.. meta:: :language: it :description language=it: Networking Fundamentals: accesso alla rete :description language=en: Networking Fundamentals: Network Access :keywords: Networking Fundamentals, Network Access :author: Luciano De Falco Alfano P1/4 Accesso alla rete **]** ============================== .. contents:: :local: Il modello OSI considera due strati per l'accesso alla rete, i livelli 1 (fisico) e 2 (data link). Per TCP/IP queste funzioni sono correlate così strettamente, che considera un unico livello: il *network access layer*. Nel device trasmittente, il data link layer prepara i dati per la trasmissione e controlla come accedono al media fisico. Mentre il livello fisico controlla come i dati sono trasmessi fisicamente codificando le cifre binarie in segnali fisici. Il destinatario, alla ricezione dei bit, esegue il processo inverso. 4.1 Protocolli dello strato fisico ------------------------------------ 4.1.1 Connessioni dello strato fisico ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^ **Tipi di connettori**. Per effettuare una trasmissione di un messaggio, è necessario avere una connessione fisica alla rete locale. Può trattarsi di un cavo, o di una connessione radio. Nel caso di connessione wireless, i device si devono connettere tramite un **access point** (AP). Nel caso di connessioni via cavo, i device si connettono tramite switch. Switch e AP di solito sono separati, ma esistono device che possono offrire entrambi i servizi di connessione. Questi sono detti *integrated service routers* (ISRs), e vengono spesso utilizzati in ambienti domestici o piccoli uffici. Gli ISRs hanno una componente switching con alcune porte per il collegamento via cavo, e spesso hanno un AP per la connessione di device wireless. Le **Network interface card** (NIC) connettono alla rete locale tramite cavo, oppure wireless (WLAN NIC). Un end-user device può avere NIC di uno o di entrambi i tipi. Le connessioni fisiche hanno ciascuna le proprie specificità. Ad esempio un device wireless degraderà le prestazioni allontanandosi dal AP [#]_. Si può usare un wireless extender per rigenerare il segnale wireless in parti lontane dal AP. Per contro, una connessione via cavo non degrada le prestazioni [#]_. Inoltre nel caso di wireless LAN le prestazioni possono degradare anche a causa dell'aumento del numero di device connessi, perché devono condividere le stesse bande radio. Invece la connessione via cavo non degrada all'aumentare delle stazioni di lavoro connesse, purché si sia collegati tramite switch. Queste considerazioni sono importanti nel caso di applicazioni che consumano grande quantità di banda (video streaming, video conferenza, gioci online). 4.1.2 Scopo del layer fisico ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^ L'OSI **physical layer** fornisce i mezzi di trasporto attraverso il media di rete per i bit che formano il *data link layer frame*. Questo strato accetta dal *data link layer* un frame completamente formata e la codifica in una serie di segnali che vengono trasmessi sul media fisico. I bit codificati sono ricevuti da un *end device* o da un *intermediate device*. Il processo seguito dai dati dal nodo sorgente alla destinazione è: * i dati utente sono segmentati dal *transport layer*, inseriti in pacchetti dal *network layer*, e ulteriormente incapsulati in frame dal *data link layer*; * il *physical layer* codifica le frame creando i segnali (elettrici, ottici o radio) che rappresentano i bit della frame; * i segnali predetti sono inviati sul media, uno alla volta; * il *physical layer* del nodo di destinazione riceve i segnali dal media, li decodifica ricreando i bit della frame, e passa la frame al suo *data link layer*. I **media del physical layer** si possono presentare in tre diverse forme: * **cavi di rame**, i segnali sono pattern di impulsi elettrici; * **cavi in fibra ottica**, i segnali sono pattern di luce; * **wireless**, i segnali sono pattern di trasmissioni di onde radio. Tutti gli aspetti di queste funzioni sono dettati da organizzazioni di standards per permettere la interoperabilità fra *physical layers*. **Standards del physical layer**. Mentre i protocolli e le operazioni degli strati OSI superiori sono realizzati in software, il *physical layer* è formato da materiale fisico: circuiti elettronici, media, connettori. Perciò gli standard sono curati da enti diversi. I protocolli superiori sono definiti da IETF. Invece gli standard per *physical layer* sono a cura di organizzazioni ingegneristiche specializzate in standard per componenti elettriche, elettronihce e di comunicazione. Le organizzazioni predette sono molteplici, alcune sono: * ISO, international organization for standardization; * TIA/EIA, Telecommunication Industry Association/Electronic Industries Alliance; * ANSI American National Standards Institute; * IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineering; * FCC Federal Communication Commission; * ETSI European Telecommunications Standards Institute; oltre ad organizzazioni regionali: * CSA Canadian Standards Asociation; * CENELEC European Committee for Electrotechnical Standardization; * JSA/JIS Japanese Standards Association 4.1.3 Caratteristiche del physical layer ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^ **Funzioni**. Sono tre le aree di riferimento per gli standard del *physial layer*: * **componenti fisici**, hardware, media, connettori, che trasmettono e trasportano i segnali che rppresentano i bit; ad esempio: NIC, interfacce, cavi, connettori, sono componenti fisiche; * **codifica**, (+encoding* o *line encoding*) è il metodo per convertire uno stream di bit di dati in un codice predefinito, ovvero pattern che possono essere riconosciuti dal mittente e dal destinatario; ad esempio, la codifica Manchester rappresenta il bit 0 con una transizione da alta tensione a bassa tensione, mentre il bit 1 con la transizione opposta; le transizioni avvengono al centro di un intervallo di temporizzazione [#]_; questa codifica è utilizzata nelle reti Ethernet da 10 Mb/s (10BASE-T); la famiglia Ethernet 100BASE-X usa la codifica 4B/5B, e 1000BASE-X usa la codifica 8B/10B; * **segnalazione**, la codifica deve essere poi attuata con un segnale fisico di tipo elettrico, ottico o radio; ad esempio, la codifica Manchester predetta deve essere trasmessa usl media utilizzato; su media ottico si può decidere di usare la lunghezza dell'impulso, rappresentando 1 con un impulso lungo e 0 con un impulso corto; vi sono più modi di tramettere un segnale, ad esempio con tecniche di modulazione: di ampiezza (AM), o di frequenza (FM) o di fase (PM) [#]_. **Larghezza di banda** (*bandwidth*). Media diversi hanno velocità diverse per il trasferimento dei dati. Si considerano due parametri: la larghezza di banda (*bandwidth*) e la capacità di trasmissione (*throughput*). La *larghezza di banda* misura la quantità di dati che **possono** fluire da un punto ad un altro per unità di tempo. Si misura in kb/s, Mb/s, o Gb/s. Si noti che non stiamo parlando della velocità di trasmissione del segnale. Ad es. le reti Ethernet a 10 Mb/s e 100 Mb/s su rame utilizzano entrambe segnali elettrici che viaggiano alla velocità della luce. Ma la quantità di bit trasmessa nell'unità di tempo è diversa; questa è la larghezza di banda. La larghezza di banda dipende da diversi fattori: le proprietà fisiche del mezzo di trasmissione, e le tecnologie (*encoding*, *signaling*) scelte per l'invio e la ricezione del segnale. La **capacità di trasmissione** (*throughput*) misura la quantità di dati passati nel mezzo di trasmissione per unità di tempo. Il *throughput* non coincide con la *larghezza di banda* a causa di vari fattori: * la quantità di traffico, * il tipo di traffico, * la latenza creata dal numero di *network device* presenti lungo il percorso. In una internetwok, o in una rete con più segmenti, il *throughput* non può essere superiore a quello del link più lento nel cammino da mittente a destinatario. Vi sono strumenti online per la misura del *throughtput*. Il **goodput** misura il trasferimento di *dati utili* per unità di tempo. È il *throughput* meno il traffico di overhead per l'attività di rete: sessioni, ack, incapsulamento, framing. **Tipi di physical media**. Come detto gli standard efiniscono le caratteristiche dei media disponibili per le diverse possibilità di comunicazione, garantendo che cavi e connettori funzionino come previsto anche in presenza di differenti implementazioni di *data link*. Ad esempio, per i cavi standard di rame vengono definiti: * il tipo di cavo di rame utilizzato, * la banda passante della comunicazione, * il tipo di connettore utilizzato, * lo schema dei pin e i codici dei colori delle connessioni al media, * la massima lunghezza del media. 4.2 Network media ------------------- 4.2.1 Cablaggio in rame (*copper cabling*) ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^ **Caratteristiche del cablaggio in rame**. Le reti utilizzano cablaggio in rame perché economico, facile da installare, e bassa dispersione. Ma ha limtazioni in quanto a massima distanza raggiungibile e interferenza al segnale. I dati vengono trasmessi come impulsi elettrici. Il destinatario deve ricevere un segnale che possa essere decodificato con successo. Ma più è lunga la distanza, maggiormente il segnale si deteriora per attenuazione. Per questo motivo gli standard dei cavi prevedono limitazioni stringenti sulla massima distanza che il cavo può coprire. La temporizzazione e il livello di tensione degli impulsi elettrici sono inoltre suscettibili di interferenze da parte di due sorgenti: * EMI (electromagnetic interference), RFI (radio frequency interference) possono distorcere i segnali dei dati trasportati dal media; sorgenti potenziali: onde radio, dispositivi elettronici, motori erlettrici, lampade fluorescenti; * diafonia (*crosstalk*), disturbo causato da un segnale elettrico variabile in un filo al segnale presente in un filo adiacente. Per contrastare gli effetti di EMI e RFI alcuni cavi in rame sono circondati da una schermatura metallica, e devono essere collegati con il circuito di messa a terra. Per contrastare la diafonia, alcuni cavi in rame hanno i fili delle coppie dei circuiti opposti attorcigliate insieme, creando un effetto che elimina la diafonia. La sensibilità dei cavi elettrici al rumore può essere limitata anche da: * scegliendo il tipo di cavo più adatto all'ambiente; * progettando l'infrastruttura del cablaggio per evitare sorgenti d'interferenza conosciute o potenziali; * usando tecniche di cablaggio che includono la corretta gestione e terminazione dei cavi. **Media in rame**. Le tipologie principali di media in rame per le reti dati sono: * **UTP** (*unshielded twisted pair*) * **STP** (*shielded twisted pair*) * **coaxial**. Questi cavi interconnettono i nodi di una LAN con i device di rete (routers, switches, wireless access points). Esistono standard diversi per i connettori, che definiscono forma e dimensioni. Uno stesso connettore può essere usato per diversi tipi di connessioni; es. RJ-45 usato sia in LAN che in WAN. **Unshilded twistd pair** (*UTP*). È il cavo più utilizzato, terminato con connettori RJ-45. Usato per connettere end device con intermediate device. Formato da 4 coppie di cavi attorcigliati [#]_ e inseriti in uno schermo di plastica flessibile per proteggerlo da piccoli danni fisici. Ogni coppia è idntificata da un colore: arancio, verde, celeste, marrone. **Shielded twisted pair**. Simile a UTP, con ogni coppia anche schermata e in più ha una schermatura aggiuntiva intorno al cavo. Più costoso e difficile da installare. Usa connettori RJ-45 ma che permettono la messa a massa della schermatura. Se non messa a massa, la schermatura può fare da antenna e causare disturbi. **Cavo coassiale** (*coaxial cable*, o *coax*). A sviluppo cilindrico. Conduttore centrale, circondato da un isolante, quindi un foglietto o una retina conduttrice che circonda il tutto, chiudendo il cicuito elettrico e schermando dalle interferenze. All'esterno vi è un ulteriore isolante per protezione. Originariamente usato per Ethernet, ora serve per il collegamento di antenne e per il cablaggio di case servite da fornitori di servizi cablati (TV e Internet). **Sicurezza del cablagio in rame**. Vi sono possibilità di incendio o fumi tossici in caso d'incendio per i materiali isolanti. Vi è la possibilità di folgorazione se le parti elettriche non sono connesse a norme di sicurezza, o i livelli elettrici possono essere diversi dal provisto, per lo stesso motivo. Possibilità di trasmissione di corrente da fulmini. 4.2.2 Cablaggio UTP ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^ **Proprietà del cablaggio UTP**. Utilizza l'attorcigliamento delle coppie dei fili che trasmettono i segnali elettrici per contrastare EMI e RFI. È un effetto di **cancellazione** dei rispettivi campi magnetici che sono in opposizione di fase. Ogni coppia è caratterizzata da un determinato numero di giri per unità di lunghezza. **Standard dei cavi UTP**. TIA/EIA 568 è lo standard dei cavi UTP per LAN. Definisce le caratteristiche necessarie: tipo di cavo, lunghezze, connettori, terminazioni, metodi di test. IEEE definisce le caratteristiche elettriche dando luogo a categorie diverse in funzione della banda passante. Ad es. i cavi di *categoria 5** (Cat5) si usano per le installazioni 100BASE-TX Fast Ethernet. Altre categorie: Enhaced category 5 (Cat5e), Category 6 (cat6) e Categoria 6a. **Connettori UTP**. I cavi UTP sono usualmente terminati con connettori RJ-45. **Tipi di cavi UTP**. Date le seguenti terminazioni T568 ========================== ========================== T568A T568B ========================== ========================== ``3 3 2 1 1 2 4 4`` ``2 2 3 1 1 3 4 4`` ``GW W OW B BW O BrW Br`` ``OW O GW B BW G BrW Br`` ========================== ========================== dove le cifre indicano le coppie, e le lettere sono le iniziali dei colori: * GW - green+white, G - green; * OW - orange+white, O - Orange; * BW - blue+white, B - Blue; * BrW - brown+white, Br - Brown. Un cavo dritto (*stright-through*) ha le estremità dello stesso tipo (entrambe T568A o T568B). Usato per connettere un host con un device intermedio. Un cavo incrociato (*crossover*) ha le estremità di tipo diverso (una T568A e l'altra T568B). Usato per connettere due host o due device intermedi. Esiste poi il cavo *rollover*. Proprietario Cisco, connette una seriale RS232 di un host alla porta console di un device intermedio. **Test di cavi UTP** si effettua con appositi tester, in grado di individuare la mappatura dei fili, la lunghezza del cavo, rumore di crosstalk e attenuazione del segnale. 4.2.3 Cablaggio in fibra ottica ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^ **Proprietà dei cavi in fibra ottica**. Sono cavi in fibra di vetro molto sottile, che trasportano impulsi luminosi. Usati per reti industriali, fiber-to-the-home (banda larga), reti su lunghe distanze, cavi sottomarini. **Struttura del cavo in fibra ottica** Ha un sottile nucleo di vetro (*core*) per il trasporto del segnale. Circondato da un ulteriore strato di vetro (*cladding)*, con diversa composizione per mantenere il segnale nel core. Seguono diversi strati di materiali per protezione, di solito tre. **Tipi di fibre ottiche**. Sono **monomodali** (SMF) o **multimodali** (MMF). Le fibre monomodali hanno core con diametro molto piccolo (9 μm, con cladding di 125 μm), creando un solo path per l'impulso di luce. Sono alimentati con impulsi di emettitori laser (alto costo). Hanno attenuazione molto bassa e di conseguenza il segnale si propaga su lunghe distanze (ordine di centinaia di km). Cavi di colore giallo. Le fibre multimodali hanno core con diametro più esteso (50-62.5 μm, con cladding di 125 μm), creando più path per l'impulso di luce. Sono alimentati con impulsi di emettitori led (basso costo). Hanno attenuazione più elevata delle monomodali, di conseguenza il segnale si propaga su distanze meno lunghe (ordine di un paio di km). Cavi di colore aqua o arancione. **Connettori**. I più diffusi sono: straight-tip (ST), subscriber connector (SC), Lucent connector (LC), e i duplex LC. Questi ultimi sono due connettori LC accoppiati con i relativi cavi, uno per ogni direzione del segnale. Infatti i cavi in fibra ottica trasmettono in una sola direzione. Fanno eccezioni i cavi secono lo standard (nuovo) BX, ad es. il 100BASE-BX. Questi cavi lavorano con due diverse lunghezze d'onda, una per ogni direzione. **Test**. La giunzione di cavi in fibra ottica è difficile. Si possono avere: disallinementi, gap tra i terminali, cattiva rifinitura o sporcizia dei terminali. A parte provare al volo se passa luce (con una lampada, **NON** collegando il cavo ad un emettitore: brucia la retina dell'occhio), è necessario utilizzare un rifrattometro ottico del dominio temporale, in grado di valutare eventuali ritorni anomali del segnale. **Confronto tra fibra e rame**. I cavi in rame sono più economici come acquisto e posa in opera. Per contro hanno: potenzialmente meno banda passante, maggiore sensibilità ai disturbi, minore lunghezza. 4.2.4 Media wireless ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^ **4.2.4.1 Proprietà**. I mezzi wireless utilizzano onde radio o microonde per la trasmissione di segnali elettromagnetici. Da un lato forniscono la maggiore mobilità in assoluto. D'altro canto hanno i seguenti aspetti problematico: * area di copertura, spesso limitata; * interferenza, può essere elevata; * sicurezza, motlo critica; * mezzo condiviso. **4.2.4.2 tipi di mezzi wireless**. Gli standard sono definiti da IEEE e riguardano sia il mezzo fisico che il data link. I più diffusi sono: * IEEE 802.11 Wi-Fi, sono le Wireless LAN (WLAN); usano il protocollo Carrier Sense Multiple Access/collision Avoidance (CSMA/CA); consiste nell'ascoltare prima di trasmettere. * IEEE 802.15 bluetooth; standard per le Wireless Personal Area Network (WPAN), comunicano fino a 100m. * IEEE 802.16 WiMAX; Worldwide Interoperability for Microwave Access (WiMAX); accesso a banda larga wireless utilizzando topologie punto-multipunto. Vi sono altri standard di trasmissione dati, come le connessioni cellulari e quelle satellitari, ma non si considerano in questo corso. Gli standard predetti riguardano: * le codifiche radio; * frequenze e potenze di trasmissione; * requisiti per la ricezione e decodifica del segnale; * progettazione dell'antenna e costruzione. **4,2,4,3 LAN wireless**. Usualmente i device wireless si connettono via LAN. In questo caso si richiede: * un punto di accesso Wireless (Access Point: AP) * adattatori NIC wireless. Questo standard è in evoluzione. Attenzione ad usare device compatibili tra i diversi standard. I benefici dell'uso della tecnologia wireless sono evidenti, sopratutto per la mancata stesura di cablaggi e la comodità d'uso. D'altro canto la sicurezza richiede regole d'uso molto stringenti. **4.2.4.4 packet tracer - connettere una LAN wireless e cablata** **4.2.4.5 lab - visualizzare informazioni riguardo NIC cablate e wireless** 4.3 protocolli data link layer ------------------------------- 4.3.1 scopo del data link layer ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^ **4.3.1.1 il data link layer**. Il data link del modello OSI è responsabile di: * permettere agli strati superiori di accedere al mezzo di trasmissione; * accettare pacchetti dal layer 3 e incapsularli in frame; * preparare i dati per la trasmissione fisica; * controllare come i dati sono immessi e ricevuti dal mezzo fisico; * scambiare frame tra nodi sul mezzo fisico, ad es.UTP o fibra ottica; * ricevere e inviare pacchetti ad un protocollo superiore; * eseguire il controllo errori. Nella terminologia layer 2, un device connesso alla rete è detto nodo. Mentre i layer superiori non hanno necessità di conoscere il tipo di mezzo di trasmissione utilizzato, il layer 2 lo conosce e forma le frame di conseguenza. **4.3.1.2 data link sublayers**. Il data link layer è diviso in due sublayers: * logical link control (LLC); è lo strato superiore, comunica con gli altri strati di rete. Identifica che protocollo di network ha richiesto il servizio, e riporta questa informazione nella frame. In tal modo è possibile utilizzare più protocolli layer 3, ad es. IPv4 e IPv6, verso la stessa interfaccia di rete, e quindi mezzo di comunicazione. * media access control (MAC); è lo strato inferiore e definisce i processi usati dall'hardware per accedere al mezzo di trasmissione dati; fornisce l'indirizzamento a questo livello e l'accesso alle diverse tecnologie di rete. La seguente tabella sintetizza quanto predetto: +---------------------------------------------------------+ | network | +----------+----------------------------------------------+ |data link | LLC sublayer | | +--------------+----------+--------+-----------+ | | MAC sublayer | 802.3 | 802.11 | 802.15 | | | | Ethernet | Wi-Fi | Bluetooth | +----------+--------------+ | | | | physical | | | | +-------------------------+----------+--------+-----------+ ----------------------- .. [#] Riguardo la distanza tra end device e AP: se eccessiva, la connessione potrebbe mancare completamente. .. [#] Una connessione via cavo non degrada le prestazioni finchè si opera nell'ambito della max distanza ammessa per il collegamento. .. [#] L'intervallo di temporizzazione è autogenerato dall'emettitore. Al centro dell'intervallo vi è il segnale di codifica, mentre il bordo dell'intervallo è utilizzato per eventuali variazioni di tensione necessarie a codificare il successivo bit. .. [#] L'uso di tecniche di modulazione per trasmettere un segnale è dovuto al fatto che l'applicazione diretta del segnale elettrico al filo soffre di attenuazione e sensibilità ai disturbi. Un segnale modulato arriva più lontano (è meno attenuato) ed è più resistente ai disturbi. .. [#] Attorcigliati: per protezione contro la diafonia.