A0912

Tecnologiedi

Internetworking

Attilio Giorgi

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ISBN 88–7999–739–4

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I edizione: luglio 2004

a Ivana

Indice 1

8 Capitolo I

72 Capitolo II

123 Capitolo III

169 Capitolo IV

283 Capitolo V

369 Capitolo VI

393 Capitolo VII

422 Capitolo VIII

451 Appendice

455 Bibliografia

481 Indice analitico

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CAPITOLO 1

Reti di calcolatori

Si definisce rete di computer (o network) un insieme di almeno tre computer connessi tra loro in modo diretto. I computer in rete possono scambiare tra loro i dati, senza l’intervento di dispositivi esterni alle macchine stesse, sfruttando la connessione che tra loro intercorre. Generalmente, il mezzo comunicativo tra i computer in rete è costituito da un cavo in rame o fibre ottiche, ma esistono reti di computer collegati via etere, con una tecnologia senza fili (wireless). Moltissimi sono gli usi delle reti di elaboratori, sia per le organizzazioni che per i singoli individui. • Per le organizzazioni:

o condivisione risorse: si possono rendere disponibili a chiunque programmi e informazioni anche a distanza di migliaia di km;

o affidabilità: si ottiene mettendo in rete sorgenti alternative delle risorse (ad es. duplicando le applicazioni ed i dati su più computer, applicando il criterio della ridondanza). È importante in sistemi che devono funzionare a tutti i costi (traffico aereo, centrali nucleari, sistemi militari, banche);

o diminuzione dei costi: una rete di personal computer costa molto meno di un mainframe. A volte, alcuni elaboratori sono più potenti ed offrono agli altri dei servizi (modello client-server, vedi figura 1.1);

o scalabilità: si possono aumentare le prestazioni del sistema aumentando il numero di elaboratori (entro certi limiti);

o comunicazione fra persone: è possibile inviarsi messaggi, scambiarsi file ed altro ancora.

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Figura 1.1: il modello client-server

• Per i singoli individui: (di solito da casa propria tramite “fornitori

di accesso”):

o accesso ad informazioni remote, come:

accesso a servizi bancari; acquisti da casa; navigazione sul World Wide Web;

o comunicazioni fra persone:

posta elettronica; videoconferenza; gruppi di discussione;

o divertimento:

video on demand (selezione e ricezione via rete di un qualunque spettacolo tratto da un catalogo);

giochi interattivi (contro computer o avversari umani). Due parametri sono utili per definire le caratteristiche di una rete, anche se non esiste una tassonomia universalmente accettata: 1. tecnologia trasmissiva. Esistono due tipologie per quanto riguarda la tecnologia trasmissiva:

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• reti broadcast; • reti punto-punto.

Le reti broadcast sono dotate di un unico “canale” di comunicazione che è condiviso da tutti gli elaboratori. Brevi messaggi (spesso chiamati pacchetti) inviati da un elaboratore sono ricevuti da tutti gli altri elaboratori. Un indirizzo all’interno del pacchetto specifica il destinatario.

Figura 1.2: rete broadcast

Quando un elaboratore riceve un pacchetto, esamina l’indirizzo di destinazione; se questo coincide col proprio indirizzo il pacchetto viene elaborato, altrimenti viene ignorato. Le reti broadcast, in genere, consentono anche di inviare un pacchetto a tutti gli altri elaboratori, usando un opportuno indirizzo (broadcasting). In tal caso tutti i nodi della rete prendono in considerazione il pacchetto. Un’altra possibilità è quella di inviare il pacchetto ad un sottoinsieme degli elaboratori della rete (multicasting). In tal caso, solo gli elaboratori di tale sottoinsieme lo prendono in considerazione mentre gli altri lo ignorano. In questo caso, un bit dell’indirizzo indica che si tratta di una trasmissione in multicasting. I rimanenti (n-1) bit dell’indirizzo rappresentano l’indirizzo del gruppo destinatario. Le reti punto-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.

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In generale (ma con molte eccezioni): • le reti geograficamente localizzate tendono ad essere broadcast; • le reti geograficamente molto estese tendono ad essere punto-

punto. Alcune eccezioni sono costituite da: • rete geografica realizzata via satellite (e quindi broadcast); • rete locale basata su ATM (e quindi punto-punto).

Figura 1.3: rete punto a punto

2. scala dimensionale Un criterio alternativo di classificazione è la scala dimensionale delle reti. In questo contesto si distingue fra reti locali (LAN), reti metropolitane (MAN) e reti geografiche (WAN). La distanza è un fattore molto importante poiché, a seconda delle scale dimensionali, si usano differenti tecniche di networking.

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Reti locali (LAN)

Le reti locali (Local Area Network, LAN), in genere:

• sono possedute da un’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 frequentemente utilizzate per connettere PC o workstation.

Tabella 1.1: classificazione delle reti

Distanza fra processori Ambito Tipo di rete

10 m. Stanza Rete locale 100 m. Edificio Rete locale 1 km. Campus Rete locale 10 km. Città Rete metropolitana 100 km. Nazione Rete geografica 1000 km. Continente Rete geografica

10.000 km. Pianeta Internet

(Rete geografica) Esse si distinguono dagli altri tipi di rete per tre caratteristiche: • dimensione: 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;

• tecnologia trasmissiva: come già accennato, le LAN sono in generale reti broadcast. Velocità di trasmissione tipiche sono da 10 a 100 Mbps (megabit al secondo, 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;

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• topologia: sono possibili diverse topologie: o topologia a bus: dispone i computer su una linea continua. Ciò

non significa che la linea debba essere effettivamente diritta, ma che il cablaggio va da un computer al successivo, da quest’ultimo al seguente e così via. Essendovi un nodo iniziale ed uno finale, una rete a bus lineare necessita di una terminazione a ciascun capo. In mancanza di tale terminazione, il segnale rimbalzerebbe all’indietro, dissestando o impedendo le comunicazioni sulla rete. Un capo di una rete a bus (ma non entrambi) dovrebbe anche essere messo a terra. Per evitare che i segnali elettrici si sovrappongano (collidano), in ogni istante solo un elaboratore può trasmettere, gli altri devono astenersi. Su una rete a bus, quando un computer invia un messaggio, questo attraverserà ogni computer collegato al bus. Ogni computer (o meglio, ogni scheda adattatore di rete, NIC) esaminerà l’intestazione del messaggio per determinare se è lui il destinatario, altrimenti il messaggio sarà scartato. La topologia a bus è intuitiva e semplice da realizzare, presenta costi contenuti, utilizzando meno cavo rispetto alle altre topologie. Questa topologia è anche conosciuta come passiva perché un computer non deve rigenerare il segnale per passarlo computer successivo. Ciò rende una rete vulnerabile al fenomeno dell’attenuazione, problema peraltro risolvibile con l’uso di ripetitori. Un altro svantaggio di questo tipo di reti sta nel fatto che se si danneggia il cavo (o se un utente decide di disconnettere il proprio computer dalla rete), si perde il segnale di linea, rendendo inservibile l’intera rete.

o topologia ring (ad anello): la linea continua che connette i computer è chiusa. In un anello, ogni computer è connesso a due altri computer ed il segnale può viaggiare continuamente in circolo. Non esistono né sono necessari terminatori. Su una rete ad anello il segnale viaggia in una sola direzione. Ogni computer riceve il segnale dal suo vicino upstream (che lo procede nel senso di percorrenza del segnale) e lo invia al suo vicino downstream (che lo segue). L’anello è una topologia attiva perché ciascun computer riceve il segnale completo prima di

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ritrasmetterlo al suo vicino. I problemi che si verificano su una rete ad anello sono relativamente semplici da risolvere e la sua installazione è semplice come quella di una rete a bus. Purtroppo, la topologia d’anello soffre di alcuni inconvenienti tipici anche di quella a bus. Se l’anello non subisce interruzioni, si tratta di una topologia affidabile, se invece si verifica una lesione od una disconnessione sul cablaggio, in qualsiasi punto, tutte le comunicazioni di rete sono ridotte al silenzio. Un altro svantaggio dell’anello consiste nella difficoltà di aggiungere nuovi computer alla rete.

o topologia a stella: si implementa collegando ogni computer ad un hub centrale. Il concentratore può essere attivo, passivo o intelligente. Un hub passivo è un semplice punto di connessione e non richiede alimentazione elettrica. Un hub attivo è in realtà un ripetitore dotato di più porte che amplifica il segnale prima di passarlo al computer successivo. Un hub intelligente è un hub attivo con capacità diagnostiche, capace di interpretare e filtrare il traffico di rete. Su una tipica rete a stella il segnale viene passato dalla scheda di rete del computer mittente all’hub, amplificato e rinviato all’esterno su tutte delle porte. In questa maniera, ogni computer connesso alla rete riceve tutti i messaggi, processando solo quelli a lui indirizzati. Questo tipo di rete ha una maggiore tolleranza alle condizioni critiche: infatti, se un computer viene disconnesso dalla rete o si verifica un’interruzione nel cablaggio, ne viene influenzato soltanto quel computer, mentre il resto della rete continua a funzionare normalmente. Un altro vantaggio è la semplicità di riconfigurare la rete poiché per aggiungere o disconnettere computer basta collegare con un cavo la scheda di rete dell’host all’hub. Il problema di questo tipo di reti è il controllo del traffico, in quanto ogni computer connesso alla rete può iniziare in qualsiasi istante l’invio di messaggi, e solo l’utilizzo di un particolare protocollo, il CSMA, riesce in qualche maniera a limitare l’effetto delle collisioni.

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Figura 1.4: topologia delle reti a bus e ad anello

Figura 1.5: topologia della rete a stella

Infine, le reti broadcast possono essere classificate a seconda del meccanismo scelto per l’arbitraggio:

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• Allocazione statica: le regole per decidere chi sarà il prossimo a trasmettere sono fissate a priori, ad esempio assegnando uno slot time ad ogni elaboratore con un algoritmo round-robin. Lo svantaggio è rappresentato dallo spreco degli slot time assegnati a stazioni che non devono trasmettere.

• Allocazione dinamica: si decide di volta in volta chi sarà il prossimo a trasmettere; è necessario un meccanismo di arbitraggio delle contese, che può essere:

arbitraggio centralizzato: un apposita apparecchiatura, ad

esempio, una bus arbitration unit, accetta richieste di trasmissione e decide chi abilitare;

arbitraggio distribuito: ognuno decide per conto proprio (come in 802.3).

Reti metropolitane (MAN)

Le reti metropolitane (Metropolitan Area Network, MAN) hanno un’estensione tipicamente urbana (quindi anche molto superiore a quella di una LAN) e sono generalmente pubbliche (cioé un’azienda, ad esempio Telecom Italia, mette la propria rete a disposizione di chiunque desideri, previo pagamento di una opportuna tariffa). Fino a qualche anno fa erano basate essenzialmente sulle tecnologie delle reti geografiche, utilizzate su scala urbana. Recentemente però è stato definito un apposito standard, lo IEEE 802.6 o DQDB (Distributed Queue Dual Bus), che è effettivamente utilizzato in varie realizzazioni, molto più vicino alla tecnologia LAN che WAN. In questa tecnologia, esiste un mezzo trasmissivo di tipo broadcast (due bus 802.6) a cui tutti i computer sono connessi.