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GESTIONE TRAFFICO DI RETE
1
GESTIONE TRAFFICO DI RETE
Classificazione del traffico in rete
 Congestione e politiche di rafforzamento
 Banda e priorità
 Identificazione delle applicazioni
 Gestione risorse di rete

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2
CLASSIFICAZIONE DEL TRAFFICO IN RETE
 La
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classificazione del traffico in rete può
essere considerata un’attività strategica del
network engineering.
 I vecchi sistemi basati sull’utilizzo esclusivo
delle porte di servizio sono diventati ormai
obsoleti grazie alla proliferazione di
software di peer-to-peer e all’utilizzo di
applicazioni multimediali.
3
CLASSIFICAZIONE DEL TRAFFICO IN RETE

Es. applicazioni multimediali
comunicazione di documenti multimediali
 streaming real time audio/video.
 documenti Web (ad esempio siti, blog e
forum).
 trasferimento dati (ad esempio posta
elettronica, trasferimento di file o peer-topeer).
 erogazione di servizi ( Webservice).

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4
CLASSIFICAZIONE DEL TRAFFICO IN RETE
La classificazione è la base su cui si fondano i
sistemi di anomaly detection.
 Sfruttando i risultati della classificazione del
traffico si possono ad esempio ottenere
indicazioni utili per l’allocazione delle risorse
necessarie a soddisfare specifiche esigenze di QoS
- Quality of Service.

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5
CLASSIFICAZIONE DEL TRAFFICO IN RETE
Sono stati sviluppati sistemi di classificazione
basati sull’esame dei pacchetti a livello
applicativo.
 I pacchetti sono composti dall’unione di un
header e un payload.
 Quando un'applicazione deve inviare dei dati ad
un'altra, il protocollo TCP/IP
interviene suddividendo l'informazione da inviare
in una sequenza di pacchetti.
 Ciascuno di questi pacchetti è etichettato con un
header.

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6
CLASSIFICAZIONE DEL TRAFFICO IN RETE
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7
CLASSIFICAZIONE DEL TRAFFICO IN RETE





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
Version:4bit Descrive la versione del protocollo
utilizzato.
IHL (IP Header Length) : 4bit Contiene la lunghezza
dell'header (in parole di 32 bit), questa è un‘
informazione necessaria perché con le opzioni l'header
può essere anche più lungo dei canonici 20 byte.
Type of service: 8bit Permette di indicare il tipo di
servizio richiesto.
Total length:16bit Contiene la lunghezza totale del
pacchetto (quindi header+payload).
Identification:16bit In caso di frammentazione tutti i
frammenti conterranno lo stesso identificativo, quindi
questo campo è necessario per permettere all'host di
ricongiungere tutti i frammenti.
DF (Don't Fragment):1bit
Flag che se settata ad 1 ordina ai router di non
frammentare il pacchetto.
8
CLASSIFICAZIONE DEL TRAFFICO IN RETE







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
MF (More Fragment):1bit Flag che se settata ad 1 indica
che questo datagramma è un frammento di un pacchetto più
grande, e non è l'ultimo (che infatti avrà il flag posto a zero).
Fragment Offset:13bit. Indica in che posizione del datagram
va inserito questo frammento.
Time to live:8bit É il contatore utilizzato per determinare il
tempo di vita dei pacchetti. Tipicamente viene decrementato
ad ogni salto.
Protocol:8bit . Indica quale è il protocollo di livello superiore
utilizzato (e quindi permette di interpretare correttamente
l'header che segue).
Header checksum:16bit
Controllo di errore (solo sull'header).
Source address:32bit. Indirizzo IP della sorgente.
Destination address:32bit. Indirizzo IP della destinazione.
Options:0 o più parole da 32bit. Estensioni dell'header che
permettono di includere nuove funzionalità, oppure di provare
nuove soluzioni.
9
CLASSIFICAZIONE DEL TRAFFICO IN RETE
Dal punto di vista della classificazione del
traffico, risulta quindi naturale orientarsi verso
l’analisi degli header, perché questi sono
intrinsecamente collegati ai relativi protocolli.
 Questo non preclude però la possibilità di
sviluppare classificatori basati sull’analisi dei
payload.
 Packet inspector

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10
CLASSIFICAZIONE DEL TRAFFICO IN RETE



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
Quality of Service (QoS) refers to the capability of a
network to provide better service to selected network
traffic over various technologies.
The primary goal of QoS is to provide priority
including dedicated bandwidth, controlled jitter and
latency (required by some real-time and interactive
traffic), and improved loss characteristics.
Also important is making sure that providing priority
for one or more flows does not make other flows fail.
Elements of network performance within the scope of
QoS often include availability
(uptime), bandwidth (throughput), latency (delay),
and error rate.
11
CLASSIFICAZIONE DEL TRAFFICO IN RETE


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
Una possibile soluzione consiste nel lasciare ai router
e agli switch di rete la libertà di selezionare la
modalità operativa a seconda del tipo di servizio (voce,
dati e video), man mano che i dati vengono trasferiti
in rete.
L’uso di QoS (Quality Of Service ) consente di
utilizzare applicazioni diverse sulla stessa rete senza
occupare la larghezza di banda dedicata delle singole
periferiche.
l termine Quality of Service si riferisce ad alcune
tecnologie, come ad esempio DSCP (Differentiated
Service Codepoint), in grado di identificare il tipo di
dati in un pacchetto e di suddividere i pacchetti in
classi di traffico a cui è possibile assegnare la priorità
per l’inoltro.
12
CLASSIFICAZIONE DEL TRAFFICO IN RETE
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I principali vantaggi di una rete QoS includono :
 La possibilità di assegnare priorità al traffico per
consentire l’elaborazione dei flussi di dati critici
prima di quelli con priorità minore.
 Una maggiore affidabilità grazie al controllo
della quantità di larghezza di banda utilizzata
dalle singole applicazioni e dal conseguente
controllo della concorrenza tra le applicazioni
relativamente alla larghezza di banda.
13
CLASSIFICAZIONE DEL TRAFFICO IN RETE

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Il prerequisito per l’uso di QoS in una rete video è
che tutti gli switch, i router e i prodotti con
tecnologia video di rete supportino QoS.
14
CONGESTIONE DELLA RETE
 La
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congestione di rete è l’evento
colpevole della perdita di performance
sulla rete e di throughput sulla LAN.
 Questo comporta la formazione
di code in vari punti della rete.
 Le risorse da condividere sono
l’ampiezza di banda delle linee di
collegamento e i buffer interni ai router
o agli switch dove i pacchetti vengono
accodati prima di essere trasmessi.
 Problema: le risorse sono distribuite
nella rete
15
CONGESTIONE DELLA RETE
 Quando
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troppi pacchetti competono
per la stessa linea, la coda trabocca e
alcuni pacchetti dovranno essere
eliminati.
 Quando tale eliminazione diventa un
fenomeno frequente si dice che la
rete è congestionata.
 La maggior parte delle reti ha un
meccanismo di controllo della
congestione per gestire tali
situazioni.
16
CONGESTIONE DELLA RETE
 Migliorare
l’allocazione delle risorse
 Consento l’invio dei pacchetti,
quando avverrà la congestione la
gestirò
 Soluzioni combinate
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 Soluzioni:
17
CONGESTIONE DELLA RETE

Negli apparati di rete posso
predisporre meccanismi di gestione
delle code (es. separazione del
traffico).
 Negli host terminali posso limitare la
velocità con cui le sorgenti di traffico
possono inviare i pacchetti, evitando
così il verificarsi della congestione.

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Il controllo della congestione e l’allocazione delle
risorse coinvolgono sia gli host e sia gli apparati
di rete (es. router).
18
CONGESTIONE DELLA RETE

In una rete a commutazione di pacchetto, alcuni pacchetti
vengono semplicemente scartati, ovvero cancellati dalla
memoria dei commutatori(switch) che li hanno ricevuti ma
non riescono a trasmetterli.
 Questo accade quando le code interne ai commutatori sono
piene, e non c'è più spazio disponibile per memorizzare i
pacchetti ricevuti.

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Una situazione di congestione può portare la rete a non
poter smaltire una parte del traffico offerto, ovvero a non
fornire il suo servizio ad una parte dei suoi potenziali
utenti. Questo ad esempio può verificarsi in:
19
CONGESTIONE DELLA RETE
Il controllo della congestione è una
funzionalità delle reti a commutazione di
pacchetto, il cui scopo è prevenire e limitare i
fenomeni di congestione.
 Può essere implementata nel livello di rete,
di trasporto o anche a livello applicativo.

Nelle reti a pacchetto, infatti,
i pacchetti attraversano una grande quantità
di dispositivi diversi, come ad
esempio router, switch, bridge.
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
20
CONGESTIONE DELLA RETE
Questi dispositivi, e i collegamenti che li
interconnettono, hanno capacità di elaborazione e
di trasmissione limitate, che possono portare, in
molti casi, a situazioni di congestione, ossia a
situazioni nelle quali non sono in grado di
smistare tutto il traffico in arrivo.
 Il controllo della congestione permette di
migliorare le prestazioni della rete evitando
perdite di pacchetti e limitando il ritardo.

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21
CONGESTIONE DELLA RETE

Burst (raffiche)
Velocità di picco che viene mantenuta per un certo
intervallo di tempo.
 Numero di byte che vengono inviati alla velocità di
picco prima di tornare alla velocità media.

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Se la velocità di picco è superiore alla velocità del
canale, i dati devono essere memorizzati da
qualche parte per essere trasmessi più tardi.
 Conoscendo la dimensione dei burst il progettista
di rete può utilizzare dei buffer sufficienti per
contenere tali dati.

22
CONGESTIONE DELLA RETE
Il protocollo TCP ha un meccanismo
(slidingwindow) per controllare la capacità di
ricezione del destinatario della connessione.
 Questo evita che il mittente possa esaurire il
buffer del destinatario.
 Diversamente come abbiamo detto il controllo di
congestione si occupa di evitare che un host possa
sovraccaricare eccessivamente la rete.
 Come può allora il protocollo TCP aiutarci?

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23
CONGESTIONE DELLA RETE
Il protocollo TCP gestisce, per ogni connessione,
una nuova variabile di stato, chiamata
congestionWindow, che viene usata dalla
sorgente (src) per limitare la quantità dei propri
dati, in transito nella rete in un certo istante.
 Il protocollo TCP viene modificato in modo che il
numero massimo consentito di byte di dati non
confermati sia, ora, il minimo fra la finestra di
congestione e la finestra annunciata.
 MaxWindow = MIN (CongestioneWindow,
AdvertisedWindow)

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24
CONGESTIONE DELLA RETE
In questo modo una src TCP non può spedire più
velocemente di quanto sia accettabile per il
componente più lento: la rete o l’host di
destinazione.
 Il problema a questo punto e come il TCP
apprenda il valore corretto per
congestionWindow.
 La risposta è che la src TCP imposta il valore di
congestionWindow basandosi sul livello di
congestione di rete da essa percepito.
 Questo richiede la diminuzione della finestra di
congestione quando il livello di congestione sale e
viceversa.

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25
CONGESTIONE DELLA RETE
Il TCP interpreta la scadenza delle
temporizzazioni come un segnale di congestione e
riduce la velocità di trasmissione.
 In particolare ogni volta che una temporizzazione
scade, la src imposta congestionWindow a metà
del suo valore precedente, mentre ogni volta che
la src invia un numero di pkt pari a
congestionWindows con successo incrementa di
un pkt il valore di questa finestra.

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26
CONGESTIONE DELLA RETE
Concludendo abbiamo visto che un meccanismo
per limitare la congestione della rete è attuato da
TCP.
 Ma attenzione TCP punta a controllare la
congestione quando questa accade, piuttosto che
cercare, prima di tutto, di evitarla.
 Il protocollo TCP ha quindi bisogno di provocare
la perdita di pkt per determinare quale sia la
banda disponibile per la connessione.

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27
BANDA E PRIORITÀ
il vecchio adagio della
programmazione “prima fallo
funzionare, poi rendilo veloce”, sia
valido per molti contesti, nelle reti di
solito è necessario “progettare per le
prestazioni”
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 Nonostante
28
BANDA E PRIORITÀ

Le prestazioni di una rete si misurano
fondamentalmente in due modi:

Precisazione: in riferimento alle prestazioni
misurate di un sistema, si tende ad utilizzare la
parola “throughput”.
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ampiezza di banda (bandwidth, spesso chiamata
anche throughput, quantità di flusso)
 latenza (latency, chiamata delay, ritardo)

29
BANDA E PRIORITÀ
L’ampiezza di banda di una rete è data dal
numero di bit che possono essere trasmessi dalla
rete in un certo intervallo di tempo
 RTT (round-trip time = tempo di percorrenza
circolare)

E’ il tempo necessario ad un messaggio per andare e
tornare da un capo all’altro della rete
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
Throughput =
QuantitàTrasferita/TempoDiTrasferimento
 Il Throughput è il valore reale di trasmissione dei
dati non è il data rate.

30
BANDA E PRIORITÀ
Quando ci dicono che una rete wireless viaggia a
54Mbps bisogna sapere che:
 54Mbps rappresenta il “data rate”, ovvero tutta
la banda disponibile per le comunicazioni tra
tutti gli apparati wireless LAN. Molta di questa
larghezza di banda però è utilizzata dai dati di
gestione e dai dati ridondanti necessari per
trasmettere il segnale wireless. Ed è per questo
che il cosìdetto “throughput” del sistema è
sempre meno che il “data rate”. Quindi un
collegamento wireless è contraddistinto da due
velocità: data rate e throughput.

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31
BANDA E PRIORITÀ

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Data rate è una misura del volume di dati che
possono essere trasferiti dal sistema, compresi i
dati “veri” e il cosìdetto overhead (extra di
protocollo). Throughput è invece definito come
la misura di informazioni utili che possono essere
trasferite attraverso il sistema. 54Mbps è il data
rate, ma questo si traduce in un throughput
medio di 20-25 Mbps per sistemi 802.11g.
32
BANDA E PRIORITÀ
Faccio un esempio: per trasferire un file che è un
documento di Microsoft Word di 50KB da un
computer all’altro tramite una rete wireless, si
genera molto più traffico di rete di 50KB. Anche
se il data rate fosse 54Mbps, trovereste il
throughput tra 20 e 28 Mbps.
 Il data rate viene anche chiamato “velocità
nominale” mentre il throughput viene chiamato
“velocità reale”

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33
BANDA E PRIORITÀ

Es 1: richiediamo 1Mb attraverso una rete a
1Gbps in una trasmissione continentale:
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Tempo di trasferimento
1/1 Gbps x 1MB = 8ms(10^3)
RTT di 100 ms
 1MB/108ms = 74.1 Mbps
(throughput effettivo della linea)
 NB come risultato non ho ottenuto
1Gbps

34
BANDA E PRIORITÀ
2: Abbiamo un flusso video con
una risoluzione di 352x240 pixel, se
ciascun pixel è rappresentato da
24bit d’informazione qual è la
dimensione di ciascun frame?
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 Es
35
BANDA E PRIORITÀ

La dimensione del singolo frame è di:

(352 x 240 x 24)/8 = 247,5 KB
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Se l’applicazione deve fornire i frame ad una
velocità di 30 frame al sec. potrebbe allora
richiedere un throughput di circa 60 Mbps
 NB La capacità della rete di fornire un ampiezza
di banda maggiore di quella richiesta, non
migliora le prestazioni, perché l’applicazione non
ha così tanti dati da trasmettere in un dato
intervallo di tempo.

36
APPROFONDIMENTI - PRODOTTO RITARDO X
AMPIEZZA DI BANDA 
Intuitivamente se pensiamo ad un canale fra una
coppia di processi come ad una conduttura
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Ritardo
Ampiezza
di banda
37
APPROFONDIMENTI - PRODOTTO RITARDO
X AMPIEZZA DI BANDA Dove la latenza corrisponde alla lunghezza della
conduttura e l’ampiezza di banda è in relazione al
suo diametro.
 Allora il prodotto ritardo x ampiezza di banda
rappresenta il volume interno della conduttura
cioè il numero di bit che può contenere.

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38
APPROFONDIMENTI - PRODOTTO RITARDO
X AMPIEZZA DI BANDA 
50 x 10^-3 secondi x 45 x 10^6 bit/secondo =2.25
x 10^6 bit
 Cioè: 2.25 x 10^6 = 280KB
8 x 2^10

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Ad esempio se abbiamo un canale
intercontinentale con una latenza di sola andata
di 50 ms ed un ampiezza di banda di 45 Mbps
abbiamo che è in grado di contenere:
39
APPROFONDIMENTI - PRODOTTO RITARDO
X AMPIEZZA DI BANDA -
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Perché è importante
questo calcolo?
40
APPROFONDIMENTI - PRODOTTO RITARDO
X AMPIEZZA DI BANDA  Quando
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progettiamo reti ad alte
prestazioni è importante sapere questo
prodotto perché corrisponde al numero di
bit che possono essere inviati dalla
sorgente prima che il primo bit giunga a
destinazione.
 I bit che si trovano nella conduttura
possono ancora essere in “viaggio” ciò
significa che se il destinatario segnala al
mittente d’interrompere la comunicazione
41
APPROFONDIMENTI - PRODOTTO RITARDO
X AMPIEZZA DI BANDA  Potrebbe
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ancora ricevere una quantità di
dati pari al doppio del ritardo x ampiezza
di banda prima che il mittente sia in
grado di reagire.
42
IDENTIFICAZIONE DELLE APPLICAZIONI

Real time
 Non real time

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Nella progettazione di una rete bisogna considerare
oltre ai fattori già descritti in precedenza anche la
tipologia di applicazioni che dovranno essere
utilizzate.
43
IDENTIFICAZIONE DELLE APPLICAZIONI

Vedi decisioni nelle centrali atomiche
 Vedi controllo di volo di un aereo
 Il termine viene spesso riferito ai sistemi operativi,
dove sono richiesti vincoli di tempo sulle operazioni
del processore o sul flusso di dati.

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Real-time è un termine utilizzato per indicare
quei programmi per i quali la correttezza del
risultato dipende fortemente dal tempo di
risposta
Hard real time
 Soft real time

44
IDENTIFICAZIONE DELLE APPLICAZIONI
Per la risoluzione di problematiche real time si
usano di solito architetture hardware dedicate,
sistemi operativi appositamente concepiti,
programmi applicativi pensati appositamente.
 Hardware, software di base e software applicativi
sono spesso strettamente legati, in modo da
conseguire le necessarie ottimizzazioni sui tempi di
risposta.

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45
IDENTIFICAZIONE DELLE APPLICAZIONI


Troppe variabili in gioco:
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Negli ultimi tempi questa terminologia è stata
associata impropriamente all'utilizzo di alcuni
servizi della rete, quando in effetti i presupposti
per poter realmente fruire di un servizio in
modalità real-time sono davvero lontani
dall’attuale architettura di rete
Banda
 Latenza
 Congestione della rete
 ecc.

46
IDENTIFICAZIONE DELLE APPLICAZIONI
Concludendo: Rispondere ad un evento in tempo
reale significa rispondere ad
una velocità predeterminabile, quali che siano i
contesti operativi dell'apparato.
 Per applicazioni non real time definiamo quei
programmi dove la variabile temporale non è
decisiva.

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
editor, fogli elettronici, posta elettronica, DBMS, ….
47
GESTIONE RISORSE DI RETE

Nel progettare una rete bisognerebbe ipotizzare a
priori il carico del server
Sotto/sovra dimensionamento della rete
Costi
 Prestazioni degradanti della rete




Saturazione delle risorse
Possibile blocco delle applicazioni di rete
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
Lasciate alle stampanti la funzione di stampa e
ai router la funzione d’instradamento dei
pacchetti …
48
GESTIONE RISORSE DI RETE

Come “alleggerire” un server:
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Nas
 Stampanti di rete
 Firewall
 Switch
 Router
 Load Balancing

49
GESTIONE RISORSE DI RETE
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Load balancing:
 Funzionalità per l'ottimizzazione delle risorse di
calcolo che migliora le performance dei servizi
forniti.
 Nelle web farm ad esempio, i server raggruppati
in cluster forniscono all'esterno (Internet) un
unico server virtuale distribuendo all'interno il
carico di lavoro.
 In caso di guasto ad uno dei server del cluster,
l'entità software di load balancing si occupa di
ridistribuire le richieste di elaborazione sugli
altri server (fault tolerance).
50
GESTIONE RISORSE DI RETE
I servizi di load balancing sono tipicamente
forniti da programmi o hardware dedicati





Multilayer switch
Server DNS
File server
Web server
…
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
51
GESTIONE RISORSE DI RETE
Utilizzo di computer cluster


Un computer cluster, o più semplicemente
un cluster (dall'inglese grappolo), è un insieme di
computer connessi tramite una rete telematica.
Lo scopo di un cluster è quello di distribuire una
elaborazione molto complessa tra i vari computer
componenti il cluster.
In sostanza un problema che richiede molte
elaborazioni per essere risolto viene scomposto in
sottoproblemi separati i quali vengono risolti in
parallelo. Questo ovviamente aumenta la potenza di
calcolo del sistema.
Divide et impera!
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
52
GESTIONE RISORSE DI RETE



Fail-over Cluster: il funzionamento delle macchine
è continuamente monitorato, e quando uno dei due
host smette di funzionare l’altra macchina subentra.
Lo scopo è garantire un servizio continuativo;
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Esistono tre tipi di cluster: Fail-over, Load
balancing ed High Performance Computing. I
primi due sono i più diffusi:
Cluster con load balancing:
è un sistema nel quale le richieste
di lavoro sono inviate alla
macchina con meno carico;


diffusi specialmente tra centri di elaborazione dati;
53
GESTIONE RISORSE DI RETE

HPC Cluster: i computer sono configurati per
fornire prestazioni estremamente alte.
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Le macchine suddividono i processi di un job su più
computer, al fine di guadagnare in prestazioni.
 La peculiarità saliente è che i processi sono
parallelizzati e che le routine che possono girare
separatamente saranno distribuite su macchine
differenti invece di aspettare di essere eseguite una
dopo l’altra.
 GLI HPC sono diffusi specialmente tra centri di
elaborazione dati;

54
GESTIONE RISORSE DI RETE

L'utilizzo di questa tecnologia è molto diffuso, per
esempio:

Ferrari e Dreamworks utilizzano cluster (basati sul
sistema operativo GNU/Linux) sui quali fanno girare
programmi di rendering e di
simulazione fluidodinamica computazionalmente
molto onerosi.
Per ottenere un sistema di computer operanti
come un cluster è necessario:
un sistema operativo in grado di far funzionare i
computer come cluster (per esempio GNU/Linux,
utilizzando OpenMosix).
 hardware di rete ad elevate prestazioni.
 un algoritmo parallelizzabile.
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

55
GESTIONE RISORSE DI RETE
 Il
mondo GNU/Linux supporta vari tipi di
software per il clustering, come:
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Beowul, distcc, MPICH ed altri - gran parte
sono applicazioni di clustering molto
specializzate. Il programma distcc fornisce
compilazione parallela quando utilizza la GCC.
 Linux Virtual Server, Linux-HA - sono cluster
con un computer-direttore che permette alle
richieste di servizi in arrivo di essere
distribuite attraverso molteplici nodi del
cluster.

56
GESTIONE RISORSE DI RETE


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
MOSIX, openMosix, Kerrighed, OpenSSI - sono
cluster sotto ogni punto di vista, sono stati integrati
nel kernel il quale provvede alla migrazione
automatica dei processi tra nodi omogenei. OpenSSI,
openMosix e Kerrighed sono implementazioni singlesystem image.
GNU/Linux è attualmente il sistema più utilizzato
per il clustering: secondo Top500 nel 2009 è stato il
sistema più usato in assoluto.
La piattaforma Microsoft Windows Compute Cluster
Server 2003 basata su Windows Server 2003
Standard x64 Edition fornisce elementi per il calcolo
ad alte prestazioni, come "Job Scheduler", le librerie
MSMPI ed altri strumenti di amministrazione.
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