Progetto di reti locali/Funzionalità avanzate sulle reti Ethernet

Autonegoziazione

L'autonegoziazione è una funzione orientata al plug-and-play: quando una scheda di rete si connette a una rete, manda degli impulsi con una codifica particolare per provare a determinare le caratteristiche della rete:

• modalità: half duplex o full duplex (su doppino);
• velocità di trasmissione: a partire dalla velocità più alta fino a quella più bassa (su doppino e fibra ottica).

Sequenza di negoziazione

• 1 Gb/s full duplex
• 1 Gb/s half duplex
• 100 Mb/s full duplex
• 100 Mb/s half duplex
• 10 Mb/s full duplex
• 10 Mb/s half duplex

Problemi

L'autonegoziazione è possibile solo se la stazione si connette a un altro host o a un bridge: gli hub infatti operano a velocità fissa, quindi non possono negoziare niente. Se durante la procedura l'altra parte non risponde, la stazione in negoziazione assume di essere connessa a un hub → imposta automaticamente la modalità a half duplex.

Se l'utente configura manualmente la propria scheda di rete a lavorare sempre in modalità full duplex disabilitando la funzione di autonegoziazione, quando si collega a un bridge quest'ultimo, non ricevendo risposta dall'altra parte, assume di essere collegato a un hub e imposta la modalità half duplex → l'host considera possibile inviare e ricevere nello stesso momento sul canale, mentre il bridge considera ciò una collisione sul canale condiviso → il bridge rileva molte collisioni che sono dei falsi positivi, e scarta erroneamente molte trame → ogni trama scartata viene recuperata dai meccanismi di recupero dagli errori del TCP, che però sono molto lenti → la velocità di accesso alla rete è molto bassa. Valori molto alti dei contatori di collisione su una specifica porta di un bridge sono sintomo di questa problematica.

Aumento della dimensione massima della trama

La specifica originale di Ethernet definisce:

• dimensione massima della trama: 1518 byte;
• dimensione massima del payload (MTU): 1500 byte.

In molti casi però sarebbe utile avere una trama più grande del normale:

• intestazioni aggiuntive: #Trame Baby Giant
• payload più grande: #Jumbo Frame
• meno interrupt alla CPU: #TCP offloading

Trame Baby Giant

Le trame Baby Giant sono trame con una dimensione maggiore della dimensione massima di 1518 byte definita dalla specifica originale di Ethernet, a causa dell'inserimento di nuove intestazioni di livello data-link al fine di trasportare informazioni aggiuntive sulla trama:

• il tagging VLAN delle trame (IEEE 802.1Q) aggiunge 4 byte: Progetto di reti locali/Virtual LAN#Tagging delle trame;
• il tag stacking VLAN (IEEE 802.1ad) aggiunge 8 byte: Progetto di reti locali/Virtual LAN#Tag stacking;
• MPLS aggiunge 4 byte per ogni etichetta impilata: Tecnologie e servizi di rete/MPLS#Intestazione MPLS.

Nelle trame Baby Giant la dimensione massima del payload (ad es. pacchetto IP) è invariata → un router, quando riceve una trama Baby Giant, nel rigenerare il livello data-link può imbustare il payload in una trama Ethernet normale → non è un problema l'interconnessione di LAN con differenti dimensioni massime delle trame supportate.

Lo standard IEEE 802.3as (2006) propone di estendere la dimensione massima della trama a 2000 byte, mantenendo invariata la dimensione della MTU.

Jumbo Frame

Le Jumbo Frame sono trame con una dimensione maggiore della dimensione massima di 1518 byte definita dalla specifica originale di Ethernet:

• Mini Jumbo: trame con MTU di dimensione pari a 2500 byte;
• Jumbo (o "Giant" o "Giant Frame"): trame con MTU di dimensione fino a 9 KB;

a causa dell'imbustamento di payload più grandi al fine di:

• trasportare dati di archiviazione: tipicamente le unità elementari dei dati di archiviazione sono troppo grandi da trasportare in un'unica trama Ethernet:
  • il protocollo NFS per i NAS trasporta blocchi di dati da 8 KB circa;
  • il protocollo FCoE per le SAN e il protocollo FCIP per l'interconnessione di SAN trasportano trame Fibre Channel da 2,5 KB circa;
  • il protocollo iSCSI per le SAN trasporta comandi SCSI da 8 KB circa;
• diminuire l'overhead delle intestazioni in termini di:
  • risparmio di byte: non è molto significativo, soprattutto considerando l'elevata larghezza di banda a disposizione nelle reti odierne;
  • capacità di elaborazione per i meccanismi TCP (numeri di sequenza, timer...): ogni pacchetto TCP scatena un interrupt alla CPU.

Se una LAN che usa Jumbo Frame viene connessa con una LAN che non usa Jumbo Frame, tutte le Jumbo Frame verranno frammentate a livello IP, ma la frammentazione IP non è conveniente dal punto di vista delle prestazioni → le Jumbo Frame vengono usate in reti indipendenti entro ambiti particolari.

TCP offloading

Le schede di rete con la funzione TCP offloading possono automaticamente condensare al volo più payload TCP in un solo pacchetto IP prima di passarlo al sistema operativo (i numeri di sequenza e altri parametri sono gestiti internamente dalla scheda di rete) → il sistema operativo, anziché dover elaborare più pacchetti piccoli scatenando tanti interrupt, vede un singolo pacchetto IP più grande e può farlo elaborare alla CPU in una volta sola → ciò diminuisce l'overhead dovuto ai meccanismi del TCP.

PoE

I bridge dotati della funzionalità Power over Ethernet (PoE) sono in grado di distribuire energia elettrica (fino a qualche decina di Watt) sui cavi Ethernet (solo doppini di rame), per connettere dispositivi con moderate esigenze di energia (telefoni VoIP, access point wi-fi, videocamere di sorveglianza, ecc.) evitando cavi aggiuntivi per l'energia elettrica.

Stazioni non PoE possono essere collegate a prese PoE.

Problemi

• consumo di energia: un bridge PoE consuma molta più energia elettrica (ad es. 48 porte a 25 W l'una consumano 1,2 kW) ed è più costoso di un bridge tradizionale;
• continuità del servizio: un guasto del bridge PoE o l'interruzione dell'energia elettrica fanno smettere di funzionare i telefoni, che sono invece un servizio importante in caso di emergenza → è necessario installare dei gruppi di continuità (UPS, dall'inglese "uninterruptible power supply") ma, invece di fornire energia elettrica solamente ai telefoni tradizionali, devono fornire energia elettrica a tutta l'infrastruttura dati.