Reti di calcolatori

Università degli Studi di Messina: Reti di calcolatori

Definizione di rete di calcolatori

Una rete di calcolatori è un insieme di dispositivi autonomi, cioè in grado di eseguire e svolgere autonomamente i compiti programmati di calcolo e di comunicazione, interconnessi tra loro da supporti fisici alla trasmissione di segnali. Non sono considerate reti di calcolatori, ad esempio, né le reti di comunicazione telefonica (i cui terminali telefonici non sono dispositivi autonomi), né le reti di distribuzione televisiva (in quanto i televisori non sono dispositivi autonomi in grado di comunicare informazione).

Classificazione delle reti

Le reti di calcolatori si possono classificare in base alla dimensione geografica:

• Reti personali, PAN (Personal Area Network)
• Reti locali, LAN (Local Area Network)
• Reti metropolitane, MAN (Metropolitan Area Network)
• Reti geografiche, WAN (Wide Area Network)
• Internet: è la rete globale composta dall’unione di reti di vari tipi, connesse tra loro e conformi a un determinato insieme di regole di comunicazione comuni (protocolli)

Trasmissione dei dati

I dati che viaggiano nella rete sono i blocchi che costituiscono le informazioni. Tutte le attività umane sono caratterizzate dalla comunicazione, cioè il trasferimento di informazioni, quindi di dati. Garantire che tale trasferimento avvenga in modo affidabile, economico, non ambiguo, ripetibile e semplice è oggetto del nostro studio.

Cos’è Internet?

Internet è costituita da centinaia di migliaia di reti interconnesse. È un sistema di informazione globale, ogni entità è logicamente interconnessa e univocamente identificata da un indirizzo e comunica con le altre tramite un insieme di protocolli.

I componenti fisici

• Linee di comunicazione: Rame, fibra ottica, onde radio
• Sistemi terminali (end-system o host): PC, server, palmari, cellulari etc.
• Sistemi intermedi (router): sono i dispositivi che si occupano di smistare i dati

Protocolli di trasmissione

• TCP, orientato alla connessione
• UDP, connectionless

La struttura di Internet

La struttura è moderatamente gerarchica. Le linee di collegamento tra aree e domini differenti prendono il nome di dorsali, in base al livello di gerarchia distinguiamo:

• Dorsali nazionali/internazionali
• Dorsali regionali
• Dorsali locali

La rete per la ricerca in Europa: GEANT. Geant è una dorsale Pan-Europea, perché collega tutte le reti degli istituti nazionali di ricerca sia europei che di altre nazioni che si affacciano sul bacino del Mediterraneo. Ogni nodo di collega a Geant a velocità da 10 Gb/s SDH a 34 Mb/s. In Italia l’attuale infrastruttura di rete è la GARR (GARR-Giganet) dedicata alla comunità italiana delle Università e della Ricerca Scientifica e Tecnologica, è entrata in funzione alla fine del 2003.

Il viaggio dei dati

Il traceroute si occupa di ricavare il percorso seguito dai pacchetti che viaggiano sulle reti informatiche, ovvero l’indirizzo IP di ogni router attraversato per raggiungere il destinatario.

Modello a strati

La trasmissione dell’informazione è in formato digitale. Un segnale analogico è una variazione continua rispetto a un segnale digitale, che può assumere valori discreti di un insieme continuo. Il formato di trasmissione delle reti digitale è prevalentemente digitale.

Gli elementi della comunicazione sono:

1. Sorgente e destinazione
2. Mezzo trasmissivo
3. Linguaggio comune
4. Sistema di emissione e ricezione compatibili

Le reti sono apparentemente complesse, cioè composte da molti “mattoni”: Linee su mezzi diversi, calcolatori ai bordi, routers, applicazioni e software di trasmissione.

Cosa è il modello a strati?

Un esempio per capire il concetto di modello a strati è ACQUIRENTE – CONSUMATORE. Ogni strato ha un proprio ruolo fondamentale. La comunicazione tra stati non contigui non avviene, ogni strato si affida ai servizi del livello sottostante. Due livelli in due modelli diversi comunicano, esclusivamente se sono connessi allo stesso strato. La struttura logica è orizzontale. Logicamente abbiamo i livelli. Fisicamente ci sono le “strade” che trasportano l’informazione da un livello logico all’altro.

Il contenuto del pacco non ci interessa. Ci interessa invece che uno strato comunica tramite un protocollo di comunicazione con un altro strato del medesimo livello e che il “pacchetto” arrivi a destinazione.

Protocolli di rete

Il protocollo è interno a uno strato e si può definire come un insieme di regole che vengono stabilite per instaurare una comunicazione corretta. Ad esempio, due persone di differenti madrelingue potrebbero mettersi d’accordo nell’utilizzo della lingua inglese per comunicare.

Livelli del modello a strati:

• Livello 1: Fisico - Bluetooth, Porta seriale, DSL, Ultra Wide Band
• Livello 2: Datalink - Ethernet, Point-To-Point Protocol, Frame Relay, Wi-Fi, ATM
• Livello 3: Rete - IP (Internet Protocol), IPX
• Livello 4: Trasporto - TCP e UDP (usati su IP), NetBIOS
• Livello 5: Sessione - SMPP (Short Message Peer To Peer), SSH (Secure Shell), SCP, SDP
• Livello 6: Presentazione
• Livello 7: Applicazione - DNS (Domain Name System), Telnet, SMTP, POP, IMAP, IRC, FTP, HTTP

Servizio di rete

Un servizio equivale alla definizione delle operazioni che uno strato è in grado di compiere per un altro strato, ma non definisce come queste operazioni verranno eseguite. Un servizio è formalmente definito come un insieme di primitive (azioni o insieme di protocolli).

Interfaccia

L’interfaccia (es. API) specifica quali operazioni primitive e servizi uno strato mette a disposizione. È il punto di incontro o collegamento, spesso standardizzato, tra sistemi diversi e/o le modalità per permettere la loro interazione sotto forma di scambio di informazioni. L'interfaccia è il componente fisico o logico che permette a due o più sistemi elettronici di comunicare e interagire. Interfacciare vuol dire quindi collegare (anche fisicamente), seguendo un formato standard che consenta lo scambio di dati, due o più dispositivi eterogenei in modo da permettere loro lo scambio di informazioni.

Perché usare gli strati?

Per ridurre la complessità dei sistemi, permettendo l’identificazione delle parti e delle relazioni fra esse. Permette di rendere modulare la realizzazione e la manutenzione del sistema, sganciando le parti l’una dall’altra. Nel caso delle reti, l’insieme degli strati e dei protocolli è l’architettura di rete. Mentre l’insieme dei protocolli è detta pila dei protocolli della rete. Ogni strato ha una funzione ben precisa e non sono mescolate tra loro. Ogni strato deve anche fornire un “salto” nell’astrazione del servizio (da un livello a un altro).

I due modelli fondamentali sono:

• Modello ISO/OSI
• Internet

Il modello OSI (acronimo di Open Systems Interconnection, conosciuto anche come modello ISO/OSI), in telecomunicazioni e informatica, è uno standard stabilito nel 1984 dall'International Organization for Standardization (ISO), il principale ente di standardizzazione internazionale. Tale modello stabilisce per l’architettura logica di rete, ovvero per le funzioni di comunicazione delle telecomunicazioni o di insiemi informatici, una struttura a strati composta da una pila di protocolli di comunicazione di rete suddivisa in 7 livelli (o strati), i quali insieme eseguono tutte le funzionalità della rete, seguendo un modello logico-gerarchico.

Modello basato su 5 livelli

Il modello principalmente che useremo è basato su 5 livelli:

• Applicazione: HTTP, Disk sharing
• Trasporto: TCP, Appletalk
• Network: IP, Appletalk
• Data Link: Ethernet, Localtalk
• Fisico: Fibra ottica, cavo seriale

Si adatta perfettamente a tutte le esigenze della maggior parte delle reti moderne.

I dati negli strati

Ogni strato riceve dei dati da spedire allo strato adiacente. Aggiunge (o toglie) informazioni nella forma di un “header” e crea una nuova unità di informazioni da trasmettere allo strato successivo (come una Matrioska).

Pacchetti di dati

Perché spezzare un blocco di dati in pacchetti?

• Si trasmette più velocemente
• In caso di ritrasmissione, se ne ritrasmette solo il frammento andato perso
• Si possono instradare i pacchetti su strade diverse in caso di emergenza
• Si semplifica l’operazione di “store and forward” delle apparecchiature nel cuore della rete
• Si garantisce una minor probabilità di errore di trasmissione sull’intero blocco

I servizi di inoltro che uno strato può offrire a quello superiore sono due:

• Orientato alla connessione, simile al sistema telefonico, in cui prima di far transitare la voce viene creato un canale fra le due entità, accertandosi del corretto recapito dei dati
• Senza connessione, simile al sistema postale, in cui una lettera viene inviata senza la certezza che essa venga recapitata o del tempo necessario

Reti di comunicazione

Le reti vengono classificate generalmente in due aspetti:

• Tecnologia di trasmissione
• Estensione

Per tecnologie di trasmissione intendiamo i modi in cui vengono trasportate le informazioni, in particolare in: commutazione di circuito e commutazione di pacchetto.

La trasmissione per “commutazione di circuito” è la più semplice da implementare, i due terminali conoscono lo stato della comunicazione e ogni risorsa “mantiene” lo stato della connessione.

La trasmissione per “commutazione di pacchetto” invece è specificatamente concepita per il trasporto dati, utilizzata per condividere un canale di comunicazione tra più nodi suddividendo l’informazione in pacchetti che vengono instradati seguendo opportune tabelle di routing.

Commutazione di circuito

Prima della trasmissione dei dati, la rete provvede a realizzare un “circuito virtuale” a livello di data link, da sorgente a destinazione. Ciascun nodo alloca le risorse necessarie a garantire la comunicazione. Le risorse fisiche della rete (mezzi trasmissivi) devono essere condivise da più flussi di comunicazione, occorre quindi suddividere il canale fisico in più “canali virtuali”. Le due tecniche sono TMD (Time Division Multiplexing) e FDM (Frequency Division Multiplexing).

Commutazione di pacchetto

Ogni “flusso” di dati è diviso in pacchetti, invitati nella rete che provvede a smistarli, decidendo ad ogni salto (hop) il percorso migliore. Gli utenti condividono le risorse di rete, ogni pacchetto utilizza l’intera velocità della linea e le risorse sono usate secondo le necessità istantanee. Se la richiesta della risorsa supera la capacità massima si crea una congestione del traffico.

Le sorgenti del ritardo

1. Elaborazione in ogni nodo: controllo di errore, analisi e instradamento
2. Accodamento: tempo di permanenza nelle code dei router
3. Tempo di trasmissione sulla linea: T = L / V (dove L è la dimensione del pacchetto, V la velocità di trasmissione in bps)
4. Tempo di propagazione: T = D / S (dove D è la lunghezza del tragitto, S velocità del mezzo trasmissivo in Km/s)

Ritardo per ogni nodo = Elaborazione + Coda + Trasmissione + Propagazione.

L’intensità del traffico è dovuta alla dimensione del pacchetto (bit) x tempo medio di arrivo (pacchetti/s) diviso la velocità del canale (b/s).

Fenomeno collo di bottiglia

Il collo di bottiglia è un effetto che si verifica quando le prestazioni di un sistema o le sue capacità sono fortemente vincolate da un singolo componente. Il componente viene chiamato anch’esso collo di bottiglia, metafora che limita il flusso d’acqua.

Perdita di pacchetti

La perdita di pacchetti è un evento normale in una rete di trasmissione dati. Tuttavia deve essere ridotta al minimo. Le cause principali sono:

• Le code nei nodi hanno una dimensione finita
• Il pacchetto può contenere un errore non recuperabile, dovuto a un guasto fisico
• Filtri, che possono essere stati applicati nei nodi per scartare pacchetti

Non va confusa la perdita di pacchetti durante il trasferimento di file (ad esempio tramite FTP), con l’affidabilità del trasferimento fornita dal protocollo di trasporto, cioè la perdita dati.

HTTP, Telnet, DNS, FTP, SMTP, POP

Con il termine socket, in informatica, si fa riferimento a diversi concetti a seconda che ci si riferisca al mondo dell'hardware o del software:

• Hardware: il socket è l'alloggiamento, presente sulla scheda madre, in cui viene posizionato il processore e che contiene i contatti elettrici per gestire lo scambio di dati tra quest'ultimo e la scheda madre
• Software: un socket è un oggetto software che consente lo scambio di dati tra host remoti (tramite una rete) o tra processi locali

Un processo invia/riceve messaggi a/da la sua socket. Un socket è analoga a una “porta”: un processo vuole inviare un messaggio e lo fa uscire dalla propria porta e si presuppone un’infrastruttura esterna che trasporterà il messaggio attraverso la rete fino alla “porta” del processo di destinazione.

Processi di indirizzamento

Affinché un processo su un host invii un messaggio ad un altro host, il mittente deve identificare il processo destinatario. Un host ha un Indirizzo IP a 32 bit (come vedremo più avanti questo indirizzo identificherà l’interfaccia di rete, con la quale l’host può comunicare). È sufficiente conoscere l’Indirizzo IP dell’host su cui è in esecuzione il processo per identificare il processo stesso? No, sullo stesso host possono essere in esecuzione molti processi. L’identificatore comprende sia l’indirizzo IP che i numeri di porta associati al processo in esecuzione su un host.

Esempi numeri di porta:

• HTTP: 80
• HTTP SSL (HTTPS): 443
• FTP: 21
• MAIL SERVER: 25

Nel livello fisico di Data Link, l’identificativo principale è l’Indirizzo MAC 6 byte.

HTTP

In telecomunicazioni e informatica l'HyperText Transfer Protocol (HTTP) (protocollo di trasferimento di un ipertesto) è un protocollo a livello applicativo usato come principale sistema per la trasmissione d'informazioni sul web ovvero in un'architettura tipica client-server. Le specifiche del protocollo sono gestite dal World Wide Web Consortium (W3C). Un server HTTP generalmente resta in ascolto delle richieste dei client sulla porta 80 usando il protocollo TCP a livello di trasporto.

• HTTP 1.0: non persistente
• HTTP 1.1: persistente

Con le connessioni persistenti, il server lascia aperta la connessione TCP dopo aver spedito la risposta. Le successive richieste e risposte fra client e server possono essere inviate sulla stessa connessione. La connessione non persistente ha come difetto l’RRT (Round Trip Time), ovvero il tempo necessario ad un pacchetto piccolo per arrivare alla destinazione e ritornare al mittente.

Telnet

«L'obiettivo del protocollo TELNET è fornire un supporto per le comunicazioni sufficientemente generalizzato, bidirezionale ed orientato ai byte (otto bit).» Il protocollo telnet definisce un canale di comunicazione, basato su testo, fra un client e un server. Il client crea un canale in chiaro di trasmissione testo trasparente, con il server. Il server Telnet offre un accesso, a linea di comando, al sistema operativo del calcolatore su cui è attivo. Oggi Telnet non è più usato, poiché le credenziali di accesso non sono criptate, è stato dunque sostituito con SSH (Secure Shell).

DNS (Domain Name System)

Il DNS è un sistema utilizzato per assegnare nomi ai nodi della rete (in inglese: host). Questi nomi sono utilizzabili, mediante una traduzione, di solito chiamata "risoluzione", al posto degli indirizzi IP originali. Il servizio è realizzato tramite un database distribuito, costituito dai server DNS. Gli host che utilizzano il protocollo IPv4 vengono identificati tramite un numero intero a 32 bit. Il DNS “traduce” il nome con l’Indirizzo IP 192.168.110.20 -> www.sitoweb.it

La struttura: Il nome si legge generalmente da destra verso sinistra. nodo.sottodominio.dominio.country

• La prima sottostringa rappresenta il nome dell’host
• Le altre sottostringhe, ad eccezione dell’ultima a destra, identificano ciascuna un sottodominio
• L’ultima sottostringa (più a destra), identifica il TOP-LEVEL DOMAIN di appartenenza (.com, .it …)

FTP (File Transfer Protocol)

FTP è un protocollo di livello applicazione che consente di trasferire file tra due host, in modo affidabile. A livello trasporto FTP, utilizza il protocollo TCP:

• Il client FTP si collega al server sulla porta 21
• Dopo essere stato autenticato invia i comandi al server

Il server FTP si occupa di mantenere informazioni di “stato” quali: directory corrente e chiavi di autenticazione.

SMTP (Simple Mail Transfer Protocol)

SMTP è un protocollo standard per la trasmissione di email che utilizza TCP e la porta 25 per il trasferimento affidabile dei messaggi. Anche se i server di posta elettronica utilizzano SMTP per inviare e ricevere mail, i client mail a livello utente utilizzano SMTP solo per inviare il messaggio al server mail, il quale si occupa dell’invio del messaggio stesso.