NIC e livello fisico

Concetti principali

La NIC è un componente fondamentale nelle reti Ethernet.

• funzione della scheda di rete;
• rapporto con il livello fisico del modello ISO/OSI;
• differenza tra rame e fibra;
• velocità, duplex e auto-negotiation;
• collegamento con gli standard IEEE 802.3.

Cos’è la NIC

La NIC (Network Interface Card) è il componente hardware che permette a un dispositivo di collegarsi a una rete Ethernet.

Può essere:

• integrata nella scheda madre;
• aggiuntiva su slot PCIe;
• esterna, ad esempio USB-Ethernet.

La NIC lavora soprattutto tra il livello fisico e il livello data link del modello ISO/OSI. Dal punto di vista del livello fisico, la NIC si occupa della trasformazione tra dati digitali e segnali sul mezzo trasmissivo.

NIC e livello fisico

Al livello fisico non si ragiona ancora in termini di frame o indirizzi MAC, ma di:

• segnali elettrici;
• segnali ottici;
• onde elettromagnetiche;
• connettori;
• cavi;
• velocità di trasmissione;
• codifica dei bit sul mezzo trasmissivo.

La NIC, a questo livello, si occupa di trasformare i dati in un segnale adatto al mezzo fisico.

In pratica:

• il computer genera dati digitali;
• la NIC li converte in segnale;
• il mezzo trasmissivo li trasporta;
• la NIC del destinatario li riconverte in dati.

Cosa fa concretamente al livello fisico

Trasmissione e ricezione del segnale

La NIC converte i bit in impulsi da inviare sul mezzo trasmissivo e interpreta i segnali ricevuti.

Adattamento al mezzo

La scheda di rete deve essere compatibile con il tipo di collegamento utilizzato:

• rame;
• fibra ottica;
• in alcuni casi moduli SFP.

Velocità

Una NIC può supportare una o più velocità, per esempio:

• 10 Mbps;
• 100 Mbps;
• 1 Gbps;
• 10 Gbps.

Duplex

• half duplex → si trasmette o si riceve, non entrambe insieme;
• full duplex → trasmissione e ricezione contemporanee.

Auto-negotiation

Molte NIC negoziano automaticamente con lo switch velocità e duplex, scegliendo la modalità migliore compatibile su entrambi i lati del collegamento.

Approfondimento: simplex, half duplex e full duplex

Il termine duplex indica il modo in cui avviene la comunicazione tra due dispositivi, cioè se i dati possono viaggiare in una sola direzione oppure in entrambe.

Simplex

In modalità simplex la comunicazione avviene in una sola direzione. Un dispositivo trasmette e l’altro riceve, senza possibilità di risposta sullo stesso canale.

Un esempio semplice è una trasmissione televisiva o radio: il segnale va dall’emittente al destinatario, ma non nel verso opposto.

Half duplex

In modalità half duplex entrambi i dispositivi possono trasmettere e ricevere, ma non nello stesso istante.

Un esempio semplice è il walkie-talkie: quando uno parla, l’altro deve aspettare.

Full duplex

In modalità full duplex i due dispositivi possono trasmettere e ricevere contemporaneamente.

Un esempio è una telefonata: entrambe le persone possono parlare e ascoltare nello stesso momento.

Collegamento con IEEE 802.3

Lo standard IEEE 802.3 definisce Ethernet. Dentro questo standard esistono molte varianti fisiche.

Esempi:

• 10BASE-T
• 100BASE-TX
• 1000BASE-T
• 10GBASE-T
• 1000BASE-SX
• 1000BASE-LX

La NIC deve supportare lo standard fisico usato sulla rete, altrimenti il collegamento non può funzionare correttamente.

Significato delle sigle Ethernet

Esempio: 100BASE-TX.

• 100 = velocità nominale, 100 Mbps;
• BASE = trasmissione in banda base;
• TX = tipo di tecnologia fisica o mezzo usato.

Altro esempio: 1000BASE-T.

• 1000 = 1000 Mbps = 1 Gbps;
• BASE = banda base;
• T = twisted pair, doppino intrecciato.

Quindi la NIC deve sapere come trasmettere fisicamente secondo quella tecnologia specifica.

Differenze tra le tecnologie Ethernet fisiche

In base al mezzo trasmissivo

Su rame

Usano cavi in rame, tipicamente doppino intrecciato UTP o STP.

Esempi:

• 10BASE-T
• 100BASE-TX
• 1000BASE-T
• 10GBASE-T

Caratteristiche:

• economiche;
• semplici da usare;
• molto diffuse nelle LAN;
• distanza tipica fino a 100 metri.

Su fibra ottica

Usano impulsi luminosi.

Esempi:

• 100BASE-FX
• 1000BASE-SX
• 1000BASE-LX
• 10GBASE-SR
• 10GBASE-LR

Caratteristiche:

• maggiore distanza;
• maggiore immunità ai disturbi elettromagnetici;
• maggiore costo;
• uso frequente per dorsali, campus, collegamenti tra armadi o edifici.

In base alla velocità

• Ethernet classica → 10 Mbps;
• Fast Ethernet → 100 Mbps;
• Gigabit Ethernet → 1000 Mbps;
• 10 Gigabit Ethernet → 10 Gbps.

In base alla distanza massima

Sul rame si arriva di solito a circa 100 metri. La fibra può andare da poche centinaia di metri fino a diversi chilometri, in base alla tecnologia utilizzata.

• SX → corto raggio;
• LX / LR → lungo raggio.

In base al tipo di segnale

• rame → segnale elettrico;
• fibra → segnale ottico.

Riassunto delle tecnologie più comuni

NIC e componenti fisici associati

La NIC non lavora da sola: spesso comprende o usa anche un transceiver.

Transceiver

È il modulo che:

• trasmette;
• riceve;
• adatta il segnale al mezzo.

In molte schede Ethernet moderne il transceiver è integrato. In altre situazioni può essere separato, ad esempio con moduli:

• SFP
• SFP+

Questi permettono a una NIC o a uno switch di usare diversi tipi di fibra o collegamenti.

Differenza tra parte fisica e parte logica della NIC

La NIC è quindi un dispositivo che tocca sia il livello 1 sia il livello 2.

Esempio semplice

Un PC collegato a uno switch tramite cavo Ethernet permette di osservare il ruolo della NIC.

La NIC del PC:

• riceve i dati dal sistema operativo;
• aggiunge le informazioni di livello 2;
• converte i bit in segnale elettrico;
• invia il segnale sul cavo.

Lo switch riceve il segnale tramite la sua porta, lo interpreta e lo inoltra.

Se invece il collegamento fosse in fibra, la NIC o il modulo associato trasformerebbe i bit in segnali luminosi.

Differenze essenziali

Nel confronto tra tecnologie 802.3 al livello fisico, le differenze principali sono:

• mezzo trasmissivo → rame o fibra;
• tipo di segnale → elettrico o ottico;
• velocità → 10 / 100 / 1000 / 10000 Mbps;
• distanza massima;
• tipo di connettore;
• duplex;
• compatibilità della NIC.

Differenza tra NIC e porta Ethernet

NIC e porta Ethernet non sono esattamente la stessa cosa.

• NIC = l’interfaccia di rete completa;
• porta Ethernet = il connettore fisico visibile, ad esempio RJ45.

La porta è quindi solo una parte della NIC.

Riepilogo finale

La NIC è il componente hardware che consente il collegamento alla rete Ethernet. Dal punto di vista del livello fisico, si occupa di trasformare i dati digitali in segnali adatti al mezzo trasmissivo e viceversa.

Le differenze principali tra le tecnologie Ethernet fisiche riguardano:

• il mezzo utilizzato;
• il tipo di segnale;
• la velocità supportata;
• la distanza massima;
• la compatibilità tra NIC, cavo e apparato di rete.