Dal segnale al frame

Concetti principali

• perche' una rete viene descritta con modelli a livelli;
• differenza tra livello fisico e livello data link;
• passaggio da bit e segnali a frame;
• indirizzi MAC, FCS e controllo degli errori nel frame;
• sottolivelli LLC e MAC;
• collegamento tra IEEE 802, Ethernet, Wi-Fi, Bluetooth e VLAN.

Perche' servono i livelli

La comunicazione di rete e' un problema complesso. Per renderlo piu' semplice da studiare e da progettare, viene diviso in livelli. Ogni livello ha un compito preciso e offre un servizio al livello superiore.

In questo modo chi si occupa del trasporto fisico dei bit non deve conoscere il contenuto del messaggio, mentre chi usa la rete non deve sapere nei dettagli come il segnale elettrico, luminoso o radio viene generato.

Il modello ISO/OSI

Il modello ISO/OSI e' un modello di riferimento che descrive la comunicazione di rete dividendola in sette livelli. Non e' una tecnologia specifica, ma una mappa concettuale utile per capire dove si collocano protocolli, apparati e funzioni.

Incapsulamento

Durante l'invio, i dati vengono preparati dai vari livelli. Ogni livello aggiunge informazioni utili al proprio compito. Questa operazione prende il nome di incapsulamento.

Il nome dell'unita' dati cambia perche' cambia il livello che la sta osservando. Per l'applicazione e' un messaggio; per TCP e' un segmento; per IP e' un pacchetto; per Ethernet e' un frame.

Decapsulamento

In ricezione avviene il percorso inverso. La scheda di rete riceve un segnale dal mezzo fisico, ricostruisce i bit e consegna il frame al livello data link. Ogni livello controlla il proprio header, lo rimuove e passa il contenuto al livello superiore.

Livello 1 - Fisico

Il livello fisico si occupa di rappresentare e trasmettere i bit sul mezzo trasmissivo. Non interpreta il significato dei dati: per questo livello una pagina web, un file o un messaggio sono semplicemente sequenze di bit.

10110010

Quei bit possono essere rappresentati con tensioni elettriche su rame, impulsi luminosi su fibra ottica oppure onde radio in una rete wireless.

Bit e segnali

Apparati di livello 1

Gli apparati di livello 1 lavorano con segnali e bit. Non leggono indirizzi MAC, non leggono indirizzi IP e non decidono quale sia il destinatario finale del messaggio.

Livello 2 - Data Link

Il livello data link organizza i bit in strutture chiamate frame. Questo livello permette la comunicazione tra dispositivi collegati alla stessa rete locale o allo stesso collegamento.

+----------------+----------------+-----------+-------------+
| MAC Destinaz.  | MAC Mittente   | Dati      | Controllo   |
+----------------+----------------+-----------+-------------+

Nel frame compaiono informazioni che il livello fisico non gestisce: indirizzi MAC, dati trasportati e campi di controllo.

Frame Ethernet semplificato

Indirizzo MAC

L'indirizzo MAC e' l'indirizzo di livello 2 associato a una specifica interfaccia di rete. MAC significa Media Access Control.

00:1A:2B:3C:4D:5E

Un computer con due interfacce, per esempio Ethernet e Wi-Fi, puo' avere due indirizzi MAC diversi: uno per ciascuna interfaccia.

MAC address, indirizzo IP e porta

Hub e switch

Un hub e uno switch possono sembrare simili perche' hanno molte porte Ethernet, ma lavorano in modo molto diverso.

MAC address table

Lo switch costruisce una tabella che associa gli indirizzi MAC alle proprie porte. Quando riceve un frame, legge il MAC mittente per imparare dove si trova quel dispositivo e legge il MAC destinatario per decidere dove inoltrare il frame.

Se lo switch non conosce ancora la porta del destinatario, inoltra il frame su tutte le porte tranne quella da cui lo ha ricevuto. Questa operazione si chiama flooding.

Unicast, multicast e broadcast

Nel frame Ethernet il MAC di destinazione indica chi deve ricevere la trama. Da questo punto di vista una trasmissione può essere di tre tipi.

Uno switch inoltra un broadcast su tutte le porte della stessa LAN, tranne quella da cui il frame è entrato. Un router invece non inoltra quel broadcast verso altre reti.

Broadcast MAC

Un frame puo' essere destinato a tutti i dispositivi della rete locale. In questo caso si usa l'indirizzo MAC broadcast.

FF:FF:FF:FF:FF:FF

LLC e MAC

Negli standard IEEE 802, il livello data link viene diviso in due sottolivelli: LLC e MAC.

Accesso al mezzo

Quando piu' dispositivi condividono lo stesso mezzo trasmissivo, bisogna stabilire chi puo' trasmettere e quando. Questa e' una funzione del sottolivello MAC.

Con uno switch moderno in full-duplex il collegamento tra host e switch è punto-punto: non c'è un mezzo condiviso da contendere e CSMA/CD non viene usato. Nel Wi-Fi il problema è diverso: le collisioni non si rilevano nello stesso modo, quindi si usa CSMA/CA, che cerca di evitarle.

Standard IEEE 802

Gli standard IEEE 802 definiscono molte tecnologie usate nelle reti locali, personali e metropolitane. Riguardano soprattutto il livello fisico e il livello data link.

Standard e tipologie di rete

Esempio: PC collegati a uno switch

Quando un PC invia dati a un altro PC nella stessa LAN, il livello data link costruisce un frame con il MAC del destinatario, il MAC del mittente, i dati e il campo FCS. Il livello fisico trasforma poi quel frame in bit e segnali sul cavo.

PC1 ---- SWITCH ---- PC2

Frame Ethernet
     |
Bit
     |
Segnale elettrico sul cavo

Lo switch riceve il frame, legge il MAC destinatario e lo inoltra verso la porta corretta. Il PC2 ricostruisce i bit, interpreta il frame, controlla il FCS e accetta il frame se il MAC destinatario corrisponde.

Esempio: notebook in Wi-Fi

In una rete Wi-Fi il mezzo non e' un cavo, ma l'aria. Il livello fisico usa onde radio, mentre il livello data link usa frame Wi-Fi, indirizzi MAC e regole specifiche per accedere al canale radio.

Notebook ))) Access Point ---- Switch ---- Rete

Sintesi finale

Il livello fisico trasmette bit sotto forma di segnali sul mezzo trasmissivo. Il livello data link organizza i bit in frame, usa gli indirizzi MAC, controlla gli errori e gestisce l'accesso al mezzo. Negli standard IEEE 802, il livello data link e' diviso in LLC e MAC. Ethernet e' definita dalla famiglia 802.3, Wi-Fi dalla 802.11 e Bluetooth/WPAN dalla 802.15.

Esercizi

1. Spiega la differenza tra livello fisico e livello data link.
2. Che cos'e' un frame?
3. A cosa serve un indirizzo MAC?
4. Perche' uno switch e' diverso da un hub?
5. Che differenza c'e' tra IEEE 802.3 e IEEE 802.11?
6. Che cosa sono LLC e MAC?