito di smistare, contemporaneamente in tutti i nodi, il flusso dei dati ricevuti. Un altro tipo di centro stella è lo switch. Esso è più intelligente dell’HUB perché esamina il pacchetto ricevuto, individua il nodo di destinazione e trasmette i dati solo al nodo interessato diminuendo, così, il traffico dati nella rete. Il numero di porte di un HUB o di uno SWITCH varia da 4 a 24, tipicamente. Per aumentare la capacità del concentratore è possibile il collegamento in serie tra due di essi. L’interruzione di una tratta isola solo il nodo interessato anziché l’intera rete.

       La massima lunghezza della tratta tra un nodo e il concentratore deve essere inferiore a 100m. Si possono collegare fino a 4 HUB e la massima distanza tra i due nodi più lontani è 500m.

       Si riporta, in fig.10, lo schema di una rete 10Base-T che utilizza il massimo numero di HUB. Per semplicità di disegno, non sono evidenziati i vari nodi che si attestano sui relativi concentratori.

Fig.10. - Collegamento Ethernet secondo la specifica 10Base-T.

Ethernet prevede l’uso della fibra ottica a 10Mbps secondo gli standard:

802.3d: FOIRL  (Fiber Optic Inter Repeater Link) ormai inutilizzata;

802.3j : 10Base-F, la più lenta tecnologia in fibra ottica, poco utilizzata.

2.6. Fast Ethernet

       Nel 1997 si è affermato lo standard Fast Ethernet che consente trasmissioni a 100Mbps. Le schede di rete di questo tipo sono spesso indicate con la sigla 10/100 poiché possono funzionare sia su reti a 10Mbps che su quelle a 100Mbps.

       Le principali caratteristiche di tutti i sottostandard Fast Ethernet sono:

• data rate: 100Mbps
• bit time: 10ns
• interpacket gap: 0.96µs
• slot time: 512 bit (64byte) pari a 5.12µs
• diametro della rete: 205m

       Le schede di rete Fast Ethernet sono economiche e spesso sono già presenti nei computer appena acquistati.

I sottostandard Fast Ethernet sono: 100Base-T2, 100Base-T4 e 100Base-X. Quest’ultimo si suddivide in: 100Base-TX e 100Base-FX.

Si mostra nella seguente tabella 2 il modello architetturale della Fast Ethernet.

Tabella 2. - Modello architetturale della Fast Ethernet

Legenda:

MAC = Media Access Control

MII = Medium Indipendent Interface

PHY = Phisical Layer Device

PCS = Phisical Coding Sublayer

·      100Base-T2. Utilizza due delle quattro coppie del cavo UTP (doppino non schermato) di categoria 3 o superiore. È, praticamente, inutilizzato. La lunghezza massima del collegamento è di 100m ed utilizza la codifica PAM 5x5.

·      100Base-T4. Utilizza le quattro coppie del cavo UTP di categoria 3 o superiore. Anch’esso è praticamente inutilizzato. La lunghezza massima del collegamento è 100m ed utilizza la codifica 8B6T;

·      100Base-TX. Utilizza due delle quattro coppie del cavo UTP o STP di categoria 5. È lo standard più utilizzato. La lunghezza massima del collegamento è 100m, il diametro massimo della rete è di 205m con due ripetitori ed utilizza la codifica FDDI 4B5B-MLT-3 (Multi Level Transmit: +V, 0, -V con transizione ad ogni 1);

·      100Base-FX. Utilizza due fibre ottiche multimodali (62.5µm/125µm) come mezzo trasmissivo. È  impiegata per lo più per la realizzazione di dorsali. La lunghezza massima del collegamento è 2Km ed utilizza la codifica FDDI 4B5B-NRZI (Non Ritorno a Zero Invertito).

       Con Fast Ethernet TX è possibile utilizzare solo due HUB con distanza massima di 205 metri tra gli estremi di una linea.

       Per ottenere le stesse prestazioni in velocità coprendo distanze maggiori si deve ricorrere ad adattatori FX che utilizzano la più costosa fibra ottica. Si riporta, in fig.11, lo schema di una rete 100Base-TX che utilizza il massimo numero di HUB o SWITCH.

Fig.11. - Collegamento Ethernet secondo la specifica 100Base-TX.

       Utilizzando SWITCH al posto degli HUB è possibile:

• attivare la modalità di trasmissione full-duplex;
• attivare più comunicazioni simultanee indipendenti ognuna con banda 100Mbps;
• la scomparsa delle collisioni. Eventuali conflitti su trame indirizzate alla stessa stazione sono risolte dallo SWITCH che le memorizza.

       La codifica 4B5B consiste nel trasformare 4 bit in un codice a 5 bit per la garanzia di almeno 2 transizioni. Non permette la presenza di 3 zeri consecutivi. La trasmissione è sincrona a 125Mbps. Si mostra in tabella 3 tale codifica.

Tabella 3. – Codifica 4B5B

       La codifica NRZI, utilizzata nella 100Base-FX a fibre ottiche, consiste nell’effettuare la transizione in presenza di 1.  Si riporta un esempio in fig.12 supponendo che lo stato iniziale sia 0.

Fig.12. – Codifica dei simboli 0 e 6 dal codice 4B al codice 5B e da questo in NRZI.

       La codifica MLT-3, utilizzata nella 100Base-TX con cavo UTP, presenta 3 livelli di tensione (-V, 0 e +V). Si ha una transizione in presenza di un 1. Una transizione avviene in salita passando da –V a 0 e da 0 a +V. Se ci si trova in +V la transizione avviene in discesa passando da +V a 0 e da 0 a –V. Si riporta un esempio in fig.13.

Fig.13. – Codifica MLT-3 per una stringa di 20 bit.

       Si riassume, infine, in tabella 4 le caratteristiche principali delle reti Fast Ethernet.

Tabella 4. – Principali caratteristiche delle reti fast Ethernet

2.7. Gigabit Ethernet

       Lo standard Gigabit Ethernet, compare nel 1998 come standard IEEE802.3z corrispondente al 1000Base-X e nel 1999 come standard IEEE802.3ab corrispondente al 1000Base-T con la caratteristica peculiare di consentire il trasferimento dati alla massima velocità di 1Gbps utilizzando fibra ottica o cavi STP o UTP di categoria 5e e di categoria 6 in 4 coppie. Per poter usufruire di detta velocità tutti gli apparati di rete: HUB, SWITCH, NIC, devono essere certificati per la Gigabit Ethernet e sono compatibili verso il basso: adattano la loro velocità all’apparato di rete più lento. Gli edifici già cablati con cavi UTP di categoria 5e o di categoria 6 possono migrare verso il Gigabit Ethernet sostituendo solamente gli apparati di rete che, però, risultano più costosi di quelli a 100Mbps.

Si mostra nella seguente tabella 5 il modello architetturale della Gigabit Ethernet.

Tabella 5. - Modello architetturale della Gigabit Ethernet

Legenda:

MAC = Media Access Control

GMII = Gigabit Medium Indipendent Interface

PHY = Phisical Layer Device

       Nella Gigabit è possibile negoziare la modalità di funzionamento half e full duplex e, solo per i due standard che utilizzano il cavo UTP e cioè 1000BASE-T e 1000BASE-CX, è possibile negoziare la velocità. Ciò avviene secondo la seguente sequenza:

• 1Gbps full-duplex
• 1Gbps half-duplex
• 100Mbps full-duplex
• 100Mbps half duplex
• 10Mbps full-duplex
• 10Mbps half-duplex

Tra le principali caratteristiche e novità rispetto alla Fast Ethernet troviamo:

• data rate: 1000Mbps
• bit time: 1ns
• interpacket gap: 96ns
• slot time: 4096 bit (512byte) pari a 4.096µs
• diametro della rete: 205m (doppino UTP cat.5e)

       Se la trama ha un’estensione inferiore a 512 byte vengono inseriti dei simboli particolari, noti come “extension bit”, che rendono la minima lunghezza della trama pari a 512byte.

       Altre caratteristiche sono: la stazione trasmittente non rilascia il controllo del mezzo alla fine della trasmissione del pacchetto; la trasmissione dell’extension bit avviene durante l’interpacket gap; la massima trasmissione continua è di 64Kbit.

       Nella seguente tabella 6 si indicano il mezzo fisico, l’utilizzo, la massima lunghezza, la frequenza di simbolo e la codifica dei 4 standard Gigabit Ethernet. 

Tabella 6

Legenda:

MMF = Multi Mode Fiber (Fibra ottica multimodale)

SMF = Single Mode Fiber (Fibra ottica monomodale)

STP = Shielded twisted Pair (Coppia di cavo intrecciato schermato)

UTP = Unshielded twisted Pair (Coppia di cavo intrecciato non schermato)

       In fig.14 si mostrano le finestre di attenuazione utilizzate dalle fibre ottiche degli standard 1000BASE-SX e 1000BASE-LX.

Fig.14. – Finestre utilizzate dalle fibre ottiche multimodali utilizzate nello standard Gigabit Ethernet.

 I connettori per la 1000BASE-X sono diversi dal tipo RJ45. Si riportano i vari tipi nella seguente fig.15.

Fig.15. – Connettori per la Gigabit Ethernet 1000BASE-X.

       La codifica 8B10B si realizza a partire da un byte proveniente dal sottolivello MAC. Di questi 8 bit, 5 subiscono la codifica 5B6B ed i restanti 3 bit subiscono la codifica 3B4B. Vengono, così, generati 10bit.

2.8. 10 Gigabit Ethernet

       Recentemente si è affermata un altro standard, 10 Gigabit Ethernet, che può funzionare a 10Gbps ed utilizza esclusivamente una coppia di fibre ottiche. Il gruppo di lavoro è stato creato nel 1999 e nel 2001 ha dato luogo allo standard IEEE802.3ae. Definisce due tipi di livello fisico: uno per reti locali LAN ed uno per reti metropolitane MAN e geografiche WAN.

       Si utilizza la fibra multimodale su distanze da 65m a 300m nella I e II finestre e la fibra ottica monomodale su distanze comprese tra 10Km e 40Km nella II e III finestra (vedi figura 14).

       Si mostra, nella tabella 7, il modello architetturale della tecnologia 10Gigabit Ethernet.

Tabella 7. - Modello architetturale della 10 Gigabit Ethernet

Legenda:

XGMII = 10 Gigabit Medium Independent Interface

PCS = Phisical Coding Sublayer

PMA = Phisical Medium Attachment

PMD = Phisical Medium Dependent

PHY = Phisical Layer Device

       Lo standard 10 Gigabit Ethernet funziona solo in modalità full-duplex e quindi utilizza SWITCH e non HUB e non soffre dei problemi di collisione dei dati.

       Se l’aumento delle prestazioni di un fattore 10 rispetto al Gigabit Ethernet è sicuramente un vantaggio, non lo è il triplicarsi dei costi di installazione. L’obiettivo principale è quello di affermarsi nel mercato delle reti metropolitane e geografiche in concorrenza con le soluzioni tradizionali e più economiche come il SONET/SDH con cui presenta compatibilità, ATM, Frame Relay.

2.8. FDDI

       Lo standard FDDI (Fiber Distributed Data Interface) è stato definito dall’americana ANSI e descrive il funzionamento di reti locali ad alta velocità realizzate in fibra ottica con tecnica di accesso del tipo token-ring evoluta.

       Funziona a 100Mbps con fibra lunga fino a 200Km che può collegare fino a 1000 nodi distanti per meno di 2Km. tra di loro.

       Sono presenti due anelli che collegano le stazioni di lavoro con direzioni opposte. Il primo anello è quello usato normalmente per la trasmissione dei dati mentre il secondo anello è di riserva e viene utilizzato quando il primo si interrompe per avaria. Il collegamento, in tal caso,  si ottiene effettuando l’altro percorso.   Per la gestione del token lo standard FDDI si differenzia dal token-ring quando il nodo trasmettitore ha terminato l’invio dei dati: anziché attendere la ricezione del proprio pacchetto trasmesso, rilascia nella rete il “token-free” (particolare stato del token che consente, al nodo che lo riceve, di iniziare una propria trasmissione dati) subito dopo aver terminato la trasmissione. Questa tecnica prende il nome di ETR (Early Token Release).

       Un punto a sfavore della tecnica FDDI è l’elevato costo di realizzazione e gestione rispetto alla Ethernet.

2.4 Reti Ethernet

2.6 Fast Ethernet

2.7 Gigabit Ethernet

2.8 10 Gigabit Ethernet

a cura del prof. Giuseppe Spalierno, docente di Elettronica - ultima versione febbraio 2005