Le reti locali

(e cenni sulle reti non locali)

La crescente diffusione e distribuzione delle capacità elaborative, unite al basso costo di implementazione, ha permesso la nascita e lo sviluppo delle reti locali.

Nelle reti locali (ad oggi utilizzate) tutte le unità condividono lo stesso canale trasmissivo; quando una di queste lo occupa per la trasmissione, utilizza temporaneamente tutta la banda disponibile, nessun altra unità può quindi interferire. Le principali proprietà sono:
- velocità elevate, le più diffuse vanno da 10 Mbps a 100 Mbps
- basse probabilità di errori, per via delle estensioni ridotte
- alta affidabilità, se ben progettate possono operare anche in presenza di guasti o malfunzionamenti
- espansibilità, il numero di unità può crescere senza comportare cambiamenti significativi della rete
- basso costo.

Per via del fatto che le reti locali sono spesso nate privatamente e in modo sperimentale, gli standard non rispettano generalmente quanto emanato dagli organismi classici quali ISO. Tuttavia, per garantire un indirizzo nello sviluppo non proprietario esiste oggi l'associazione IEEE 802 composta da vari comitati, che si occupa, appunto, dello sviluppo di standard di trasmissione per reti LAN e MAN. Il cablaggio delle reti (realizzazioni fisiche) è invece risolto, oggidì, attraverso l'uso delle norme standard EIA/TIA 568 emanato dalle associazioni EIA (Electronic Industries Association) e TIA (Telecommunications Industries Associations).

Per la realizzazione di una rete LAN sono pertanto investite due problematiche:

• la struttura trasmissiva (protocolli, gestione collegamenti, ecc.), regolata dagli standard IEEE 802
• il cablaggio, regolato dalle norme EIA/TIA 568.

La struttura trasmissiva di una rete locale

La struttura di una rete locale è basata, così come il modello OSI, su una suddivisione in livelli, ma si occupa soltanto degli strati inferiori in quanto lo scopo è semplicemente quello di fornire un'interfaccia unificata verso il livello di rete. E' possibile, comunque identificare la corrispondenza con i livelli OSI:

Dunque il modello IEEE 802 divide i due livelli inferiori OSI in tre sottolivelli:

• il livello fisico, che specifica le caratteristiche dei segnali trasmessi sul mezzo fisico
• il livello MAC (Medium Access Control), che specifica le modalità di accesso al mezzo trasmissivo ed è caratteristico per ogni tipo di LAN; generalmente questo livello è implementato attraverso una struttura hardware detta scheda di rete
• il livello LCC (Logical Link Control), che è comune a tutte le reti in quanto unifica l'interfaccia verso il livello di rete; questo livello è generalmente realizzato attraverso software.

Il livello MAC. E' l'elemento centrale per un buon funzionamento della rete locale, poiché si occupa di gestire gli accessi multipli alla rete e quindi di garantire una trasmissione corretta e senza conflitti tra le unità. I protocolli di accesso possono essere classificati in due categorie: accesso multiplo casuale e deterministico. I protocolli più noti sono il CSMA/CD per l'accesso casuale, Token Passing per l'accesso deterministico.

Il livello MAC, così come il formato dei frame, caratterizza ogni tipologia di LAN. Tuttavia, nella composizione del frame, vi sono alcuni campi che sono presenti in tutti i formati indipendentemente dal tipo di rete locale. Questi campi sono:

• gli indirizzi delle unità mittente e destinatario, sono detti indirizzi a livello MAC
• il campo dati (di lunghezza variabile a seconda del tipo di rete)
• il campo FCS (Frame Control Sequence) contenente bit di ridondanza per riconoscere la presenza di eventuali errori nel frame.

Gli indirizzi qui considerati sono "universali" in quanto assegnati dai costruttori dei dispositivi: 24 bit sono destinati all'identificazione del costruttore, gli altri 24 bit (2²⁴ indirizzi) sono destinati all'identificazione dei singoli dispositivi. Sono possibili anche indirizzi a 16 bit ma in questo caso sarà il gestore della rete ad assegnare un indirizzo alle singole apparecchiature. 

A seconda del tipo di applicazione, inoltre, l'indirizzo di destinazione può essere di tre tipi: singolo (se indirizzato ad un singolo dispositivo), multicast (se indirizzato ad un gruppo di apparecchiature) e broadcast (se indirizzato a tutti i dispositivi). Quindi quando il livello MAC di un dispositivo riceve un frame, oltre ai controlli di routine per la convalida del frame ed al controllo di eventuali errori, si accerta dell'indirizzo di destinazione: se l'indirizzo del dispositivo è compreso nell'indirizzo di destinazione il frame viene inviato al livello superiore, altrimenti il frame viene scartato.

Il livello LLC. Il frame LLC, che è uniformato per tutte le LAN, comprende i seguenti campi:

in cui gli indirizzi LLC identificano i protocolli del livello di rete su cui si appoggiano le due reti locali mittente e destinatario.

I servizi forniti da questo livello possono essere: senza connessione e senza conferma (come il tipo datagram senza conferma della ricezione), con connessione logica (come i tipo a circuito virtuale), senza connessione con conferma.

Il cablaggio

Come già accennato ampiamente il mezzo trasmissivo costituisce il collegamento fisico tra gli elaboratori e le apparecchiature di rete.Per assicurare le migliori prestazioni il mezzo deve avere certe caratteristiche: poco dispersivo e dissipativo (quindi con bassi valori di resistenza, capacità ed induttanza), il più possibile indeformabile rispetto alla trazione (per evitare il deterioramento delle qualità di trasmissione).

I mezzi più usati sono: il doppino intrecciato in rame, il cavo coassiale (oggi quasi completamente abbandonato) e le fibre ottiche. Quando non è possibile effettuare il cablaggio si possono realizzare connessioni wireless che utilizzano onde radio o raggi infrarossi.

La rete Ethernet

Ethernet è la certamente la tecnologia LAN più utilizzata, soprattutto per il suo basso costo, anche se altre tecnologie sono in grado di comunicare in modo più sicuro, veloce e più a lunga distanza.

Ethernet fu creata nel 1976 da B. Metcalfe nel centro di ricerca Xerox (per condividere una stampante laser fra diverse unità) utilizzando il protocollo CSMA/CD. Vista la sua semplicità realizzativa e le elevate prestazioni il consorzio DIX (con digital, Intel e Xerox) elaborarono le specifiche della rete Ethernet a 10 Mbps. Successivamente il comitato IEEE 802.3 elaborò le specifiche di una rete basata sul protocollo CSMA/CD e molto simile alla rete Ethernet. Ad oggi si realizzano solo reti IEEE 802.3 per le quali si utilizza, in modo improprio, la denominazione di rete Ethernet.

La topologia è con bus condiviso ed il metodo di accesso multipli è carrier sense (anche se le collisioni non sono completamente evitate per via del fatto che il ritardo di propagazione sul bus non è nullo), per cui con una struttura completamente distribuita.

Il frame della rete 802.3 è formato dai seguenti campi:

in cui:
- il campo Preambolo è formato da tutti byte del tipo 10101010
- il campo SF è costituito dal byte 10101011 e delimita l'inizio del frame
- negli Indirizzi il primo bit identifica il tipo di trasmissione: se è 0 indica trasmssione ordinaria, se è 1 indica multicast (per broadcast nell'indirizzo di destinazione devono essere tutti 1)
- il campo Lunghezza Frame riporta la lunghezza in codice binario
- il campo Dati è variabile da 0 a 1500 byte
- il campo PAD serve per garantire la lunghezza minima del frame di 64 byte
- il campo FCS serve per il controllo sugli errori.

La codifica utilizzata è la Manchester nella quale, in ogni periodo di bit (intervallo temporale), si codifica una variazione dell'informazione attraverso il cambiamento di tensione. 

La codifica Manchester, assieme alla sincronizzazione delle unità e alla gestione del collegamento, è implementata attraverso un'interfaccia di rete realizzata su un'apposita scheda.

Alcune funzioni fondamentali sono svolte da:
-  transceiver o MAU (Medium Access Control Unit) che si collega da un lato alla scheda Ethernet, dall'altra al cavo di trasmissione e serve per trasmettere e ricevere i segnali lungo il canale, rilevare e notificare eventuali collisioni nel canale alle unità;
- ripetitore (repeater) che consente di superare i limiti fisici imposti dalla rete a causa dell'attenuazione dei segnali lungo il canale trasmissivo. Pertanto si occupa di ricevere, amplificare e ritrasmettere i segnali.

Il cablaggio Ethernet. Esistono varie tipologie di rete Ethernet basate principalmente sulle caratteristiche dei cavi di collegamento: 

• 10-Mbps Ethernet, che operano a 10 Mbps, tra cui possiamo distinguere 

  • 10Base2 (thin Ethernet), con cavo coassiale sottile (thin) di lunghezza massima di 200 metri, e con limitazioni sul numero e sulla distanza delle unità collegate

  • 10Base5 (thick Ethernet), con cavo coassiale più spesso e rigido (thick) e distanza massima di 500 metri (spesso utilizzata come dorsale in edifici), e con limitazioni sul numero e sulla distanza delle unità collegate

  • 10BaseT, che usa doppino intrecciato (Twisted-pair cable) di lunghezza massima di 100 metri ed ha una configurazione a stella

  • 10BaseF, che usa fibra ottica (Fiber) di lunghezza massima di 2 Km ed ha una configurazione a stella.

• 100-Mbps Fast Ethernet, che operano a velocità di 100 Mbps, e che racchiude diversi standard (TX con doppino telefonico, FX con fibra ottica, T4 con doppini telefonici quadruplicati)

• 1000-Mbps Gigabit Ethernet, che operano a velocità di 100 Mbps, e consentono operazioni in full duplex e half duplex.

Token Ring

I protocolli di tipo deterministico consentono di eliminare i problemi legati alle collisioni derivanti dall'accesso al mezzo trasmissivo, anche se questa caratteristica va a scapito della complessità di realizzazione della rete.

Alcune reti locali di questo genere, dapprima realizzate da IBM e poi standardizzate da IEEE 802, utilizzano la tecnica di accesso tramite un gettone o token, che sostanzialmente è una particolare sequenza binaria. Fra le varie configurazioni realizzate, quella che ha incontrato maggiore diffusione è basata su una struttura topologica ad anello e per questo è detta Token Ring.

Nella rete Token Ring ogni anello è connesso alla rete tramite un'interfaccia di rete detta MAU (Media Access Unit). Tali interfacce sono collegate a coppie (linee punto a punto) e determinano, così, la struttura ad anello che caratterizza la rete. Le MAU possono essere passive, se svolgono solo le operazioni di connessione e disconnessione alla rete, attive, se oltre alle funzioni di connessione amplifica i segnali ricevuti, parzialmente attive, se amplificano i segnali sono sulle porte di dorsale.

Le reti ad anello hanno le seguenti caratteristiche: non sono basate su un mezzo trasmissivo broadcast, non hanno una componente significativa per rilevare le collisioni, sono eque tra le unità collegate. L'interfaccia di rete può operare secondo due modalità: listen mode e transmit mode a seconda che sia in ascolto dei dati in arrivo dall'anello (ring) o che sia in fase di trasmissione di nuovi bit e quelli in arrivo vengono così rimossi. La codifica utilizzata è la Differential Manchester Encoding.

Il token circola in continuazione e viene catturato solo quando qualcuno vuole trasmettere (e poiché il token è uno solo l'accesso al mezzo si risolve senza alcun conflitto). La procedura seguita per la trasmissione è la seguente:
1) aspettare l'arrivo del token
2) rimuoverlo dall'anello (listen mode)
3) trasmettere i dati (transmit mode)
4) aspettare il ritorno dei dati inviati (che nel frattempo hanno raggiunto le destinazioni)
5) ritrasmettere il token (transmit mode)
6) rimettersi in listen mode.

Non ci sono limitazioni per la lunghezza dei dati inviati, ma solo per il token che non può avvalersi di più bit di quanti possano contenere insieme una linea di collegamento e il buffer (memoria temporanea) di un'interfaccia (tenendo conto che la velocità di propagazione del segnale nel rame è di circa 200 metri per microsecondo). Il token, inoltre, viene generato da una stazione "master" che si occupa di controllare la presenza di errori ed eventualmente di generarne uno nuovo.

Il Token è formato da tre campi, ciascuno di lunghezza di 1 byte

con le seguenti funzioni: SD (Start Delimiter) identifica l'inizio del token, AC (Access Control) contiene le informazioni necessarie per l'accesso all'anello, ED (End Delimiter) per identificare la fine del token.

Ogni unità deve leggere tutti i pacchetti e verificare se l'indirizzo di destinazione coincide con il proprio indirizzo, quindi riceverlo (e cambiare alcuni bit per palesarlo) e poi ritrasmetterlo all'unità mittente.

Il frame della rete Token Ring è costituito dai seguenti campi:

in cui SD e AC servono per identificare l'inizio del frame, Frame Control serve per controllare la funzione per cui è trasmesso il frame, Routing Information serve per contenere le informazioni necessarie per instradare il messaggio, FCS serve per contenere dei bit di controllo per rivelare eventuali errori nel frame, ED e Frame Status servono per identificare la fine del frame.

Nel cablaggio delle reti token ring si possono utilizzare i doppini telefonici (per velocità fino a 16 Mbps) o le fibre ottiche. In quest'ultimo caso la rete prende il nome di FDDI (Fiber Distributed Date Interface) e può operare a velocità di 100 Mbps su un'area anche di notevole estensione (decine di Km). La sua struttura comprende due anelli concentrici in fibra ottica che trasportano le informazioni in sensi opposti, anche se il secondo è utilizzato solo in caso di guasti sull'anello o sulle unità connesse.

Ulteriori componenti locali (e non)

I componenti che operano a livello fisico sono:

• Repeater. E' un dispositivo con 2 porte di ingresso/uscita che opera a livello fisico ripetendo e amplificando il segnale da una porta all'altra. Viene utilizzato per interconnettere due sottoreti nel caso in cui la distanza tra le due sia superiore alla lunghezza permessa al mezzo trasmissivo.
• Hub. E' un dispositivo multiporta per far comunicare più computer, ovvero una centralina di cablaggio che collega insieme tutti i cavi di una rete. Tale dispositivo crea il percorso fisico che il segnale deve seguire per passare da un cavo all'altro, fino a giungere alla scheda di rete di ciascun calcolatore. Sebbene il comportamento di un hub è specificato dalla tecnologia della rete, esso opera al livello dello strato fisico in quanto funge da semplice ripetitore dei segnali, senza apportarvi modifiche. Un hub permette, inoltre, di verificare facilmente eventuali guasti ai cavi di rete ed offre la possibilità di aggiungere o rimuovere un nodo senza disturbare le altre macchine.

I componenti che operano a livello Data Link sono: 

• Bridge. Due o più LAN possono essere connesse attraverso un dispositivo chiamato bridge, che si occupa di instradare solo il traffico destinato da una rete all'altra (che comunque appartengono alla stessa rete logica). Questo dispositivo opera a livello Data Link infatti, diversamente dall'hub, esamina i dati che lo attraversano e decide cosa trasmettere all'altra rete. In altre parole è in grado di filtrare il traffico passante (i frame danneggiati non sono ritrasmessi), anche se proveniente da LAN di tipo diverso ed anzi, in questo caso, risolve i problemi legati alla diversità delle regole utilizzate su ciascuna rete: formati e lunghezze diverse dei frame, data rate differenti, funzioni non previste in tutte le LAN (ad esempio la priorità dei frame).
  Ci sono due standard di bridge:
  - transparent bridge, che può eseguire le operazioni di smistamento in modo del tutto trasparente, creando tabelle di instradamento fra le varie LAN e aggiornandosi man mano anche sui cambiamenti fisici della rete;
  - source-routing bridge, dove il modo di operare è il più efficiente possibile, anche se non trasparente, in quanto in ogni trasmissione è il mittente che indica il percorso da seguire. Tuttavia questa modalità è caduta in disuso, o perlomeno i bridge attuali sono di tipo transparent con la funzionalità di source-routing come opzione supplementare.

• Switch. Sono degli hub con capacità di "bridging"; in pratica uno switch è un insieme di porte di comunicazione funzionanti come un bridge, cioè in grado di filtrare i dati (logicamente è come avere più bridge racchiusi in un'unità fisica). Gli switch usano delle aree di memoria (buffer) per registrare temporaneamente i frame, finché questi non vengono trasmessi; questo permette la conversazione e l'invio di più dati in un solo istante. Gli switch operano nello strato Data Link, non ripetono il segnale ricevuto a tutte le porte, ma solo a quelle interessate. Sono dispositivi più costosi degli hub e generalmente utilizzati solo nelle reti con notevole traffico.

I componenti che operano a livello Network sono: 

• Router. Tutte le unità collegate con hub, switch e bridge si trovano nello stesso dominio di trasmissione (broadcast domain), i cui confini sono determinati dai router. I router agiscono al livello di rete e quindi decidono in base alle informazioni contenute negli header del terzo livello. Il compito di un router è di stabilire se un pacchetto è destinato alla rete locale o ad una rete remota e di inoltrarlo secondo una tabella di indirizzi Ethernet, IP o altro, senza propagazione incondizionata del traffico. Normalmente è capace di inviare pacchetti tra reti dissimili sia nei protocolli che nella grandezza dei pacchetti. Il router multiprotocollo concettualmente è simile al bridge ma opera al livello di Rete, quindi con una visione molto più estesa della rete.
  Alcune differenze tra bridge e router sono le seguenti: i router sono indirizzati esplicitamente nella rete (i bridge attuali sono trasparenti); i router possono modificare i pacchetti a livello di rete (i bridge non possono modificare il campo dati); i router possono fornire informazioni sullo stato della rete; i router possono utilizzare livelli di priorità e realizzare tecniche di sicurezza; ecc.

Alcune tecnologie MAN e WAN.     

Le tecnologie utilizzate nelle aree geografiche differiscono molto spesso in maniera profonda dalle corrispondenti reti locali. Queste tecnologie sono state generalmente concepite tenendo in mente i carrier, a causa delle lunghe distanze, ed adottano le tecnologie multiplexing per convogliare più circuiti logici in un unico circuito fisico. A differenza delle LAN, i cui standard sono "forniti in scatola", le tecnologie WAN, che permettono l'uso di circuiti e la possibilità di avere alte quantità di traffico, vengono di solito noleggiate. Alcune fra le principali tecnologie sono:  

• Frame Relay, una tecnologia di comunicazione a media velocità (da 64Kbps a 2048 Kbps in Italia, in altri paesi è anche superiore), che usa i circuiti virtuali, ovvero percorsi bidirezionali definiti via software, presenti anche su un'unica connessione fisica. Esistono due tipi di circuiti: PVC (Permanent Virtual Circuit) e SVC (Switched Virtual Circuit) a seconda che i circuiti siano permanenti nel tempo oppure, in maniera molto più flessibile, impostati solo ad ogni richiesta di trasmissione. La filosofia sottesa al FR è quella di far compiere minori elaborazioni, e quindi di assegnare minori funzionalità, ai nodi di comunicazione;

• ATM (Asynchronous Transfer Mode), è uno speciale tipo di rete molto diffusa come dorsale di MAN e WAN, è stata progettata per gestire contemporaneamente il traffico dei dati, quello telefonico e quello video (inizialmente concepita per superare le limitazioni dell'ISDN a banda stretta) ed ha la caratteristica di essere una delle reti più veloci (può raggiungere 150 Mbps). ATM utilizza le celle anziché i frame nella trasmissione, ovvero pacchetti di 53 byte (la lunghezza è fissata a priori) e questo, sebbene produce una maggiore ridondanza degli header in termini percentuali (10%), permette la ricezione di dati importanti (come ad esempio un video in tempo reale) senza attendere pacchetti di 1500 byte molto meno importanti. Inoltre le reti ATM sono a commutazione di cella con circuiti virtuali. I vantaggi sono molteplici al pari della complessità e dei costi. La tecnica implementata in ATM è stata ripresa in molte tecnologie per l'allargamento di banda (ad es. l'ADSL); 

• SONET (Synchronous Digital Hierarchy), è una tecnologia realizzata principalmente per superare i  problemi di conversione tra i vari sistemi di trasmissione, e dunque per la loro unificazione. E' basato sul multiplexing a divisione di tempo su cavi a fibra ottica, e dunque è molto veloce. Utilizzato principalmente nelle reti delle aree metropolitane, può raggiungere velocità fino a 150 Mbps.