Sistemi e Tecnologie della
Comunicazione
Lezione 2: architettura delle reti e modello OSI
Standardizzazione



Una tecnologia di interesse prima o poi viene
prodotta a livello industriale
L’esistenza di diversi produttori con
implementazioni indipendenti ed incompatibili
genera caos
La definizione di standard e’ indispensabile:



per poter far cooperare oggetti di produttori diversi
perche’ aumenta il mercato dei prodotti che aderiscono
allo standard
Esistono standard de jure e de facto
ITU
International Telecommunication Union
 Nasce come esigenza di definire uno standard
per le telecomunicazioni tra i diversi paesi gia’ nel
1865 (prima telegrafia, poi telefonia)
 Nel 1947 diviene organismo delle Nazioni Unite
 Diviso in tre settori:



ITU-R (comunicazioni radio)
ITU-T (telecomunicazioni, noto fino al 1993 come
CCITT)
ITU-D (ricerca e sviluppo)
ITU (2)

Costituito essenzialmente da governi nazionali e membri
di settore (societa’ telefoniche, produttori di hardware,
produttori di servizi nel settore)



Ministreo delle Comunicazioni, FastWeb, Alcatel, TIM, Telecom
Italia, Vodafone Omnitel, Wind
Produce delle raccomandazioni (suggerimenti che i
governi possono adottare o meno) ma spesso diventano
standard riconosciuti
Esempi:



V.24 (EIA RS-232): comunicazione via porta seriale
CCITT X.25: standard per la comunicazione dati di tipo circuit
switching
V.90: standard per la comunicazione via modem a 56 Kbps
ISO
International Standard Organization
 Organizzazione che produce e pubblica gli standard
internazionali (su tutto)
 Membri: gli organismi di standardizzazione nazionali dei
paesi membri (89 nel 2004)
 ANSI (per gli USA) uno dei membri principali
 UNI (Ente Nazionale Italiano di Unificazione) per
l’Italia
IEEE
Institute of Electrical and Electronics Engineers
 La piu’ grossa organizzazione professionale del
mondo
 Sviluppa ricerca e produce standards nei settori
di ingegneria elettrica e computers
 I suoi standard spesso vengono adottati come
standard internazionali. Ad es., sulle reti locali:



IEEE 802.3 (Ethernet)
IEEE 802.5 (Token ring)
IEEE 802.11 (Comunicazione wireless)
Modello OSI



Nel 1977 l’ISO ha costituito un gruppo che producesse
uno standard universale per le architetture di rete
Il modello e’ stato pubblicato nel 1983 col nome OSI
(Open System Interconnection)
Lo scopo e’ quello di definire una architettura (strati,
protocolli, interfacce) in modo sufficientemente preciso da
consentire implementazioni indipendenti ma interoperanti
Architettura di rete
•
•




Una rete e’ costituita da componenti hardware (cavi, interfacce,
circuiti integrati, processori, RAM,…) e componenti software (per la
implementazione di algoritmi finalizzati al trasferimento dei dati non
realizzabili in hardware).
L’architettura di una rete definisce le specifiche con cui si vuole
realizzarla
Per ridurre la complessita’ del problema lo si spezza in parti
Si definisce l’insieme di compiti che ogni parte deve eseguire
Si definiscono i meccanismi con cui le diverse parti interagiscono tra
loro
Si maschera la implementazione di ciascuna parte alle altre parti
Architettura stratificata






Una strutturazione ritenuta idonea per una architettura di rete e’ la
stratificazione
La rete viene strutturata in livelli (strati, o layer), visti come una pila
di oggetti (stack)
Ciascuno strato ha come compito quello di fornire un servizio allo
strato superiore.
La definizione delle regole di accesso ai servizi offerti da uno strato
costituisce la interfaccia tra quello strato e lo strato superiore, ed e’
l’unica cosa che lo strato superiore deve conoscere
Ciascuno strato realizza i servizi per lo strato superiore comunicando
logicamente con lo strato paritario del nodo remoto, attraverso un
insieme di regole dette protocollo.
Lo scambio di dati con lo strato paritario viene realizzato fisicamente
utilizzando i servizi dello strato sottostante.
Schema del modello OSI
Livelli OSI: fisico (1)




Lo strato fisico si occupa della trasmissione dei bit sul
mezzo trasmissivo e comprende i dispositivi hardware
necessari alla connessione
Definisce le grandezze fisiche utilizzate e le regole di
handshaking (controllo del flusso)
Problemi tipici di questo livello sono:
 la codifica (i valori delle tensioni, la durata dei bit)
 proprieta’ meccaniche dei connettori
 specifiche elettriche dei circuiti dell’interfaccia
Fanno parte di questo livello le tecnologie RS232,
Ethernet, Token Ring e I protocolli dei modem.
Livelli OSI: fisico (1)

Mezzo trasmissivo



cavo: materiale (metallo, vetro), struttura
(rivestimento, schermatura, numero di conduttori),
lunghezza, sezione, attenuazione, impedenza, diafonia,
connettori, raggi di curvatura, tecniche di posa, etc.
etere: antenna (tipo, forma, guadagno), forma dei
lobi, distanza da ostacoli, etc.
Segnali

frequenza, tensione, potenza, codifica, modulazione
(in banda base, di fase, di frequenza, di ampiezza),
etc.
Livelli OSI: data link (2)




Lo strato di data link raggruppa i bit ricevuti dal livello superiore di rete in
gruppi di bit detti Frame e viceversa in ricezione. Trasforma una
trasmissione di bit grezzi tra nodi adiacenti in una linea di trasmissione con
controllo di errore (analisi)
Esegue funzioni quali
 divisione dei dati in frame
 controllo degli errori
 conferma della ricezione (acknowledge)
 controllo del flusso (handshacking)
 controllo di accesso al mezzo trasmissivo (indirizzo MAC: Medium Access
Control della scheda di rete)
Frame
 delimitazione, ordinamento dei bit, suddivisione in campi, indirizzi, etc.
Rilevazione e correzione errori
 FCS (Frame Control Sequence), codici di correzione di errore,
ritrasmissione, etc.
Livelli OSI: rete (3)



Lo strato di rete (network) determina il modo in cui I framevengono
instradati dal trasmettitore al ricevitore (routing o instradamento dei
dati) ricercando I percorsi migliori
Funzioni caratteristiche sono:
 suddivisione dei dati in pacchetti
 indirizzamento dei nodi della rete (Indirizzo IP)
 recapito a destinazione (su quale canale uscente inoltrare i dati
provenienti da un canale), solitamente basandosi su tabelle
 modalita’ di definizione ed aggiornamento delle tabelle
 controllo della congestione, dei ritardi, dei tempi di transito
Algoritmi di instradamento
 definizione della topologia della rete
 calcolo del percorso su base locale e/o globale,
 riconfigurazione in caso di guasti, etc.
Livelli OSI: trasporto (4)



Lo strato di trasporto provvede al trasferimento dei messaggi senza che gli
utenti, ovvero i livelli superiori, debbano essere a conoscenza della sua
struttura.
Procede in tre fasi:
- realizzazione della connessione
- trasferimento dei dati
- rimozione della connessione
E’ il primo protocollo end-to-end
- Affidabilita'
tutti I frame arrivano a destinazione, in copia unica e in ordine
- Trasparenza: "forma" dell'informazione qual'era alla sorgente
conservata a destinazione
- Ottimizzazione: traffico riparito sui canali disponibili, prevenzione
della congestione della rete
Livelli OSI: sessione (5)

Lo strato di sessione si occupa di negoziare la connessione
tra i due nodi (login session) e fissare i parametri del
colloquio (velocità, controllo errori, tipo di trasferimento
simplex, half-duplex o full-duplex, ecc.)
 controllo su quale delle due parti abbia diritto di
trasmettere
 supervisione di una connessione lunga con eventuale
ripristino della connessione in caso di fallimento del livello
sottostante
 Dialogo e sincronizzazione tra programmi applicativi
nell’utilizzo delle risorse condivise
Livelli OSI: presentazione (6)

Il livello di presentazione determina il modo con
cui le informazioni appaiono all’utente,
controllandone la sintassi e la semantica, cioè
eseguendo conversione di codici e di formati da
un sistema operativo all’altro

codifiche differenti dei dati (ASCII/EBCDIC, …)




ASCII: American National Standard Code for Information
Interchange
EBCDIC: Extended Binary Coded Decimal Interchange Code
compressione dei dati
crittografia dei messaggi per ragioni di sicurezza
Livelli OSI: applicazione


Il livello di applicazione si occupa di fornire agli utenti I mezzi
per accedere alle reti funzionando da interfaccia tra il sistema
di elaborazione dati e il mondo esterno
Compiti: definire i servizi attraverso cui l'utente utilizza la rete,
con tutte le relative interfacce di accesso
- Servizi di utente
 terminale, trasferimento di file, posta elettronica, browser
web, applicazioni Client-Server (Database), etc.
- Servizi di sistema operativo
 localizzazione di risorse, sincronizzazione degli orologi tra
sistemi diversi, controllo di diritti di accesso, etc.
L’interfaccia



L’interfaccia tra due strati adiacenti definisce le modalita’ con
cui lo strato superiore puo’ usufruire dei servizi offerti allo
strato inferiore
L’interfaccia e’ specificata dalla definizione di servizi, che
istruiscono lo strato inferiore ad eseguire determinate azioni
nel caso di implementazioni software, le primitive di servizio
sono di fatto chiamate a funzione, ed i parametri sono gli
argomenti delle funzioni
Flusso dei dati



Ogni livello organizza la sua comunicazione come se
avvenisse direttamente con il processo paritario, secondo
il protocollo (flusso virtuale).
I dati in realta’ scorrono dal livello superiore al livello
inferiore nel nodo che trasmette, ed in senso inverso nel
nodo che riceve
Il livello N accede quindi ai servizi dello strato N-1 per
inviare i dati al processo paritario N sul nodo remoto
Strato 1
Strato 2
Interfacce
Schema del modello OSI
Messaggio
Pacchetto
Frame
Bit
Dispositivi d’interconnessione e ISO/OSI
Host A
Host B
Protocollo ISO/OSI
Dati da trasferire
Livello 7
Livello 6
Livello 5
Livello 4
Livello 3
Livello 2
Livello 1
Al nodo destinazione
Fine
Architettura di rete
•
•




Una rete e’ costituita da componenti hardware (cavi, interfacce,
circuiti integrati, processori, RAM,…) e componenti software (per la
implementazione di algoritmi finalizzati al trasferimento dei dati non
realizzabili in hardware).
L’architettura di una rete definisce le specifiche con cui si vuole
realizzarla
Per ridurre la complessita’ del problema lo si spezza in parti
Si definisce l’insieme di compiti che ogni parte deve eseguire
Si definiscono i meccanismi con cui le diverse parti interagiscono tra
loro
Si maschera la implementazione di ciascuna parte alle altre parti
Architettura stratificata






Una strutturazione ritenuta idonea per una architettura di rete e’ la
stratificazione
La rete viene strutturata in livelli (strati, o layer), visti come una pila
di oggetti (stack)
Ciascuno strato ha come compito quello di fornire un servizio allo
strato superiore.
La definizione delle regole di accesso ai servizi offerti da uno strato
costituisce la interfaccia tra quello strato e lo strato superiore, ed e’
l’unica cosa che lo strato superiore deve conoscere
Ciascuno strato realizza i servizi per lo strato superiore comunicando
logicamente con lo strato paritario del nodo remoto, attraverso un
insieme di regole dette protocollo.
Lo scambio di dati con lo strato paritario viene realizzato fisicamente
utilizzando i servizi dello strato sottostante.
Definizione della architettura

L’architettura della rete si realizza con la
- definizione degli strati (partizionamento delle funzionalità)
- dei protocolli (come comunicano i processi paritari)
- delle interfacce tra gli strati (quali servizi offre uno strato
allo strato superiore e come lo strato superiore accede allo
strato inferiore)
Lo strato

Uno strato e’ definito quando sono definite le sue funzioni
 Uno strato puo’ occuparsi dello scambio dei dati tra due
applicazioni, senza occuparsi di questioni relative al modo in
cui i dati debbano viaggiare sulla rete, o alla codifica dei dati
 Un altro strato puo’ occuparsi di come recapitare i dati
attraverso i vari nodi della sottorete, senza occuparsi ne’ del
significato dei dati, ne’ del modo in cui vanno codificati i bit
sul mezzo trasmissivo
 Un terzo strato puo’ infine occuparsi della comunicazione tra
nodi adiacenti, senza preoccuparsi di quale sia il destinatario
finale dei dati, ne’ del significato dei dati stessi
Il protocollo


Un protocollo e’ un insieme di regole che definiscono la comunicazione
tra due (o piu’) entita’ (host, dispositivi, file, ecc.)
Esempio: protocollo per trasferimento di file (FTP)
 il client comunica al server “voglio trasferire un file” ed attende la
risposta dal server
 il server risponde “e tu chi sei?” ed attende la comunicazione dal
client
 il client invia lo username
 il server risponde
 non sei autorizzato
 dammi la password
 nel primo caso il client chiude, nel secondo invia la password
 il client comunica il nome del file che vuole trasferire
 il server fornisce il file
 il client legge il file e lo copia localmente
 alla fine il server chiude la comunicazione
Protocol Data Unit (PDU)


Il protocollo definisce quindi le modalita’ con cui due
entita’ comunicano
Generalmente un protocollo prevede lo scambio di dati e
di informazioni di controllo per gestire la comunicazione;
ad esempio:



informazioni di controllo per negoziare le caratteristiche della
comunicazione (la dimensione dei pacchetti, la velocita’, …)
informazioni di riscontro (acknowledge) sulla ricezione dei dati
Il pacchetto unitario (dati o informazioni di controllo) che
si scambiano due strati pari e’ detto PDU
Il servizio


Il servizio offerto da uno strato allo strato superiore
definisce cosa lo strato superiore puo’ ottenere dallo
strato inferiore; ad esempio:
 servizio di recapito dei dati (affidabile o non affidabile)
 servizio orientato alla connessione o connection less
 lo strato puo’ implementare il controllo di flusso
 servizi di comunicazione multicast o broadcast
Il servizio e’ sostanzialmente la definizione di un rapporto
client-server, dove il client e’ lo strato superiore ed il
server e’ lo strato inferiore
Servizi orientati alla connessione

La comunicazione si sviluppa in tre fasi:




attivazione della connessione: in questa fase non ci si
scambiano “dati”, ma si eseguono le operazioni
necessarie al successivo scambio di dati (si allocano le
risorse, ci si accorda sulle modalita’ di comunicazione,
eventualmente si rifiuta la connessione, …)
trasferimento dati: non e’ necessario che i dati siano
indirizzati, in quanto la loro destinazione e’
determinata dall’appartenenza ad una connessione.
rilascio della connessione: il rilascio lo si fa in modo
che entrambi i lati della connessione siano consapevoli
di cio’, e rilascino le risorse
L’esempio classico di servizio connection oriented
e’ la commutazione di circuito telefonica
Servizi non orientati alla connessione
(connectionless)



La comunicazione non prevede una fase iniziale,
ne’ una fase finale: i dati vengono inviati alla
controparte senza sapere se e’ pronta a riceverli.
Ogni blocco di dati deve riportare l’indirizzo del
destinatario e del mittente
Esempio di servizio non orientato alla
connessione: i pacchetti trasmessi su Internet
identificati dall’indirizzo IP.
Qualita’ del servizio

Servizio affidabile



garantisce che i dati arrivino correttamente a
destinazione, nell’ordine giusto
il servizio connection less puo’ implementare un
servizio affidabile utilizzando riscontri sulla ricezione
(esempio: posta raccomandata). Il meccanismo dei
riscontri (ed eventuale ritrasmissione dei dati)
introduce ritardi nella ricezione dei dati
Servizio inaffidabile

non si occupa di garantire la riuscita del trasferimento
dei dati, o dell’ordinamento degli stessi: qualora fosse
necessario, si occuperanno della cosa gli strati
superiori.
Qualita’ del servizio (2)

I servizi orientati alla connessione si possono classificare:




flusso affidabile di messaggi (servizio affidabile orientato al
messaggio: una sequenza di pagine di un libro, fax)
flusso affidabile di byte (servizio affidabile orientato al byte:
trasferimento file)
connessione inaffidabile (servizio non affidabile: telefonia)
I servizi non orientati alla connessione si possono
classificare:


servizio di datagramma inaffidabile (servizio inaffidabile: accesso
ad un database)
servizio di datagramma affidabile (protocolli di data link layer)
Schema del modello OSI
Fine