Elementi di reti di telecomunicazioni

Martina Contestabile ingegneria informatica A.A. 2021/2022

Elementi di reti di telecomunicazioni

1ti ti

Martina Contestabile ingegneria informatica A.A. 2021/2022

Indice

• Breve storia delle telecomunicazioni 14
• Definizione di telecomunicazioni 14
• Morse e il telegrafo 14
• Il telefono — Bell e Meucci 14
• Radio — Marconi e Tesla 15
• Dalle trasmissioni alle reti 15
• Erlang — gestione dei clienti 15
• Shannon e la teoria dell'informazione 15
• Kleinrock — Internet 16
• Internet — una panoramica contestualizzata 17
• Componenti di un protocollo 18
• Struttura «fisica e commerciale» di Internet 19
• Concetti di base - dai servizi alle architetture 21
• Servizi e funzioni nelle reti di telecomunicazione 21
• Banda, capacità, velocità 22
• Traffico offerto e throughput 22
• Ritardo di consegna 23
• Componenti del ritardo 23
• Perdita di informazione 23
• Canali — modalità di comunicazione e topologie 23
• Rete di telecomunicazione 23
• Internet una rete logica 23
• Tipi di canale 24
• Canale punto-punto 24
• Canale multi-punto 24
• Canale broadcast 24
• Topologie delle reti 24
• Maglia completa 24
• Albero 24
• Maglia (mesh) 24
• Topologia ad anello 25
• Bus 25
• Architetture protocollari 25
• Modello a strati 25
• Origini 25
• Quali studiare? 26

2È À

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• Architetture di rete 26
• Strati o livelli 26
• Servizi 27
• Protocolli 27
• Creazione e gestione delle PDU 27
• Modello di riferimento ISO/OSI 29
• Livello 1 - fisico 29
• Livello 2 - collegamento 29
• Livello 3 - rete 29
• Livello 4 - trasporto 30
• Livello 5 - sessione 30
• Livello 6 - presentazione 30
• Livello 7 - applicazione 31
• Architettura Internet (TCP/IP) 31
• Stack nei nodi 31
• Il livello rete e il protocollo IPv4 33
• Livello di rete 33
• Pacchetti, indirizzi, reti 33
• Consegna diretta e indiretta 33
• Prospettiva globale 34
• Funzioni fondamentali 34
• Instradamento (routing) «complementi» 34
• ↝Inoltro (forwarding) 34
• Relazione tra routing e forwarding 34
• Schema di architettura dei router 34
• Il datagramma IP 34
• Formato del datagramma IP 34
• Formato dei datagrammi IPv4 35
• MTU e frammentazione 35
• MTUS di alcune tecnologie 36
• Struttura e uso degli indirizzi IPv4 36
• Indirizzi IP 36
• Schema di indirizzamento IP 36
• La notazione dotted decimal 36
• La struttura degli indirizzi IP 37
• La «subnet masks» 37

3

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• Subnet mask e indirizzi 37
• Subnet e router 38
• Indirizzi unicast 38
• Routers e indirizzi IP 38
• Indirizzi privati e speciali 38
• Indirizzi pubblici e privati 38
• Indirizzi privati 39
• Esempio di uso di indirizzi privati 39
• Indirizzi IP «speciali» 39
• Indirizzo di rete 40
• Indirizzo broadcast diretto 41
• Indirizzo «limited broadcast» 41
• Indirizzo «questo host» 41
• Indirizzi di loopback 41
• Indirizzi multicast 41
• Routing multicast 42
• Tabella riassuntiva degli indirizzi IP 42
• Indirizzamento a classi 42
• Protocolli di supporto a IP - ICMP, DHCP 43
• IP ha bisogno di supporto? 43
• ICMP — Internet control message protocol 43
• Messaggi di controllo, segnalazione, errore al livello IP 43
• Internet control message protocol 43
• Alcuni messaggi ICMP 43
• ICMP: formato e incapsulamento 44
• Gestione datagram e messaggi ICMP 44
• Uso di ICMP 44
• DHCP — Dynamic host configuration protocol 44
• Configurazione automatica di un host/nodo quando si collega a una subnet 44 parametri di configurazione 44
• DHCP un protocollo client-server 44
• Funzionamento di base 45
• Formato messaggio DHCP 45
• Assegnazione e gestione degli indirizzi 45
• Lease e rinnovo degli indirizzi 46
• Altre operazioni 46

4È

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• NAT — Network address translation 46
• NAT perché e dove 46
• Il problema 46
• NAT outbound e bidirezionale 46
• Basic NAT 47
• Network address port translation (NAPT) 47
• Identificare un «flusso» 47
• Applicazioni, porte e flussi 47
• NAPT 48
• Altre considerazioni 48
• Criteri ed esempi di assegnazione degli indirizzi IP 49
• Tanto ci pensa DHCP 49
• Una LAN, una subnet? 49
• Subnet minima 49
• Configurazione di una rete — esempio 50
• Primo punto 50
• Primo punto - alternativa 50
• Secondo punto 50
• Terzo punto 50
• Per concludere 51
• Tabelle di routing 51
• Formato di una tabella di routing 51
• Esempio 51
• Statistiche raccolte col comando ping progetto di misura 52
• Funzionamento di ping 52
• Ping di Google 52
• DNS di Google 53
• Traceroute di Google — rete di casa 53
• Traceroute di Google — rete Unibs 53
• Ping del sito dell’Università Columbia 54
• Traceroute dell’Università Columbia 54
• Traceroute di unibs.it 55
• Traceroute di UCLA 55
• Traceroute La Repubblica — rete Unibs 56
• Traceroute di La Repubblica — rete di casa 56
• Nslookup di La Repubblica 57

5É

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• Definizioni 57
• Progetto 58
• Il livello rete oltre IPv4 - IPv6 59
• Inefficienza dell’header IPv4 59
• Limiti di sicurezza di IPv4 59
• Niente supporto alla mobilità in IPv4 59
• Formato dell’header IPv6 59
• Formato indirizzi IPv6 60
• Next header — length 60
• Frammentazione 60
• Extension header 60
• Headers order 61
• Extension header processing 61
• Routing header 61
• Header non end-to-end — routing header 61
• Hop-by-hop e destination options header 61
• Header end-to-end destination options 62
• Authentication header e ESP 62
• DHCPv6 62
• Considerazioni (quasi) finali 62
• Livelli collegamento e fisico — «framing» e codici di controllo errori 63
• Livello data link 63
• Visibilità della rete del livello 2 63
• Servizi offerti al livello superiore 63
• Dov’è implementato il livello data link (DL)? 64
• Cosa offre il livello fisico a DL 64
• Funzioni di competenza del livello 2 65
• Framing 65
• Modalità di framing 65
• Character stuffing 65
• Bit stuffing 65
• Violazione del livello fisico — physical layer coding violations 66
• Rilevazione degli errori (residui) 66
• Rilevare/correggere errori 66
• Rilevazione degli errori 66
• Possibili checksum 67

6À À

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• Codici di parità 67
• Codici di ridondanza ciclica 68
• Controllo di flusso 69
• Velocità di trasmissione 69
• Controllo di flusso (livello 2-high) 69
• Medium access control — MAC 69
• MAC — un sotto-livello a sé (livello 2-low) 69
• Definizione del problema 70
• Tecniche di allocazione del canale 70
• Allocazione statica 70
• Allocazione dinamica 70
• Principi dei protocolli a contesa 71
• Accesso al mezzo — coordinamento 71
• Perché usiamo protocolli a contesa 71
• Principi dei protocolli a contesa 71
• Protocolli ad accesso multiplo 72
• Allocazione dinamica con contesa 72
• Richiami sul processo degli arrivi di Poisson 72
• ALOHA «puro» — tempo continuo 73
• Periodo di vulnerabilità di una trama 73
• Prestazioni 73
• Throughput 74
• Slotted ALOHA 74
• Throughput 75
• Carrier sense multiple access — CSMA 75
• Modalità p-persistent 75
• Periodo di vulnerabilità 76
• Confronto efficienza algoritmi per la contesa 76
• Collision detection — CSMA-CD 76
• Collision avoidance — CSMA-CA 76
• ARP, Ethernet, Wi-Fi 77
• Trame e risoluzione indirizzi ARP 77
• Incapsulamento e indirizzi MAC 77
• Risoluzione degli indirizzi 77
• ARP – address resolution protocol 77
• Formato dei messaggi 78

7À À

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• Processing e caching 78
• Proxy ARP 79
• Ethernet e PPP 79
• LAN e reti di accesso 79
• Ethernet e standard IEEE 802.3 79
• Gestione collisioni 79
• Il progetto originale 80
• Round trip delay 80
• Prestazioni CSMA/CD 80
• Collision detection 80
• Prestazioni 80
• Prestazioni di Ethernet 81
• Formato della trama Ethernet 81
• Topologia 81
• Parametri di progetto 81
• Livello fisico 82
• 10 Base 5 82
• 10 Base 2 82
• 10 Base T 82
• 10 Base FL o FB o FP 82
• Evoluzione di Ethernet (802.3) 82
• Oltre il mezzo condiviso 83
• Domini di collisione e broadcast 83
• Repeater e hub 83
• Bridge 83
• Schema di un bridge 84
• Evoluzione — switch «L2» 84
• Schema di uno switch 84
• PPP — caratteristiche 84
• PPP — formato della trama 85
• PPP — accesso con modem 85
• PPP — accesso con modem e ADSL 85
• Wi-Fi - CSMA/CA 86
• Wi-Fi ... 802.11 86
• 802.11g/h/n/a/b/ac/ad/ax/... 86
• Architettura 802.11 86

8

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• Architettura di riferimento 802.11 87
• Terminologia 87
• Architettura protocollare 87
• Fare CD impossibile 87
• 802.11 MAC 88
• Inter frame spaces — IFS 88
• Funzionamento base — canale libero 88
• Funzionamento base — canale occupato 88
• Problema del terminale nascosto 89
• MAC handshaking 89
• Problema del terminale esposto 89
• Livello trasporto - la comunicazione end-to-end 90
• Protocolli di trasporto 90
• Livello trasporto in Internet 90
• Posizionamento e visione 90
• Visione d’insieme 90
• UDP vs TCP 90
• UDP e TCP 90
• Solo TCP 90
• Generalità 91
• Indirizzamento — mux/demux 91
• Identificare un «flusso» 91
• UDP 91
• User datagram protocol 91
• Formato dei segmenti UDP 91
• UDP vs IP 92
• Perché usare UDP 92
• Perché è poco usato? 92
• Trasporto affidabile 92
• Tecniche ARQ e protocolli a finestra 92
• Stop and wait 93
• Finestre multi-PDU 93
• Finestra di trasmissione 93
• Finestra di ricezione 94
• Finestra di ricezione unitaria 94
• Semantica dei pacchetti di riscontro 94

9È À

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• Piggybacking 94
• Finestra di ricezione > 1 95
• Numerazione PDU 95
• Numerazione PDU e finestre 97
• Un esempio con 97
• Selective repeat 97
• Prestazioni protocolli a finestra 98
• Stop and wait 98
• Finestra > 1 pipelining 98
• Pipelining — aumento dell’utilizzo 98
• Transmission control protocol - TCP 98
• Transmission control protocol 98
• Riferimenti bibliografici 98
• Compiti 99
• Identificazione delle connessioni 99
• Trasmettitore TCP 99
• Ricevitore TCP 99
• Ricezione segmenti 100
• Riassunto generazione ACK 100
• Throughput (prestazioni) ottenibile 100
• Controllo di flusso 100
• Controllo di congestione 101
• La PDU TCP 101
• Top header 101
• Numeri di sequenza e di ACK 101
• Top header 102
• Finestra e throughput 102
• TCP header 102
• Instaurazione della connessione 102
• Maximum segment size — MSS 103
• Come si calcola? 103
• Terminazione della connessione 103
• Terminazione con RST 103
• Calcolo del timeout — RTO 103
• Stima del valor medio di RTT 103
• Stima della varianza di RTT 104

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• Gestione di RTO 104
• Gestione di RTO in presenza di perdite 104
• RTT e RTO — timestamp 105
• Congestione 105
• Generalità 105
• Cause 105
• Cause/costi della congestione 105
• Approcci al controllo della congestione 106
• I buffer aumentano RTT 106
• Congestion window — CWND 106
• Algoritmi di controllo della congestione 106
• Slow start 106
• Congestion avoidance 107
• Evoluzione della CWND 107
• Algoritmo crescita CWND e trasmissione 107
• Evoluzione CWND senza perdite 107
• Throughput 109
• Recupero delle perdite 109
• Recupero con RTO 110
• Recupero con RTO e perdite multiple 110
• Recupero con fast retransmit 110
• Recupero con fast retransmit e perdite multiple 110
• Recupero con fast retransmit / RTO 110
• Fast recovery 111
• Recupero con fast recovery 111
• Riassumendo 111
• Crescita finestra 111
• Implementazioni non standard 112
• Equità di TCP 112
• TCP è equo? 112
• Livello applicazione — principi generali e DNS 113
• A cosa servono? 113
• Il traffico in rete cambia 113
• Creare applicazioni (in rete) 113
• Architetture delle applicazioni 113
• Architettura client-server 113

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• Architettura P2P pura 113
• Ibridi (mix client-server e P2P) 114
• Cloud/fog/edge/... computing 114
• Processi comunicanti 114
• Che servizio di trasporto richiede un’applicazione? 114
• Alcuni requisiti 114
• Domain name system — DNS 115
• Nomi a dominio e URL 115
• DNS — domain name system 115
• Database: struttura ad albero 115
• FQDN e PQDN 115
• Database distribuiti e gerarchici 115
• DNS 116
• Server DNS radice 116
• Server TLD e server di competenza 116
• Server DNS locale 116
• Esempio 116
• Caching e aggiornamento dei record 117
• Record DNS 117
• Messaggi DNS 117
• Lezione 19 — livello applicazione - HTTP 118
• Hypertext transfer protocol 118
• Web — HTML e HTTP 118
• Panoramica su HTTP 118
• Connessioni HTTP 118
• Connessioni non persistenti 119
• Calcolo del tempo di risposta 119
• Connessioni persistenti 119
• Calcolo del tempo di risposta in pipelining 120
• Messaggi HTTP 120
• Richieste HTTP — formato generale 120
• Upload dell’input in un form 120
• HTTP/1.0 e HTTP/1.1 — metodi 120
• Messaggio di risposta HTTP 121
• Codici di stato della risposta HTTP 121
• Interazione utente server — i cookie 121

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• Cookie 122
• Cache web (e server proxy) 122
• Get condizionale 122
• Server proxy 122
• HTTP/2 122
• Posta elettronica, file transfer 123
• Posta elettronica 123
• Server di posta 123
• SMTP [RFC 2821] 123
• Alice invia un messaggio a Roberto 123
• Esempio di interazione SMTP 124
• Note finali 124
• Formato dei messaggi 124
• Estensione a messaggi multimediali 124
• Messaggio ricevuto 124
• Protocolli di accesso alla posta 125
• FTP — file transfer protocol 125
• Connessione di controllo connessione dati 125

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Breve storia delle telecomunicazioni

Le reti di telecomunicazione hanno una forte legacy; non essendovi stata una teoria fondante (standard) su come dovessero essere implementate, l’evoluzione dei sistemi di telecomunicazione deve tener conto anche di quanto esiste/esisteva già. Per motivi economici non è possibile dire «internet è sbagliata, rifacciamola».

Definizione di telecomunicazioni

Si intende il trasporto dell'informazione attraverso sistemi di tipo elettromagnetico nello spazio, come tensione/corrente su fili conduttori, onde radio (guidate e non), segnali luminosi (guidati e non), ecc.

Le somiglianze — tempo/spazio — sono sorprendenti.

Gran parte delle cose che discutiamo su internet possono essere riarrangiate per parlare di storage, archiviazione, come dischi/nastri magnetici, memorie a semiconduttori...

Morse e il telegrafo

Si parla di comunicazione moderna con l’invenzione del telegrafo, che è considerato come il primo sistema «strutturato» — USA, 1837 — di comunicazione elettrica.

Tuttavia, Samuel Morse era un pittore.

Nella storia sono noti diversi «precursori» artigianali o di derivazione «visiva» come le comunicazioni con bandiere tra le navi. I popoli del Mediterraneo usavano torri in vista con segnali luminosi per comunicare invasioni di pirati. Napoleone, a sua volta, sviluppò questo concetto creando torri mobili.

Il primo cavo telegrafico transoceanico funzionante fu creato nel 1866 (UK-US).

Per chi voleva usarlo, la tariffa era di 5 USD a parola. Rimase in funzione fino al 1960 ca.

Il telefono — Bell e Meucci

Il telefono analogico è essenzialmente un trasduttore: trasforma l'ampiezza di un'onda di pressione in aria in una intensità di corrente, e viceversa.

Richiede amplificazione ogni pochi km e il rumore aumenta a ogni amplificatore.

Con il telefono nascono le prime «reti» fatte di linee di trasmissione e punti di commutazione (di circuito) che riservano le risorse, creando un circuito da sorgente a destinazione.

Analogica è una grandezza che varia con continuità: una variabile analogica può assumere un numero infinito di valori (ad esempio la distanza tra due punti nello spazio può assumere un numero infinito di valori).

Digitale è una grandezza che varia «a salti»: una variabile digitale può assumere solo un numero finito di valori (la durata di un giorno — ad esempio, può assumere solo uno degli 85.000 valori se usiamo l’unità «secondo», uno dei 850 mila valori se usiamo i decimi di secondo oppure uno degli 8 milioni e 500 mila se usassimo i centesimi di secondo; tante possibilità ma pur sempre finite, determinate).

Tra le due opzioni, è preferibile la comunicazione numerica.

Talvolta, nelle traduzioni dall'inglese del termine digital, si riscontra l'utilizzo dell'aggettivo numerico anziché digitale. Questa scelta evita di ricorrere a quello che, da alcuni, viene ritenuto un digitus «goffo calco» — bisognerebbe però considerare che l'inglese «digit» deriva dal latino e digitus, nel senso di cifra, fu usato per la prima volta oltre mille anni fa da Gerberto d'Aurillac, il futuro papa Silvestro II; tuttavia il termine corretto è digitale, questo perché:

Da decenni digitale è la parola italiana contrapposta