Ethernet e LAN ad alta velocità

Le differenze principali tra i due standard consistono nella lunghezza della sequenza di Jamming, e nel formato della trama. In Ethernet 802.3 è infatti presente un campo, denominato PAD, che serve a raggiungere la lunghezza minima di 64 byte. Il MAC in Ethernet V2.0 scarta i pacchetti più corti.

Un'altra differenza importante è che 802.3 permette l'uso di più tipi di cavi coassiali e anche della fibra ottica e dei doppini telefonici, consentendo quindi un cablaggio più flessibile.
La tabella riporta i principali parametri del livello MAC che verranno utilizzati in seguito.

Slot Time	512 bit (51,2 microsec)	Tempo base di attesa prima di una ritrasmissione
Periodo di bit	100 ns	Tempo di trasmissione di un bit (10 Mbps)
Inter Frame Spacing	9,6 microsec	Distanza minima tra due pacchetti
Attempt limit	16	Numero massimo di tentativi di ritrasmissione
Backoff limit	10	Numero di tentativi oltre al quale non aumenta più la casualità del Backoff
Jam size	32-48 bit	Lunghezza segnale Jam (32 V2.0/48 802.3)
Max frame size	1518 byte	Massima lunghezza del pacchetto
Min frame size	64 byte	Minima lunghezza del pacchetto
Address size	6 byte	Lunghezza indirizzi MAC

IL METODO DI ACCESSO CSMA/CD

Tale metodo è implementato su reti locali che nascono con una topologia a bus su cavo coax ad una velocità di 10 Mbps e che coinvolgono il livello 1 della pila OSI ed il sottolivello MAC (Media Access Control) del livello 2.

Si tratta di un metodo a contesa, non deterministico, cioè con un tempo di attesa non limitato superiormente.

• Carrier Sense (ascolto della portante): ogni stazione, prima di trasmettere, ascolta il bus per verificare se è libero.
• Multiple Access (Accesso Multiplo): ogni stazione può trasmettere sul canale se questo è libero; se si verifica una collisione, le stazioni interrompono la trasmissione.
• Collision Detection (Rilevazione di collisioni): le stazioni stanno comunque sempre in ascolto del canale per rilevare eventuali collisioni, cioè una sequenza di Jam.

Quando avviene una collisione la stazione trasmittente interrompe la TD per trasmettere il segnale di jamming di 32 bit per Ethernet v2.0 e di 32-48 bit per IEEE 802.3. Questo segnale avverte anche tutte le altre stazioni in ascolto. Al n-tentativo la stazione trasmittente attende un tempo pari ad un multiplo intero dello slot time (512 bit, 51,2 microsecondi) così determinato: 0<t<2k, dove k=min(n,10). Il metodo di accesso CSMA/CD è responsabile delle seguenti operazioni:

• Trasmissione e ricezione dei pacchetti: il MAC durante la TD accetta un pacchetto dal livello superiore e lo trasforma in una stringa di bit seriali per il livello 1, mentre, durante la RD, decide se accettare il pacchetto confrontando l'indirizzo del destinatario (i driver ethernet che permettono il "promiscuos mode possono leggere tutti i pacchetti in transito).
• Trasmissione differita: quando il canale e` occupato.
• FCS: aggiunta e controllo del campo FCS (Frame Control Sequence) rispettivamente per i pacchetti trasmessi e per quelli ricevuti. In questo caso, se il campo FCS del pacchetto ricevuto non combacia con quello calcolato localmente, il pacchetto viene scartato senza ulteriori azioni, in quanto il MAC opera in modalità non connessa.
• Spaziatura dei pacchetti: tra i pacchetti trasmessi deve sempre intercorrere un tempo base, detto Inter Packet Gap o Inter Frame Spacing, per differenziarli.
• Rilevazione e schedulazione delle collisioni: in caso di avvenuta collisione, il MAC gestisce il tempo di ritardo in base alla formula sopra citata.
• Jamming: il MAC trasmette il segnale di jamming.
• Lunghezza minima: il MAC ETH v2.0 scarta il pacchetto da trasmettere se ha una lunghezza inferiore a quella minima 64 byte. Il MAC IEEE 802.3, invece, aggiunge i byte mancanti nel campo PAD.
• Preambolo: in trasmissione il MAC aggiunge il preambolo, in ricezione lo rimuove. Il preambolo serve per permettere alle stazioni in ricezione di sincronizzarsi sul segnale di clock della stazione trasmittente.

CSMA/CD supporta un carico medio del 30% (3 Mb/s) con punte del 60% (6 Mb/s). Le massime prestazioni si raggiungono quando sono poche stazioni attive contemporaneamente. Nel caso limite di 2 stazioni le prestazioni possono raggiungere il 90%.
In una rete funzionante ad un carico medio il 50% dei pacchetti e` "initially deferred", ovvero trova il canale occupato, attende che si liberi, quindi trasmette con successo; il 2-3% hanno "single collision" mentre solo un pacchetto su 10000 richiede 2 tentativi prima di essere trasmesso.

IL LIVELLO FISICO

Le principali caratteristiche sono:

• velocità trasmissiva 10Mbps
• 2,8 Km di distanza massima ammessa fra due stazioni
• 1024 stazioni al massimo
• cavo coassiale RG213 Thick Ethernet
• topologia a bus

FORMATO DEL TRAMA

Il campo SFD (Start Frame Delimiter) indica l'inizio di un pacchetto.
Il campo Type contiene il codice del protocollo di livello superiore che ha generato il pacchetto.
Il campo DATA contiene le PDU dei livelli superiori.
Il campo FCS contiene il valore di CRC (Cyclic Redoundance Code).
Il marcatore di fine pacchetto manca e, tale ruolo, è assunto dall'Inter Frame Spacing.

IL CAVO COASSIALE

Il cavo coax ammesso è l'RG213, detto Thick Ethernet o cavo giallo, con le seguenti caratteristiche:

• Impedenza: 50 Ohm
• Velocità di propagazione minima: 0,77c
• Attenuazione massima del segmento di 500m: 8,5 dB a 10 MHz o 6 dB a 5 MHz

La fibra ottica è ammessa solo sulle dorsali di collegamento tra due ripetitori.

TRANSCEIVER

Il transceiver permette la trasmissione e la ricezione dei pacchetti tra l'interfaccia Ethernet (la scheda di rete) ed il mezzo trasmissivo. L'interfaccia è collegata al transceiver tramite un cavo Drop o AUI (Attachment Unit Interface).

Si occupa di segnalare all'interfaccia le avvenute collisioni. Alla fine di ogni trasmissione invia un segnale detto CPT o Heartbeat il cui scopo è testare il circuito di collisione dell'interfaccia stessa.

Il transceiver si collega al mezzo trasmissivo tramite un sistema di accoppiamento detto tap: si perfora il cavo con una vite dalla punta dorata che andrà a toccare l'anima in acciaio, stabilendo così la connessione.

INTERFACCIA ETHERNET

Si occupa dell'incapsulamento e decapsulamento dei dati, del Link Management e della codifica Manchester dei bit.

La codifica Manchester assegna un bit 0 o 1 ad una transizione di stato del segnale elettrico. Tale transizione è al centro del periodo di bit. E' quindi necessaria la sincronizzazione delle stazioni trasmittente e ricevente, effettuata durante la ricezione del preambolo.

RIPETITORI

I riperitori sono Intermediate system che implementano il solo livello fisico e servono ad aumentare l'estensione della rete realizzando una topologia ad albero. I ripetitori ETHERNET v2.0, tagliano la parte di preambolo che impiegano a sincronizzarsi. In tal modo il preambolo si accorcia ogni volta che attraversa un ripetitore e bisogna quindi porre un limite massimo al numero di ripetitori attraversati.

REGOLE DI CONFIGURAZIONE

Le regole riguardanti il segmento coassiale sono:

• 500 m : lunghezza massima di un segmento
• 50 m : lunghezza massima di un cavo AUI
• 2,5 m : distanza minima tra due transceiver
• 100 : massimo numero di transceiver in un segmento

Le regole riguardanti il numero di ripetitori sono:

• Si possono attraversare al massimo 2 ripetitori in un qualsiasi percorso fra due stazioni
• Il ripetitore in fibra ottica conta come mezzo ripetitore
• La lunghezza massima di un link in fibra ottica è di 1000 m
• Qualora ve ne siano più di uno, la loro lunghezza aggregata non deve superare i 1000 m

Il Livello Fisico

• velocità trasmissiva: 10 Mbps
• 4 Km di distanza massima tra due stazioni
• 1024 stazioni collegabili
• i mezzi trasmissivi ammessi sono RG213 (10base5), RG58 (10base2), i doppini telefonici (10baseT), le fibre ottiche multimodali (10baseFOIRL, 10baseF)
• le topologie possono essere a bus, a stella e punto-punto

FORMATO DELLA TRAMA

Ethernet 802.3: formato della trama

Il campo Length indica il numero di byte contenuti nel campo DATA.

Il PAD ha la funzione di riempimento e i suoi byte servono per raggiungere la lunghezza minima del pacchetto 64 byte.

TRANSCEIVER

Le caratteristiche sono le stesse della v2.0, con una sola differenza riguardante la tempistica del segnale di Heartbeat, detto Signal Quality Error test (SQE test).

I Transceiver sono detti MAU (Medium Attachment Unit) e sono composti da due parti: la PMA (Physical Medium Attachment) e la MDI (Medium Dependent Interface).

I transceiver sono integrati alle interfaccia Ethernet.

RIPETITORI 802.3

La differenza fondamentale è che tale ripetitore rigenera il preambolo e richiede la disabilitazione del SQE test ai transceiver ad esso collegati.

Ha inoltre altre caratteristiche, quali:

• Retiming: decodifica secondo il metodo Manchester i bit e li ricodifica prima di trasmetterli, ritemporizzando il pacchetto
• Jabber: quando si accorge che un pacchetto è troppo lungo interrompe la trasmissione e la riabilita dopo un inter packet gap
• Partizionamento delle porte: esclusione di una porta se su questa si verificano più di trenta collisioni consecutive

PRINCIPALI CONFIGURAZIONI

• 10base5 Coax
  La lunghezza massima del segmento è di 500 m. La velocità trasmissiva è di 10Mbps. Il cavo coassiale è l'RG213 Thick Ethernet a 50 Ohm.
  Le regole di configurazione sono le stesse di v2.0.
• 10base5 FOIRL
  Lo standard 10base5 prevede la possibilita` di utilizzare fibra ottica al posto del cavo coassiale. Sono ammesse le dorsali in fibra ottica tra ripetitori (FOIRL: Fiber Optic Inter Repeater Link). Le fibre ottiche ammesse sono quelle multimodali 62,5/125 micron con connettori di tipo "ST".
  I transceiver per fibra ottica, detti FOMAU, lavorano con LED ad una lunghezza d'onda di 850 nm (finestra I). Le funzioni del FOMAU sono di ricezione e trasmissione della stringa di bit, di rilevamento delle collisioni, di jabber (interruzione dela funzione di trasmissione quando riceve una stringa di bit superiore alla lunghezza massima del pacchetto 802.3).
  Inoltre ha un funzione ottica particolare, detta Low Light Level Detection: quando riceve dei segnali ottici inferiori ad una certa soglia di sicurezza per l'integrità dei dati interrompe la ricezione.
• 10base2
  E' una variante del 10base5 in cui si utilizza un cavo coassiale piu` sottile (thin) con una maggiore attenuazione che riduce la lunghezza massima del segmento (da 500 mt a meno di 200), ma con un minor costo e una maggiore flessibilta` di utilizzo.
  Le caratteristiche principali sono:
  1. velocità trasmissiva: 10Mbps
  2. lunghezza massima del segmento: 185 m
  3. lunghezza massima del cavo AUI: 50 m
  4. distanza minima tra due transceiver: 0,5 m
  5. numero massimo di transceiver: 30
  6. Il cavo coassiale ammesso è l'RG58, detto Thin Ethernet, che ha un'impedenza di 50 ohm. L'attenuazione massima consentita è pari a 8,5 dB a 10 MHz o 6 dB a 5 Mhz (a 185 mt). Il transceiver,essendo integrato alla scheda di rete, è collegato al segmento coassiale tramite un connettore a T di tipo BNC.
• 10baseT
  Questo standard ammette solo collegamenti punto-punto tramite doppino telefonico, ( prese RJ45), ed implica l'utilizzo di ripetitori multiporta per realizzare le connessioni. La topologia è quindi di tipo stellare.
  Il MAU, oltre alle solite funzioni, si occupa di verificare costantemente l'integrità del collegamento, inviando sulla linea, quando è libera, un segnale detto TP_IDLE (vedi figura). Tale segnale è costituito da un impulso della durata di 450 ns (Start of TP_IDLE), seguito da una serie di impulsi distanziati fra loro da un gap compreso fra 8 e 24 ms, della durata di 200 ns.
  
  

• 10baseF
  Lo standard 10baseF si occupa di regolamentare l'utlizzo della fibra ottica come mezzo trasmissivo per LAN 802.3. Si suddivide in 3 sotto-standard che sono:
  • 10baseFP
    FP sta per Fiber Passive: permette l'utilizzo della topologia a stella passiva basata sul concetto di splitter ottico. Essendoci quindi molta dispersione, i FOMAU devono essere molto più sensibili e la lunghezza massima del cavo e` ridotta a 500 mt.
  • 10baseFB
    FB sta per Fiber Backbone. La fibra ottica è ammessa solo sulle dorsali, ma la differenza tra questo standard e il 10baseFOIRL è che i transceiver ottici sono integrati ai repeater.
    I transceiver ottici generano inoltre due tipi di segnali:
    1. SIDL (synchronous idle): permette di mantenere la
       sincronizzazione tra il repeater ed il MAU. Consiste in un
       impulso di durata pari a due periodi di bit ad una frequenza di 2,5 MHz
    2. RF (remote fault): segnala un guasto del link. Consiste in un impulso di durata pari a tre periodi di bit ad una frequenza di 1.667 MHz
    Questi segnali sinconi vengono utilizzati dal ricevitore per sincronizzare il clock con il trasmettitore evitando di doversi risincronizzare su ogni pachetto.
  • 10baseFL
    FL significa Fiber Link. La fibra ottica può interconnettere anche le stazioni con topologia punto-punto e stellare. I transceiver sono molto simili a quelli di 10baseFB. I segnale di idle si chiama OPT_IDL.

In seguito sono stati emessi ulteriori standard:

IEEE802.3z e` noto comunemente con il nome di Gigabit Ethernet perche` aumenta di un altro fattore 10 la velocita` portandola a 1Gb/s. L`implementazione di 802.3z e` realizzata su 3 tipi di mezzi trasmissivi: 1000baseLx (fibra ottica monomodale, max 3KM), 1000basesx (fibra ottica multimodale, max 550mt) e 1000baseCx (balanced 150 ohm shielded cable, max 25mt).

IEEE802.3ab e` lo standard Gigabit portato sul caplaggio strutturato di cat. 5.
L`implementazione prende il nome di 1000baseT e utilizza tutte le 4 coppie del cavo, ciscuna a 250Mb/s. 1000baseT usa lo stesso clock rate di 100baseTx (ovvero 125 Mhz) ma trasmette 4 simboli (2 bit) anziche` 2 (1 bit); inoltre 100base Tx usa una codifica (4B/5B) per cui si spreca un bit ogni 4 per ridondanza e quindi alla velocita` di 125 MHz si trasmettono 100Mb/s.

IEEE802.3ac e` un nuovo progetto che vuole portare la tecnologia di ethernet alla velocita` di 10Gb/s.

• Non permette configurazioni magliate
• Non permette l'impostazione di entry statiche
• Non riceve completamente il pacchetto prima di trasmetterlo (cut-through)
• Non e'in grado di operare verso altri standard

---

Documento realizzato da Roberto Alfieri e Emanuele Parmigiani
Fonti: "RETI LOCALI" di S.Gai, P.Nicoletti