Cosa significa Ethernet? Cos’è lo standard IEE 802.3? Come funziona questa rete accoppiata alla fibra ottica?
Benvenuto nella mia scuola d’automazione industriale, oggi parliamo della rete probabilmente più conosciuta e utilizzata praticamente in qualsiasi ambito dove esista un computer e non solo: la rete Ethernet.
Ecco gli argomenti di oggi:
Cos’è Ethernet.
Il cavo ethernet a coppie incrociate e le diverse velocità per categorie.
I cavi ethernet in fibra ottica e diversi tipi di connettore.
Accoppiamento tra ethernet con cavi twisted e fibra ottica: i media converter.
Le apparecchiature Ethernet: schede di rete NIC.
Switch, Router, Gateway e Bridge Ethernet.
Il layer Data Link ethernet.
Cos’è Ethernet.
Lo standard Ethernet nasce nei primi anni 80 per definire il tipo di collegamento tra computers in ambito civile, industriale e militare.
L’ambiente di connessione in cui Ethernet si applica è chiamato LAN (local area network), ed è stato concepito per mettere in comunicazione apparecchiature vicine e distanti, e poter memorizzare dati, così come scambiarli tra le diverse unità.
Inizialmente le reti ethernet erano connesse utilizzando un cavo coassiale, successivamente si è passati ai cavi con coppie twist, e poi la fibra ottica; nella prossima immagini vediamo questi tre tipi di cavi.
L’Ethernet è diventato uno standard nel 1993 attraverso la pubblicazione della IEE 803.2, in questo standard sono definiti il layer fisico, e quello MAC (media access control), come porzione “Data Link” dello strato Ethernet cablato.
Questi due strati (layers), sono i primi due livelli dello modello OSI (open system interconnection); questo modello di comunicazione lo troviamo nella prossima figura.
Il layer fisico è composto dai cavi e dalle apparecchiature di rete, come abbiamo visto questi cavi ethernet sono di diverso tipo; nei prossimi paragrafi li conosceremo meglio.
Il cavo ethernet a coppie incrociate e le diverse velocità per categorie.
Questo tipo di cavo è il più comune ed è anche quello che vediamo da molti anni in tutti gli uffici e nelle nostre case per connettere soprattutto computers e stampanti.
A seconda della costruzione del cavo a coppie incrociate distinguiamo diverse categorie come CAT5, CAT6, ,CAT7 e CAT8; la categoria indica la velocità massima che il cavo può supportare sulla rete ethernet.
Come vediamo nella prossima immagine, mentre un cavo twisted pair di categoria 5 può lavorare al massimo a 100 Mbps, con il cavo di categoria CAT 8 si arriva a velocità di ben 40 Gbps; davvero un bel salto!
Notiamo che i connettori utilizzati per questi tipi di cavi sono sempre RJ45, il classico a 8 pin che tutti conosciamo, presente sui cavi di rete che oggi si possono comprare ovunque.
I cavi ethernet in fibra ottica e diversi tipi di connettore.
I cavi in fibra ottica utilizzano conduttori in vetro o in materiale plastico per trasmettere segnali luminosi ad alte velocità. La fibra ottica si sta diffondendo sempre maggiormente e anche questa è arrivata nelle nostre case, o per lo meno molto vicino nelle cabine dei gestori telefonici.
Nella prossima immagine vediamo com’è fatto un cavo in fibra ottica, notiamo diversi strati di rivestimento esterni e interni, e al centro il “core”, ovvero la sottile fibra di vetro che lascia passare la luce.
Naturalmente al di la del tipo di cavo utilizzato per cablare una rete Ethernet, possiamo avere diversi tipi di connettori, per soddisfare le esigenze di robustezza e sicurezza necessarie nelle diverse applicazioni industriali e civili.
Nella prossima immagine vediamo alcuni modelli di connettori ethernet, sia per cavo classico con conduttori di rame che per la fibra; possiamo notare che le opzioni sono davvero tante.
Accoppiamento tra ethernet con cavi twisted e fibra ottica: i media converter.
Quando è necessario accoppiare reti cablate ethernet con diverse tipologie di cavo, si utilizzano dei media converter, apparecchiature in grado di unire UTP e fibra, per esempio per percorrere lunghi tratti di dati tra sedi diverse della stessa azienda, o più comunemente come avviene ormai sulla rete Internet da tempo.
L’utilizzo della connessione in fibra ottica permette di avere distanze e velocità molto maggiori rispetto a ciò che si otterrebbe cablando semplicemente dei cavi classici con gli otto conduttori in rame.
Nella prossima figura vediamo una rete con convertitori UTP / fibra ottica.
Come vediamo nella figura sopra, abbiamo un computer e un file server, collegati entrambi ai convertitori, per mezzo dei cavi ethernet. I convertitori trasmettono con la fibra raggiungendo gli altri convertitori che sono accoppiati agli switch ethernet. Dagli switch ethernet partiranno tutti i cavi ethernet per le varie apparecchiature remote.
Le apparecchiature Ethernet: schede di rete NIC.
Le apparecchiature ethernet sono tutti quegli apparecchi che possiedono una scheda di rete a bordo o a essi collegata attraverso per esempio un cavo USB.
La classica scheda di rete ethernet PCI è stata per lungo tempo l’unico modo di poter collegare un computer su questa tipologia di rete, la vediamo nella prossima immagine, insieme ad altre apparecchiature.
Come si osserva nella figura sopra, il computer ha una scheda ethernet (oggi sono integrate nella scheda madre dei pc); dalla scheda parte il cavo che è connesso allo switch.
Sullo stesso switch abbiamo una stampante con porta ethernet, e dato che su questo sito ci occupiamo di automazione industriale, vediamo che sulla stessa rete ethernet possiamo anche avere apparecchiature come un PLC o un inverter.
Naturalmente a seconda del tipo di apparecchio i connettori potrebbero essere diversi.
Switch, Router, Gateway e Bridge Ethernet.
Sulle reti Ethernet si possono installare apparecchiature di vario tipo che svolgono diversi compiti. Lo switch è semplicemente un apparecchio che permette di collegare diversi oggetti sulla rete, mentre il router funziona in modo più intelligente e permette anche di programmare al suo interno delle regole di routing, ovvero di instradamento dei messaggi di rete su diversi segmenti, accoppiandoli.
I Bridges permettono di collegare due segmenti di rete della stessa tipologia in modo che vengano “visti” come se fossero un unico segmento, a differenza dei Gateways che invece sono impiegati per collegare reti di diversa natura.
Per esempio con un Gateway possiamo accoppiare una rete d’automazione PROFINET con una di tipo EtherNet/IP, come vediamo nella prossima immagine.
Il layer Data Link ethernet.
Questo strato è costituito dal LLC (Logical Link Control) e dal Media Access Control (MAC) ADDRESS; a chi lavora con i computers capita spesso di sentir parlare di MAC address, o indirizzo di rete.
Il MAC address identifica univocamente ogni apparecchiatura al mondo in grado di essere interfacciata con la rete ethernet, in pratica ogni NIC (network interface card), più comunemente chiamata “scheda di rete” possiede un MAC diverso da tutti gli altri.