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Architettura delle reti

Versione del 4 marzo 2004

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Reti di calcolatori

Una rete di calcolatori è costituita da molti calcolatori (nodi o host della rete) collegati tra loro che interagiscono usufruendo dei servizi di rete per lo scambio delle informazioni.

L’architettura (o struttura) di una rete di calcolatori è definita da:

• un insieme di tipi di mezzi trasmissivi;

• la modalità di connessione dei calcolatori e degli altri apparati di rete;

• il protocollo di comunicazione comune ai nodi collegati.

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Reti di calcolatori

Tecnologia di rete:

• insieme di tipi di mezzi trasmissivi e di regole di

connessione. Parametri della tecnologia: distanza,

velocità di trasmissione (bit al secondo), costo.

Protocollo di comunicazione:

• è un insieme di regole che consentono di

trasformare il segnale fisico in "dati riconoscibili“:

– governano la modalità di scambio di informazioni tra nodi

di una stessa rete;

– sono specificate a partire dal livello applicativo fino al

livello fisico di trasmissione.

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Mezzi trasmissivi

La comunicazione tra due calcolatori avviene attraverso un

mezzo trasmissivo (guidato o non guidato), come per es.:

– doppino di rame;

– cavo coassiale;

– fibra ottica;

– onde elettromagnetiche;

– porte a infrarossi;

– …. o una loro combinazione.

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Modalità di connessione: a commutazione di circuito

Connessione dedicata tra due nodi (non adiacenti):

– è una connessione diretta, punto a punto;

– garantisce una banda (per es. 64 Kbit/s);

– tipicamente basata su linee telefoniche;

– lo sfruttamento della banda non è generalmente continuo:

(ad es. occupo la linea senza sfruttarne la banda quando leggo una pagina

Web che ho appena scaricato in locale);

– elevati costi per connessione.

A

B

p q

r s

A

B

p q

r s

A seguito della richiesta di connessione, viene creato un circuito fisico da A a B.

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Modalità di connessione: a commutazione di pacchetto

Il canale è unico, ma il traffico è diviso in piccoli messaggi (pacchetti) di

poche e variabili centinaia di byte:

– Quando un calcolatore collegato in rete non utilizza la banda, questa

può essere utilizzata da altri calcolatori, consentendo più comunicazioni

simultanee.

– Non è garantito il percorso effettuato dai messaggi.

Non garantendo il percorso seguito dai messaggi, si realizza un servizio che

può essere:

– A circuito virtuale o connection oriented (per es. TCP): mantiene

l’ordinamento dei messaggi durante la trasmissione.

– A datagramma o connectionless (IP): ogni messaggio è trattato in modo

indipendente durante la trasmissione. In ricezione è garantita la

ricostruzione del messaggio originario.

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Commutazione di pacchetto

A seguito della richiesta di connessione

la rete non crea nessun collegamento.

A

B

p q

s r

Percorso messaggio 1:

A ... p … q … r … B

Percorso messaggio 2:

A ... p … s … r … B

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Categorie di reti

LAN (local area network)

velocità 4 Mbps - 2 Gbit/s

MAN (metropolitan area network)

velocità 56 Kbit/s - 100 Mbit/s

WAN (wide area network)

velocità 9.6 Kbit/s - 1 Gbit/s

La maggior parte delle reti è stata standardizzata:

– IEEE 802.3 (Ethernet): di tipo LAN

– Fast Ethernet: di tipo LAN

– Token-Ring (IBM): di tipo LAN

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Internetworking - Interconnessione tra reti

diverse

La comunicazione tra calcolatori anche se su reti differenti è difficile ma irrinunciabile.

Una rete di reti è detta internet (con la i minuscola).

Una internet è definita fornendo i protocolli per trasferire le informazioni tra le varie reti (ad es. TCP/IP). I protocolli internet consentono la comunicazione tra macchine non collegate alla stessa rete.

Terminologia – internet: una rete di reti.

– Internet (INTERconnected NETwork): la più diffusa internet del mondo.

– TCP/IP: il più diffuso protocollo per creare internet, ed usato da Internet.

– intranet: una rete privata basata sulle stesse tecnologie di Internet.

– extranet: diverse intranet collegate tra loro.

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Stratificazione dei protocolli

Le applicazioni distribuite in rete fanno riferimento ai protocolli

(stratificati) utilizzati nei singoli nodi della rete, indipendentemente da:

– L’implementazione fisica della macchina (HW+SO).

– L’implementazione di alcuni strati del protocollo di comunicazione di

rete stesso.

Deve essere condiviso il protocollo applicativo e il protocollo di

internetworking (ad es. TCP/IP), cioè il protocollo di comunicazione in rete.

Il protocollo di comunicazione in rete è in generale una una famiglia (o

suite) di protocolli:

– La suddivisione in “strati” di protocolli consente di dividere un problema

complesso in più sottoproblemi ed una migliore analisi di ogni singolo protocollo.

– I vari protocolli gestiscono differenti problemi.

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I protocolli stratificati

ISO/OSI: descrive in modo stratificato le funzioni astratte

che devono essere fornite da una architettura dicomunicazione tra nodi

internet protocol suite

di applicazione: servizi direttamente utilizzabilidall'utente. E' l'insieme delle interfacce per i programmiapplicativi che utilizzano la rete (API)

http, smtp, ftp, telnet ...sono tutti protocolli applicativi chegestiscono vari tipi di sessioni in rete

di presentazione: servizi direttamente utilizzabilidall'utente. Offre funzioni, non indispensabili, relative alformato delle informazioni da trasferire (ad es.compressione, crittografia)

di sessione: servizi direttamente utilizzabili dall'utente.Gestisce una sessione di lavoro tra due utenti collegati inrete (protocolli diversi per tipologie di sessioni)

di trasporto: Gestisce la trasmissione dei dati da trasferiretra un mittente e un destinatario, eventualmentesuddividendo i dati in messaggi o pacchetti a dimensioniinferiori

TCP e UDP

di rete: Gestisce la trasmissione del singolo messaggio (opacchetto) tra un mittente e un destinatario e stabilisce ilpercorso attraverso nodi intermedi (routing)

IP

di collegamento dati: Definisce le regole di trasmissione tradue nodi fisicamente adiacenti

fisico: Definisce la trasmissione dei singoli bit lungo ilcanale fisico

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Applicazione distribuita

ServerX

Software TCP

Software IP

INTERFACCIA DI RETE

protocolli della specifica

rete

driver della scheda di rete

HARDWARE

(scheda di rete)

ClientX

Software TCP

Software IP

INTERFACCIA DI RETE


rete


HARDWARE

(scheda di rete)

internet (IP)

INTERFACCIA DI RETE

protocolli della specifica rete


HARDWARE

(scheda di rete)

Protocollo applicativo

per es. “interprete comandi”

Protocollo TCP

Protocollo IP

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Applicazione distribuita e interoperabilità

Quali caratteristiche devono avere le architetture

hardware e software su cui girano ServerX e ClientX?

Nessuna specifica, fatto salvo che lo scambio di

informazioni tra ClientX e ServerX deve avvenire

utilizzando la stessa gerarchia di protocolli:

– protocollo applicativo (HTTP, SMTP, FTP, ecc)

– protocollo TCP

– protocollo IP

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Protocollo IP (I)

Maschera ai protocolli superiori l’esistenza di tante reti diverse, presentandole come un’unica internet.

Accetta dal protocollo di livello superiore un messaggio (pacchetto da trasferire) dotato di un indirizzo IP e lo consegna al calcolatore (host) caratterizzato da quell’indirizzo.

– Il messaggio IP si chiama datagramma

Ogni calcolatore (host) collegato a una internet ha un suo proprio indirizzo (indirizzo IP):

– univoco: non esistono cioè due macchine di una stessa internet che abbiano indirizzo IP uguale;

– composto da netid e hostid, per un totale di 32 bit;

– tutte le macchine di una rete hanno lo stesso netid;

– una macchina collegata a 2 reti diverse ha 2 indirizzi IP diversi.

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Protocollo IP (II)

Il software IP di una qualsiasi macchina è in grado di inviare un

messaggio all’IP di un’altra qualsiasi macchina collegata alla stessa

rete.

Il passaggio di messaggi da una rete a un’altra avviene tramite alcuni

nodi specializzati, chiamati gateway, che sono fisicamente collegati

ad ambedue le reti. Quindi un gateway è in grado di “parlare e

capire” i protocolli di basso livello delle reti cui è fisicamente

collegato.

I gateway dispongono di tabelle di instradamento (routing) che

consentono di instradare i messaggi verso la rete destinazione.

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Instradamento

rete 1 rete 2 rete 3 gateway 1 gateway 2

Messaggio da rete 1 a rete 2

Messaggio da rete 1 a rete 3

Messaggio da rete 1 a rete 2 che ….. lo rilancia a rete 3

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Comunicazione tra due calcolatori (host)

mittente protocolli applicativi

trasporto (TCP)

internet (IP)

INTERFACCIA DI RETE


rete


HARDWARE

(scheda di rete)

destinatario protocolli applicativi

trasporto (TCP)

internet (IP)

INTERFACCIA DI RETE


rete


HARDWARE

(scheda di rete)

gateway

con tabelle di routing

internet (IP)

INTERFACCIA DI RETE


rete


HARDWARE

(scheda di rete)

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Esempio di internet (Purdue University, 1980 circa)

Ethernet 128.10.0.0

Merlin

(multi-home host)

128.10.2.3

Guenever

(ethernet host)

128.10.2.8

Glatisant

(gateway)

128.10.2.70

Lancelot

(ethernet host)

128.10.2.26

proNet-10

192.5.48.0

Arthur

(proNet host)

192.5.48.1 Taliesyn

(gateway)

192.5.48.6 10.2.0.37

ARPAnet 10.0.0.0

192.5.48.3 192.5.48.7

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Protocollo IP (III)

Il servizio realizzato da IP è la consegna del datagramma.

– Il datagramma è un pacchetto di bit contenente i dati e un’intestazione

(tra cui indirizzo mittente e indirizzo destinatario).

La consegna del datagramma è:

– Senza connessione. Ogni pacchetto è trattato indipendentemente dagli

altri.

– Inaffidabile. La consegna del messaggio al destinatario non è garantita,

possono esservi pacchetti persi, duplicati, ritardati o consegnati fuori

sequenza. Il mittente non ha riscontro dell’avvenuta consegna.

– Best effort. Il software compie ogni tentativo per consegnare i pacchetti

correttamente.

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Protocollo IP (IV)

Il protocollo IP fornisce: – formato esatto di tutti i dati trasferiti in una internet;

– funzioni di istradamento (routing), realizzato proprio in base all’indirizzo IP:

• ogni gateway dispone di opportune tabelle (di routing) per l’istradamento

– insieme di regole che inglobano l’idea di consegna non affidabile.

Limitazioni: – non consente di distinguere più destinazioni di datagrammi all’interno

della stessa macchina (vede solo l’indirizzo IP);

– non ha alcun meccanismo per gestire il problema della consegna non affidabile.

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Protocollo TCP (I)

Per distinguere più connessioni verso uno stesso calcolatore, si introduce il concetto di porta, intesa come punto di destinazione di una connessione.

– Ogni porta TCP è identificata univocamente da un unsigned int.

– Un processo accede a una porta in modo sincrono e tamponato (buffered).

Garantisce un servizio affidabile di trasporto di flusso (stream):

– orientamento al flusso (stream): trasmette sequenze di byte;

– connessione di circuito virtuale: chiamante e chiamato stabiliscono una connessione full-duplex utilizzando un circuito virtuale. In caso di fallimento, entrambi se ne accorgono;

– trasferimento tamponato (buffered);

– flusso (stream) non strutturato: per es. un messaggio può essere suddiviso su più pacchetti.

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Protocollo TCP (II)

L’affidabilità è una caratteristica imprescindibile. È basata sul riscontro

positivo di ricezione (PAR - Positive Acknowledge with Retransmission)

– Il destinatario informa il mittente della ricezione del messaggio.

– Il mittente, se non ottiene riscontro dal destinatario entro un certo

tempo (time-out), arguisce la perdita del pacchetto.

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Protocollo con riscontro positivo di ricezione

Eventi nel mittente Eventi nel destinatario Messaggi sulla rete

Trasmissione pacchetto 1

inizializzazione contatore

di time-out Ricezione pacchetto 1

Ricezione riscontro (ack) 1

azzeramento time-out

Trasmissione riscontro (ack) 1


Ricezione pacchetto 2



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Trasmissione con perdita di pacchetto



inizializzazione time-out Mancata ricezione pacchetto 1

Mancata ricezione riscontro (ack) 1

Mancata trasmissione riscontro (ack) 1

Ritrasmissione pacchetto 1

inizializzazione time-out Ricezione pacchetto 1



Il pacchetto 1 va perso

Il time-out scade

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Trasmissione contemporanea di più pacchetti










Ricezione ACK 1

Ricezione ACK 2

Ricezione ACK 3

Ricezione ACK 4

Trasmissione ACK 1

Trasmissione ACK 2

Trasmissione ACK 3

Trasmissione ACK 4

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Protocollo TCP (III) - La stima del time-out

Il TCP del destinatario deve:

– trasmettere ACK di ogni pacchetto ricevuto;

– scartare i pacchetti duplicati (cioè di quelli ritrasmessi dal

mittente): questo è possibile perchè i pacchetti sono numerati

progressivamente a partire dal messaggio originario.

Possono esistere pacchetti duplicati a causa del tempo di

“circolazione” all’interno della rete. In TCP il mittente reinvia un

pacchetto allo scadere del time-out di ricezione acknowledge.

La stima del time-out è un problema complesso e critico e dipende

dal carico della rete. Vengono usati algoritmi sofisticati.

Il tempo associato ad una comunicazione in rete (round-trip delay) è

dato dal tempo necessario perchè il messaggio arrivi a destinazione

più il tempo di ricezione dell’acknowledge.

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Protocollo TCP (IV) - La stima del time-out

Il round-trip delay dipende dal percorso dei pacchetti e dal carico della rete: è

quindi necessario che i time-out vengano “aggiustati” dinamicamente.

Ad esempio, collasso della rete ……. • istante T rete in equilibrio per quel che riguarda i time-out

• aumento del carico, quindi la la rete “rallenta”

• scadono i time-out (definiti per uno stato di equilibrio), è necessaria la ritrasmissione

• il carico aumenta ulteriormente

TCP consente anche di di controllare il flusso della comunicazione.

– Ogni riscontro dal ricevente indica anche il n° di byte che il ricevente è in grado di

accettare.

– In questo modo è possibile indicare al trasmittente se si ha congestione sulla linea e

addirittura annullare la trasmissione di altri pacchetti indicando di essere disposto a

ricevere 0 byte.

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Il datagramma TCP (I)

Il datagramma TCP descrive il formato dei pacchetti.

Esso prevede:

– una parte intestazione, di lunghezza fissa pari a 6 blocchi da 32 bit ciascuno

(quindi 192 bit);

– una parte dati, di lunghezza variabile.

porta provenienza porta destinazione

0 4 10 15 16 24 31

lungh. messaggio UDP codice err. UDP

dati

numero sequenziale

numero di riscontro

hlen riservato bit codice finestra

cheksum puntatore urgente

opzioni (eventuali) riempimento

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Il datagramma TCP (II)

intestazione

port di provenienza: porta del mittente (16 bit);

port di destinazione: porta del destinantario (16 bit);

numero sequenziale: posizione dei dati nello stream del mittente (32 bit);

numero riscontro: numero del byte che il destinatario si aspetta di ricevere

successivamente;

hlen: lunghezza del segmento in multipli di 32 bit (4 bit). È necessario perché il

campo opzioni (vedi sotto) ha lunghezza variabile;

riservato: per usi futuri (6 bit);

codice: indica lo scopo ed il contenuto del segmento (6 bit):

– URG: il campo puntatore urgente è valido;

– ACK: il campo riscontro è valido;

– PSH: il campo richiede un push;

– RST: effettua il reset della connessione

– SYN: sincronizza i numeri di sequenza;

– FIN: il mittente ha raggiunto la fine del suo flusso (stream).

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Il datagramma TCP (III)

intestazione...

finestra: dimensione del buffer dei dati (16 bit);

checksum: controllo (16 bit);

puntatore urgente: il pacchetto deve essere processato con urgenza - ad es.

contiene ctrl-c ed i pacchetti residui non devono essere più inviati - (16 bit). Se il

codice URG = 1, specifica la posizione della fine dei dati urgenti nella finestra;

opzioni: per informazioni aggiuntive, come ad es. stabilire la dimensione massima

del segmento - maximum segment size - (24 bit);

riempimento: completa le opzioni fino a 32 bit (8 bit).

dati: i dati effettivamente trasmessi dal mittente al destinatario.

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Protocollo UDP

A parte la specifica di un port, UDP ha gli stessi vincoli di IP:

– senza connessione;

– inaffidabile;

– best-effort.

Datagramma UDP

port provenienza UDP port destinazione UDP

0 15 16 31

lungh. messaggio UDP codice err. UDP

dati

dati

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Alcune porte TCP riservate

num. nome descrizione

11 USERS systat utenti attivi

13 DAYTIME daytime ora del giorno

15 netstat stato della rete

17 QUOTE quotd citazione del giorno

20 FTP-DATA ftp-data dati FTP

21 FTP ftp FTP

23 TELNET telnet connessione di terminale

25 SMTP smtp simple mail transport protocol

37 TIME time tempo

42 NAMESERVER name server di nomi dell'host

53 DOMAIN nameserver server di nomi del dominio

79 FINGER finger

80 WEBSERVER web server server web

93 DCP device control protocol

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Protocolli applicativi veicolati da TCP/IP

Sigla Protocollo Servizio

DNS Domain NameService

Servizio di conversione di nomi inindirizzi IP e viceversa

SMTP Simple MailTransferProtocol

Servizio di posta elettronica,comunicazione tra due server e daclient a server

FTP File TransferProtocol

Servizio di trasferimento file in rete

HTTP HyperTextTransferProtocol

Servizio Worl Wide Web

IMAP

POP

Internet MailApplicationProtocolPost OfficeProtocol

Servizio di posta elettronica,comunicazione da server a client

telnet Telnetwork Servizio di emulazione di terminaleremoto

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