Reti di Calcolatori
a.a. 2005/06
Lezione 1
Reti di Calcolatori
Andrea Frosini
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Rete di calcolatori (computer network)
E’ un insieme di elaboratori elettronici autonomi ed interconnessi
- Autonomi: tutti hanno “pari dignità”, nessuno può controllare gli altri
- Interconnessi: tutti sono in grado di scambiarsi informazioni
Attenzione! Non dobbiamo confondere “rete di calcolatori” e “sistema distribuito”
- in un s.d. l’esistenza di vari calcolatori (o processori) interagenti è nascosta
all’utente da un opportuno sistema operativo od applicazione. L’utente si trova ad
interagire con un singolo sistema e non ha cognizione delle sue varie parti.
- in una rete di calcolatori l’utente è cosciente dell’esistenza di più macchine
collegate insieme e può decidere su quale di queste operare a seconda delle
proprie esigenze.
Rete di calcolatori + Software di gestione = Sistema distribuito
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I perché delle reti di calcolatori
• Condivisione delle risorse (ad es. utilizzo di un database della NASA)
• Affidabilità (ad es. duplicazione dei dati importanti, sistemi multi-server)
• Diminuzione dei costi (rete di piccoli calcolatori vs. mainframe)
• Scalabilità (espandibilità della rete quando è necessario)
• Comunicazione personale e commerciale (ad es.: pagine WWW, posta
elettronica, bancomat e POS, trading on-line …)
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Chi utilizza le reti di calcolatori ?
Organizzazioni :
amministrazione, condivisione risorse, gestione grandi quantità di dati, e-commerce …
Singoli individui (di solito da casa propria tramite fornitori di accesso):
accesso ad informazioni remote, accesso a servizi, e-commerce, divertimento …
Gruppi di persone :
comunicazioni personali, gruppi di discussione, videoconferenze, posta elettronica …
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Tassonomia delle reti di calcolatori
Due parametri permettono la classificazione delle reti di calcolatori:
1. tecnologia trasmissiva
(la topologia della rete, e quindi le caratteristiche della comunicazione)
2. scala dimensionale
(l’estensione fisica della rete, e quindi la scala dimensionale di utilizzo della
rete)
Questi due parametri non possono essere considerati indipendentemente
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Classificazione secondo la tecnologia trasmissiva
Esistono essenzialmente tre differenti tipi di rete:
1. le reti broadcast: un unico canale di comunicazione è condiviso da tutti i
calcolatori
2. le reti punto a punto: ogni canale di comunicazione collega due diversi
calcolatori della rete
3. le reti wireless: il canale di comunicazione è costituito da onde radio, laser o
infrarosse trasmesse nell’etere
Attenzione a non applicare le categorie broadcast e punto a punto alle reti wireless!
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Reti broadcast: caratteristiche I
In una rete broadcast tutti i calcolatori sono connessi ad un unico canale trasmissivo.
La comunicazione è basata su piccole sequenze di dati (pacchetti).
In ciascun pacchetto è riportato un identificatore del calcolatore a cui i dati sono
destinati.
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Reti broadcast: caratteristiche II
Ogni calcolatore legge tutti i pacchetti, ma considera solo quelli indirizzati a se
stesso.
E’ generalmente possibile indirizzare un pacchetto a tutti i calcolatori nella rete
(broadcasting).
Alcune reti permettono anche il multicasting, ossia l’invio di pacchetti ad un
sottoinsieme di calcolatori nella rete.
In ogni istante un solo calcolatore può trasmettere (cosa succede se due calcolatori
iniziano a trasmettere contemporaneamente?)
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Reti broadcast: caratteristiche III
Due tipiche topologie: bus ed anello (ring)
Token-Ring
Ethernet
Regola generale: le reti broadcast sono usualmente composte da pochi nodi e
geograficamente accentrate.
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Reti punto-a-punto: caratteristiche I
In una rete punto a punto ogni canale trasmissivo collega due elaboratori.
La comunicazione è ancora basata su piccole sequenze di dati (pacchetti) che
transitano in entrambe le direzioni.
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Reti punto-a-punto: caratteristiche II
Per arrivare alla sua destinazione, ogni pacchetto può attraversare più calcolatori
Sono anche dette in inglese store-and-forward networks (ogni nodo attende la
completa ricezione di un pacchetto per instradarlo successivamente ed in blocco
verso il destinatario successivo)
In generale esistono molti percorsi che portano alla stessa destinazione, quindi è
necessario sceglierne uno: routing (o instradamento) dei pacchetti.
Regola generale: le reti punto-a-punto (peer-to-peer) sono usualmente di
grandi dimensioni.
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Reti wireless: caratteristiche
Comunicazione con segnale radio od ottico (laser, infrarosso) nell’etere.
Generalmente con canale di comunicazione condiviso per segnali radio, con canale
di comunicazione punto-a-punto per segnali ottici
Il tasso d’errore della trasmissione è molto alto
Possono essere utilizzate per connettere componenti di un computer (mouse,
tastiera, monitor), per scambiare informazioni con cellulari (es. reti Bluetooth) o per
creare reti anche di grandi dimensioni.
Le reti wireless fanno riferimento allo standard IEEE 802.11
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Classificazione secondo la scala dimensionale
Esistono vari tipi di reti che si differenziano per dimensione:
reti personali, reti locali, reti metropolitane, e reti geografiche
Distanza tra nodi
Ambito
10 m.
Stanza
100 m.
Edificio
1 km.
Campus
10 km.
Città
100 km.
Nazione
1000 km.
Continente
10 000 km.
Pianeta
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Tipo di rete
Rete locale
Rete metropolitana
Rete geografica
Internet
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Reti locali (o LAN, da Local Area Network)
Le reti locali in genere:
– sono possedute da organizzazioni private
– hanno un’estensione che arriva a qualche km
– si distendono nell’ambito di un singolo edificio o campus (non si possono di norma
posare cavi sul suolo pubblico)
– sono molto usate per connettere PC o workstation
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Reti locali (o LAN, da Local Area Network) I
Le reti locali si distinguono per tre caratteristiche:
1. 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.
2. Tecnologia trasmissiva: le LAN sono generalmente di tipo broadcast. Tipiche
velocità di trasmissione sono da 10 a 100 Mbps, con basso ritardo di propagazione
del segnale da un capo all’altro della rete (qualche decina di micro-secondi) e basso
tasso d’errore.
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Reti locali (o LAN, da Local Area Network) II
3. Topologia: sono possibili vari tipi di topologie; le più diffuse sono bus e ring:
Topologia bus:
• in ogni istante solo un elaboratore può trasmettere, gli altri devono astenersi
• è necessario un meccanismo di arbitraggio per risolvere i conflitti quando due o
più elaboratori vogliono trasmettere contemporaneamente
• l’arbitraggio può essere centralizzato o distribuito
• lo standard IEEE 802.3 (Ethernet) è quello usualmente utilizzato
Topologia ring:
• in un ring ogni bit circumnaviga l’anello in un tempo inferiore a quello di
trasmissione del pacchetto
• è necessario un meccanismo di arbitraggio
• lo standard IEEE 802.5 (derivante dal Token-Ring IBM) è quello usualmente
utilizzato ed opera a 4 o 16 Mbps
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Reti metropolitane (o MAN, da Metropolitan Area Network)
Le Metropolitan Area Network
- hanno un'estensione tipicamente urbana (molto superiore a quella di una LAN) e
sono generalmente pubbliche
- sono 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
- hanno 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) è unidirezionale, ed ha una head-end che
cadenza l'attività di trasmissione
- le MAN di ultima generazione sono basate su tecnologia wireless (standard IEEE
802.16)
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Reti metropolitane: esempio
Head End
Head End
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Reti geografiche (o WAN, da Wide Area Network) I
Le Wide Area Network, si estendono a livello di una nazione, di un continente o
dell'intero pianeta e sono costituite da due componenti distinte:
1.
un insieme di elaboratori (host oppure end system) sui quali girano i programmi
usati dagli utenti
2. una communication subnet (o subnet), che connette gli end system e gli host fra
loro. Il suo compito è trasportare messaggi, così come il sistema telefonico
trasporta parole da chi parla a chi ascolta. Le subnet appartengono usualmente
ad enti pubblici, compagnie telefoniche o internet providers. Usualmente la
subnet è di tipo store-and-forward, detta anche packet-switched subnet. Meno
diffuse sono invece le subnet satellitari, nelle quali ogni router ascolta le stesse
comunicazioni del satellite (down-ward communication) e comunica a sua volta
con questo (up-ward communication).
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Reti geografiche (o WAN, da Wide Area Network) II
Di norma la subnet consiste, a sua volta, di due componenti:
2.1. linee di trasmissione (dette anche circuiti, canali, trunk): possono essere
conduttori in rame, fibre ottiche o radio onde.
2.2. switching element (elemento di commutazione): un elemento di commutazione
è un elaboratore specializzato utilizzato 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 (cfr. le vecchie linee telefoniche).
Un tale elemento viene indicato come “sistema intermedio” o “nodo di
commutazione pacchetti” o “router”.
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Reti geografiche: esempio
subnet
MAN
LAN
LAN
router
linea di trasmissione
Una WAN collega solitamente più LAN e MAN tra loro.
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Reti geografiche: 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)
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Reti geografiche wireless
Alcune communication subnet sono realizzate con topologia wireless oppure mista,
ad es. quando basate su trasmissioni radio o satellitari:
Satellite: ogni router sente l'output del satellite e si fa sentire dal satellite. In
generale si ha:
- Broadcast down-link (cioè dal satellite a terra)
- Broadcast up-link (cioè da terra al satellite)
Radio al suolo: Ogni router sente l'output dei propri vicini (entro una certa distanza
massima). Anche qui siamo in presenza di una rete broadcast.
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Internetworking
Si ha internetworking quando due o più reti (LAN, MAN, o WAN) sono connesse tra
loro.
Una internetwork (o semplicemente internet) non coincide con una WAN quando le
reti connesse adottano tecnologie tra loro incompatibili.
In questo caso la internetwork comprende alcuni router detti gateway (od anche
router multiprotocollo) che si occupano di effettuare le necessarie trasformazioni per
i pacchetti che transitano da una rete all’altra
Una particolare internetwork è detta Internet (notare la I maiuscola).
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Meccanismi di arbitraggio
Infine le reti broadcast possono essere classificate a seconda del tipo di arbitraggio:
Allocazione statica: le regole per decidere chi trasmette sono fissate a priori (es. si
fissa un time slot ad ogni elaboratore con un algoritmo di tipo round-robin). Abbiamo
comunque spreco di tempo per stazioni che non devono trasmettere.
Allocazione dinamica: si decide di volta in volta chi deve trasmettere. E’ necessario
un meccanismo di arbitraggio delle contese che sarà
centralizzato: una apposita apparecchiatura accetta le richieste e decide
chi abilitare
distribuito: ognuno decide per conto proprio ed in maniera tale da non
creare caos (es. IEEE 802.3 Ethernet con ascolto del canale)
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Algoritmi tipo round-robin
Un algoritmo di tipo “round robin” fissa un ordine tra gli hosts ed assegna a ciascuno
di essi un time slot durante il quale può trasmettere. Qualora il tempo di trasmissione
superi il time slot assegnato, si esegue la prelazione della trasmissione ponendola
alla fine della coda creata e facendo proseguire la trasmissione al successivo
elaboratore in attesa.
Es. sia l’ordine tra 4 elaboratori fissato a priori in p1, p2, p3, p4. Supponiamo che questi vogliano trasmettere
per il tempo indicato a fianco
p1 30u, p2 15u, p3 60u, p4 45u
settando un time slot di 20 u, sarà necessario un tempo totale di 3 x (4 x 20) = 240 u contro le 30 + 15 + 60 +
45 = 150 u realmente utilizzate per le comunicazioni.
Qualora l’ordine sia fissato dinamicamente a seconda delle richieste (gestione più raffinata), tale spreco di
tempo potrà ridursi ed il canale sarà occupato con le seguenti precedenze:
p1 -> p2 -> p3 -> p4 -> p1 -> p3 -> p4 -> p3 -> p4
Le prestazioni di quest'algoritmo sono dunque influenzate dal tempo medio d'attesa.
In ogni caso tutti gli elaboratori ottengono il controllo del canale a turno, evitando il
problema dell'attesa indefinita (starvation).
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