Ethernet

Ethernet è uno degli standard più diffusi per le reti locali (LAN) e rappresenta la tecnologia principale per la connessione di dispositivi in un’infrastruttura di rete cablata. È stato sviluppato per garantire un metodo affidabile, veloce e scalabile per la trasmissione dei dati tra computer e altri dispositivi.

Origini e sviluppo

Ethernet è nato nei laboratori della Xerox nei primi anni ’70 grazie al lavoro di Robert Metcalfe e David Boggs. L’idea originale si ispirava al sistema ALOHAnet, sviluppato all’Università delle Hawaii, che utilizzava le onde radio per la comunicazione tra computer. Metcalfe e il suo team adattarono questo concetto per le reti cablate, creando una tecnologia basata su cavi coassiali per collegare più dispositivi tra loro.

Nel 1980, Ethernet fu standardizzato grazie alla collaborazione tra Digital Equipment Corporation (DEC), Intel e Xerox, dando origine allo standard “DIX Ethernet”. Successivamente, nel 1983, l’IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) definì il primo standard ufficiale, denominato IEEE 802.3, che ha continuato ad evolversi fino a oggi.

RJ-45

L’RJ45 (Registered Jack 45) è il connettore standard utilizzato per le reti Ethernet cablate. È un connettore a 8 pin (8P8C – 8 Position, 8 Contact) che si utilizza per collegare cavi di rete ai dispositivi, come PC, switch e router.

Un protocollo di rete è un insieme di regole e convenzioni che definiscono il modo in cui i dispositivi comunicano tra loro all’interno di una rete. Proprio come una lingua permette alle persone di comprendersi, un protocollo stabilisce un formato comune per la trasmissione e la ricezione dei dati. Ogni protocollo specifica dettagli come il formato dei messaggi, le modalità di indirizzamento, i metodi per rilevare e correggere gli errori e le regole di sincronizzazione tra i dispositivi. Ad esempio, il protocollo TCP/IP è il fondamento di Internet e regola la comunicazione tra computer in tutto il mondo, mentre Ethernet definisce le modalità di trasmissione dei dati nelle reti locali (LAN). Senza protocolli, la comunicazione tra dispositivi di produttori diversi sarebbe impossibile, e le reti moderne non potrebbero funzionare in modo affidabile ed efficiente.

Velocità 

La velocità di trasmissione in una rete di calcolatori indica la quantità di dati che possono essere trasferiti in un determinato intervallo di tempo. Si misura in bit per secondo (bps, bit per second) e rappresenta la capacità del canale di comunicazione. Le unità di misurà più comuni sono:

• Kbps (Kilobit per secondo) → 1.000 bps
• Mbps (Megabit per secondo) → 1.000.000 bps
• Gbps (Gigabit per secondo) → 1.000.000.000 bps
• Tbps (Terabit per secondo) → 1.000.000.000.000 bps

Mezzi trasmissivi

In qualsiasi sistema informatico o di telecomunicazione, i dispositivi devono poter scambiarsi dati affinché ogni componente possa svolgere correttamente il proprio compito. Questo scambio di informazioni avviene attraverso specifici mezzi trasmissivi, che permettono la propagazione del segnale da un dispositivo all’altro.

I mezzi trasmissivi possono essere suddivisi in tre categorie principali:

• Di natura elettrica: il segnale viaggia attraverso cavi metallici, come il doppino telefonico o il cavo coassiale, sfruttando la conduzione elettrica.
• Di natura ottica: i dati vengono trasmessi sotto forma di impulsi luminosi attraverso fibre ottiche, garantendo elevata velocità e minori interferenze.
• Di tipo elettromagnetico: il segnale si propaga nell’aria sotto forma di onde radio, microonde o segnali satellitari, permettendo la comunicazione senza l’uso di cavi fisici.

La scelta del mezzo trasmissivo dipende da vari fattori, tra cui la distanza di trasmissione, la velocità richiesta e le condizioni ambientali.

Cavi

In ogni tipo di sistema, i dispositivi devono necessariamente scambiarsi dati affinché ciascun componente possa svolgere il proprio compito in modo efficace. Questa capacità di comunicazione rappresenta il fondamento per il funzionamento coordinato e sinergico dell’intero sistema. Senza un flusso informativo continuo e ben strutturato, i vari elementi non sarebbero in grado di collaborare, compromettendo l’operatività complessiva.

Per realizzare questo scambio di informazioni, esistono diversi mezzi trasmissivi, ognuno dei quali presenta caratteristiche e applicazioni specifiche. Un approccio comune si basa sull’impiego di segnali elettrici trasmessi attraverso cavi, fili o circuiti. Questo metodo, largamente utilizzato in reti cablate, circuiti elettronici e sistemi di controllo industriale, offre un alto grado di affidabilità in ambienti controllati e comporta costi generalmente contenuti. Tuttavia, l’utilizzo di segnali elettrici è soggetto a limitazioni in termini di distanza e può essere influenzato da interferenze elettromagnetiche, che ne riducono l’efficacia in alcune situazioni.

Un’alternativa rappresentata dai mezzi ottici sfrutta la luce per trasmettere dati, utilizzando dispositivi come laser o LED e supporti quali la fibra ottica. Questo tipo di trasmissione è particolarmente indicato per connessioni ad alta velocità e per le telecomunicazioni, permettendo trasferimenti di dati su lunghe distanze con elevata capacità di banda e con una notevole resistenza alle interferenze elettromagnetiche. Nonostante ciò, l’adozione di tecnologie ottiche comporta spesso costi di installazione maggiori e la necessità di infrastrutture specifiche, come la posa della fibra.

Un ulteriore metodo di trasmissione si basa sull’utilizzo di onde elettromagnetiche, come quelle radio o microonde, ed è ampiamente adottato in sistemi wireless, comunicazioni satellitari, Wi-Fi, Bluetooth e reti cellulari. Questo approccio consente una maggiore mobilità e flessibilità, risultando ideale in contesti dove l’uso di cavi non è pratico o addirittura impossibile. Tuttavia, l’impiego di onde elettromagnetiche comporta anche alcuni svantaggi, quali la possibilità di interferenze, limiti nella banda passante e considerazioni legate alla sicurezza e alla privacy.

Tipi di materiale

Nel mondo dell’elettronica e dell’elettrotecnica, i materiali giocano un ruolo fondamentale nella trasmissione e nel controllo dell’energia elettrica. A seconda delle loro proprietà fisiche e della loro capacità di condurre la corrente elettrica, i materiali si suddividono in tre grandi categorie: conduttori, semiconduttori e isolanti.

Materiali Conduttori

I materiali conduttori sono caratterizzati da una bassa resistenza elettrica e dalla capacità di permettere il passaggio della corrente con estrema facilità. Questo avviene grazie alla presenza di elettroni liberi, che si muovono facilmente all’interno della struttura atomica del materiale quando viene applicata una differenza di potenziale.

I metalli sono i migliori conduttori, e tra essi i più utilizzati sono:

• Rame: ampiamente impiegato in cavi elettrici e circuiti stampati per la sua eccellente conducibilità e duttilità.
• Alluminio: meno conduttivo del rame, ma più leggero, viene usato in cavi di alta tensione e in applicazioni aerospaziali.
• Oro e argento: sebbene abbiano una conducibilità superiore al rame, il loro costo elevato ne limita l’uso a componenti elettronici specializzati.

I conduttori sono essenziali in tutte le applicazioni che richiedono un passaggio efficiente di corrente, dalle reti elettriche ai dispositivi elettronici.

Materiali Semiconduttori

I semiconduttori hanno una conducibilità intermedia tra conduttori e isolanti e la loro capacità di trasportare corrente può essere modificata da fattori esterni, come temperatura, campi elettrici o drogaggio con impurità.

Il materiale semiconduttore più utilizzato è il silicio, seguito dal germanio e dall’arseniuro di gallio. I semiconduttori trovano applicazione principalmente nella realizzazione di componenti elettronici come transistor, diodi e circuiti integrati.

Il comportamento dei semiconduttori può essere controllato attraverso il drogaggio, un processo che consiste nell’aggiunta di piccole quantità di elementi chimici per aumentarne la conducibilità. Questo ha portato allo sviluppo di dispositivi come il transistor e il microprocessore, che sono alla base della moderna tecnologia informatica.

Materiali Isolanti

I materiali isolanti sono caratterizzati da una resistenza elettrica molto elevata, che impedisce il passaggio della corrente elettrica. Sono essenziali per garantire sicurezza negli impianti elettrici e nei circuiti elettronici, evitando cortocircuiti e dispersioni di energia.

Alcuni esempi di materiali isolanti sono:

• Plastica: usata per rivestire i cavi elettrici e come supporto nei circuiti elettronici.
• Vetro e ceramica: impiegati in applicazioni ad alta tensione, come gli isolatori delle linee elettriche.
• Gomma e resine sintetiche: utilizzate in guaine protettive e componenti isolanti.

Gli isolanti sono cruciali per il corretto funzionamento dei dispositivi elettrici e per la sicurezza degli impianti, proteggendo dall’elettrocuzione e limitando le perdite di corrente.

Doppini (Twisted Pair)

Nel campo delle telecomunicazioni e delle reti informatiche, il cavo a doppino rappresenta una delle soluzioni più diffuse per la trasmissione dei dati. Questo tipo di cavo è costituito da due fili di rame intrecciati tra loro, una configurazione che riduce le interferenze elettromagnetiche esterne e migliora la qualità della trasmissione. A seconda del livello di schermatura e della protezione contro le interferenze, i doppini si dividono in diverse categorie: UTP, FTP e STP.

Doppino UTP (Unshielded Twisted Pair)

L’UTP è il tipo di doppino più comune e utilizzato nelle reti locali (LAN). La sua caratteristica principale è l’assenza di schermatura, il che lo rende economico e flessibile, ma anche più vulnerabile alle interferenze elettromagnetiche e al crosstalk (diafonia) rispetto ad altre varianti. È ampiamente usato nei cablaggi Ethernet, in particolare nelle categorie Cat5e, Cat6 e Cat6a, che supportano velocità fino a 10 Gbps a seconda della lunghezza e della qualità del cavo.

Doppino FTP (Foiled Twisted Pair)

Il doppino FTP è una variante dell’UTP con uno schermo in alluminio che avvolge tutti i coppie di fili all’interno del cavo. Questo strato aggiuntivo riduce le interferenze esterne, garantendo una maggiore stabilità nella trasmissione del segnale. Viene utilizzato in ambienti con una maggiore esposizione a disturbi elettromagnetici, come uffici con molte apparecchiature elettroniche o impianti industriali.

Doppino STP (Shielded Twisted Pair)

A differenza dell’UTP e dell’FTP, il doppino STP è dotato di una schermatura individuale per ogni coppia di fili, oltre a una schermatura complessiva del cavo. Questo tipo di protezione lo rende particolarmente resistente alle interferenze elettromagnetiche e alla diafonia, migliorando la qualità della trasmissione. Tuttavia, i cavi STP richiedono una messa a terra adeguata e sono più costosi e rigidi rispetto agli UTP e FTP, motivo per cui il loro utilizzo è più limitato a contesti specifici come reti aziendali ad alte prestazioni.

Tipi di cablatura

Nelle reti di calcolatori, i cavi twisted pair possono essere cablati in due modi differenti: cavi dritti (straight-through) e cavi incrociati (crossover). La differenza principale tra questi due tipi di cavi risiede nel modo in cui i fili interni sono collegati ai connettori RJ45.

Cavi diritti (Straight-Through)

Il cavo dritto è il tipo più comune ed è utilizzato per collegare dispositivi di tipo diverso tra loro. In questo tipo di cablaggio, i pin all’interno del connettore RJ45 seguono lo stesso ordine su entrambe le estremità del cavo, solitamente secondo lo standard T568B.

Utilizzo del cavo dritto:

• PC → Switch
• PC → Router
• Switch → Router

Cavi incrociati (Cross-Over)

Il cavo incrociato si utilizza per collegare dispositivi dello stesso tipo direttamente tra loro, senza la necessità di uno switch o di un router. In questo tipo di cablaggio, alcuni fili vengono scambiati tra le due estremità, in particolare le coppie di trasmissione e ricezione (i pin 1-3 e 2-6). Questo permette la comunicazione diretta tra i dispositivi.

Utilizzo del cavo incrociato:

• PC → PC
• Switch → Switch (se non supportano auto-MDIX)
• Router → Router

Fibra Ottica

La fibra ottica è un mezzo di trasmissione dati ad alta velocità che utilizza impulsi di luce invece di segnali elettrici. È costituita da un sottile filo di vetro o plastica che permette la propagazione della luce, offrendo prestazioni superiori rispetto ai tradizionali cavi in rame in termini di velocità, larghezza di banda e distanza di trasmissione.

Struttura della fibra ottica

Un cavo in fibra ottica è composto da tre elementi principali:

• Nucleo: la parte centrale, molto sottile, in cui si propaga la luce.
• Rivestimento (Cladding): uno strato che circonda il nucleo e garantisce il fenomeno della riflessione interna totale, impedendo la dispersione della luce.
• Guaina protettiva: protegge il cavo da umidità, urti e altre sollecitazioni fisiche.

Tipologie di fibra ottica

Esistono due principali categorie di fibra ottica:

1. Fibra monomodale (SMF – Single Mode Fiber)
   • Utilizza un solo raggio di luce per la trasmissione.
   • Supporta velocità molto elevate e lunghe distanze (fino a centinaia di km).
   • Utilizzata nelle dorsali di rete e nelle connessioni a lunga distanza.
2. Fibra multimodale (MMF – Multi Mode Fiber)
   • Permette la trasmissione di più raggi di luce contemporaneamente.
   • Distanza limitata (fino a poche centinaia di metri).
   • Utilizzata in reti locali (LAN) e data center.