La Trinakria.it
  Segnala errore sito
Glossario informatico
 
 
Ethernet
Il tipo più diffuso di rete locale (connessione nello stesso edificio di svariati computer). Trasmette 10 milioni di bit per secondo. Una rete locale a 10 Mbit per secondo inizialmente sviluppata dal Palo Alto Research Center di Xerox e successivamente rifinita da Digital Equipment, Intel e Xerox. E' la più diffusa tra le reti locali nel mondo e il suo standard finale porta la firma del comitato 802.3 dell'IEEE ( Institute of Electrical and Electronics Engineers). Esistono tre diverse versioni di Ethernet a 10 Mbit per secondo, distinte per tipo di cavo utilizzato: coassiale da circa 1 cm di diametro (thick coax - coassiale spesso) per tratte massime di 500 metri (ormai poco utilizzato), coassiale sottile (3-4 mm di diametro) per tratte massime di 200 metri e doppino ritorto non schermato (il più diffuso) per impianti dove tutte le macchine vengono collegate a un concentratore centrale (hub) con tratte di cavo lunghe al massimo 100 metri. Il doppino (simile al cavo usato in telefonia) è preferibile perché, oltre a essere più economico, consente maggiore sicurezza. Infatti se si trancia il cavo che collega un computer al concentratore viene isolata solo quella macchina e tutte le altre continuano a trasmettere. Se invece s'interrompe uno spezzone di coassiale tutto il segmento cessa di funzionare. Ethernet è il tipo più diffuso di rete locale che esista al mondo. Con rete locale s'intende un sistema di collegamento tra diversi computer, tutti collocati all'interno del medesimo edificio, entro edifici contigui oppure nell'arco di pochi chilometri nel caso in cui non esistano confini di riferimento precisi. Tale sistema consente lo scambio diretto di dati in formato elettronico tra più di due computer, senza ricorrere al passaggio di dischetti. Il numero di stazioni deve essere per lo meno tre perché se i computer fossero soltanto due non si potrebbe più parlare di rete, ma bensì di collegamento diretto, da punto a punto, come quello che si crea quando si usano particolari tipi di cavo seriale o parallelo per trasferire dati da un portatile a un desktop. La natura generale di qualsiasi LAN (Local Area Network - rete locale) e quella di Ethernet in particolare è di consentire il libero colloquio con qualsiasi macchina collegata e di trasmettere la stessa informazione contemporaneamente a tutte le macchine in ascolto (broadcasting). Ethernet non è necessariamente la migliore delle tecnologie possibili, ma si è dimostrata la più economica e la più facile da utilizzare il che ne ha decretato un enorme successo a tutti i livelli d'impiego e in qualsiasi area geografica del mondo. La sua storia ha inizio nei primi anni Settanta presso il Palo Alto Research Center (PARC), il laboratorio di ricerca di Xerox, per opera di Robert Metcalfe e David Bloggs. Il lavoro iniziò intorno al 1972, ma la sua prima definizione pubblica risale a un articolo pubblicato nel 1976 con la firma dei due inventori. Il nome, ideato e registrato da Xerox, suggerisce l'idea dell'etere, cioè di quella sostanza incorporea che in passato si supponeva pervadesse tutta l'aria e consentisse il propagarsi della luce. Così intesa, verrebbe la tentazione di pensare a una rete che usa onde radio elettromagnetiche per la distribuzione delle informazioni, quando invece è sempre necessario un cavo in rame oppure in fibra ottica per convogliare i segnali. Xerox, come è accaduto successivamente per altre invenzioni sviluppate nei suoi laboratori californiani, non ebbe l'intraprendeza di trasformarla immediatamente in un prodotto commerciale e dobbiamo aspettare il dicembre del 1980 per averne la prima versione utilizzabile, dovuta all'iniziativa congiunta di Xerox, Digital Equipment e Intel. Nel 1982 lo standard iniziale fu sostituito dalla versione 2.0, detta anche Ethernet II oppure DIX (Digital, Intel, Xerox) che costuisce ancora oggi uno standard di riferimento per numerosi impianti. Il passaggio finale fu affidarne la standardizzazione a un ente al di sopra delle parti. Considerando le potenzialità di diffusione mondiale, Ethernet non poteva restare affidata nelle mani di tre società private. Tutti gli altri produttori non avrebbero investito in una tecnologia che sfuggisse al loro controllo. Il ruolo di arbitro fu affidato all'Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), un ente statunitense con sede a New York che riunisce scienziati, ingegneri e studenti e che nella prima metà degli anni Ottanta creò un comitato, identificato dal numero 802, il cui compito è di codificare tutti i tipi primari di rete locale, incluso naturalmente Ethernet. La sua prima formulazione ufficiale risale al 1983 con la pubblicazione del documento IEEE 802.3 in cui si definiscono le specifiche elettriche e fisiche per una rete Ethernet a 10 Mbit per secondo su cavo coassiale. Successivamente il documento è stato perfezionato a più riprese, cominciando dal 1985 con la definizione del metodo di accesso e proseguendo, poi, con l'aggiunta di versioni capaci di funzionare anche su cavi di tipo differente e a velocità diverse (1 Megabit per secondo, 100 Megabit per secondo e, l'anno prossimo, 1 Gigabit per secondo). Il sistema di trasmissione Ethernet usa un solo cavo per collegare decine di stazioni di lavoro, ciascuna delle quali riceve contemporaneamente tutto quel che passa sulla rete, mentre solo una stazione alla volta ha la facoltà di trasmettere. Ogni stazione è indipendente e non esiste una singola entità che funzioni da arbitro. Per inciso, esiste anche una particolare versione di Ethernet che consente la trasmissione contemporanea da diverse stazioni multiple, usando canali separati che occupano contemporaneamente lo stesso cavo coassiale, seguendo un approccio analogo a quello usato per la televisione via cavo. In tal caso si parla di Ethernet broadband (a banda larga) e ogni scheda di rete deve montare speciali modem ad alta frequenza per trasmettere e ricevere sul cavo. Viene usata molto di rado e solo in ambienti particolari, in ragione dell'elevato costo delle schede. Tornando all'Ethernet convenzionale, vediamo che le informazioni sono trasmesse nella forma d'impulsi che si propagano a partire dalla stazione emittente verso i due estremi della rete (a destra e a sinistra) fino a raggiungere il punto in cui il cavo termina ai due estremi. In questo percorso incontrano altri nodi che sono collegati lungo il cavo e che ascoltano tutto quello che passa cercando di scoprire se è indirizzato a loro. Ogni messaggio in transito sulla rete (detto anche trama o frame, all'inglese, perché composto da una sequenza di bit tra loro combinati) reca al proprio interno l'indirizzo di origine e quello di destinazione, perciò ogni macchina lo copia in una piccola porzione di memoria (buffer) di cui dispone nella scheda d'interfaccia, legge l'indirizzo di destinazione e, se non coincide con il proprio, lo scarta. Con questo meccanismo, assicurandosi che una sola macchina alla volta abbia la possibilità di trasmettere mentre tutte le altre sono in ascolto, si costruisce in modo semplice una rete a cui è facile aggiungere nodi, visto che ogni nuovo nodo riceve automaticamente tutto quel che transita sul cavo e diventa immediatamente parte del gruppo di lavoro, acquistando anche la facoltà di trasmettere ogni volta che la linea è libera. Questo sistema vale per qualsiasi genere di rete Ethernet, indipendentemente dalla sua velocità di funzionamento o dal tipo di cavo utilizzato. Ogni scheda di rete disponibile in commercio dispone di un proprio indirizzo permanente, unico al mondo, espresso in numeri esadecimali e lungo 12 Byte. I primi 6 Byte di questo indirizzo indicano il costruttore e vengono conservati in un registro mondiale così da evitare duplicazioni. Gli altri 6 Byte vengono assegnati dal costruttore medesimo, scheda per scheda, così da creare una combinazione univoca per ciascun pezzo. Grazie a questo metodo, è possibile risalire in ogni momento a chi ha fabbricato la scheda e non esiste la benché minima possibilità che sulla stessa rete esistano due nodi con il medesimo indirizzo fisico. La connessione di varie macchine sullo stesso cavo prende il nome di topologia elettrica a "bus". Con topologia elettrica si indica la disposizione delle connessioni elettriche che uniscono i diversi nodi di una LAN o, più in generale, il percorso logico che le informazioni seguono per arrivare a destinazione. Il termine bus identifica, come nel caso dell'omnibus da cui la parola deriva, il fatto che tutti ricevono contemporaneamente lo stesso segnale e sono collegati al medesimo percorso trasmissivo. Nelle prime reti Ethernet la topologia elettrica corrispondeva anche alla topologia fisica, cioè al modo in cui fisicamente le varie stazioni venivano collegate tra loro. Successivamente, con l'adozione del doppino, si è mantenuto una topolgia elettrica a bus (elemento invariabile nella natura di Ethernet), ma la topologia fisica, cioè il modo in cui i cavi vengono distribuiti, è diventata una stella: tutte le macchine si collegano a un punto centrale, come vedremo più avanti. Qualunque sia la topologia fisica e qualunque sia la velocità, la tecnica trasmissivia su rame rimane invariata e consiste nel trasmettere un segnale che assomiglia a un'onda quadra e che oscilla tra valori di tensione negativi e positivi e ogni transizione (da negativo a positivo o viceversa) indica la presenza di una cifra binaria, rispettivamente 1 e 0. Questo sistema prende il nome di codifica di Manchester e ha il vantaggio di rendere molto più sicuro il riconoscimento degli 1 e degli 0 visto che non si misura l'ampiezza dell'impulso (alto per 1 e basso per 0 come avviene all'interno del PC) ma si usa l'inversione di polarità, facilmente riconoscibile anche in caso di presenza di disturbi. Inoltre, oltre a convogliare le informazioni digitali, questo genere di codifica fornisce la sincronizzazione per tutte le interfacce collegate alla rete. Come viene regolato l'accesso alla rete: il CSMA/CD Nella rete Ethernet non esiste un arbitro degli accessi bensì un meccanismo in base al quale le singole stazioni di lavoro si "autodisciplinano", astenendosi dal trasmettere quando qualcun'altra lo sta già facendo. Tecnicamente questo sistema prende il nome di CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection - accesso multiplo a rilevazione di portante con segnalazione di collisione). Interpretando il significato di questa sigla si comprende anche l'anatomia del meccansimo. La prima azione che qualsiasi scheda d'interfaccia esegue prima d'iniziare a trasmettere consiste nell'ascoltare se qualcuno lo sta già facendo, ecco la rilevazione della portante. Nel caso qualcuno stia trasmettendo, sul cavo sarà presente un segnale a 20 MHz su cui viaggiano 10 Mbit per secondo (codificati con il sistema di Manchester). In caso di "occupato" la workstation desiste e tenta di ritrasmettere più tardi. L' accesso alla rete è multiplo, perciò tutte le stazioni hanno la stessa facolta di parlare a condizione di accertarsi prima che la linea sia libera, operazione che possono eseguire tutte in contemporanea. Supponiamo, a questo punto, che due stazioni siano pronte a trasmettere e che abbiano trovato la linea libera. La trasmissione parte nello stesso momento e quella della prima inevitabilmente collide con quella della seconda provocando l'ingarbugliamento del segnale elettrico e l'impossibilità di riconoscere i bit che vi erano contenuti. Se non esistesse nessun sistema che segnalasse l'avvenuta collisione, le due stazioni continuerebbero a trasmettere i rispettivi messaggi per intero, nella convinzione che questi arriveranno a buon fine. Per questo motivo i progettisti hanno inserito nella scheda d'interfaccia un ulteriore circuito che rimane sempre in ascolto, anche quando la scheda medesima sta trasmettendo, per verificare che non siano avvenute collisioni. Il circuito in sé non è complesso, infatti tutto quel che deve verificare è l'esistenza di valori di tensione superiori alla norma. In caso di collisione, infatti, i segnali elettrici delle due stazioni si mescolano e finiscono anche per sommarsi, perciò la tensione risultante che circola in rete è maggiore. Non appena la collisione viene rilevata, le schede d'interfaccia di entrambe le stazioni non interrompono immediatamente la trasmissione, ma continuano a inviare bit fino a raggiungere la dimensione minima di un pacchetto di 64 Byte. Questo per fare in modo che anche tutte le altre macchine sulla rete si accorgano che la collisione è in corso e che la rete è momentaneamente bloccata. Dopo di che interrompono la trasmissione e attivano un timer di durata casuale prima di ritentare la trasmissione. Il fatto che il timer sia casuale impedisce che entrambe ripartano nello stesso istante, causando una nuova collisione. Se, nonostante l'uso dei timer, la collisione si verificasse ancora, il timer verrebbe allungato progressivamente fino a un punto in cui il continuare delle collisioni indicherebbe un guasto fisico sulla rete e le singole schede d'interfaccia comunicherebbero al rispettivo computer l'impossibilità di trasmettere. Nella realtà le collisioni sono più frequenti di quello che a prima vista potrebbe sembrare. Infatti, oltre al caso fortuito visto prima di due stazioni che trasmettono esattamente nello stesso momento, esistono anche altri casi in cui due o più macchine cercano di prendere possesso della linea con la convinzione che sia libera, quaundo questa in realtà non lo è e c'è già qualcun altro che ha cominciato a trasmettere. Per capire come questo possa accadere dobbiamo parlare di tempi: alla velocità di 10 Mbit per secondo ci vogliono 100 nanosecondi per inviare un singolo bit. Trattandosi di un impulso elettrico che viaggia alla velocità della luce, la propagazione non è istantanea anche se molto veloce. Si verifica quello che in termini tecnici si chiama "ritardo di propagazione". Ci vuole circa un nanosecondo per percorrere 30 centimetri e, prima che il secondo bit sia uscito dalla scheda di rete che sta trasmettendo, il primo bit ha circa trenta metri di vantaggio. Le reti Ethernet hanno lunghezze di centinaia di metri perciò può benissimo accadere che una seconda stazione, diciamo a 90 metri distanza dalla prima, ascolti la linea nel momento in cui la prima ha iniziato a trasmettere e la troveri comunque libera, visto che il primo bit non è ancora arrivato fino a lei. In tal caso la seconda stazione inizierebbe la propria trasmissione e quasi subito si troverebbe coinvolta in una collisione. Anzi, anche una terza stazione, ancora più distante potrebbe partire nel frattempo e provocare un vero e proprio "tamponamento a catena". Questo ci fa capire per quale motivo, al crescere del numero di stazioni presenti sulla rete, aumenti anche il numero di collisioni e ci spiega anche perché una rete Ethernet non possa superare una certa lunghezza. Il problema viene ulterioremente complicato dal fatto che, mentre la seconda e la terza stazione si accorgono della collisione quasi immediatamente, la prima non se ne rende conto fino a quando il segnale di collisione rimbalza indietro lungo la rete e ritorna fino a lei. Quindi si aggiungono ulteriori tempi morti perché, come abbiamo visto prima, bisogna continuare a trasmettere almeno 64 Byte anche in caso di collisione, così da far proseguire la collisione abbastanza a lungo da consentire a tutte le stazioni coinvolte di accorgersene. La quantità di Byte da trasmettere è legata al tempo che il segnale elettrico impiega per completare un viaggio di andata e ritorno (round trip ) sull'intera rete. Per l'Ethernet a 10 Mbps le specifiche dicono che, qualunque sia il tipo di cavo utilizzato, un singolo bit non deve impiegare più di 50 microsecondi per coprire l'intera lunghezza della rete nei due sensi, il che equivale a trasmettere 500 bit, cioè 62,5 Byte, arrotondati a 64. Da questi parametri di partenza derivano una serie di vincoli di lunghezza del cavo, di numero massimo delle stazioni per tratta di cavo e di numero massimo di ripetitori. Questi vincoli cambiano per i vari tipi di Ethernet, come vedremo più avanti. Per estendere il limite della rete oltre il valore di 50 microsecondi, per l'andata e ritorno, è nececessario creare una seconda rete e collegarla alla prima attraverso un dispositivo "ponte" (chiamato bridge) che memorizza ogni messaggio in arrivo da una parte e lo ritrasmette alla rete successiva solo se è destinato a questa, oppure lo scarta se si tratta di un messaggio che deve rimanere all'interno della prima rete. Così facendo svincoliamo le temporizzazioni della prima rete (che da punto di vista del bridge diventa un "segmento") dalla temporizzazione della seconda. Inoltre riduciamo il traffico generale e le collisioni, visto che evitiamo il propagarsi di traffico inutile tra le due. La velocità massima di trasmissione per una rete Ethernet classica è di 10 Mbit per secondo, ma esiste anche una versione a 1 Mbit per secondo creata da AT&T col nome di StarLAN e usata per un certo periodo tra il 1985 e il 1987 come sistema per sfruttare il doppino telefonico per la trasmissione dati (decaduta con l'avvento dell'Ethernet su doppino che trasmette 10 Mbps su cavo di tipo telefonico). Negli ultimi due anni, poi, ha cominciato a diffondersi anche una versione a 100 Mbps, chiamata Fast Ethernet. Qualunque sia la velocità massima nominale di queste tre varianti, la pratica ci dice che è difficile sfruttarne più del 40% quando le si utilizza nella loro forma originale, cioè numerose macchine connesse a un singolo percorso trasmissivo. Talvolta si arriva anche al 50 e al 60%, ma non in modo continuativo. Oltre il 40%, infatti, le collisioni aumentano molto rapidamente e oltre il 60% diventano predominanti. In ragione di questo fatto Ethernet ha dovuto per anni respingere la concorrenza di Token Ring che, in quanto priva di collisioni, riusciva con i propri 4 Mbps a far viaggiare tante informazioni di quante ne conteneva un'Ethernet a 10 Mbps. Una Token Ring a 16 Mbps si difende meno bene rispetto a una Fast Ethernet a 100 Mbps, ma il divario non è enorme visto che quest'ultima, in realtà, non riesce a mettere in campo più di 40 o 60 Mbps reali quando deve servire diverse macchine contemporaneamente. Esistono modi per ridurre l'effetto delle collisioni, a fronte di un maggiore investimento sull'hardware, ma questi sono possibili solo con le reti che usano il doppino oppure la fibra, perciò li vedremo più avanti. Perché Ethernet non è idonea al traffico multimediale Il sistema CSMA/CD tende a garantire a ciascuna stazione la facoltà di trasmettere, evitando in una certa misura le collisioni accidentali, ma d'altro canto non garantisce che ciascuna macchina abbia effettivamente l'opportunità di farsi sentire. Una volta che si è preso il controllo della rete lo si può conservare anche per un periodo relativamente lungo, senza dare agli altri la possibilità di fruirne. Al contempo nessuno ci garantisce di poter continuare a trasmettere indisturbati senza che qualcuno cerchi d'intrufolarsi, interrompendoci. Il tutto viene lasciato al caso e per questo motivo si dice che Ethernet usi un sistema di accesso di tipo probabilistico. Esiste una certa probabilità che ciascuna macchina riesca a trasmettere, ma questa probabilità è inversamente proporzionale all'affollamento della rete e al suo volume di traffico. Inoltre, trattandosi di una probabilità, la si può quantificare, ma non vi si può fare affidamento. Le reti Token Ring, invece, impiegano un sistema deterministico grazie al quale stabiliscono il periodo massimo per il quale ciascuna stazione può tenere la linea e definiscono anche con quale ritardo potrà riprenderla dopo averla ceduta. Consentono anche di regolare in una certa misura le priorità del traffico consentendo la prosecuzione di quelle trasmissioni che non possono essere interrotte, come l'invio della voce e delle immagini video in movimento. Ne risulta chiaramente che Token Ring è a tutti gli effetti una rete multimediale, mentre Ethernet non lo potrà mai essere, qualunque siano le operazioni di "lifting" che i vari fornitori propongono. L'unica soluzione possibile per aumentare le probabilità che il traffico multimediale fluisca correttamente su una rete Ethernet consiste nel tenere la rete libera il più possibile, conferendo a ciascuna stazione di lavoro il massimo della velocità trasmissiva. Anche in questo scenario, tuttavia, stiamo ancora parlando di probabilità visto che nessuno garantisce che il flusso multimediale non si blocchi in qualche punto del percorso e che non debba essere momentaneamente interrotto. Ethernet è perfettamente idonea per recapitare qualsiasi genere d'informazione in formato digitale, ma non sempre lo fa nei tempi a noi sono necessari. Facciamo un esempio chiarificatore: una stazione deve trasmettere un file di grandi dimensioni a un server. La trasmissione incomincia e una parte del file riesce a passare prima che si verifichi una collisione oppure prima che la stazione mittente faccia una breve pausa, magari per prelevare le informazioni dal proprio disco rigido. In quel momento un'altra workstation s'intrufola e prende temporaneamente controllo della rete. Passano alcune frazioni di secondo e la rete torna nuovamente libera, perciò la nostra stazione riprende a trasmettere e spedisce un altro pezzetto di file ma viene nuovamente interrotta. Dopo un'altra breve pausa, riprende e continua in questo modo fino a completare l'invio. Il server, durante tutto questo tempo, rimane in attesa dei dati e mantiene traccia dei vari pezzi che arrivano. Il risultato finale è che il file ci mette un po' più tempo per essere trasferito, ma arriva correttamente a destinazione e tutto va bene. Se invece sulla rete sta viaggiando una conversazione telefonica, la nostra stazione spedisce una parte di frase, ma s'interrompe a metà perché si verifica una collisione e deve attendere che la linea ritorni libera. Dopo un breve intervallo riprende e completa l'invio di un altro spezzone di frase e via di questo passo. Immaginativi l'impressione che ne riceve l'ascoltatore all'altro estremo: l'informazione che arriva, pur essendo ancora fedele nei contenuti, non è più fedele nella forma e perciò risulta alterata e scarsamente comprendibile. L'effetto diventa ancora più marcato quando si trasmettono le immagini di un filmato, visto che la mole d'infomazioni in transito e molto maggiore e le possibilità di collisione e d'interruzione aumentano proporzionalmente. Alcuni fornitori hanno realizzato speciali sistemi per assegnare maggiore priorità al traffico multimediale rispetto al traffico dati. Nel gergo informatico si chiamano "implementazioni proprietarie", cioè sono tecnologie che hanno un solo padrone e perciò esulano dallo standard concordato. Chi acquista questo genere di apparecchiature si vincola a un solo fornitore, sottostando al prezzo stabilito da quest'ultimo (visto che c'è concorrenza), e si affida alla costanza di quest'ultimo nel fornire tali prodotti anche in futuro. Si tratta in sostanza di soluzioni sgradite ai gestori di rete che non vogliono legarsi vita natural durante a una particolare marca e che sono disposti ad adottarle come soluzioni tattiche per risolvere le esigenze immediate di piccoli gruppi di lavoro solo a condizione che l'investimento sia modesto. Esiste una proposta di standard comune per realizzare una versione di Ethernet che sia anche in grado di trasferire traffico multimediale. Prende il nome di Ethernet Isocrona (IsoENET o IsoEthernet), dove isocrono significa "che avviene nello stesso tempo" e si riferisce al fatto che il traffico multimediale viene ricevuto nello stesso momento in cui viene trasmesso, cioè senza ritardi. Ciò è possibile aggiungendo al canale da 10 Mbps standard un secondo canale da 6 Mbps dedicato a questo genere di traffico, pur continuando ad usare il doppino come sistema di trasmissione. IsoENET è anche una tecnologia approvata dall'IEEE con lo standard 802.9a, ma non è mai davvero decollata proprio in virtù dell'estrema ritrosia a cambiare che caratterizzagli utenti di Ethernet e che ha favorito il grande successo di Fast Ethernet. Inoltre esistono sistemi più economici per garantire un adeguato traffico multimediale, ad esempio: Token Ring (se il traffico è d'intensità modesta), FDDI (se il collo di bottiglia è sulla dorsale), ATM (Asynchronous Transfer Mode - se il traffico è intenso oppure se l'impianto è nuovo), 100VG-AnyLAN (se il traffico è intenso e non si vuole entrare nella complessità del mondo ATM). Ethernet rimane, perciò, un'ottima LAN per il traffico dati e può anche trasportare traffico multimediale in determinate condizioni, ma non meravigliatevi se i risultati non sono sempre soddisfacenti. È semplice da posare e da gestire. Costa poco e sarà molto probabilmente la prima rete locale con cui avrete a che fare.

 Indietro