Il Progetto IEEE 802: Evoluzione e Standard delle Reti Locali
Negli anni Sessanta, l’elaborazione dei dati nelle aziende era affidata ai mainframe, con un processo centralizzato basato su un’unica unità di elaborazione e un insieme di terminali “stupidi” ad essa collegati.
Con l’avvento dei personal computer (PC) negli anni Settanta, iniziarono a diffondersi le prime LAN (Local Area Network), reti progettate per connettere più calcolatori all’interno di un ambiente ristretto, come un ufficio o un’azienda.
A partire da quel momento, emersero diverse tipologie di LAN, caratterizzate da differenti architetture, topologie e mezzi trasmissivi. Per mettere ordine in questa evoluzione e creare standard comuni, l’IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) avviò il progetto 802, con l’obiettivo di studiare, classificare e standardizzare le reti locali. Il principio alla base del progetto era garantire che tutte le LAN avessero un’interfaccia comune verso il livello di rete (network layer) del modello ISO/OSI.
Il progetto IEEE 802 si colloca nel livello 2 del modello ISO/OSI, noto come data link layer (livello di collegamento dati), e prevede una suddivisione in due sottolivelli:
- LLC (Logical Link Control): gestisce l’interfaccia con il livello di rete, rendendo trasparente la tecnologia di rete sottostante.
- MAC (Media Access Control): si occupa dell’accesso al mezzo trasmissivo e della gestione della trasmissione dati tra i dispositivi connessi.
Questa suddivisione ha permesso di sviluppare protocolli e tecnologie di rete più efficienti, portando alla nascita degli standard Ethernet, che ancora oggi dominano il panorama delle reti locali.
Poiché il livello fisico del modello ISO/OSI deve supportare diverse tecnologie di trasmissione, a ciascuna LAN viene associato un MAC specifico. Questo approccio consente di avere un LLC (Logical Link Control) comune a tutte le LAN, mentre il livello MAC varia a seconda della tecnologia di rete utilizzata, come stabilito dallo standard IEEE 802.
Il progetto IEEE 802 è suddiviso in sei sezioni principali, ognuna delle quali definisce un diverso metodo di accesso al mezzo trasmissivo:
- 802.2 – Logical Link Control (LLC)
- 802.3 – CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection, utilizzato da Ethernet)
- 802.4 – Token Bus
- 802.5 – Token Ring
- 802.6 – Metropolitan Area Networks (MAN) con DQDB (Distributed Queue Dual Bus)
Con l’evoluzione delle tecnologie di rete, sono state aggiunte nuove sezioni allo standard IEEE 802 per supportare nuovi mezzi trasmissivi. Tra le più rilevanti troviamo:
- 802.8 – Fiber-optic Technical Advisory Group, dedicato alle reti in fibra ottica
- 802.11 – Standard per le reti wireless (Wi-Fi)
Questi sviluppi hanno permesso di adattare il modello IEEE 802 alle esigenze sempre più complesse delle reti moderne, garantendo compatibilità e interoperabilità tra diverse tecnologie di comunicazione.
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Tecnologia Ethernet
Nei primi anni Settanta, alcuni grandi produttori tecnologici, tra cui Digital, Intel e Xerox, formarono un consorzio noto come DIX per sviluppare una rete locale basata su una nuova tecnologia. Questo lavoro portò alla nascita delle prime due versioni di Ethernet: la 1.0, con una velocità di 10 Mb/s, e successivamente la 2.0.
Parallelamente, l’IEEE, prendendo spunto proprio da Ethernet, avviò lo sviluppo dello standard 802.3, che fu pubblicato nel 1985. Successivamente, l’ISO lo approvò come Draft International Standard (ISO/DIS 8802.3), e nel 1989 divenne ufficialmente lo standard ISO 802.3.
Oggi il termine Ethernet identifica qualsiasi dispositivo conforme alle specifiche dello standard IEEE 802.3. Il successo di questa tecnologia è stato determinato dai bassi costi degli apparati e dalla semplicità di progettazione e implementazione di reti di piccole dimensioni. Questi fattori hanno contribuito a renderla, in pochi anni, la tecnologia di rete più diffusa per le LAN (Local Area Network).
Per connettere un computer o un dispositivo a una rete Ethernet è necessario disporre di una scheda di rete Ethernet, spesso indicata con l’acronimo NIC (Network Interface Card). La NIC rappresenta l’interfaccia hardware tra il dispositivo e la rete, consentendo la comunicazione con gli altri sistemi connessi.
Evoluzione della velocità di Ethernet
Inizialmente, la tecnologia Ethernet offriva una velocità di trasmissione di 10 Mbps. Nel 1995 è stato introdotto lo standard Fast Ethernet, che ha portato la velocità a 100 Mbps. Oggi, con l’avvento della Gigabit Ethernet, è possibile raggiungere velocità di 1000 Mbps (1 Gbps), con ulteriori evoluzioni verso standard ancora più performanti.
Classificazione degli standard Ethernet
I diversi standard Ethernet sono identificati da sigle composte da tre elementi, ad esempio:
- 10Base-2
- 10Base-5
- 10Base-T
- 100Base-T
Questi nomi seguono una logica specifica:
- 10, 100, 1000 → Indicano la velocità massima di trasmissione in Mbps.
- Base → Indica che il segnale è trasmesso in modalità baseband.
- 2, 5, T, F, TX, T2, ecc. → Specificano il tipo di cavo e la distanza massima supportata:
- F = Fibra ottica
- T = Cavo UTP
- TX = Cavo UTP intrecciato
- T2 = Cavo UTP a 2 coppie
Meccanismo di accesso alla rete: CSMA/CD
Ethernet utilizza un metodo di accesso non deterministico, basato sul protocollo CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection). La rete può essere strutturata fisicamente a bus o a stella, ma opera logicamente in broadcast, ovvero ogni messaggio viene inviato contemporaneamente a più destinatari.
Gestione delle collisioni e impatto sulle prestazioni
La trasmissione dei dati avviene in pacchetti. Per inviarne uno, un dispositivo deve assicurarsi che il canale sia libero. Se due o più dispositivi trasmettono simultaneamente, si verifica una collisione, e i dispositivi coinvolti devono ritentare l’invio dopo un breve intervallo di tempo casuale. Questo meccanismo è simile a una conversazione telefonica, in cui una persona deve aspettare che l’altra smetta di parlare prima di intervenire. Tuttavia, se il numero di dispositivi sulla rete aumenta, crescono anche le collisioni e gli errori di trasmissione, riducendo l’efficienza della rete. Quando l’utilizzo della larghezza di banda supera il 50%, il numero di collisioni può aumentare drasticamente, provocando rallentamenti significativi e, nei casi estremi, il blocco totale della rete
Codifiche di Ethernet
Per trasmettere i dati su un collegamento fisico, Ethernet utilizza tecniche di codifica di linea, che permettono di rappresentare i bit in un segnale elettrico o ottico. Due delle codifiche più comuni nelle reti Ethernet sono NRZ (Non-Return-to-Zero) e Manchester.
Codifica NRZ (Non-Return-to-Zero)
La codifica NRZ è uno dei metodi più semplici per rappresentare i dati binari. Il principio è il seguente:
- Bit 1 → livello alto (ad esempio, tensione positiva)
- Bit 0 → livello basso (ad esempio, tensione negativa o zero)
Questa codifica è molto efficiente perché non richiede una transizione di segnale per ogni bit trasmesso, riducendo così la banda necessaria per la trasmissione. Tuttavia, ha uno svantaggio significativo: se si trasmette una lunga sequenza di 0 o di 1, il segnale rimane costante per molto tempo, causando problemi di sincronizzazione tra trasmettitore e ricevitore.
Ethernet tradizionalmente non usa la codifica NRZ pura, ma una sua variante, NRZ-Inverted (NRZI), in cui la transizione di segnale rappresenta il bit 1, mentre l’assenza di transizione rappresenta il bit 0. Questo aiuta a migliorare la sincronizzazione nei collegamenti.
Codifica Manchester
La codifica Manchester è stata introdotta per risolvere i problemi di sincronizzazione presenti nella NRZ. In questa codifica, ogni bit è rappresentato da una transizione del segnale all’interno del periodo di trasmissione:
- Bit 1 → transizione da basso ad alto
- Bit 0 → transizione da alto a basso
Questa tecnica garantisce che ci sia almeno una variazione del segnale per ogni bit trasmesso, facilitando la sincronizzazione tra trasmettitore e ricevitore. Tuttavia, ha uno svantaggio: raddoppia la larghezza di banda necessaria, perché ogni bit trasmesso comporta due variazioni di segnale.
- Ethernet 10BASE-T (prima versione di Ethernet su cavi twisted pair) utilizzava la codifica Manchester per garantire la sincronizzazione.
- Tuttavia, nelle versioni successive di Ethernet (Fast Ethernet, Gigabit Ethernet), la codifica Manchester è stata sostituita da tecniche più efficienti, come 4B/5B e 8B/10B, che riducono l’overhead della trasmissione.
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