Reti di calcolatori
• Una premessa: i sistemi di comunicazione
• Le reti di calcolatori
• Internet
Il sistema di trasmissione
E’ caratterizzato da alcuni aspetti. In particolare:
• I mezzi di trasmissione
• La tecnologia di trasmissione
• Delle regole per comunicare (i protocolli)
I mezzi di trasmissione
Rappresentano il mezzo fisico utilizzato per realizzare il
canale di trasmissione
In base al supporto fisico usato si distinguono in:
• Mezzi guidati
• Mezzi non guidati
Un esempio noto di mezzo non guidato: il GSM
Centrale smistamento
antenna
antenna
cella
...
...
cella
Un esempio noto di mezzo non guidato: il GSM
Centrale smistamento
antenna
antenna
Canale di aggancio
cella
...
...
cella
Un esempio noto di mezzo non guidato: il GSM
Centrale smistamento
antenna
antenna
verifica
Canale di aggancio
cella
...
...
cella
Un esempio noto di mezzo non guidato: il GSM
Centrale smistamento
antenna
antenna
comunicazione
Canale di
trasmissione
Canale di
ricezione
cella
...
...
cella
La tecnologia di trasmissione
Protocollo di comunicazione
• Insieme di regole
(stabilite a priori) che
determinano le
operazioni da eseguire
per far comunicare la
sorgente con la
destinazione
Canale di
comunicazione
Le reti di calcolatori
Uno specifico sistema di trasmissione può essere
realizzato mediante una rete di calcolatori
Rete di calcolatori: un insieme di calcolatori autonomi
collegati tra loro mediante una rete di comunicazione
Le reti di calcolatori non sono sistemi distribuiti
Le reti di calcolatori
Due parametri con cui classificare le reti di calcolatori:
• La tipologia della connessione
• L’estensione della rete
La tipologia della connessione
Due fondamentali tipologie di connessione:
• Multipunto (broadcast)
• Punto-a-punto
Reti a connessione multipunto (broadcast)
• I canali di trasmissione sono condivisi da tutti i
calcolatori della rete
• Ogni calcolatore viene identificato univocamente
attraverso un indirizzo di rete
• Ogni messaggio inviato deve contenere l’indirizzo del
calcolatore destinatario (un messaggio almeno in linea di principio raggiunge
tutti i calcolatori della rete, ma solo il calcolatore il cui indirizzo corrisponde a quello contenuto
nel messaggio lo considererà)
Reti a connessione punto a punto
• Esistono connessioni individuali tra coppie di
calcolatori
• Nella forma più semplice la comunicazione avviene tra
due dispositivi connessi da un canale di
comunicazione diretto
• In alcuni casi non è possibile avere un canale di
comunicazione diretto tra due calcolatori (il canale di
comunicazione passerà per calcolatori intermedi)
Tipologia di connessione
Estensione delle reti
WAN (Wide Area Network: Una rete di trasmissione tra calcolatori
fisicamente distanti tra loro,
collegati attraverso mezzi di trasmissione dedicati
Questo livello di rete si occupa del trasferimento delle informazioni tra nodi
Rete = canali di trasmissione + IMP
IMP (Interface Message Processor): sistemi che si occupano
dell’instradamento e della verifica di correttezza dei messaggi
Questo livello di rete consente l’esecuzione delle applicazioni
Rete = Host (calcolatori) collegati agli IMP
Questo livello di rete consente agli utenti di comunicare in modo trasparente
alla struttura complessiva della rete
Reti Geografiche
• Adottano una tipologia di connessione punto a punto
particolare detta a commutazione
• È una connessione di tipo indiretto: infatti i dati sono
immessi nella rete dall’host sorgente e raggiungono
l’host destinatario passando da IMP a IMP
Ad esempio...
destinatario
sorgente
Ad esempio...
destinatario
sorgente
Ad esempio...
destinatario
sorgente
Ad esempio...
destinatario
sorgente
Commutazione
Esistono due tipologie di connessione a commutazione
• a commutazione di circuito
• a commutazione di pacchetto
Commutazione di circuito
• Deriva dalla modalità di trasmissione usata negli
apparecchi telefonici (fissi)
• Viene creato un canale logico temporaneo dedicato
tra sorgente e destinatario
• Il canale logico è costituito da una successione di
connessioni tra i nodi della rete
Commutazione di circuito
La comunicazione si realizza in tre fasi:
• Fase di attivazione (viene stabilito il cammino tra
sorgente e destinatario)
• Fase di trasferimento dati
• Fase di chiusura della comunicazione (si rilasciano le
risorse dedicate alla trasmissione)
Esempio (fase di attivazione)
sorgente
destinatario
Esempio (fase di attivazione)
sorgente
Rich conn con B
destinatario
Esempio (fase di attivazione)
sorgente
destinatario
Esempio (fase di attivazione)
sorgente
destinatario
Rich conn con B
Esempio (fase di attivazione)
sorgente
destinatario
Esempio (fase di attivazione)
sorgente
destinatario
Rich conn con B
Esempio (fase di attivazione)
sorgente
Cammino dedicato tra A e B
destinatario
Commutazione di circuito
Questa tecnica è efficiente per comunicazioni
telefoniche (il canale è sfruttato)
Meno efficiente per la comunicazione dati tra calcolatori
(il canale non è utilizzato continuativamente)
La trasmissione è effettuata a velocità costante (quindi
pari a quella del calcolatore più lento)
Commutazione di pacchetto
• Si basa sull’invio di pacchetti di dati di dimensioni
ridotte (KByte)
• Un messaggio è perciò costituito da uno o più
pacchetti
• Ogni pacchetto oltre ai dati contiene delle informazioni
necessarie per l’invio (indirizzo del destinatario, posizione del pacchetto
entro il messaggio)
Commutazione di pacchetto
• I pacchetti vengono spediti uno per volta entro la rete
• Ogni nodo della rete che riceve il pacchetto lo
memorizza, lo esamina, e se non è il destinatario, lo
invia ad un nodo successivo nella direzione del
destinatario
Esistono due approcci per instradare un messaggio:
• a datagrammi
• a circuito virtuale
Datagrammi
I pacchetti (datagrammi) vengono trattati in modo
indipendente l’uno dall’altro
• Ogni pacchetto può seguire un cammino diverso per
giungere a destinazione
• Ogni nodo intermedio della rete deve prendere una
decisione sull’instradamento dei singoli pacchetti
Esempio datagrammi
messaggio p1
destinatario
p2
p3
sorgente
Esempio datagrammi
messaggio
p2
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sorgente
p1
destinatario
Esempio datagrammi
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Esempio datagrammi
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Esempio datagrammi
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Esempio datagrammi
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Esempio datagrammi
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Esempio datagrammi
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Esempio datagrammi
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Esempio datagrammi
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Esempio datagrammi
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Esempio datagrammi
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Esempio datagrammi
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Esempio datagrammi
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Esempio datagrammi
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Esempio datagrammi
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Esempio datagrammi
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Esempio datagrammi
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Esempio datagrammi
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Esempio datagrammi
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Esempio datagrammi
messaggio
p1
sorgente
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Esempio datagrammi
messaggio
p1
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destinatario
Esempio datagrammi
messaggio
p1
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p2
p3
destinatario
Esempio datagrammi
messaggio
p1
sorgente
p2
p3
destinatario
Esempio datagrammi
messaggio
p1
p2
p3
destinatario
sorgente
Circuito virtuale
• Simile a commutazione di circuito
• Viene prima identificato un circuito logico virtuale tra il
sorgente ed il destinatario
• Una volta identificato tale circuito tutti i pacchetti
seguiranno i nodi appartenenti al circuito identificato
• Ogni nodo intermedio non deve prendere decisioni
sull’instradamento dei singoli pacchetti, poichè tale
decisione è già stata definita nel circuito virtuale
Commutazione di circuito vs Comm di pacchetto
• Comm di circuito sono più adatte per segnali che
dovrebbero giungere al destinatario in modo continuo
e regolare (tipo voce, video)
• Comm di pacchetto gestisce meglio flussi di dati
trasmessi non in modo continuo, garantendo una
migliore gestione delle risorse condivise (ad es. i
canali fisici)
• Comm di pacchetto gestisce in modo efficiente
collegamento tra calcolatori con velocità di
trasmissione differente
Le reti locali (LAN)
• Consentono lo scambio di dati e la condivisione di
risorse
• Connettono dispositivi posti a distanza ridotta (e.g.
entro lo stesso edificio)
• Le LAN usano una tipologia di connessione broadcast:
ogni nodo include un trasmettitore/ricevitore che
comunica su un canale di trasmissione condiviso
Reti di reti (Internetwork)
• Collegano più reti differenti mediante opportuni
elementi di interfaccia
L’esempio più universalmente noto è Internet che
è la rete di reti per eccellenza
Internet
1. E’ un insieme di reti in cui tutti i nodi
aderiscono (usano) agli stessi protocolli di
comunicazione (i.e., stesso naming, routing,
ecc.): una famiglia di protocolli detta TCP/IP
2. NON è il Web
Internet – Storia
• Nata negli anni ’60 col nome di Arpanet
• Obiettivo: collegare i calcolatori di vari siti militari
per:
•
•
•
•
•
– condividere in modo efficace/veloce le ricerche
– riuscire a comunicare anche in caso di attacco
nucleare (tanti cammini alternativi, decisi al momento,
tra due calcolatori)
All’inizio: 4 calcolatori negli USA
1973: connessioni all’Inghilterra e alla Norvegia
Anni ’80: grandi reti accademiche e scientifiche
1982: TCP/IP (nome breve per individuare i protocolli
Internet) diviene lo standard
Ora: decine di migliaia di reti in tutto il mondo
Struttura di Internet
Internet è una rete di reti
Dominio
Dominio
Gateway
Routers
+
Firewall
(opzionali)
Dominio
Dominio
Elementi di Internet
• Domini
• Gateways
• Routers
• Firewalls
• Protocolli
Domini
• Internet concettualmente è una collezione di
gruppi di reti denominati domini (es: unimib.it,
yahoo.it)
• Ogni dominio consiste di una serie di reti gestite
da una singola organizzazione che ne gestisce
autonomamente la sua configurazione, ad es.:
– topologia
– creazione sotto-domini (es: disco.unimib.it, psicologia.unimib.it)
– indirizzi logici e fisici delle singole macchine. I nodi in Internet
sono individuati da un nome che è unico nel loro dominio. Es.:
bbking è unico nel dominio disco.unimib.it
Domini
• La struttura dei domini è gerarchica: ogni
dominio contiene altri sottodomini; ad es.
dominio di primo livello it, dominio di secondo
livello unimib e così via
• Un ente internazionale è incaricato dei
nomi/indirizzi dei domini (perché siano unici in
tutto il mondo): Domain Name System
• N.B. Con DNS si può intendere o il meccanismo,
o il server/servizio
Router, Firewall e Gateway
• I router si occupano di smistare il traffico tra i
diversi domini della rete
• Il firewall si occupa di proteggere una “sotto”-rete
da accessi indesiderati provenienti dall’esterno
• Tutti i nodi di una rete devono essere in grado di
dialogare secondo il protocollo della rete stessa;
per dialogare tra reti con protocolli differenti è
necessario un gateway (si occupa di tradurre la
comunicazione)
I protocolli di comunicazione
• stabiliscono come deve avvenire lo scambio di
messaggi
– Come localizzare sulla rete il (nodo)
destinatario/mittente di un messaggio
– Quale percorso deve fare un messaggio tra due nodi
non connessi in maniera diretta (nodi intermediari)
– Quando un nodo può inviare un messaggio
– Come controllare se un messaggio, durante la
trasmissione, si è alterato
Protocolli di Comunicazione (dettaglio)
Naming: stabilisce come associare un nome
logico (es. stampante Colori Aula 2) ed un
indirizzo fisico sulla rete ad ogni nodo della rete
• Sia il nome logico che l’indirizzo fisico devono essere
unici all’interno di quella rete; gli utenti utilizzeranno il
nome logico
• Alcuni nodi mantengono le tabelle di associazione (nome
logico   indirizzo fisico): server DNS= Domain Name
Server o Service; (vedi anche router)
Protocolli di Comunicazione (dettaglio)
• Routing o instradamento: scelta del percorso
del messaggio entro la rete
– fisso: deciso al momento dell’installazione della rete
(veloce, non tollerante ai guasti)
– variabile: è scelto all’inizio della sessione di lavoro
(più tollerante ai guasti, basta ri-iniziare la sessione)
– dinamico: è scelto al momento del passaggio del
messaggio o del pacchetto (packet switching) in base
alle condizioni della rete (traffico, nodi attivi, ecc.); i
router sono quei nodi delegati a questo compito
Protocolli di Comunicazione (dettaglio)
• Conflitti di comunicazione: cosa fare quando più
nodi tentano di comunicare sullo stesso arco
contemporaneamente
• Le tecniche per evitare i conflitti più “famose” sono:
– Token ring o token passing: un nodo può trasmettere solo se
è in possesso del token; c’è acknowledgment e obbligo di
rilascio del gettone (tecnica equa)
– CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision
Detection) o prevenzione e correzione mediante ascolto –
adottato in Ethernet
Protocolli di Comunicazione in Internet
• Internet non usa solo un protocollo di comunicazione,
ma un insieme di protocolli detta anche suite di
protocolli
• Tale suite di protocolli è chiamata TCP/IP
• La suite di protocolli TCP/IP opera per livelli gerarchici
Livelli gerarchici di rete
• Il SW per la comunicazione in rete, in generale
non solo in Internet, è organizzato in moduli ben
distinti e organizzati in una gerarchia di livelli
(pila) tali che ogni modulo:
– Svolge solo un sotto-insieme dei passi/compiti
necessari per la comunicazione in rete
– Dialoga solo (si interfaccia) con i moduli del livello
direttamente superiore e inferiore
Livelli gerarchici di comunicazione
amm. delegato
amm. delegato
assistente pers.
assistente pers.
segretaria
segretaria
posta interna
posta interna
U.R.P.
U.R.P.
ufficio postale
ufficio postale
postino
postino
Gerarchia di livelli Internet
sorgente
destinazione
HTTP,
SMTP,
FTP, ...
Application
Layer
Application
Layer
Transport
Layer
Transport
Layer
TCP,
UDP
Network
Layer
Network
Layer
IP
Link
Layer
Link
Layer
Percorso dei messaggi
Compiti dei livelli - sorgente
• Application Layer: (naming) trasforma l’indirizzo del
destinatario (passato dalla particolare applicazione) in un
indirizzo adatto per il livello sottostante (usa il DNS)
• Transport Layer: divide il messaggio in pacchetti
aggiungendogli un numero sequenziale (perchè il
destinatario possa ricostruire il messaggio)
• Network Layer: (routing) aggiunge ai pacchetti un
indirizzo intermedio, cioè l’indirizzo del router se deve
uscire dalla rete locale (usa la tabella di instradamento),
e un contatore-hop count
• Link Layer: tratta i dettagli della particolare rete (es:
aspetta il token in una rete token ring)
Compiti dei livelli - destinazione
Nella fase di ricezione del messaggio i vari
livelli effettuano il lavoro contrario, ad esempio
il protocollo IP (Network Layer):
– Toglie l’indirizzo intermedio (il suo) e considera
l’indirizzo finale:
1. se è il proprio indirizzo passa il pacchetto al livello superiore
(Transport Layer)
2. altrimenti decrementa il contatore (hop count) e ridirige il
pacchetto nella rete aggiungendo un nuovo indirizzo
intermedio e ri-passandolo al livello inferiore (Link Layer)
Compiti dei livelli
•
•
Il precedente comportamento fa in modo che
solo il Link Layer e il Network Layer siano
coinvolti (occupati) nella ri-direzione dei
messaggi sulla rete
Nel protocollo TCP (Transport Layer) le
macchine del mittente e destinatario si inviano
delle conferme di ricezione
(acknowledgements)
Indirizzi IP
Tutti i nodi della rete Internet sono identificati
univocamente da un indirizzo detto Indirizzo IP
IP= Internet Protocol
• Nel protocollo IP (livello Network Layer) gli indirizzi dei
nodi sono numeri di 32 bit
• Solitamente vengono indicati con 4 gruppi di 8 bit (ottetti)
• e.g.
159.149.147.125