Che cosa serve per collegare
e mettere in comunicazioni
diversi esecutori automatici
Le reti di calcolatori
Una rete di calcolatori è un sistema o un particolare tipo di rete di telecomunicazioni che permette lo scambio o condivisione di dati informativi e risorse (sia
hardware sia software) tra diversi calcolatori. Il sistema fornisce un servizio di trasferimento di informazioni, attraverso comuni funzionalità di trasmissione e ricezione,
ad una popolazione di utenti distribuiti su un’area più o meno ampia ed offre la
possibilità anche di usufruire di calcolo distribuito attraverso il sistema distribuito
in cui la rete, o parte di essa, può configurarsi. L’esempio più classico di rete di
calcolatori è la rete Internet.
Funzione e struttura di una rete di calcolatori
scambio di
informazioni
condivisione
delle risorse
gestione
centralizzata
sicurezza
Le reti di calcolatori vengono implementate per diversi scopi. Una di queste è
la possibilità di scambiare dati tra diversi calcolatori. Se i calcolatori non sono in
qualche modo collegati risulterà impossibile condividere dati con gli altri utenti a
meno di non ricorrere a qualche altro tipo di supporto che possa essere spostato da
un elaboratore all’altro (CD, memoria flash).
Le reti permettono anche di condividere risorse, quali potenza di elaborazione,
memoria, unità di memorizzazione e periferiche. Ad esempio: consideriamo il caso
di un ufficio con una dozzina di dipendenti che utilizzano il pc per redigere relazioni
tecniche. Piuttosto che installare una stampante per ognuno dei pc dell’azienda,
è sicuramente preferibile acquistare un paio di stampanti per l’intero ufficio, più
costose ma veloci e di alta qualità, e configurarle in modo che tutti possano utilizzarle per stampare i propri documenti. In questo modo l’amministratore riesce a
ottimizzare i costi di acquisto e di gestione dell’hardware e contemporaneamente gli
utenti hanno la possibilità di produrre stampati di qualità superiore.
Esse consentono anche una gestione centralizzata delle risorse. Dati, applicazioni e periferiche possono essere gestiti in maniera centralizzata semplificando le
operazioni di amministrazione e utilizzando le performance dell’intero sistema.
Inoltre le reti permettono di aumentare la sicurezza dell’intero sistema. In questo
modo le informazioni confidenziali e i dati riservati possono venire memorizzati su
di un server protetto a cui gli utenti possono avere accesso con permessi più o meno
limitati a seconda del ruolo rivestito dall’utente stesso in azienda.
Risulta evidente che l’implementazione di una rete di calcolatori presenta un
gran numero di vantaggi che permottono da un lato di ottimizzare in termini di
costi e di semplicità di gestione delle risorse, e dall’altro un incremento dell’efficienza
produttiva determinato dall’elevata velocità con cui gli utenti possono attingere alle
informazioni necessarie per lo svolgimento della propria attività lavorativa.
Ne consegue che se da un lato lo sviluppo delle reti di calcolatori fornisce un
mezzo sempre più potente per aumentare la competitività e la produttività delle
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Le reti di calcolatori
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aziende, dall’altra genera una domanda sempre crescente di personale tecnico qualificato in grado di progettare, implementare e amministrare le reti di calcolatori.
Nonché di fornire il supporto tecnico per una realtà che è in continua evoluzione
come quella del networking.
Classificazione in base alla dimensione
L’importanza del computer risulta evidente soprattutto nel mondo degli affari
quando ci si rende conto che per aumentare la potenzialità delle aziende diventa
indispensabile disporre di strumenti che agevolino la condivisione delle informazioni.
In un primo periodo lo scambio di dati fra gli utenti avviene o stampando il documento utilizzando floppy disk o consentendo a più utenti di accedere allo stesso
calcolatore.
Poiché le soluzioni non si dimostrano efficienti si rende necessario un approccio
diverso al problema: nascono le LAN. Le prime LAN (Local Area Network) si sviluppano negli anni ’70, ma si diffondono su larga scala solo nell’intervallo temporale
a cavallo tra gli anni ’80 e ’90. Le LAN sono costituite da gruppi di calcolatori distribuiti su un’area limitata, collegati tra loro mediante cavi e schede di rete. Grazie
all’introduzione delle LAN, i calcolatori sono in grado non solo di comunicare, ma
anche di condividere risorse come spazio di memoria o stampanti.
In maniera graduale, le reti utilizzate dalle aziende per condividere e scambiare
informazioni cominciano ad espandersi arrivando a coprire aree di dimensioni sempre maggiori con calcolatori distribuiti tra vari uffici in filiali distanti centinaia ci
chilometri.
La Metropolitan Area Network (MAN) (spesso detta in italiano rete in area
metropolitana o più semplicemente rete metropolitana) è una tipologia di rete di
telecomunicazioni con un’estensione limitata a perimetro metropolitano. Si tratta
di una rete di trasporto storicamente nata per fornire servizi di tv via cavo alle
città dove c’era una cattiva ricezione terrestre. In pratica un’antenna posta su una
posizione favorevole, distribuiva poi il segnale alle case mediante cavo. Prima la cosa
è avvenuta a livello locale, successivamente si sono create grosse aziende che hanno
richiesto di cablare intere città, soprattutto negli Stati Uniti. Quando il fenomeno
Internet è esploso, queste società hanno ben pensato di diffondere la comunicazione
via Internet anche attraverso il cavo TV utilizzando la struttura preesistente.
Grazie allo sviluppo delle tecnologie informatiche pian piano risulta possibile
realizzare reti di calcolatori che si estendono su aree di grandi dimensioni: le cosiddette WAN. Attraverso le WAN, costituite da più MAN collegate tra loro in vario
modo, le aziende riescono a condividere informazioni con i propri collaboratori a
livello globale e scambiare dati in tempo reale tra filiali che si trovano da un capo
all’altro del pianeta.
Con il passare del tempo le tecnologie WAN si sono sempre più evolute e consolidate permettendo la creazione di reti a livello globale. Nel mondo moderno con
il termine Internet Work ci si riferisce solitamente ad una WAN costituita da un
insieme di LAN fisicamente distinte collegate fra loro in vario modo.
LAN
MAN
WAN
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Le reti di calcolatori
Classificazione in base all’organizzazione
reti
centralizzate
reti
peer-to-peer
reti client
server
dominio
In base alla loro architettura le reti si dividono in reti centralizzate e reti Peerto-Peer e reti client server.
Le reti centralizzate sono costituite da uno o più unità centrali chiamate mainframe e da una serie di terminali collegati direttamente al computer principale.
L’elaborazione dei dati avviene totalmente (o quasi) all’interno dell’unità centrale. Inoltre le reti centralizzate utilizzano tipicamente hardware dedicato e piuttosto
costoso e non sono molto flessibili e scalabili.
Le reti Peer-to-Peer sono costituite da un gruppo ridotto di calcolatori (tipicamente non più di 10) generalmente non molto potenti che devono condividere dati
e periferiche. In una rete di questo tipo non c’è un elaboratore centrale che funge
da riferimento per gli altri ma tutti i calcolatori sono sullo stesso piano ed operano
sia come client che come server.
Dal punto di vista amministrativo non esiste una figura amministrativa centralizzata che gestisca gli utenti, le password e le impostazioni di sicurezza dell’intera
rete ma ogni calcolatore ha un amministratore locale che decide quali sono le risorse
da mettere a disposizione degli altri e con quali permessi.
I vantaggi della rete Peer-to-Peer sono collegati essenzialmente alla riduzione
dei costi di installazione: non si ha la necessità di acquistare un sistema operativo
di tipo server per la gestione della rete ma si può lavorare con sistemi operativi non
particolarmente costosi come ad esempio Windows 98 o Windows 2000 Professional. Inoltre la gestione di un sistema operativo di tipo server risulta sicuramente
più complessa e richiede quasi sempre competenze specifiche e personale tecnico
appositamente preparato.
Gli svantaggi sono legati al fatto che il sistema Peer-to-Peer non è adatto per
reti di grandi dimensioni.
Le reti client server sono costituite da una o più macchine server che fungono
da punto di riferimento per gli altri calcolatori della rete: i client.
Un server è un computer che mette a disposizione le proprie risorse (memoria,
potenza di elaborazione,periferiche) a disposizione per gli altri Pc della rete.
I client sono computer dotati di memoria e capacità elaborativi locale che
utilizzano le risorse che i server mettono a loro disposizione.
Dal punto di vista amministrativo, le reti client server, tipicamente basano il oro
funzionamento sul concetto di dominio.
Un dominio è un insieme di calcolatori che viene amministrato in maniera
centralizzata in cuoi un utente superpartes ha il controllo completo sull’intera rete.
Questo utente, detto amministratore del dominio, è in grado di creare account per
gli altri utenti, gestirne le password, configurarne l’ambiente di lavoro, distribuire
software ed impostare permessi.
Di solito l’architettura client server rappresenta la soluzione migliore quando il
numero di Pc che devono essere collegati in rete è elevato.
I vantaggi di questo tipo di modello consistono nella scalabilità del sistema,
nella possibilità di gestire le impostazione di sicurezza in maniera centralizzata e
nella possibilità di ottimizzare l’utilizzo delle risorse con conseguente incremento
delle prestazioni generali della rete. Lo svantaggio principale deriva dal fatto che
Le reti di calcolatori
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l’implementazione e l’amministrazione del sistema richiedono maggiori competenze
tecniche e personale specializzato. Inoltre la gestione di un server di questo tipo
richiede necessariamente l’implementazione di un sistema operativo di tipo server.
Classificazione in base alla topologia
Per quanto riguarda la comunicazione tra i diversi calcolatori presenti all’interno
della rete, queste si dividono in reti a bus, reti a stella, reti ad anello e reti miste.
La topologia a bus, detta anche topologia lineare, rappresenta la struttura più
semplice da implementare. È costituita da un singolo cavo cui sono collegati da
tutti i Pc che costituiscono i nodi della rete.
Quando un calcolatore deve inviare dati a un altro computer trasmette le informazioni sul cavo servendosi della propria scheda di rete. Le informazioni viaggiano sul supporto fisico fino a raggiungere tutti i computer della rete ma solo il
destinatario o i destinatari del messaggio processano e leggono i messaggi inviati.
La trasmissione dei dati in una struttura di questo tipo è limitata a un solo
Pc alla volta mentre tutti gli altri restano semplicemente in ascolto. Quando più
calcolatori inviano dati contemporaneamente sul supporto fisico si generano conflitti
che vengono risolti in modo diverso a seconda della modalità con cui viene gestito
l’accesso alla rete.
In una rete di questo tipo i dati viaggiano sul supporto fisico in entrambe le
direzioni fino a raggiungere l’estremità del cavo dove vengono posizionati degli
oggetti chiamati terminatori.
I terminatori assorbono il segnale in arrivo e ne impediscono la riflessione che
impedirebbe l’utilizzo del supporto da parte degli altri calcolatori in quanto il cavo
risulterebbe impegnato proprio dal segnale riflesso.
Lo svantaggio principale di questo tipo di struttura deriva dal fatto che se il cavo
viene danneggiato o interrotto in un punto qualsiasi, nel punto di interruzione viene
generata una riflessione che spesso impedisce l’utilizzo del mezzo per la trasmissione
dei dati mettendo di fatto fuori uso l’intera rete.
In una rete a Stella i calcolatori sono tutti collegati ad un componente centrale
chiamato HUB.
Quando un calcolatore deve inviare un messaggio sulla rete, il messaggio giunge
all’HUB centrale e quindi tutti gli altri Pc direttamente collegati.
Il principale vantaggio della tipologia a stella consiste nel fatto che quando si
interrompe il collegamento tra uno dei Pc e l’HUB centrale, solo il Pc in questione
non riesce più a inviare e ricevere dati, tutti gli altri continuano a lavorare senza
problemi.
In una rete che utilizza la topologia ad anello tutti i Pc sono collegati tramite
un unico cavo che rappresenta un anello logico. Il segnale viaggia attraverso l’anello
in una sola direzione attraverso i computer che costituiscono i nodi della rete fino
a raggiungere il Pc di destinazione. Ogni nodo funge da ripetitore del segnale che
viene amplificato di passaggio in passaggio. Nelle reti ad anello il metodo utilizzato
per la trasmissione dei dati è basato sul concetto di TOKEN. Un TOKEN è un
insieme di BIT che viaggia sull’anello contenente informazioni di controllo.
reti a bus
reti a stella
reti ad anello
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Le reti di calcolatori
Quando un Pc deve inviare dati si impossessa del TOKEN, lo modifica e lo
invia insieme al messaggio. I dati viaggiano fino a che non arrivano al computer
di destinazione, che, una volta confrontato il proprio indirizzo con quello contenuto
nel messaggio, elabora i dati ricevuti, e se necessario, crea un nuovo TOKEN per
ritrasmettere dati sulla rete.
Il processo di trasmissione dei dati
unicast
broadcast
multicast
Le tipologie di trasmissione si dividono in unicast, broadcast e multicast.
In una trasmissione unicast i dati vengono inviati dal computer di origine direttamente a quello di destinazione. Quando più Pc devono ricevere gli stessi dati
questo tipo di trasmissione non risulta efficiente perché vengono inviate sulla rete
copie multiple ognuna diretta a uno specifico destinatario.
In una trasmissione di tipo Broadcast una singola copia dei dati viene inviata
a tutti i Pc che appartengono alla stessa sottorete del computer di origine. Questo
tipo di trasmissione non fornisce buone performance perché ogni pacchetto inviato
sulla rete deve essere processato su tutti i calcolatori presenti indipendentemente
dai reali destinatari delle informazioni.
In una trasmissione di tipo Multicast una unica copia dei dati viene inviata a
tutti i Pc che ne fanno richiesta. Poiché non vengono inviate copie multiple dello
stesso dato, questo tipo di trasmissione risulta particolarmente efficace quando le
informazioni devono essere inviate a più destinatari.
Mezzi di trasmissione
mezzi di
trasmissione
modulazione
Un sistema di trasmissione è un insieme di elementi mezzi fisici trasmissivi tipicamente impiegato per il trasporto dell’informazione tra due punti distinti di una
rete di telecomunicazioni (nodi di scambio, centrali, singoli utenti).
I mezzi trasmissivi sono di 3 tipi, mezzi elettrici (doppini, cavi coassiali), mezzi
ottici (fibre ottiche) e mezzi wireless (aeree). In ogni caso il fenomeno fisico utilizzato è l’onda elettromagnetica. Tale onda si propaga da sorgente a destinazione
in modi diversi a seconda del mezzo utilizzato; Nel caso dei mezzi wireless, le onde
radio si propagano liberamente, mentre nei mezzi elettrici, come in quelli ottici,
la propagazione del segnale è guidata. Tutti questi mezzi introducono alterazioni del segnale (attenuazione, distorsione, rumore), dovute alle proprietà fisiche dei
materiali.
Con il termine modulazione si indica l’insieme delle tecniche di trasmissione
finalizzate ad imprimere un segnale elettrico o elettromagnetico detto modulante su
di un altro segnale elettrico o elettromagnetico detto portante che ha invece lo scopo
di trasmettere le informazioni del modulante ad alta frequenza. La portante con il
segnale informativo modulante agganciato sarà detto quindi segnale modulato.
L’operazione inversa di ripristino del segnale informativo originario in banda
base è detta demodulazione. Il dispositivo in trasmissione che attua l’operazione
di modulazione sul segnale informativo è detto modulatore, mentre il dispositivo
in ricezione attua l’operazione di demodulazione è detto demodulatore, compresi
Le reti di calcolatori
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rispettivamente nel trasmettitore e nel ricevitore. In un sistema di ricetrasmissione
tali sistemi vengono riuniti entrambi sotto la dizione di modem (dalla composizione
di modulazione e demodulazione).
I segnali modulanti possono rappresentare le informazioni più diverse: audio,
video, dati. L’onda portante è un’onda elettromagnetica o un segnale elettrico a
frequenza ben determinata (molto maggiore della frequenza del segnale Modulante),
che può essere trasmessa in aria, nel vuoto (radio) o tramite un mezzo materiale
opportuno. In caso di trasmissioni laser in fibra ottica o in aria libera, invece della
frequenza portante, viene tipicamente indicata la lunghezza d’onda della portante.
Ogni mezzo trasmissivo oppone una resistenza al passaggio del segnale, dovuta
alle proprietà fisiche dei materiali che lo compongono. Si può avere un’attenuazione del segnale, cioè la perdita di energia subita dal segnale durante la propagazione.
Nei cavi e nell’aere il segnale decade in rapporto con la distanza. Si può avere una
distorsione da ritardo, un’alterazione è causata dal fatto che armoniche a frequenze
diverse viaggiano a velocità diverse, quindi alcune armoniche arriveranno prima di
altre. Si può avere l’aggiunta di rumore, un segnale indesiderato che disturba la
trasmissione ed è dovuto all’azione della temperatura che fa muovere gli elettroni
nel mezzo. Inoltre si possono osservare anche effetti di diafonia, causata dall’impedenza induttiva, cioè dal fatto che un segnale elettrico che attraversa una spira
genera un campo elettrico che disturba le trasmissioni vicine.
Il doppino telefonico originariamente fu usato per le trasmissioni telefoniche,
oggi è il mezzo di trasmissione più semplice e diffuso per la trasmissione dei dati
nelle reti. Il grande vantaggio offerto da questo mezzo è quello di permettere di
usare delle tecnologie e degli strumenti di installazione tipici della telefonia e quindi
ampiamente collaudati e diffusi. Il doppino telefonico è formato da due fili di rame.
normalmente intrecciati tra loro, collocati all’interno di una guaina di plastica. I
fili vengono intrecciati per ridurre i disturbi legati ai campi elettromagnetici che si
creano quando le coppie adiacenti di fili vengono combinati in cavi multicoppia. Il
problema maggiore di questi cavi è proprio quello di essere sensibili alle interferenze
elettriche dovute alle sorgenti esterne che generano rumore sulla linea, cioè interferenze. Questa vulnerabilità costringe ad utilizzare basse velocità di trasmissione
(dai 240 bit al secondo ai 56.000 bit al secondo) poiché maggiore è la velocità e più
facilmente si possono perdere informazioni.
Il doppino telefonico viene comunemente impiegato per collegare apparecchiature che non necessitano di grosse velocità. Inoltre, poiché agisce come un’antenna
(maggiore è la lunghezza e maggiori sono i disturbi che accumula), spesso si è obbligati a ridurre la distanza tra un nodo e l’altro (in genere non superiore a 4 km) e
a utilizzare dei ripetitori di segnale. Questi problemi vengono parzialmente superati
con l’uso di cavi schermati che permettono di ridurre i disturbi.
Il doppino telefonico (noto anche con l’acronimo di UTP) viene unito al computer
in genere con dei connettori RJ-11 (fig. 4), gli stessi utilizzati dai telefoni.
Per ridurre i disturbi e aumentare la velocità e la quantità di dati trasportabili
viene utilizzato il cavo coassiale. Si tratta di un cavo formato da una coppia di
conduttori concentrici separati da materiale isolante e rivestititi di plastica. In particolare vi è un filo portante centrale circondato da una calza metallica (una maglia di
filo di rame o un manicotto di alluminio). Anche il cavo coassiale è uno strumento
proprietà
fisiche
attenuazione
distorsione
rumore
diafonia
doppino
telefonico
cavo
coassiale
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baseband
broadband
fibre ottiche
Le reti di calcolatori
ampiamente utilizzato nella rete telefonica per convogliare molte chiamate su un
solo cavo, specialmente quando si tratta di chiamate a lunga distanza, in modo da
ridurre la necessità di posare migliaia di chilometri di singolo fili. Tale mezzo di
trasmissione si è sviluppato notevolmente in vari settori (comunicazioni telefoniche,
TV via cavo) e la grande varietà di connettori a disposizione permettono di creare
linee e ramificazioni molto diffuse. Nella figura 6 si nota un tipico connettore BNC
per collegare un cavo coassiale al computer. Il cavo coassiale consente alte velocità
di trasmissione (10-12 Mbit per secondo) con disturbi molto ridotti, anche se il
costo risulta superiore rispetto al doppino.
Grazie a queste caratteristiche il cavo coassiale si è molto diffuso come mezzo
di trasmissione nelle reti, diventando un eccellente sostituto del doppino telefonico
per soddisfare esigenze di massima funzionalità nelle trasmissioni e nella sicurezza.
Dal punto di vista fisico ci sono due tipi di cavi coassiali: Thick, ampliamente usato
come spina dorsale di grosse reti, e Thin, viene usato soprattutto per le diramazioni.
Inoltre, in base al tipo di trasmissione permessa, il cavo coassiale si distingue
in Banda base e Larga banda Banda base (baseband), con cui tutti gli utenti trasmettono sulla stessa frequenza, e quindi sul cavo può transitare un solo messaggio
per volta (chi vuole trasmettere deve attendere quindi il proprio turno) e si possono
trasmettere solo dati. Si ha poi il Larga banda (broadband). In questo caso il
canale fisico viene suddiviso in più canali logici con differenti frequenze. Questi sottocanali possono quindi trasmettere simultaneamente segnali di diversi utilizzatori
anche con formati diversi (voce, immagini, dati...). è possibile raggiungere velocità
anche di 150 Megabits al secondo.
Le fibre ottiche sono un mezzo trasmissivo lungo il quale il messaggio viene
trasportato in forma digitale (0 e 1) sotto forma di impulsi luminosi. Una fibra
ottica ha un diametro inferiore al decimo di millimetro ed è formata da un nucleo di
silice (vetro) o quarzo rivestito di altro materiale vetroso, ma con indice di rifrazione
inferiore, in modo che la luce venga riflessa totalmente.
Le velocità di trasmissione raggiungibili con le fibre ottiche sono molte alte, fino
a milioni di bit per secondo, grazie alla larghissima banda e all’immunità dai disturbi
elettrici e magnetici. Le fibre ottiche hanno una larghezza di banda che arriva fino a
3,3 Ghz (Gia hertz, cioè miliardi di hertz) mentre con i cavi coassiali si può arrivare
al massimo di 500 milioni di hertz. Usando le fibre ottiche la velocità di trasmissione
può arrivare a un Gbit al secondo con un tasso di errore quasi nullo (1 bit di errore
per ogni miliardo di bit). Nella trasmissione in fibra ottica i segnali elettrici vengono
convertiti in impulsi luminosi tramite un apparecchio detto modulatore, convogliati
sulla fibra ottica tramite una sorgente di luce (LED Light Emitting Diode), ricevuti
e riconvertiti in segnali elettrici tramite diodi fotoelettrici.
Anche con le fibre ottiche il segnale si attenua con l’aumentare della distanza
dalla fonte emittente, ma in questo caso l’attenuazione del segnale e quindi la
necessità di amplificarlo, avviene dopo circa 10 Km, cioè a distanza quasi tre volte
più grande rispetto a un segnale trasmesso su un collegamento via cavo di rame. Il
problema maggiore che esiste con le fibre ottiche è quello relativo alle giunzioni, ossia
i collegamenti stabili di tratte di fibre ottiche, nonché quelli relativi alle connessioni,
cioè ai collegamenti mobili tra fibre ottiche e apparecchiature terminali. Nel primo
caso si tratta si allacciare tra loro le estremità in modo che la potenza ottica in uscita
Le reti di calcolatori
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dalla prima fibra entri nella seconda senza perdite. Bisognerà fare in modo che le
due superfici a contatto siano perfettamente allineate e, visto il tipo di materiale e
lo spessore, i problemi non sono pochi. Nel secondo caso si tratta di strumenti di
riconversione da impulsi luminosi a impulsi elettrici, e quindi costosi.
I segnali, oltre che via cavo, possono essere trasmessi anche via etere grazie
alle onde elettromagnetiche. I principali tipi di segnali trasmessi via etere sono i
segnali radio, le microonde e i segnali infrarossi. Il canale radio sfrutta lo spazio
libero per comunicare utilizzando le onde radio e i satelliti. A differenza degli altri
mezzi la velocità di trasmissione è quella della luce (300.000 Km/sec) e quindi è
particolarmente indipendente dalla distanza.
Questi mezzi possono essere utilizzati per comunicazioni più ampie, sfruttando
tecniche di radiodiffusione (broadcast) o utilizzando ponti radio multitratta (uno
ogni 25 miglia). Il problema delle trasmissioni via radio è che necessitano di apposite
licenze per poter trasmettere e inoltre si tratta di trasmissioni a vista, sensibili
quindi ad ostacoli fisici e meteorologici. Il primo esempio di questo tipo di rete è
stato Alohanet, rete locale basata sulla comunicazione via etere che permetteva il
collegamento tra i vari elaboratori dislocati nelle varie isole delle Hawaii.
I sistemi radio a microonde utilizzano la banda di frequenza della gamma dell’infrarosso (la stessa dei telecomandi televisivi) e si usano essenzialmente per la
comunicazione tra terminali (tastiera, mouse..) senza l’uso di fili.
onde elettromagnetiche
infrarossi
La trasmissione dei dati
In una comunicazione dati la multiplazione permette di risparmiare sul cablaggio
(riducendo il numero di linee di segnale) e sul numero di componenti. Ad esempio in
elettronica il multiplexing permette a diversi segnali analogici di essere elaborati da
un unico convertitore analogico-digitale (ADC) e in telecomunicazioni a chiamate
differenti di essere trasmesse usando un solo cavo. Non è possibile infatti implementare una rete di telecomunicazioni a grande scala completamente magliata, in
cui ogni coppia di utenti è collegata cioè in modo diretto, dato l’enorme numero di
collegamenti point to point, ed è quindi necessario pensare a dei meccanismi per
far convivere su uno stesso cavo di collegamento o mezzo trasmissivo più segnali
portanti informativi. Il dispositivo elettronico preposto alla multiplazione è detto
multiplexer.
Con il termine commutazione si indica l’insieme delle funzionalità e relative
tecniche su cui è basato il funzionamento logico dei nodi di una rete di telecomunicazione, ovvero un’operazione all’interno di un nodo che tratta l’informazione da
trasmettere sotto forma di segnale, affinché sia indirizzata verso la destinazione desiderata. In altre parole essa associa un ramo d’ingresso ad uno d’uscita al segnale
in transito ed è attuata per mezzo delle funzioni d’indirizzamento (decisionale) e di
attraversamento o instradamento (attuativa).
Il sistema fisico preposto alla funzione di instradamento è il Commutatore. Un
Commutatore a livello logico è composto da un’interfaccia o porta di ingresso per
ogni linea di ingresso connessa, una o più interfacce o porte di uscita, una ’struttura
intelligente’ ovvero un sistema di comando che esplica una funzione decisionale cioè
decide la strada da far seguire al pacchetto associando la porta di ingresso con
multiplazione
commutzione
commutatore
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commutazione
di circuito
commutazione
di pacchetto
Le reti di calcolatori
una porta di uscita (indirizzamento) ed una struttura effettiva di commutazione
che esplica la funzione attuativa dell’instradamento cioè crea il circuito fisico di
connessione ingresso-uscita portando fisicamente il segnale dalla porta di ingresso x
alla porta di uscita y per l’attraversamento.
Un commutatore dovrà essere in grado di gestire il traffico offerto in ingresso
e per questo dovrà essere opportunamente dimensionato. Esso inoltre per le funzionalità di elaborazione di cui sopra introdurrà un ritardo (delay) aggiuntivo sulla
linea di uscita variabile a seconda delle capacità di elaborazione del commutatore
stesso.
La commutazione di circuito comporta una reale connessione fisica tra due
stazioni comunicanti realizzata attraverso la connessione di nodi intermedi sulla
rete. Ogni comunicazione effettuata tramite la commutazione di circuito coinvolge
tre fasi: la prima è l’apertura della connessione, prima che i dati possano essere
trasferiti deve essere stabilito un cammino che collegherà il mittente ed il destinatario
per tutto il tempo necessario a trasmettere i dati. L’uso del cammino è esclusivo e
continuo. Segue poi il trasferimento dei dati, ed infine la chiusura della connessione.
L’esempio più comune di rete a commutazione di circuito è la rete telefonica.
Quando un utente fa una chiamata telefonica viene stabilito un collegamento dedicato tra il mittente e il ricevente. Una volta che questo circuito è stato stabilito ne
viene garantito l’accesso esclusivo all’utente e l’unico ritardo nella comunicazione è
il tempo richiesto per la propagazione del segnale elettromagnetico.
Una rete telefonica riservata, che è comune per le WAN, è un caso speciale di
rete a commutazione di circuito.
La commutazione di circuito in certi casi può rivelarsi inefficiente dato che, per
tutta la durata della connessione, la capacità del canale trasmissivo è interamente
dedicata anche se non viene trasferito alcun dato; nel caso di connessioni di computer
il mezzo trasmissivo può anche essere non utilizzato per la maggior parte della durata
della connessione.
Mentre in una rete a commutazione di circuito la capacità del canale trasmissivo è interamente dedicata ad una specifica comunicazione, la commutazione di
pacchetto si rivela molto più efficiente nonostante la maggior quantità di dati inviata, in quanto i canali fisici sono utilizzati solo per il tempo strettamente necessario.
Inoltre, poiché ogni pacchetto porta con sé la sua identificazione, una rete può
trasportare nello stesso tempo pacchetti provenienti da sorgenti differenti.
La commutazione di pacchetto permette quindi a più utenti di inviare informazioni attraverso la rete in modo efficiente e simultaneo, risparmiando tempo e costi
mediante la condivisione di uno stesso canale trasmissivo (cavo elettrico, etere, fibra
ottica ecc.).
Storicamente la commutazione di pacchetto poneva qualche problema nel caso
fosse necessaria una disponibilità garantita di banda o nelle trasmissioni real time:
si pensi a una trasmissione video, dove le immagini arrivano con un flusso costante.
Al giorno d’oggi è però possibile aggiungere una priorità ai pacchetti garantendo la
cosiddetta qualità di servizio ovvero che un numero sufficiente di essi venga inviato,
a scapito di altri pacchetti che non abbiano un’urgenza specifica - ad esempio, un
file da trasferire.
Le reti di calcolatori
55
La commutazione di pacchetto è uno dei possibili metodi di multiplazione, ovvero è una tecnica per suddividere la capacità trasmissiva di un canale tra diversi
utilizzatori
Dispositivi di rete
I dispositivi di rete sono nodi che nelle reti informatiche hanno funzionalità
esclusivamente orientate a garantire il funzionamento, l’efficienza, l’affidabilità e
la scalabilità della rete stessa. Non sono di norma dei calcolatori, anche se un
calcolatore può fornire alcune di queste funzionalità, soprattutto ai livelli superiori
del modello ISO/OSI.
con il termine modem si indica un dispositivo di ricetrasmissione che ha funzionalità logiche di modulazione/demodulazione (analogica o numerica) in trasmissioni
analogiche e digitali. Nell’accezione più comune il modem è un dispositivo elettronico che rende possibile la comunicazione di più sistemi informatici (ad esempio
dei computer) utilizzando un canale di comunicazione composto tipicamente da un
doppino telefonico. Questo dispositivo permette la MOdulazione e la DEModulazione dei segnali contenenti informazione; dal nome di queste due funzioni principali
il dispositivo prende appunto il nome di MODEM. In altre parole, sequenze di bit
vengono ricodificate come segnali elettrici. Il modem è anche una componente
fondamentale del Fax.
Un hub (letteralmente in inglese fulcro, mozzo, elemento centrale) rappresenta
un concentratore, ovvero un dispositivo di rete che funge da nodo di smistamento
dati di una rete di comunicazione dati organizzata prevalentemente con una topologia a stella. Nel caso diffuso delle reti Ethernet, un hub è un dispositivo che inoltra
i dati in arrivo da una qualsiasi delle sue porte su tutte le altre, cioè in maniera
diffusiva (broadcasting).
Come con un hub, due nodi possono comunicare attraverso uno switch come
se questo non ci fosse, ovvero il suo comportamento è trasparente. A differenza
però di quanto farebbe un hub, uno switch normalmente inoltra i frame in arrivo da
una qualsiasi delle sue porte soltanto a quella cui è collegato il nodo destinatario del
frame. Uno switch possiede quindi l’intelligenza necessaria a riconoscere i confini dei
frame nel flusso di bit, immagazzinarli, decidere su quale porta inoltrarli, trasferirli
verso una porta in uscita, trasmetterli. Normalmente uno switch opera al livello
datalink del modello di riferimento ISO/OSI.
Un router (dall’inglese instradatore) è un dispositivo elettronico che, in una rete
informatica a commutazione di pacchetto, si occupa di instradare i dati, suddivisi
in pacchetti, fra reti diverse. È quindi, a livello logico, un nodo interno di rete
deputato alla commutazione di livello 3 del modello OSI o del livello internet nel
modello TCP/IP. L’instradamento può avvenire verso reti direttamente connesse, su
interfacce fisiche distinte, oppure verso altre sottoreti non limitrofe che, grazie alle
informazioni contenute nelle tabelle di instradamento, siano raggiungibili attraverso
altri nodi della rete. Il tipo di indirizzamento operato è detto indiretto contrapposto
invece all’indirizzamento diretto tipico del trasporto all’interno delle sottoreti. Esso
può essere visto dunque come un dispositivo di interfacciamento tra diverse sottoreti
modem
hub
switch
router
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access point
Le reti di calcolatori
eterogenee e non, permettendone la interoperabilità (internetworking) a livello di
indirizzamento.
Un Access Point è un dispositivo elettronico di telecomunicazioni che permette
all’utente mobile di collegarsi ad una rete wireless direttamente tramite il suo terminale se dotato di scheda wireless. Se esso viene collegato fisicamente ad una rete
cablata (oppure via radio ad un altro access point), può ricevere ed inviare un segnale radio all’utente grazie ad antenne e apparati di ricetrasmissione, permettendo
così la connessione sotto forma di accesso radio.
Il protocollo TCP/IP
TCP/IP
indirizzo IP
per protocollo di rete (o anche protocollo di comunicazione) si intende la definizione formale a priori delle modalità di interazione che, due o più apparecchiature
elettroniche collegate tra loro, devono rispettare per operare particolari funzionalità
di elaborazione necessarie all’espletamento di un certo servizio di rete. In termini
equivalenti si tratta dunque della descrizione a livello logico del processo di comunicazione (meccanismi, regole o schema di comunicazione) tra terminali e apparati
preposto al funzionamento efficace della comunicazione in rete. Queste apparecchiature possono essere host, computer clienti, telefoni intelligenti, Personal Digital
Assistant (PDA), monitor, stampanti, sensori ecc.
Il protocollo TCP/IP è il protocollo di rete per eccellenza. Il tcp/ip detta le
regole per instradamento dei pacchetti che contengono i dati lungo tutta la rete;
permette cioè che le informazioni partano da un mittente e giungano al destinatario
attraversando a volte anche decine di computer e migliaia di chilometri senza che
l’utente se ne debba fare problema. I dati vengono suddivisi in gruppi elementari
chiamati pacchetti che viaggiano autonomamente nella rete. In realtà bisognerebbe
riferirsi ai protocolli internet in senso più generale essendo il TCP e l’IP due protocolli
di questo insieme più ampio.
TCP (Transport Control Protocol) assicura che tutti i pacchetti inviati a un
computer remoto siano realmente arrivati a destinazione.
IP (Internet Protocol) detta le regole base per organizzare i pacchetti di dati
che viaggiano in una rete. Il TCP lavora al di sopra di IP.
Il primo concetto importante e’ l’indirizzo IP. Dato che questi protocolli sono
utilizzati da molti computer differenti tra loro, e’ necessario utilizzare un sistema
di indirizzamento in grado di lavorare con tutti, che fornisca adeguate informazioni
per instradamento e che non impegni troppo spazio. La risposta e’ la definizione di
indirizzi costituiti da sequenze di quattro numeri interi di un byte ognuno (numeri
da 0 a 255) con ogni numero che fornisce informazioni sulla rete e sottoreti alle
quali in computer appartiene.
L’indirizzo IP e’ gerarchico perche’ i quatto numeri hanno significato decrescente da sinistra a destra. Osservando il numero piu’ a sinistra possiamo imparare
come instradare una trasmissione al computer rappresentato dal numero a destra.
Normalmente questo indirizzo viene rappresentato separando i numeri da un punto come ad esempio: 44.134.60.2. Questa e’ chiamata notazione puntata. Senza
andare nei dettagli della semantica dell’indirizzamento gerarchico l’esempio sopra
riportato si suddivide in: 44. la rete assegnata ai radio amatori 134. designa la rete
Le reti di calcolatori
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italiana 60. designa la rete a cui appartiene la Lombardia 2 designa il computer
connesso al ricetrasmettitore radio di uno specifico radiamatore
Gli indirizzi IP vengono assegnati da un coordinatore che deriva la propria
autorita’ da un ente certificatore centrale.
Il secondo concetto importante e’ l’HOSTNAME. Ovviamente l’indirizzo IP
non e’ molto intuitivo. Nomi di computer piu’ vicini alla lingua di uso corrente
permettono di ricordarsi i nomi dei computer in modo piu’ facile e quasi tutti i
programmi di comunicazione hanno la possibilita’ di mappare tra HOSTNAME e
indirizzo IP. E’ cosi’ che il numero 2 dell’esempio puo’ essere descritto da I2KFX
che e’ il nominativo della stazione radioamatoriale corrispondente.
In forte relazione con l’HOSTNAME e’ il DOMAIN NAME. Un dominio e’ un
gruppo di macchine che sono logicamente connesse tra loro. Il nome del dominio e’
come l’indirizzo IP; dei punti separano parti del nome e ciascuna parte rappresenta
un diverso livello della gerarchia del dominio. Ma il nome del dominio e’ordinato in
modo inverso (la parte piu’ significativa e’ alla destra del nome).
Il dominio dei radioamatori a cui stiamo facevamo riferimento e’ ampr.org ; org
(abbreviazione di organizzazione) e’ il dominio di primo livello, ampr (per AMateur Packet Radio) e’ il dominio di secondo livello contenente tutti i computer dei
radioamatori.
Quando combini un HOSTNAME con un DOMAIN NAME ottieni qualcosa
simile a i2kfx.ampr.org ; questo e’ chiamato un nome di dominio pienamente qualificato. Se il computer ha piu’ di un utente, possiamo aggiungere il nome dell’utente
all’inizio dell’indirizzo separandolo con il carattere @. Questa combinazione e’ comunemente chiamata indirizzo internet ed e’ la forma che viene utilizzata per la
maggior parte della posta elettronica nel mondo.
URL (Uniform Resource Locator) rappresenta una sintassi unificata per l’espressione di nomi e indirizzi di oggetti sulla rete. E’ cosi’ possibile specificare in modo
univoco una informazione o un indirizzo presente ovunque sulla rete e raggiungibile
con un qualsiasi protocollo
Normalmente si assume un computer sia in grado di inviare pacchetti a tutti i
computer sulla stessa rete. I problemi cominciano quando a un sistema viene chiesto
di inviare pacchetti a un sistema appartenente ad una rete differente. Questa funzione viene gestita dai gateways. Un gateway e’ un sistema che connette un network
con altri network. Gateway sono normalmente dei normali computer che dispongono piu’ di una interfaccia di rete. Spesso esiste una tabella per l’instradamento dei
pacchetti, che assegna ad ogni indirizzo IP un eventuale gateway. Frequentemente
esiste un solo gateways; questo gateway puo’ connettere la rete locale ad una molto
piu’ ampia rete internet. In questo caso non e’ necessario costruire una tabella
contenente tutti i network del mondo. Possiamo semplicemente definire il gateway
come default ed in questo caso tutti i pacchetti che non conoscono la strada gli
verranno inviati.
Ricordarsi gli indirizzi IP non e’ sempre facile ed inoltre a volte la configurazione delle reti si modifica costringendo a modicare gli indirizzi. Molti programmi
permetto di costruire tabelle dove vengono abbinati gli indirizzi IP all’ HOSTNAME, ma questo significherebbe dover conoscere tutti gli indirizzi delle macchine che
vogliamo contattare. Alternativamente un computer puo’ rendersi disponibile per
hostname
dominio
URL
gateway
DNS
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FTP
SMTP
POP3
ping
Le reti di calcolatori
un servizio di risoluzione dei nomi (domain name service). Il nostro computer potra’
quindi interrogarlo quando dovra’ conoscere l’indirizzo di un computer che vogliamo
contattare.
FTP è il protocollo che permette il traferimento di file da e per una macchina
remota. L’accesso viene solitamente effettuato premettendo una fase di autenticazione tramite username e password: spesso però viene messo a disposizione quello
che viene chiamato anonymous ftp e cioè un’area pubblica a cui si accede fornendo
come username la parola anonymous. Esistono una serie di comandi per poter poi
effettuare i trasferimenti.
Questi sono i protocolli che a noi interessano di più in quanto relativi alla
posta elettronica. SMTP è il protocollo che permette di inviare posta tra due
computer; specifica cioè come un messaggio presente su una macchina può essere
inviato a un qualsiasi utente di un’altra macchina in rete. Il protocollo è di per se’
abbastanza semplice, ma una serie di accorgimenti ne rende in realtà la gestione
molto complessa. Una prima complicazione viene dall’esegenza di inviare posta
non solo con SMTP, ma anche con altri protocolli, UUCP ad esempio. Un altro
fattore è la necessita’ di SMTP di avere le macchine immediatamente raggiungibili:
a volte per guasti o manutenzioni questo non si verifica. La frequente richiesta
di chi invia la posta è che il messaggio raggiunga il destinatario in un lasso di
tempo tollerabile per il contenuto del messaggio. E‘ così che normalmente un
programma che invia la posta effettua una serie di tentativi ad intervalli regolari fino
a quando il messaggio risulta inviato o si è raggiunto un tempo massimo accettabile
per l’invio. La frequenza dei tentativi ed il tempo massimo per l’invio sono a
volte parametrizzati con alcune segnalazioni presenti nel messaggio da inviare (la
specifica urgente ad esempio). I ritardi nell’invio o gli eventuali fallimenti vengono
solitamente comunicati al mittente. La macchina che effettua questo lavoro viene
comunemente denominata server di posta o smtp server. Un personal computer che
rimane connesso alla rete solo per brevi periodi solitamente è meglio che incarichi
un server per svolgere questo lavoro (relay).
Al tempo stesso lo stesso PC non è in grado di ricevere la posta sia perche
solitamente si connette con un indirizzo IP dinamico, sia perchè la sua connesssione
alla rete è solitamente così saltuaria che le macchine che tentano l’invio di posta non
lo troverebbero quasi mai raggiungibile. E‘ così che si rende necessario un POP (post
office protocol) ossia un ufficio postale che riceva per noi la posta depositandola in
una cassetta postale. Il protocollo più diffuso con cui è possibile leggere la posta dalla
propria cassetta postale è il POP3 che richiede solitamente una fase di autenticazione
con una username e password; i messaggi possone essere così listati, letti (cioè
scaricati sulla propria macchina) ed eventualmente cancellati dalla cassetta postale.
Frequente è l’uso di alias, di pseudomini con cui è possibile ricevere la posta e
che in realtà reindirizzano al nostro vero e unico nome utente. La nostra casella
postale potrà avere una dimensione massima per contenere i messaggi ricevuti;
inoltre bisogna evidenziare che a un mittente può risultare inviato un messaggio
quando questo è stato depositato nella casella postale e non quando il destinatario
lo ha scaricato ed effettivamente letto.
E’ un protocollo di diagnostica che invia un pacchetto a un computer; se il
Le reti di calcolatori
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computer e’ disponibile e raggiungibile ripondera’ con un altro pacchetto di dati.
PING ti comunichera’ quindi quanto e’ durato il viaggio di andata e ritorno.
Il protocollo http nasce al CERN di Ginevra all’inizio degli anni ’90, quando l’espansione delle reti telematiche a livello inter- e intra-universitario è arrivata
al punto da renderle non solo uno strumento tecnico-informatico ma anche uno
strumento adatto allo scambio di informazioni di qualsiasi tipo; presto l’insieme di
queste informazioni accessibili da tutto il mondo sulla rete internet prende il nome
di World Wide Web.
Tecnicamente l’http non differisce molto dal protocollo ftp in quanto permette
il trasferimento di file da un nodo TCP/IP centrale server contenente un archivio,
ad un altro nodo TCP/IP client, e più raramente viceversa; in aggiunta al trasferimento dei file il protocollo prevede lo scambio di informazioni di controllo tra client
e server; il collegamento avviene spesso senza bisogno di password, come per l’ftp
anonymous. La differenza rispetto all’ftp sta nel fatto che il programma che lavora
sulla macchina client, denominato spesso browser, è decisamente più complesso e,
in base al tipo di file che riceve, desunto dalla parte terminale del suo nome o dalle
informazioni di controllo, può prendere decisioni su come mostrare il file all’utente.
Il tipo di file più comune in cui ci si imbatte sui server http (detti anche siti web)
è il tipo html (hyper-text markup language): si tratta di file ipertestuali, contenenti cioè, oltre a semplice testo, collegamenti (link) che, se attivati dall’utente
del programma client, conducono ad altre parti del file stesso oppure ad altri file
situati sullo stesso server o anche su un server diverso da quello di partenza; i file
html contengono anche delle informazioni per permettere al programma client di
visualizzare il testo in maniera esteticamente curata, similmente ad un programma
di word processing, e possono anche contenere immagini (che a loro volta costituiscono anche un tipo indipendente di file riconosciuti da un client http). Altri
tipi di file riconosciuti dai client http comprendono file sonori, immagini animate,
programmi eseguibili immediatamente (Java) e molti altri, la cui lista è in continuo
aggiornamento; bisogna comunque tenere presente che per i tipi di file più avanzati
è necessario un disporre di un programma client e di un hardware adatti per poterli
visualizzare, ascoltare o eseguire.
HTTP