Telematica di Base

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Reti telematiche1. I nodi­computer vengono fisicamente connessi da cavi2. I nodi­computer condividono un codice di 

trasmissione di bit 3. Un pacchetto di bit riesce a viaggiare sulla rete via più 

nodi4. Una sequenza di pacchetti riesce a raggiungere una 

destinazione per vie diverse ed ad essere ricostruita5. Le applicazioni riescono a stabilire delle regole per 

comunicarsi dati e documenti in forma binaria

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Reti Telematiche (problemi)

L’ infrastruttura di comunicazione di una rete telematica deve risolvere parecchi problemi:Concorrenza (competizione sulle risorse condivise)la rete è fatta di cavi condivisi, quindi come si risolvono i 

conflitti di accesso?affidabilità della trasmissione: i messaggi binari riescono a viaggiare su un cavo superando il 

rumorerisoluzione dei nomi (naming e resolving)come fanno due elaboratori a localizzarsi e comunicare?strategie di routingche percorso fa un messaggio sulla rete?strategie di connessionecome viene gestita una sequenza di messaggi?

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Servizi di rete locale

I sistemi operativi dei computer in una rete debbono essere in grado di coordinarsi per offrire servizi di reteOgni utente "possiede" in modo esclusivo un PC, con un file system su disco locale; la rete si usa per condividere dispositivi (es.: dischi, stampanti, fax)I servizi più semplici sono quelli di condivisione dei dispositivi: disco condiviso, stampante di rete, modem/fax di rete, ecc. L’ esempio più importante di servizio di sistema operativo in rete sono i comandi di base per condividere un file system

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Comunicazione e protocolli

Le reti funzionano perché i produttori di hw e sw si accordano su protocolli di comunicazione validi per tutti: se ogni macchina usa correttamente i protocolli concordati tutto funziona

Un insieme di protocolli si chiama architettura di rete; la lista di protocolli usati da un certo sistema, uno per livello, si chiama gerarchia di protocolli

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Cosa sono i protocolli di comunicazione?

Comunicazione tra persone:“ Che tempo fa?”“ Mi consenta”Presentazione formale

…  invio di determinati msg…  azioni di risposta alla recezione 

del msg

Comunicazione di rete:Scambio di informazioni tra dispositivi computazionaliProtocolli regolano il flusso delle comunicazioni 

Protocollo definisce:Formato

Ordine dei msgAzioni di risposta 

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Protocolli: Un esempio

Si immaginino due filosofi (processi pari del livello 3), uno dei quali parla Spagnolo e Inglese e l’ altro che parla Cinese e Francese. Poiché non hanno un linguaggio comune, usano due interpreti (processi pari di livello 2), che a loro volta contattano due segretarie (processi pari di livello 1). 

Il filosofo 1 desidera comunicare al suo pari la sua simpatia per i conigli. Quindi passa al suo interprete un messaggio in Inglese: “I  like rabbits”

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Protocolli: un esempio (2)

L’ interprete si è accordato su un linguaggio neutro, l’ Olandese, e così il messaggio viene tradotto in “I k hou von konijnen”.  La scelta del linguaggio è il protocollo di livello 2 e viene fatta dai processi pari di livello 2.L’ interprete quindi consegna il messaggio ad una segretaria, che lo trasmette mediante fax (protocollo di livello 1). Quando il messaggio arriva, viene tradotto in Francese e passato al filosofo 2. 

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Protocolli di comunicazioneComunicazione tra persone vs comunicazione di rete

Ciao

Ciao

Che ora è?

2:30

TCP connection req.

TCP connectionreply.Get http://infouma.di.unipi.it

<file>tempo

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La struttura di Internet

Applicazioni e HostNucleo della rete: 

router

network of networks

Collegamenti fisici

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Internet: Servizihosts:

Applicazioni e servizi di retee.g., WWW, email

Modello client/serverHost (client) invia una richiesta di servizio, host (server) fornisce il servizioe.g., WWW client (browser)/ server; email client/server

Peer2peer: Interazione è simmetricae.g.: NAPSTER, GNUTELLA

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Servizi orientati alla connessione

Obiettivo: trasferimento di dati tra host

handshaking: fase iniziale di inizializzazione“ set up”  dello stato

TCP ­ Transmission Control Protocol Servizio orientato alla 

connessione di Internet

TCP  [RFC 793]

Trasferimento di dati affidabileOrdine della trasmissionePerdita di dati

Controllo del flusso: Sender non deve trasmettere troppo velocemente

Controllo della congestione: Sender non deve congestionare il traffico di rete

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Servizi non orientati alla connessione

Obiettivo: trasferimento di dati tra host

UDP ­ User Datagram Protocol [RFC 768]:

1. Trasferimento non  affidabile

2. Non sono previsti meccanismi per il controllo del flusso e della congestione

TCP: HTTP (WWW), FTP (file transfer), Telnet (remote login), SMTP (email)

UDP:Apps video/Audio, teleconferenze, telefonia su Internet

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Nucleo della rete

Ragnatela di routerCome avviene il trasferimento dei dati in rete?

Commutazione di circuito: circuito dedicato per ogni chiamata (rete telefonica)Commutazione di pacchetto: dati sono inviati in rete scomponendoli in “p ezzi”

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Commutazione di circuito

Allocazione delle risorse per la gestione della chiamataBanda di trasmissione

Risorse dedicate

Performance elevata

Fase di inizializzazione

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Commutazione di circuito

Banda di trasmissione viene suddivisa in “ parti”

FDM: frequency division multiplexing

TDM: time division multiplexing

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Commutazione di pacchettoDati sono suddivisi in pacchetti 

(packets)Pacchetti di utenti diversi condividono le risorse di rete 

Ogni pacchetto trasmesso utilizza tutta la banda di trasmissione Non è necessaria una allocazione iniziale di tutte le risorse

Risorse e pacchetti: 

Risorse non disponibili

Congestione: attesa per utilizzare un collegamento

Meccanismo di tipo “s tore and forward”:

Trasmissione

Attesa della disponibilità del collegamento

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Commutazione di pacchetto

A

B

C10 MbsEthernet

1.5 Mbs

45 Mbs

D E

Coda di attesa

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Valutazione

Collegamento ad 1 MbitUtente generico: 

100Kbps se “at tivo”Attivo solo 10% del tempo

Commutazione di circuito: 10 utenti

Commutazione di pacchetto: 35 utenti, probabilità di avere un numero di utenti attivi maggiore di 10 è minore di  .004

Commutazione di pacchetto permette di avere un maggior numero di utenti

N utenti1 Mbps link

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Ritardi di trasmissione

Ritardi nella trasmissione dei pacchetti

Nodal processing: Check bitDeterminare il collegamento in uscita

Attesa in codaCongestione del router

A

B

Propagazione

Trasmissione

nodalprocessing Attesa in coda

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Considerazioni finali

Commutazione di pacchetto

Condivisione delle risorse

Non è necessaria la fase di inizializzazione

Congestione: perdita dei pacchetti, ordine di trasmissione

Necessità di meccanismi per garantire l’ affidabilità del trasferimento

Cosa succede per le applicazioni video/audio?

Ampiezza di banda elevata

Problema aperto!!

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Routing

Inviare i pacchettiReti datagram: L’ indirizzo di destinazione determina il cammino tra i routerRouter non hanno informazioni di stato

  Circuiti virtuali: Ogni pacchetto è caratterizzato di un identificatore  (virtual circuit ID)Cammino individuato nella fase di inizializzazioneRouter con informazioni di stato

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Come si accede alla rete?

1. Provider (eg tin.it)

2. Company (e.g SERRA)

3. Reti mobili (wireless)

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Provider

Modem

56Kbps con accesso diretto

ISDN: intregrated services digital network: 128Kbps

ADSL: asymmetric digital subscriber line

1 Mbps home­to­router

8 Mbps router­to­home

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Reti locali

Rete locale 

local area network (LAN)

Ethernet:

10 Mbs, 100Mbps, Gigabit Ethernet

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Wireless

Accesso tramite una base

LAN wireless:Comunicazioni radioe.g., Lucent Wavelan 10 Mbps, BlueTooth

wider­area wirelessRete dei cellulariE.g. GPRS, UMTS

basestation

mobilehosts

router

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Protocolli e servizi

Reti sono complicate! 

Numerose entità

host

router

collegamenti fisici diversi

applicazioni

servizi

hardware, software

Domanda: Siamo in grado di 

organizzare e gestire in modo coerente tutte 

queste entità?

… . perlomeno in questo corso?

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Organizziamo un bel viaggio aereo

…  una serie di passi … . coerenti

ticket (acquisto)

bagaglio (check­in)

gate (load)

take off

volo

ticket (rimostranze)

bagaglio (richiesta)

gate (unload)

landing

volo

           volo

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Il nostro viaggio

Livelli: ogni livello realizza un servizioTramite delle azioni

Basandosi sui servizi offerti dai livelli inferiori 

ticket (Acquisto) 

bagaglio (check­in)

gate (load)

takeoff

volo

ticket (rimostranze)

bagaglio (richiesta)

gates (unload)

landing

volo     Volo

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Layered air travel: services

Counter­to­counter delivery of person+bags

baggage­claim­to­baggage­claim delivery

people transfer: loading gate to arrival gate

runway­to­runway delivery of plane

airplane routing from source to destination

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Il nostro viaggio

ticket (purchase)

baggage (check)

gates (load)

takeoff

airplane routing

ticket (complain)

baggage (claim)

gates (unload)

landing

airplane routingDep

artin

g ai

rpor

t

arri

ving

 air

port

Controllori di volo degli spazi aerei

airplane routing airplane routing

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Livelli: Perchè?

Stratificazione dei servizi: meccanismo per la gestione della complessità

Meccanismo esplicito di strutturazioneModularità: facilita le modificheModifica di un servizio è locale

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Internet protocol stack

application:ftp, smtp, http

transport:tcp, udp

network: routing dei datagramsip, routing protocols

link: trasferimento dei datippp, ethernet

physical: “ on the wire”

application

transport

network

link

physical

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Internet Protocol StackI nodi­computer vengono fisicamente connessi da cavi:  questo è il livello dei protocolli fisici, che include anche i dispositivi modem

I nodi­computer condividono un codice di trasmissione di bit:questo è il livello dei protocolli data­link

Un pacchetto di bit riesce a viaggiare sulla rete via più nodi: questo è il livello del protocollo rete (es.: IP)

Una sequenza di pacchetti riesce a raggiungere una destinazione per vie diverseed ad essere ricostruita: questo è il livello del protocollo trasporto (es.: TCP)

Le applicazioni riescono a stabilire delle regole per comunicarsi dati e documentiin forma binaria: questo è il livello dei protocolli di tipo applicazione (per esempio HTTP, SMTP)

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Stratificazione a livelli

Ogni livello riceve i dati dal livello superioreCrea una nuova struttura dati (header)Invia i dati al livello inferiore

Applicationtransportnetwork

linkphysical

Applicationtransportnetwork

linkphysical

source destination

M

M

M

M

HT

HtHN

HTHNHl

M

M

M

M

H T

H tH N

H tH nH l

Message

Segment

Datagram

Frame

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Stratificazione a livelli 

applicationtransportnetwork

linkphysical

applicationtransportnetwork

linkphysical

applicationtransportnetwork

linkphysical

applicationtransportnetwork

linkphysical

networklink

physical

Caratteristiche:

distribuito

Componenti su ogni nodo che realizzano le funzionalità previste

Scambio msg 

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Internet Protocol Stack 

applicationtransportnetwork

linkphysical

applicationtransportnetwork

linkphysical

applicationtransportnetwork

linkphysical

applicationtransportnetwork

linkphysical

networklink

physical

data

dataTransport

Dati dalle AppsCrea il “ datagram”  con l’ indirizzoInvia il datagram Attende il riscontro di ricezione (ack)Trasporto = Ufficio Postale

data

transport

transport

ack

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Layering: physical communication 

applicationtransportnetwork

linkphysical

applicationtransportnetwork

linkphysical

applicationtransportnetwork

linkphysical

applicationtransportnetwork

linkphysical

networklink

physical

data

data

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La proposta ISO

Application

Presentation

Session

Transport

 host

Routing

Network

Data link

Physical

Network

Data link

Physical

Network

Data link

Physical

Application

Presentation

Session

Transport

host

Network

Data link

Physical

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Internet: network of networks

gerarchica

national/international backbone providers (NBPs)BBN/GTE, Sprint, AT&T, IBM, 

UUNet

ISP regionali

ISP locali NBP A

NBP B

NAP NAP

regional ISP

regional ISP

localISP

localISP

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National Backbone Provider

BBN/GTE US backbone network

15/03/04 42

Internet: una visione storica

1961: Kleinrock (teoria delle code)

1964: Baran – applicazioni militari

1967: ARPAnet Advanced Research Projects Agency

1969: ARPAnet in funzione

1972: ARPAnet : dimostrazione pubblicaNCP (Network Control Protocol) protocollo host­hoste­mailARPAnet: 15 nodi

1961­1972: definizione dei principi delle reti a commutazione di poacchetto

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Internet

1970: ALOHAnet reti via satellite (Hawaii)1973: Metcalfe: Ethernet1974: Cerf e Kahn: interconnecting networksFine Anni 70: Reti proprietarie: DECnet, SNA, XNA1979: ARPAnet : 200 nodi

Cerf e Kahn’ s internetworking:minimalism, autonomy – no internal changes required to interconnect networksbest effort service modelstateless routersdecentralized control

1972­1980: Internetworking

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Internet

1983: definizione dei protocolli TCP/IP

1982: smtp per e­mail

1983: DNS

1985: ftp 

1988: TCP: controllo della congestione

Reti nazionali: Csnet, BITnet, NSFnet, Minitel

100000 di host connessi in rete

1980­1990:

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Internet

1990: WWWipertesti [Bush 1945, Nelson 1960]HTML, http: Berners­Lee1994: Mosaic, poi NetscapeFine anni 90: B2C

50 milioni di computer in Internet

100 milioni di utenti

backbone 10 Gbps

1990: WWW