Ethernet

Ethernet è stato sviluppato alla fine degli anni 1970 dalla Xerox Corporation nel proprio Centro Ricerche a Palo Alto in California. Si stima che oltre il 70% delle reti mondiali utilizzi il protocollo Ethernet, quindi basterebbe questo per interessarsi al suo funzionamento.

Ethernet utilizza un protocollo chiamato CSMA/CD, acronimo di Carrier Sense - Multiple Access - Collision Detection. Per comprenderne meglio il significato è opportuno analizzarne le tre parti separatamente.

Carrier Sense - Letteralmente: rilevazione della portante. Quando un dispositivo collegato a una rete Ethernet vuole inviare dati verifica innanzitutto che ci sia un supporto su cui inviare i suoi dati (di solito un tratto di cavo elettrico collegato ad un altro dispositivo).

Multiple Access - Accesso Multiplo significa che tutte le macchine sulla rete sono libere di utilizzare la rete fino a quando nessun altro sia in trasmissione.

Collision Detection - La rilevazione della collisione è una tecnica per garantire che, quando due macchine iniziano a trasmettere contemporaneamente, venga rilevata l'anomalia e si costringano le macchine a ritrasmettere con un ritardo di tempo differenziato.

Le immagini GIF animate seguenti aiutano a spiegare il funzionamento di base di Ethernet, sotto ognuna di esse c'è una descrizione di ciò che accade. Si tenga presente che i terminali possono trovarsi in uno dei tre stati:

terminale in ascolto

terminale in trasmissione

terminale che conferma

e che per avviare l'animazione dall'inizio occorre premere sul pulsante Via oppure sul pulsante di aggiornamento del browser.

Il Bus Ethernet in funzionamento normale

Questa è una rete Ethernet con cavo coassiale, con tutte le macchine collegate con i connettori BNC a T ed i 2 terminatori da 50 Ohm alle estremità (di solito indicata come Thin Ethernet o Thin-net).
La macchina 2 vuole trasmettere un messaggio alla macchina 4, ma prima rimane in ascolto per essere sicura che nessuno stia usando la rete.
Se la condizione è soddisfatta inizia a trasmettere i suoi dati attraverso la rete (flusso di colore giallo). Ciascun pacchetto di dati contiene l'indirizzo di destinazione, l'indirizzo di chi trasmette, e ovviamente i dati veri e propri.
Il segnale viaggia attraverso il cavo e viene ricevuto da ciascuna macchina della rete, ma poichè il suo indirizzo di destinazione è il 4 le altre macchine semplicemente lo ignorano.
La macchina numero 4 allora invia un messaggio di conferma (segnale di acknowledge) alla numero 2 (flusso di colore fucsia)

Collisione sul Bus Ethernet

Quando accade che due macchine inizino a trasmettere in contemporanea si verifica il fenomeno della collisione, che viene subito rilevato ed impone a ciascuna delle due macchine un fermo per un intervallo di tempo casuale differenziato, dopo il quale si può riprovare a trasmettere. Per maggior chiarezza nell'animazione viene omessa la fase di invio del segnale di conferma (acknolewdge).
L'animazione ha inizio con le macchine 2 e 5 che tentano di trasmettere simultaneamente verso le macchine 4 e 1 rispettivamente.
La collisione che ne deriva altera il segnale risultante e ciascuna macchina è in grado di riconoscere l'accaduto perchè l'eco del proprio segnale ritorna cambiato (Il calcolo della rilevazione tiene conto del tempo di propagazione di andata e ritorno del segnale attraverso il cavo).
Entrambe le macchine allora attendono per un tempo casuale differenziato prima di riprovare a trasmettere.
Nelle piccole reti questa perdita di tempo è irrilevante, ma man mano che cresce il numero delle macchine allora il numero delle collisioni tende a crescere vertiginosamente, con conseguente rapido rallentamento della rete. Si rende quindi necessario l'utilizzo di uno switch.
Il numero esatto di macchine che può essere gestito da un segmento Ethernet dipende da molti fattori, non ultime le applicazioni, ma si stima che il limite stia tra le 40 e le 70 macchine, dopo il quale il rendimento si degrada moltissimo.

Dettaglio della collisione

Anche se la rappresentazione della collisione degli impulsi, provenienti dalle macchine 2 e 5, è alquanto semplificata si noti che la rilevazione della collisione è un evento analogico basato sulla alterazione dei parametri della forma d'onda emessa da ciascuno dei trasmettitori.

Utilizzo di un Hub

L'utilizzo di un hub cambia la topologia della rete trasformandola da bus a stella.
La macchina numero 1 sta, al solito, trasmettendo dati alla macchina numero 4, ma questa volta il segnale attraversa gli hub di ciascuna macchina.
Come si può facilmente notare le collisioni sono ancora possibili, ma gli hub hanno il vantaggio di essere centralizzati e di potere automaticamente fornire un bypass se si verifica un guasto alle connessioni o si disconnette una porta. Questo rende la rete più robusta nel sopportare dei guasti (fault tolerant) rispetto alla soluzione coassiale, nella quale a fronte di una maggiore velocità di trasmissione si verifica la caduta di servizio non appena si disconnette fisicamente un utente dalla rete, a causa dello sbilanciamento del delicato equilibrio elettrico necessario al corretto funzionamento.

Utilizzo di uno Switch

Con l'utilizzo di uno switch si evitano molti problemi, come collisioni ed altri effetti negativi per la velocità di trasmissione. Infatti molte macchine possono trasmettere simultaneamente, nell'esempio animato si vede la macchina 5 comunicare con la 1 e contemporaneamente la macchina 2 con la 4. Questo è possibile perchè lo switch è in grado di leggere gli indirizzi dei pacchetti e invia il dato solo alla macchina interessata, contribuendo a ridurre il traffico di broadcast sulla rete.
Queste connessioni con commutazione (switching) punto a punto fanno diminuire drasticamente i problemi associati con le collisioni favorendo la velocità nella rete.

Nelle situazioni reali una o più di queste macchine saranno dei server e man mano che aumenta il traffico tra i client ed i server possono crearsi dei colli di bottiglia che rallentano nuovamente il funzionamento della rete. La risposta a questo prolema consiste nel rendere le macchine server più veloci delle macchine client, generalmente in un rapporto 10 a 1. Questo rapporto di velocità suggerito è abbastanza adeguato a risolvere i problemi nei casi reali in quanto non tutti i client, di solito, devono accedere simultaneamente allo stesso server. Un caso concreto può essere quello di macchine client con porte a 100 Mbs e servers che funzionano con porte a 1 Gbs (Gigabit Ethernet).