Come funziona la rete Ethernet – parte 2

Indirizzi MAC Ogni scheda o interfaccia di rete possiede un identificatore di 48 bit, unico al mondo, che si chiama Indirizzo MAC (Media Access Control); non esistono due schede di rete con lo stesso indirizzo. L’indirizzo MAC permette a un computer di …

Indirizzi MAC
Ogni scheda o interfaccia di rete possiede un identificatore di 48 bit, unico
al mondo, che si chiama Indirizzo MAC (Media Access Control);
non esistono due schede di rete con lo stesso indirizzo. L'indirizzo MAC permette
a un computer di inviare i dati a un altro specifico computer della rete; solo
il computer con il MAC del destinatario preleva i pacchetti in arrivo, ignorati
dagli altri computer.

Dati spediti sotto forma di frame
A livello fisico (dove si colloca principalmente Ethernet) i dati vengono
trasmessi sotto forma di frame
(in italiano trame), piccoli contenitori
(o pacchetti) che permettono di separare il flusso di dati in unità facilmente
controllabili. Il frame delle reti Ethernet normalmente è lungo almeno
64 byte e non oltre 1518 byte salvo eccezioni, come lo standard Gigabit Ethernet
802.3z che porta a 512 byte la lunghezza minima del frame.
Nello standard originario 802.3 il frame è così composto:
preambolo di 56 bit (0 e 1 alternati); delimitatore di inizio frame (8 bit:
10101011); indirizzo MAC di destinazione (48 bit); indirizzo MAC di origine;
lunghezza/tipo, due byte che in origine erano 0x05dc esadecimale (1500 decimale)
e indicavano la lunghezza del campo dati, mentre oggi spesso contengono 0x0800
(2048) per indicare l'uso del protocollo IP; da 46 a 1500 byte di dati; pad
(riempitivo) di zeri, qualora i dati siano meno di 46 byte, così da arrivare
a 46 byte tra dati e pad; Frame Check Sequence (sequenza di controllo del frame),
ovvero 4 byte per controllare l'integrità del frame tramite CRC-32 (controllo
di ridondanza ciclica a 32 bit).
Nel corso degli anni sono stati aggiunti a più riprese nuovi campi, resi
necessari per l'utilizzo di Ethernet da parte dei protocolli di strato superiore
(più avanti citiamo qua??°li sono i sette strati standard di riferimento).
Tornando al meccanismo di CSMA/CD, il nodo (computer, periferica
o dispositivo di rete) mittente deve riuscire a trasmettere un frame e accertarsi
che non sia avvenuta una collisione; se c'è stata una collisione, il
mittente trasmette un apposito segnale di collisione di 32 bit, smette di trasmettere
e attende un tempo casuale (detto back-off) prima di ritrasmettere,
in modo da evitare un'altra collisone. Se nel tentativo di ritrasmettere lo
stesso frame si verifica un'altra collisione, viene aumentato il tempo di back-off.

Ogni volta che c'è una collisione sullo stesso frame, il range temporale
entro cui viene sorteggiato il back-off viene aumentato esponenzialmente. Si
inizia con 0-1 slot-time (lo slot-time è il tempo necessario per trasmettere
il più corto dei frame Ethernet); alla seconda collisione l'attesa è
di 0-3 slot-time; alla terza è di 0-7 e così via fino alla decima
(0-1023 slot-time di attesa), che rappresenta il massimo ritardo previsto. Se
dopo 16 tentativi il frame non viene trasmesso, viene scartato; spetta agli
strati superiori dei protocolli di networking decidere cosa fare.
Nel modello OSI (Open Systems Interconnection) dell'International
Organization for Standardization (ISO) gli strati, dal basso in alto, sono:
Fisico, Scambio dati (Data Link), Rete,
Trasporto, Sessione, Presentazione
e Applicazione.
Se un nodo riceve un frame più breve dei 64 byte minimi, lo scarta considerandolo
il residuo di una collisione. Il segnale di 32 bit che informa della collisione
deve giungere al nodo trasmittente prima che questo abbia trasmesso un intero
pacchetto, altrimenti nascono seri problemi (legati alla lunghezza delle connessioni
e ai tempi di trasmissione) che richiedon??°o una riorganizzazione della rete.

Segmentazione
La lunghezza dei cavi di una rete Ethernet è limitata da fattori come
attenuazione, sensibilità a interferenze e tempo di propagazione di un
frame. Nella versione originaria, inoltre, poteva trasmettere un solo nodo alla
volta, limitando ulteriormente il numero di nodi collegati.
Per ampliare la rete superandone i limiti fisici e riducendo la congestione,
la rete fu suddivisa in segmenti connessi da bridge, dispositivi
che, come dice il nome, fanno da ponte tra più segmenti di rete estendendo
le dimensioni della rete risultante senza un incremento di collisioni; infatti
un bridge trasferisce i pacchetti tra un segmento e l'altro solo se l'indirizzo
di destinazione non è locale. In questo modo le collisioni restano contenute
nei segmenti permettendo di espandere la rete complessiva.

Dai bridge agli switch
Oggi i bridge (e anche gli stessi hub) sono stati sostituiti dagli switch
(commutatori), che hanno progressivamente cambiato faccia a Ethernet trasformando
l'utilizzo del mezzo condiviso da bus, dove un solo nodo alla volta poteva trasmettere,
a rete commutata, dove i pacchetti inviati dal mittente al destinatario godono
di una connessione dedicata anziché essere distribuiti a tutti i nodi
del segmento.
Gli switch servono in primo luogo per collegare i diversi segmenti di
rete,
ottimizzando lo sfruttamento e la distribuzione della banda passante,
collegando anche centinaia di segmenti. In questo modo le collisioni vengono
progressivamente eliminate, migliorando le prestazioni. Se si utilizzano gli
switch fino al livello dei singoli nodi, ogni connessione diventa dedicata,
non ci sono più collisioni e la comunicazione può avvenire in
full-duplex (trasmissione e ricezione simultanee) raddoppiando la band??°a passante
totale.
A parte i potenti switch da migliaia di euro per distribuire i gigabit/secondo
tra decine di segmenti, un piccolo switch (o switching hub) da otto porte per
una rete domestica a 100 Mbps (Fast Ethernet) costa oggi poco più di
50 euro.

...continua

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