Reti, Internet

Le Reti e Internet

Fin dagli anni '60 si è sentita la necessità di far dialogare i primi computer per poter condividere delle risorse; così si è dato vita alle prime reti locali utilizzando modelli sviluppati in ambito militare.
Nel 1991 è nato il World Wide Web e nel 1993 il primo browser, Mosaic.

Le reti informatiche

Una rete è un insieme di sistemi per l’elaborazione (autonomi o interconnessi a seconda del fatto che possano funzionare anche se disconnessi dalla rete) messi in comunicazione tra loro. Lo scopo di una rete di telecomunicazioni è quello di permettere lo scambio di informazioni tra due utenti collocati in posizioni geograficamente distinte tramite la conversione dell'informazione in un segnale di natura elettromagnetica e nel successivo trasporto di questo segnale.
Dal punto di vista logico si distinguono:
• La funzionalità di accesso (interazione diretta tra utente finale e primo elemento della rete) che identifica la rete di accesso.
• La funzionalità di trasporto che identifica il core network (la rete di trasporto che instrada il segnale fino a renderlo disponibile per le funzionalità di accesso)
Dal punto di vista fisico una rete è data da:
• Nodi: sistemi per l’elaborazione di dati.
• Canali: mezzi trasmissivi che mettono in comunicazione più nodi (come dei cavi)
Servizi offerti dalle reti:
• Condivisione delle periferiche (una stampante per più computer)
• Posta elettronica e Chat
• Condivisione dei file (file sharing) sia con altri utenti, sia archiviandoli su un unico server.
• Applicazioni di rete (costituite da software che non si trova installato su di un computer ma su un elaboratore della rete (server), che può essere utilizzato appunto via rete (tramite browser)) – basta aggiornare il file di rete e non quello di ogni pc.
• Cloud (salvataggio di file in dischi remoti tramite Internet)
• Internet (la più grande rete di computer mondiale ad accesso pubblico che rappresenta uno dei principali mezzi di comunicazione di massa).

Classificazione delle Reti

Per estensione:
• Connessioni locali: le LAN (Local Area Network, utilizzano per la trasmissione le regole del protocollo Ethernet) sono limitate a un edificio e non attraversano suolo pubblico (l’estensione massima è di 1km). Possono essere anche wireless (WLAN, utilizzano le regole di trasmissione definite dal protocollo Wi-Fi).
• Connessioni geografiche: MAN (Metropolitan Area Network) che coprono un’area cittadina; WAN (Wide Area Network), coprono stati o continenti (come le reti telefoniche); GAN (Global Area Network), corrisponde ad Internet e presenta un’estensione mondiale.
Per modello:
• Reti Client/Server: alcuni computer (server) mettono a disposizione risorse e offrono servizi, mentre altri (client) li utilizzano. In alcune reti la distinzione tra client e server è netta (si parla di server dedicati), in altre lo è meno (un computer può mettere a disposizione delle risorse e contemporaneamente fare uso di risorse provenienti da un altro dispositivo).
• Reti Peer to Peer: tutti i computer sono sullo stesso livello e condividono risorse comuni; svolgono quindi il ruolo di client e di server (condivisione su internet o nelle piccole aziende)
Per tecnologia di trasmissione: *La tecnologia di trasmissione dipende strettamente dalla topologia di rete adottata.
• Punto a punto: collegamento tra due soli nodi fisicamente connessi (non ci sono collisioni di messaggi).
• Multipunto: collegamento (fisico o logico) tra più nodi (possibili collisioni di messaggi).
• Broadcast: si usa un unico canale trasmissivo condiviso da tutti i nodi. Ogni messaggio è ricevuto da tutti i nodi.
• Multicast: le comunicazioni sono rivolte solamente a una parte della rete.

Per topologia:
Due nodi possono essere connessi fisicamente (tramite un mezzo trasmissivo, come un cavo) o logicamente (percorsi di rete che includono dei nodi intermedi). Caratteristiche fondamentali di ogni topologia di rete sono la tolleranza ai guasti (fault-tolerance: capacità di un sistema di non subire interruzioni di servizio anche in presenza di guasti) e la presenza o meno di ridondanza (esistenza di più di una connessione fisica e/o logica tra nodi).

Le principali architetture sono le seguenti:

• Ad anello: nodi connessi tramite un cavo circolare. Ogni nodo è collegato ai nodi adiacenti: ciascun computer funge da ripetitore e ritrasmette il segnale potenziato al computer successivo. Metodo Token Passing: Il token (gettone/testimone) viene trasferito alla velocità della luce da un computer al successivo finché non raggiunge quello su cui sono disponibili dati da trasmettere. Il token viene modificato dal computer trasmittente che aggiunge al dato l’indirizzo del destinatario e quello del mittente e lo rinvia lungo l’anello. I dati passano attraverso ciascun computer finché raggiungono quello il cui indirizzo corrisponde a quello indicato sugli stessi. La rete ad anello può essere ridondante se dispone di un secondo anello per collegare i nodi (questo entra in funzione in caso di malfunzionamento e in questo caso si ha un buon livello di fault tolerance).

• A stella: i nodi sono collegati a un computer centrale, detto host, che spesso non è un vero e proprio computer, ma un semplice dispositivo capace di collegare assieme più dispositivi. Se l’host è passivo (HUB), la trasmissione è broadcast, cioè viene inviata a tutti i nodi; se invece è attivo (switch) quando un computer della rete invia un segnale, l'host lo instrada verso il nodo al quale è indirizzato. Le comunicazioni tra i nodi della rete, quindi, non sono dirette ma passano tutte attraverso il nodo centrale. In caso di mancato funzionamento del centro stella, saranno interrotte tutte le attività di rete (fault tolerance bassa). Tra i vantaggi dell’HUB ci sono l’espandibilità (basta collegare un altro HUB a quello iniziale) e il controllo centralizzato del traffico sulla rete.

• A bus: si connettono tutti i nodi a una sola linea. Il segnale emesso da un computer è broadcast: viene inviato lungo la linea di comunicazione ed esaminato da tutti gli altri nodi della rete, ma solo il nodo destinatario preleverà il messaggio. I dati trasmessi da un computer, se non vengono interrotti, rimbalzano da un capo all’altro del cavo impedendo ad altri computer di inviare segnali: a ciascun’estremità del cavo viene dunque applicato un terminatore che assorbe i dati liberi. Un solo computer alla volta può inviare dati: maggiore è il numero di computer connessi alla rete, più saranno i nodi in attesa di trasmettere dati (rallentano le prestazioni). Topologia di rete passiva: i computer analizzano i dati trasmessi sulla rete, ma non intervengono nel loro spostamento. Bassa fault tolerance.

• Ad albero/gerarchica: possiede solo i canali indispensabili, ma non ha fault tolerance.

• A maglia non completamente connessa: la sua fault tolerance dipende dal numero di canali ridondanti.

• A maglia completamente connessa: ogni nodo è connesso a tutti gli altri tramite collegamenti fisici. L’aggiunta di un nodo oltre agli n presenti comporta l’aggiunta di n nuovi canali. Ha la massima fault tolerance perché ha molta ridondanza.

Gli elementi fondamentali che compongono una rete sono: nodi, dispositivi di connessione e dorsali.

I nodi

Un nodo è un qualsiasi dispositivo hardware del sistema in grado di comunicare con gli altri dispositivi che fanno parte della rete (computer, stampante, modem, …) purché dotati di una scheda di rete dotata di un MAC Address (Media Access Control), anche detto indirizzo fisico/ethernet/LAN (codice univoco da 48 bit modificabile a livello software).
Esiste poi l’indirizzo IP (Internet Protocol), un indirizzo di rete corrispondente ad un’etichetta numerica che identifica in modo univoco un nodo all’interno di una rete. Ci sono due tipi di IP: l’IPv4, costituito da una quaterna di numeri e suddivisibile in due parti (ad esempio, 192.168.1.1 si suddivide come 192.168.1 – prefisso/indirizzo di rete/Net-ID – e .1 – indirizzo del dispositivo/HOST-ID).
Il suo utilizzo sta venendo però abbandonato poiché il numero di indirizzi distinti che si possono generare con questo metodo è ormai troppo basso (4x109 indirizzi): ad oggi si tende verso l’utilizzo esclusivo dell’IPv6 (maggiore spazio di indirizzamento, 8 gruppi da 4 cifre esadecimali; riserva 128 bit per gli indirizzi e gestisce circa 3,4 × 1038 indirizzi).
Gli indirizzi IP possono essere:
• Statici: tutti i nodi che espongono servizi, come ad esempio i server web, devono avere un indirizzo IP fisso, perché devono essere sempre raggiungibili (vengono associati a server appartenenti ad un dominio registrato: www.google.com, del dominio google.com, corrisponde a 173.194.40.17). Nelle reti locali ogni pc solitamente ha un IP statico.
• Dinamici: indirizzo provvisorio utilizzato da un utente per tutta la durata di una connessione, che viene tipicamente cambiata alla connessione successiva.
Esistono diverse classi di IP: /meglio farla dalle dispense
• Classe A: il codice inizia con 0, gli Host-ID costituiti da 3 byte (24 bit). Identifica circa 16 milioni di host (i 7 bit dedicati al Net-ID permettono di definire 128 reti).
• Classe B: il codice inizia con 10; Identifica circa 64.000 host, Host-ID da 2 byte (i 14 bit dedicati al Net-ID permettono di definire 16000 reti).
• Classe C: inizia con 110; Identifica circa 256 host, 1 byte (21 bit dedicati al Net-ID).
• Classe D: inizia con 1110, dedicato al multicasting.
• Classe E: inizia con 11111; per utilizzi futuri.
Es: 30.14.67.90 è di classe A perché il primo numero (30) se convertito in binario dà 0 come prima cifra a sinistra.

Il nome testuale di un server è organizzato in domini. Ad esempio, nell’indirizzo: www.google.com il dominio di primo livello è dato dal token più a destra, in questo caso “com”; il dominio di secondo livello è la parte che precede il dominio di primo livello, nel nostro esempio, “google”; il dominio di terzo livello corrisponde a “www”, ma in una rete locale potrebbe corrispondere all’hostname.

La commutazione di pacchetto

Come nel sistema postale, i dati non vengono spediti direttamente da un punto all'altro, ma sono inviati a una serie di computer denominati router (instradatori). Ogni router guarda l'indirizzo IP di destinazione dei dati che riceve e li ritrasmette al router a esso collegato che si trova più vicino alla loro destinazione, il quale a sua volta si occuperà di farli pervenire all'elaboratore avente l'indirizzo indicato. La tecnica utilizzata si chiama commutazione di pacchetto.
La tecnica di trasmissione adottata per Internet consiste nel suddividere i dati in uscita in piccole porzioni dette pacchetti, che sono trasmessi dai router (insieme a pacchetti di altri utenti) e riassemblate una volta giunte a destinazione: se l'indirizzo è corretto e i pacchetti sono numerati, ogni ricevente potrà facilmente ricostruire il messaggio, anche se i pacchetti dovessero arrivare in diversi momenti e senza rispettare l'ordine sequenziale. Tale meccanismo, pur subendo possibili ritardi o errori nella trasmissione dei dati, è da ritenersi migliore rispetto a quello della commutazione di circuito (come quella del vecchio sistema telefonico, che doveva essere supportato manualmente andando a creare collegamenti fisici tra due utenti e mantenendo così occupata la linea per tutta la durata della telefonata seguendo le fasi di: attivazione del circuito, utilizzo del canale trasmissivo e svincolo).

I protocolli di rete

È essenziale, al fine di poter utilizzare tale tipo di trasferimento, che tutti i nodi della rete (le entità che effettuano una “conversazione” si definiscono peer entity) seguano una serie di regole comuni, i protocolli:
• TCP/IP: Transmission Control Protocol/Internet Protocol; applicazione pratica del modello ISO-OSI (standard teorico per la realizzazione di interconnessioni tra reti nel quale si assiste alla scomposizione in 7 livelli della comunicazione: collegamento fisico – caratteristiche hardware; collegamento dati/data link – collegamento tra pc nella stessa rete, ad esempio tramite switch; controllo di rete – router che instradano i pacchetti verso la destinazione basandosi sulla mappa di rete detta tabella di routing; trasporto e gestione dei pacchetti per correggere eventuali duplicazioni o errori; sessione – collegamento diretto tra i due interlocutori, ad esempio in modalità full duplex; presentazione – decodificazione delle informazioni per renderle visualizzabili a livello di output; applicazione – pur essendoci comandi specifici per ogni dispositivo si utilizza uno standard unico in modo tale che stesse azioni portino a stessi risultati, come lo stesso comando per spostare il cursore a inizio riga). Livelli TCP/IP: applicazione (comprende i protocolli di dialogo con l’utente, come FTP, DNS – Domain Name System, traduce un nome di dominio in indirizzo IP), NFS (Network File System, permette di accedere a file di un dispositivo remoto); trasporto/TCP (connessione logica tra sorgente e destinazione segmentando il messaggio in pacchetti a cui sono assegnati dei numeri univoci); Internet/IP (seleziona il miglior percorso attraverso la rete, tramite il quale recapitare il messaggio. A ogni scheda di rete si assegna un indirizzo logico IP a differenza del MAC fisico dell’ISO-OSI; i pacchetti vengono instradati); rete (invia effettivamente i dati tra un nodo e l’altro).
• HTTP: Acronimo di HyperText Transfer Protocol. Consente l'accesso, tramite browser, a documenti ipertestuali in cui vengono realizzati dei link tra file di vario genere (testi, file multimediali e altro) fisicamente residenti anche su host differenti (è gestito dal server HTTP residente sugli host che forniscono le informazioni). Le risorse in rete vengono identificate tramite un URL (Universal Resource Locator); in generale si scrive: protocollo://host.dominio:porta/documento.
• HTTPS: Acronimo di Hypertext Transfer Protocol over Secure Socket Layer, nato come protocollo di crittografia per l’HTTP per trasferire i dati in modo sicuro (es: il mittente ha una chiave di scrittura e solo il destinatario ha una chiave di lettura)
• FTP: Acronimo di File Transfer Protocol, serve per trasferire i file in una rete TCP/IP (più precisamente tra terminali remoti sul modello Client/Server)
• SSH: Secure Shell, serve per accedere ad un computer remoto come un utente di quel sistema (come team viewer)

I dispositivi di connessione

Collegano tra loro i nodi e permettono l’instradazione dei messaggi.
• HUB: accentratore in cui i segnali di una rete vengono messi assieme (ci saranno tante più collisioni/rallentamenti quanti più saranno i nodi collegati; si usa nelle reti locali)
• SWITCH: all’interno di uno switch viene costruita una mappa dei diversi dispositivi collegati (tabella di routing) e dei loro MAC Address, dopodiché i pacchetti ethernet in arrivo da una macchina vengono rinviati solo al nodo con il MAC address di destinazione (si usa nelle reti locali)
• ROUTER: Dispositivo che mette in comunicazione più rami di una rete. Un pacchetto spedito da un host contiene l’indirizzo IP dell’host di destinazione, per i pacchetti si può quindi attivare un percorso lungo la rete, detto instradamento (routing). L’instradamento è deciso dai differenti nodi attraverso i quali il pacchetto transita prima di arrivare all’host di destinazione: ogni nodo, in modo indipendente, decide a quale nodo successivo spedire il pacchetto.
• Gateway: è un router che permette lo scambio di dati tra reti che usano protocolli diversi.
• Modem: dispositivo che fa da interfaccia tra un sistema digitale (il PC) e una linea trasmissiva analogica, ad esempio il doppino telefonico; tramite il modem sequenze di bit vengono ricodificate come segnali elettrici. Viene operata quindi una conversione da analogico a digitale (demodulazione numerica) in entrata al PC, che è per l'appunto un sistema digitale e da digitale ad analogico (modulazione numerica) in uscita dal PC lungo il doppino telefonico e da lì verso altre destinazioni della rete.

Le dorsali

Una dorsale è un cavo ad alta capacità al quale possono essere connessi più nodi o concentratori e che ha la funzione di trasportare grandi quantità di dati (interconnessione di reti). La velocità di trasmissione delle informazioni si misura in bps (bit per secondo).
L’effettiva quantità di bit trasmessa da un mezzo trasmissivo in un secondo si chiama throughput.
Per garantire un alto grado di affidabilità, una rete può essere RIDONDANTE.
La ridondanza può essere:
• Software: relativa alla garanzia del servizio (vengono duplicate le installazioni dei database e delle applicazioni).
• Hardware: vengono duplicate le linee disponibili ed i dispositivi.
I mezzi trasmissivi più utilizzati sono:
• Cavi UTP: doppini telefonici (doppio filo intrecciato) in rame e cavi ethernet.
• Onde radio (Wi-Fi): connessioni senza fili (c’è bisogno di un access point che sia collegato fisicamente alla rete e che comunichi con gli altri dispositivi mediante, appunto, onde radio).
• Microonde (come le reti cellulari o satellitari).
• Fibre Ottiche: materiale vetroso trasparente circondato da un mantello nel quale sono convogliati raggi luminosi sulla frequenza dell’infrarosso (La velocità di trasmissionearriva a circa 40Gbit/s poiché viaggiando a frequenze molto diverse da quelle dei disturbi del mondo esterno non subiscono alterazioni).
• Cavi coassiali: cavi per antenne televisive (cavo di rame spesso schermato da un isolante in PVC o teflon)
Modalità di trasmissione dati:
• Full Duplex: trasmissione bidirezionale simultanea, tipica delle comunicazioni telefoniche.
• Half-Duplex: trasmissione bidirezionale non simultanea o alternata, tipica delle comunicazioni tramite walkie talkie.
• Simplex: è un tipo di comunicazione monodirezionale, utilizzato ad esempio per i segnali televisivi e in generale nelle reti broadcasting, dove i ricevitori non hanno bisogno di inviare alcun dato al trasmettitore.