Wireshark e segmentazione in rete a circuito

Entità, PCI, SDU e PDU

I sistemi comunicano con protocolli organizzati in strati. Le entità che eseguono un protocollo dialogano fisicamente solo con gli strati adiacenti; logicamente dialogano con le entità dello stesso strato negli altri sistemi, attraverso l'informazione di controllo che le unità informative portano con sé. Al livello fisico le entità sono in genere hardware, perché devono trasmettere sul mezzo; salendo nella pila sono sempre più spesso software.

Lo strato $n$ riceve dallo strato $n+1$ una $n$-SDU e le aggiunge la propria informazione di controllo, la $n$-PCI (intestazione, o header, ed eventuale suffisso, o trailer). Il risultato è la $n$-PDU, l'unità che le entità di strato $n$ si scambiano:

$$n\text{-PDU}=n\text{-PCI}+n\text{-SDU}$$

Se la $n$-SDU supera la lunghezza massima ammessa dallo strato, viene segmentata in più $n$-PDU, e chi riceve la riassembla dalla sequenza di PDU ricevute. Nella pila Internet l'unità si chiama messaggio nello strato di applicazione, poi segmento (livello 4), pacchetto (livello 3) e frame (livello 2).

Osservare gli strati con Wireshark

Wireshark è un analizzatore di rete gratuito: si collega a un'interfaccia del computer (Ethernet, Wi-Fi) e cattura i pacchetti che vi transitano. Il traffico visibile dipende dall'interfaccia scelta: con l'hotspot di un telefono il computer vede l'interfaccia Wi-Fi verso il telefono, non la rete cellulare, che richiederebbe un'interfaccia cellulare sul dispositivo che esegue Wireshark.

La colonna Protocol indica il protocollo dello strato più alto riconosciuto in quella riga: una riga può arrivare fino a TLS 1.2, cioè a una navigazione HTTPS, un'altra fermarsi a UDP o a TCP con i flag PSH, ACK. Aprendo i dettagli si legge la struttura del pacchetto, dal livello fisico verso l'alto, con la PCI di ogni strato. Una cattura salvata permette di riconoscere i server, il servizio in corso e se si tratta di un download o di un upload.

Rete a circuito, intervalli e trame

In una rete a circuito il livello 1 usa la multiplazione a divisione di tempo (TDM): il mezzo è diviso in intervalli temporali (IT), e un circuito assegna a un utente uno o più IT a ogni ripetizione periodica del gruppo. Quel gruppo si chiama trama di livello 1.

Non va confusa con l'unità di livello 2, che in italiano si traduce anch'essa «trama»: per evitare ambiguità l'unità di livello 2 si chiama sempre frame, e «trama» indica solo la ripetizione degli IT.

Esercizio: 3800 bit su una rete a circuito

Due terminali IP sono collegati da una rete a circuito. La pila è applicazione, UDP, IP, livello 2, livello 1. Con $H$ l'intestazione e $L$ il campo informativo (la SDU) di ciascuna unità:

• UDP: $L_{\mathrm{UDP}}=400$ bit al massimo, $H_{\mathrm{UDP}}=20$ bit;
• IP: $L_{\mathrm{IP}}=420$ bit al massimo, $H_{\mathrm{IP}}=40$ bit;
• livello 2: $L_2=250$ bit, fissi, $H_2=10$ bit;
• livello 1: trama di 5 IT, di 10 ms, con un IT dedicato alla segnalazione; un IT contiene per intero un frame.

Si deve trasferire un file di 3800 bit. Si chiede la struttura delle unità a ogni strato, l'extra-informazione complessiva (anche del livello fisico) e il tempo minimo di trasferimento, trascurando il ritardo dei nodi della rete a circuito.

Da UDP a IP

«Al massimo» significa che le unità possono essere più corte, mai più lunghe:

$$\begin{gathered} N_{\mathrm{UDP}}=\left\lceil\frac{3800}{400}\right\rceil=10\\[0.6em] 3800=9\cdot400+200 \end{gathered}$$

Nove segmenti portano 400 bit, il decimo 200. Con $H_{\mathrm{UDP}}=20$ le lunghezze sono 420 bit (nove segmenti) e 220 bit. Ogni segmento è la SDU di IP, che ne ammette al massimo 420: un pacchetto per segmento, dieci in tutto. Con $H_{\mathrm{IP}}=40$ sono nove pacchetti da 460 bit e uno da 260.

Segmentazione di IP verso il livello 2

Un pacchetto da 460 bit non entra nei 250 bit del livello 2. IP lo divide, ma ogni frammento deve restare un pacchetto autonomo, quindi ripete l'intera intestazione IP: si divide solo il campo informativo. Il livello 2 non vede cosa contiene la sua SDU; la replica dell'intestazione è opera di IP.

In ogni frame restano per i dati

$$L_2-H_{\mathrm{IP}}=250-40=210\ \text{bit}$$

Un pacchetto con 420 bit di dati dà due frame da 210; l'ultimo, con 220 bit, dà 210 e 10. I frame sono $9\cdot2+2=20$.

Il campo di $L_2$ è fisso: l'ultimo frame contiene 40 bit di intestazione IP e 10 di dati, e va completato con

$$250-(40+10)=200\ \text{bit di padding}$$

Con una lunghezza massima la suddivisione sarebbe la stessa, ma l'ultimo frame resterebbe più corto, senza padding. Ogni frame misura $250+10=260$ bit.

Livello 1

Un IT contiene un frame di 260 bit. Dei 5 IT di una trama uno trasporta la segnalazione, quindi ne restano 4 per i frame: per 20 frame servono $20/4=5$ trame, cioè

$$T_{\min}=5\cdot10\ \text{ms}=50\ \text{ms}$$

Il valore vale se i nodi non introducono ritardo e se ci sono cinque trame consecutive libere.

Extra-informazione

L'extra-informazione sono tutti i bit oltre ai 3800 utili: intestazioni, intestazioni IP ripetute, padding e IT di segnalazione. Si attribuisce ogni voce allo strato che la aggiunge.

$$\begin{aligned} EX_{\mathrm{UDP}}&=10\cdot20=200\\ EX_{\mathrm{IP}}&=20\cdot40=800\\ EX_2&=20\cdot10+200=400\\ EX_1&=5\cdot260=1300 \end{aligned}$$

In $EX_{\mathrm{IP}}$ c'è un'intestazione IP per ciascuno dei 20 frammenti: 10 originali e 10 ripetute dalla segmentazione. In $EX_2$ ci sono le 20 intestazioni di livello 2 e il padding, in $EX_1$ i 5 IT di segnalazione. Il totale è

$$EX_{\mathrm{TOT}}=200+800+400+1300=2700\ \text{bit}$$

Controllo: si trasmettono $25\cdot260=6500$ bit, cioè $3800+2700$. L'extra-informazione si può misurare sul totale trasmesso oppure sui soli dati utili:

$$\begin{gathered} \frac{2700}{3800+2700}=\frac{2700}{6500}\approx41{,}5\%\\[0.6em] \frac{2700}{3800}\approx71\% \end{gathered}$$

Tempo minimo al variare del file

file sceltofile (bit)ms

• tempo minimo

file

3800