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Ethernet, una questione di frame

Nei suoi oltre 30 anni di vita, la tecnologia Ethernet ha fatto molta strada, dimostrando notevoli capacità nel mantenere un ruolo di rilievo, ma essenziale, nelle reti avanzate. Le sue potenzialità le garantiscono un ruolo altrettanto fondamentale nelle reti future

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John Thomson

Ethernet è onnipresente e questo non sorprende. Per molti versi, si tratta infatti di una tecnologia pressoché perfetta in termini di scalabilità, flessibilità, semplicità e basso costo. Le versioni a 10 Mb/s, a 100 Mb/s, Gigabit Ethernet, 10 Gigabit Ethernet e forse ancora oltre ne dimostrano la scalabilità e la compatibilità di ogni generazione successiva con quelle precedenti. Ethernet ha permesso di realizzare reti di ogni dimensione e configurazione ed è utilizzata in misura sempre maggiore come interconnessione per backplane.
Quello che può sorprendere è il modo in cui Ethernet si è diffusa malgrado le critiche che le sono state rivolte, alcune perfettamente valide, altre molto meno. Si consideri, ad esempio, uno dei concetti chiave alla base dell’impiego pratico di Ethernet, vale a dire l’accesso multiplo con rilevamento della portante e delle collisioni (Csma/Cd, Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection), basato sull’ipotesi che vi fosse un supporto condiviso (in origine uno spesso cavo giallo) che tutti gli utenti collegati in rete avrebbero tentato di utilizzare. Se due nodi avessero provato a usare il supporto nello stesso momento, avrebbero rilevato la ‘collisione’, si sarebbero fatti indietro e avrebbero riprovato. Il ritardo temporale prima della ripetizione del tentativo era controllato da elementi casuali ed esponenziali. Il concetto di accesso Csma/Cd era potente, ma ha dato vita ad una delle critiche più radicali, vale a dire che i tempi di trasmissione erano imprevedibili e non deterministici e che la progettazione delle reti era una questione artistica quanto scientifica, poiché non era possibile garantire al 100% che una trasmissione si verificasse entro x millisecondi o, per la verità, entro x secondi. Oggi, tuttavia, in un mondo nel quale le reti Ethernet full-duplex commutate rappresentano la norma, il non-determinismo causato dall’accesso ai supporti condivisi in realtà non sussiste più, ma il ruolo dell’accesso Csma/Cd nel presunto non-determinismo di Ethernet rimane una delle critiche più diffuse.
Benché sia vero che anche nelle reti Ethernet full-duplex commutate sono presenti altre cause di non-determinismo, i problemi pratici che ne conseguono sono pochissimi e sono risolti con soluzioni pragmatiche come le code con priorità. Questo è un buon esempio del modo in cui la tecnologia Ethernet è stata ampliata e adeguata negli anni per soddisfare un ventaglio più diversificato di esigenze di trasmissione. Nei primi anni, il traffico Ethernet era tipicamente supportato da terminali privi di intelligenza che fornivano agli utenti funzioni di ingresso/uscita, eventualmente con un orientamento di campo per migliorare l’efficienza, e da un’architettura di rete sofisticata come quella DecNet. Oggi con maggiori probabilità si tratta dei risultati di ricerche Google, di flussi voce incapsulata o anche di flussi video acquisiti.

Distinguere tra tecnologia e protocollo
Le critiche rivolte ad Ethernet risultano prive di fondamento in tutti quei casi in cui i progettisti non hanno distinto fra la tecnologia Ethernet e i protocolli utilizzati normalmente su di essa. Si è parlato molto del carico aggiuntivo di elaborazione cui sono soggette le cpu per il calcolo delle somme di controllo Ip, oppure della complessità del sequenziamento delle finestre dei pacchetti in Tcp. Questi problemi non hanno tuttavia nulla a che fare con Ethernet. Benché il protocollo Ip sia quello di uso più comune sulle reti Ethernet, tale abbinamento non è esclusivo, grazie al concetto, semplice e quasi elegante, di stratificazione dei protocolli. Ethernet fornisce un meccanismo di trasmissione e ricezione semplice a livello di frame: si tratta dei due strati di base del modello di riferimento Osi, un tempo famoso. Tale meccanismo può essere utilizzato (come fanno molte installazioni) a supporto del protocollo Ip (layer 3), al di sopra del quale è quindi possibile utilizzare i protocolli Tcp o Udp, voce su Ip (VoIp) o una qualunque di una serie di alternative (layer da 4 a 7). È tuttavia perfettamente possibile utilizzare la struttura a frame di Ethernet a supporto di qualunque altro protocollo suddivisibile in frame (e la maggior parte dei protocolli lo permette).
L’incapsulamento diretto dei frame Atm in quelli Ethernet è, ad esempio, una soluzione diffusa in determinate circostanze nel settore delle telecomunicazioni. In questi casi, tutte le ulteriori funzioni offerte da un protocollo di un layer superiore, come Ip, vanno ovviamente perdute, ma ciò può risultare accettabile a seconda dello scenario di rete.
Alcune persone hanno ancora un’opinione negativa dei carichi aggiuntivi che gli strati Tcp e Ip comportano, ma i problemi associati a tali carichi sono in via di soluzione. È attualmente disponibile una notevole offerta di hardware di supporto specifico per sollevare le unità di elaborazione da funzioni quali la segmentazione e il calcolo delle somme di controllo e pertanto la pila di protocolli Tcp/Ip non è più il distruttore di cpu descritto in passato.
L’uso dei segnali Ethernet ha riscosso di recente un certo successo, unitamente a tecnologie come Serial RapidIO e Pci Express, nel settore dei backplane presenti nei dispositivi come CompactPci 2.16, Atca, MicroTca, Vsp, Vpx. Questa situazione può essere vista come un ulteriore riconoscimento della semplicità, dell’affidabilità e dei vantaggi economici offerti da Ethernet. In questo caso i progettisti non sono in cerca del raggio d’azione a misura di campus per il quale Ethernet era stata progettata in origine, ma di un meccanismo di trasmissione sperimentato e affidabile. Poiché si prevede che raggiungerà presto velocità di trasmissione di 40 o anche 100 Gb/s, Ethernet è chiaramente in grado di offrire velocità di backplane che gli attuali processori avrebbero notevoli problemi a saturare con dati significativi.
Saranno ovviamente sempre effettuati dei confronti fra Ethernet e altre tecnologie per backplane, come Serial RapidIO, Pci Express e così via. Decidere quale di queste alternative sia più adatta è complesso e dipende, di solito, dall’applicazione specifica, ma Ethernet si sta dimostrando idonea per un numero sempre maggiore di impieghi.
È inoltre importante tenere presente che i vari switch fabric seriali che hanno attualmente un profilo elevato non si escludono a vicenda. Ciascuno ha punti deboli e di forza e le migliori configurazioni di sistema sfruttano questi ultimi. È ad esempio possibile immaginare un sistema ad alte prestazioni nel quale i sensori siano collegati ad Adc veloci, a loro volta connessi tramite interfacce Pci Express a dispositivi Serial RapidIO per i trasferimenti fra i nodi di un sistema back-end multiprocesso. I risultati potrebbero poi essere inviati via Ethernet a un computer host per la visualizzazione.
Questo genere di architettura applicativa altamente tipica è probabilmente ciò che aveva in mente Freescale nell’integrare tutti e tre i fabric nei processori 8640 e 8640D.
È importante riconoscere che la maggior parte dei riferimenti occasionali a Ethernet include per inferenza il resto dei protocolli di tipo Internet, come Ip, Tcp, Udp, Ftp e Http. Molti di coloro che utilizzano Ethernet per i backplane si servono anche di questi protocolli degli strati più elevati e la motivazione della scelta di Ethernet come metodo di trasmissione per un backplane è spesso la sua capacità di supportare questo tipo di traffico. Il vantaggio consiste ovviamente nel fatto che il traffico all’interno del backplane può essere identico a quello fra i backplane o addirittura a quello a livello mondiale.
Questa ‘trasparenza geografica’ alle applicazioni software può essere interessante. I progettisti dei sistemi non devono infatti preoccuparsi del fatto che l’ambiente sia costituito da una situazione di prova, con dati video acquisiti da una telecamera in bilico su una tazza di caffè poggiata su una scrivania o da una situazione in campo, come un drone senza equipaggio in volo su un deserto.

Il ruolo degli switch
Fra i dispositivi fondamentali per le attuali reti Ethernet figurano ovviamente gli switch, assenti dall’impostazione originale di Ethernet. Questa prevedeva inizialmente il concetto di ripetitore, per amplificare i segnali lungo determinati tratti dello spesso cavo giallo già menzionato, e quello di ponte, per collegare due segmenti di cavo limitando allo stesso tempo il traffico fra i medesimi. Con l’avvento delle ‘Cheapernet’ (10Base5) si registrò l’introduzione degli hub, che permettevano il collegamento di più segmenti.
Gli switch Ethernet sono in effetti una combinazione dei concetti di hub e bridge.
Sono disponibili switch Ethernet con un ampio ventaglio di capacità, da quelli plug & play (detti a volte ‘stupidi’) di layer 2, a quelli gestiti del layer 2 (come i modelli RM983RC Vme 6U di Ge Fanuc a 12 o 24 porte) a quelli totalmente gestiti di layer 3. I progettisti dei sistemi devono avere cura di scegliere gli switch del tipo giusto a fronte delle esigenze delle applicazioni.
Gli switch layer 2 prendono tutte le decisioni in base alle informazioni contenute nell’intestazione di layer 2, detto di controllo dell’accesso ai supporti (Mac, Media Access Control), il più elevato di cui Ethernet sappia qualcosa. Gli switch layer 3 sono in grado di prendere decisioni più complesse sulla base di informazioni provenienti dal layer Ip e, in alcuni casi, superiori ad esso, come quello Tcp. Gli switch residenti sui backplane Ethernet offrono spesso uplink che consentono il collegamento con altri telai o con il mondo esterno e possono essere configurati in modo da presentarsi semplicemente come le porte del backplane o in qualche modo speciale. Alcuni switch possono essere configurati come layer 3, quello Ip, e sono quindi in grado di assumere il ruolo di un router, controllando spesso il traffico fra il backplane e il mondo esterno. Come regola generale approssimativa, gli switch non gestiti di layer 2 sono i più semplici e funzionano quasi sempre, ma è possibile che non assicurino il livello di efficienza richiesto dall’applicazione.
Gli switch gestiti di layer 2 possono migliorare l’efficienza a livello Mac, consentendo, ad esempio, di affrontare la gestione multicast e delle Vlan. Gli switch gestiti di layer 3, come il modello CompactPci CP921RC 6U di Ge Fanuc, offrono un’elevata configurabilità e sono spesso necessari per le reti basate su Ip.
Nei suoi oltre 30 anni di vita, la tecnologia Ethernet ha fatto molta strada, dimostrando notevoli capacità nel mantenere un ruolo non soltanto di rilievo, ma essenziale, nelle attuali reti avanzate. Le sue potenzialità in termini di prestazioni elevate, la sua flessibilità, il suo costo contenuto e l’immenso ecosistema hardware, software e di competenze ormai sviluppatosi le garantiscono un ruolo altrettanto essenziale nelle reti future.

Ethernet, una questione di frame - Ultima modifica: 2009-10-28T10:30:35+01:00 da Lucia Favara