01. Ethernet

Le origini

Le reti Ethernet presero forma alla fine degli anni 70 e standardizzate nei primi anni 80 con il documento IEEE 802.3. La velocità di trasferimento era di circa 10 Mb/s (standard 10Base5).

Era una rete a bus, realizzata su un cavo coassiale. Il collegamento dei dispositivi sul cavo era possibile grazie ad un transceiver, una spina a vampiro che forava la guaina del cavo fino a raggiungere l'anima interna.

I cavi coassiali erano di colore giallo e per questo in gergo si usava il termine giallone per indicarli.

In quegli anni il principale concorrente di questa tecnologia era la rete token ring che per molti era da preferire.

Il cavo coassiale, rigido e spesso, doveva essere steso senza interruzioni per l'intero ufficio prevedendo già i punti in cui inserire i transceiver, che dovevano coincidere con la posizione dei computer da collegare.

A livello fisico, la rete era di tipo broadcast e quindi i pacchetti raggiungevano tutti i nodi presenti nella rete.

Una importante evoluzione della rete si ebbe quando furono introdotti gli hub Ethernet, dispositivi in grado di trasformare la topologia della rete da bus a stella, mantenendo inalterato il funzionamento di base che continuava ad essere broadcast.

Gli hub sono dei ripetitori di segnale che operano a livello fisico.

L'uso di questi dispositivi nelle reti Ethernet è deprecato dal 2011, a vantaggio degli switch Ethernet che operano a livello 2 della pila OSI e che garantiscono prestazioni superiori.

Gli switch sono dispositivi in grado di implementare la commutazione di circuito virtuale e di ridurre drasticamente la problematica delle collisioni dei pacchetti.

Gli standard attuali

Per uso domestico e negli uffici, gli standard di riferimento sono Fast Ethernet (operante a 100 Mbit/s) e Gigabit Ethernet (con una velocità di 1000 Mbit/s).

In prospettiva vi è 10 Gigabit Ethernet su rame che al momento non è diffusa.

Per implementare LAN di questo tipo occorre che vi sia piena compatibilità tra tutti gli elementi che intervengono:

  • Schede di rete

  • Switch

  • Cavi UTP o STP nella giusta categoria (indicate con cat 5, cat 6 ecc.).

I cavi destinati alle reti sono classificati in base alla velocità che sono in grado di supportare:

  • CAT 5: velocità massima di 100 Mbps (Fast Ethernet)

  • CAT 5e: velocità massima di 1000 Mbps (Gigabit Ethernet)

  • CAT 6: velocità fino a 10 Gbps con larghezza di banda fino a 250 MHz

  • CAT 6a: miglioramento della CAT 6, con un raddoppio di banda fino a 500 MHz

  • CAT 7: velocità di 10 Gbps con larghezza di banda sino a 600 MHz.

La crimpatura dei cavi (cioè l'innesto dei connettori sui cavi) si effettua con un'apposita pinza (detta crimpatrice) seguendo appositi schemi (standardizzati dall'ANSI) che stabiliscono la posizione di ciascun filo all'interno del connettore.

Ulteriori evoluzioni prevedono l'uso della fibra ottica che consente di coprire una distanza di decine di chilometri e si presta anche per l'implementazione delle WAN. Gli standard di riferimento per la fibra sono 10 Gigabit Ethernet e 100 Gigabit Ethernet.

Può capitare che in una struttura di grandi dimensioni un tratto della rete sia coperto in fibra (ad esempio per il collegamento di due edifici distanti) e la restante parte in rame.

In questo caso per passare da una tipologia di connessione all'altra si usa un dispositivo detto media converter.

Un media converter rame-fibra consente di congiungere segmenti di rete basati su fibra ottica a segmenti basati su rame

Il frame Ethernet

Nel tempo sono state sviluppate differenti tipologie di frame Ethernet. Attualmente il più diffuso è il frame versione 2 (detto anche frame II tipo o anche DIX) il cui tracciato è il seguente:

Un frame Ethernet di tipo II può avere una dimensione variabile, compresa tra un minimo di 64 byte ad un massimo di 1518 byte.

Il pacchetto inizia sempre con un preambolo che controlla la sincronizzazione tra mittente e ricevente e uno Start Frame Delimiter (SFD) che definisce l'inizio del frame.

Nell'header compaiono gli indirizzi del mittente e del destinatario (formato MAC) e informazioni di controllo, seguiti dal payload (i dati da trasmettere).

Il frame termina con un checksum per il controllo degli errori, calcolato sull'intero frame (ad esclusione del preambolo, del campo SFD e del checksum stesso) come CRC a 32 bit.

Dopo ogni pacchetto segue una pausa di trasmissione (Inter Frame Gap) di 9,6 µs (microsecondi).

L'indirizzo è assegnato al dispositivo in fabbrica in modo permanente. E' tuttavia possibile modificarlo in modo temporaneo via software (questa pratica è detta MAC spoofing ed è attuata da chi, a qualsiasi titolo, ha la necessità di mascherare la propria identità).

Di norma il MAC è rappresentato in esadecimale tramite 6 coppie di cifre separate da due punti o il segno meno (una coppia di cifre esadecimali corrisponde esattamente ad un byte).

L'indirizzo MAC FF:FF:FF:FF:FF:FF ha un particolare significato e corrisponde all'indirizzo di broadcast; questo significa che assegnando tale indirizzo come indirizzo del destinatario il frame è indirizzato a tutti i dispositivi sulla rete locale.

Per una rete connessa ad Internet normalmente la MTU è 1500 Byte e corrisponde al payload del frame Ethernet.


Il protocollo CSMA/CD

Nella rete Ethernet non esiste un arbitro degli accessi bensì un meccanismo in base al quale le singole stazioni di lavoro si "autodisciplinano", astenendosi dal trasmettere quando qualcun'altra lo sta già facendo. Tecnicamente questo sistema prende il nome di CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection - accesso multiplo a rilevazione di portante con segnalazione di collisione).

La prima azione che qualsiasi scheda d'interfaccia esegue prima d'iniziare a trasmettere consiste nell'ascoltare se qualcuno lo sta già facendo, analizzando lo stato della portante (carrier). Nel caso qualcuno stia trasmettendo, sul cavo sarà presente il segnale della portante e il canale di conseguenza si intenderà già occupato.

Un computer che volesse trasmettere e rileva tale stato desiste e tenta di ritrasmettere successivamente.

L'accesso alla rete è multiplo, perciò tutte le stazioni hanno la stessa facoltà di trasmettere a condizione di accertarsi prima che la linea sia libera, operazione che possono eseguire tutte le stazioni in contemporanea.

Supponiamo, a questo punto, che due stazioni siano pronte a trasmettere e che abbiano trovato la linea libera. La trasmissione parte nello stesso momento e quella della prima inevitabilmente collide con quella della seconda, provocando l'ingarbugliamento del segnale elettrico e l'impossibilità di riconoscere i bit che vi erano contenuti. Se non esistesse nessun sistema che segnalasse l'avvenuta collisione, le due stazioni continuerebbero a trasmettere i rispettivi messaggi per intero, nella convinzione che questi arriveranno a buon fine.

Per questo motivo i progettisti hanno inserito nella scheda d'interfaccia un ulteriore circuito che rimane sempre in ascolto, anche quando la scheda medesima sta trasmettendo, per verificare che non siano avvenute collisioni. Il circuito in sé non è complesso, infatti tutto quel che deve verificare è l'esistenza di valori di tensione superiori alla norma. In caso di collisione, infatti, i segnali elettrici delle due stazioni si mescolano e finiscono anche per sommarsi, perciò la tensione risultante che circola in rete è maggiore. Non appena la collisione viene rilevata, le schede d'interfaccia di entrambe le stazioni non interrompono immediatamente la trasmissione, ma continuano a inviare bit fino a raggiungere la dimensione minima di un pacchetto di 64 Byte (512 Byte sulle reti Giga Ethernet). Questo per fare in modo che anche tutte le altre macchine sulla rete si accorgano che la collisione è in corso e che la rete venga momentaneamente bloccata. A questo punto la trasmissione è interrotta e le stazioni attivano un timer di durata casuale prima di ritentare la trasmissione. Il fatto che il timer sia casuale evita (in termini probabilistici) che entrambe ripartano nello stesso istante, causando una nuova collisione.

Nella realtà le collisioni possono avvenire per svariate ragioni e sono più frequenti di quello che a prima vista potrebbe sembrare, riducendo la reale velocità di trasferimento sulla rete.

Le reti broadcast risentono molto della problematica delle collisioni mentre esso è mitigato in presenza di switch, dispositivi in grado di ridurre il dominio di collisione.

Il dominio di collisione è quella parte della LAN sulla quale tutti i nodi presenti rilevano eventuali collisioni.


WOL

Wake on LAN (WoL) è uno standard Ethernet che consente di avviare, da una postazione remota, un computer che si trova in uno stato di standby, a patto di conoscerne l'indirizzo MAC.

Perché tale meccanismo funzioni, sia la scheda madre che la scheda di rete del computer devono supportare tale meccanismo. In particolare deve essere supportato il PME (Power Management Events) in modo che le schede PCI possano scambiare segnali anche a computer spento.

I pacchetti Ethernet che attivano la "sveglia" sono detti Magic Packet. Il Magic Packet è in sostanza un frame broadcast contenente una sequenza di byte così composta:

    • 6 byte a valore fisso (FF FF FF FF FF FF);

    • 6 byte contenenti l'indirizzo MAC del computer da "svegliare" ripetuti 16 volte;

    • un campo password opzionale che può essere assente, lungo 4 bytes o 6 bytes.

Poiché il Magic Packet è valido se contiene la sequenza suddetta, a prescindere dalla posizione occupata, esso è indipendente dal protocollo di più alto livello che lo trasporta. Normalmente Il Magic Packet è il payload del protocollo UDP.

Mentre WoL non ha problemi ad essere utilizzato su una LAN (dove i messaggi di broadcast sono sempre ammessi), vi sono delle difficoltà ad utilizzare il meccanismo attraverso Internet perché i messaggi di broadcast normalmente non sono ruotati dai router.

Per ovviare a ciò occorre agire a livello di router con opportune configurazioni (è richiesto che il router supporti il Subnet Directed Broadcasts, SDB).

Note:

La maggior parte dei computer di recente produzione supporta il WoL, tuttavia tale meccanismo deve essere abilitato a livello di BIOS e di scheda di rete (tramite il Sistema Operativo).