Architettura di Internet
Facoltà di Ingegneria
Università di Roma “La Sapienza”
Gennaio 2001
Obiettivi
• Fornire una panoramica
• Introdurre termini di uso corrente
• Illustrare gli scopi e le funzionalità dei
principali componenti della Rete
• Approccio più descrittivo che tecnico
2
Gennaio 2001
Il successo di Internet
Gennaio 1993
Luglio 1993
Gennaio 1994
Luglio 1994
Gennaio 1995
Luglio 1995
Gennaio 1996
Luglio 1996
Gennaio 1997
Luglio 1997
Gennaio 1998
Luglio 1998
Gennaio 1999
Luglio 1999
Gennaio 2000
Host collegati
1.313.000
1.776.000
2.217.000
3.212.000
4.852.000
6.642.000
9.472.000
12.881.000
16.146.000
19.540.000
29.670.000
36.739.000
43.230.000
56.218.000
72.340.000
Fonte: www.isc.org
Radio
Televisione
TV via cavo
Internet
Anni impiegati
per 50M utenti
38
13
10
5
3
Gennaio 2001
Indice
• Architettura e modalità di accesso alla Rete
• Comunicazioni (suite di protocolli TCP/IP)
• Sistema di naming (DNS)
• Storia
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Parte 1: Architettura e accessi
Gennaio 2001
“The Net”
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Gennaio 2001
Internet: Cosa non è ...
• Non è una singola rete, ma un insieme di reti esteso in
tutto il mondo
• Non è governata da un gruppo né da un ente né da
un’azienda (anche se alcuni spot pubblicitari inducono a
ritenere il contrario ...)
• Non è gestita in modo centralizzato perché tutte le singole
reti che compongono Internet hanno una gestione
autonoma
• E soprattutto: Non è sinonimo di World Wide Web
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Gennaio 2001
INTERNET: i Componenti
Componenti principali:
• Milioni di dispositivi connessi
detti nodi o host: PC, server,
workstation, cellulari, PDA, TV,
agende elettroniche, frigoriferi,...
router
server
mobile
ISP locale
ISP regionale
• Link di comunicazione: cavi,
fibra ottica, radio, satellitari,…
• Router: dispositivi che instradano
i messaggi da un punto all’altro
della Rete
PC/workstation
rete
aziendale
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Gennaio 2001
INTERNET: i Servizi
Servizi principali:
• comunicazioni
• applicazioni distribuite: email,
WWW, giochi, commercio
elettronico, database,…
• cyberspazio: “un’allucinazione
consensuale e collettiva
sperimentata giornalmente da
miliardi di utenti, in ogni
nazione ...” [Gibson]
router
server
PC/workstation
mobile
ISP locale
ISP regionale
rete
aziendale
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Gennaio 2001
INTERNET: i Confini
• Sistemi host: eseguono
programmi applicativi (tipo
e-mail, WWW, …) che
forniscono servizi.
Client
• Modello client/server:
i client effettuano richieste,
ricevendo servizi dai server:
Per es.,
- Client WWW = browser
- Server WWW = applicativo del
sito
Server
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Gennaio 2001
Collegamenti ad Internet
“Come collegare gli host esterni ai router di confine?”
• Accessi residenziali (=da casa)
– punto-punto
– cable modem
• Accessi istituzionali (=da Università, centri
di ricerca, alcune aziende)
• Accessi wireless
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Gennaio 2001
Accessi residenziali: punto-punto
• Dialup mediante modem fino a
router: 56 Kbps di banda ideale
Internet Service
Provider (ISP)
• ISDN (Integrated Services Digital
Network): 128 Kbps di connessione
digitale fino al router
• ADSL (Asymmetric Digital Subscriver
Line):
• fino a 1 Mbps da casa al router
• fino a 8 Mbps dal router a casa
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Gennaio 2001
Internet Service Provider
• Il provider possiede
– uno o più server sempre attivi e collegati
permanentemente ad Internet
– una batteria di modem collegati a numeri di telefono
• Servizi offerti
– Accesso ad Internet (mediante telefonata ai suoi numeri)
– Servizi accessori: email, sito Web, chat-line, mailing list,...
• Costi
– Abbonamento all’ISP
– Telefonata a scatti o abbonamento (tariffa fissa mensile)
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Gennaio 2001
Accessi istituzionali
• La rete locale (LAN) dell’università
o azienda viene collegata
logicamente al router
• Ethernet
• Un cavo dedicato o condiviso
collega i computer della LAN
e questi, mediante bridge e
switch, al router
• Bande di trasmissione:
10 Mbps (Ethernet)
100 Mbps (Fast Ethernet)
1 Gbps (Gigabit Ethernet)
LAN
LAN
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Gennaio 2001
Internet Router
Internet router: dispositivo che interconnette due reti
e passa le informazione da una rete all’altra
rete 2
rete 1
Due reti interconnesse da un router
rete 1
rete 2
rete 3
Tre reti interconnesse da due router
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Gennaio 2001
Indirizzi Internet (1)
Per fornire un servizio di comunicazione universale (ogni nodo della rete
può comunicare con ciascun altro nodo) occorre un metodo che permette
di identificare univocamente ciascun nodo o host.
Ad ogni nodo è assegnato un unico indirizzo Internet (indirizzo IP) formato
da 32 bit  232  4,3 miliardi di indirizzi diversi.
L’indirizzo IP è suddiviso in 4 campi, ciascuno dei quali è formato da 8 bit,
separati da un punto (dotted notation): ad es. 160.80.15.72
Ogni indirizzo è formato dalla coppia (netid, hostid), dove netid identifica
la rete e hostid identifica un host di quella rete.
Quindi, tutti i nodi appartenenti ad una stessa rete condividono lo stesso
netid (prefisso di rete).
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Gennaio 2001
Indirizzi Internet (2)
• 4 classi di indirizzi IP: classe A, classe B,
classe C, classe D
Classe
A
0 netid
B
10
C
110
D
1110
da 0.1.0.0
a 126.0.0.0
hostid
netid
hostid
netid
hostid
multicast address
da 128.0.0.0
a 191.255.0.0
da 192.0.0.0
a 239.255.255.0
da 240.0.0.0
a 247.255.255.255
32 bit
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Gennaio 2001
Assegnamento indirizzi classe C
ETHERNET 200.10.2.0
200.10.2.3
MERLIN
(multi-homed
host)
200.10.2.8
GUENEVERE
(Ethernet
host)
200.10.2.26
LANCELOT
(Ethernet
host)
192.5.48.3
200.10.2.70
192.5.48.7
GLATISAN
(router)
TOKEN
RING
192.5.48.0
TALIESYN
(router)
192.5.48.6
10.0.0.37
ARPANET
192.5.48.1
ARTHUR
(token-ring
host)
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Parte 2: Comunicazioni in Internet
Gennaio 2001
Protocolli
• Tutte le comunicazioni in Internet sono
regolate mediante protocolli
• I protocolli definiscono:
– formato dei messaggi
– ordine dei messaggi inviati e ricevuti tra i
dispositivi di Internet
– azioni da effettuare al momento della trasmissione
e della ricezione dei messaggi
• I protocolli utilizzati in Internet si basano
sulla suite di protocolli TCP/IP ( ISO/OSI)
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Gennaio 2001
Esempi di protocolli
Tra persone
Tra computer
Richiesta di
connessione
Buongiorno
OK per la
connessione
Buongiorno
Dammi un file
Sa l’ora?
Le 4
Grazie
Prego
<file>
tempo
Chiudi connessione
OK
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Gennaio 2001
Packet Switching
Invia messaggio
composto da 8 pacchetti
C
A
B
Invia messaggio Coda di pacchetti
composto da 4 pacchetti in attesa del link
di uscita
D
“Analogia del ristorante”
• Circuit switching = con prenotazione del tavolo
• Packet switching = senza prenotazione
E
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Gennaio 2001
Pila di protocolli Internet (TCP/IP)
• Applicativo: supporta le applicazioni
di rete: FTP, HTTP, SMTP, ...
• Trasporto: supporta i trasferimenti
da host a host: TCP, UDP
applicativo
trasporto
• Rete: trasferisce i pacchetti dal
nodo mittente al destinatario: IP
rete
• Link: effettua i trasferimenti dei dati
tra componenti della rete confinanti:
PPP, Ethernet, …
link
fisico
• Fisico: trasferisce bit “sul cavo”
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Gennaio 2001
Protocollo IP (livello rete)
• Protocollo per la consegna dei pacchetti da
un host mittente ad un host destinatario.
• Caratteristiche
– privo di connessione: ogni pacchetto è trattato in
modo indipendente da tutti gli altri;
– non affidabile: la consegna non è garantita (i
pacchetti possono essere persi, duplicati, ritardati,
o consegnati senza l’ordine di invio);
– consegna con impegno: tentativo di consegnare
ogni pacchetto (l’inaffidabilità deriva dalle possibili
congestioni della rete o guasti dei nodi/router)
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Gennaio 2001
Protocollo TCP (livello trasporto)
• Protocollo che fornisce un livello di trasporto
dell’informazione affidabile.
• Caratteristiche principali
– orientato al flusso di dati: considera il flusso di dati
dall’host mittente fino al destinatario;
– orientato alla connessione: comprende l’instaurazione,
l’utilizzo e la chiusura della connessione;
– trasferimento con buffer: i dati sono memorizzati in un
buffer e poi inseriti in un pacchetto quando il buffer è pieno;
– connessione full duplex (bidirezionale): è possibile il
trasferimento contemporaneo in entrambe le direzioni della
connessione.
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Gennaio 2001
Suite di protocolli TCP/IP
Host A
Host B
Prot. applicativo
Prot. applicativo
TCP
TCP
IP
Router
Interfaccia di rete
IP
IP
Interfaccia di rete
Interfaccia di rete
Rete 1
Rete 2
Principio di trasmissione messaggi: Packet-switching
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Gennaio 2001
Comunicazione logica tra i livelli
Per es.: trasporto
• prende i dati dalla
applicazione
• aggiunge indirizzi, e
controlli di
consistenza,
formando un
pacchetto
(“datagram”)
• invia il pacchetto al
nodo destinatario
• attende dal nodo
destinatario un
messaggio di ACK
data
application
transport
transport
network
link
physical
application
transport
network
link
physical
ack
data
network
link
physical
application
transport
network
link
physical
data
application
transport
transport
network
link
physical
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Gennaio 2001
Comunicazione fisica tra i livelli
data
application
transport
network
link
physical
application
transport
network
link
physical
Ogni livello prende i dati dal livello
superiore, vi aggiunge delle informazioni
e passa il tutto al livello inferiore
network
link
physical
application
transport
network
link
physical
data
application
transport
network
link
physical
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Gennaio 2001
Flusso del traffico TCP: esempio
Apertura connessione
TCP SYN
TCP SYN ACK
TCP ACK
Invio messaggio
Pacchetto 1
Host A
1
2
3
4
TCP ACK
Host B
Pacchetto 2
Messaggio
TCP ACK
Pacchetto 3
1
TCP ACK
1
2
3
4
2
3
Pacchetto 4
4
TCP ACK
Chiusura connessione
TCP FIN ACK
TCP ACK
TCP FIN
TCP ACK
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Parte 3: Sistema DNS
Gennaio 2001
“Identificatori” in Internet
• Le persone hanno molteplici “identificatori”:
nome, n° passaporto, codice fiscale, …
• I telefoni sono denotati da un unico numero
• I dispositivi collegati ad Internet (host, router)
hanno due identificatori:
– Indirizzo IP (numero di 32 bit): utilizzato per
indirizzare ed instradare i pacchetti nella rete
– Hostname (stringa alfanumerica): nome
logico utilizzato dalle persone
31
Gennaio 2001
Hostname
• Dato lo scopo rivolto verso l’utente, all’hostname
si preferiscono attribuire valori mnemonici. Es.:
nome del computer e posizione:
sun11 .dis .uniroma1 .it
Nome del
computer
Dipartimento di
Informatica e Sistemistica
ITalia
UNIiversità
di ROma
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Gennaio 2001
Domain Name System (DNS)
• Realizza uno spazio dei nomi gerarchico e
permette la traduzione del nome mnemonico di
un host in un indirizzo IP. Es.
Hostname:
sun11.dsi.unimo.it
Indirizzo IP:
134.56.26.68
(10000110.00111000.00011010.01000100)
• Implementa un meccanismo efficiente (mediante
name servers), distribuito su scala geografica,
per convertire un hostname in un indirizzo IP e
viceversa.
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Gennaio 2001
Organizzazione gerarchica dei domini
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Gennaio 2001
Domini di massimo livello
Nome del Dominio
Significato
COM
Organizzazioni commerciali
EDU
Istituzioni USA per l’istruzione
GOV
Istituzioni governative USA
MIL
Istituzioni militari USA
NET
Maggiori centri di supporto per la rete
ORG
Organizzazioni senza scopo di lucro diverse dalle precedenti
ARPA
Dominio temporaneo della rete ARPANET (obsoleto)
INT
Organizzazioni internazionali (schema geografico)
Codice nazionale
(it, ch, fr, jp, ... )
Nomi nazionali (schema geografico)
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Gennaio 2001
Sistema DNS: Meccanismo di risoluzione
• Nessun name server ha tutte le
corrispondenze tra Hostname e Indirizzo IP
• Esistono
– Name server locali: ogni ISP e organizzazione
gestisce uno o più name server locali, che vengono
invocati per primi dagli host dell’organizzazione stessa
– Name server autoritativi: relativamente ad un host,
sono i name server che hanno la corrispondenza
(hostname)(indirizzo IP) più aggiornata e corretta
– Name server radice (root name server): contattati dai
name server locali quando non riescono a risolvere un
indirizzo, contattano i name server autoritativi per
quell’indirizzo o name server intermedi (di zona)
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Gennaio 2001
Sistema DNS: Esempio di risoluzione
root name server
L’host sun11.dis.uniroma1.it vuole
conoscere l’indirizzo IP dell’host
star.dis.uniroma2.it
2
4
5
1) Contatta il suo DNS locale
3
2) Se necessario, il DNS locale
contatta il root DNS
name server locale
3) Se necessario, il root DNS
contatta il DNS autoritativo per
quell’indirizzo (o un DNS
intermedio nel caso in cui non
conosca un DNS autoritativo
per quell’indirizzo)
dns.uniroma1.it
1
name server autoritativo
dns.uniroma2.it
6
Host richiedente
sun11.dis.uniroma1.it
star.dis.uniroma2.it
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Parte 4: Storia
Gennaio 2001
Internet: storia e leggenda
• La leggenda
Un progetto finanziato dal Ministero della Difesa USA con
lo scopo di realizzare una rete in grado di comunicare
anche in seguito ad attacchi nucleari
• La realtà
– Finanziata dal Ministero della Difesa USA
– Motivazione: successi spaziali dell’URSS
– Obiettivo: consentire l’accesso alle poche risorse di
calcolo potenti (e costose) da vari centri di ricerca e
Università USA
39
Gennaio 2001
Internet 1961-1972: gli albori
• 1961: Kleinrock mediante
la teoria delle reti di code
dimostra l’efficacia delle
comunicazioni packetswitching*
• 1964: Baran - Packet
Switching in reti militari
• 1967: ARPAnet finanziato
da Advanced Research
Projects Agency
• 1969: Primo nodo ARPAnet
funzionante
• 1972:
– ARPAnet viene
presentata
pubblicamente
– NCP (Network Control
Protocol): primo
protocollo host-to-host
– primo programma di
posta elettronica (e-mail)
– ARPAnet ha 15 nodi
(ovvero collega 15 host)
* Per tutti gli anni ’60, gli “esperti” di telecomunicazioni, sostenitori delle trasmissioni
circuit-switching, sentenziavano “It will not work” [da “La storia di Internet scritta da
coloro che l’hanno creata”, ]
40
Gennaio 2001
Internet 1972-1980: la ricerca
• 1970: ALOHAnet, satellite in
rete alle Hawaii
• 1973: Nella tesi di PhD,
Metcalfe propone Ethernet
• 1974: Cerf e Kahn definiscono
i principi che tuttora regolano
l’architettura di Internet
(autonomia, minimalismo, best
effort service model, controllo
distribuito, router senza stato)
• fine anni ’70: architetture
proprietarie : DECnet, SNA,
XNA
• 1979: ARPAnet collega 200
nodi
schizzo originale
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Gennaio 2001
Internet 1980-1990: la maturità
• 1983: protocollo TCP/IP
• 1982: protocollo SMTP
per e-mail
• 1983: sistema DNS per
la traduzione da
hostname a indirizzo IP
• 1985: protocollo FTP
• 1988: controllo di
congestione del TCP
• 1989: nuove reti
nazionali: Csnet,
BITnet, NSFnet, Minitel
• 1990: 100.000 nodi
sono connessi a reti
confederate
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Gennaio 2001
Internet 1990-2000: l’esplosione
• Inizi ’90: si dismette
ARPAnet
• 1991: NSF rimuove le
restrizioni sull’uso
commerciale di NSFnet
(dismessa poi nel 1995)
• Inizi ’90: nascita del WWW
– Ipertesti [Bush 1945,
Nelson 1960’s]
– HTML, http: Berners-Lee
– 1994: Mosaic, e poi
Netscape
– fine anni ’90:
commercializazione del
WWW
Inizi anni 2000:
• si stimano circa 100
milioni di host connessi ad
Internet
• si stimano più di 300
milioni di utenti
• le reti backbone hanno
capacità di trasferimento
di 1 Gbps
43
Gennaio 2001
Sintesi (parole chiave di Internet)
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
host/nodo
link
router
dialup, ISDN, ADSL
Internet Service Provider
LAN, Ethernet
indirizzo IP
netid, hostid
classi di indirizzi IP
protocollo
packet switching
•
•
•
•
•
•
•
•
•
suite di protocolli Internet
protocollo IP
protocollo TCP
datagram
comunicazione logica e
fisica
hostname
sistema DNS
name server (locali,
autoritativi, radice)
ARPAnet
44