Introduzione alle Architetture di Rete Enrica Antonioli Universita degli Studi di Ferrara E-mail:...

Introduzione alle Architetture di Rete

Enrica AntonioliUniversita’ degli Studi di FerraraE-mail: [email protected]

Introduzione alle Reti di Calcolatori 1Giugno 2003

Reti di calcolatori Rete di calcolatori: connessione di (migliaia di) computer che

condividono servizi di sistema, permette la comunicazione e la distribuzione del carico, e permette di continuare il funzionamento in casi di guasti locali

Nodi: calcolatori con memoria e dischi privati Connessioni: cavi, router, bridge, gateway,…

SCOPI delle Reti: Condivisione dell’informazione Condivisione delle risorse Comunicazione Accesso a risorse remote


Aspetti hardware delle reti

Due parametri utili per definire caratteristiche di una rete, anche se non esiste una tassonomia universalmente accettata: tecnologia trasmissivascala dimensionale


Tecnologia trasmissiva e Broadcast

Due tipologie per quanto riguarda la tecnologia trasmissiva reti broadcast reti punto a punto

Le reti broadcast sono dotate di un unico "canale" di comunicazione che è condiviso da tutti gli elaboratori. Brevi messaggi, chiamati pacchetti, inviati da un elaboratore sono ricevuti da tutti gli altri elaboratori. Un indirizzo all'interno del pacchetto specifica il destinatario. Quando un elaboratore riceve un pacchetto, esamina l'indirizzo di destinazione; se questo coincide col proprio indirizzo il pacchetto viene elaborato, altrimenti viene ignorato


Esempio di rete broadcast


Reti punto a punto

Le reti punto a punto consistono invece di un insieme di connessioni fra coppie di elaboratori. Per arrivare dalla sorgente alla destinazione, un pacchetto può dover attraversare uno o più elaboratori intermedi. Spesso esistono più cammini alternativi, per cui gli algoritmi di instradamento (routing) hanno un ruolo molto importante.


Dove vengono usate?

In generale:Le reti geograficamente localizzate tendono

ad essere broadcastLe reti geograficamente molto estese tendono

ad essere punto a puntoFa eccezione:Rete geografica realizzata via satellite

(broadcast)


Reti e scala dimensionale

Tre tipologie di scala dimensionaleLAN - Local Area NetworksMAN - Metropolitan Area NetworksWAN - Wide Area Networks


LAN - Definizione

Le reti Local Area Network, in genere: Sono possedute da una organizzazione (reti private) Hanno un'estensione che arriva fino a qualche km Si distendono nell'ambito di un singolo edificio o

campus (non si possono, di norma, posare cavi sul suolo pubblico)

Sono usatissime per connettere PC o workstation


LAN - Caratteristiche La dimensione non può andare oltre un certo limite, per

cui è noto a priori il tempo di trasmissione nel caso peggiore. Questa conoscenza permette di utilizzare delle tecniche particolari per la gestione del canale di comunicazione

Sono in generale reti broadcast con velocità di trasmissione tipiche tra da 10 a 100 Mbps (megabit al secondo, cioè milioni di bit al secondo), con basso ritardo di propagazione del segnale da un capo all'altro del canale (qualche decina di microsecondi) e basso tasso di errore

Sono possibili diverse topologie, le più diffuse sono il bus ed il ring


LAN - Caratteristiche


LAN - Topologia bus

In ogni istante solo un elaboratore può trasmettere, gli altri devono astenersi.

E’ necessario un meccanismo di arbitraggio per risolvere i conflitti quando due o più elaboratori vogliono trasmettere contemporaneamente.

Lo standard IEEE 802.3 (chiamato impropriamente Ethernet) è per una rete broadcast, basata su un bus, operante a 10 oppure 100 Mbps.

Gli elaboratori trasmettono quando vogliono; se c'è una collisione aspettano un tempo casuale e riprovano.


LAN - Topologia ring

Ogni bit circumnaviga l'anello in un tempo inferiore a quello di trasmissione di un pacchetto.

E’ necessario un meccanismo di arbitraggio (spesso basato sul possesso di un gettone (token) che abilita alla trasmissione).

Lo standard IEEE 802.5 è una rete broadcast basata su ring, operante a 4 o 16 Mbps.


MAN - Definizione

Le Metropolitan Area Network, MAN, hanno un'estensione tipicamente urbana (molto superiore a quella di una LAN) e sono generalmente pubbliche.

Basate essenzialmente sulle tecnologie delle reti geografiche, utilizzate su scala urbana. Recentemente è stato definito un apposito standard, lo IEEE 802.6 o DQDB (Distributed Queue Dual Bus), che è utilizzato in varie realizzazioni, molto più vicino alla tecnologia LAN che WAN.

Esiste un mezzo trasmissivo di tipo broadcast (due bus in 802.6) a cui tutti i computer sono attaccati.

Ogni bus (cavo coassiale o fibra ottica) e' unidirezionale.


WAN - Definizione

Le Wide Area Network, WAN, si estendono a livello di una nazione, di un continente o dell'intero pianeta ed è costituita di due componenti distinte: Un insieme di elaboratori (host oppure end system)

sui quali girano i programmi usati dagli utenti Una communication subnet (o subnet), che connette

gli end system fra loro. Il suo compito è trasportare messaggi da un end system all'altro, così come il sistema telefonico trasporta parole da chi parla a chi ascolta


WAN - Definizione

Di norma la subnet consiste, a sua volta, di due componenti: Linee di trasmissione (dette anche circuiti, canali, trunk) Switching element (elementi di commutazione): gli elementi di

commutazione sono elaboratori specializzati utilizzati per connettere fra loro due o più linee di trasmissione. Quando arrivano dati su una linea, l'elemento di commutazione deve scegliere una linea in uscita sul quale instradarli

Non esiste una terminologia standard per identificare gli elementi di commutazione, termini usati sono: Sistemi intermedi Nodi di commutazione pacchetti Router (quello che utilizzeremo noi)


WAN - Esempio


WAN - Caratteristiche

Ogni router, in generale, deve: Ricevere un pacchetto da una linea in ingresso Memorizzarlo per intero in un buffer interno Appena la necessaria linea in uscita è libera,

instradare il pacchetto su essa Una subnet basata su questo principio si

chiama: Punto a punto Store and forward A commutazione di pacchetto (packet switched)


Struttura delle Reti

Elementi terminali: end system (host) che eseguono le applicazioni (Web browser, programmi di posta).

Interno della rete: router e reti di reti.

Mezzi fisici, reti di accesso: collegamenti per la comunicazione.


Reti periferiche e di transito

A

B

C

i1

i2i3

network1 network2

network3

Rete di transitoper il traffico daA a B

Rete periferica: e’ attraversatasoltanto dal traffico destinato anodi locali (B e C)


Topologie di rete (1/4)

Dorsale della rete

Reti periferiche

Rete di transito

1. Backbone (rete a dorsale): esiste un collegamento principale condiviso, ovvero con accessi multipli, è adatta per il collegamento di apparati all’interno di un unico edificio (LAN, Local Area Network).


Topologie di rete (2/4)2. Rete a stella: rete di campus, cioè che collega diversi edifici oppure rete cittadina (MAN, Metropolitan Area Network).Intranet: rete privata non collegata ad Internet, per esempio per ragioni di sicurezza, come le reti bancarie, di industrie etc.


Topologie di rete (3/4)3. Rete gerarchica: struttura logica o fisica tipica di una rete geografica (per esempio a copertura nazionale) di una singola organizzazione distribuita, per esempio dell’INFN, del CNR (WAN, Wide Area Network) .

core

Rete regionale

Istituto

periferica

transito


Topologie di rete (4/4)4. Rete magliata: tipica struttura di collegamento fra reti nazionali, ogni singola rete possiede molteplici punti di connessione con altri reti (WAN, Wide Area Network) .

ISP di transito

ISP di transit

o

ISP: Internet ServiceProvider

Rete periferica(cliente)

ISP di transito

ISP di transito

ISP di transito

Internet contiene tutte e quattro le tipologie di rete


La sezione interna della Rete Maglia di router che collega i

terminali Internet Come sono trasferiti i dati

all’interno di una rete? Commutazione di circuito (Circuit

Switching): le risorse necessarie lungo un percorso per fornire la comunicazione tra 2 terminali sono riservate per la durata della sessione. Es: comunicazioni telefoniche.

Commutazione di pacchetto (Packet Switching): le risorse non sono riservate, ma vengono usate a richiesta (si puo’ verificare attesa). Es: Internet.


Commutazione di circuito

Quando due host vogliono comunicare, la rete stabilisce un circuito dedicato end-to-end (circuito), per tutta la durata della comunicazione.

Possono esserci piu’ linee di connessione attive in ogni canale di comunicazione (link).

La larghezza di banda di trasmissione disponibile ad ogni comunicazione e’ quindi una frazione di quella totale.


Commutazione di pacchetto

Il flusso di dati da un host all’altro viene suddiviso in pacchetti.

I pacchetti inviati possono essere messi in coda nei router che attraversano per raggiungere la destinazione.

Ogni pacchetto ha un utilizzo pieno della banda trasmissiva.

Le risorse vengono utilizzate solo quando sono necessarie. Sorgente

PacketSwitch

Destinazione

PacketSwitch


Confronto tra commutazione di pacchetto e di circuito

Commutazione di pacchetto: non adatta a chiamate telefoniche e videoconferenze (puo’ presentare ritardi nelle trasmissioni), ma offre un miglior utilizzo della banda rispetto alla commutazione di circuito.

Le moderne reti di telecomunicazione tendono a preferire la commutazione di pacchetto.


Reti a commutazione di pacchetto – Routing

Reti datagram: rete che invia pacchetti in base all’indirizzo dell’host di destinazione (protocollo IP di Internet). Il percorso per raggiungere la stessa destinazione puo’ non essere uguale tra pacchetto e pacchetto.

Reti a circuito virtuale: rete che invia pacchetti in base alla numerazione dei circuiti virtuali (percorsi fra terminali sorgente e desitinazione, ad es. tecnologie ATM). Il percorso e’ fisso.


Reti di accesso

Si definisce cosi’ il link fisico che collega un terminale al router di confine, che lo collega al “mondo esterno”. Reti di accesso domestiche. Reti di accesso istituzionali. Reti di accesso per terminali

mobili.


Reti di accesso domestiche Utilizzo di un modem nella linea telefonica che a

richiesta compone il numero di un Internet Service Provider (ISP), e converte il segnale numerico in uscita dal PC in un segnale analogico (56kbit/s max).

Nuove tecnologie: ISDN (Integral Service Digital Network), permette la

trasmissione completamente numerica dei dati. ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line), utilizza il

doppino telefonico normale, e’ detta asimmetrica perche’ la velocita’ di ricezione dati dal router verso il pc di casa e’ superiore a quella di invio (l’utente preleva piu’ dati di quelli che trasmette).


Reti di accesso istituzionale

Una rete locale (LAN) di un’azienda o di un’universita’ collega i terminali a un router di confine.

Tecnologie Ethernet: Connessioni tra host e

router tramite doppino in rame o cavo coassiale.

10 Mbs, 100Mbps, Gigabit Ethernet.


Reti di accesso wireless (per terminali mobili) Rete di accesso wireless

connette gli end system al router di confine.

LAN wireless: Lo spettro delle onde radio

rimpiazza i cavi. WAN wireless:

CDPD (Cellular Digital Package Data): accesso a router ISP attraverso lo spettro radio usato dai cellulari.

basestation

mobilehosts

router


Mezzi fisici di trasmissione

Collegamenti fisici: i bit dei dati sono propagati attraverso mezzi di trasmissione.

Mezzi guidati: Il segnale viene propagato attraverso mezzi

solidi (cavo a fibra ottica, doppino in rame…). Mezzi non guidati:

Il segnale viene propagato nell’atmosfera.


Doppino Intrecciato (Twisted Pair – TP)

Due fili di rame isolati singolarmente e intrecciati tra loro (per ridurre le interferenze con altri doppini). Categoria 3: cavi telefonici tradizionali, reti Ethernet a

10 Mbps. Categoria 5: reti Ethernet a 100Mbps.


Cavo coassiale

Consiste di due conduttori in rame concentrici e da una guaina. Baseband: un singolo canale nel cavo. Broadband: canale multiplo nel cavo.

Bidirezionale. Usato per reti Ethernet 10Mbs.


Fibra ottica

Cavo a fibra ottica Cilindro di vetro che conduce impulsi di

luce (1 impulso=1 bit). Alta velocita’ di trasmissione:

100Mbps Ethernet 1-10 Gbps

Basso tasso di errore.


Mezzi wireless – onde radio (1/2)

Il segnale e’ propagato nello spettro elettromagnetico.

Non ci sono cavi fisici. Bidirezionale. Effetti dell’ambiente sulla propagazione:

Riflessione Ostruzioni provocate da oggetti Interferenze


Mezzi wireless - onde radio (2/2)

Tipi di collegamento radio: Microonde

Canali fino a 45 Mbps. LAN (es: waveLAN)

2Mbps, 11Mbps. Wide-area (es: cellulari)

Ad es: CDPD, 10 Kbps. Satelliti

Canali fino a 50Mbps. Ritardi di propagazione del segnale 270 millisec.

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