Reti di calcolatori

9-12/6/08Informatica applicata B

Cristina Bosco

Avvento delle reti

Inizialmente esistevano:• PC single user, isolati• workstation e mainframe server

connessi in rete locale

Reti di calcolatori

• Una rete e’ costituita da 2 o piu’ calcolatori collegati

• Il collegamento e’ un mezzo fisico• Oltre al collegamento occorre un

dispositivo di connessione ed un programma driver del dispositivo

Reti di calcolatori

Una rete consente:• la condivisione di periferiche

rendendone piu’ semplice la manutenzione

• la tolleranza ai guasti (intercambiabilita’ di dispositivi)

• l’esecuzione di applicazioni distribuite e parallele

…

Reti di calcolatori

…• l’accesso ad informazioni remote• la comunicazione con altre persone

anche lontane• la partecipazione ad attivita’ collettive

(giochi) e collaborative (wikipedia)

Reti di calcolatori

Una rete richiede:• un mezzo fisico per la propagazione dei

dati tra i calcolatori (componenti hw)• dei dispositivi di input/output che

consentano ai calcolatori di inviare e ricevere i dati sulla rete (componenti hw)

• dei protocolli per disciplinare le comunicazioni (componenti sw)

Caratteristiche fisiche delle reti

• Componenti hardware di rete• Tipi di reti (dimensioni)• Topologie di rete (forme)

Componenti hardware di rete

• mezzi fisici di trasmissione:connessioni e cavi (doppino telefonico,

cavo coassiale, fibra ottica, onde elettromagnetiche radio o raggi infrarossi)

• dispositivi di input/output:schede di rete e modem

Connessioni e cavi

• Possono essere guidati (linee fisiche per segnali elettrici o ottici) o non guidati (spazio per irradiazione di segnali elettromagnetici)

• Sono caratterizzati da larghezze di banda e velocità di trasmissione differenti, dispersione, interferenze

Connessioni e cavi

mezzo velocità banda distanza

Doppino

telefonico

1-200

Mb/s

3 MHz 100 m < 5 km

Cavo coassiale

500

Mb/s

350 MHz 1-5 km

Fibra ottica

10

Gb/s

2 GHz 10-1000 km

Caratteristiche fisiche delle reti

• Componenti hardware di rete• Tipi di reti (dimensioni) • Topologie di rete (forme)

Tipi di reti

Le reti si possono classificare in base alla loro dimensione, ovvero numero di nodi e distanza tra i nodi collegati:

• LAN (local area network)• MAN (metropolitan area network)• WAN (wide area network)• Internet (rete delle reti)

LAN

Le reti LAN o reti locali

• Si estendono all’interno di un signolo edificio o in più edifici contigui

• Permettono la condivisione di elaboratori, risorse e dati di una azienda

MAN

Le reti MAN o reti metropolitane

• Si estendono all’interno di una città • Permettono il collegamento tra gli

utenti ed i servizi di una città • Es. rete che collega le filiali cittadine

di una banca

WAN

Le reti WAN o reti geografiche

• Si estendono a livello mondiale• Servono per la comunicazione tra

centri informatici collocati in città, nazioni o continenti diversi

• Es. la rete GARR che collega le universita’ italiane

Caratteristiche fisiche delle reti

• Componenti hardware di rete• Tipi di reti (dimensioni) • Topologie di rete (forme)

Topologie di rete

Elementi che condizionano le scelta di una topologia di rete:

• Costo• Velocità ed efficienza di comunicazione• Tolleranza rispetto ai guasti• Facilità di manutenzione

Topologie di rete

Elementi che condizionano le scelta di una topologia di rete:

• Costo• Velocità ed efficienza di comunicazione• Tolleranza rispetto ai guasti• Facilità di manutenzione

Costo di una rete

Il costo dipende dal numero e dalla lunghezza delle connessioni

Pertanto una rete con poche connessioni e non troppo lunghe risulta meno costosa di una con molte connessioni lunghe

Velocità di comunicazione in una rete

La velocità della comunicazione dipende da• Comunicazione più possibile diretta tra i

nodi (ogni nodo intermedio causa ritardo)• Assenza di colli di bottiglia (zone di traffico

intenso provocano rallentamenti)• Irrilevante invece la lunghezza degli archi

da percorrere

Tolleranza rispetto ai guasti

La tolleranza ai guasti dipende da• Capacità della rete di comunicare in

presenza di nodi o archi malfunzionanti

• Ridondanza di percorsi per ogni nodo > quindi comunicazione non solo diretta tra nodi

Facilità di manutenzione

La facilità di manutenzione dipende da

• Possibilità di riparare guasti senza ristrutturare l’intera rete

• Possibilità di riparare guasti senza provocare interruzioni prolungate > quindi comunicazione non solo diretta tra nodi

Topologie di rete

Topologie con collegamento• Punto-punto• Multi-punto:

– Rete gerarchica– Rete lineare– Rete ad anello– Rete a stella

Collegamento punto-punto

Esiste un collegamento per ogni coppia di nodi della rete

Collegamento punto-punto

• Costo: elevato, per n nodi occorrono n*(n-1)/2 archi, da ogni nodo escono n-1 archi (es. con 5 nodi avremo 10 archi)

• Velocità di comunicazione: elevata, tutte connessioni dirette

• Tolleranza ai guasti: massima, esistono molti cammini alternativi per collegare qualunque coppia di nodi

Collegamento punto-punto

MA nessuna rete esistente applica questa topologia

• Difficile da realizzare: non sempre è possibile connettere direttamente 2 nodi

• Troppo costosa

Collegamento multi-punto

Solo alcuni nodi sono collegati direttamente, gli altri comunicano tramite nodi intermedi

Tutte le reti esistenti applicano questa tipologia in una delle sue forme

Rete gerarchicaEsiste una gerarchia tra i nodi: un nodo

principale e varie sottoreti

Rete gerarchica• Costo: basso, per n nodi occorrono n-1

archi (es. con 5 nodi avremo 4 archi)• Velocità di comunicazione: bassa, in

media un messaggio attraversa logmn (con m = numero di figli di ogni nodo)

• Tolleranza ai guasti: bassa• Sono adeguate in casi in cui le

comunicazioni più frequenti comunicazioni sono quelle locali

Rete lineareUn unico cavo lineare (dorsale) è

collegato a tutti i nodi

Rete lineare• Costo: limitato, per n nodi occorrono n

archi (es. con 5 nodi avremo 5 archi) più la dorsale; riducibile con la struttura circolare

• Velocità di comunicazione: elevata, ogni messaggio attraversa un solo arco (dorsale); ma se il traffico è intenso la dorsale diventa collo di bottiglia > canali multi-plexing per la trasmissione parallela

Rete lineare• Tolleranza ai guasti: alta, il guasto di

un nodo non si ripercuote che sul nodo stesso; ma se il guasto è sulla dorsale o sulle connessioni con la dorsale la rete si spezza in 2 sottoreti isolate > protezione fisica della dorsale

• Di facile manutenzione

Rete ad anelloI nodi sono collegati direttamente tra

loro tramite una rete circolare (non una dorsale)

Rete ad anello

• Costo: limitato, simile alle lineari• Velocità di comunicazione: bassa,

inferiore alle lineari con dorsale multi-plexing per l’attraversamento dei nodi intermedi; con comunicazione in una sola direzione si attraversano in media metà degli archi e nodi

Rete ad anello• Tolleranza ai guasti: molto più bassa

delle lineari, il guasto di un nodo provoca il blocco di tutta la rete; migliora se i messaggi viaggiano nella 2 direzioni e soprattutto se si hanno anelli multipli

Rete a stellaUn nodo centrale è collegato a tutti gli

altri

Rete a stella• Costo: basso, per n nodi occorrono n-1

archi e per far comunicare qualunque coppia di nodi occorre passare dal solo nodo centrale

• Velocità di comunicazione: bassa, ma il nodo centrale diventa il collo di bottiglia nel caso di traffico > elaboratore potente

• Tolleranza ai guasti: alta, ma se il guasto è sul nodo centrale si blocca tutta la rete

Topologie di reteIn conclusione, per ottenere un

compromesso tra costo, velocità di trasmissione e tolleranza ai guasti, nei casi reali si integrano varie tipologie.

La più diffusa tipologia mista per le reti locali può includere reti a stella integrate tramite segmenti lineari (dorsali veloci).

Caratteristiche della comunicazione in rete

• Protocolli di comunicazione in rete• Strategie di comunicazione in rete

Protocolli di comunicazione

• Lo scopo di una rete è consentire la comunicazione tra gli elaboratori che essa connette (i suoi nodi)

• Ogni nodo deve poter scambiare messaggi con gli altri nodi della stessa rete

• Ogni messaggio deve includere mittente, destinatario e contenuto

Protocolli di comunicazione

Es. protocollo di una chiamata telefonica:• il chiamante conosce il numero del

destinatario• il destinatario e’ in grado di identificare il

chiamante• chiamante e destinatario usano la stessa

lingua• chiamante e destinatario parlano a turno

Protocolli di comunicazione

I protocolli definiscono le regole che riguardano tutti gli aspetti della comunicazione:

• Operazioni da eseguire• Significato e struttura dei messaggi

scambiati tra mittente e destinatario…

Protocolli di comunicazione

… • Percorso che i messaggi devono

seguire nella rete• Come rilevare e gestire eventuali

errori di comunicazione • Strategie di comunicazione (vedi

dopo)

Protocolli di comunicazione

• Esistono modelli che definiscono i protocolli

• Le caratteristiche di protocolli sono organizzate gerarchicamente (come il software) in modo da definire una rete virtuale con caratteristiche comuni ad altre reti diverse a livello hardware

Protocolli di comunicazione

In pratica, la comunicazione tra un nodo A della rete R1 e un nodo B della rete R2 non avviene mai tra l’hardware di R1 e l’hardware di R2,

Ma avviene tra i corrispondenti livelli software delle 2 reti e

RISPETTANDO IL PROTOCOLLO

Caratteristiche della comunicazione in rete

• Protocolli di comunicazione in rete• Strategie di comunicazione in rete

Strategie di comunicazione

Modi di trasmettere i dati:• Trasmissione analogica e digitale,

seriale e parallela, su linee dedicate e commutate

Problemi da risolvere: • Verifica della ricezione, indirizzamento

dei nodi, istradamento dei messaggi, accesso al canale di comunicazione

Strategie di comunicazione

Modi di trasmettere i dati:

• Analogica o digitale: come è fatto il contenuto del messaggio?

• Seriale o parallela: quanti bit alla volta vengono comunicati?

• Su linee dedicate o commutate: come è gestita la linea di comunicazione?

Trasmissione analogica e digitale

Le informazioni nell’elaboratore sono SEMPRE codificate in forma digitale (discreta), ma non sempre sono disponibili supporti di comunicazione digitali

Es: parti di rete usano la linea telefonica su cui viaggiano dati in forma analogica (continua, onde elettromagnetiche con uno spettro continuo di frequenze)

Trasmissione analogica e digitale

Il MODEM (MOdulatore/DEModulatore) è il dispositivo che converte analogico in digitale e viceversa, in modo che

• L’elaboratore che invia il messaggio M trasformi M da digitale ad analogico

• L’elaboratore che riceve M trasformi M da analogico a digitale

Strategie di comunicazione

Modi di trasmettere i dati:

• Analogica o digitale: come è fatto il contenuto del messaggio?

• Seriale o parallela: quanti bit alla volta vengono comunicati?

• Su linee dedicate o commutate: come è gestita la linea di comunicazione?

Trasmissione seriale e parallela

• Seriale: i bit che compongono il messaggio vengono trasmessi in sequenza sul canale

• Parallela: vari bit che compongono il segnale vengono trasmessi contemporaneamente sul canale (che consente multi-plexing)

Trasmissione seriale e parallela

• Seriale: piu’ lenta ma meno costosa, utilizzata normalmente nelle reti locali e non

• Parallela: piu’ veloce ma piu’ costosa, utilizzata pertanto per collegamenti brevi punto a punto (es. computer - stampante)

Strategie di comunicazione

Modi di trasmettere i dati:

• Analogica o digitale: come è fatto il contenuto del messaggio?

• Seriale o parallela: quanti bit alla volta vengono comunicati?

• Su linee dedicate o commutate: come è gestita la linea di comunicazione?

Trasmissione su linee dedicate o commutate

Dati 2 qualunque nodi A e B che devono comunicare:

• Linea dedicata: esiste un canale sempre disponibile riservato per A e B

• Commutata: il canale di comunicazione e’ condiviso con altri nodi e viene riservato ad A e B quando essi lo richiedono

Trasmissione su linee dedicate o commutate

• La linea dedicata consente una comunicazione molto efficiente, ma costosa (deve esistere una connessione fisica tra A e B) > applicata solo per coppie di nodi che comunicano molto e sovente

• La linea commutata comporta una comunicazione meno efficiente (le linee possono essere occupate) > migliorabile con tecniche di multi-plexing fisico o software

Trasmissione su linee commutate

Es. il telefono:• ogni telefono e’ collegato ad una

centrale a sua volta collegata ad altre centrali

• ad ogni telefonata si instaura un circuito tra nodo chiamante e nodo chiamato, passando per varie centrali

• il circuito rimane in vita tutto e solo il tempo della comunicazione

Commutazione di circuito o di pacchetto

Nella commutazione di una linea si possono applicare 2 strategie:

• Commutazione di circuito: si crea una connessione tra i 2 nodi che resta disponibile fino a quando uno dei nodi non chiude la comunicazione

…

Commutazione di circuito o di pacchetto

…• Commutazione di pacchetto: il

messaggio viene suddiviso in segmenti spediti al destinatario separatamente ed in base alla disponibilità di connessione

Commutazione di circuito o di pacchetto

• La commutazione di circuito ha pregi e difetti della linea dedicata: la linea è riservata e resta occupata fino al termine della comunicazione

• La commutazione di pacchetto utilizza le linee in base alla quantità di informazione da spedire

Commutazione di pacchetto

Es. la posta:• i messaggi vengono suddivisi in

pacchetti di dimensione fissata• ogni pacchetto contiene l’indirizzo del

mittente e del destinatario e viene spedito separatamente

• ogni pacchetto puo’ seguire un percorso diverso

• il destinatario riassembla i pacchetti

Commutazione di pacchetto

• l’ordine dei pacchetti puo’ non essere rispettato

• il destinatario deve attendere tutti i pacchetti prima di riassemblare il messaggio

• ogni pacchetto occupa il mezzo di trasmissione solo per il tempo strettamente necessario

• si ha una sorta di parallelismo di pacchetti

Problemi da risolvere

• Verifica della ricezione: il messaggio contiene errori?

• Indirizzamento dei nodi: come si individua un nodo della rete?

• Istradamento dei messaggi: quale percorso deve seguire il messaggio?

• Accesso al canale di comunicazione: cosa accade se più nodi vogliono accedere ad un canale di comunicazione?

Verifica della ricezione

Sulle reti sono possibili interferenze che possono provocare alterazioni dei messaggi; ma come sapere se il messaggio contiene errori?

• Il mittente invia insieme al messaggio informazioni che consentono la rilevazione di errori

Verifica della ricezione

Informazioni che consentono la rilevazione di errori:

• Bit di parità (8 bit + 1) > fallisce se ci sono 2 errori, non indica l’errore

• Doppia (o multipla) trasmissione del messaggio > fallisce se si ripete lo stesso errore, indica l’errore

Problemi da risolvere

• Verifica della ricezione: il messaggio contiene errori?

• Indirizzamento dei nodi: come si individua un nodo della rete?

• Istradamento dei messaggi: quale percorso deve seguire il messaggio?

• Accesso al canale di comunicazione: cosa accade se più nodi vogliono accedere ad un canale di comunicazione?

Indirizzamento dei nodi

Per instaurare una comunicazione tra nodi occorre poterli individuare:

• Attribuire nomi logici • Partizionare lo spazio dei nomi tramite

l’individuazione di sottoreti (come directory nel file system) e path

• Mantenere tabelle per la corrispondenza tra nome logici e indirizzi fisici tramite appositi gestori

Problemi da risolvere

• Verifica della ricezione: il messaggio contiene errori?

• Indirizzamento dei nodi: come si individua un nodo della rete?

• Istradamento dei messaggi: quale percorso deve seguire il messaggio?

• Accesso al canale di comunicazione: cosa accade se più nodi vogliono accedere ad un canale di comunicazione?

Istradamento dei messaggi

Se esistono più percorsi possibili tra i nodi A e B, quale deve seguire il messaggio inviato?

• Istradamento fisso: il percorso tra A e B è fissato a livello hardware quando si costruisce la rete; è di solito il percorso più breve (e che evita gli addensamenti di traffico); in caso di guasti occorre riorganizzare il percorso

Istradamento dei messaggi

• Istradamento variabile: all’inizio di ogni sessione di lavoro si sceglie il percorso tra A e B valido fino al termine della sessione; in caso di guasto si chiude la sessione e se ne attiva una nuova che riorganizzerà a livello software il percorso tenendo conto dei nuovi vincoli

Istradamento dei messaggi

• Istradamento dinamico: il percorso tra A e B è scelto ogni volta che viene inviato un messaggio tra i 2 nodi, tenendo conto della lunghezza del messaggio, del traffico sulla rete; complesso a livello software, si può basare sulle informazioni locali che i singoli nodi hanno sulla rete; massima flessibilità

Istradamento dei messaggi

• Packet switching: il messaggio è diviso in pacchetti che vengono istradati dinamicamente; grazie alla dimensione fissa dei pacchetti si conosce il tempo che ognuno occuperà un arco; grazie alla dimensione piccola dei pacchetti si evita di intasare la rete; grazie all’istradamento dinamico si sfrutta la disponibilità di canali anche paralleli; occorre però numerare i pacchetti

Problemi da risolvere

• Verifica della ricezione: il messaggio contiene errori?

• Indirizzamento dei nodi: come si individua un nodo della rete?

• Istradamento dei messaggi: quale percorso deve seguire il messaggio?

• Accesso al canale di comunicazione: cosa accade se più nodi vogliono accedere ad un canale di comunicazione?

Accesso al canale di comunicazione

Come evitare che due nodi trasmettano su uno stesso canale contemporaneamente?

• Token passing: solo un messaggio viaggia ad ogni istante sulla rete; un gettone passa da un nodo all’altro, il nodo che vuole comunicare lo prende e lo rilascia al termine della comunicazione; prestazioni basse migliorabili con parallelismo

Accesso al canale di comunicazione

• Ascolto: il nodo che vuole inviare un messaggio lo fa solo dopo avere verificato che questo sia libero, e aspetta che arrivi a destinazione; poichè non consente di evitare tutti i conflitti non è efficiente in contesti con traffico elevato

Internet

• Cosa succede quando ci colleghiamo a Internet da casa?

• il calcolatore di casa, tramite linea telefonica e modem , si collega al provider con una commutazione di circuito (occupazione della linea telefonica)

• il provider si collega ad altri punti della rete Internet tramite una commutazione di circuito