3 H2 N Parte3

Parte 3

Modulo 7:
Topologie di connessione
per LAN wired

Contesti applicativi delle LAN
• Utilizzano tecnologie e architetture ormai ben
consolidate e relativamente poco costose
• Sono estremamente diffuse e le tecnologie
trovano applicazione in contesti diversi:
– Personal LAN a basso costo e capacità limitata
– contesti Small Office – Home Office (SOHO), dove si
collegano pochi PC e qualche dispositivo di rete
(stampante, lettori CD/DVD, access point WiFi, ecc.)
– Back-end network
– Storage Area Networks
– fino a backbone LAN dove si realizzano reti LAN di
grandi dimensioni collegando varie LAN tra loro (tipico
esempio: campus universitario)
Protocolli e Architetture di Rete 2009/2010 – Livello H2N 3.119

1

Back end LAN + Backbone LAN
• Le LAN che costituiscono gli elementi fondamentali di
accesso a Internet sono dette back end LAN e possono
essere collegate mediante backbone LAN
• Le back end LAN realizzano sistemi (dipartimentali) di
medie dimensioni, interconnettendo server, dispositivi di
storage, PC, ecc., con le seguenti caratteristiche:
– Media-alta capacità di traffico (tipicamente 100 Mbps o 1 Gps)
– Accessi distribuiti
– Distanza limitata tra i componenti
– Costi ridotti
• Le backbone LAN servono per interconnettere diverse
back end LAN e devono garantire:
– Affidabilità
– Elevata capacità di traffico (tipicamente, 1 Gbps o 10 Gps)


Storage Area Network (SAN)
• Utilizzate per separare le esigenze di storage da quelle dei
server
• Si condividono dispositivi di storage anche di grandi
capacità (hard disk, tape library, CD array, …)
• Architetture
fondamentali per
realizzare sistemi
di backup


2

Topologie per LAN
• Albero

• Bus

• Anello

• Stella


Topologie per LAN


3

Topologia a bus
• È il metodo più semplice di connettere in rete degli host
(schema originale di Ethernet). Consiste di un singolo
cavo (chiamato dorsale o segmento) che connette in
modo lineare tutti gli host
• I messaggi sono inviati a tutti gli host come segnali
elettrici e vengono accettati solo dall’host il cui indirizzo
MAC è contenuto nel segnale di origine
host

adattatore


Topologia a bus

• I dati trasmessi da un host, se non vengono
interrotti, viaggiano da un capo all’altro del cavo,
rimbalzano e tornano indietro impedendo ad altri
host di inviare segnali
• A ciascuna estremità del cavo viene applicato un
componente chiamato terminatore che assorbe i
dati liberi rendendo disponibile il cavo per l’invio di
altri dati
• Se un cavo viene tagliato o se uno dei capi viene
scollegato, e quindi uno o più capi sono privi di
terminatore, i dati rimbalzeranno interrompendo
l’attività su tutta la rete (rete inattiva)

4

Modalità per trasmissione su bus
1. L’host C si appresta a
spedire un frame a A

2. L’host B riceve il frame,
ma non essendo diretto a
lui, lo ignora e lo inoltra

3. L’host A riceve il frame e
lo inoltra


Topologia ad anello
• Gli host sono connessi tramite un unico cavo
circolare privo di terminatori
• I segnali sono inviati lungo il circuito chiuso
passando attraverso ciascun host che funge da
ripetitore e ritrasmette il segnale (se non è il
destinatario) host
Alternativa (storica)
di Ethernet:
Token Ring, dove adattatore
il possesso del
token determinava il
diritto di un host a
trasmettere un frame

5

Modalità per trasmissione su anello
1. L’host C si appresta a spedire
un frame a A

2. L’host B riceve il frame, ma non
essendo diretto a lui, lo ignora e
lo inoltra

3. L’host A riceve il frame e lo
inoltra

4. L’host A “assorbe” il frame che
ha immesso nella rete


Topologia a stella

• Gli host sono connessi ad un componente centrale: i
messaggi da qualunque mittente a qualunque destinatario
sono inviati attraverso tale componente
• La maggior parte delle reti Ethernet moderne sono
progettate con topologia a stella

host

adattatore


6

Topologia a stella

• Nel caso di interruzione di uno dei cavi di
connessione di un host al componente centrale,
solo quell’host verrà isolato dalla rete
• In caso di mancato funzionamento del componente
centrale saranno interrotte tutte le attività di rete
• Elevato traffico sul componente centrale

• Ethernet 10BaseT (con doppino in rame, rate 10
Mbps)
• Ethernet 10BaseF (con fibra ottica, rate 10 Mbps)
• Ethernet 100BaseT o “Fast Ethernet” (con doppino in
rame, rate 100 Mbps)

Parte 3

Modulo 8:
Interconnessione di LAN

7

Interconnettere LAN
• Perché non creare un’unica grande LAN
quando vi sono da interconnettere molti host?

• Motivazioni
– Sarebbe possibile supportare una quantità limitata di
traffico: su una singola LAN, tutte gli host devono
condividere la stessa larghezza di banda
– Lunghezza limitata: lo standard 802.3 specifica la
massima lunghezza del cavo
– Ci sarebbe un unico grande “dominio di collisione”
(ciascun host può collidere con molti host)


Apparati di rete
• Esitono diversi apparati di rete dipendenti da:
– topologia di interconnessione degli host
– numero degli host collegati
– efficienza delle comunicazioni (anche in
funzione del traffico previsto)


8

Tipi di apparati di rete

• Hub

• (Bridge)

• Switch

• Switch di livello 3


Hub
• Dispositivo di livello fisico dotato di due o più
interfacce. Essenzialmente, è un ripetitore che opera
a livello di singoli bit:
 ripete i bit ricevuti su una interfaccia a tutte le altre
interfacce
• Ogni nodo connesso costituisce un segmento di LAN

Hub


9

Vantaggi degli hub
• Dispositivi semplici ed estremamente economici
 E’ la tecnologia migliore per piccole LAN con
poco traffico (small office – home office)
• Estende la massima distanza fra coppie di nodi
(con doppino: 100m fra host e hub  200m tra
due host)
• Trasparente: non necessita di alcun
cambiamento agli adattatori LAN degli host
• Confinamento dei guasti: un guasto su un
segmento di LAN non impedisce il traffico sugli
altri segmenti

Svantaggi degli hub
• Gli hub non isolano il dominio delle collisioni (non
implementano la rilevazione della portante):
 il traffico di un host può collidere con il traffico di
ogni altro host che risieda in un qualsiasi segmento
della LAN collegato all’hub

• In pratica, dal punto di vista del traffico, una LAN
collegata mediante hub è equivalente ad una
topologia a bus (non è equivalente per i guasti a
livello di segmento)


10

Limiti (generali) di Ethernet
• Ciascuna tecnologia Ethernet ha limitazioni
relative a:
– numero massimo di host consentiti in un dominio di
collisione
– massima distanza fra due host in un dominio di
collisione
– massimo numero di livelli in uno schema multi-livello

• Queste caratteristiche limitano sia il massimo
numero di host collegabili, sia il raggio di
azione geografico di una LAN multilivello


Gerarchie di hub
Gli hub possono anche essere organizzati in gerarchie
(o design multi-livello), con un hub di backbone
(dorsale) al vertice e vari hub che interconnettono
singole LAN

Dip. di Ingegneria Informazione Dip. Ingegneria Meccanica Dip. Ingegneria Materiali

11

Design multi-livello con hub
PRO
– Fornisce confinamento dei guasti: se un hub funziona
male, viene disconnesso dall’hub di livello superiore e
le altre porzioni della LAN continuano a funzionare
CONTRO
– Singoli domini di collisione diventano un unico dominio
di collisione
– L’unico dominio di collisione impedisce l’aumento della
capacità di traffico trasmettibile (la stessa di quella
trasmettibile su un singolo segmento di LAN)
– Generalmente NON si possono connettere tipi differenti
di Ethernet (es., 10BaseT e 100baseT) perché non è in
grado di effettuare il buffering dei frame

Bridge
• Dispositivo di livello 2 (link layer)
• Opera a livello di frame Ethernet, esaminando
l’header dei frame ed inoltrandoli selettivamente,
sulla base dell’indirizzo MAC della loro
destinazione
• Quando un frame deve essere inoltrato su un
segmento di LAN, il bridge usa il protocollo
CSMA/CD (con attesa esponenziale) per
trasmettere


12

Hub e Bridge/Switch
• Un bridge è “più intelligente” di un hub perché è in
grado di andare a leggere l’indirizzo del
destinatario all’interno di un frame che gli arriva

• Un bridge svolge funzioni di filtraggio: dato che è
in grado di capire il MAC address del destinatario,
manda il pacchetto solo sulla porta di uscita su cui
sa che c’è il destinatario


Hub e Bridge/Switch


13

Tipica architettura
• Un bridge può essere utilizzato per realizzare
LAN multi-livello con diversi vantaggi rispetto
all’utilizzo di un hub di backbone

Bridge

Dip. di Ingegneria Informazione Dip. Ingegneria Meccanica Dip. Ingegneria Materiali


Vantaggi dei bridge
• Isola i domini di collisione producendo un
aumento del massimo throughput totale, e non
limita il numero degli host, né la copertura
geografica

• Può connettere tipi diversi di Ethernet dal
momento che è un dispositivo store-and-forward

• Trasparente: non necessita di alcun cambiamento
agli adattatori LAN degli host


14

Filtraggio ed inoltro dei frame
• Filtraggio dei frame
– I frame destinati ad host dello stesso segmento non
sono inoltrati sugli altri segmenti della LAN
– Il meccanismo di filtraggio consente di aumentare
sensibilmente il traffico sulla rete: se, ad esempio, in
ciascun segmento di LAN il traffico è prevalentemente
locale, la capacità complessivamente disponibile è pari
a quella di ciascun segmento moltiplicata per il numero
dei segmenti
• Inoltro dei frame
– Come si fa a sapere qual è il segmento di LAN su cui
deve essere inoltrato un frame?


Metodi di filtraggio e inoltro
• I bridge imparano quali host possono essere raggiunti
attraverso quali interfacce
– Mantengono delle tabelle di filtraggio costruite automaticamente
senza bisogno dell’intervento di amministratori di rete
– Quando viene ricevuto un frame, il bridge “impara” la locazione del
mittente
– Registra la locazione del mittente nella tabella di filtraggio

• Record per la tabella di filtraggio:
– Indirizzo MAC dell’host, Interfaccia del Bridge, Time-To-Live (TTL)
che è il periodo di validità delle informazioni memorizzate nella
tabella di filtraggio
– Record vecchi nella tabella di filtraggio vengono scartati (TTL può
essere configurato a 60 minuti)


15

Procedura di filtraggio
if (destinazione è sulla LAN dalla quale il frame è stato
ricevuto)
then elimina il frame;
else
{ guarda nella tabella di filtraggio;
if (trovi un record per la destinazione)
then inoltra il frame sull’interfaccia indicata;
else flooding;
/* inoltra il frame a tutte le interfacce tranne
quella da cui il frame è arrivato*/
}


Autoapprendimento: esempio
Si supponga che C mandi un frame a D e D risponda
con un frame a C

C manda un frame, il bridge non ha informazioni su D, così
inoltra su entrambe le LAN 2 e 3
 Il bridge nota che C è sulla porta 1
 Il frame è ignorato nella LAN 3
 Il frame è ricevuto da D

16

Autoapprendimento: esempio (2)

C
C 11

D genera la risposta per C, manda il suo frame
 Il bridge vede un frame da D

 Il bridge nota che D è sull’interfaccia 2

 Il bridge sa che C è sull’interfaccia 1, così inoltra

selettivamente il frame attraverso l’interfaccia 1

Autoapprendimento: svantaggio
• Se si sposta l’host A dalla LAN 1 alla LAN 3, su
quale interfaccia lo switch inoltra i frame?
– I frame sono inoltrati sul segmento di LAN sbagliato (1)
fino a quando l’host A non invia il primo frame (modifica
tabella di filtraggio) o fino allo scadere del TTL per la
entry relativa ad A (cancellazione della entry dalla tabella)

Di solito (es., nei
sistemi Windows) ogni
host che si collega alla
rete manda un frame
per avvisare della sua
presenza
C
C 11

17

Esempio: instradamento
fra più reti locali interconnesse
Il nodo A della LAN di
Matematica vuole Bridge
comunicare col nodo B
della LAN di Ingegneria

B

A

Matematica Fisica Ingegneria

Esempio (2)
Bridge

1. Il nodo A spedisce all’HUB
un pacchetto destinato a B
2. L’HUB rispedisce il A E
pacchetto che gli arriva da
A su tutte le altre porte HUB
3. Il pacchetto arriva quindi ai D
nodi C, D, E e al BRIDGE

C
Matematica


18

Esempio (3)
Bridge
4. Tutti i nodi guardano il
MAC address del
destinatario
5. I nodi C, D ed E vedono A E
che il pacchetto non è per
loro e lo scartano HUB
6. Il BRIDGE invece capisce D
che quel pacchetto è per
un nodo della LAN di
Ingegneria C
Matematica


Esempio (4)

7. Il BRIDGE spedisce il pacchetto
solamente verso l’HUB di Ingegneria e Bridge
non verso l’HUB di Fisica (filtraggio)

B
A

Matematica Fisica Ingegneria

19

Esempio (5)
8. L’HUB di Ingegneria manda Bridge
il pacchetto a tutti i nodi di
Ingegneria
9. Il pacchetto arriva quindi ai X B
nodi X, Y, Z ed al nodo B
10.Il nodo B capisce che il
pacchetto è per lui e lo HUB
Z
legge
11.Tutti gli altri nodi vedono
che il pacchetto non è per
Y
loro e lo scartano
Ingegneria


Affidabilità delle LAN
• Per aumentare l’affidabilità di una rete, è
desiderabile avere ridondanza ovvero cammini
alternativi dalla sorgente alla destinazione
• Però, con cammini multipli possono crearsi dei
cicli e conseguentemente i bridge potrebbero
moltiplicare e inoltrare frame

Soluzione  Spanning tree


20

Spanning tree
• Lo spanning tree è un sottoinsieme della topologia
originaria che non contiene cicli
• Si può organizzare l’architettura di bridge e hub in uno
spanning tree disabilitando un sottoinsieme di interfacce
• La riattivazione, in caso di necessità, è una semplice
operazione di riconfigurazione software
Disabilitata


LAN con percorsi alternativi
• Lo spanning tree è
un sottoinsieme della
topologia originaria
che non contiene cicli
• Si può organizzare
l’architettura di bridge
e hub in uno spanning
tree disabilitando un
sottoinsieme di
interfacce


21

Switch

• Sono in pratica dei bridge ad
alte prestazioni con molte
interfacce (almeno 8)
– Inoltro di frame a livello 2
– Filtraggio utilizzando indirizzi MAC
• Spesso lo switch è usato con
singoli host con gli host
interconnessi a stella mediante
lo switch (in alternativa all’uso
di un hub)


Dispositivo switch 10/100


22

Switch: vantaggi (1)
• Come nel caso dei bridge, a differenza del caso
degli hub, consentono un’architettura Ethernet
senza collisioni (accesso dedicato e full duplex)
• Esempio di switching:
– Traffico tra A-B e tra A’-B’
simultaneo, senza collisioni


Switch: vantaggi (2)
• Consentono la combinazione di interfacce eterogenee
(10/100/1000 Mbps) condivise (shared) e dedicate
• Consentono la realizzazione di architetture abbastanza complesse

10Base2 hub 10BaseT hub 100BaseT hub

Dip. di Ingegneria Informazione Dip. Ingegneria Meccanica
Protocolli e Architetture di Rete 2009/2010 – Livello H2N Dip. Ingegneria Materiali 3.163

23

Tipi di commutazione per switch
• Switch con commutazione store-and-forward
– Quando un frame è instradato attraverso un commutatore store-
and-forward, è raccolto e immagazzinato nella sua totalità prima
che il commutatore inizi a trasmetterlo sulla linea di uscita

• Switch con commutazione cut-through
– Il frame è inoltrato dalla porta di input dello switch a quella di output
senza aspettare che tutto il frame sia arrivato al commutatore
– E’ sufficiente che sia giunta la parte del frame contenente l’indirizzo
di destinazione e che il canale di uscita sia libero
 PRO: miglioramento delle prestazioni
 CONTRO: possibile inoltro di frame “difettosi” (non c’è
possibilità di verificare la correttezza del byte di controllo)


Hub e switch

Hub (mezzo condiviso)

Switch (routing a livello 2)


24

Bridge e switch
• Lo switch può essere visto come un hub full-duplex che
incorpora logiche per operare come un bridge multi-porta
• Bridge
– gestiscono i frame a livello software
– analizzano e inoltrano un frame alla volta
– usano solo commutazione store-and-forward
• Switch
– effettuano il riconoscimento degli indirizzi e l’inoltro dei frame a
livello hardware
– hanno percorsi paralleli multipli e quindi possono gestire molti
frame contemporaneamente
– possono usare commutazione cut-through

NOTA: I bridge stanno “soffrendo” commercialmente in
quanto in tutte le nuove installazioni si preferiscono usare
switch con funzionalità di bridge piuttosto che bridge

Tipica architettura LAN dipartimentale
• Migliaia di dispositivi connessi, interconnettendo diverse
sottoreti LAN separate (MAC broadcast di frame limitati a
una sottorete)
• Uso anche di switch di layer 3 (con indirizzamento e
inoltro dei pacchetti a livello IP, tipo router)
• PC interconnessi a switch di layer 2 con link tipicamente a
100 Mbps
• Server connessi direttamente a switch di layer 2 o layer 3
tipicamente a 1 Gbps
• Connettività wireless LAN disponibile per utenti mobili
• Switch di layer 3 costituiscono il core della LAN
– Formano la dorsale (backbone) locale
– Interconnessione del core a 1 Gbps
– Connessione a switch di layer 2 da 100 Mbps a 1 Gbps
• Router forniscono interconnessione alla rete WAN

25

Tipica
architettura
dipartimentale


Parte 3

Modulo 9:
Cablaggio strutturato

26

Cablaggio
• Prese di rete a cui l’utente può collegare i propri
sistemi (telefono, computer, ecc.)
• Cavi in rame o in fibra ottica
• Connettori di cui sono dotate le estremità dei cavi
• Dispositivi di commutazione: hub, bridge, switch
(principalmente)
• Armadi e rack in cui sono installati i dispositivi di
commutazione
• Locali tecnici in cui possono essere collocati gli
armadi e i rack


Cablaggio strutturato
• L’elaborazione e la trasmissione delle
informazioni sono diventate il centro delle
attività economiche delle imprese
• Metodologia di progetto e realizzazione degli
impianti di telecomunicazione (fonia/dati) per
dotare un edificio o un complesso di edifici
(l’importante è non coinvolgere terreno pubblico o
provato di terzi) di un unico sistema di cablaggio,
universale e integrato

 Il cablaggio strutturato prevede l’integrazione dei
diversi servizi in un’unica infrastruttura polivalente


27

Necessità del cablaggio strutturato
• Le diverse apparecchiature informatiche e di
telecomunicazione utilizzavano mezzi fisici diversi
con topologie di connessione diversa
• Ampliare o modificare i sistemi richiedeva l’uso di
mezzi ed apparati dello stesso costruttore
• Presenza, nelle stesse infrastrutture di
canalizzazione, di impianti disomogenei specifici
per ogni sistema
• Non essendoci un metodo di progettazione
univoco, ogni sistema si presentava a se stante,
dedicato alle singole applicazioni voce, dati, video

Necessità del cablaggio strutturato
• Necessario a causa della crescente complessità
di impianti telefonici e di reti dati


28

Opportunità del cablaggio strutturato
• Il cablaggio strutturato è reso possibile dalla
diffusione planetaria della tecnologia Ethernet,
che è diventata uno standard de facto per le LAN
• Si parla di un numero di nodi installati e operativi
superiori al 90% dell’installato mondiale, mentre il
restante 10% è suddiviso tra tecnologie meno
popolari o in via di “estinzione”, quali Token Ring,
FDDI, ATM


Cosa si integra

• Reti locali
• Terminali
• Fonia
• Controllo degli accessi
• Rilevamento presenze
• Sicurezza
• TV a circuito chiuso
(prossimamente)  Realizzaz. “edificio intelligente”


29

Cablaggio strutturato: standard
• Necessità di regole e protocolli standard per il
cablaggio strutturato

• Standard per il cablaggio di edifici commerciali ad
uso ufficio:
– EIA/TIA 568-A (standard americano)
– ISO/IEC 11801 (standard internazionale)
– EN 50173 (standard europeo)


Gli standard descrivono:
– Elementi del cablaggio
– Geometrie impiantistiche ammesse
– Topologie ammesse
– Dorsali
– Mezzi trasmissivi

– Norme per l’installazione e per il collaudo
– Documentazione
– Norme di durata minima di validità progetto


30

• Tutti gli standard specificano una geometria
realizzativa di base “a stella”
• A partire da questa geometria, mediante cavi di
raccordo si realizzano differenti topologie
– A stella: il cablaggio consiste di collegamenti punto-
punto isolati, ciascuno dedicato al collegamento tra una
coppia di apparati attivi
– A bus: il cablaggio consiste di un cavo unico con le
estremità libere, condiviso da tutti gli apparati attivi
– Ad anello: come per la topologia a bus, ma con le due
estremità raccordate tra di loro a formare un anello


Geometria a stella – Topologia a stella


31

Geometria a stella – Topologia a bus


Geometria a stella – Topologia a anello


32

Esempio di cablaggio strutturato

Cavo di
Dorsale distribuzione
di edificio di piano

Armadio
di piano

Armadio
di edificio Presa
utente

Dorsale di
comprensorio


Aspettative
• Secondo lo standard TIA il tempo di vita medio
dell’impianto di cablaggio passivo è di circa 7-10 anni
• Nel tempo di vita medio dell’impianto, l’evoluzione
tecnologica dell’hardware attivo (schede, apparati,
computer, processori, ecc.) milgliora l’elettronica di
almeno 3-4 volte
• Sviluppo prevedibile di Ethernet: 1 Gbps  10 Gbps
• Sarà richiesto al sistema di cablaggio un incremento
prestazionale crescente in relazione alla maggiore
necessità di ampiezza di banda dovuta ai nuovi sviluppi
tecnologici (dati, voce, voiceIP, video, videoconferenze,
Internet, ecc.)
 Si va verso la possibilità di realizzazione di un
“Edificio intelligente”

33

3 H2 N Parte3

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