Reti di Calcolatori ed Internet

Trasferimento dell’Informazione

Una rete trasporta informazioni a distanza mettendo a disposizione risorse di comunicazione

Le risorse di comunicazione sono messe a disposizione in tutti i componenti di rete attraversati dalla sorgente alla destinazione

Un’utilizzazione efficiente della rete richiede che la quantità di risorse dedicata al trasporto delle informazioni sia rapportata alle caratteristiche delle informazioni da trasportare

Mezzi di trasmissione dati Linea telefonica analogica (il doppino).

– Modem su linea telefonica commutata 56 kbit/s

– ISDN 128 kbit/s

– ADSL 640 kbit/s, fino ad alcuni Mbit/s

Cavo coassiale– Su brevi distanze 107 bit/s

– Su lunghe distanze 105 bit/s

Fibra ottica 10 Gbit/s Onde elettromagnetiche

– BlueTooth (brevissime distanze) 700 kbit/s

– WiFi (decine/centinaia di metri) 56 Mbit/s

– Via satellite

Modulazione e demodulazione Modulazione: segnale digitale segnale analogico Demodulazione: segnale analogico segnale digitale La linea telefonica trasporta un segnale analogico (segnale

portante) che viene modulato in modo da trasportare uno 0 oppure un 1

Tecniche di modulazione del segnale portante:– Frequenza

– Fase

– Ampiezza

Modulazione di frequenza

0 1 0 1 1

Segnale digitale da trasmettere

Portante

Segnale modulato in frequenza

Trasmissione dati

Modem: MOdulatore, DEModulatore Linee dedicate (connessione permanente) o commutate

(connessione temporanea, es. telefono) Linee simpex (monodirezionali), half-duplex (senso unico

alternato), full-duplex (bidirezionali)

Collegamento dei terminali

Reti di calcolatori

Le reti di calcolatori collegano elaboratori, detti “nodi della rete”, situati ad una cerca distanza fra di loro, fornendo a ciascuno di essi vari “servizi di rete”, ossia funzionalità disponibili a tutti i calcolatori della rete stessa

Ogni rete è basata su di una certa topologia. Essa descrive le modalità con le quali si scelgono i calcolatori da connettere direttamente tra loro

Infatti, in una rete avrò:– Calcolatori connessi direttamente– Calcolatori che, per poter comunicare, devono far passare i

messaggi attraverso altri elaboratori

Topologia Nodo centrale che inoltra i messaggi

+ Semplice

+ Più nodi possono comunicare contemporaneamente

- Collo di bottiglia (nodo centrale…)

- Vulnerabile ai guasti del nodo centrale e della rete (unico collegamento)

Stella

• Nessun nodo centrale: treni di messaggi+ Nessun collo di bottiglia

+ Più nodi possono comunicare contempor.

+ Meno vulnerabile ai guasti della rete e di altri nodi (inversione direzione)

- Più complesso

- Più nodi da attraversare

Anello

Topologia• Nessun nodo centrale

+ Semplice

+ Nessun nodo da attraversare

- Vulnerabile ai guasti della rete

- Solo due nodi alla volta possono comunicare

• Nessuna topologia precisa+ Resistente ai guasti (se routing dinamico)

+ Più nodi possono comunicare contemporaneamente

- Complesso

- Più nodi da attraversareIrregolare

Bus

Topologia

Le topologie a stella, anello e bus sono usate soprattutto nell’ambito delle reti locali (LAN – Local Area Network)

La topologia irregolare è molto diffusa tra le reti geografiche (WAN – Wide Area Network)

I messaggi Le informazioni scambiate tra i nodi sono

strutturate in messaggi Ogni messaggio contiene i dati da comunicare

ed un certo insieme di informazioni di controllo

Spesso la quantità di dati (byte) che è possibile inserire in un messaggio è fissa. Se un nodo deve inviarne un numero maggiore, è necessario utilizzare più messaggi

I Messaggi (o pacchetti)

Ogni pacchetto viene completato con una testata (header) che contiene la seguenti informazioni:

Mittente: l’indirizzo IP del computer che spedisce il pacchetto Destinatario: l’indirizzo IP del computer a cui il pacchetto viene spedito. Lunghezza: la lunghezza del pacchetto in byte. Numero: il numero totale di pacchetti nel messaggio completo. Sequenza: il numero di sequenza del pacchetto nella lista dei pacchetti del messaggio e in numero di ECC.

Vantaggi: Conosciamo il numero di pacchetti ricevuti/persi Possiamo chiederne la ritrasmissione Presenza di ERROR CORRECTION CODE

Struttura dei messaggi

La struttura dei messaggi dipende dallo standard utilizzato ma è possibile dare una descrizione generale:

Fin

e m

essa

ggio

Car

atte

ri d

i co

ntro

llo

Dat

i da

invi

are

Des

tinat

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Mitt

ente

Iniz

io

mes

sagg

io

IntroduzioneParte utile del messaggio

Sequenza di controllo

Tecniche di Switching (1/2)Orientate alla connessione: viene instaurato un collegamento fisico (link)tra gli utenti che si scambiano l’informazione (es. rete telefonica)

Senza connessione: l’informazione è incapsulata in entità, dette datagrammi o pacchetti, che giungeranno a destinazione attraverso la rete ognuna con un proprio percorso (es. servizio postale)

Il protocollo TCP/IP, uno dei protocolli di rete più utilizzati, sfrutta entrambe le configurazioni:

TCP: protocollo orientato alla connessioneIP: protocollo senza connessione

Comunicazione con Connessione(Connection Oriented)

Strutturazione in tre fasi temporali (instaurazione, trasferimento, abbattimento)

Negoziazione dei parametri di trasferimento

Uso di identificatori di connessione Garanzia ad instaurazione avvenuta del

trasferimento delle informazioni Rispetto della sequenza del flusso

informativo

Comunicazioni senza Connessione (Connectionless)

Una fase temporale Assenza di negoziazione Non c’è garanzia dell’arrivo dei pacchetti

informativi I pacchetti informativi possono arrivare

anche in fuori sequenza

Tecniche di Switching (2/2)

Connection-Oriented Connectionless

CircuitSwitched Datagram SwitchingVirtual Circuit

Cell Switching Message SwitchingPacket Switched

Circuit Switching: sistema orientato alla connessione in cui un circuito fisico viene instaurato tra mittente e destinatario.

Packet Switching: l’informazione è inviata sottoforma di pacchetti. Se i pacchetti sono instradati dalla rete l’uno indipendentemente dall’altro (datagrams) il sistema è connection-less; viceversa se i pacchetti fanno parte di una sequenza, la commutazione è a circuito virtuale.

• Il servizio (chiamata) si articola in 3 fasi:– Instaurazione– Dati– Svincolo

• La banda richiesta per il trasporto delle IU viene riservata in modo esclusivo durante la fase di instaurazione

• Svantaggio: Utilizzo inefficiente delle risorse in presenza di sorgenti a rate fortemente variabile (bursty)

• Vantaggio: Non sono necessari meccanismi di bufferizzazione presso i nodi di commutazione (ritardi di accodamento nulli)

Reti circuit switching

• La banda richiesta per il trasporto delle IU non viene riservata in modo esclusivo

• La banda globalmente prenotata su un canale può essere superiore alla capacità del canale

• Elevata Utilizzazione delle risorse• Paradigma Store & Forward (ritardi di accodamento

non nulli)• 2 Servizi previsti:

– A Circuito Virtuale (Connection oriented)– A Datagramma (Connectionless)

Reti packet switching

Vantaggi e Svantaggi

Circuit Switching

informazione trasferita in maniera sicura

ritardi di trasferimento costanti e trascurabili

alta inefficienza, spreco della capacità di canale

Packet Switching la rete è utilizzata solo se c’è informazione da trasmettere

Message Switching

Cell Switching

ritardi variabili

spreco di risorse hardware

ritardi costanti

bassa complessità

inefficiente con celle molto grandi

Datagram Switching: l’header del pacchetto deve contenere gli indirizzi del mittente e del destinatario, le informazioni di routing ed un numero di sequenza

Virtual Circuit: maggiore efficienza dovuta alla minore dimensione dell’header del pacchetto da trasmettere lungo il circuito virtuale instaurato

Routing

Uno dei punti chiave di una comunicazione è come far transitare i dati da un punto all’altro della rete. La scelta del percorso da compiere è parte dell’algoritmo di routing che caratterizza una determinata rete.

Idealmente si vorrebbe un algoritmo di routing corretto, semplice, robusto e poco complesso in termini di risorse occupate e costi di rete.

Uno dei migliori algoritmi di routing è la scelta del percorso più breve (shortest path) tra due nodi della rete. In termini di link, distanza, ritardi costi di rete, non sempre il percorso più breve tra due nodi è quello composto dal minor numero di collegamenti.

Routing e minimo percorso

Per andare da P ad A qual è il percorso migliore?

Routing dei messaggi• Se due nodi non sono connessi direttamente, il

messaggio dovrà attraversare nodi intermedi• I nodi intermedi dovranno ricevere il messaggio e

rispedirlo verso un nodo a loro connesso e più vicino alla destinazione (routing o instradamento)

• Il caso più complesso è quello di una rete con topologia irregolare

A B

X Y • Se A vuole comunicare con B, deve passare attraverso X, oppure attraverso X e Y

• Il nodo X deve decidere quale strada usare (routing statico o dinamico)

Protocolli di rete Un protocollo stabilisce le regole di comunicazione che

debbono essere seguite da due interlocutori– A: Chiamata per B– B: Pronto, chi parla?– A: Sono A, sei pronto a ricevere dati?– B: Sì– A: Ecco i dati … bla bla bla … fine dei dati– B: Dati ricevuti con successo– A: Ciao– B: Ciao

Il protocollo stabilisce cosa fare in tutte le situazioni che possono verificarsi (errori, ecc.)

Deve essere conosciuto dai due interlocutori (quindi, deve essere uno standard)

Un esempio….L’esempio è tratto da libro di A. S. Tanenbaum Computer Networks.

Due biologi, uno in Svezia e uno in India, devono comunicare tra di loro. Poiché non hanno un linguaggio in comune, ambedue assumono un interprete, ognuno dei quali contatta a sua volta un tecnico delle trasmissioni. Lo scienziato svedese vuole comunicare allo scienziato indiano il suo affetto per i conigli. Per far questo passa un messaggio (in svedese) al suo interprete, che lo traduce in “I like rabbits”. L’interprete dà il messaggio al suo tecnico che lo trasmette mediante telegrafo. Quando il messaggio arriva, viene tradotto in indonesiano e passato al biologo indiano.

Un esempio….L’esempio è tratto da libro di A. S. Tanenbaum Computer Networks.

I due biologi comunicano tra di loro, ma solo virtualmente; e così fanno i due interpreti; i due tecnici invece comunicano fisicamente tra di loro. La comunicazione virtuale tra i due biologi avviene in realtà scendendo attraverso le interfacce svedesi fino al livello più basso e risalendo a quello più alto dalla parte indiana. Ruoli importanti svolgono i protocolli di livello e le interfacce tra livelli.

Il modello ISO-OSI Lo standard ISO-OSI (Open System Interconnect)

include un insieme di protocolli che definiscono, a vari livelli di dettaglio, le regole di comunicazione

E’ spesso chiamato stack (pila) ISO-OSI

7. Livello applicazione Servizio di rete (trasferimento file, e-mail, …)

6. Livello presentazione Conversione formati (01/12/02 12/01/02)

5. Livello sessione Apertura e chiusura dialogo (Chiamata per B...Ciao) 4. Livello trasporto Segmentazione dati in più messaggi

3. Livello rete Routing (instradamento)

2. Livello collegamento dati Controllo correttezza messaggi (rispedisci se errori)

1. Livello fisico Specifiche Hw/Sw dipositivi fisici usati per connettere i nodi (Ethernet, cavo coassiale, …)

Modello OSI:

Ciascun strato usa il suo protocollo per comunicare con lo strato alla pari dell’altro sistema

Ciascun protocollo di strato scambia informazioni chiamate PDU (Protocol Data Units) tra strati alla pari

Il protocollo di strati alla pari usa i servizi degli strati sottostanti

Livelli del modello ISO-OSI

7

6

5

4

3

2

1

Applicazione

Presentazione

Sessione

Trasporto

Rete

Data Link

Fisico

Livello di Applicazione:

Fornisce, tramite un processo applicativo, l’interfaccia d’utente per l’accesso a servizi informativi distribuiti

Esempi di servizi:

Terminale Virtuale

Posta Elettronica

Trasferimento file

Gestione DataBase distribuiti

Livelli del modello ISO-OSI

7

6

5

4

3

2

1

Applicazione

Presentazione

Sessione

Trasporto

Rete

Data Link

Fisico

Livello di Presentazione: Consente l’interlavoro tra applicazioni che

rappresentano i dati utilizzando formati diversi

Le sue funzioni consistono nelle operazioni di trasformazione, formattazione e modifica della sintassi dei dati utilizzati

La sintassi con cui avviene lo scambio dei dati può essere quella di uno dei due sistemi interagenti, oppure una sintassi intermedia di trasferimento

Esempi di funzioni: Compressione dei dati Traduzione dei codici utilizzati per

rappresentare i dati Transcodifica a scopi di sicurezza

(encryption)

Livelli del modello ISO-OSI

7

6

5

4

3

2

1

Applicazione

Presentazione

Sessione

Trasporto

Rete

Data Link

Fisico

Livello di Sessione: Gestisce il dialogo e lo scambio dati tra entità di

presentazione Funzione di questo tipo si rendono necessarie

in quei casi in cui le applicazioni usano diversi modi di trasferimento delle informazioni, oppure quando occorre partizionare in sequenze più brevi un lungo scambio di informazioni attraverso una rete poco affidabile

Esempi di servizi di questo livello sono: Gestione Modalità Dialogo (es., un

terminale half-duplex interlavora con un’applicazione che opera in full-duplex)

Recupero del dialogo seguente ad un’interruzione del servizio di trasporto

Livelli del modello ISO-OSI

7

6

5

4

3

2

1

Applicazione

Presentazione

Sessione

Trasporto

Rete

Data Link

Fisico

Livello di Trasporto: Multiplazione (è il meccanismo per cui la

capacità disponibile di un collegamento viene condivisa tra diversi canali trasmissivi)

Demultiplazione Indirizzamento delle unità dati (indirizzo di

porta) Segmentazione e Riassemblaggio delle unità

dati Controllo di Flusso Controllo degli errori

Livelli del modello ISO-OSI

7

6

5

4

3

2

1

Applicazione

Presentazione

Sessione

Trasporto

Rete

Data Link

Fisico

Livello di Rete: Sovraintende al trasferimento di informazioni

lungo una sequenza di nodi attraverso la rete. Maschera al livello di trasporto la tecnica di

commutazione utilizzata. Funzioni:

Instradamento Interlavoro tra porzioni eterogenee di

rete Controllo di flusso per prevenire la

congestione Multiplazione di più connessioni di rete

su un unico collegamento dati

Livelli del modello ISO-OSI

7

6

5

4

3

2

1

Applicazione

Presentazione

Sessione

Trasporto

Rete

Data Link

Fisico

Livello Data-link: Svolge la funzione di trasferimento dati privo di

errori tra due nodi adiacenti lungo un collegamento trasmissivo. Funzionalità:

Rivelazione errori Recupero frame persi Controllo di flusso Controllo di accesso al collegamento

Livelli del modello ISO-OSI

7

6

5

4

3

2

1

Applicazione

Presentazione

Sessione

Trasporto

Rete

Data Link

Fisico

Livello Fisico: Svolge tutte le funzioni necessarie a

interfacciare il sistema con il mezzo fisico: Gestione topologia Gestione procedure di trasmissione Codifica dei bit mediante segnali elettrici/ottici

Ogni livello definisce dei protocolli che gestiscono, a quel livello di dettaglio, la comunicazione

Ciascun livello rappresenta una macchina astratta Ogni livello (macchina astratta) dello stack

assume di “parlare” con il medesimo livello (macchina astratta) dell’altro nodo ed è completamente ignaro di ciò che succede sotto di lui

E’ un modello di riferimento, i protocolli reali spesso implementano solo parzialmente lo stack

Il modello ISO-OSI

Il modello ISO-OSI

L7 L7Invia file “pippo.txt” Ricevi file

L6 L6Converti file Converti file

L5 L5Apri dialogo Chiudi dialogo

L4 L4Segmenta file Ricomponi file

L3 L3Invia msg1, msg2, … Ricevi msg1, msg2, …

L2 L2Aggiungi dati controllo Verifica messaggi

L1 L1Connessione fisica Connessione fisica

Il flusso dei dati, in realtà, “scende” lungo lo stack del nodo mittente e “risale” lungo lo stack del nodo destinatario

Durante la trasmissione:– Ogni livello aggiunge informazioni o modifica quelle

provenienti dal livello superiore e le passa al livello inferiore

Durante la ricezione:– Ogni livello estrae le informazioni di suo interesse e

passa quelle rimanenti al livello superiore

Il modello ISO-OSI

Mittente L6

L5

L4

L3

L2

L1

L7

L6

L5

L4

L3

L2

L1

L7

Rete fisica

Destinatario

Per es. invio filepippo.txt

Il modello ISO-OSI

Il Modello TCP/IP Modello a strati di riferimento per Internet Prende il nome da due dei suoi protocolli più importanti:

– Transmission Control Protocol (TCP)

– Internet Protocol (IP)

Trasporto

Rete

Network Access

Applicazione

Livelli del TCP/IP

TCP/IP e ISO/OSI: confronto

Trasporto

Rete

Network Access

Applicazione

7

6

5

4

3

2

1

Applicazione

Presentazione

Sessione

Trasporto

Rete

Data Link

FisicoTCP/IP

ISO/OSI

Entità del TCP/IP

Trasporto

Rete

Network Access

Applicazione HTTP-FTP-Telnet-DNS-POP3/IMAP 

SMTP-BGP-SNMP-RIP-RTP

TCP-UDP

IP-ICMP

Ethernet-IEEE 802.3-IEEE 802.5-FDDI-ISDN

Frame Relay-IEEE 802.11-SONET/SDH-PPP-HDLC

SLIP/CSLIP-xDSL

Panoramica sui livelli del TCP/IP

Trasporto

Rete

Network Access

ApplicazioneLivello delle Applicazioni: Incorpora tutte le funzionalità dell’omonimo

livello ISO/OSI Ove necessario provvederà a fornire anche

servizi tipici dei livelli di sessione, presentazione e trasporto

Panoramica sui livelli del TCP/IP

Trasporto

Rete

Network Access

ApplicazioneLivello di Trasporto: User Datagram Protocol (UDP): fornisce un

servizio inaffidabile e non orientato alla connessione. La sua unica funzione è quella del multiplexing.

Transmission Control Protocol (TCP): fornisce un servizio affidabile e orientato alla connessione. Funzioni:

Controllo di Flusso Controllo di Congestione Ritrasmissione di PDU perse o corrotte Consegna nella corretta sequenza delle

unità dati

Panoramica sui livelli del TCP/IP

Trasporto

Rete

Network Access

ApplicazioneLivello di Rete: Internet Protocol (IP): è il collante di Internet

Offre un servizio non affidabile e non orientato alla connessione. Funzioni:

Instradamento Internet-working

Internet Control Message Protocol (ICMP): consente lo scambio di informazioni di servizio tra nodi della rete

Panoramica sui livelli del TCP/IP

Trasporto

Rete

Network Access

ApplicazioneLivello di Accesso alla Rete: Il modello TCP/IP non pone alcun

vincolo o requisito per tale livello

Racchiude tutte le funzionalità specifiche della particolare tecnologia fisica utilizzata per il trasporto delle PDU dell’IP

Un esempio di LAN: ethernet E’ una rete a bus (ma non solo…) Serve un’interfaccia da installare sul PC (NIC) 10 Mbit/s, 100 Mbis/s (fast-ethernet) , 1000 Mbit/s (giga-

ethernet) Usa cavi a doppino, coassiali o ottici di lunghezza limitata Solo un nodo per volta può occupare il bus e trasmettere i

dati Un nodo non ha modo di sapere quando gli altri nodi

inizieranno a trasmettere Se due nodi trasmettono contemporaneamente?

Si usa un protocollo detto “Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection” (CSMA/CD)

Ethernet: struttura a bus

Ethernet: protocollo CSMA/CD

Si pone al livello 1 dello stack ISO-OSI I passi eseguiti dal protocollo sono:

– Ogni nodo che fa parte della rete “ascolta” (carrier sense) per vedere se essa è libera o occupata

– Se nessuno trasmette, tutti i nodi possono iniziare una comunicazione (multiple access): non c’è alcun nodo privilegiato rispetto agli altri

– Se capita che più nodi inizino effettivamente a trasmettere insieme, gli stessi si accorgono del problema (collision detection), si fermano, aspettano un intervallo casuale (piccolo) di tempo e ritrasmettono il messaggio

Architettura client/server Indica una modalità particolare di accesso alle

funzionalità offerte da una rete E’ Indipendente dalla topologia della rete Una macchina particolare (detta server) offre una serie di

servizi (disco condiviso, stampanti, database, ecc.) ed aspetta richieste

Le altre macchine (dette client) utilizzano i servizi offerti dal server

Quindi, il server generalmente si limita ad attendere che qualcuno lo contatti. Sono sempre i client ad iniziare il dialogo (chiedendo un certo servizio)

E’ molto usata. Anche in ambito Internet (DNS, Web,…)

Architettura client/server Più client possono contattare contemporaneamente

lo stesso server Il server gestisce una coda di richieste nella quale

accoda i messaggi provenienti dal client ed estrae quello che, in un dato istante, elaborerà

Rete logica

Cli

ent

Cli

ent

Per es. un sito Web

Server

Telefonia mobile Divisione del territorio

in celle

Ogni stazione assegnaspecifiche frequenzedi trasmissioneStazioni adiacenti gestisconolo spostamento di un utenteda una cella ad un’altraGenerazioni:

1a: TACS; analogici2a: GSM; digitali, introduzione della SIM card3a: UMTS; digitali, alta velocità multimediali

Stazione radio Stazione radio

Stazione radio

Sistemi transazionali transazione applicativa: ciascuna unità di

interazione con il sistema in cui viene effettuata un’operazione elementare

Tipicamente, sono brevi unità di esecuzione Molto spesso, la transazione richiede anche

trasmissioni di dati (una o più transazioni ACID) Tipicamente, si richiede che siano eseguite in tempi

brevi Nelle applicazioni finanziarie, ciascuna transazione

informatica corrisponde a una transazione economica correttezza e sicurezza

Sistemi transazionali: Bancomat

Gestito dai Centri Informativi regionali delle varie banche Coordinati dalla SIA (Società Interbancaria per

l’Automazione) ATM (Automatic Teller Machine); carta magnetica Tre casi di richieste di denaro:

– Richieste provenienti da carte emesse dalla banca pagante verifica locale, senza scambi interbancari

– Richieste provenienti da carte emesse da una banca pagante gestita dallo stesso CI autorizzazione da parte di quel CI

– Richieste provenienti da carte emesse da una banca pagante gestita da un diverso CI il CI della banca emittente verifica la validità della carta

Centro informativobanca emittente

Centro informativobanca pagante

Banca pagante ATM Utente

Banca emittente

Emissione della carta e delcodice personale segreto

Richiesta diautorizzazione on-line.

Caso 1+2+3

Richiesta di autorizzazioneon-line. Caso 2+3

Richiesta di autorizzazioneon-line. Caso 3

Sistemi transazionali: Bancomat