Ethernet

Ethernetè una famiglia di tecnologiestandardizzateperreti locali,sviluppata a livello sperimentale daRobert MetcalfeeDavid Boggs(suo assistente) alloXerox PARC,che ne definisce lespecifiche tecnichealivello fisico(ad esempioconnettori,cavi,tipo ditrasmissione) e alivello di collegamento di datidel modelloarchitetturale di reteISO/OSI.

Commercializzata nel 1980 e inizialmente standardizzata nel 1983 comeIEEE 802.3,è ampiamente utilizzata nell'industria. Anche il traffico sulla rete Internet viene comunemente trasmesso su Ethernet, pertanto è considerata una delle tecnologie chiave che compongonoInternet;più in generale, è utilizzata nellereti locali(LAN), nellereti metropolitane(MAN) e nellereti geografiche(WAN).

Storia

Ethernet è stata sviluppata allo Xerox PARC tra il 1973 e il 1974.Ethernet ha le sue radici in una precedente rete radio a pacchetti, chiamataAloha,sviluppata all'università delle Hawaiiper fornire supporto alle comunicazioni tra calcolatori situati in diverse isole dell'arcipelago. Robert Metcalfe aveva studiato le reti a pacchetti come parte della sua tesi di dottorato.Come per la reteAloha,il problema principale da risolvere per Ethernet è come mediare l'accesso a un mezzo condiviso in modo equo ed efficiente. InAlohail mezzo fisico era l'atmosfera, mentre in Ethernet si tratta di uncavo coassiale.

Schema di una rete Ethernet

Coppia di connettori 8P8C, più impropriamente chiamatiRJ-45

L'obiettivo originario dell'esperimento era ottenere una trasmissione affidabile a 3 Mbit/s sucavo coassialein condizioni di traffico contenuto, ma in grado di ben tollerare occasionali picchi di carico. Per regolamentare l'accesso almezzo trasmissivoera stato adottato un protocollo diaccesso multiploal mezzo condiviso del tipoCSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection).

Il successo dell'esperimento suscitò forte interesse e portò alla formazione di un gruppo di imprese, costituito daXerox Corporation,Intel CorporationeDigital Equipment Corporation,che nel1978portarono alla standardizzazione 802.3 e il 30 settembre1980pubblicarono la versione 1.0 dello standard Ethernet (chiamarono il sistema Ethernet ispirandosi aluminiferous ether,attraverso il quale un tempo si pensava si propagassero le radiazioni elettromagnetiche).

Nel frattempo, Metcalfe aveva lasciato Xerox nel1979per promuovere l'uso del PC e delleLAN,motivo per cui fondò3Com.Metcalfe ha attribuito il successo di 3Com aJerry Saltzer,il quale collaborò alla stesura di un articolo importantissimo con cui suggeriva che l'architetturatoken ringfosse teoricamente superiore alla Ethernet: a causa di ciò, le grosse aziende decisero di non puntare su Ethernet, mentre 3Com poté creare un business intorno al sistema riuscendo a guadagnarsi un grande vantaggio tecnico e a dominare il mercato quando Ethernet prese piede.

Successivamente, l'interesse delle imprese del settore aumentò al punto che l'IEEEcostituì alcuni gruppi di studio finalizzati a perfezionare e consolidare Ethernet, nonché a creare numerosi altri standard correlati. Uno dei risultati raggiunti fu la pubblicazione, nel 1985, della prima versione dello standardIEEE 802.3,basato sull'originale specifica Ethernet, ma non completamente identificabile con essa. In seguito, lo standard Ethernet come tale non è più stato mantenuto, ma il termine continua ad essere usato quasi come fosse un sinonimo diIEEE 802.3,sebbene i due standard non coincidano completamente.

Caratteristiche

Nel tempo, ha ampiamente sostituito le tecnologie LAN cablate concorrenti comeToken Ring,FDDIeARCnet.L'Ethernet 10BASE5 originale utilizza ilcavo coassialecome mezzo condiviso, mentre le nuove varianti Ethernet utilizzano collegamenti a doppino intrecciato efibra otticain combinazione con switch di rete. Nel corso della sua storia, itassi di trasferimentodati Ethernet sono stati aumentati dai 2,9 megabit per secondo (Mbit / s) agli ultimi 400 gigabit al secondo (Gbit / s). Gli standard Ethernet comprendono diverse varianti dicablaggioe di segnalazione del livello fisico OSI in uso con Ethernet.

I sistemi che comunicano tale tecnologia dividono un flusso di dati in pezzi più brevi chiamati frame; ogniframecontiene gli indirizzi di origine e destinazione e i dati di controllo degli errori in modo che iframedanneggiati possano essere rilevati e scartati; più spesso, i protocolli di livello superiore attivano la ritrasmissione diframepersi. Come per il modello OSI, Ethernet fornisce servizi fino al livello di collegamento dati incluso. Funzioni come l'indirizzo MAC a 48 bit e il formatoframeEthernet hanno influenzato altri protocolli di rete, tra cui la tecnologia di retewirelessWi-Fi.

Sin dall'inizio della sua commercializzazione ha mantenuto una buona dose di retrocompatibilità ed è stato perfezionata per supportare velocità in bit più elevate e distanze di collegamento più lunghe. Ethernet attualmente è il sistemaLANpiù diffuso per diverse ragioni:

• è nata molto presto e si è diffusa velocemente, per cui le uscite di nuove tecnologie comeFDDIeATMhanno trovato il campo occupato;
• rispetto ai sistemi concorrenti, è più economica e facile da usare e la diffusione delle componenti hardware ne ha facilitato l'adozione;
• funziona bene ed è soggetta a pochi problemi;
• è adeguata all'utilizzo conTCP/IP.

Frame

Nonostante Ethernet abbia diversi tipi, l'elemento comune è nella struttura delpacchettoEthernet dettoframe,che viene definito DIX (DEC,Intel,Xerox) ed è rimasto fedele alla versione originale.

Questo è ilframe ethernet,ovvero il pacchetto dati creato nellivello di collegamento datidelmodello OSI.Il frame è formato da:

• Preamble(preambolo), di 7 byte: ciascuno di questi primi 7 byte ha valore 10101010 e servono a "svegliare" gli adattatori del ricevente e a sincronizzare gli oscillatori con quelli del trasmittente. Quindi il preambolo sarà così costituito (in bit): 10101010 - 10101010 - 10101010 - 10101010 - 10101010 - 10101010 - 10101010
• Start Frame Delimiter(SFD), di 1 byte: questo byte ha valore 10101011 e la serie dei due bit a 1 indica al destinatario che sta arrivando del contenuto importante; è protetto mediante la violazione delcodice Manchester;svolge la stessa funzione del campoflagdella tramaHDLC;
• DestinationMACaddress(indirizzo di destinazione), di 6 byte: questo campo contiene l'indirizzo LAN dell'adattatore di destinazione; se l'indirizzo non corrisponde, illivello fisicodelprotocollolo scarta e non lo invia agli strati successivi;
• SourceMACaddress(indirizzo sorgente), di 6 byte;
• EtherType(campo tipo), di 2 byte: questo campo indica il tipo di protocollo del livello di rete in uso durante la trasmissione, oppure — nel caso di frameIEEE 802.3— la lunghezza del campo dati;
• Payload(campo dati), da 46 a 1500 byte: contiene i dati reali, che possono essere di lunghezza variabile in base allaMTUdella Ethernet; se i dati superano la capacità massima, vengono suddivisi in piùpacchetti,mentre se i dati non raggiungono la lunghezza minima di 46 byte, viene aggiunto delpadding(riempitivo) della lunghezza opportuna;
• Frame Check Sequence(FCS),controllo a ridondanza ciclica(CRC), di 4 byte: permette di rilevare se sono presenti errori di trasmissione; in pratica, il ricevente calcola il CRC mediante un algoritmo e lo confronta con quello ricevuto in questo campo.

È molto simile al frameIEEE 802.3,tranne che per il campo tipo, che nell'802.11 diventaTipo o Lunghezzae il campo Padding in modo che la trama raggiunga le dimensioni minime e massime pari rispettivamente a 84 byte e 1538 byte.

Indirizzo Ethernet

Tali indirizzi sono anche dettiindirizzi hardware,indirizzi MACoMAC address,oppureindirizzi di livello 2.

Legacy Ethernet

• 10 BASE 5(500 metri);
• 10 BASE 2(185 metri);
• 10 BASE T(100 metri).

Le Legacy Ethernet hanno in comune:

• Architettura di base;
• Parametri di temporizzazione;
• Formato Frame;
• Processo di trasmissione (Codifica di Manchester);
• Utilizzo di 2 coppie di fili per trasmissione-ricezione.

Tipo di trasmissione

La codifica usata per i segnali binari è lacodifica Manchester.

Ethernet è una tecnologia che fornisce al livello di rete unservizio senza connessione.In pratica, il mittente invia ilframenellaLANsenza alcunhandshakeiniziale in modalitàbroadcast(oa bus condiviso): ilframeattraversa tutta la LAN e viene ricevuto da tutti gli adattatori presenti, ma solo l'adattatore che vi riconosce il proprio indirizzo di destinazione lo recepirà, mentre tutti gli altri lo scarteranno.

Ilframericevuto può contenere errori, la maggior parte dei quali sono verificabili dal controllo CRC. Unframeche non supera il controllo CRC viene scartato. Ethernet non prevede la ritrasmissione delframescartato, né una notifica della sua perdita agli strati superiori. Ethernet non è quindiaffidabile,ma grazie a ciò è semplice ed economica. Il compito di provvedere alla ri-trasmissione deiframeperduti viene demandato agli strati superiori (ad esempio ilprotocollo TCP).

La gestione delle collisioni e dell'occupazione simultanea ovvero condivisa del canale di trasmissione viene gestita mediante ilCSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection). Anche da questo punto di vista, Ethernet non è in grado di garantire la consegna di unframe,e men che meno che ilframesia consegnato entro un tempo prevedibile.

Nei sistemi Ethernet recenti, il problema non si presenta in quanto con gliswitche la crescita della capacità (vediGigabit Ethernet) si eliminano le collisioni e si rende molto più improbabile la congestione. Di converso nelle reti "switched" può manifestarsi perdita diframe,dovute alla limitata dimensione deibuffernegli apparati. Questo fenomeno, che con ilCSMA/CDnon si manifestava, nei casi più gravi può portare ad un declino delle prestazioni della rete in termini dithroughput(es: possono intervenire i meccanismi di controllo della congestione delTCPa seguito dello scadere del tempo ditimeout,con conseguente degrado delle prestazioni).

Efficienza

L'efficienza è vista come la frazione di tempo a lungo termine durante la quale sono trasmessiframesenza collisioni con altri mittenti.

Ethernet utilizza un algoritmo diaccesso multiploalla rete dettoCSMA/CD.Ciò permette all'Ethernet, in certe condizioni, di avere un'efficienza di trasmissione del 100%.

In generale, la formula dell'efficienza di Ethernet è:

$\eta ={\frac {1}{1+{\frac {2\cdot t_{prop}}{p\cdot t_{trasm}}}}}={\frac {1}{1+{\frac {2\cdot l\cdot R}{p\cdot c\cdot F}}}}$,

dove$t_{prop}$è ilritardo di propagazione,$t_{trasm}$è ilritardo di trasmissione,$p$è la probabilità di trasmissione senza collisioni (spesso asintoticamente approssimabile a${\frac {1}{e}}$),$l$è la lunghezza deldominio di collisionepiù grande della rete,$R$è ilbit ratedi trasmissione,$c$è la velocità di percorrimento del mezzo di propagazione e$F$è la dimensione deltrama.

Si può notare come, qualora sostituisse unhubcon unbridge,l'efficienza aumenterebbe, poiché sarebbe minore la lunghezza del dominio di collisione.

Cablaggi

Pin	Cp. T568A	Cp. T568B	Cond.	Codice colori T568A	Codice colori T568B
1	3	2	1	bianco verde	bianco arancio
2	3	2	2	verde	arancio
3	2	3	1	bianco arancio	bianco verde
4	1	1	2	blu	blu
5	1	1	1	bianco blu	bianco blu
6	2	3	2	arancio	verde
7	4	4	1	bianco marrone	bianco marrone
8	4	4	2	marrone	marrone

Cavo diretto (Primo)

I cavi dritti (o diretti) si usano per i normali collegamenti, ad esempio traPCeswitchdirete.Tali cavi vengono anche chiamatipatch.

I cavipatchpossono seguire due diversi schemi di collegamento: i collegamenti sono sempre pin-to-pin (ovvero ilpin1 di unconnettoreè direttamente collegato alpin1 dell'altroconnettoreecc), i due schemi si differenziano solo per la scelta di colori diversi per le coppie 1-2 e 3-6.

Schema T568A

Schema T568B

Cavo incrociato

I cavi incrociati (o crossover) si usano per collegare tra di loro 2PCsenza utilizzarehub/switch,oppure per collegare in cascata glihub/switch.

Tipologia

Ethernet con ripetitori e hub

Rete con hub

Ethernet tende a crescere, ma il cavo Ethernet ha una capacità limitata sia in lunghezza sia in capacità di traffico, per cui le LAN di grosse dimensioni vengono suddivise in reti più ridotte interconnesse tra loro da particolari nodi tra i quali possiamo trovare deiripetitori,deglihubo elementi più sofisticati comebridgeoswitchriducendo così il cosiddettodominio di collisione.

Ilripetitoresemplicemente replica ilsegnalericevuto. Il cavo Ethernet può quindi assumere lunghezze maggiori rispetto alle sue capacità. L'unico vincolo è che tra duecomputerci devono essere al massimo due ripetitori per salvaguardare la temporizzazione diCSMA/CD.

Ethernet con bridge e switch

Rete con switch

Ilbridgeè un elemento di interconnessione più sofisticato dell'hubperché opera suiframee non sui segnali elettrici. Con questo sistema si possono creare segmenti di LAN indipendenti in cui le collisioni e i ritardi restano limitati.

Moltibridgesonoadattativioad apprendimentoper cui sono provvisti di unsoftwarecon elenchi di indirizzi per ogni schedaethernetche posseggono. In questo modo quando arriva unframe,estrapolano l'indirizzo di destinazione, e inviano lo stessoframenel segmento giusto in base agli elenchi associati alle schede.

Molto più sofisticati sono gliswitchche sono composti da un numero elevato di schedeethernetche consente ad ognihostdi essere connesso direttamente. Alloswitchvengono poi collegati uno o più cavi Ethernet ad alta velocità che collegano altri segmenti diLAN.

In questo modo loswitchintercetta iframee li ridireziona ad unhostoppure sui segmenti Ethernet. La gestione deiframe,quindi, è ottimizzata perché questi sono subito reindirizzati alla destinazione evitando, per quanto possibile, collisioni. In questo modo ogni scheda ha un suodominio di collisione.

Ethernet su rete di accesso e trasporto

Ethernet può essere usato direttamente come protocollo dilivello fisicoin collegamentipoint to pointnellarete di accessoed entro certi limiti nellarete di trasportocioè entro certe lunghezze di collegamento eliminando il protocollo diaccesso multiploanticollisione CSMA/CD (venendo a mancare domini di collisione) e mantenendo la pacchettizzazione tipica. Questa soluzione si adatta bene ad un traffico a pacchetto ed implica una semplificazione dell'architettura di retecon la sostituzione dell'SDH.

Voci correlate

• IEEE 802.1
• IEEE 802.3
• CSMA/CD
• 3Com
• Local area network
• Cavo ethernet incrociato
• Power over Ethernet
• Wake on LAN
• Hub-polling
• Protocollo a mappa di bit
• Frame Ethernet

Altri progetti

Altri progetti

• Wikimedia Commons

• Wikimedia Commonscontiene immagini o altri file sull'Ethernet

Collegamenti esterni

• Ethernet,susapere.it,De Agostini.
• (EN)Ethernet,suEnciclopedia Britannica,Encyclopædia Britannica, Inc.
• (EN)Opere riguardanti Ethernet,suOpen Library,Internet Archive.
• (EN) Denis Howe,Ethernet,inFree On-line Dictionary of Computing.Disponibile con licenzaGFDL