Riassunto esame Reti I

Reti 1

Capitolo 1

Internet

Internet è il più grande sistema creato dall’uomo, composto da una rete pubblica di calcolatori  Ingranaggi di Internet.

Internet interconnette milioni di dispositivi (computer, tablet, smartphone, ecc.) detti host (o sistemi periferici)  ora siamo a circa 2 miliardi. Questi possono essere client/server (es. data center  Google).

Collegati tramite una rete di collegamento e commutatori di pacchetti (switch)  (es. cavi coassiali, fili di rame, fibra ottica che trasmettono a grandi velocità, che è differente in questi, detta velocità di trasmissione, misurata in bit/secondi).

Le informazioni vengono suddivise in pacchetti (con intestazione più l’informazione stessa). I due commutatori di pacchetto principali sono:

• Router
• Commutatori a livello di collegamento

I pacchetti arrivano in questi e vengono mandati subito in uscita seguendo dei percorsi (es. autostrade).

I sistemi periferici si connettono a Internet tramite gli Internet service provider (ISP)  questi possono essere aziendali, universitari, aeroporti, ecc.

Ogni ISP è gestito in modo indipendente, dai livelli superiori e/o inferiori (es. ognuno ha il proprio indirizzo IP).

I due principali protocolli utilizzati sono: TCP e IP  vengono descritti gli standard su documenti detti request for comment (RFC).

Le applicazioni (es. posta, navigazione web, giochi, P2P, streaming e altri) sono distribuite perché coinvolgono più sistemi periferici. Questi offrono delle API (che sono delle regole da seguire per scambio messaggi).

Il protocollo definisce il formato e l’ordine dei messaggi scambiati tra due o più entità in comunicazione, come le azioni ai fini della trasmissione. Un protocollo umano potrebbe essere per esempio la richiesta dell’ora.

Reti di accesso

Le reti di accesso sono la rete che connette fisicamente un sistema al suo edge router, che è il primo router sul percorso dal sistema d’origine a un qualsiasi altro sistema di destinazione collocato fuori della stessa rete. Oggi più del 65% delle abitazioni nei paesi sviluppati sono collegate a Internet (in certi paesi anche l’80%). Oggigiorno i due accessi residenziali a larga banda più diffusi sono:

• Digital subscriber line (DSL)  spesso da chi già fornisce il servizio telefonico fisso (compagnia telefonica con ruolo di ISP, scambiati messaggi con DSLAM  collegati centinaia di abitazioni, con certi valori);
• Via cavo (stessa della compagnia televisiva via cavo, fibre ottiche che connettono le terminazioni, cavo coassiale, del cavo a giunzioni a livello di quartiere  detto hybrid fiber coax, HFC, e utilizza modem speciali detti cable modem)  condiviso, quindi la velocità non è la massima del canale se più persone lo utilizzano.

Cable modem (simile) DSLAM. Una tecnologia promettente che vanta velocità elevate è detta fiber to the home (FTTH), cioè fibra ottica fino alle abitazioni direttamente dalla centrale. Possono essere AON (reti ottiche attive) o PON (reti ottiche passive).

Le reti PON: ogni abitazione ha un 1 Fabio Zuccaro Pag. terminatore ottico connesso con un separatore ottico (splitter) che combina più abitazioni, che si collega con un terminatore nella centrale della compagnia telefonica. I pacchetti passano dalla centrale allo splitter che replica tutti i messaggi.

Esistono anche delle connessioni satellitari.

Nelle aziende e nelle università, ma anche nelle abitazioni, si utilizza una rete locale (LAN) che può essere anche wireless verso un access point wireless entro un raggio di una decina di metri, che ha dietro una rete cablata che è connessa a Internet.

Accesso su scala geografica (3G o LTE), dove l’utente può permettersi di stare a una decina di chilometri di distanza dalla stazione base.

Mezzi trasmissivi

Il bit passa attraverso un mezzo fisico che può essere vincolante (onde contenute in un mezzo fisico, es. cavo coassiale o fibra ottica) o non vincolante (onde si propagano nell’atmosfera e nello spazio esterno, es. LAN).

Doppino di rame intrecciato: è il mezzo vincolato meno costoso ma più lento ed è utilizzato già dalle reti telefoniche. Costituito da due fili di rame distinti (1 mm ciascuno) disposti a spirale regolare; questi vengono intrecciati per ridurre l’interferenza generata da altri. Il doppino di rame intrecciato non schermato viene spesso utilizzato per le reti LAN (a grandi velocità entro un centinaio di metri).

Cavo coassiale: è costituito da due conduttori di rame che sono concentrici e paralleli e grazie a uno speciale isolamento e schermatura possono raggiungere altre frequenze di trasmissione. Utilizzati nei sistemi televisivi. Può essere utilizzato come mezzo condiviso vincolato, collegare sistemi periferici.

Fibra ottica: è un mezzo sottile e flessibile che conduce impulsi di luce, ciascuno dei quali rappresenta un bit. Può supportare enormi velocità, è immune all’interferenza elettromagnetica (impulsi di luce), presenta attenuazioni molto basse su ampi spazi ed è difficile da intercettare. Ma trasmettitori, ricevitori e commutatori hanno un alto costo.

Canali radio terrestri: trasportano segnali all’interno dello spettro elettromagnetico, non richiedono l’installazione di cavi e sono in grado di attraversare pareti, possono anche connettere gli utenti mobili e riescono a trasportare per lunghe distanze il segnale. Molto determinante per queste è l’ambiente (es. perdita segnale per ostacoli o riflessioni o interferenza). Si dividono in tecnologie per aree piccole, medie e vaste.

Canali radio satellitari: un satellite collega due o più trasmettitori a microonde terrestri (dette stazioni a terra). Il satellite riceve su una banda di frequenza, le rigenera e tramite ripetitore le trasmette su un’altra frequenza. Possono essere geostazionari o a bassa quota.

Quelli geostazionari sono a distanza dalla Terra in orbita sincronizzati con la rotazione della Terra, ma questa distanza crea ritardi. Invece quelli a bassa quota sono più vicini e ruotano esattamente come la Luna e possono comunicare tra loro e con le stazioni a terra, ma per coprire un’area è necessario mandarne più in orbita.

Il nucleo della rete

Per eseguire i propri compiti le applicazioni si scambiano messaggi (secondo protocollo), questi messaggi sono suddivisi in pacchetti, questi viaggiano attraverso collegamenti e commutatori di pacchetto (router o switch). Un pacchetto di L bit su un canale con velocità R  velocità di trasmissione = L/R secondi.

La maggior parte dei commutatori di pacchetto utilizza la trasmissione store-and-forward. Significa quindi che il commutatore deve ricevere l’intero pacchetto prima di poterlo ritrasmettere. d = N (L/R) con N collegamenti.

Ogni commutatore ha un buffer in output 2 Fabio Zuccaro Pag. (detto coda) per conservare i pacchetti che sta per inviare, se questa coda è occupata si verifica una perdita di pacchetto, cioè viene eliminato il pacchetto.

Per capire che percorso deve fare un pacchetto i router hanno tutti una tabella di inoltro che mette in relazione gli indirizzi di destinazione con i collegamenti in uscita. Per ogni pacchetto consulta la propria tabella e lo rimanda in uscita.

Della “formazione” di queste tabelle si parlerà nel capitolo 4, ma utilizzano dei protocolli di instradamento per impostare automaticamente le tabelle di inoltro.

Per spostare i dati nella rete di collegamenti e commutatori esistono due approcci fondamentali:

• Commutazione di circuito: le risorse per consentire la comunicazione sono riservate per l’intera durata della comunicazione.  Reti telefoniche e mantengono la connessione detta circuito.
• Commutazione di pacchetto: utilizzano le risorse quando necessario e quindi potrebbero dover attendere  potrebbero avere dei periodi di silenzio (dispendioso).

Un circuito all’interno di un collegamento è implementato tramite un multiplexing a divisione di frequenza (FDM) o a divisione di tempo (TDM). Il collegamento dedica una banda di frequenza a ciascuna connessione per la durata della connessione. La larghezza della banda viene detta ampiezza di banda. Per un TDM il tempo viene suddiviso in frame di durata fissa, a loro volta ripartiti in slot.

La commutazione di pacchetto non è adatta ai servizi in tempo reale a causa di ritardi (es. telefonia), ma è più efficiente e meno costosa da implementare.

Una rete di reti

Gli ISP devono essere interconnessi con gli stessi ISP; ciò avviene creando una rete di reti: capire questo concetto è la chiave per capire Internet. L’obiettivo è interconnettere gli ISP in modo che i sistemi periferici possano scambiarsi pacchetti.

La prima struttura interconnette tutti gli ISP di accesso (client) con un unico ISP globale (non tutti collegati con tutti  non sarebbe “comodo”) “immaginario” (provider). Se questo si facesse pagare creerebbe concorrenza e quindi la creazione di più ISP globali.

Quindi abbiamo sempre molti ISP di accesso collegati con più ISP globali di transito. Così gli ISP di accesso potrebbero scegliere quale ISP globale scegliere in funzione di costi e servizi che offre, quindi visto che ogni ISP di accesso deve poter “utilizzare” uno qualunque degli ISP globali (detti anche di primo livello), questi devono essere interconnessi tra loro (tutti gli ISP globali).

Questo in teoria perché non possono essere tutti collegati, non sono in tutte le città. Gli ISP di accesso, anche detti ISP regionali, sono anch’essi in competizione tra loro, ce ne possono essere anche di più grandi (che “contengono” gli altri) e di più piccoli.

Questa è una gerarchia a molti livelli, però a cui dobbiamo ancora aggiungere i PoP, il multi-homing, il peering e gli IXP. I PoP esistono in tutti i livelli tranne negli ISP di accesso, ed è un gruppo di router vicini tra loro nella rete del provider tramite i quali i clienti si possono connettere al fornitore.

Questi si connettono utilizzando un collegamento ad alta velocità di terzi (affittando) che si collega direttamente a un router del PoP. Tutti gli ISP tranne quelli di primo livello si possono connettere scegliendo le modalità multi-homing (o multi-home) che consiste nel connettersi a due o più ISP fornitori  questo può permettere a un ISP di continuare a ricevere/inviare pacchetti anche se uno dei suoi fornitori è guasto.

Per ridurre i costi due ISP dello stesso livello possono fare uso di peering, cioè che il loro traffico passi da una connessione diretta (anche ISP di primo livello fanno peering). Ultima struttura rete (Internet 2012): utilizzo DataCenter, che ospita dei server e sono tutti interconnessi tramite una rete privata. 3 Fabio Zuccaro Pag.

Ritardi nelle reti a commutazione di pacchetto

Le reti non sono in grado di spostare dei dati immediatamente e senza perdite, anzi hanno una limitazione, il throughput (quantità di dati al secondo che può essere trasferita tra due sistemi) e vengono introdotti ritardi e la possibilità di perdita di pacchetti.

Il pacchetto durante il suo viaggio (host  vari router  destinatario) ha dei ritardi, i principali sono: ritardo di elaborazione, di accodamento, di trasmissione e di propagazione  che formano il ritardo totale di nodo.

Il tempo richiesto per esaminare l’intestazione del pacchetto e determinare dove dirigerlo viene detto ritardo di elaborazione, controlla anche errori a livello di bit, una volta fatto il router dirige il pacchetto verso la coda che precede il collegamento a un altro router, qui subisce un ritardo di accodamento mentre attende la trasmissione sul collegamento (dipende dai pacchetti precedentemente arrivati), se la coda è vuota questo ritardo è nullo.

Data L la lunghezza del pacchetto in bit e R bps la velocità di trasmissione del circuito, il ritardo di trasmissione è L/R (tempo per trasmettere tutti i bit a destinazione). Una volta nel collegamento un bit deve propagarsi fino al prossimo router, il tempo impiegato è il ritardo di propagazione, è dato da d/v (d distanza tra router e v velocità di propagazione che dipende dal mezzo utilizzato).

Il ritardo di trasmissione dipende dalla lunghezza del pacchetto e dalla velocità di trasmissione, ma non gli interessa la distanza dei router, comprende il tempo che tutto il pacchetto “ci mette a passare in uscita”, mentre il ritardo di propagazione dipende dalla distanza dei router ma non c’entra con la velocità di trasmissione o la lunghezza del pacchetto (es. autostrada).

Prendiamo a come velocità media di arrivo dei pacchetti in coda: La/R è detta intensità di traffico, se > 1 la velocità media supera la velocità alla quale i bit vengono ritrasmessi, in questa situazione la coda crescerà senza limiti e il ritardo tenderà all’infinito; se ≤ 1, qua ci sono due possibilità, se i pacchetti arrivano in cadenza periodica e quindi troveranno sempre una coda vuota, se invece arrivano a raffiche potrebbero esserci dei ritardi significativi.

Dobbiamo però contare che la coda dei router non è infinita, anzi, quindi se un pacchetto arriva e trova la coda piena questo viene scartato, perché impossibile memorizzarlo, la perdita di pacchetti aumenta in proporzione all’intensità di traffico. ¿d +d +delab trasm ¿ Ritardo end-to-end ha un ritardo complessivo. d = N ¿tot

Traceroute invia 3 pacchetti memorizzando i tempi e le informazioni dei router (poi lo vedremo quando parleremo di algoritmi di inoltro  Capitolo 4 a lezione).

Un altro ritardo presente nelle applicazioni di telefonia su IP  VoIP, il mittente deve prima di tutto riempire un pacchetto con conversazione digitalizzata e codificata e poi inviarlo su Internet e viene detto ritardo di pacchettizzazione.

Il throughput istantaneo in ogni istante di tempo è la velocità in cui viene ricevuto il file, il throughput medio è F/T (F numero di bit file, T tempo che venga ricevuto file). Se abbiamo due R diversi per Server e Cliente la velocità di trasmissione sarà quella minore tra i due  collo di bottiglia con N router la velocità sarà F/min (R1, …, Rn) se fatti più download e abbiamo Rc, Rs, R  facciamo min (Rc, Rs, R/N (numero download)).

Architettura a livelli

Un’architettura a livelli consente di discutere una parte specifica del sistema (anche se articolato e complesso); ogni livello può essere modificato indipendentemente se non ne modifica i dati (servizi) in entrata e quelli in uscita, in grandi sistemi è un grande vantaggio.

La struttura di rete è formata su livelli o strati, e siamo su un modello di servizio, ogni livello fornisce il suo servizio dalle azioni effettuate al proprio interno e utilizzando i servizi del livello sottostante. Possibile problema è che un livello duplichi delle funzioni di un altro.

I protocolli dei vari livelli sono detti pila di protocolli 4 Fabio Zuccaro Pag. che consiste in cinque livelli: fisico, collegamento, rete, trasporto e applicazione (ne parleremo top-down da applicazione in giù).

Modello Internet

Il livello di applicazione è la sede delle applicazioni di rete e dei protocolli. Include molti protocolli quali HTTP (consente richiesta e trasferimento dei documenti web), SMTP (messaggi posta elettronica) e FTP (trasferimento file tra due sistemi remoti).

Determinate le funzioni di reti (nomi host in indirizzi di rete)  DNS. Distribuito su più sistemi periferici (un’app in un sistema periferico scambia pacchetti con informazioni con app in un sistema periferico), questi pacchetti (qui) vengono chiamati messaggi.

Il livello di trasporto trasferisce i messaggi del livello di applicazioni  TCP e UDP. TCP fornisce un servizio con connessione, con consegna garantita e il controllo di flusso, in più fraziona i messaggi lunghi in segmenti più brevi e ha un controllo congestione (regolata la velocità della sorgente). UDP servizio senza connessione, senza affidabilità né controlli. I segmenti sono i pacchetti a livello di trasporto.

Il livello di rete si occupa di trasferire i pacchetti a livello di rete, detti datagrammi, da un host a un altro. Il livello di trasporto si “appoggia” al livello sottostante (passa segmento e indirizzo destinazione)  protocollo IP, tutti gli apparati che presentano un livello di rete lo sanno leggere, contengono svariati protocolli di instradamento che determinano i percorsi dei datagrammi che devono seguire, spesso viene anche chiamato livello IP.

Il livello di collegamento ha come servizio il trasferimento di un pacchetto da un nodo all’altro (infatti livello di rete si “appoggia” a questo). Cioè il livello di rete passa il datagramma al livello sotto che lo trasporta al nodo successivo e lo ripassa al livello superiore di rete. Il problema di questo livello è che il pacchetto (frame in questo livello) passa attraverso diversi collegamenti e quindi potrebbe essere gestito da diversi protocolli.

Il ruolo del livello fisico è trasferire i singoli bit del frame da un nodo a quello successivo. I protocolli sono dipendenti dal collegamento e dipendono anche dal mezzo trasmissivo (doppino o fibra), Ethernet presenta diversi protocolli, uno per il doppino, uno per la fibra e via così, quindi bit trasferiti secondo differenti modalità.

Modello OSI

Venne creato quando i protocolli erano ai loro esordi, infatti non avevano in mente Internet quando lo crearono (modello vedi figura b.). I sette livelli sono: applicazione, presentazione, sessione, trasporto, rete, collegamento e fisico. I livelli omonimi sono più o meno uguali alle controparti.

Il ruolo del livello presentazione è fornire servizi, che consentono alle app che vogliono comunicare, di interpretare il significato dei dati scambiati (es. cifratura e compressione o la descrizione dei dati), visto che i formati potrebbero essere differenti da un compu