a - Standard
Che cos'è Ethernet?
Perché si chiama Ethernet?
Quali sono le diverse tecnologie Ethernet?
Quali sono le tecnologie utilizzate oggi?

      b - La tecnologia
Di che cosa si occupa lo strato MAC?
Che cos'è CSMA/CD?
Che cos'è half-duplex?
Che cos'è full-duplex?
Che cos'è un indirizzo MAC?
Di che cosa si occupa lo strato LLC?
Qual è la differenza tra i frame Ethernet (DIX) e i frame 802.3?
Che cos'è il modello ISO OSI?

      c - Infrastruttura di rete
Che cosa fa un ripetitore?
Che cosa fa un bridge?
Che cosa fa un hub?
Che cosa fa uno switch?
Quali sono i metodi di commutazione utilizzati?
Che cosa fa un router?

      d - Applicazioni in ambito industriale
Quali protocolli possono essere utilizzati con la rete Ethernet?
Come si affronta il problema della reiezione ai disturbi in ambito industriale?
Come si affronta il problema della resistenza dei connettori in ambito industriale?
E' possibile utilizzare il cablaggio della rete Ethernet per alimentare dei dispositivi?
Come si affronta il problema del determinismo in ambito industriale?
Come si affronta il problema della ridondanza?

      a - Standard

Che cos'è Ethernet?
Ethernet è una raccolta di specifiche relative al tipo di cablaggio, alla codifica dei segnali e alla gestione dei messaggi all'interno di una rete locale (LAN, Local Area Network). Si occupa dei primi due livelli del modello Iso OSI (fisico e scambio dati) ed è disponibile su cavo coassiale, su doppino intrecciato e su fibra ottica. Inizialmente sviluppata da Xerox, e stata ampliata nelle versioni Ethernet I e II da Digital, Intel e Xerox (DIX) per poi venire standardizzata dall'IEEE sotto le specifiche IEEE 802.

Perché si chiama Ethernet?
Il nome 'Ethernet' è stato utilizzato per sottolinearne l'indipendenza dai prodotti proprietari della azienda che l'aveva sviluppata, Xerox. L'ideatore, Robert Metcalfe, ha voluto introdurre un riferimento all'etere luminifero che era in origine ritenuto responsabile della trasmissione della radiazione elettromagnetica nello spazio allo stesso modo in cui il mezzo fisico era ora responsabile della propagazione dei segnali a tutti i nodi a esso afferenti.

Quali sono le diverse tecnologie Ethernet?
La seguente tabella riporta le principali tecnologie Ethernet e i riferimenti alle relative specifiche IEEE:

Quali sono le tecnologie utilizzate oggi?
Le versioni su cavo coassiale sono oramai parte della storia di Ethernet anche se è possibile trovarle come installato in alcuni casi. Le reti Ethernet attuali sono essenzialmente su doppino e fibra ottica nelle versione da 10 e 100 Mb/s con una crescente diffusione della tecnologia Gigabit Ethernet. Le topologie utilizzate sono a stella (in particolare commutata) con più stelle connesse tra loro a formare una topologia di rete complessa.

      b - La tecnologia

Di che cosa si occupa lo strato MAC?
Lo strato MAC (Medium Access Control) controlla l'accesso al mezzo di comunicazione in modo da assicurarsi che ogni nodo abbia la possibilità di effettuare la propria trasmissione. Nel caso di Ethernet il meccanismo che gestisce la contesa del mezzo è CSMA/CD (Carrier Sense, Multiple Access with Collision Detection).

Che cos'è CSMA/CD?
CSMA/CD (Carrier Sense, Multiple Access with Collision Detection) è il meccanismo utilizzato per la condivisione del mezzo fisico da parte dei nodi di una rete Ethernet. Prima di trasmettere su un mezzo dotato di accessi multipli (MA, Multiple Access), ogni nodo verifica che nessun altro stia utilizzando il canale (CS, Carrier Sense); una volta iniziata la trasmissione i nodi ascoltano ciò che si trova sul canale per verificare che non vi siano collisioni (CD, Collision Detect), ossia altri nodi che hanno iniziato a trasmettere prima di accorgersi che era già iniziata un'altra comunicazione. Questo è possibile per effetto del ritardo di propagazione dei segnali nel mezzo fisico, e quando ciò avviene i responsabili della collisione si arrestano subito e riprendono a trasmettere dopo un periodo di tempo casuale.

Che cos'è half-duplex?
Half-duplex è una modalità di trasmissione secondo la quale è possibile trasmettere e ricevere messaggi senza però poterlo fare simultaneamente.

Che cos'è full-duplex?
Full-duplex è una modalità di trasmissione secondo la quale è possibile trasmettere e ricevere simultaneamente. Questa modalità di comunicazione permette di eliminare il problema delle collisioni tra due nodi che si vogliono parlare. Le reti Ethernet consentono di aggregare i due canali di comunicazione per ottenere un solo canale in grado di sfruttare di fatto una banda doppia.

Che cos'è un indirizzo MAC?
E' un identificatore univoco, rappresentato da un codice esadecimale, che serve a distinguere ogni nodo sulla rete Ethernet. L'indirizzo è costituito da sei byte generalmente rappresentati in formato esadecimale, che specificano il produttore, la data di produzione e un codice univoco di identificazione.

Di che cosa si occupa lo strato LLC?
Il livello LLC (Logical Link Control) si posiziona nella parte superiore del livello ISO OSI e opera da interfaccia verso il livello di rete: gestisce le trame che contengono i dati, i campi di indirizzo e i codici per la correzione d'errore.

Qual è la differenza tra i frame Ethernet (DIX) e i frame 802.3?
La trama specificata nello standard Ethernet II (DIX) prevede un campo "Tipo" per identificare il tipo di protocollo utilizzato mentre lo standard 802.3, che si appoggia allo strato LLC della specifica 802.2 per questo scopo, prevede un campo "Lunghezza" che specifica la lunghezza del blocco dati. Siccome la lunghezza massima di un pacchetto dati è di 1500 bytes e non ci sono valori significativi di tipo al di sotto di tale valore, i due formati possono coesistere sulla medesima rete: se il valore è inferiore a 1500 si tratta della lunghezza del pacchetto 802.3; se invece è superiore si tratta del tipo specificato dal pacchetto DIX.

Che cos'è il modello ISO OSI?
Il modello OSI (Open System Interconnect) sviluppato dall'International Organization for Standardization (ISO) rappresenta l'architettura di una generica rete per mezzo di una suddivisione in livelli di astrazione successivi, che connettono l'utente al mezzo fisico che opera la trasmissione dei dati e viceversa. I livelli, o strati, previsti dal modello ISO OSI sono sette

e ciascuno di essi esporta servizi verso il livello successivo, celandogli i dettagli implementativi.

      c - Infrastruttura di rete

Che cosa fa un ripetitore?
Un ripetitore è un dispositivo che opera al livello 1 del modello OSI e ripete in uscita i segnali che riceve in ingresso, provvedendo al ripristino delle loro caratteristiche elettriche (ossia amplifica il segnale e filtra le componenti spurie). L'azione di un ripetitore è semplicemente quella di permettere alla rete di estendersi oltre il limite imposto dall'attenuazione e dalla dispersione del mezzo fisico. Un ripetitore replica i segnali bit per bit senza modificarli e senza preoccuparsi del loro significato: difatti vengono replicate anche le collisioni.

Che cosa fa un bridge?
Un bridge, o ponte, è un dispositivo che opera a livello 2 del modello OSI ed è in grado di distinguere i diversi domini di collisione, operando di fatto una cernita tra i messaggi che gli arrivano. Se il messaggio è corrotto o è stato interrotto per via di una collisione il bridge evita di trasmetterlo. I bridge intelligenti sono dotati di un buffer di memoria nella quale conservano i pacchetti di dati il tempo necessario ad analizzarne gli indirizzi di origine e destinazione e stabilire se il pacchetto deve essere inoltrato o meno: così un messaggio che riguardi due nodi su uno stesso lato del ponte non viene trasmesso. Se il bridge non è in grado di identificare l'indirizzo di destinazione allora lo trasmette automaticamente.

Che cosa fa un hub?
Un hub, o concentratore, è il nodo centrale di una topologia a stella: permette di dirigere i segnali ai vari nodi ad esso afferenti in maniera differente a seconda che si comporti da ripetitore o da commutatore (switch). Nella forma più semplice gli hub sono dei ripetitori che si limitano a replicare il segnale che arriva da ogni nodo sui segmenti connessi a tutti gli altri nodi, eventualmente rigenerando il segnale. Tutti i dispositivi di una rete Ethernet connessi ad un hub di questo tipo (hub ripetitore) si trovano nel medesimo dominio di collisione e le comunicazioni tra di loro devono essere regolate dal metodo CSMA/CD. Un hub ripetitore può essere usato per simulare la topologia a bus condiviso, con i nodi connessi in daisy-chaning alla dorsale.

Che cosa fa uno switch?
Uno switch, o commutatore, è un'evoluzione del concetto di bridge per le topologie a stella. Uno switch connette i nodi a esso afferenti in maniera tale che ciascuno di essi possa comunicare con i rimanenti avendo a disposizione l'intera banda offerta dal mezzo fisico. I messaggi provenienti da un nodo vengono 'commutati' verso il nodo di destinazione senza essere ritrasmessi sugli altri segmenti. Gli switch permettono di separare i domini di collisione in maniera tale da rendere la rete Ethernet una rete di tipo punto-punto commutata.

Quali sono i metodi di commutazione utilizzati?
Esistono essenzialmente due metodi per operare la commutazione: cut-through e store and forward.
Il metodo cut-through consiste nel dirottare i pacchetti verso la destinazione non appena se ne è stabilito l'indirizzo. In questo modo si riducono i ritardi di ritrasmissione ma ci si espone alla possibilità di inviare pacchetti dati corrotti
Il metodo store and forward memorizza invece l'intero pacchetto in un buffer, controlla che sia integro e solo dopo lo invia verso la destinazione. La latenza di questo tipo di dispositivi è proporzionale alle dimensione delle trame usate.
Un metodo ibrido implementato su alcuni switch prevede il funzionamento in modalità cut-through fino a che gli errori, dei quali viene tenuta traccia, non superano una certa soglia oltre la quale subentra la modalità store and forward.

Che cosa fa un router?
Un router, o instradatore, è un dispositivo che opera al livello 3 del modello OSI: legge i pacchetti nel formato utilizzato dal livello di rete (ad esempio, nel caso si utilizzi il protocollo IP, ne legge l'indirizzo IP) e li instrada verso le corrispondenti destinazioni. Un router crea al suo interno una tabella che rappresenta la configurazione della rete di cui fa parte e utilizza questi dati per stabilire il percorso ottimale lungo il quale inviare i vari pacchetti. I router operano a un livello indipendente dalla particolare realizzazione fisica della rete e possono essere utilizzati per trasferire messaggi tra reti di diverso tipo (ad esempio tra una rete Ethernet e una rete dedicata in fibra ottica).

      d - Applicazioni in ambito industriale

Quali protocolli possono essere utilizzati con la rete Ethernet?
Essendo Ethernet una specifica dei primi due livelli del modello OSI, si presta all'impiego con tutti quei protocolli che hanno particolari richieste a partire dal livello di rete. Questo consente una grande libertà di scelta agli sviluppatori anche se dal punto di vista pratico la grande diffusione di IP come protocollo di rete e di TCP e UDP come protocolli di trasporto rende molto conveniente sposare queste scelte. I protocolli di livello superiore possono però essere differenti a seconda del tipo di applicazione e non è garantita l'interoperabilità tra i differenti standard. Le implementazioni di Ethernet in ambito industriale sono in pratica delle trasposizioni dei più tradizionali bus di campo in ambito Ethernet. In particolare le più diffuse sono: Ethernet/IP (ControlNet e DeviceNet su Ethernet), Modbus/TCP (Modbus su Ethernet o Open Modbus) e Profinet (Profibus su Ethernet). L'impiego di software in grado di interfacciare i diversi protocolli al livello di applicazione permette di integrare tra loro componenti di diversi produttori.

Come si affronta il problema della reiezione ai disturbi in ambito industriale?
Le fibre ottiche rappresentano una scelta ideale per quanto concerne la resistenza meccanica e la reiezione ai disturbi elettrici, ma la loro diffusione è ostacolata dai costi della rete nel suo complesso. Per le reti Ethernet cablate in rame, si è visto che l'impiego di un cavo UTP di categoria 5 permette di ottenere prestazioni adeguate nella maggior parte delle situazioni, a patto di far correre i cavi a debita distanza dalle sorgenti note di interferenze. L'impiego di una canalina plastica offre una protezione meccanica agli agenti chimici senza presentare l'inconveniente di degrado del segnale dovuto all'accoppiamento capacitivo con le canaline metalliche. In alcuni casi può rendersi necessario utilizzare cavi schermati opportunamente messi a terra.

Come si affronta il problema della resistenza dei connettori in ambito industriale?
Non esiste un'unica soluzione ma differenti approcci utilizzati da diversi produttori. E' possibile adottare connettori industriali che hanno il vantaggio di offrire adeguata protezione ma fanno perdere i vantaggi derivanti dall'impiego di uno standard aperto; con questa soluzione alcuni componenti integreranno direttamente dei connettori proprietari mentre altre apparecchiature potranno essere connesse, all'interno di opportuni contenitori, utilizzando il tradizionale connettore RJ-45 e un connettore passante verso l'ambiente di fabbrica. Una seconda soluzione, sempre più diffusa consiste nel racchiudere i connettori RJ-45 all'interno di copriconnettori che garantiscano un'adeguata protezione e mantengano la compatibilità con le apparecchiature standard.

E' possibile utilizzare il cablaggio della rete Ethernet per alimentare dei dispositivi?
Sì. Lo standard IEEE 802.3af specifica un metodo per portare l'alimentazione ai dispositivi a partire dagli elementi attivi dell'infrastruttura di rete facendo in modo da preservare la compatibilità con le versioni 'non alimentate' di Ethernet.

Come si affronta il problema del determinismo in ambito industriale?
Il problema del determinismo viene affrontato su più fronti: da un lato si ricorre a reti Ethernet full-duplex commutate ad alta velocità in modo da ridurre la probabilità di collisioni e garantire tempi di risposta estremamente brevi. La creazione di domini di collisione separati e di reti virtuali permette di limitare il traffico sulle diverse porzioni della rete in modo da ridurre al minimo il traffico sulle porzioni che devono offrire prestazioni deterministiche. E' inoltre possibile contrassegnare i messaggi in modo tale da assegnare loro una priorità che permetta di suddividere ulteriormente il traffico di una data porzione di rete in base alla sua criticità per l'applicazione. Nel complesso una rete Ethernet di nuova generazione opportunamente dimensionata permette di risolvere i problemi di determinismo della maggior parte delle applicazioni industriali.

Come si affronta il problema della ridondanza?
Uno dei modi suggeriti dall'IEEE è basato sul concetto di 'Spanning Tree': la rete Ethernet viene realizzata con una struttura ad albero i cui collegamenti ridondanti vengono disattivati durante il funzionamento (anche per evitare la creazione di anelli) fino a quando un guasto non rende necessaria la riattivazione. Un approccio alternativo è rappresentato dallo standard IEEE 802.12d, parte delle specifiche 802.12 (che sposano la tecnologia Ethernet alle reti di tipo Token Ring), che permette di aggiungere collegamenti ridondati alla rete. Esistono poi altre soluzioni proprietarie realizzate da diversi produttori.