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Ethernet

  • Sistemi di Misura Distribuiti
  • AA 2025-2026
  • Francesco Santoni

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Ethernet

  • Insieme di specifiche relative ai primi due livelli dello stack protocollare ISO-OSI.
  • Definisce cablaggio, codifica segnali, gestione messaggi in una LAN.
  • Standard de facto, recepito in ambito IEEE dallo standard IEEE 802.3 dal 1983

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Ethernet

  • Nell’ambito industriale ci troviamo principalmente al livello di rete informazioni di stabilimento e di supervisione integrata
  • Ormai sempre più presente anche al livello di rete di controllo

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Ethernet - storia

  • Ideata da Bob Metcalfe nel 1973 mentre lavorava alla Xerox
  • Il nome deriva metaforicamente dall’etere luminifero, la sostanza che un tempo si ipotizzava permeasse tutto lo spazio e facesse da supporto alle onde elettromagnetiche *teoria superata dopo l’esperimento di Michelson e Morley (1887) e la relatività speciale di Einstein (1905)
  • Come l’etere, Ethernet viene concepita quale mezzo universale (non necessariamente un cavo) per le comunicazioni tra computer

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Ethernet - storia

  • Tutti i computer dovevano essere connessi ad un unico mezzo
  • Nella concezione originaria è quindi un bus
  • L’introduzione degli switch è stato un cambio di paradigma, diventando una rete punto-punto.
  • "L’etere" nel 1973 era il cavo coassiale.
  • In figura si vedono dei transceiver, il cavo coassiale e le resistenze di terminazione

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Ethernet - storia

  • L’unità di controllo di accesso al mezzo MAC è connessa al transceiver mediante un cavo costituito da 5 doppini intrecciati lungo al massimo 50 m
  • Il transceveiver è connesso al cavo coassiale. Ha un’unità di rilevazione delle collisioni e di esclusione dal bus (jabber control)
  • Resistenze di terminazione da 50 Ω

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Ethernet - storia

  • Un transceiver non funzionante potrebbe trasmettere in modo incontrollato.
  • Nello standard 802.3, jabber è un frame che eccede la lunghezza del frame ethernet standard
  • Jabbering prolungato produce la disconnessione del nodo

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Ethernet - storia

  • Standard Ethernet o Thick Ethernet:
    • Massima lunghezza 500 m
    • Minima distanza tra i nodi 2.5 m
    • Massimo 100 MAU
  • Thin Ethernet
    • Massima lunghezza 185 m
    • Minima distanza tra i nodi 0.5 m
    • Massimo 30 MAU

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Ethernet - archeologia

  • I primi connettori erano di tipo vampire con punte che penetravano nel cavo coassiale per contattare il conduttore interno ed esterno

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Transceiver

Control unit

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Ethernet - archeologia

  • Successivamente connettori BNC. Cavo non forato, ma tagliato e dotato di connettori. Preferibile in ambienti più sporchi, come in fabbrica

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Ethernet - archeologia

www1.fs.cvut.cz/cz/u12110/prt/site/lan/10BASE5.htm

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Ethernet

  •  

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Ethernet - cronologia

  • Ci si riferisce alla prima tipologia anche come Classic o Traditional Ethernet
  • Con Terabit Ethernet ci si riferisce comunemente a velocità superiori a 100 Gbps
  • 800GBASE e 1600GBASE attualmente in sviluppo

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Ethernet - cronologia

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Ethernet – banda e distanze

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Ethernet – altri esempi

  • CR indica connessioni con cavi twinaxial: singolo doppino per connessioni veloci a breve distanza

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Ethernet – altri esempi

  • KR indica connessioni backplane, ovvero connessioni a breve distanza su circuito stampato per connessione di diversi moduli in una singola unità

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Ethernet – livello fisico

  • Ethernet su doppino intrecciato fino a 40GBASE. Velocità superiori solo fibra ottica, twinaxial o backplane.

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Ethernet – livello fisico

  • I cavi Ethernet da CAT4 in poi hanno 4 doppini (8 fili)
  • Vengono tipicamente usati cavi a 8 fili anche per connessioni Ethernet che usano solo 4 fili
    • Per compatibilità con altri tipi di connessione che si potrebbero voler implementare
    • Per utilizzare sempre gli stessi connettori
  • Connettori:
    • Con il termine 8P8C (8 posti 8 contatti) ci si riferisce al numero di pin, ovvero il numero di conduttori utilizzati
    • Con il termine RJ45 (registered jack 45) ci si riferisce il modello di connettore a 8 posti più diffuso
  • Due standard per l’assegnazione dei pin T568a e T568b: colori dei cavi invertiti per doppini 2 e 3, uguali i doppini 1 e 4.

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Ethernet - livello fisico

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Ethernet – livello fisico

  • Nelle connessioni a due doppini tipo FAST Ethernet si usa(va)no i doppini 2 e 3
  • Due tipi di Network Interface Card (NIC)
    1. Media Dependent Interface (MDI): trasmette (TX) su 2 e riceve (RX) su 3
    2. Media Dependent Interface Crossover (MDI-X), TX su 3 e RX su 2

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  • I computer usa(va)no MDI. Per collegare due computer bisogna(va) allora usare un cavo intrecciato con T568a su un capo e T568b sull’altro

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Ethernet – livello fisico

  • Collegamento PC – PC

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  • Gli switch invece usa(va)no MDI-X
  • Collegamento PC – Switch si fa(ceva) con cavo non-intrecciato (straight through), T568a oppure T568b su entrambi i capi

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  • Collegamento PC – Switch – PC con crossover e straight through

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Ethernet – livello fisico

  • Schema generale di connessione per dispositivi OSI L1 e L2, e per dispositivi OSI L3 o livelli superiori

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  • Ormai si usano dispositivi con Auto MDI. Possono automaticamente configurarsi come MDI o MDI-X garantendo la connessione a prescindere dal tipo di cavo:
    1. Dispositivi si impostano aleatoriamente su MDI o MDI-X
    2. Provano a comunicare
    3. Se comunicazione non funziona, ripetono l’impostazione aleatoria MDI o MDI-X
    4. Ripetono i passi 2 e 3 fin quando non trovano un’impostazione compatibile per la comunicazione.

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Ethernet – livello fisico

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  • Gigabit ethernet utilizza tutti e quattro i doppini, che dovrebbero essere tutti incrociati (vedi figura) ma in pratica utilizza Auto MDI, quindi va bene un cavo straight-through.
  • 250 Mbps per ogni doppino
  • Comunicazione bidirezionale TX e RX simultaneamente sullo stesso cavo

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  • Transceiver invia segnale e simultaneamente legge il segnale sul doppino. Sottraendo al segnale la componente inviata, ricostruisce il segnale inviato da altre unità (echo cancellation)

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Ethernet – livello fisico

 

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Ethernet - livello fisico

Encoding dei segnali. Possibili tecniche diverse in ragione delle caratteristiche spettrali:

  • NRZL: Non-Return to Zero Level. I valori logici sono rappresentati da livelli di tensione prefissati
  • NRLI: Non-Return to Zero Inverted. Le transizioni rappresentano 1. Assenza di transizione rappresenta 0
    • NRLI è un esempio di encoding differenziale: l’informazione non dipende dal livello di tensione ma dalla differenza rispetto al livello precedente
  • Bipolar AMI: tensione livello base = 0; tensione alternatamente positiva o negativa rispetto a livello base = 1 (bilanciamento DC)
  • Pseudoternary: come AMI, ma simboli invertiti
  • Manchester: sempre transisione a metà periodo. Alto-basso = 0. Basso-alto = 1 (bilanciamento DC)
  • Differential Manchester: transizione all’inizio del periodo = 0; nessuna transizione all’inizio del periodo = 1. Transizione a metà periodo sempre presente (bilanciamento DC)

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Ethernet - livello fisico

  • In segnali NRZ lunghe sequenze di simboli ripetute possono essere difficili da decodificare (quando inizia ogni singolo valore se il segnale non cambia?)
  • Poche transizioni non permettono di usare il segnale per la sincronizzazione.
  • La soluzione più semplice sarebbe Manchester, ma richiede il doppio della banda.
  • È preferibile utilizzare tecniche che ottimizzino lo spettro.
  • Classic Ethernet 10BASE2, 10BASE5, 10BASE-T
    • Codifica Manchester, livelli di tensione +0.85V e -0.85V.
    • NB: codifica Manchester overhead 50%

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Ethernet - livello fisico

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  • Fast Ethernet: 100BASE-TX
  • Anziché usare codifica Manchester (overhead 50%) si usa la più efficiente codifica 4B/5B (overhead 20%) mappando 4 bit su 5 bit
  • Lo schema garantisce che per ogni 4 bit vengano trasmessi 5 bit con un numero di zeri variabile da 1 a 3

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  1. Si applica codifica 4B/5B
  2. Si codifica il segnale in NRZI

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Ethernet - livello fisico

  • Fast Ethernet: 100BASE-T
  • Lo schema precedente produce troppe emissioni radiate.
  • Si vuole tenere il segnale sotto i 30 MHz per ridurre le emissioni

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  1. Si parte dal segnale precedentemente ottenuto per 100BASE-TX
  2. Lo si riporta a NRZL
  3. Si applica una tecnica di scrambling per produrre uno spettro più uniforme
  4. Si applica encoding MLT-3:
    1. Se il bit successivo è 0, la tensione non cambia
    2. Se il bit successivo è 1, allora:
      1. Se la tensione precedente è +V o –V, allora la tensione va a zero
      2. Se la tensione precedente è 0, allora si ottiene uscita non-nulla di segno opposto alla precedente uscita non nulla

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Ethernet - livello fisico

  • Giga Ethernet
  • Si usa encoding 8B/10B (suddiviso in 3B/4B e 5B/6B) già visto per PCI Express

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  • 10 Giga Ethernet
  • Encoding 64B/66B Overhead 3%

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  • 100 Giga Ethernet
  • Encoding 256B/257B + Reed Solomon Forward Error Correction (RS-FEC). Overhead resta 3%

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Ethernet, livello fisico

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  • Topologie supportate:
    • Bus: modalità nativa.
    • Stella e combinazioni bus/stella: richiede ripetitori (switch e hub).

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Ethernet – livello fisico

  • Topologie supportate:
    • Bus: modalità nativa.
    • Stella e combinazioni bus/stella: richiede ripetitori (switch e hub).
  • Def: dominio di collisione
    • Insieme di nodi tali che il messaggio generato da uno dei nodi viene propagato senza alcuna restrizione a tutti gli altri nodi dell’insieme.
  • Note
    • La topologia originaria di Ethernet è quella a bus, in cui il dominio di collisione è l’intera rete.
    • L’introduzione degli hub (nodi ripetitori) cambia la topologia ma non il concetto di dominio di collisione (estensione della rete mediante hub può ridurre l’efficienza della rete).
    • L’hub infatti rimanda il segnale entrante a tutti i nodi connessi, senza selezione. Quindi è come aumentare il numero di dispositivi direttamente connessi al bus.
    • L’introduzione degli switch, che selezionano i nodi cui inviare i dati, permette di segmentare il dominio di collisione in domini più piccoli (riduce la probabilità di collisione, migliora l’efficienza della rete).

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Ethernet – livello fisico

  • Topologie supportate:
    • Bus: modalità nativa.
    • Stella e combinazioni bus/stella: richiede ripetitori (switch e hub).
  • Def: dominio di collisione
    • Insieme di nodi tali che il messaggio generato da uno dei nodi viene propagato senza alcuna restrizione a tutti gli altri nodi dell’insieme.
  • Note
    • Lo switch inizia il proprio funzionamento come un hub, tuttavia apprende progressivamente la topologia della rete analizzando gli indirizzi mittente dei pacchetti ed associandoli alle proprie porte
    • Dopo alcune trasmissioni lo switch instrada i messaggi ricevuti solo nelle porte in cui sa esservi il destinatario.
    • Questo permette di utilizzare simultaneamente più porzioni della rete
    • In una rete con più switch, la presenza di percorsi chiusi disabilitati può essere una ridondanza utile in caso di guasti

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Ethernet - livello di collegamento

  • Logical Link Control (LLC): definisce trasmissioni connectionless e connection-oriented, e fornisce intefaccia verso protocolli di livello superiore, come IP.

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  • Media Access Control (MAC): descrive la struttura dei pacchetti e l’accesso al mezzo trasmissivo utilizzato.
    • Ethernet utilizza l’arbitraggio distribuito a rilevamento di collisione.
    • Collisioni sono un aspetto naturale del funzionamento di Ethernet.
    • Oppure utilizzo di switch: segmentazione del dominio di collisione fino a riduzione della rete a collegamenti punto-punto senza alcuna collisione (tipologia attualmente usata).

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Ethernet - livello MAC

Original Ethernet standard (Max Frame Size: 1518 Byte)

Modern Ethernet standard (Max Frame Size: 1522 Byte), IEEE 802.1Q,1998

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Ethernet - livello MAC

 

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Ethernet – livello MAC

  • Gestione del dominio di collisione ovvero arbitraggio del bus
  • CSMA Carrier Sense Multiple Access:
    • Quando una stazione vuole trasmettere, ascolta il canale: se è idle trasmette immediatamente
  • Se ci sono due stazioni che devono trasmettere, con questo approccio la collisione è sicura
  • Tre possibili algoritmi per gestire le collisioni e arbitrare il bus:
    1. Non-persistent
    2. 1-Persistent
    3. p-Persistent
  • Arbitraggio basato sulle collisioni è un metodo vecchio, non più utilizzato nelle reti commutate (switched) ma 🡪

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Ethernet – livello MAC

  • Arbitraggio basato sulle collisioni è un metodo vecchio, non più utilizzato nelle reti commutate (switched) ma:
    1. Ancora presente in ambito industriale in impianti datati (non si cambia ciò che funziona)
      1. Ad esempio PLC Siemens Simatic S5, messo fuori produzione tra il 2003 e il 2005, supporto tecnico terminato nel 2020. Supporta solamente Ethernet CSMA/CD. Ancora presente negli impianti industriali e ricercato sul mercato dell’usato.
      2. Sostituito dai modelli S7 attualmente in produzione, che mantengono la compatibilità con CSMA/CD per evitare di dover aggiornare l’infrastruttura di rete nel caso si debba sostituire un S5 guasto.
    2. Si ripresenta in modo simile nei protocolli wireless (quindi lo studiamo ancora nel suo contesto originario, anche se di fatto ora presente principalmente in altri contesti)
    3. Concetto di collisione utile a introdurre il problema del determinismo e il Time Sensitive Networking (reti a temporizzazione deterministica)

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Ethernet – livello MAC

Non-persistent

    • Se il bus è idle, trasmetti, altrimenti vai al passo successivo
    • Se il bus è busy, attendi un tempo casuale estratto da una distribuzione di probabilità e ripeti il passo 1
    • Se rilevata collisione (dati sul canale diversi dai dati trasmessi) interrompi trasmissione.
  1. L’intervallo casuale riduce la probabilità di collisioni, che invece avverrebbero sicuramente se tutte le stazioni trasmettessero appena il bus è idle.
  2. Spreco di risorse, perché in genere il bus resta idle dopo la fine di una trasmissione, mentre due trasmettitori concorrenti attendono di trasmettere

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Ethernet – livello MAC

1-persistent

    • Se il bus è idle, trasmetti, altrimenti vai al passo successivo
    • Se il bus è busy, attendi idle e poi trasmetti immediatamente
    • Se rilevata collisione, interrompi trasmissione
  1. La collisione è certa se ci sono due stazioni che aspettano di trasmettere

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Ethernet – livello MAC

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Ethernet – livello MAC

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Ethernet – collisioni

 

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Ethernet – collisioni

Algoritmo CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection:

  1. Se bus idle, trasmetti e vai al 3.
  2. Se bus busy, attendi idle e trasmetti immediatamente.
  3. Se collisione rilevata, trasmetti un segnale di jamming per assicurarsi che tutte le stazioni rilevino la collisione.
  4. Attendi un tempo casuale (backoff) e poi riparti da 1. L’intervallo casuale rende improbabili successive collisioni.

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Ethernet – collisioni

 

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Ethernet – collisioni

 

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Ethernet – livello MAC

  • Non-persistent e p-Persistent hanno tempi morti considerevoli
  • 1-Persistent non avrebbe tempi morti, ma porta facilmente ad avere collisioni
  • CSMA/CD può essere portato ad avere brevi tempi morti mantenendo però la stabilità
  • Si usa binary exponential backoff. Si parte da un backoff breve (tipicamente lo slot time) che viene raddoppiato per 10 tentativi, poi tenuto costante per 6 tentativi, e se c’è ancora collisione, si interrompe la trasmissione segnalando l’errore.

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Ethernet – collisioni

Algoritmo CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection:

  1. Se bus idle, trasmetti e vai al 3.
  2. Se bus busy, attendi idle e trasmetti immediatamente.
  3. Se collisione rilevata, trasmetti un segnale di jamming per assicurarsi che tutte le stazioni rilevino la collisione.
  4. Attendi un tempo casuale (backoff) e poi riparti da 1. L’intervallo casuale rende improbabili successive collisioni.
  5. Il backoff viene aumentato gradualmente, mentre il tempo perso dovuto alle collisioni è tipicamente breve

CSMA/CD è stabile e con brevi tempi morti

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Ethernet – efficienza della rete

 

 

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Ethernet – efficienza della rete

 

 

 

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Ethernet – efficienza della rete

 

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Ethernet – livello collegamento dati

Switch

  • Uno switch connette due o più nodi
    • Essenzialmente è un bridge
    • Tipicamente usato per connettere diversi host
    • Invia il frame verso il relativo segmento
  • Supporta transazioni concorrenti
    • Es. A comunica con C mentre B comunica con D

Bridge

  • Connette tra loro due reti
    • Estrae l’indirizzo di destinazione del frame
    • Cerca destinazione in una tabella porte-indirizzi
    • Invia il frame verso il relativo segmento
  • Ogni rete mantiene distinto il proprio traffico

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Ethernet – livello collegamento dati

Forwarding table o MAC table

  • Uno switch deve conoscere la destinazione di un frame:
    • Campo destination address nel frame
  • Deve sapere quali host sono raggiungibili da ogni sua porta:
    • Si determina la porta su cui ritrasmettere il pacchetto con algoritmo del tipo:

Receive frame f on port q

Lookup f.dest for output port

if f.dest found

then if output port is q

then drop /* already delivered */

else forward f on output port

else flood f /* forward on all ports but q*/

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Self-learning – costruzione tabella

  • Quando su uno switch arriva un frame da uno degli host connessi:
    • Legge il MAC address della sorgente
    • Associa all’indirizzo la porta cui la sorgente è connessa
    • Memorizza la mappa indirizzi-porte in una tabella

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Ethernet – livello collegamento dati

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  • Supponiamo C invii un frame a D, e che D risponda:
    • C invia il frame. Il bridge non ha informazioni su D, così invia il frame a tutte le porte.
      • Il bridge apprende che C è sulla porta 1
      • Il frame inviato sulla porta 3 viene ignorato dalla rete connessa a tale porta
      • Il frame inviato sulla porta 2 è ricevuto da D
    • D genera un frame di risposta e lo invia a C
      • Il bridge riceve il frame da D
      • Il bridge apprende che D è sulla porta 2
      • Il bridge già sa che C è sulla porta 1 e quindi reinvia il frame solo su tale porta.

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Learning bridge

  • Si può sovrascrivere una configurazione man mano che si apprendono nuove associazioni porta-indirizzo
  • Per ogni frame che arriva su una porta, l’indirizzo sorgente viene memorizzato e la tabella diviene via via più accurata.
  • Se i nodi cambiano la tabella diventa obsoleta:
    • Ad ogni elemento della tabella si può associare un timestamp
    • Si aggiorna il timestamp ogni volta che si riceve un frame dalla medesima sorgente
    • Un elemento con un timestamp troppo vecchio viene rimosso dalla tabella.

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Ethernet – livello collegamento dati

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  • Tree (albero)
    • Self-learning molto adatto a topologia tree
    • La ridondanza dei percorsi rende la rete robusta
    • I cicli costituiscono però un problema: ad es. B1 dove dovrebbe inviare un frame diretto verso il segmento A?

Topologia della rete

  • Lineare

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  • Backbone (dorsale)

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Ethernet – livello collegamento dati

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Spanning tree (alberi ricoprenti)

  • Gli spanning tree utilizzano un sottinsieme degli switch disponibili per eliminare i cicli
    • Alcuni collegamenti vengono potati (pruning) (semplicemente ignorati, ma restano disponibili per la ridondanza, nel caso uno degli switch utilizzati venga meno).
    • Gli spanning tree possono essere trovati automaticamente: si parte da una radice e si trovano i percorsi associati.

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Ethernet - livello collegamento dati

  • Inizialmente ogni nodo si identifica come root dell’albero
  • Ogni nodo invia messaggi del tipo (Y, d, X): il nodo X è a distanza d dal root Y
  • Il primo messaggio di ogni nodo quindi è (X, 0, X)
  • I nodi con identificativo minore hanno la priorità

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  • Notare che alla fine A e B non sono connessi dal percorso di lunghezza minore
  • Tuttavia in questo modo si evitano i loop

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Ethernet – livello collegamento dati

 

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Ethernet – livello collegamento dati

 

 

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Ethernet – livello collegamento dati

 

 

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Ethernet – livello collegamento dati

 

 

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Ethernet – livello collegamento dati

 

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Ethernet – livello collegamento dati

 

 

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Ethernet – livello collegamento dati

 

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Collisioni e determinismo

Un sistema opera in tempo reale se risponde alle sollecitazioni “istantaneamente” (= in tempi molto minori delle costanti tempo che caratterizzano l'applicazione).

La latenza con cui un sistema risponde ad una sollecitazione è detta Scan Time.

Un protocollo di trasmissione dati è deterministico se è in grado di garantire la consegna dei dati trasmessi entro un tempo assegnato.

Ciò equivale ad assegnare un valore massimo ammesso allo Scan Time.

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Collisioni e determinismo

Alcune definizioni

(cfr. https://www.processonline.com.au/content/industrial-networks-buses/article/determinism-in-industrial-ethernet-br-a-technology-overview-part-1-678679974)

Non-real time — Normal data processing environments where timeliness of data delivery can vary widely and can be measured in seconds or minutes without detrimental impact, such as data transfers between higher level systems like Manufacturing Execution System and Enterprise Resource Planning — in other words, higher level plant management and business applications.

Soft real time (SRT) — Providing real-time deterministic messaging in the range up to 100 ms response time, using higher level control of (mainly) UDP packets, where a strict master/slave communication is maintained.

Isochronous real time (IRT) — Provides deterministic messaging for high-speed equipment such as motion control systems, where sub-millisecond timing is depended on.

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Collisioni e determinismo

Network Response Time τN: latenza dovuta alla rete.

System Response Time τS : Network Response Time + latenza τD dovuta al dispositivo coinvolto (τS = τD +τN).

Requisito: in un sistema di controllo real time, il Network Response Time non dovrebbe eccedere il 10% del System Response Time (τN ≤ 0.1τS).

Requisito: in un sistema di controllo deterministico, la probabilità di avere un Network Response Time τN maggiore di un tempo prefissato τN0 dovrebbe essere trascurabile .

Requisito: deve anche essere τD > τN in quanto non si possono trasferire dati che siano prodotti più velocemente di quanto si possano trasmettere.

Se τD < τN il dispositivo che produce i dati deve avere un buffer.

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Collisioni e determinismo

Abbiamo visto che la probabilità di avere 1 trasmissione avvenuta con successo dopo collisioni è

�Dove

A trasmissioni corrisponde un tempo

​

Quindi a

​

corrisponderà una probabilità

​

In altri termini: è possibile mantenere il determinismo solamente entro l’intervallo di tempo mediamente perso in collisioni, o in tentativi di trasmissione nelle comunicazioni wireless

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Collisioni e determinismo

 

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Collisioni e determinismo

 

Increasing N

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Limiti al determinismo

  •  

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Industrial Ethernet

Possibili approcci

Classe 1: Funzionalità specifiche aggiunte al livello di applicazione e incapsulamento (encapsulation) di protocolli. Protocolli TCP/IP/Ethernet non vengono modificati.

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Classe 2: Funzionalità specifiche di pianificazione (scheduling) e priorizzazione (prioritization) che sfruttano il campo TAG del frame Ethernet, e non usano TPC/IP.

​

Classe 3: Protocolli specificamente progettati che ridefiniscono opportunamente tutti i livelli OSI di TCP/IP/Ethernet.

​

Gli strati OSI 5, 6 e 7 sono tutti riuniti in un singolo strato genericamente detto Application

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Industrial Ethernet – classe 1�HSE – High Speed Ethernet

HSE incapsula il fieldbus H1 della Foundation. Permette l’esecuzione delle funzioni del livello Applicazione di H1, ma il trasferimento dati avviene su rete Ethernet.

HSE eredita pertanto i livelli più alti da H1, con tutte le sue funzioni specifiche, mentre sostituisce i livelli più bassi con Ethernet, la quale non subisce modifiche.

Al livello Applicazione è presente il System Management (SM), con funzioni di temporizzazione, pianificazione, connessione e disconnessione di dispositivi. Arbitraggio e controllo dei dispositivi interamente centralizzato con SM.

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Industrial Ethernet – classe 1�HSE – High Speed Ethernet

Linking device connette bus H1 alle rete HSE

Ma anche dispositivi di campo connessi direttamente alla rete HSE

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Industrial Ethernet – classe 2�PROFINET RT

PROFINET implementa funzioni specifiche del protocollo al livello Application, che poi vengono incapsulate in un frame Ethernet.

I dati per i quali la temporizzazione non è un aspetto critico vengono trasferiti sulla normale architettura TCP/IP/Ethernet (non-real-time, NRT)

Per lo scambio ciclico di dati utili con criticità temporale, non utilizza TCP/IP, ma comunicazione in tempo reale (RT) o in tempo reale isocrona (IRT, Classe 3). I livelli 3 e 4 vengono bypassati. I frame sono inviati direttamente al livello 2 (Ethernet) riducendo latenze e jitter.

Non è necessario un supporto hardware particolare, ma solamente switch che supportino lo standard PROFINET a norma IEC 61158 (standard Fieldbus).

Ai frame PROFINET viene assegnata la priorità rispetto ai frame standard secondo la norma IEEE802.1Q (uso del campo TAG del frame Ethernet per identificare i frame prioritari). Con questo procedimento i dati vengono trasmessi tramite frame Ethernet prioritari. Con RT è possibile realizzare tempi di aggiornamento a partire da 250 μs.

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Industrial Ethernet – classe 2�PROFINET RT

Meccanismi di switching

Store and Forward: con questo metodo lo switch riceve i frame completi e quindi li inserisce in una coda di attesa, eliminando quelli in cui sono stati riscontrati errori. Se lo switch supporta lo standard internazionale IEEE 802.1Q, i dati vengono ordinati nella coda di attesa in base alla priorità. I frame vengono poi inoltrati selettivamente alla porta dalla quale è accessibile il nodo indirizzato.

Cut Through: con questo metodo l'intero pacchetto non viene bufferizzato temporaneamente, ma trasmesso direttamente alla porta appena letto l'indirizzo di destinazione e determinata la relativa porta. In altri termini, lo switch inizia a ritrasmettere il frame prima ancora di averlo ricevuto per intero, senza controllo degli errori. I tempi richiesti dal pacchetto di dati per attraversare lo switch diventano minimi. Se il segmento di destinazione è occupato, i dati vengono memorizzati provvisoriamente con il metodo Store and Forward.

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Industrial Ethernet – classe 3�PROFINET IRT – Isochronous Real-time

Sincronizzazione

Il presupposto per la comunicazione IRT è un clock di sincronizzazione per tutti i dispositivi PROFINET in un dominio Sync per la distribuzione di una base temporale comune. Il master Sync (IO Controller) genera il clock di sincronismo comune e predefinisce la base di tempo alla quale si sincronizzano tutti gli altri slave Sync (IO Device). Dispositivi usano PLL per sincronizzarsi con il Controller.

Esempio operazioni temporizzate a istanti definiti con clock comune

T1 – Campionamento input

T2 – Invio su bus backplane

T3 – Invio su Profinet a Controller

T4 – Processamento dati su Controller

T5 – Invio su Profinet ad altro dispositivo

T6 – Invio su bus backplane

T7 – Produzione segnale di output

T8 – Preparazione di un nuovo ciclo isocrono

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Industrial Ethernet – classe 2, 3�PROFINET

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Industrial Ethernet – classe 3�EtherCAT

Ethernet for Control Automation Technology

Sviluppata originariamente da Beckhoff Automation, successivamente da EtherCAT Technology Group. Introdotta nel 2003 e accolta nello standard IEC 61158

Si focalizza su tempi ciclo veloci (≤ 100 µs) e contenimento del jitter (≤ 1 µs) per un'accurata sincronizzazione.

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Principio di funzionamento: analogia con un treno veloce che non si ferma mai, dove i passeggeri salgono e scendono al volo.

Fuor di metafora:

- Master invia un pacchetto che si propaga a tutti i nodi.

- Ogni slave legge e scrive i propri dati sul pacchetto.

- Slave invia il pacchetto a slave successivo (mai indietro)

- Solo ultimo slave reinvia il pacchetto al master

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Industrial Ethernet – classe 3�EtherCAT

  • Utilizza frame Ethernet Standard. Pacchetti non tempo-critici inviati usando TCP/IP
  • Pacchetti EtherCAT identificati con Ethertype 0x88A4
  • Il campo dati inizia con header EtherCAT e contiene datagrammi relativi a diversi slave.
  • Master configura e mappa i dati ciclici di processo negli slave.
  • In ogni datagramma è indicato:
    1. Se il master richiede lettura, scrittura o entrambe
    2. A quale slave o gruppo di slave è destinato il datagramma

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Industrial Ethernet – classe 3�EtherCAT

  • Il master assegna a ogni slave un indirizzo che resta fisso anche se la rete cambia (hot connect).
  • Uno slave può comunicare con slave a valle scrivendo dati negli opportuni datagrammi.
  • Comunicazione tra uno slave e slave a monte deve ripassare prima attraverso il master.
  • Dispositivi hanno accesso a diversi datagrammi per leggere o scrivere dati per altri dispositivi.
  • Laddove siano richieste esclusivamente funzionalità EtherCAT, è possibile una rete senza switch.

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Dati HMS Networks

Percentuali di nuovi dispositivi installati

2018: La quota di mercato di Industrial Ethernet supera quella di Fieldbus

Ethernet/IP, dove IP sta per Industrial Protocol, è un’architettura di classe 1

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Dati HMS Networks

2019

Percentuali di nuovi dispositivi installati

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2020

Il trend apparente suggerisce la progressiva sostituzione di Fieldbus con Industrial Ethernet

Dati HMS Networks

Percentuali di nuovi dispositivi installati

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2021

Dati HMS Networks

Percentuali di nuovi dispositivi installati

Profinet diventa la quota maggiore

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2022

Dati HMS Networks

Percentuali di nuovi dispositivi installati

Il tasso di sostituzione di Fieldbus con Industrial Ethernet sembra rallentare

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2023

Dati HMS Networks

Percentuali di nuovi dispositivi installati

Il tasso di sostituzione di Fieldbus riprende invece a salire

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2024

Dati HMS Networks

Percentuali di nuovi dispositivi installati

Si conferma la tendenza alla sostituzione di Fieldbus con Industrial Ethernet

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2025

Dati HMS Networks

Percentuali di nuovi dispositivi installati

Si conferma la tendenza alla sostituzione di Fieldbus con Industrial Ethernet

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Riferimenti e Approfondimenti

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Testi di riferimento usati:

  1. W. Stallings, Data and Computer Communications, 10th edition, Pearson, 2014
  2. J. Park, S. Mackay, E. Wright, Practical Data Communications for Instrumentation and Control, Elsevier, 2003
  3. C. E. Spurgeon, J. Zimmerman, Ethernet. The Definitive Guide, 2nd edition, O’Reilly, 2014
  4. A. Pattavina, Reti di telecomunicazione, 2° edizione, Mc Graw Hill, 2007

Per Industrial Ethernet:

  1. http://www.processonline.com.au/articles/33901-Determinism-in-industrial-ethernet-br-A-technology-overview-Part-1
  2. http://www.processonline.com.au/articles/34720-Determinism-in-industrial-ethernet-br-A-technology-overview-Part-2
  3. Limits of Increasing the Performance of Industrial Ethernet Protocols, doi: 10.1109/EFTA.2007.4416748
  4. The Foundation Fieldbus Primer, https://www.fieldbusinc.com/downloads/primer1_1.pdf
  5. Siemens SIMATIC PROFINET, Descrizione del sistema, https://cache.industry.siemens.com/dl/files/127/19292127/att_69561/v1/profinet_system_description_it-IT_it-IT.pdf
  6. EtherCAT – Il Fieldbus Ethernet, https://www.ethercat.org/it/technology.html

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