Sistemi e Reti · Classe quinta · Telecomunicazioni

Hub, Switch, STP e traffico in una LAN

Percorso di studio che parte da zero. Un'idea alla volta, ognuna con il suo schema. Non serve sapere già nulla di reti.

Inizia qui

Come usare questa pagina

Gli argomenti sono in ordine: ognuno nasce da un problema lasciato aperto da quello prima. Se segui l'ordine, non devi imparare nulla a memoria senza sapere a che cosa serve.

Leggi "Le basi". Sono le parole che userai in tutto il modulo. Senza queste il resto non si capisce.
Guarda la mappa "problema → soluzione". Ti dà la storia completa in due minuti.
Studia una sezione alla volta. Ogni sezione si apre con un riquadro "In parole semplici": leggi prima quello.
Usa il simulatore quando arrivi allo switch: prova a prevedere il risultato prima di premere.
Fai gli esercizi senza guardare la soluzione, poi il quiz finale.
Se incontri una sigla che non ricordi, vai al glossario in fondo.

La storia del modulo: problema → soluzione

Problema. Ho due PC lontani: il segnale nel cavo si indebolisce e dopo 100 metri non si capisce più.
Soluzione. Il repeater: riceve il segnale e lo rimanda "come nuovo".
Vai a Repeater e hub
Problema. Ho tanti PC da collegare, non solo due.
Soluzione. L'hub: un repeater con tante porte. Quello che entra da una porta esce da tutte le altre.
Vai a Repeater e hub
Problema. Con l'hub tutti sentono tutto e, se due PC parlano insieme, i segnali si scontrano (collisione). Più PC aggiungo, più la rete rallenta.
Soluzione. Il bridge: divide la rete in due parti e fa passare solo i messaggi che devono davvero andare dall'altra parte.
Vai a Bridge
Problema. Dividere in due non basta: vorrei che ogni PC avesse il suo collegamento privato.
Soluzione. Lo switch: un bridge con tante porte, che ricorda in una tabella dove si trova ogni PC (MAC table).
Vai a Switch
Problema. Anche così un PC non può parlare e ascoltare nello stesso momento.
Soluzione. Lo switch full-duplex: si trasmette e si riceve insieme, e le collisioni spariscono del tutto.
Vai a Full-duplex
Problema. Se si rompe un cavo tra due switch, mezza scuola resta senza rete. Metto cavi doppi, ma i cavi doppi formano anelli e i messaggi girano all'infinito.
Soluzione. Il protocollo STP: tiene spenti i cavi in più e li riaccende solo quando servono.
Vai a STP
Problema. Un cavo solo tra due switch è troppo lento, ma con STP i cavi in più restano spenti.
Soluzione. La link aggregation: più cavi usati insieme come se fossero uno solo.
Vai a Link aggregation
Problema. Su un solo server girano tanti computer "finti" (macchine virtuali). Come si collegano tra loro?
Soluzione. Lo switch virtuale: uno switch fatto di software.
Vai a Switch virtuali
Problema. Devo progettare la rete di un edificio vero: quanti switch, dove, quanto veloci?
Soluzione. Dimensionamento del traffico e cablaggio strutturato.
Vai a Traffico

Le basi

Le parole che servono prima di cominciare

Otto idee. Se le hai chiare, tutto il resto del modulo diventa facile.

1 · LAN ed Ethernet

Una LAN è una rete piccola: una casa, un laboratorio, una scuola.

Ethernet è la tecnologia usata nelle LAN con il cavo. Stabilisce come sono fatti cavi, connettori e messaggi.

2 · Bit e velocità

I computer si scambiano bit: 0 e 1, mandati sul cavo come segnali elettrici.

La velocità dice quanti bit passano in un secondo.

Sigla	Bit al secondo	Nome
10 Mbps	10 milioni	Ethernet
100 Mbps	100 milioni	Fast Ethernet
1 Gbps	1 miliardo	Gigabit Ethernet
10 Gbps	10 miliardi	10 Gigabit Ethernet

Attenzione. 1 byte = 8 bit. Un file da 100 megabyte su una linea da 100 megabit al secondo impiega almeno 8 secondi, non 1.

3 · Il frame: la busta dei dati

I dati non viaggiano sfusi. Vengono chiusi in un frame, che funziona come una busta: fuori ci sono destinatario e mittente, dentro il contenuto.

8 bytePreambolo: "attenzione, arriva un frame"

6 byteMAC destinazione: a chi va

6 byteMAC sorgente: chi lo manda

2 byteTipo di contenuto

da 46 a 1500 byteDati

4 byteFCS: controllo errori

Il destinatario è scritto per primo. Chi riceve capisce subito se il frame è per lui.
L'FCS è un numero di controllo. Se all'arrivo non torna, il frame è rovinato e viene buttato.

4 · L'indirizzo MAC

Ogni scheda di rete ha un indirizzo MAC, scritto in fabbrica e diverso da tutti gli altri. È il "nome" del computer dentro la LAN.

Esempio: 00:1A:2B:3C:4D:5E (6 byte in esadecimale).

Unicast: il frame è per un solo PC. Broadcast: il frame è per tutti.

Per scrivere a tutti si usa il MAC speciale FF:FF:FF:FF:FF:FF.

MAC e IP sono la stessa cosa?

No. L'indirizzo IP dice in quale rete si trova il computer e serve ai router. Il MAC serve a consegnare il frame dentro la LAN. Hub e switch non guardano mai l'IP.

5 · I livelli

Il lavoro di una rete è diviso in livelli. Ogni dispositivo lavora a un certo livello.

Più si sale, più il dispositivo capisce che cosa sta trasportando.

6 · Collisioni e CSMA/CD

In parole semplici. In una stanza, se due persone parlano insieme non si capisce nessuna delle due. In rete si chiama collisione.

Succede quando più PC condividono lo stesso cavo. Per mettersi d'accordo usano una regola: CSMA/CD.

Blu: prima trasmissione. Arancione: i due segnali si sovrappongono. Verde: dopo attese diverse, ognuno trasmette da solo.

Ascolto. Il cavo è libero? Allora trasmetto.
Controllo. Mentre trasmetto, ascolto se qualcun altro è partito insieme a me.
Collisione. Mi fermo subito.
Attesa a caso (backoff), poi riprovo. I tempi sono diversi, così non ripartiamo di nuovo insieme.

Perché è importante. Più PC condividono il cavo, più collisioni ci sono, più tempo si perde. Tutto il modulo racconta come ci si è liberati delle collisioni.

7 · Half-duplex e full-duplex

Half-duplex è il walkie-talkie. Full-duplex è il telefono.

8 · Il cavo UTP

Il cavo di rete contiene coppie di fili intrecciati. Una coppia serve per trasmettere (TX), una per ricevere (RX). Lunghezza massima: 100 metri.

Regola: il TX di un lato deve arrivare all'RX dell'altro.

La porta dello switch ha TX e RX già scambiati: basta un cavo dritto. Tra due porte uguali l'incrocio lo deve fare il cavo.

Da ricordare

Il frame è una busta con MAC destinazione e MAC sorgente.
Livello 1 vede bit, livello 2 vede frame e MAC.
Cavo condiviso = collisioni possibili.
Broadcast = frame per tutti.

Mappa dei dispositivi

Ora che conosci le parole di base, ecco tutti i protagonisti in un colpo d'occhio.

Collegare i dispositivi di una LAN Ethernet

Livello 1 · Fisico

Repeater
Hub (repeater con tante porte)
Ripetono i bit, non leggono nulla

Livello 2 · Data Link

Bridge
Switch (bridge con tante porte)
Leggono gli indirizzi MAC

Reti con percorsi doppi

Loop = pericolo
STP li elimina
Link aggregation li sfrutta

Progettare

Traffico e dimensionamento
Scelta di hub o switch
Cablaggio strutturato

Due idee che tornano in ogni sezione

Per ogni dispositivo ti chiederai sempre due cose: fin dove arriva una collisione? e fin dove arriva un broadcast?

Dominio di collisione. La parte di rete in cui due stazioni che trasmettono nello stesso momento si disturbano (collisione). Più è piccolo, meglio è.

Dominio di broadcast. La parte di rete raggiunta da un frame mandato a tutti (MAC di destinazione FF:FF:FF:FF:FF:FF).

Dispositivo	Livello	Domini di collisione	Domini di broadcast
Repeater	1	Li unisce: resta 1	1
Hub	1	1 per tutto l'hub	1
Bridge	2	Li separa: 1 per porta	1
Switch	2	1 per porta	1
Router (per confronto)	3	1 per porta	1 per porta

Area arancione = dominio di collisione. Il contorno blu è il dominio di broadcast: resta uno solo in entrambi i casi.

Repeater e hub

In parole semplici. Il repeater è una persona a metà di un corridoio lungo che ripete ad alta voce quello che sente. L'hub fa lo stesso in una stanza piena: ripete a tutti, senza chiedersi a chi era rivolto il messaggio.

Ti serve: bit, livello 1, collisione, CSMA/CD, half-duplex, cavo UTP.

Il repeater

Problema: lungo il cavo il segnale si indebolisce. Dopo 100 metri non si riconosce più.

Soluzione: il repeater ha due porte. Riceve il segnale da una e lo rimanda dall'altra, pulito e forte.

Il repeater non capisce i dati: ricostruisce solo la forma del segnale.

Lavora a livello 1: non legge indirizzi.
Ripete tutto, anche le collisioni e i frame rovinati.
I due cavi diventano come un cavo solo: 1 dominio di collisione, 1 dominio di broadcast.

Quanti repeater posso mettere in fila?

Non quanti ne voglio. A 10 Mbps vale la regola 5-4-3: tra due PC al massimo 5 tratti di cavo e 4 repeater, e solo 3 tratti possono avere PC collegati. Con troppi repeater il segnale arriva tardi e le collisioni non vengono più riconosciute.

L'hub

L'hub è un repeater con tante porte. Quello che entra da una porta esce da tutte le altre.

PC1 scrive a PC2, ma il frame arriva anche a PC3 e PC4, che lo buttano.

Come lavora

Solo in half-duplex: trasmette un PC alla volta.

I PC usano CSMA/CD.

I suoi limiti

La velocità è divisa tra tutti i PC.

Tutti ricevono tutto: nessuna riservatezza.

Prova tu. Un hub a 10 Mbps con 5 PC che trasmettono tutti: quanta banda ha ognuno?

Risposta

Al massimo 10 ÷ 5 = 2 Mbps. In realtà meno, perché le collisioni fanno perdere tempo.

Che cosa fa l'hub quando c'è una collisione

Due PC trasmettono insieme. L'hub riceve segnale su due porte nello stesso momento.
L'hub manda su tutte le porte un segnale di disturbo, il jam. Vuol dire: "collisione, fermatevi".
I PC si fermano, aspettano un tempo a caso e riprovano.

E se una porta crea sempre collisioni?

Dopo molte collisioni di seguito sulla stessa porta (per esempio per un cavo guasto), l'hub la isola. Si chiama partizionamento. Le altre porte continuano a funzionare.

Collegare due hub: la porta di uplink

Le porte normali di un hub hanno TX e RX già scambiati all'interno (porte MDI-X). Per questo un PC si collega con un cavo dritto.

Ma tra due porte normali di due hub lo scambio avverrebbe due volte. Servirebbe un cavo incrociato.

La porta di uplink è una porta senza scambio (MDI, come quella di un PC). Così basta un cavo dritto.

Collego	Cavo
PC ↔ porta normale	Dritto
Porta di uplink ↔ porta normale	Dritto
Porta normale ↔ porta normale	Incrociato
PC ↔ PC	Incrociato

Trucco. Porte di tipo diverso: cavo dritto. Porte dello stesso tipo: cavo incrociato.

Il LED di link: Link Integrity Test (LIT)

Domanda: come fa una porta a sapere che il cavo è collegato, se nessuno sta trasmettendo?

Risposta: quando non ci sono dati, ogni porta manda un piccolo impulso a intervalli regolari. Si chiama NLP (Normal Link Pulse).

Finché la porta riceve questi impulsi, sa che dall'altra parte c'è qualcuno: LED di link acceso.

Se gli impulsi non arrivano più, la porta considera il collegamento caduto e spegne il LED.

Autonegoziazione negli hub

Autonegoziazione vuol dire che due porte si mettono d'accordo da sole su come lavorare.

Un hub 10/100 riconosce la velocità del dispositivo collegato. Il duplex invece non si sceglie: con un hub è sempre half.

Oggi. Gli hub non si installano più. Si studiano per capire le collisioni e perché lo switch è migliore.

Da ricordare

Repeater e hub: livello 1, ripetono i bit a tutti.
Un hub = 1 dominio di collisione e 1 dominio di broadcast.
Collisione → jam → attesa casuale.
Uplink = porta MDI per collegare un altro hub con cavo dritto.
NLP = impulsi che tengono acceso il LED di link.

Bridge

In parole semplici. Due stanze piene di gente, unite da una porta con un portiere. Il portiere sa chi sta in quale stanza. Se parli a uno della tua stanza, tiene la porta chiusa. Se parli a uno dell'altra, apre e passa il messaggio.

Ti serve: frame, indirizzo MAC, livello 2, broadcast.

A che cosa serve

Problema: con tanti PC sullo stesso hub le collisioni sono troppe.

Soluzione: dividere la LAN in due parti e metterci in mezzo un bridge.

Se A parla con B, il bridge non fa passare il frame a destra. Se A parla con C, lo inoltra.

Il bridge lavora a livello 2: legge gli indirizzi MAC scritti nel frame.

Le due decisioni del bridge

Filtering

Mittente e destinatario sono dallo stesso lato. Il bridge non fa passare il frame.

Forwarding

Il destinatario è dall'altro lato. Il bridge inoltra il frame.

Come fa a sapere chi sta da che parte? Lo impara da solo: ogni volta che passa un frame, guarda il MAC del mittente e si segna da quale porta è arrivato. Lo vedrai in dettaglio nello switch.

Collisioni e broadcast

Collisioni

Restano nel loro lato. Ogni porta del bridge è un dominio di collisione separato.

Broadcast

Passano sempre, perché sono per tutti. Il dominio di broadcast resta uno solo.

Prova tu. Nello schema in alto, D manda un broadcast. Chi lo riceve?

Risposta

Tutti: C, e anche A e B, perché il bridge fa passare i broadcast.

Due bridge per sicurezza: nasce il loop

Problema: se l'unico bridge si guasta, le due parti restano isolate.

Idea: mettere un secondo bridge in parallelo, di riserva. Si chiama configurazione fault tolerance (tolleranza ai guasti).

Nuovo problema: ora tra le due LAN ci sono due strade. Si è formato un anello, un loop.

Ogni bridge ripete il broadcast sull'altra LAN, dove l'altro bridge lo riporta indietro. Non si ferma più.

Il frame Ethernet non ha una "data di scadenza": niente lo ferma. Le conseguenze sono tre.

Broadcast storm

I broadcast girano e si moltiplicano finché la rete si blocca.

Frame duplicati

Lo stesso frame arriva più volte allo stesso PC.

Tabella instabile

Il bridge vede lo stesso MAC arrivare da due porte e non sa più dov'è.

Soluzione. Tenere il secondo bridge collegato, ma spegnere una sua porta finché non serve. Lo fa in automatico il protocollo STP.

Da ricordare

Bridge: livello 2, legge i MAC.
Separa i domini di collisione, non quelli di broadcast.
Filtering = blocco, forwarding = inoltro.
Percorsi doppi = loop = broadcast storm.

STP: Spanning Tree Protocol

In parole semplici. Delle piazze collegate da strade che formano un anello: un'auto senza navigatore girerebbe in tondo per sempre. Il vigile mette una transenna su alcune strade, così tra due piazze resta un solo percorso. Se una strada frana, toglie una transenna. Piazze = switch, strade = cavi, transenna = porta bloccata.

Ti serve: che cos'è un loop, indirizzo MAC. Per ora leggi "switch" come "bridge con tante porte".

L'obiettivo: trasformare l'anello in un albero

Un albero ha una radice e dei rami che non si richiudono mai. Tra due punti c'è una sola strada: niente loop.

STP sceglie uno switch come radice (root bridge) e blocca le porte che chiuderebbero un anello. I cavi restano collegati, pronti come riserva.

Ingrediente 1 · Il Bridge ID

Ogni switch ha un numero di identità, il Bridge ID (BID). Nei confronti vince sempre il più basso.

La priorità vale 32768 su tutti gli switch appena comprati. Il tecnico può abbassarla per decidere chi sarà il root.

Ingrediente 2 · Il costo dei cavi

Ogni cavo ha un costo: più è veloce, meno costa. Il costo per arrivare al root è la somma dei costi dei cavi attraversati.

Velocità	Costo
10 Mbps	100
100 Mbps	19
1 Gbps	4
10 Gbps	2

Prova tu. Per arrivare al root uno switch può usare un cavo diretto a 100 Mbps, oppure due cavi a 1 Gbps passando da un altro switch. Quale sceglie?

Risposta

Diretto: 19. Con due salti: 4 + 4 = 8. Sceglie i due cavi veloci, perché 8 è minore di 19.

Ingrediente 3 · Le BPDU

Gli switch si parlano con piccoli messaggi chiamati BPDU, mandati ogni 2 secondi.

Ogni BPDU dice in pratica: "Secondo me il root è questo. Io sono a questa distanza da lui. Chi parla sono io."

Come si elegge il root:

All'accensione ogni switch dice: "il root sono io".
Quando uno switch riceve una BPDU con un root dal BID più basso del suo, smette di candidarsi.
Da quel momento ripete ai vicini il nome del root migliore che conosce.
Dopo pochi scambi tutti sono d'accordo.

La procedura in 4 passi, da vedere

Premi Avanti per costruire l'albero un passo alla volta.

RP root portDP designated portBL porta bloccata

I tre ruoli delle porte

Root port (RP)

La porta che porta verso il root con il costo più basso.

Una sola per ogni switch non root.

Designated port (DP)

La porta che serve un cavo, dal lato più vicino al root.

Una per ogni cavo.

Porta bloccata (BL)

Tutte le altre. Non porta dati, ma ascolta le BPDU.

In caso di parità. Si confronta sempre in quest'ordine, e vince il valore più basso: 1) costo verso il root, 2) BID dello switch vicino, 3) numero di porta del vicino.

Controllo veloce. Alla fine i cavi attivi devono essere uno in meno del numero di switch. Con 3 switch: 2 cavi attivi.

Gli stati di una porta

Una porta non passa subito a funzionare: prima controlla di non creare un loop.

Dal collegamento del cavo al funzionamento passano circa 30 secondi.

Stato	Che cosa fa
Blocking	Ascolta solo le BPDU
Listening	Partecipa alla scelta dei ruoli
Learning	Comincia a imparare i MAC, ma non inoltra
Forwarding	Lavora normalmente

Per questo in Packet Tracer il pallino resta arancione per circa 30 secondi.

Che cosa succede se un cavo si rompe

Su quel cavo non arrivano più BPDU.
Dopo il tempo massimo di attesa (20 secondi, max age) gli switch capiscono che qualcosa è cambiato.
Rifanno i calcoli. Una porta bloccata passa a listening, learning e poi forwarding.
La rete riparte sul percorso di riserva.

Com'è fatta una BPDU

Viaggia dentro un normale frame Ethernet, con MAC di destinazione speciale 01:80:C2:00:00:00. Contiene 35 byte.

2 byteProtocol ID

1 byteVersion

1 byteBPDU Type

1 byteFlags

8 byteRoot ID

4 byteRoot Path Cost

8 byteBridge ID

2 bytePort ID

2 byteMessage Age

2 byteMax Age (20 s)

2 byteHello Time (2 s)

2 byteForward Delay (15 s)

I quattro campi evidenziati sono quelli usati per decidere: chi è il root, quanto costa arrivarci, chi manda la BPDU e da quale porta.

Campo	In parole semplici
Root ID	Chi è il root secondo me
Root Path Cost	Quanto costa per me arrivarci
Bridge ID	Chi sono io
Port ID	Da quale mia porta sto parlando
Hello, Max Age, Forward Delay	I tre tempi: 2, 20 e 15 secondi

Da ricordare

STP toglie i loop bloccando alcune porte.
Root bridge = BID più basso (priorità, poi MAC).
Root port: una per switch. Designated port: una per cavo.
Costi: 100, 19, 4, 2.
Cavi attivi = numero di switch meno 1.

Switch

In parole semplici. Lo switch è un postino che conosce gli indirizzi: consegna ogni busta solo alla porta giusta, invece di gridarla a tutti. Gli indirizzi li scrive in una rubrica e li impara da solo, leggendo il mittente di ogni busta.

Ti serve: frame, MAC sorgente e destinazione, broadcast, FCS, bridge.

Che cos'è

Lo switch è un bridge con tante porte. Ogni PC ha la sua porta.

Ogni porta è un dominio di collisione separato.
Il dominio di broadcast resta uno solo.

Perché si dice "switch half-duplex"?

Se a una porta è collegato un hub, oppure un dispositivo che lavora in half-duplex, su quel cavo le collisioni sono ancora possibili. Lo switch le tiene chiuse dentro quella porta, ma non le elimina. Per eliminarle serve il full-duplex.

La MAC table: la rubrica dello switch

È una tabella con due colonne: MAC e porta. Dice dietro quale porta si trova ogni dispositivo.

MAC	Porta
00:1A:00:00:00:0A	1
00:1A:00:00:00:0B	2
00:1A:00:00:00:0C	3

All'accensione la tabella è vuota. Nessuno la scrive a mano: lo switch la riempie da solo.

Che cosa fa lo switch con ogni frame

Lo switch fa sempre le stesse domande, nello stesso ordine, per ogni frame.

Learning

Leggo il MAC sorgente e scrivo in tabella da quale porta è arrivato.

Forwarding

Conosco il destinatario: mando il frame solo alla sua porta.

Flooding

Non conosco il destinatario, o è un broadcast: mando a tutte le porte tranne quella di arrivo.

Filtering

Il destinatario è sulla stessa porta da cui arriva il frame: scarto.

Errore tipico. Si impara dal MAC sorgente. Si decide con il MAC destinazione. Non il contrario.

Un esempio passo per passo

Tabella vuota. A è sulla porta 1, B sulla porta 2, C sulla porta 3.

A scrive a B. Lo switch impara "A = porta 1". Non conosce B: flooding su 2 e 3. C riceve il frame e lo butta.
B risponde ad A. Lo switch impara "B = porta 2". Conosce A: forwarding solo sulla porta 1. C non vede nulla.
A scrive ancora a B. Ora conosce B: forwarding solo sulla porta 2.

Dopo pochi frame lo switch conosce tutti e il flooding quasi sparisce. Provalo nel simulatore.

Aging: le righe scadono

Ogni riga ha un timer. Se quel MAC non manda frame per 300 secondi, la riga viene cancellata.

A che serve: se sposti un PC su un'altra porta, la vecchia riga sbagliata sparisce da sola.

Quando parte l'inoltro: tre modalità

Lo switch può iniziare a inoltrare un frame prima di averlo ricevuto tutto. Più aspetta, più è sicuro ma lento.

La barra è il frame. La parte blu è quella che lo switch aspetta di ricevere prima di inoltrare.

	Cut-through	Store-and-forward
Ritardo	Bassissimo	Più alto
Frame rovinati	Li inoltra lo stesso	Li scarta
Porte a velocità diverse	No	Sì

Perché fragment-free aspetta proprio 64 byte?

Una collisione si manifesta sempre entro i primi 64 byte. Un pezzo di frame più corto di 64 byte è quasi certamente il resto di una collisione. Aspettando 64 byte lo switch evita di inoltrare questi frammenti.

Autonegoziazione di velocità e duplex

Quando colleghi un cavo, le due porte si dicono che cosa sanno fare e scelgono la modalità migliore in comune.

Vince la modalità più veloce che compare in tutti e due gli elenchi.

Il guasto classico: duplex mismatch

Succede quando un lato è configurato a mano e l'altro è in automatico.

Il lato automatico non riceve risposta alla negoziazione. Riconosce la velocità dal segnale, ma per il duplex sceglie il più prudente: half.

Regola. O tutti e due automatici, o tutti e due configurati a mano allo stesso modo.

Auto-MDIX

La porta capisce da sola se deve scambiare TX e RX. Con Auto-MDIX va bene qualsiasi cavo, dritto o incrociato.

Da ricordare

Switch = bridge con tante porte. Una porta, un dominio di collisione.
Impara dal sorgente, decide con la destinazione.
Sconosciuto o broadcast → flooding.
Store-and-forward controlla gli errori, cut-through è più veloce.

Simulatore della MAC table

Uno switch con 4 porte. Sulla porta 4 c'è un hub con due PC. Scegli chi trasmette e a chi, poi premi Invia. Prima di premere, prova a prevedere che cosa farà lo switch.

Sorgente Destinazione

La MAC table è vuota. Prova questa sequenza: A→B, poi B→A, poi D→E, poi C→Broadcast.

MAC	Porta	PC
(vuota)

Switch full-duplex

In parole semplici. Passare dal walkie-talkie al telefono. Se a ogni porta c'è un solo dispositivo, il cavo non è condiviso con nessuno: una coppia di fili serve solo per andare, un'altra solo per tornare.

Ti serve: half-duplex e full-duplex, CSMA/CD, cavo UTP.

Perché le collisioni spariscono

In full-duplex i due versi viaggiano su fili diversi. I segnali non possono scontrarsi.

Niente collisioni: CSMA/CD viene spento.
Su una porta da 100 Mbps: 100 Mbps in andata e 100 Mbps in ritorno.
Funziona solo con un dispositivo per porta. Con un hub no.

Come si accordano le porte: NLP e FLP

Ricordi gli impulsi NLP che tengono acceso il LED di link? Per negoziare si usa lo stesso trucco, ma con raffiche di impulsi: le FLP (Fast Link Pulse).

Ogni raffica contiene una parola di 16 bit: l'elenco di ciò che la porta sa fare.

Un vecchio dispositivo vede la raffica come un normale NLP. Così vecchio e nuovo restano compatibili.

Ordine di preferenza, dal migliore:

1000 FD › 1000 HD › 100 FD › 100 HD › 10 FD › 10 HD

Il buffering

In parole semplici. Il buffer è la fila alla cassa. Se arrivano due clienti insieme, uno aspetta.

Due frame vogliono uscire da P3 nello stesso istante: uno parte, l'altro aspetta in coda.

Senza buffer il secondo frame andrebbe perso.

Memoria per porta

Ogni porta ha la sua coda.

Difetto: un frame fermo in testa blocca quelli dietro.

Memoria condivisa

Una memoria unica per tutte le porte.

Lo spazio va a chi ne ha bisogno.

E se il buffer si riempie? I frame in più vengono scartati. Per evitarlo lo switch può mandare un frame PAUSE: "fermati un attimo". Si chiama controllo di flusso.

Da ricordare

Full-duplex = niente collisioni, niente CSMA/CD.
FLP = raffiche di impulsi per l'autonegoziazione.
Buffer = coda dei frame in attesa di uscire.

Switch virtuali e macchine virtuali

In parole semplici. Un server è come un condominio: un solo edificio (il computer vero) con dentro tanti appartamenti indipendenti (le macchine virtuali). Lo switch virtuale è il citofono interno: gli inquilini si parlano senza uscire dal portone.

Su un server fisico possono girare tante macchine virtuali (VM), gestite da un programma chiamato hypervisor. Ogni VM ha una scheda di rete virtuale (vNIC) con un proprio MAC. Per collegarle serve uno switch virtuale (vSwitch): uno switch fatto di software, dentro l'hypervisor.

Il traffico tra due VM dello stesso server non esce sul cavo: resta nel vSwitch.
La scheda di rete fisica del server fa da uplink verso la rete reale.
Il vSwitch ha una MAC table come uno switch vero, ma i MAC delle VM li conosce già, senza doverli imparare.
Esempi: VMware vSwitch, Hyper-V Virtual Switch, Open vSwitch, la rete "bridge" di VirtualBox.

Link aggregation

In parole semplici. Una strada a una corsia diventa un'autostrada a quattro corsie. Passano più auto in totale, ma ogni auto resta nella sua corsia: la singola auto non va più veloce.

Ti serve: STP (per capire perché i cavi doppi, senza aggregazione, verrebbero bloccati).

Problema: con STP, se metto due cavi tra due switch, uno viene bloccato.

Soluzione: dire agli switch che quei cavi sono un gruppo unico.

Più cavi in parallelo tra due switch (o tra switch e server) vengono usati come un unico collegamento logico. Standard IEEE 802.3ad (oggi 802.1AX), protocollo LACP. Su Cisco si chiama EtherChannel.

Vantaggi

Più banda complessiva
Se un cavo si rompe, gli altri continuano
STP vede un link solo: nessuna porta bloccata

Regole

Porte con stessa velocità e stesso duplex
Stessa configurazione sui due lati
Di solito fino a 8 link

Attenzione

Il traffico è diviso per conversazione
Una singola conversazione usa un solo cavo: non supera la velocità di un link

Traffico e dimensionamento di una LAN

In parole semplici. Una palestra ha 200 iscritti ma solo 30 attrezzi, e funziona lo stesso perché non vengono mai tutti insieme. In rete è uguale: l'uscita comune (uplink, il cavo che porta il traffico di uno switch verso il resto della rete) può essere più "stretta" della somma di tutte le porte. Bisogna solo capire di quanto.

Ti serve: Mbps e Gbps, lunghezza del frame.

Uplink = il cavo che porta il traffico di uno switch verso il resto della rete.

Dimensionare vuol dire scegliere quanti switch servono, con quante porte e con quale velocità, in modo che la rete regga il traffico previsto.

1. Stimare il traffico verso l'uplink

Formula. Traffico = numero di utenti × traffico medio per utente × fattore di contemporaneità

Esempio: 28 PC × 4 Mbps × 0,6 = 67,2 Mbps.

Il fattore di contemporaneità dice quanti utenti lavorano davvero nello stesso momento (per esempio 0,5 = la metà). L'uplink va scelto in modo che il traffico stimato non superi circa il 60–70 % della sua capacità.

2. Rapporto di oversubscription

Formula. Oversubscription = somma delle velocità delle porte di accesso ÷ capacità dell'uplink

Se tutti trasmettessero al massimo, l'uplink non basterebbe. Ma non succede quasi mai.

Esempio: 24 porte da 1 Gbps e un uplink da 10 Gbps danno 24 ÷ 10 = 2,4 : 1. Non serve 1 : 1, perché gli utenti non trasmettono tutti insieme al massimo. Valori di riferimento: fino a 20 : 1 per gli switch di accesso, circa 4 : 1 verso il centro della rete.

3. Dati tecnici dello switch

Parametro	Significato	Come si calcola
Switching capacity (Gbps)	Quanto traffico totale lo switch può gestire	Somma delle velocità di tutte le porte × 2 (full-duplex)
Forwarding rate (pps)	Quanti frame al secondo riesce a inoltrare	Somma dei frame/s massimi di ogni porta
MAC table	Quanti indirizzi può ricordare	Deve superare il numero di dispositivi della LAN

Velocità della porta	Frame/s massimi (frame da 64 byte)
10 Mbps	14 881
100 Mbps	148 810
1 Gbps	1 488 095
10 Gbps	14 880 952

Da dove viene il numero: un frame minimo occupa 64 byte + 8 di preambolo + 12 di pausa tra frame = 84 byte = 672 bit. A 1 Gbps: 1 000 000 000 ÷ 672 ≈ 1 488 095 frame al secondo.

4. Hub o switch? Che cosa valutare all'acquisto

Caratteristica	Domanda da farsi
Numero di porte	Bastano per i dispositivi di oggi più un 20–30 % di scorta?
Velocità delle porte	100 Mbps, 1 Gbps, 2,5 Gbps? E gli uplink (SFP/SFP+ in fibra)?
Gestibile o no	Managed (VLAN, STP, monitoraggio, link aggregation) o unmanaged (si collega e basta)?
PoE	Deve alimentare access point, telefoni IP, telecamere? Con quanta potenza totale?
Prestazioni	Switching capacity, forwarding rate, dimensione di MAC table e buffer
Montaggio	Da tavolo o da rack 19"? Con o senza ventola? Impilabile (stackable)?

Hub. Banda condivisa, solo half-duplex, collisioni, nessuna sicurezza. Per un impianto nuovo la scelta è sempre lo switch.

Hub e switch nel cablaggio strutturato

In parole semplici. Il cablaggio strutturato è il modo ordinato e standard di portare la rete in un edificio, come si fa con l'impianto elettrico: un quadro generale, un quadro per ogni piano, le prese nelle stanze. Al posto dei quadri ci sono gli armadi di rete con dentro gli switch.

Nel cablaggio strutturato la rete è una stella gerarchica a tre livelli. Gli switch stanno negli armadi (rack), collegati alle prese tramite i patch panel.

Dal PC allo switch: la regola dei 100 metri

Il patch panel è il pannello dell'armadio dove arrivano tutti i cavi fissi. Con una bretella corta si collega ogni presa a una porta dello switch.

Quale switch in quale armadio

Switch di accesso (armadio di piano): tante porte in rame verso i PC, spesso con PoE.
Switch di distribuzione (armadio di edificio): raccoglie gli switch di piano, porte veloci in fibra.
Switch core (centro stella principale): il più veloce e affidabile, spesso doppio.
I collegamenti doppi tra i livelli danno affidabilità: qui lavorano STP e link aggregation.
Gli hub, quando si usavano, stavano al posto degli switch di piano.

Laboratorio con Packet Tracer

Che cos'è. Packet Tracer è un programma gratuito di Cisco che simula una rete: trascini PC, hub e switch, li colleghi e puoi vedere i frame muoversi un passo alla volta, come buste colorate.

Attività 1 · Hub contro switch

Costruisci due reti uguali con 4 PC: una con un hub, una con uno switch (modello 2960). Dai ai PC indirizzi IP della stessa rete.
Passa in modalità Simulation. Nei filtri lascia solo ARP e ICMP.
Fai un ping da PC0 a PC1 e avanza un passo alla volta. Osserva a chi arriva la busta.
Hub: ogni frame arriva a tutti; i PC non interessati lo scartano (croce rossa).
Switch: la richiesta ARP (broadcast) va a tutti; la risposta e i ping successivi vanno solo alla porta giusta.
Sull'hub fai partire due ping nello stesso istante: vedrai la collisione (fiammella).

Attività 2 · Osservare la MAC table

Switch> enable
Switch# show mac address-table
Switch# clear mac address-table dynamic

Svuota la tabella, fai un ping, guarda la tabella dopo ogni passo. Si riempie con i MAC sorgente dei frame che arrivano.

Attività 3 · STP

Collega tre switch a triangolo. Aspetta circa 30 secondi: una porta resta arancione (bloccata).
Su ogni switch esegui show spanning-tree. Trova: Root ID, Bridge ID, ruolo (Root, Desg, Altn) e stato (FWD, BLK) di ogni porta.
Confronta con la procedura fatta a mano: coincide?
Cancella un link attivo e osserva la porta bloccata che passa in forwarding.
Cambia il root: spanning-tree vlan 1 priority 4096 su un altro switch (in modalità configurazione).

Esercizi con soluzione

Esercizio 1 · Domini

Uno switch SW1 ha: sulla porta 1 un PC, sulla porta 2 un hub con 4 PC, sulla porta 3 un secondo switch SW2 con 3 PC. Quanti domini di collisione e quanti di broadcast ci sono?

Soluzione

Ogni porta di switch usata è un dominio di collisione. Un hub non ne aggiunge.

SW1 porta 1 (PC): 1
SW1 porta 2 (hub + 4 PC): 1
Link SW1–SW2: 1
SW2, tre porte con PC: 3

Domini di collisione: 6. Domini di broadcast: 1 (non c'è nessun router).

Esercizio 2 · MAC table

Switch con tabella vuota. PC A (porta 1), B (porta 2), C (porta 3), D (porta 4). Vengono inviati in ordine: A→C, C→A, B→D, D→broadcast, A→B. Per ogni frame scrivi che cosa fa lo switch e come cambia la tabella.

Soluzione

Frame	Impara	Azione
A→C	A su porta 1	C sconosciuto: flooding su 2, 3, 4
C→A	C su porta 3	A noto: inoltra solo su 1
B→D	B su porta 2	D sconosciuto: flooding su 1, 3, 4
D→broadcast	D su porta 4	Broadcast: flooding su 1, 2, 3
A→B	A già presente: timer rinfrescato	B noto: inoltra solo su 2

Tabella finale: A-1, B-2, C-3, D-4.

Esercizio 3 · STP

Quattro switch collegati come in figura. Trova il root bridge, le root port, le designated port e le porte bloccate.

Sotto ogni switch: priorità e ultimo byte del MAC.

Soluzione

Root bridge: S2. Ha la priorità più bassa (4096). Il MAC si guarda solo a parità di priorità: S3 ha il MAC più basso ma non vince.

Costi verso il root (1 Gbps = 4, 100 Mbps = 19):

S1: link diretto = 4
S3: diretto = 19; passando da S1 = 4 + 4 = 8 → conviene passare da S1
S4: da S1 = 19 + 4 = 23; da S3 = 4 + 8 = 12 → conviene passare da S3

Link	Porta lato 1	Porta lato 2
S2–S1	S2: designated	S1: root port
S2–S3	S2: designated	S3: bloccata
S1–S3	S1: designated (4 < 8)	S3: root port
S1–S4	S1: designated (4 < 12)	S4: bloccata
S3–S4	S3: designated (8 < 12)	S4: root port

Albero finale: S2 — S1 — S3 — S4. Controllo: 4 switch, 3 link attivi (sempre uno in meno del numero di switch).

Esercizio 4 · Hub o switch

8 PC devono trasferire file nello stesso momento. Confronta un hub a 100 Mbps con uno switch a 100 Mbps full-duplex: quanta banda ha ogni PC?

Soluzione

Hub: i 100 Mbps sono condivisi: 100 ÷ 8 = 12,5 Mbps a testa al massimo. In pratica meno, perché le collisioni fanno perdere tempo.

Switch: ogni PC ha 100 Mbps dedicati in trasmissione e 100 Mbps in ricezione. Resta un limite solo se tutti parlano con lo stesso server: in quel caso il collo di bottiglia è la porta del server.

Esercizio 5 · Dimensionamento

Un laboratorio ha 28 PC. Ogni PC genera in media 4 Mbps verso il resto della scuola, con contemporaneità del 60 %. Scegli la velocità dell'uplink tra 100 Mbps e 1 Gbps e calcola l'oversubscription, sapendo che le porte dei PC sono da 1 Gbps.

Soluzione

Traffico = 28 × 4 × 0,6 = 67,2 Mbps.

Con un uplink da 100 Mbps saremmo al 67 %, al limite e senza margine di crescita. Si sceglie 1 Gbps (utilizzo circa 7 %).

Oversubscription = (28 × 1 Gbps) ÷ 1 Gbps = 28 : 1. È sopra il valore consigliato di 20 : 1, ma il traffico reale è basso, quindi funziona. Con due uplink da 1 Gbps aggregati si scende a 14 : 1 e si guadagna anche un collegamento di riserva.

Switch: servono 28 porte + uplink, quindi un modello da 48 porte (oppure due da 24).

Esercizio 6 · Dati di targa

Uno switch ha 24 porte da 1 Gbps e 4 porte da 10 Gbps. Calcola la switching capacity e il forwarding rate necessari perché non rallenti mai.

Soluzione

Switching capacity = (24 × 1 + 4 × 10) × 2 = 64 × 2 = 128 Gbps.

Forwarding rate = 24 × 1,488 + 4 × 14,881 = 35,7 + 59,5 ≈ 95,2 milioni di frame al secondo (Mpps).

Se il catalogo riporta valori più bassi, lo switch non regge tutte le porte al massimo insieme.

Esercizio 7 · Cavi

Devi collegare: a) un PC a uno switch; b) due vecchi hub tra porte normali; c) un hub dalla porta di uplink a una porta normale di un altro hub; d) due switch moderni. Quale cavo usi?

Soluzione

a) Dritto. b) Incrociato. c) Dritto. d) Uno qualsiasi: con Auto-MDIX le porte si adattano da sole.

Esercizio 8 · Link aggregation

Tra due switch ci sono 4 link da 1 Gbps aggregati con LACP. a) Qual è la banda totale? b) A che velocità massima va la copia di un singolo file tra due PC? c) Che cosa succede se un cavo si stacca?

Soluzione

a) 4 Gbps complessivi. b) 1 Gbps: una conversazione usa sempre lo stesso cavo. c) Il traffico si ridistribuisce sui 3 cavi rimasti (3 Gbps) senza interruzioni e senza che STP debba ricalcolare l'albero.

Quiz di autoverifica

Tocca una risposta. Punteggio: 0 / 0

Glossario delle sigle

ARP: Richiesta in broadcast con cui un PC chiede "chi ha questo indirizzo IP? Dimmi il tuo MAC".
Backoff: Attesa casuale dopo una collisione, prima di riprovare.
BID: Bridge ID: priorità + MAC di uno switch. Serve a STP.
BPDU: Messaggio che gli switch si scambiano per costruire l'albero STP.
Broadcast: Frame destinato a tutti (MAC FF:FF:FF:FF:FF:FF).
Buffer: Memoria dove i frame aspettano il loro turno per uscire.
CRC / FCS: Numero di controllo in fondo al frame per scoprire gli errori.
CSMA/CD: Regola "ascolta prima di parlare e fermati se c'è una collisione".
Flooding: Inoltro su tutte le porte tranne quella di arrivo.
FLP: Raffica di impulsi usata per l'autonegoziazione.
Frame: La "busta" di livello 2 che contiene i dati e gli indirizzi MAC.
Hypervisor: Programma che fa girare più macchine virtuali su un computer.
Jam: Segnale di disturbo che avvisa tutti di una collisione.
LACP: Protocollo che crea e controlla una link aggregation.
LAN: Rete locale: casa, laboratorio, edificio.
LIT: Link Integrity Test: controllo che il cavo sia collegato e funzionante.
Loop: Anello: due punti della rete collegati da più di un percorso.
MAC: Indirizzo fisico di 6 byte di una scheda di rete.
MDI / MDI-X: Porta "dritta" (PC) / porta "incrociata" (hub e switch).
NIC: Scheda di rete. vNIC = scheda di rete virtuale.
NLP: Impulso mandato a cavo fermo per dire "ci sono".
PoE: Power over Ethernet: lo switch alimenta il dispositivo attraverso il cavo di rete.
Rack: Armadio metallico standard (19 pollici) per gli apparati di rete.
Root bridge: Lo switch scelto come radice dell'albero STP.
SFP: Modulo estraibile per collegare una fibra ottica allo switch.
STP: Spanning Tree Protocol: elimina i loop bloccando le porte in più.
Uplink: Collegamento che porta il traffico verso il livello superiore della rete.
UTP: Cavo in rame a 4 coppie intrecciate, connettore RJ45.
VM: Macchina virtuale: un computer simulato dentro un computer vero.