Reti di calcolatori

Dr. Francesco FabozziCorso di Informatica

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Concetto di rete• Una rete di elaboratori è un insieme di

elaboratori connessi tra loro mediante collegamenti fisici

• Anni ’40: primi tentativi di trasmissione dati tra elaboratori

• Anni ’70: sviluppo del concetto attuale di rete– Ambito militari e scientifico

• Anni ’90: diffusione delle reti locali e di Internet

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Utilità delle reti• Servizi offerti da una rete:

– Condivisione delle risorse– Comunicazione (trasmissione dati) fra

elaboratori

• Con l’introduzione delle reti l’informatica amplia il proprio ambito e coinvolge anche le tecnologie della comunicazione– Si parla di ICT (Information and

Communication Technology)

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Condivisione delle risorse• Ogni elaboratore in rete può accedere alle

risorse di tutti gli altri sistemi nella stessa rete

• Quindi l’utente di un singolo nodo della rete ha il possesso (virtuale) di tutte le risorse messe a disposizione da tutti gli altri nodi

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Condivisione delle risorse• Esempio: condivisione delle unità disco

– File server: elaboratore che mette a disposizione i suoi dischi agli utenti

– Si evita la duplicazione dei file ottimizzando l’uso della memoria secondaria

• Esempio: condivisione delle stampanti– Le stampante può essere collegata

direttamente alla rete o mediante un elaboratore detto print server

– Si ottimizza l’uso di una stampante eliminando i tempi morti

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Comunicazione• La rete consente la trasmissione dati tra

elaboratori e quindi lo scambio di informazioni tra gli utenti della rete– Le informazioni scambiate possono essere di

tipo testuale o anche multimediale• Trasferimento di file• Posta elettronica• Mailing list• Gruppi di discussione• Chat• Teleconferenza

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Elementi di una rete• In una rete possiamo identificare i seguenti

elementi:– Elaboratori– Un mezzo fisico di comunicazione

• Ex.: cavi di collegamento

– Delle regole per la comunicazione (protocollo)• Stabiliscono le modalità dell’inizio della

trasmissione, del trasferimento dati e della fine della trasmizzione

– Strumenti software• Posta elettronica, web browser per navigazione in

internet, ftp per trasferimento file

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Collegamenti• In una rete gli elaboratori sono fisicamente

collegati mediante un mezzo trasmissivo– Il mezzo di trasmissione incide sui costi e sulle

prestazioni del sistema

• Tipologia dei mezzi di comunicazione– Mezzi elettrici– Onde radio– Mezzi ottici

• Le prestazioni sono limitate da– Attenuazione del segnale lungo la linea– Rumore (sovrapposizione di segnali spuri)

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Trasmissione dei dati• L’informazione è codificata in stringhe di bit

– Unità di informazione: byte (stringa di 8 bit)

• Trasmissione seriale– I bit sono trasmessi in sequenza lungo una

sola linea

• Trasmissione parallela– I bit arrivano parallelamente su 8 linee distinte

• Necessità di sincronizzare le varie linee

– Più veloce di quella seriale– Più canali di trasmissione quindi aumento costi

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Trasmissione parallela e seriale• Trasmissione della stringa: 01010001

Trasmissione parallela0

1 0

1 0

0 0

1Trasmittente

1 0 0 0 1 0 1 0Ricevente

0 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 1Trasmittente Ricevente

Trasmissione seriale

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Velocità di trasmissione• La velocità di trasmissione di un sistema si

misura in bit per secondo (bps)– Si usano frequentemente multipli

• Kbps (103)• Mbps (106)

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Velocità di trasmissione• Esempio:

– Per vedere sul monitor un filmato di qualità televisiva occorre una risoluzione di almeno 640x480 pixel = 307200 pixel

– Se utilizziamo 8 bit per codificare il colore di un pixel, la visualizzazione di un solo fotogramma richiede 307200x8 bit = 2457600 bit

– Per avere l’impressione del movimento bisogna visualizzare 30 fotogrammi al secondo

– Quindi per vedere un film sul computer occorre un mezzo di trasmissione con una velocità di 73Mbps

• Molto grande! Fortunatamente esistono tecniche di compressione per ridurre il numero di bit necessari a visualizzare un fotogramma

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Tecnologie di collegamento• Doppino telefonico

– Coppia di fili di rame– Velocità di trasmissione: 9600 bps– Semplice ed economico (sfrutto cavi telefonici

esistenti), usato per reti locali

• Coppia di cavi coassiale– Minore sensibilità al rumore– Velocità di trasmissione fino a 1 Mbps

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Tecnologie di collegamento• Fibre ottiche

– La luce viaggia per riflessione in tubicini di vetro filato (diametro circa 10 micron) ricoperto di materiale opaco

– Robuste, flessibili, di piccole dimensioni– Permettono la trasmissione lungo grandi

distanze ad alta velocità (Gbps)– Immunità al rumore– Costi elevati

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Tecnologie di collegamento• Ponti radio o satellitari

– L’informazione viene trasmessa sotto forma di onde elettromagnetiche

– Occorre un dispositivo trasmettitore e un’antenna ricevente

– Permette la trasmissione a grandi distanze senza fili

– Costi elevati

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Architettura delle reti• Collegamento punto a punto

– Due nodi sono collegati direttamente

• Architettura a bus– Unica linea di trasmissione che collega i vari nodi della rete– Non fault-tolerant

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Architettura delle reti• Architettura a stella

– I nodi sono collegati a un elaboratore centrale (controllore della rete o host) che instrada i segnali dal nodo trasmittente a quello ricevente

• Un interruzione di un collegamento non pregiudica la rete

• L’elaboratore centrale è critico (va quindi sovradimensionato)

Host

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Architettura delle reti• Architettura ad anello

– I messaggi viaggiano in un solo senso• Un interruzione di un collegamento blocca la rete

– L’anello viene raddoppiato per consentire la trasmissione nei due sensi

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Topologie di collegamento• Architettura a maglia

– Ogni nodo della rete collegato con più nodi– Maglia completa: se ogni nodo è collegato con

ogni altro nodo– E’ fault-tolerant– Costosa– E’ l’architettura di Internet (a maglia

incompleta)

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Tipologie di rete• A seconda dell’estensione della rete (cioè

della distanza che intercorre tra le varie unità connesse in rete) si parla di:– CAN

• Cluster Area Network

– LAN• Local Area Network

– MAN • Metropolitan Area Network

– WAN • Wide Area Network

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CAN• Nell’ambito di una stanza diverse unità di

calcolo possono essere collegate fra loro e si dice che costituiscono un cluster

• Si dice anche che costituiscono una rete CAN (Cluster Area Network) – una rete che si estende su distanze di qualche

metro

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LAN• Quando i dispositivi in rete si trovano nello

stesso edificio si dice che costituiscono una rete locale o LAN (Local Area Network)

• Una LAN: – Copre distanze dell’ordine delle centinaia di metri– Usa mezzi trasmissivi dedicati e privati

• Non attraversa il suolo pubblico• Si usano doppini in rame, cavi coassiali o fibre ottiche• Velocità di connessione tipica: 100 Mbps

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LAN: cablaggio• Un edificio che deve ospitare una LAN

deve essere appositamente cablato– Bisogna prevedere e predisporre tutti i

collegamenti per la connessione in rete degli utenti

• Si possono realizzare ponti radio e avere una wireless LAN– Una stazione centrale collegata alla rete

trasmette segnali radio– Con una wireless un portatile può essere

spostato in diversi uffici senza l’intralcio dei cavi

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LAN: servizi• Già in una LAN è possibile avere tutta una

serie di servizi quali– Posta elettronica– Condivisione delle periferiche

• Stampanti, dischi rigidi

– Condivisione dei file• Velocità nello scambio di informazioni, possibilità di

lavoro di gruppo sugli stessi dati

– Applicazioni di rete

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LAN: elementi• In una LAN distinguiamo alcuni elementi

fondamentali:– Nodo

• Qualsiasi dispositivo hardware capace di comunicare con gli altri elementi della rete

– Hub (o concentratore)• Pannello di connessione dei vari nodi che permette

di instradare i segnali inviati da un nodo a un altro

– Dorsale• Cavo ad alta capacità a cui possono essere

connessi più nodi o hub e che trasporta grandi quantità di dati

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LAN: server e client• In una rete locale distinguiamo uno o più

computer server e un certo numero di computer client

• Il server è il computer più potente del sistema da cui dipendono i client– Contiene i dati, i programmi, e permette la

connessione tra i vari dispositivi– Abbiamo già visto come esempi il file server e

il print server

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Struttura client/server• Con la rete si può realizzare uno schema di

elaborazione distribuita– Il client utilizza le risorse del server

• Un programma viene suddiviso in tre parti logiche– Modulo di presentazione (parte di interfaccia

con utente)– Modulo logico-funzionale (specifica compiti del

programma)– Modulo di gestione dati (esegue il programma)

• Ex.: banche dati

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Struttura client/server• Front-end sul client, back-end sul server

– Il modulo di back-end può servire in contemporanea più moduli front-end (cioè più utenti)

Modulopresentazione

Mod. logico-funzionale

Client 1RETE

Mod. logico-funzionale

Mod. gestionedati

Server

Back-end

Front-end

Modulopresentazione

Mod. logico-funzionale

Client 2Front-end

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LAN: accesso alla rete• Un dispositivo per poter accedere a una LAN

deve avere innanzitutto una scheda di interfaccia rete detta adattatore LAN– Nel caso dei PC si tratta di schede PCI

• Occorre poi un metodo di accesso alla rete o MAC (Media Access Control)– Ex.: sistema di accesso Ethernet

• Sviluppato dalla XEROX negli anni 70 per collegare i computer alle stampanti

• I nodi interrogano la rete ,e solo se è libera provano a spedire i dati

• Il primo a trasmettere acquisisce il controllo della rete• Oggi: Gigabit Ethernet e Fast Ethernet

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MAN• MAN (Metropolitan Area Network)

– Permette di estendere i servizi di rete a un’intera area metropolitana

– Forniscono servizi di vario tipo• Ex.: interconnessione di computer, telefonia, TV via

cavo

– Possono essere reti private e pubbliche

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WAN• WAN (Wide Area Network)

– Dette anche reti geografiche– I nodi si trovano a notevoli distanze reciproche– Si appoggiano tipicamente alle linee

telefoniche– Una WAN consente il collegamento delle reti

locali e metropolitane

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Protocollo di trasmissione• Il protocollo è l’insieme di regole che

specificano l’interazione tra i vari nodi della rete per lo scambio di informazioni

• Ad esempio: protocollo TCP/IP– Inizialmente il protocollo di Internet– A causa del successo di Internet è diventato

uno standard universale

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Internet• Negli anni ’60 il dipartimento della difesa

americano vara un progetto con l’obiettivo di garantire un sistema di trasmissione di messaggi anche in caso di guerra atomica

• Nasce ARPAnet (Advanced Research Project Agency Network)– Rete ad architettura decentrata con nodi

totalmente autonomi

• Nel 1983 ARPAnet viene divisa in MILnet (la rete militare) e NSF (National Science Foundation, la rete universitaria)

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Internet• La separazione permette alla rete universitaria di

svilupparsi in maniera libera e aperta• I ricercatori sviluppano un sistema

hardware/software per permettere la comunicazione tra reti diverse (cioè che usano elaboratori e protocolli diversi)– Ogni rete preesistente viene dotata di un computer

(detto router) dotato di questa tecnologia– Tutti i router dovevano poi essere collegati tra loro– Quindi il trasferimento dei dati tramite Internet può

avvenire solo attraverso i router

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Internet• Fine anni ’80: al CERN nasce il World

Wide Web (WWW)– Consente l’organizzazione ipertestuale delle

informazioni– Anni ’90: sviluppo tecnologie + diminuzione dei

costi• Diffusione capillare di Internet

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Protocollo TCP/IP• Transmission Control Protocol / Internet

Protocol (TCP/IP)– Regole che specificano le modalità di

trasmissione e trasferimento dei dati dal nodo di partenza al nodo di arrivo

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Protocollo TCP/IP• La componente TCP sul computer

trasmittente scompone i dati e li inserisce in pacchetti che verranno poi trasferiti in rete

• La componente TCP sul computer ricevente ricostruisce i dati a partire dai pacchetti ricevuti

• La componente IP indirizza i pacchetti, sceglie la strada migliore per farli arrivare a destinazione e ne garantisce la corretta trasmissione

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Indirizzo di un nodo Internet• In Internet un elaboratore (nodo della rete)

è identificato univocamente tramite un indirizzo IP (detto anche IP address o host number)– Codice del tipo nnn.nnn.nnn.nnn che specifica

la rete di appartenenza e il numero identificativo del singolo elaboratore

– Ogni terna nnn va da 0 a 255• Esempio di indirizzo IP: 192.184.1.1

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Indirizzo di un nodo Internet• Problema: difficoltà di memorizzazione degli

indirizzi IP• E’ pertanto utile associare un indirizzo simbolico

(cioè un nome) a ogni elaboratore– Necessità di un database (Domain Name System,

DNS) dove a ogni nome è associato il corrispondente IP

– Il lavoro del DNS è molto complesso ed è eseguito da molti computer distribuiti su tutta la rete

– Continuamente aggiornato dai gestori delle reti

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Domini internet• Un insieme di nodi Internet prende il nome di

dominio– Tipicamente corrisponde al livello nazionale

• .it per Italia, .fr per Francia

– Negli USA sono invece tipologici• .com (dominio per siti commerciali)• .gov (dominio per siti governativi)• .edu (per siti universitari)

• Ogni dominio è assegnato a un ente che gestisce i nomi dei nodi al suo interno

• Esistono anche sottodomini la cui gestione è affidata ad enti locali

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Domini internetpzuniv.unibas.it

dominio

sottodominio

nome elaboratore

lxplus.na.infn.it

dominio

sottodominio

nome elaboratore

sottodominio

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Il World Wide Web• Alla fine degli anni ’80 al CERN c’e’ la

necessità di un sistema che permetta di condividere informazioni tra i fisici (sparsi nel mondo) che lavorano negli esperimenti in corso

• Tim Berners-Lee realizza il World Wide Web (WWW)– Il WWW Si diffonde a partire dal 1994– Consente l’organizzazione ipertestuale delle

informazioni

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L’ipertesto• L’ipertesto è un documento elettronico

formato da testo, suono e filmati con organizzazione non sequenziale– Nel testo esistono collegamenti (link) ad altri

documenti in Internet logicamente collegati a cui l’utente può accedere

• Possibilità di saltare da un documento a un’altro collegato anche se si trova fisicamente su un’ultra macchina

• Il WWW permette di vedere la rete come un unico ipertesto distribuito

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Ingredienti del WWW• Il WWW si basa su:

– Un protocollo per il trasferimento dei dati• HTTP (HyperText Transfer Protocol)

– Un linguaggio per la creazione di un ipertesto• HTML (HyperText Markup Language)• Specifica come rappresentare il testo, dove

posizionare le immagini, le destinazioni dei link, ecc.

– Programma per “navigare” nel WWW• Browser (Ex.: Internet Explorer, Mozilla, Netscape

Navigator)• Un browser ricostruisce sul momento l’ipertesto

seguendo le indicazioni del linguaggio HTML

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URL• Ogni risorsa nel WWW è identificata con un

nome– URL (Uniform Resource Locator) o indirizzo web

• tipo://indirizzo/percorso/oggetto– Il tipo indica il protocollo di trasferimento dei dati o il

tipo di servizio richiesto• http, ftp, file, …

– L’indirizzo è il nome dell’elaboratore che contiene la risorsa

– Il percorso è il path logico della risorsa– L’oggetto rappresenta il nome della risorsa– Ex.: http://www.na.infn.it/...

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Motori di ricerca• Come faccio a trovare un documento nel

web relativo a un certo argomento?– Non posso conoscere tutti gli URL…– Esistono i cosiddettti motori di ricerca

• Siti web che permettono di effettuare ricerche automatiche di documenti nel web in seguito a richieste dell’utente

• Google, Yahoo, Virgilio, …