Appunti programma Reti di calcolatori

Sistemi e reti

Mittente (M) Destinatario (D)

Non è più reti di calcolatori poiché ormai è tutto interconnesso, internet of things, infatti ci sono circa 20 miliardi di dispositivi connessi, una tendenza in aumento, tra cui molti dispositivi cyberfisici. Tutto è alla base di internet composto da una serie di cavi e dispositivi connessi tra loro, ed il 90% delle fibre ottiche di internet è sott’acqua, difficile manutenzione. “Un ponte ideale lanciato a congiungere spazio e tempo”.

GNS3 è una combinazione di virtual machine che servono per configurare componenti di una rete.

Una rete di calcolatori consente l’accesso alle risorse/informazioni degli utenti distribuite poiché è un sistema interconnesso; la facilità dell’accesso alla rete è indipendente dalla complessità della tecnologia.

I componenti di una rete sono un mittente ed un destinatario connessi tramite un mezzo di trasmissione che porta un messaggio. Tale messaggio ha due forme:

• Forma discreta: sequenza di bit limitata, codifica del testo, numeri, immagini ecc. caratteri ASCII;
• Forma continua: flusso di informazioni, es streaming audio, video.

La comunicazione avviene tramite dei protocolli, cioè serie di regole che disciplinano comunicazione, integrazione, tra mittente e destinatario.

Software: è una serie di algoritmi che implementano protocolli e driver, cioè software che permettono la comunicazione tra il s.o. dove sono installati e i dispositivi con cui comunica, controllore.

Ci sono dei protocolli per individuare/correggere errori, poiché il mezzo trasmissivo usato può introdurre anomalie, es. riduzione segnale wireless, aria che limita le onde. Ci sono degli elementi intermedi tra M e D che si interconnettono tra loro nella topologia di rete, possibile congestione.

Qualità del servizio della rete

È importante garantire una buona qualità del servizio della rete, cioè una serie di metriche di qualità come:

• Latenza: minor tempo possibile per comunicare con il destinatario;
• Troughput: mole di dati inviata in un tempo, come secondi;
• Affidabilità: in presenza di anomalie i protocolli sono in grado di riparare/ritrasmettere il mex;
• Resilienza, riguardo alle perdite dei dati, sicurezza ecc.

Hardware e modalità di comunicazione

Hardware: apparati di interconnessione e trasmissioni es switch, hub, router, ecc. All’interno di ognuno sono presenti delle interfacce di rete, porzione di HW di comunicazione, che permettono l’operazione di conversione dall’interfaccia interna ad esterna, serie di regole, e la comunicazione del mex. Negli ultimi tempi però si sta passando da HW a SW specifico per quelle operazioni. La comunicazione è:

• Unidirezionale, simplex: verso una direzione, es. radio/TV, non usata per la comunicazione di dati;
• Bidirezionale alternata, duplex: due direzioni, non contemporaneamente, per comunicazione dati;
• Bidirezionale, full-duplex: messaggi da entrambe le direzioni contemporaneamente.

Funzionalità di una rete: affidabile, efficiente in quel contesto, scalabilità, orizzontale: nodi rete, verticale: volume dati scambiati, poter connettere ambienti applicativi diversi, cloud, ethere, wi-fi, bluetooth, rilevare/correggere guasti, cause naturali, attacchi quindi dati corrotti, persi. Es effetti jamming cioè un segnale wi-fi che si sovrappone ad un altro. È importante trovare cammini ottimali per l’invio del messaggio.

Problemi di comunicazione

Problemi di comunicazione: con due nodi, fisici, 1-1, elettrici, ottici, onde, e più di due, reti:

• Indirizzamento: identificare nodo a cui mandare il messaggio;
• Instradamento: calcolo del percorso ottimale;
• Affidabilità, deve essere alta: se un nodo non è disponibile i nodi cambiano percorso.

Definizione rete: è un insieme di tecnologie informatiche e delle telecomunicazioni che consentono l’interconnessione di nodi e dispositivi collegati.

Rete telematica: insieme di dispositivi informatici non completamente collegati fra loro per mezzo di tecnologie di telecomunicazione.

Un sistema distribuito permette la trasmissione di informazioni da un nodo all’altro, nelle topologie.

In una rete di comunicazione c’è bisogno di: funzionalità per il trasporto, viaggiare su un mezzo, identificare i nodi sulla rete, passare dalle porte giuste, e funzionalità di indirizzamento e switching.

Componenti fisici della rete

A livello fisico una rete prevede una serie di:

• Host: nodi autonomi connessi ad una rete;
• Links: collegamenti trasmissivi punto a punto tra host;
• Switch: nodi commutazione che ricevono messaggi dalle porte di ingresso, determinano il destinatario, commutano la porta di uscita e portano il messaggio.

Data terminal equipment, DTE: sono dei terminali collegati che hanno delle risorse, interconnessi tra loro, per la comunicazione e condivisione di tali risorse. Es. cluster, supercalcolatore, ecc. Aggiung. JPEG.

Data circuit terminating equipment, DCTE: interfaccia di rete es. modem, switch, router.

Modalità di trasmissione e topologie

Modalità di trasmissione:

• Unicast, punto-punto: circuito fisico che collega due soli DTE;
• Multicast, di gruppo: un nodo può mandare un messaggio a sottogruppi dei nodi, ci sono più di due DTE.

Topologia maglia: n(n-1)/2 collegamenti, troppi, massima affidabilità, minima latenza.

Topologia gerarchica, albero: il nodo più alto è il più potente, però sovraccarica, spesso colli di bottiglia.

Reti a stella: è simile a quella ad albero ma i nodi hanno la stessa importanza.

Reti a dorsale/bus condiviso: popolare per i locali, ethernet, poiché è semplice ma fragile; problemi contesa, arbitraggio conteso. Si hanno dei connettori collegati al bus che conoscono l’ID del nodo a cui sono collegati.

Reti ad anello: sono spesso reti LAN di tipo token ring, o FDDI, nella quale si passa un token quando si deve inviare un pacchetto, questo poi viene passato al prossimo nodo quando è stato usato, fibra ottica lo usa.

Reti a maglia: connessi tutti tra loro, si hanno buone prestazioni di latenza e affidabilità, ma bassa scalabilità, costi elevati per la gestione e il cablaggio.

Commutazione

La commutazione consiste nel determinare il percorso che i messaggi devono seguire per raggiungere il D.

• Di pacchetto: il messaggio attraversa più unità di rete che possono prendere delle decisioni, controllano l’ID del M e D e il l’ordine d’arrivo dei pacchetti. Determinare ed instradare i pacchetti;
• Di circuito: si stabilisce una connessione diretta tra M e D tramite switch, ingresso, uscita. Si ha quindi un percorso fisico dedicato, oneroso, utile per reti di piccole dimensioni.

Nodo di commutazione, DSE: supporta la commutazione di pacchetto tra 2 o più elementi tra loro non direttamente connessi, es switch.

Protocolli e standard

In un protocollo, serie di regole per scambio dati/informazioni, vengono specificate:

• Sintassi di comunicazione: possibili messaggi da poter inviare;
• Semantica: il significato dei messaggi;
• Codifica: come vengono rappresentati i bit inviate, 0,1, che a seconda della tecnologia rappresentata variano, livelli tensione, polarizzazione. Esistono protocolli a più livelli, divide et impera tra i livelli.

Un protocollo può essere di linea, box-to-box, e di trasporto, end-to-end. Ack è un messaggio che avvisa il mittente della ricezione, da parte del destinatario, del messaggio.

Di solito si utilizzano degli standard per evitare soluzioni proprietarie, ce ne sono di due tipi:

• De facto: serie di fornitori di servizi si consultano per redigere uno standard, es. cisco, presa dal basso;
• De Jure: persone influenti che chiedono a dei realizzatori di redigerlo, presa dall’alto. Es. IEEE, ISO-OSI.

Tipi di reti in base alla copertura geografica

Tipi di reti in base alla copertura geografica: elaboratori, 1mt, LAN, max 1km, MAN, 10km, WAN, Internet.

• LAN posseduta e gestita da un’organizzazione, collegamenti realizzati con doppini o fibra ottica.
• WAN molti nodi collegati, gestita da un internet provider, IP, ha spesso struttura a maglia.

Esistono 2 modi per connettersi: connection oriented e connection-less, comunicazione pacchetto.

1. Per far comunicare M e D bisogna prima instaurare una connessione. Il protocollo per la connessione prevede scambio di dati per la configurazione dei nodi intermedi. Poco scalabile;
2. All’arrivo dei messaggi si decide come instradarli; non si perde tempo per la configurazione: scalabile, ma poca qualità servizio, latenza poco predicibile, possibili errori. Controlli fatti dalle applicazioni.

Internet working: reti diverse collegate tra loro in tutto il mondo. Si hanno problemi perché le reti sono diverse, con protocolli diversi, provider diversi, ecc. e per questo si usano i gateway, connettori.

Ci sono diversi termini fondamentali: subnet: sottoinsieme di reti; network, rete, subnet e host collegati; interconnessioni di reti generiche; Internet: specifica internetwork basata sul protocollo TCP/IP.

Access network: parte di rete che consente un collegamento tra utenti finali fino alla prima centrale di commutazione di un determinato ISP, internet service provider.

DSL, digital subscriber line: tecnologia di trasmissione analogica di segnali digitali all’ultimo miglio di rete. Telefonica fissa: DSL modem, splitter, traffico telefono/dati e DSLAMM che multiplexa info verso rete di commutazione circuito per quella telefonica e di pacchetto per internet, ISP.

Modello ISO/OSI

Il modello OSI, open system interconnection, è stato promosso dall’organizzazione ISO come standard per la comunicazione: è uno standard a livelli che comprende norme e protocolli per ognuno di esso, gestire problematiche, e tra ogni livello è presente un’interfaccia con il livello successivo. È basato su una logica di una doppia pila poiché una pila è per l’host M e una per l’host D, che comunicano tramite un mezzo fisico, o insieme di mezzi. Ci sono due tipi di livelli:

• Livelli processo: i livelli più alti del modello, che sono più vicini all’applicazione e questi livelli sono:

Livello applicazione: implementa i servizi che utilizza l’utente es. DNS, WWW, FTP, posta.

Livello presentazione: si occupa della codifica/decodifica dei dati di un formato specificato dai due host, tramite standard es. ASCII, ed offre anche meccanismi di protezione, es. cifratura.

Livello selezione: gestisce il dialogo fra 2 macchine, half-duplex decide a chi tocca trasmettere in un esatto momento, e gestisce sessioni tra applicazioni, es. basi dati.

• Livelli Data Flow si occupano della gestione del flusso dei dati e sono:

Livello fisico: si occupa degli aspetti elettrici/ottici e delle linee di comunicazione e propagazione dei dati, che a questo livello sono chiamati bit.

Data link: dalla linea di bit può riconoscere/segnalare errori; questi bit li raggruppa in frame/trame. Effettua anche la sincronizzazione tra gli host, anche con interfacce diverse.

Network layer: i dati sono chiamati pacchetti che vengono instradati ed indirizzati sulla rete. Si occupa anche della gestione delle congestioni ed accounting pacchetti su reti a pagamento.

Trasporto: servizi end-to-end che coinvolgono i due host, che possono comunicare; si occupa del recapito efficace ed affidabile delle informazioni e del controllo qualità, connection oriented/less. Si occupa anche della multiplazione/demultiplazione, prendere i flussi, verso l’applicazione che sta gestendo una sessione di comunicazione.

Incapsulamento

Incapsulamento: quando i dati viaggiano ai dati viene aggiunta una testata header, ad ogni livello, che conterrà informazioni utili ai livelli dell’host con cui si sta comunicando, per poter trattare i dati inviati. Alcuni livelli aggiungono anche una coda, es data link che aggiunge 2 info. Il decapsulamento funziona in modo inverso.

Modello arpanet, TCP/IP, si distingue dall’ISO/OSI solo per i 3 livelli superiori accorpati nel livello processo/applicazione. Inoltre, è semplificato.

Livello fisico

Un segnale è una variazione di grandezze fisiche, valori, che trasmettono informazioni. Ce ne sono 2:

• Analogici, continui: assumono sempre una grandezza continua al variare del tempo, dei possibili valori tra il massimo e minimo trasmissibili dal canale di comunicazione scelto;
• Digitali, discreti: assumono valori discreti, es. 2, rappresentabili da sequenze di bit.

Un segnale periodico è un segnale che si ripete dopo un tempo prestabilito, oppure aperiodico.

Un segnale sinusoidale periodico è caratterizzato da un’onda oscillante che viaggia più a lungo della corrente diretta. L’ampiezza è il valore assoluto dell’intensità massima, quella che il picco raggiunge. Più si abbassa l’ampiezza del picco meno si percepisce il segnale.

Il periodo è il tempo in cui il segnale si ripete, la frequenza il numero di ripetizioni nell’unità di tempo.

Periodo: T=1/F Frequenza: F=1/T

Con il diminuire del periodo aumenta la frequenza.

Es. corrente elettrica, onda, frequenza 50 Hz, in EU, 60 in USA, e T= 1/f = 1/50Hz = 0.02 sec=0.02×10³ ms=20 ms.

La frequenza è la velocità, di trasmissione, con cui un segnale cambia rispetto al tempo. I cambiamenti, che trasportano dati, frequenti implicano una frequenza alta, lenti implicano una frequenza bassa.

La fase è la posizione angolare, in termini di angoli, del segnale rispetto al tempo 0; anche questa è utilizzata per trasmettere informazioni.

L’onda è qualcosa che mette in relazione il periodo, frequenza, e la velocità di propagazione del segnale sul mezzo.

La lunghezza d’onda è la distanza che il ciclo di un segnale mostra tra due “creste” della sinusoide. Tempo di bit: tempo per rappresentare un bit.

I segnali digitali hanno valori: es. -5v, 0, e +5v, 1, si rappresentano bit valori discreti.

Quanto più aumentano i bit, livelli, più si avvicina il segnale a quello continuo, poi è difficile interpretare il tipo di segnale. Per questo si fa variare di parecchio il segnale indicando un livello differente.

Le proprietà più importanti di un segnale sono: ampiezza, frequenza, fase.

I segnali che vengono utilizzati all’interno dei calcolatori sono di tipo analogico, poiché devono essere continui, per poter trasportare informazioni. I segnali campionati sono segnali continui dei quali viene letto il valore periodicamente dal calcolatore, un esempio è il segnale di clock, scandisce anche fasi.

Un segnale quantizzato è un segnale a cui vengono assegnati dei valori discreti, per essere immagazzinati/elaborati dal computer, codifica.

Il termine trasmissione, informatica, è l’insieme delle tecniche e degli schemi per l’invio delle informazioni tra un M e D, all’interno di un mezzo fisico utilizzando impulsi o segnali codificati. Bisogna codificare l’informazione in modo corretto; il segnale non è mai preciso poiché in base ai mezzi trasmissivi e impedimenti esterni, si hanno delle distorsioni del segnale.

Serie di Fourier e frequency band

Serie di Fourier: all’inizio del XIX secolo Jean-Baptiste Fourier ha dimostrato che una funzione periodica y(t) è sviluppabile in una serie costituita da un termine costante A0 e da una somma di infinite sinusoidi le cui frequenze fn sono multiple intere della frequenza fondamentale f0 della funzione data, e di ampiezze An e Bn, di sin e cos della n-esima armonica, calcolabili secondo le formule.

Frequency band: la rappresentazione di Fourier permette di convertire i segnali dal dominio del tempo al dominio di frequenze; rappresenta lo spettro di frequenze tramite sinusoidali, scomposizione in sinusoidi. Vari segnali + tra loro formano l’originale.

Un segnale numerico periodico può essere sviluppato in serie di Fourier, cioè in una somma di infinite sinusoidi di ampiezza variabile. In questo caso la frequenza è: f = 1/(2*T ) Tbit= ampiezza bit 0 bit.

I quadrati delle ampiezze sono proporzionali all’energia trasmessa alla frequenza corrispondente, cioè ci dice in quella frequenza quanta energia ha il segnale in fase di trasmissione.

L’effetto distorsivo del segnale dipende dalla frequenza, quindi le componenti di Fourier del segnale o armoniche vengono attenuate in maniera differente dal mezzo trasmissivo. Es. sistemi fisici:

• Passa alto: tutte le frequenze fino a una determinata soglia sono annullate, oltre sono attenuate;
• Passa basso: tutte le frequenze fino a una determinata soglia sono attenuate, oltre sono annullate;
• Passa banda: un intervallo entro il dominio delle frequenze in cui l’attenuazione è minima o nulla, mentre all’estremità ha fenomeni distorsivi che annullano il segnale, mezzi trasmissivi sono appunto una banda passante: intervallo di frequenze che il mezzo fisico può trasmettere senza alterazioni.

P.s. Ci si accorge che un’armonica viene persa quando viene effettuata la trasformata di Fourier, sinusoidale in quella frequenza con ampiezza zero.

In base al materiale di cui sono composti i mezzi trasmissivi si ha la caratterizzazione della banda passante. La banda, B, è l’insieme di frequenze, veicolate dal mezzo trasmissivo con un’attenuazione minima o nulla.

Un segnale campionato deve avere abbastanza campioni per poterlo ricostruire, quindi ricostruire il messaggio originario inviato da un M.

Nyquist dimostrò che un segnale, ideale, pulito, a larghezza di banda B può essere ricostruito perfettamente campionando lo stesso al doppio della larghezza di banda, quindi a partire da 2B campioni del segnale stesso, frequenza di campionamento F ≥ 2B, un po’ di più.

Dato un canale,