Appunti completi di Reti e Sicurezza delle Reti

Reti e sicurezza

delle reti

Dispensa organica per lo studio

UNITO · Informatica · 2026/2027

Teoria, protocolli, algoritmi e sicurezza

Sommario

CAPITOLO 1 - FONDAMENTI E ARCHITETTURA DELLE RETI 5

1.1 Che cos'è Internet? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.2 Il Margine della Rete (Network Edge), Reti di Accesso e Mezzi Fisici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.3 Il Nucleo della Rete (Network Core) e Architettura di Internet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.4 Prestazioni della Rete: Ritardi, Perdite e Throughput . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.5 Architettura a Livelli, Modello ISO/OSI e Incapsulamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.6 Sicurezza nelle Reti di Calcolatori . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.7 Cenni Storici ed Evoluzione delle Reti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

CAPITOLO 2 - IL LIVELLO APPLICAZIONE 10

2.1 Principi delle Applicazioni di Rete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.2 Il Web e il Protocollo HTTP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.3 Posta Elettronica (E-mail): SMTP, IMAP e Formato dei Messaggi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.4 Il Sistema dei Nomi a Dominio: DNS (Domain Name . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.5 Architetture Peer-to-Peer (P2P) e Distribuzione File . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2.6 Streaming Video e Content Distribution Networks (CDN) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2.7 Programmazione delle Socket in Python: UDP e TCP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

CAPITOLO 3 - IL LIVELLO TRASPORTO 24

3.1 Servizi e Protocolli del Livello Trasporto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

3.2 Multiplazione e Demultiplazione (Multiplexing / Demultiplexing) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

3.3 Trasporto Senza Connessione: UDP (User Datagram Protocol) [RFC 768] . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

3.4 Principi del Trasferimento Dati Affidabile (Reliable Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

3.5 Il Protocollo TCP (Transmission Control Protocol) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

3.6 Principi del Controllo della Congestione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

3.7 Il Controllo della Congestione in TCP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

3.8 Evoluzione delle Funzionalità di Trasporto: QUIC e HTTP/3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

CAPITOLO 4 - IL LIVELLO RETE: DATA PLANE 37

4.1 Panoramica del Livello di Rete e Modello di Servizio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

4.2 Architettura Interna dei Router . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

4.3 Il Protocollo IP (Internet Protocol) v4 e Indirizzamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

4.4 Aggregazione delle Rotte, Assegnazione degli Indirizzi ed Estensione NAT . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

4.5 Il Protocollo IPv6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

4.6 Inoltro Generalizzato (Generalized Forwarding) e Software-Defined Networking (SDN) . . . . . . . . . . . 47

4.7 Middlebox e Principi Architetturali di Internet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

CAPITOLO 5 - IL LIVELLO RETE: CONTROL PLANE 50

5.1 Introduzione al Control Plane e Architetture di Rete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

5.2 Astrazione a Grafo e Classificazione degli Algoritmi di Routing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

5.3 Algoritmi Link State (LS) e l'Algoritmo di Dijkstra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

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5.4 Algoritmi Distance Vector (DV) e l'Equazione di Bellman- Ford . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

5.5 Confronto Sistematico tra Algoritmi Link State e Distance Vector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

5.6 Routing Gerarchico e Sistemi Autonomi (AS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

5.7 Routing Intra-AS: OSPF (Open Shortest Path First) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

5.8 Routing Inter-AS: BGP (Border Gateway Protocol) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

5.9 ICMP (Internet Control Message Protocol) e Diagnostica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

5.10 Gestione e Configurazione di Rete: SNMP e NETCONF/ YANG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

CAPITOLO 6 - LINK LAYER E RETI LOCALI 60

6.1 Introduzione al Livello Link e Servizi Offerti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

6.2 Rilevamento e Correzione degli Errori . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

6.3 Protocolli di Accesso Multiplo (MAC Protocols) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

6.4 Indirizzamento nel Livello Link: Indirizzi MAC e Protocollo ARP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

6.5 La Tecnologia Ethernet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

6.6 Switch di Livello Link (L2 Switch) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

6.7 Confronto tra Switch (Livello 2) e Router (Livello 3) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

6.8 Sintesi Integrata: Un Giorno nella Vita di una Richiesta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

CAPITOLO 7 - RETI WIRELESS E MOBILITÀ 72

7.1 Introduzione e Tassonomia delle Reti Wireless . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

7.2 Caratteristiche dei Collegamenti Wireless . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

7.3 Reti Locali Wireless: IEEE 802.11 (Wi-Fi) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

7.4 Protocollo MAC 802.11: CSMA/CA e Scambio RTS/CTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

7.5 Struttura del Frame 802.11 e Indirizzamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

7.6 Reti Personali (PAN): Bluetooth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

7.7 Architettura delle Reti Cellulari 4G LTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

7.8 L'Avvento delle Reti 5G (5G NR e Pico-Celle) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

7.9 Gestione della Mobilità (Mobility Management) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

7.10 Impatto della Mobilità sui Protocolli dei Livelli Superiori (TCP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

CAPITOLO 8 - SICUREZZA: PRINCIPI, CRITTOGRAFIA E CONTROLLO DEGLI ACCESSI 80

8.1 Principi di Sicurezza e Modelli di Rischio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

8.2 Strumenti Crittografici: Hash, MAC e Crittografia Asimmetrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

8.3 Autenticazione dell'Utente e Gestione delle Credenziali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

8.4 Controllo degli Accessi: DAC, MAC, RBAC e Permessi UNIX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

8.5 Sicurezza Internet e Infrastruttura a Chiave Pubblica - PKI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

CAPITOLO 9 - SICUREZZA DEI PROTOCOLLI, DELLE RETI E DELLE OPERAZIONI 86

8.6 Sicurezza a Livello di Trasporto: TLS e HTTPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

8.7 Accesso Remoto Sicuro: Protocollo SSH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

8.8 Sicurezza nelle Reti Wireless e Mobili: Wi-Fi, 4G e 5G . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

8.9 Sicurezza Operativa: Firewall, DMZ, NetFilter e IDS/IPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

8.10 Malware e Software Malevolo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

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Appendice A - Socket e strumenti di rete 92

Client UDP - UDPClient.py . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

Server UDP - UDPServer.py . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

Client TCP - TCPClient.py . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

Server TCP - TCPServer.py . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

Appendice B - PKI, SSH e sicurezza operativa 94

Ispezione di un certificato X.509 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

Autenticazione SSH con chiave pubblica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

Regole essenziali di filtraggio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

Regole IDS: struttura di una firma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

Appendice C - Glossario minimo 95

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CAPITOLO 1 - FONDAMENTI E ARCHITETTURA

DELLE RETI

La prima parte costruisce il modello mentale della rete: dal margine degli host al nucleo

dei router, dalla commutazione alle prestazioni, fino all’incapsulamento e alla sicurezza di

base.

DEFINIZIONE

Un protocollo specifica formato e ordine dei messaggi scambiati e le azioni da eseguire quando un

messaggio viene inviato, ricevuto o quando si verifica un evento.

OSSERVAZIONE

Il forwarding è una decisione locale del router; il routing calcola invece il percorso globale.

1.1 Che cos'è Internet?

Per comprendere la struttura di Internet è necessario analizzarla da due prospettive complementari:

una basata sui componenti hardware e software che la costituiscono ("nuts and bolts") e una basata

sui servizi offerti alle applicazioni.

1.1.1 Prospettiva Hardware e Infrastrutturale ("Nuts and Bolts")

Dal punto di vista della struttura fisica, Internet è una rete globale di calcolatori composta da:

• Host o End System: Milioni di dispositivi informatici interconnessi (PC, smartphone, server,

sensori IoT, elettrodomestici) situati al margine della rete che eseguono le applicazioni.

• Link di Comunicazione (Communication Links): Canali fisici che collegano tra loro i dispositivi

e trasportano i dati mediante vari mezzi trasmissivi (fibra ottica, cavo in rame, onde radio,

satelliti). Ogni link è caratterizzato da una velocità di trasmissione (transmission rate o bandwidth)

misurata in bit al secondo (bps).

• Packet Switch (Commutatori di Pacchetto): Dispositivi intermedi che ricevono i pacchetti di dati

in arrivo su una linea di ingresso e li instradano verso una linea di uscita. I commutatori più diffusi

sono i router e gli switch.

1.1.2 Prospettiva dei Servizi

Dal punto di vista funzionale, Internet è un'infrastruttura di comunicazione che fornisce servizi alle

applicazioni distribuite (es. Web, e-mail, trasferimento file FTP, streaming video, giochi interattivi,

e-commerce, social network). Internet mette a disposizione delle applicazioni un'interfaccia di

programmazione (API / socket) che definisce come un programma residente su un host possa

richiedere la consegna di dati a un'applicazione su un host remoto.

1.1.3 Definizione e Ruolo dei Protocolli

La comunicazione in rete si basa sui protocolli. Un protocollo di rete definisce in modo rigoroso il

formato e l'ordine dei messaggi scambiati tra due o più entità comunicanti, oltre alle azioni intraprese

all'invio o alla ricezione di un messaggio o al verificarsi di altri eventi. I principali protocolli Internet

sono standardizzati all'interno delle RFC (Request for Comments) dell'IETF (Internet Engineering

Task Force).

1.2 Il Margine della Rete (Network Edge), Reti di Accesso e Mezzi Fisici

Il margine della rete è costituito dagli host (client e server).

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1.2.1 Host, Client e Server

• Client: Dispositivi utente (desktop, smartphone) che richiedono servizi.

• Server: Macchine ad alte prestazioni concentrate nei Data Center che memorizzano ed erogano

risorse.

1.2.2 Le Reti di Accesso (Access Networks)

La connessione tra gli host e il primo router di accesso (edge router) avviene tramite le reti di

accesso:

• DSL (Digital Subscriber Line) e Cavo Coassiale / HFC (Hybrid Fiber Coax): Reti residenziali

cablate. Il cavo e le tecnologie xDSL sfruttano la multiplazione a divisione di frequenza (FDM) per

trasmettere dati e canali televisivi/telefonici su frequenze separate.

• Reti aziendali (Enterprise Access Networks): Utilizzano principalmente la tecnologia cablata

Ethernet con switch e router istituzionali a velocità di 100 Mbps, 1 Gbps o 10 Gbps.

• Wireless LAN (Wi-Fi): Basate sugli standard IEEE 802.11b/g/n, coprono aree limitate attorno a

un Access Point (30 metri circa) con velocità da 11 a 450 Mbps.

• Reti Cellulari ad Ampia Copertura (Wide-Area): Operano su frequenze radio con coperture di

diversi chilometri (es. 4G/LTE a decine di Mbps e 5G fino a centinaia di Mbps).

• Tecnologie a Corto Raggio e Satelliti: Bluetooth per brevi distanze come sostituto dei cavi;

ponti radio terrestri (45 Mbps); connessioni satellitari geostazionarie (con ritardi di propagazione

di 270 ms) e costellazioni a bassa quota come Starlink.

1.2.3 Mezzi Fisici di Trasmissione (Physical Media)

I bit trasmessi lungo i link viaggiano attraverso due categorie di mezzi fisici:

• Mezzi Guidati (Guided Media): Il segnale si propaga all'interno di un mezzo solido (es. doppino

intrecciato in rame UTP di Categoria 5e/6, cavo coassiale, fibra ottica monomodale o

multimodale).

• Mezzi Non Guidati (Unguided Media): Il segnale si propaga liberamente nello spazio

elettromagnetico (es. onde radio Wi-Fi, canali cellulari, microonde terrestri, link satellitari).

1.3 Il Nucleo della Rete (Network Core) e Architettura di Internet

Il nucleo della rete è la maglia di router interconnessi che trasporta i dati da sorgente a destinazione.

1.3.1 Commutazione di Pacchetto (Packet Switching) e Store-and-Forward

Internet adotta la commutazione di pacchetto. I messaggi del livello applicativo vengono suddivisi in

unità di dati più piccole dette pacchetti. Ciascun pacchetto viene trasmesso sul link alla massima

velocità del canale (R bps).

• Principio Store-and-Forward: Un router deve ricevere l'intero pacchetto nella sua totalità prima

di poter iniziare a trasmetterne il primo bit sul link di uscita successivo.

• Ritardo di Trasmissione del Singolo Hop: Il tempo necessario per spingere un pacchetto di

lunghezza L bit su un link a velocità R bps è pari a L/R secondi.

1.3.2 Commutazione di Circuito (Circuit Switching): FDM e TDM

Nella commutazione di circuito, le risorse di rete lungo il percorso tra sorgente e destinazione

vengono riservate in modo dedicato per tutta la durata della sessione. Se la chiamata non trasmette

dati, le risorse allocate rimangono inutilizzate (IDLE). La multiplazione delle risorse avviene secondo

due modalità:

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1. FDM (Frequency Division Multiplexing): Lo spettro di frequenza del link viene suddiviso in bande

di frequenza strette dedicate.

2. TDM (Time Division Multiplexing): Il tempo viene suddiviso in frame e slot temporali periodici;

ciascuna chiamata trasmette alla massima velocità della banda soltanto durante il proprio slot

assegnato.

1.3.3 Confronto Quantitativo tra Commutazione di Pacchetto e di Circuito

La commutazione di pacchetto consente a un numero nettamente maggiore di utenti di condividere la

rete rispetto alla commutazione di circuito. Esempio numerico: Si consideri un link da 1 Gbps (1000

Mbps) dove ciascun utente richiede 100 Mbps quando attivo, ma trasmette dati soltanto per il 10%

del tempo totale.

• Con la commutazione di circuito, poiché ogni utente richiede 100 Mbps riservati, il link può

supportare al massimo 10 utenti contemporanei.

• Con la commutazione di pacchetto, supportando ad esempio 35 utent, la probabilità che più di 10

utenti siano attivi contemporaneamente è inferiore a 0.0004. La commutazione di pacchetto è

ideale per traffico a raffiche (bursty), ma in caso di congestione richiede la gestione di

accodamenti e perdite di pacchetti.

1.3.4 Struttura di Internet: Una "Rete di Reti" (Network of Networks)

2

Collegare direttamente ogni rete di accesso con tutte le altre richiederebbe O(N ) connessioni, il che

non è scalabile. L'infrastruttura di Internet si è evoluta in una struttura gerarchica complessa:

• Access ISP: Le reti di accesso locali che connettono gli host finali.

• Regional ISP: Reti regionali che connettono gli Access ISP locali.

• Global Transit ISP (Tier-1 ISP): Reti con copertura globale (es. Cogent, Level 3) connesse tra

loro mediante accordi commerciali reciproci.

• PoP (Point of Presence): Gruppo di router nell'infrastruttura del provider dove gli ISP clienti si

collegano al provider trasmettitore.

• IXP (Internet Exchange Point): Punti di interconnessione neutrali in cui più ISP possono

scambiarsi traffico direttamente (peering) senza pagare un transit ISP di livello superiore.

• Content Provider Networks: Reti private gestite da grandi fornitori di contenuti (es. Google,

Akamai) che collegano direttamente i propri Data Center alla rete Internet per bypassare gli ISP di

transito.

1.3.5 Forwarding vs Routing

Il livello di rete svolge due funzioni fondamentali:

1. Forwarding (Inoltro / Switching): È l'azione locale a ciascun router (Data Plane). Sposta un

pacchetto dalla porta di ingresso alla porta di uscita appropriata consultando la tabella di inoltro

locale (local forwarding table).

2. Routing (Instradamento): È i