Ethernet
IEEE 802.3
Che cosa indica Ethernet
Ethernet è la famiglia di tecnologie usata nelle LAN cablate. Storicamente nasce come rete locale con mezzo condiviso e accesso tramite CSMA/CD. Nella pratica scolastica di oggi, quando diciamo Ethernet ci riferiamo quasi sempre allo standard IEEE 802.3.
La distinzione è utile: Ethernet è il nome storico e commerciale; IEEE 802.3 è lo standard che definisce il funzionamento tecnico. Nel linguaggio comune i due termini vengono spesso usati come equivalenti.
Quali livelli definisce
IEEE 802.3 riguarda soprattutto due parti della comunicazione: il livello fisico e il sottolivello MAC del Data Link. Non definisce HTTP, TCP o IP: questi protocolli lavorano sopra Ethernet.
| Parte | Che cosa definisce | Esempi |
|---|---|---|
| Livello fisico | Mezzo, segnali, codifica, velocità, distanza massima | 10BASE-T, 100BASE-TX, 1000BASE-T, fibra |
| Sottolivello MAC | Frame, indirizzi MAC, FCS, accesso al mezzo | CSMA/CD nelle Ethernet half-duplex storiche |
| Livelli superiori | Non sono Ethernet | IP, TCP, UDP, HTTP, DNS |
Da bus condiviso a rete switched
Il modello storico di Ethernet era concettualmente un bus: più stazioni condividevano lo stesso mezzo trasmissivo. Se due stazioni trasmettevano nello stesso momento, i segnali si sovrapponevano e si verificava una collisione.
Con il passaggio alle reti a stella e agli switch, Ethernet è cambiata dal punto di vista pratico: ogni host è collegato allo switch tramite un collegamento punto-punto. Nelle reti moderne si lavora normalmente in full-duplex, quindi non c'è più il dominio di collisione condiviso tipico del bus o dell'hub.
| Scenario | Comportamento |
|---|---|
| Bus o hub | Mezzo condiviso, half-duplex, collisioni possibili, un solo dominio di collisione. |
| Switch | Collegamenti punto-punto, traffico inoltrato per porta, collisioni classiche eliminate in full-duplex. |
CSMA/CD
CSMA/CD significa Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection. È il metodo di accesso al mezzo usato nelle vecchie Ethernet half-duplex con mezzo condiviso.
- La stazione ascolta il canale.
- Se il canale è libero, inizia a trasmettere.
- Durante la trasmissione continua ad ascoltare il mezzo.
- Se rileva una collisione, interrompe la trasmissione.
- Invia una sequenza di jamming per segnalare la collisione.
- Attende un tempo casuale calcolato con backoff e riprova.
Il numero massimo di tentativi di ritrasmissione è 16. Dopo troppi tentativi falliti, il frame viene scartato e la ritrasmissione, se necessaria, dovrà essere gestita da livelli superiori.
Round-trip delay e frame minimo
In una rete condivisa il segnale non arriva istantaneamente da una stazione all'altra. Se una stazione A inizia a trasmettere, una stazione B lontana può non accorgersene subito e iniziare a trasmettere a sua volta. La collisione viene rilevata solo dopo il tempo necessario al segnale per andare e tornare sul mezzo.
Questo tempo di andata e ritorno prende il nome di round-trip delay. Perché CSMA/CD funzioni, chi trasmette deve essere ancora in trasmissione quando una collisione torna indietro. Da qui nasce la lunghezza minima del frame Ethernet.
| Parametro storico IEEE 802.3 | Valore | Perché conta |
|---|---|---|
| Lunghezza minima del frame | 64 byte | Permette di rilevare una collisione prima della fine della trasmissione. |
| Lunghezza massima del frame classico | 1518 byte | Limita la dimensione della trama Ethernet standard. |
| Inter Packet Gap | 9,6 microsecondi a 10 Mbit/s | Periodo di silenzio tra due frame consecutivi. |
| Jamming | 32 bit | Sequenza inviata per rendere evidente la collisione. |
Frame Ethernet
Il frame Ethernet contiene le informazioni necessarie alla consegna locale. Nei materiali storici IEEE 802.3 compare anche il campo lunghezza; nelle Ethernet moderne il campo può essere interpretato come tipo quando si usa il formato Ethernet II. Per la classe terza è sufficiente riconoscere i campi fondamentali.
| Campo | Funzione |
|---|---|
| Preambolo | Aiuta il ricevitore a sincronizzarsi prima del frame. |
| MAC destinatario | Indica quale interfaccia deve ricevere la trama. |
| MAC mittente | Indica l'interfaccia che ha trasmesso la trama. |
| Lunghezza / Tipo | Indica la lunghezza dei dati oppure il protocollo superiore trasportato. |
| Dati | Contiene il pacchetto del livello superiore. |
| Padding | Riempimento usato quando serve raggiungere la lunghezza minima del frame. |
| FCS | Controllo basato su CRC per rilevare errori nella trama. |
Mezzi fisici Ethernet storici
IEEE 802.3 è stato declinato su mezzi fisici diversi. Alcuni sono importanti soprattutto per capire l'evoluzione storica di Ethernet.
| Standard | Mezzo | Topologia tipica | Distanza indicativa | Nota didattica |
|---|---|---|---|---|
| 10BASE5 | Coassiale thick | Bus | 500 m per segmento | Usato come dorsale; cavo robusto ma poco maneggevole. |
| 10BASE2 | Coassiale thin | Bus | 185 m per segmento | Più semplice del thick, ma fragile dal punto di vista dei guasti. |
| 10BASE-T | Doppino UTP | Stella con hub | 100 m per segmento | Ha favorito il cablaggio a stella negli edifici. |
| 10BASE-FL | Fibra ottica | Punto-punto / stella | fino a 2 km | Utile per distanze maggiori e collegamenti tra edifici. |
Repeater, hub, bridge e switch
I repeater e gli hub lavorano a livello fisico: rigenerano o ripetono segnali, ma non leggono il frame e non separano i domini di collisione. Bridge e switch lavorano al livello 2: leggono gli indirizzi MAC e separano il traffico tra porte diverse.
| Dispositivo | Livello | Effetto sul dominio di collisione |
|---|---|---|
| Repeater | Fisico | Non lo separa. |
| Hub | Fisico | Non lo separa: tutte le porte condividono il mezzo. |
| Bridge | Data Link | Separa domini di collisione diversi. |
| Switch | Data Link | Ogni porta può diventare un dominio di collisione separato; in full-duplex la collisione classica sparisce. |
Switched Ethernet
In una rete con hub, tutti condividono la stessa capacità trasmissiva e l'apparato può ripetere un solo frame alla volta. Con uno switch, invece, l'apparato lavora al livello MAC e può gestire più comunicazioni contemporaneamente, se la capacità interna lo consente.
Questo passaggio è decisivo: Ethernet resta Ethernet, ma il comportamento della LAN cambia molto. La rete diventa più efficiente, il traffico inutile diminuisce e i collegamenti full-duplex eliminano il problema delle collisioni sul singolo link.