Il livello fisico nelle reti 802.3




Il livello fisico specifica le caratteristiche dell'hardware di rete:  mezzi trasmissivi, connettori, schede, apparati di networking, codifica dei segnali etc..


Mezzi trasmissivi

I mezzi trasmissivi ammessi nelle LAN 802.3 sono: Ad essi corrispondono gli standard:  

Codifica dei segnali e sincronizzazione

Nel 10BASET si usa un tipo di codifica chiamata Manchester. Il tempo di bit è diviso in due metà, ad 1 si fa corrispondere la transizione 1->0, a 0 la transizione 0->1. I livelli di tensione sono +0.85 V e 0.85 V. Il massimo numero di transizioni si ottiene inviando valori uguali.
La codifica secondo Manchester raddoppia la banda del segnale trasmesso

Nel 100BASETX (Fast Ethernet) la codifica dei segnali non può essere il Manchester perché raddoppierebbe la banda.
Il codice usato è noto come MLT-3 (Multi Level -3).


Come si vede, MLT -3 opera con tre livelli di tensione: positivo, 0, negativo. Ad un 1 corrisponde ciclicamente una transizione 0-positivo, positivo-0, 0-negativo, negativo-0, 0-positivo, etc.. Nel caso di bit 0 non si ha alcuna variazione del segnale.
Il numero massimo di transizioni è dato perciò dalla sequenza di 1.
La banda MLT-3 è pari ad un quarto della velocità di trasmissione e ciò rende tale codifica idonea per reti veloci come Fast Ethernet.
La codifica MLT-3 non mantiene però la sincronizzazione nel caso di sequenza di zeri.  Il problema viene risolto effettuando un’operazione di  ricodifica nota come 4B/5B: ogni sequenza  di 4 bit viene sostituita con una di 5 bit scegliendo fra le 32 possibili combinazioni  quelle   più ricche di transizioni.

CODIFICA 4B/5B

    Codice 4 bit

 Codice 5 bit
0000 11110
0001 01001
0010 10100
0011 10101
0100 01010
0101 01011
0110 01110
0111 01111
1000 10010
1001 10011
1010 10110
1011 10111
1100 11010
1101 11011
1110 11100
1111 11101

Il dispositivo che effettua questa operazione si chiama 4B/5B encoder.

 

Il livello fisico di 802.3 aggiunge al pacchetto MAC due ulteriori campi


 

 

10BASE2 (thin ethernet)

L' interfaccia fra la stazione e il cavo comprende la scheda di rete e il connettore a T tipo BNC che collega la scheda al bus. La scheda di rete comprende: Se la distanza fra due stazioni è maggiore di 185 m, vengono interposti dei dispositivi chiamati ripetitori (repeater).
I ripetitori: Il ripetitore introduce un ritardo pari qualche microsecondo e ciò tende a ridurre l'IPG. E’ necessario perciò porre un limite al numero dei ripetitori da inserire. La regola adottata, nota come 5-4-3, prevede fino a 5 segmenti con 4 ripetitori di cui tre popolati e due non.

 

Mezzi trasmissivi

I mezzi trasmissivi di 10BASET e 100BASET sono il doppino UTP  cat. 3 con banda 25 MHZ o l'STP. Nel 100BASET si utilizza invece UTP cat. 5 con banda 100 MHZ.  

Il cavo UTP è composto di due   fili di rame (tipicamente 1 mm)  isolati e intrecciati in forma elicoidale sui quali vengono inviati due segnali, ciascuno di ampiezza dimezzata rispetto al segnale originario, e in opposizione di fase. Questa modalità di trasmissione viene detta bilanciata, per distinguerla da quella sbilanciata in cui si usa un conduttore per ogni segnale, riferito ad un unico filo di massa Il vantaggio della trasmissione bilanciata è la riduzione dei disturbi e delle interferenze da campi elettromagnetici esterni.

Il cavo STP (Shielded Twisted Pair) è fatto in modo analogo ma la coppia di fili è schermata in modo da renderla più adatta ad essere utilizzata negli ambienti con interferenze elettromagnetiche.

 

 

 

CABLAGGIO 10BASET - 100/BASETx

10BASET e 100BASETX sono gli standard per il cablaggio a stella di una LAN a bus. La stella viene realizzata mediante dispositivii di rete chiamati HUB (letteralmente "perno").

               

L’HUB non cambia la topologia logica della rete; quando riceve un pacchetto lo smista a tutte le altre stazioni collegate, come accade nelle reti a bus, ma al contrario del cablaggio a bus in cui la rottura del cavo blocca il funzionamento della rete, esso è in grado di bypassare la stazione nel caso in qui questa perda il collegamento con la rete. Inoltre è possibile in qualsiasi momento aggiungere o togliere stazioni alla rete senza interrompere il collegamento delle altre.  Il transceiver della scheda di rete infatti  invia periodicamente all’HUB un segnale, chiamato TP_IDL, che notifica all'HUB l'integrità del collegamento. Se L'HUB non lo riceve entro uno specifico timeout, bypassa la stazione collegata.  

Il transceiver interrompe la trasmissione se il pacchetto supera la lunghezza massima consentita (Jabber)

Il collegamento fra la scheda di rete e HUB viene effettuato mediante due doppini, uno per la ricezione l’altro per la trasmissione dei pacchetti. 

Il cavo UTP contiene 4 coppie di fili di colore diverso: 

bianco-arancio/arancio 

bianco-verde/verde

bianco-blue/blue

bianco-marrone/marrone

Il filo a due colori trasporta T+ o R+, quello a colore unico T- o R-.  Di queste 4 coppie se ne devono utilizzare solo due disponendo i fili secondo un certo ordine.  Lo standard prevede due regole: TIA/EIA T568A e TIA/EIA T568B. 

La più usata è la T568B, descritta nella tabella seguente mentre nella figura figura successiva vengono illustrati i due standard.

 

Le regole di accoppiamento dei fili ai due estremi della connessione sono due: dritto (straight cable) e incrociato (cross-over cable).  

Quale usare dipende esclusivamente dai dispositivi che si devono collegare:

Nel cavo dritto i colori devono corrispondere agli stessi pin nei due connettori. Per es il bianco arancio deve stare al pin 1 in entrambi i connettori.

HUB Pin Colore cavo Pin PC
TX+ 1 Bianco/Arancio 1 TX+
TX- 2 Arancio 2 TX-
RX+ 3 Bianco/Verde 3 RX+
  4 Blu 4  
  5 Bianco/Blu 5  
RX- 6 Verde 6 RX-
  7 Bianco/Marrone 7  
  8 Marrone 8  

 

Nel cavo incrociato invece colori devono corrispondere come indicato in figura:

                                    

 

 
HUB PIN colore PIN HUB
TX+ 1 bianco-arancio 3 RX+
TX- 2 arancio 6 RX-
RX+ 3 bianco-verde 1 TX+
RX- 6 verde 2 TX-

 

Fra dispositivi simili si usa sempre il cavo incrociato.

La lunghezza massima del cavo è fissata a 100 m con UTP, 500 m con STP.
(Naturalmente bisogna tenere conto dell'andata e del ritorno, quindi in termini di distanza sono 50 m).  

Il connettore è l' RJ - 45

Nel cablaggio a stella la collisione fra i pacchetti non è fisica ma logica: essa si verifica quando più stazioni inviano contemporaneamente dati all’HUB. La segnalazione della collisione avviene ogni qualvolta viene rilevata simultaneamente la presenza di dati in ricezione e in trasmissione.
L’HUB svolge anche la funzione di ripetitore.
Se è necessario collegare stazioni a distanza maggiore dall'HUB, si devono inserire più HUB in cascata. 

Nel 10BASET la regola di cablaggio è sempre il 5-4-3: si possono collegare in cascata fino a 4 HUB, creando 5 segmenti, di cui tre popolati e due no.

Nel 100BASETX  la regola 5-4-3 non è più valida: si possono collegare al massimo due HUB con una distanza massima fra due macchine di 205 m. (regola del 2-1)

 

Le LAN estese

Al crescere del numero di stazioni e/o del volume di traffico, aumenta la probabilità di collisione e ciò conduce ad un degradamento delle prestazioni della rete. La soluzione adottata in questo caso consiste nel segmentare la rete in modo da creare più domini di collisione. 

I dispositivi di rete utilizzati a questo scopo  sono il bridge e lo switch, due dispositivi che operano al livello 2 della pila OSI. 

Bridge e switch hanno un funzionamento simile.  Il bridge connette due LAN e inoltra solo i pacchetti diretti da una LAN all'altra confinando così il traffico interno esclusivamente alla LAN d'appartenenza.

Lo switch funziona allo stesso modo ma può collegare più LAN:  esso inoltra il pacchetto in arrivo su una porta "solo" verso la porta a cui appartiene la macchina cui il pacchetto è destinato. 

Lo switch comunque fornisce altre  funzionalità molto sofisticate come le Virtual LAN. 

 

 



Se colleghiamo una porta dello switch ad un HUB la rete controllata dall'HUB diventa un segmento con il proprio dominio di collisione. Questo dà la possibilità ridurre il traffico e aumentare la larghezza di banda. Si possono realizzare così LAN estese comprendenti molti nodi, a patto naturalmente di segmentare la rete secondo criteri opportuni.
Per esempio se colleghiamo lo switch con una singola stazione (microsegmentazione) , non essendoci collisioni, realizziamo una comunicazione full duplex punto-punto (full duplex link). Questo è tanto più utile se la stazione è un server, che di solito gestisce una parte considerevole del traffico mono/bidirezionale.
Un collegamento full duplex garantisce risposte più rapide ai vari client.

 
Lo switch  inoltra i pacchetti utilizzando una serie di tabelle (switching table) in cui è riportata la corrispondenza porta-indirizzo MAC (switching table). Il meccanismo di apprendimento è automatico e procede in questo modo:


Le operazioni di inoltro dei pacchetti si possono svolgere secondo tre diverse modalità:
La soluzione adottata dipende dal tipo di switch.
Alcuni switch utilizzano lo switching adattativo: lo switch monitora il traffico della rete e adotta dinamicamente una delle tre tecniche.
Un altro problema è costituito dal controllo del flusso sulle porte. Lo switch deve evitare che il traffico in entrata su una sua porta si faccia troppo intenso da saturare i buffer di ricezione, il che lo costringerebbe a scartare i pacchetti in arrivo.
La tecnica comunemente usata in questo caso è simulare una collisione sulla porta congestionata in modo da costringere la stazione a sospendere la trasmissione.