Ethernet: trama minima, commutatori, albero ricoprente e VLAN

Ethernet è nata nel 1973 come un cavo coassiale condiviso da pochi calcolatori in un laboratorio, ed è diventata la tecnologia di quasi tutte le reti locali e di gran parte delle reti degli operatori, da 10 Mb/s a 800 Gb/s. In questa lezione vediamo la trama Ethernet e gli indirizzi, l’accesso multiplo con rilevamento delle collisioni con la dimostrazione della lunghezza minima della trama, i commutatori che imparano da soli dove stanno le stazioni, il problema degli anelli con l’albero ricoprente e la dimostrazione delle sue proprietà, e le VLAN.

La trama e gli indirizzi

Una trama Ethernet contiene l’indirizzo di destinazione e quello di sorgente, un campo che indica il protocollo trasportato (per esempio IPv4 o IPv6), i dati, da 46 a 1500 byte nella versione classica, e un codice di controllo a 32 bit (CRC) che permette al ricevitore di scartare le trame danneggiate. Gli indirizzi MAC sono di 48 bit, scritti in esadecimale come 3C:22:FB:1A:07:9E: i primi 24 identificano il costruttore, gli altri la scheda. L’indirizzo con tutti i bit a 1 è il broadcast, ricevuto da tutte le stazioni.

Il mezzo condiviso e le collisioni

Nella Ethernet originale tutte le stazioni erano collegate allo stesso cavo. Il protocollo CSMA/CD (accesso multiplo con ascolto della portante e rilevamento delle collisioni): una stazione ascolta il mezzo, trasmette solo se è libero, e continua ad ascoltare mentre trasmette; se rileva una collisione con un’altra trasmissione smette, aspetta un tempo casuale e riprova, raddoppiando ogni volta l’intervallo di attesa medio (backoff esponenziale binario). È un’evoluzione dell’ALOHA (lezione sull’accesso multiplo di Comunicazioni elettriche).

Teorema. Perché una stazione si accorga sempre di una collisione mentre sta ancora trasmettendo, la durata della trama deve essere almeno il doppio del tempo di propagazione massimo tra due stazioni: .

Dimostrazione. Il caso peggiore: la stazione A, a un’estremità, comincia a trasmettere; il segnale impiega quasi per raggiungere la stazione B all’altra estremità, che proprio un istante prima aveva trovato il mezzo libero e ha cominciato a trasmettere. La collisione avviene vicino a B, e il segnale di B impiega un altro per tornare ad A. A riceve la prova della collisione dopo circa dall’inizio della propria trasmissione: se a quel punto avesse già finito, crederebbe che la trama sia arrivata. Serve quindi una trasmissione di durata almeno , cioè almeno bit. ∎

Nella Ethernet a 10 Mb/s il valore fissato fu di 512 bit (51,2 µs), che copre 2500 m con i ripetitori: da qui la lunghezza minima di 64 byte della trama, rimasta nello standard.

I commutatori

Oggi ogni stazione è collegata con un cavo proprio a un commutatore (switch), in full duplex: può trasmettere e ricevere insieme, e le collisioni non esistono più. Il commutatore riceve una trama su una porta e la inoltra solo sulla porta dove sta la destinazione. Come lo sa? Lo impara da solo:

1. per ogni trama ricevuta, annota in una tabella che l’indirizzo di sorgente si trova dietro la porta da cui è arrivata;
2. se l’indirizzo di destinazione è nella tabella, inoltra la trama solo su quella porta (o la scarta, se è la stessa porta d’arrivo);
3. se non lo è, o se è un broadcast, la inoltra su tutte le altre porte (inondazione).

Le voci invecchiano e vengono cancellate dopo qualche minuto, così la tabella segue gli spostamenti delle stazioni. Nessuna configurazione è necessaria: si collegano i cavi e funziona.

Il problema degli anelli

Per affidabilità si collegano i commutatori con percorsi ridondanti. Ma un anello è fatale: una trama broadcast viene inoltrata da ogni commutatore su tutte le porte, torna indietro lungo l’anello e viene inoltrata di nuovo, all’infinito, moltiplicandosi a ogni giro. In pochi secondi la rete è saturata (tempesta di broadcast), e le tabelle impazziscono perché vedono la stessa sorgente da porte diverse.

Il protocollo dell’albero ricoprente (STP, e la versione rapida RSTP) risolve il problema: i commutatori eleggono una radice (quella con l’identificativo minore), ognuno calcola il percorso più breve verso la radice, e le porte che non fanno parte di questi percorsi vengono bloccate. Il risultato è un albero.

Teorema. Un albero che collega nodi ha esattamente collegamenti, e tra due nodi qualsiasi esiste un solo percorso.

Dimostrazione. *Unicità del percorso.* Se tra due nodi ci fossero due percorsi diversi, unendoli si otterrebbe un ciclo, che un albero per definizione non ha. *Numero di collegamenti.* Per induzione: un albero con un nodo ha zero collegamenti. Un albero con nodi ha almeno una foglia (un nodo con un solo collegamento: seguendo un percorso più lungo possibile, il suo ultimo nodo non può avere altri vicini senza creare un ciclo o allungare il percorso). Togliendo la foglia e il suo collegamento resta un albero con nodi, che per ipotesi ha collegamenti; rimettendoli si arriva a . ∎

Il percorso unico garantisce che ogni trama arrivi una sola volta. I collegamenti bloccati restano di riserva: se un collegamento attivo si guasta, l’albero viene ricalcolato e uno di riserva si attiva, in pochi secondi con RSTP.

Le VLAN

Una rete locale piatta trasmette ogni broadcast a tutti, e non separa i reparti di un’azienda. Le VLAN (reti locali virtuali, standard IEEE 802.1Q) dividono un commutatore fisico in più commutatori logici: ogni porta appartiene a una VLAN, e le trame che passano tra commutatori portano un’etichetta di 12 bit con il numero della VLAN, fino a 4094 reti. Le stazioni di VLAN diverse non si vedono a livello di collegamento: per comunicare devono passare da un router, dove si possono applicare regole di sicurezza (lezione sull’indirizzamento IP).