Evoluzione delle architetture di rete e dei servizi di...

Marco Listanti

Evoluzione delle architetture di rete e Evoluzione delle architetture di rete e dei servizi di telecomunicazione

Parte 1: Fondamenti

Slide adattate da:

Telecomunicazioni per l’aerospazio - Prof. Marco Listanti - A.A. 2014/2015DIET

Slide adattate da:J. Kurose, K. Ross: “Reti di calcolatori e Internet (4a edizione)”. Pearson Addison Wesley

Programma del CorsoProgramma del Corso

F d d N kFondamenti di NetworkingArchitettura funzionale a stratiConcetto di protocolloConcetto di protocollo

Le reti in area localeArchitetture e funzioniArchitetture e funzioniProtocolli di accesso multiplo (Medium Access Control – MAC)Standard 802.3 (Ethernet) e 802.11 (WiFi)

Reti IPArchitettura TCP/IP ll P PI protocolli IP e TCP

Cenni su Internet spaziale e Aeronautical Traffic Network (ATN)


Aeronautical Traffic Network (ATN) (1)Aeronautical Traffic Network (ATN) (1)

Retet stterrestre


Aeronautical Traffic Network (ATN) (2)Aeronautical Traffic Network (ATN) (2)


Next Generation Air Transportation SystemNext Generation Air Transportation System


Aircraft networkAircraft network


IntroduzioneIntroduzione

b Obiettivi introdurre la terminologia e i concetti

Panoramicacos’è Internet ?terminologia e i concetti

di baseInternet come fonte di esempi

cos’è un protocollo ?

host reti di accesso esempi host, reti di accesso, mezzi trasmissivi

commutazione di circuito commutaz on c rcu to e commutazione di pacchetto

struttura di Internet

prestazioni: ritardi, dit th h t


perdite e throughput

Che cos’è Internet ?Che cos è Internet ?

Rete mobileISP nazionaleo internazionale

Host = Sistema terminaleRouter = instrada i pacchetti verso la loro destinazione finale

Rete domestica

Protocollo = definisce il formato e l’ordine dei messaggi scambiati fra due o più entità in comunicazione

ISP distrettualees.: TCP, IP, HTTP, Skype, Ethernet

Collegamenti = rame, fibra ottica, radio, satellite

Rete aziendaleInternet: “rete delle reti”

struttura gerarchicaInternet pubblica e intranet private

Standard InternetRFC: Request for commentsIETF: Internet Engineering Task


g gForce

Cos’è un protocollo ?Cos è un protocollo ?

Protocollo umano e protocollo di rete

Ciao Richiesta di connessione TCP

Ciao

Sai l’ora?Risposta diconnessione TCPSai l ora?

2:00Get http://www.awl.com/kurose-ross

<fil ><file>tempo


Struttura di rete

Periferia della reteapplicazionipp zsistemi terminali

Reti localiReti localiWiredWi lWireless

Centro della reterouter interconnessila rete delle reti


Reti Locali (LAN)Reti Locali (LAN)

U LAN ll i i t i Una LAN collega i sistemi terminali di aziende e università ad un routeruniversità ad un router

EthernetEthernet

10 Mb, 100 Mb, 1 Giga, 10 Gi10 Giga

Sistemi terminali collegati mediante uno switch


Accesso wirelessAccesso wireless

Una rete condivisa d’accessowireless collega i sistemi terminali al router Rrouter

Access Point (AP)

Wi l LAN Access

Router

Wireless LAN802.11b/g (WiFi): 11 o 54 Mbps

R t d’ i l fi

AccessPoint

Rete d’accesso wireless geograficagestita da un provider ditelecomunicazioni

Fino a 10 Mbps per i sistemi cellulari(2G, 3G, 4G)

hostwireless


Reti domesticheReti domestiche

Componenti di una tipica rete domestica DSL o modem via cavo

router/firewall/NAT

Ethernet

P d’ i lPunto d’accesso wireless

laptopwireless

router/modema/da

t i i

Access point

router/firewall

modemvia cavo

terminazionevia cavo


Ethernet

Il nucleo della reteIl nucleo della rete

R l d h Rete magliata di router che interconnettono i sistemi terminaliCome vengono trasferiti i dati attraverso la rete ?

Commutazione di circuito: circuito dedicato per l’intera durata della sessione (rete (telefonica)Commutazione di pacchetto: i messaggi di una sessione messaggi di una sessione utilizzano le risorse su richiesta, e di conseguenza potrebbero dover attendere per accedere a

ll t


un collegamento

Commutazione di circuito(Circuit Switching – CS)(Circuit Switching CS)

Risorse punto-punto riservate alla “chiamata”

ampiezza di banda, capacità del commutatore

risorse dedicate: non c’è condivisione

i i d i i prestazioni da circuito (garantite)

necessaria l’impostazione della necessaria l impostazione della chiamata


Commutazione di circuitoCommutazione di circuito

Risorse di rete (banda) suddivise in “pezzi”

Suddivisione della banda in “pezzi”

ciascun “pezzo” viene allocato ai vari

divisione di frequenza

divisione di tempocollegamenti

le risorse rimangono

p

le r sorse r mangono inattive se non utilizzate (non c’è

d )condivisione)


Commutazione di circuito: FDM e TDMCommutazione di circuito: FDM e TDM

Esempio:FDM 4 utenti

Esempio:

frequenza

tempoTDMTDM

frequenza

Telecomunicazioni per l’aerospazio - Prof. Marco Listanti - A.A. 2014/2015DIETtempo

Commutazione di pacchetto(Packet Switching – PS)(Packet Switching PS)

l fl d d l Il flusso di dati punto-punto viene suddiviso in pacchetti

Contesa per le risorseLa richiesta di risorse può eccedere il quantitativo disponibileI pacchetti condividono le

risorse di reteCiascun pacchetto utilizza

l l l

disponibilecongestione: accodamento dei pacchetti, attesa per l’utilizzo del collegamentop

completamente il canaleLe risorse vengono usate a seconda delle necessità

store and forward: il commutatore deve ricevere l’intero pacchetto prima di poter cominciare a

MULTIPLAZIONE STATISTICA

poter com nc are a trasmettere sul collegamento in uscita

Larghezza di banda suddivisa in pezzi”Allocazione dedicata

Risorse riservate


Risorse riservate

Multiplazione statisticaMultiplazione statistica

CEthernetA CEthernet

a 10 Mbps Multiplazione statistica

B1,5 Mbps

Coda dei pacchettipin attesa

sul collegamentoin uscita

D E

La sequenza dei pacchetti A e B non segue uno schema prefissato Condivisione di risorse su richiesta: multiplazione statisticaTDM: ciascun host ottiene uno slot di tempo dedicato unicamente a


TDM: ciascun host ottiene uno slot di tempo dedicato unicamente a quella connessione.

Multiplazione statisticaMultiplazione statistica

I flussi di pacchetti vengono multiplati su una linea I flussi di pacchetti vengono multiplati su una linea condivisaMaggiore efficienza e minore costo

Input lin s

Header Data payload

A

Input lines

BufferB

Buffer

COutput line


Ritardo vs Efficienza

A A

Ritardo vs Efficienza

A1 A2

B1 B2Linee d d

C2C1

dedicate

A2B1 B2 C2C1A1Linea

condivisa

Linee dedicate Linee condivisenessuna attesa

bassa efficienza

uso di buffer

possibili attese dei p h tti


pacchetti

Packet SwitchPacket Switch

1

2

1

22 2

N N

I h tti il i ti d li i i i I pacchetti sono rilanciati dagli ingressi verso i buffer di uscita prima di essere trasmessiLa multiplazione avviene su o ni linea di uscita


La multiplazione avviene su ogni linea di uscita

Store-and-forwardStore and forward

R R RL

Occorrono L/R secondi per trasmettere un pacchetto di L bit su un collegamento in uscita da R bps

Esempio:L = 7,5 Mbituscita da R bps

store and forwardl’intero pacchetto deve

,R = 1,5 Mbpsritardo = 15 sec

l intero pacchetto deve arrivare al router prima che questo lo trasmetta sul link successivo

ritardo = 3L/R (supponendo che il ritardo di propagazione sia zero)


Occore approfondire ……

Modello di un MultiplexerModello di un Multiplexer

A

BufferOutput

A

BInput line

Arrivi Parametri prestazionali

Output lineC

Qual è la statistica di arrivo deipacchetti ?

Tempo di servizio

pDelay DistributionPacket Loss ProbabilityLine Utilization

Qual è la lunghezza dei pacchetti ?

Disciplina di servizioQual è l’ordine di trasmissione dei

Line Utilization

Qual è l ordine di trasmissione deipacchetti ?

Disciplina di gestione del bufferSe il buffer è pieno quale

è


p qpacchetto è scartato ?

RitardoRitardo

Istanti di fine trasmissione

Tempo di

P1 P2 P3 P4 P5

Istanti di inizio trasmissione

servizio

Istanti di arrivo dei pacchetti

Tempo diattesa

P1 P2 P3 P4

Tempo di attesaintervallo dall’istante di arrivo a quello di inizio del servizio

pP5

servizio

Tempo di servizioTempo di trasmissione di un pacchetto

R d


RitardoTempo di attesa + tempo di servizio

Pacchetti nel sistemaPacchetti nel sistema

A1 A2

B1 B2B1

C2C1

2

A2B1 B2 C2C1A1

N(t)( )

Numero di paccchetti nel

sistema


sistema

Tempi di servizioTempi di servizio

R = rate di trasmissione (bit/s)

L = lunghezza di un pacchetto (bit)L lunghezza di un pacchetto (bit)

T = L/R = Tempo di trasmissione (tempo di servizio)

La lunghezza dei pacchetti è normalmente variabileDistribuzione delle lunghezze → Dist. dei tempi di serviziog p

Possibili modelli Lunghezza costanteLunghezza costante

Distribuzione esponenziale

Distribuzione derivate da misure (es. in Internet)


Internet Packet Length DistributionInternet Packet Length Distribution

Traffico prevalente TCP (85%)(85%)~ 40% dei pacchetti sono di lunghezza minima (40 byte - TCP ACK) 15% d i h i

Packets

~ 15% dei pacchetti sono di lunghezza massima (1500 byte Ethernet frame)15% d i h tti h ~15% dei pacchetti hanno

lunghezza tra 552 e 576 byteMedia = 413 byte

Bytes

Deviazione Standard = 509 byte


Confronto CS e PSConfronto CS e PS

L c mmut zi n di p cch tt c ns nt più ut nti di us r l r t1 collegamento da 1 Mpbs

Ci t t

La commutazione di pacchetto consente a più utenti di usare la rete

Ciascun utente: 100 kpbs quando è “attivo”

tti il 10% d l t N utentiattivo per il 10% del tempo

C t i di i it :

N utenti

CollegamentoCommutazione di circuito: 10 utenti

t i di h tt

Collegamentoda 1 Mbps

commutazione di pacchetto: con 35 utenti, la probabilità di averne > 10 attivi è D: come è stato ottenuto il valore 0,0004?


inferiore allo 0,0004,

Confronto CS e PSConfronto CS e PS

La commutazione di pacchetto è la “scelta vincente ?”

Ottima per i dati a “burst”C di i i d ll i

La commutazione di pacchetto è la scelta vincente ?

Condivisione delle risorsePiù semplice, non necessita l’impostazione della chiamata

Eccessiva congestione: ritardo e perdita di pacchettiEccessiva congestione: ritardo e perdita di pacchettiSono necessari protocolli per il trasferimento affidabile dei dati e per il controllo della congestione

D: Come ottenere un comportamento simile al circuito ?è necessario fornire garanzie di larghezza di banda per le applicazioni audio/videoapplicazioni audio/videoè ancora un problema irrisolto


Ritardi e perditaRitardi e perdita

I pacchetti si accodano nei buffer dei router

Se il tasso di arrivo dei pacchetti eccede la Se il tasso di arrivo dei pacchetti eccede la capacità del collegamento i pacchetti si accodano, in attesa del proprio turno

Apacchetti in attesa di essere trasmessi (ritardo)

A

Bbuffer liberi (disponibili): se non ci sono buffer liberi

pacchetti accodati (ritardo)


i pacchetti in arrivo vengono scartati (perdita)

Ritardo nelle reti PSRitardo nelle reti PS

2. Ritardo di accodamentoattesa di trasmissione

1. Ritardo di elaborazione del nodo

livello di congestione del router

controllo errori sui bit

determinazione del canale di uscita (instradamento)

trasmissioneA propagazione

Belaborazione

di nodo accodamento


di nodo accodamento

Ritardo nelle reti PS

3. Ritardo di trasmissione (L/R)R=frequenza di trasmissione

4. Ritardo di propagazione (d/s)d = lunghezza del collegamento R frequenza di trasmissione

del collegamento (in bps) L=lunghezza del pacchetto (in bit)

d lunghezza del collegamento fisicos = velocità di propagazione del collegamento (~2x108 m/sec)bit)

Ritardo di trasmissione = L/Rcollegamento ( 2x10 m/sec)Ritardo di propagazione = d/s

trasmissione 1/s = 5 µs/kmA propagazione

trasmissione 1/s = 5 µs/km

Belaborazione

di d d tNota: s e R sono due quantità

l d ff !


di nodo accodamento molto differenti!

Ritardo di linkRitardo di link

proptrasmqueueelablink ddddd

delab = ritardo di elaborazione (processing delay) in genere pochi microsecondi o anche menoin genere pochi microsecondi, o anche meno

dqueue = ritardo di accodamento (queuing delay) dipende dalla congestionedipende dalla congestione

dtrasm = ritardo di trasmissione (transmission delay) = L/R significativo sui collegamenti a bassa velocità= L/R, significativo sui collegamenti a bassa velocità

dprop = ritardo di propagazione (propagation delay) da pochi microsecondi a centinaia di millisecondi


da pochi microsecondi a centinaia di millisecondi

Ritardo di accodamentoRitardo di accodamento

R = frequenza di trasmissione (bps)R = frequenza di trasmissione (bps)L = lunghezza del pacchetto (bit) a = tasso medio di arrivo dei pacchetti

L.a/R = intensità di traffico

L.a/R ~ 0: ritardo molto limitato

L /R 1 il i d i d liL.a/R -> 1: il ritardo cresce in modo non lineare

L.a/R > 1: più “lavoro” in arrivo di quanto possa essere effettivamente svolto, ritardo medio infinito


effettivamente svolto, ritardo medio infinito

Perdita di pacchettiPerdita di pacchetti

Una coda (detta anche buffer) ha capacità finitaquando il pacchetto trova la coda piena, viene scartato (e quindi q p p qva perso)

un pacchetto perso può essere ritrasmesso dal nodo d d l i i l h l h precedente, dal sistema terminale che lo ha generato, o non

essere ritrasmesso affatto

Apacchetto che sta per essere trasmesso

buffer (area di attesa)

Bi pacchetti che arrivano


i pacchetti che arrivanoin un buffer pieno vanno persi

Struttura di Internet: rete di retiStruttura di Internet: rete di reti

Fondamentalmente gerarchicaal centro: “ISP di livello 1”

Verizon, Sprint, AT&T, Cable&Wireless

copertura nazionale/internazionale

Comunicano tra di loro come “pari”

Gli ISP di livello 1 sono direttamente connessi a ciascuno degli altri ISP di livello 1

ISP di livello 1

ISP di livello 1 ISP di livello 1


ISP di livello 1 - Un esempio: SprintISP di livello 1 - Un esempio: Sprint

a/dalla dorsale

POP: point-of-presence

…peering….

………

a/dai clienti


Struttura di InternetStruttura di Internet

ISP di livello 2: ISP più piccoli (nazionali o ISP di livello 2: ISP più piccoli (nazionali o distrettuali)

Si può connettere solo al alcuni ISP di livello 1, e ppossibilmente ad altri ISP di livello 2

Quando due ISP sono

ISP di livello 1

ISP di livello 2ISP di livello 2Un ISP di livello 2 paga l’ISP di livello 1 che gli fornisce la connettività per il

sono direttamente interconnessi vengono detti

d l ll

connettività per il resto della rete un ISP di livello 2 è cliente di un ISP di li ll 1

gpari grado (peer)



ISP di livello 2livello 1



ISP di livello 3 e ISP locali (ISP di accesso)ISP di livello 3 e ISP locali (ISP di accesso)Reti “ultimo salto” (last hop network), le più vicine ai sistemi terminali

ISPlocaleISP

localeISP

locale

ISPlocale ISP

di livello 3

ISP l li di

ISP di livello 1

ISP di livello 2ISP di livello 2ISP locali e di livello 3 sono clienti degli ISP di livello

d l ll

di livello superioreche li collegano all’intera I t t ISP di livello 1 ISP di livello 1


ISP di livello 2

ISPlocale

Internet


ISPlocale

ISPlocale

ISPlocale


U h tt tt Un pacchetto attraversa un numero anche molto elvato di reti

ISPlocaleISP

localeISP

locale

ISPlocale ISP

di livello 3

ISP di livello 1NAP

ISP di livello 2ISP di livello 2

d l ll

NAP



ISP di livello 2

ISPlocale


ISPlocale

ISPlocale

ISPlocale

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