Ethernet, un frame alla volta

1Dove vive Ethernet

Livelli ISO/OSI e TCP/IP, scheda di rete, sottolivelli MAC e LLC.

Ethernet (standard IEEE 802.3) è una tecnologia per LAN e lavora nei due livelli più bassi del modello OSI: fisico (1) e collegamento dati (2). Nel modello TCP/IP questi due livelli sono fusi in uno solo: Accesso alla rete (o Network Access / Link).

I due sottolivelli del livello 2

La scheda di rete (NIC o LAN adapter)

La NIC occupa il livello 1 (trasmette i bit sul cavo, ha il connettore RJ45 o SFP) e il livello 2 MAC (ha il MAC address, crea e controlla i frame, calcola il CRC). L'LLC e i livelli superiori sono gestiti dal driver e dal sistema operativo.

2CSMA/CD e collisioni

Come fanno più stazioni a condividere lo stesso cavo.

CSMA/CD significa Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection. Pensa a una cena tra amici in cui tutti parlano senza moderatore:

• Carrier Sense – prima di parlare ascolto: se qualcuno sta già parlando (c'è "portante" sul cavo), aspetto.
• Multiple Access – tutti possono parlare, nessuno ha la precedenza.
• Collision Detection – mentre parlo continuo ad ascoltare: se sento un'altra voce sovrapposta, mi fermo.

L'algoritmo passo per passo

1. La stazione ha un frame da inviare e ascolta il canale.
2. Se è occupato, aspetta che si liberi (più una piccola pausa, l'interframe gap di 96 bit).
3. Se è libero, trasmette e intanto controlla il segnale sul cavo.
4. Se non rileva collisioni fino alla fine: trasmissione riuscita.
5. Se rileva una collisione: interrompe e invia la jam sequence (32 bit) per avvisare tutti.
6. Attende un tempo casuale (backoff esponenziale binario) e riprova dal passo 1. Dopo 16 tentativi falliti rinuncia e segnala l'errore.

Backoff esponenziale binario

Dopo la collisione numero n la stazione sceglie a caso un numero intero k tra 0 e 2^m − 1, con m = min(n, 10), e aspetta k × slot time. Lo slot time vale 512 bit, cioè 51,2 μs a 10 Mbit/s.

Collisione: definizione e casistica

Una collisione avviene quando due o più stazioni trasmettono contemporaneamente sullo stesso mezzo condiviso: i segnali si sommano e diventano illeggibili. Succede perché il segnale impiega tempo a propagarsi: una stazione può "sentire libero" il cavo quando in realtà un altro frame sta già arrivando.

3RTD e lunghezza minima del frame

Perché un frame Ethernet non può essere più corto di 64 byte.

RTD (Round Trip Delay) è il tempo che il segnale impiega per andare da un capo all'altro della rete e tornare:

RTD = 2 × t_prop = 2 × L / v

con L = distanza massima tra due stazioni e v = velocità di propagazione nel cavo (circa 2 × 10⁸ m/s, cioè 2/3 della velocità della luce).

Perché conta

Il caso peggiore: A trasmette, il segnale arriva quasi in fondo alla rete, B (all'altro capo) non l'ha ancora sentito e trasmette anche lui. La collisione avviene vicino a B e l'"eco" deve tornare fino ad A. Se A ha già finito di trasmettere, non si accorge della collisione e crede che il frame sia arrivato.

Nota: a 100 Mbit/s i bit durano 10 volte meno, quindi con frame minimo sempre di 512 bit la rete condivisa può essere circa 10 volte più corta (≈ 200 m di diametro con hub).

4Tipo di servizio, vantaggi e svantaggi

5Il MAC address

Formato, OUI, bit speciali, ordine dei bit.

Il MAC address è l'indirizzo fisico della scheda: 48 bit = 6 byte, scritto in esadecimale, per esempio 00:1B:21:3A:4F:5C oppure 00-1B-21-3A-4F-5C.

I due bit speciali del primo byte

Contano i due bit meno significativi del primo byte (i più a destra quando lo scrivi in binario):

Big endian, little endian e canonical order

• Big endian: si scrive/trasmette prima la parte più significativa. È l'ordine dei byte in rete (network byte order): i 6 byte del MAC partono da sinistra a destra.
• Little endian: prima la parte meno significativa. Ethernet lo usa per i bit dentro ogni byte: ogni byte va sul cavo partendo dal bit b0.
• Canonical order (formato canonico): è il modo in cui scriviamo normalmente i MAC di Ethernet. Grazie al little endian dei bit, il primo bit trasmesso sul cavo è proprio il bit U/M: lo switch capisce subito se il frame è per un singolo o per un gruppo. Token Ring e FDDI usavano l'ordine opposto (non canonico).

6Il frame: Ethernet II e 802.3

I campi dell'header, LLC, SNAP e MTU.

EtherType da conoscere

Header LLC (IEEE 802.2)

Nel frame 802.3, subito dopo il campo Length, c'è l'header LLC da 3 byte:

SNAP – SubNetwork Access Protocol

Il DSAP ha solo 1 byte: troppo pochi valori per tutti i protocolli. Allora si usa DSAP = SSAP = 0xAA, Control = 0x03 e si aggiungono 5 byte SNAP:

Con OUI = 00 00 00 il Protocol ID coincide con un EtherType (es. 08 00 = IPv4). Con OUI di un produttore (es. 00 00 0C Cisco) il PID è definito da quel produttore (20 00 = CDP).

MTU di Ethernet

MTU (Maximum Transmission Unit) = 1500 byte: la dimensione massima dei dati trasportati in un frame. Il frame completo arriva quindi a 1518 byte (1522 con tag VLAN). Con LLC + SNAP restano 1500 − 8 = 1492 byte per il pacchetto IP. I jumbo frame (fino a circa 9000 byte) non sono standard e vanno abilitati su tutti i dispositivi del percorso.

7CRC e integrità del frame

CRC = Cyclic Redundancy Check, controllo di ridondanza ciclico. Ethernet usa il CRC-32 (polinomio generatore 0x04C11DB7) e lo mette nel campo FCS.

Come si usa

1. Il mittente tratta i bit del frame come un polinomio e lo divide (in modulo 2) per il polinomio generatore.
2. Il resto della divisione è il CRC: viene scritto nel campo FCS.
3. Il ricevitore rifà lo stesso calcolo sul frame ricevuto.
4. Se il risultato non coincide, il frame è corrotto e viene scartato in silenzio (nessuna richiesta di ritrasmissione: il servizio è unreliable).

Il CRC rileva gli errori ma non li corregge. Il CRC-32 individua tutti gli errori singoli, doppi, di numero dispari e i burst fino a 32 bit.

Esempio di calcolo (in piccolo)

Messaggio 1101, generatore 1011 (x³ + x + 1, grado 3). La divisione in modulo 2 si fa con lo XOR, senza riporti.

8Domini di collisione e di broadcast

9Cablaggio strutturato e cavi

Concetti base

Il cablaggio strutturato è un impianto di cavi progettato con regole standard (ISO/IEC 11801, TIA-568), indipendente dalle apparecchiature, ordinato ed espandibile. Gli elementi principali:

• Centro stella / armadio rack: contiene switch, router e patch panel.
• Dorsale (backbone): collega gli armadi tra piani o edifici, spesso in fibra ottica.
• Cablaggio orizzontale: dal patch panel alla presa a muro, massimo 90 m di cavo fisso.
• Patch cord: cavetti volanti (armadio e scrivania), al massimo 10 m in tutto. Totale canale: 100 m.
• Presa utente (keystone RJ45) e patch panel: punti di terminazione etichettati.

T568A e T568B

Il cavo ha 4 coppie intrecciate. Lo standard dice in che ordine metterle nel connettore RJ45 (guardando il plug con la linguetta verso il basso e i contatti verso di te, pin 1 a sinistra).

Dritto (straight-through) o incrociato (cross-over)?

Perché? Nelle reti 10/100 Mbit/s si trasmette sui pin 1-2 e si riceve sui pin 3-6. PC e router hanno porte MDI, switch e hub porte MDI-X (già incrociate internamente). Due porte dello stesso tipo hanno bisogno che il cavo incroci TX con RX.

10Laboratorio: decodificare un frame in esadecimale

Il metodo in 5 passi

1. Se il dump inizia con 55 55 55 55 55 55 55 D5, salta questi 8 byte (preambolo + SFD). Wireshark di solito non li mostra.
2. Byte 1–6: MAC destinazione. Controlla subito se è broadcast o multicast.
3. Byte 7–12: MAC sorgente. I primi 3 byte sono l'OUI del produttore.
4. Byte 13–14: EtherType o Length. ≥ 0x0600 → Ethernet II; ≤ 0x05DC → 802.3 (leggi LLC, e SNAP se trovi AA AA 03). Se trovi 81 00 c'è un tag VLAN: salta 4 byte e rileggi.
5. Il resto sono i dati; gli ultimi 4 byte, se presenti, sono l'FCS.

11Laboratorio: Wireshark

Wireshark è un packet sniffer: cattura i frame che passano dalla scheda di rete e li mostra campo per campo.

1. Avvia Wireshark e scegli l'interfaccia (Ethernet o Wi-Fi) con il grafico dell'attività in movimento.
2. Premi l'icona della pinna blu per avviare la cattura. Genera traffico: apri un sito, fai ping 8.8.8.8 o arp -d * seguito da un ping al gateway.
3. Ferma la cattura (quadrato rosso).
4. Scrivi un filtro di visualizzazione nella barra in alto e premi Invio.
5. Seleziona un frame: nel pannello centrale espandi Ethernet II (o IEEE 802.3); nel pannello in basso vedi i byte in esadecimale. Cliccando su un campo si evidenziano i byte corrispondenti.

12Laboratorio: cablare un cavo Ethernet

Materiale: cavo UTP Cat 5e/6, 2 connettori RJ45 (+ eventuali copriconnettori), crimpatrice, spellacavi, forbici, tester di rete.

1. Se usi i copriconnettori, infilali sul cavo prima di crimpare.
2. Spella la guaina esterna per circa 2–3 cm senza incidere i conduttori.
3. Srotola le coppie e raddrizza i fili.
4. Disponi i fili nell'ordine T568B (o T568A) tenendoli ben paralleli e affiancati.
5. Taglia i fili dritti lasciandone circa 1,2–1,5 cm: la guaina deve entrare nel connettore.
6. Inserisci i fili nel connettore (linguetta in basso) fino a vedere i rami in rame toccare il fondo.
7. Controlla l'ordine dei colori, poi crimpa con decisione.
8. Ripeti dall'altro lato: stesso standard per un cavo dritto, standard opposto per un cross-over.
9. Verifica con il tester: le luci devono accendersi 1-1, 2-2 … 8-8 (dritto) oppure 1-3, 2-6, 3-1, 6-2 (cross-over).

13Laboratorio: scegliere una scheda di rete

14Ripasso lampo

Leggi la domanda, rispondi a voce, poi apri la carta.