Teoria delle reti - Reti di computer

Introduzione

Secondo la definizione data da Wendell Odom una rete informatica è una combinazione di hardware, software e cablaggio (qualsiasi mezzo di trasmissione del segnale), che assieme permettono di mettere in comunicazione vari dispositivi.

Cos'è una rete

In genere, una rete informatica è formata da almeno due dispositivi (host), ciascuno con una scheda di rete installata (NIC – Network Interface card), che può essere integrata nel dispositivo o esterna (USB o su slot di espansione PCI o ISA (obsoleto)). La scheda di rete può essere cablata o wireless.
Tutto ciò non è sufficiente, serve anche un software che gestisce il collegamento, normalmente integrato nel sistema operativo.

All'interno di una rete è solitamente presente anche un punto di aggregazione (switch o router), che fungono da nodi intermedi della rete, utili con reti medio-grandi.

Tipologie di cablaggio

la comunicazione può essere avvenire mediante:

• Onde radio (Wireless)
• Cavi fisici (Wired)

I cavi possono essere:

• Coassiale: un conduttore centrale e un conduttore esterno (calza) collegato a massa, tipologia di cablaggio usata per i segnali d’antenna.
• Doppino: diverse coppie di cavi in rame, adatto per coprire distanze inferiori a 100m
• Fibra ottica: trasmette segnali luminosi alla velocità della luce, ottimo per distanze fino a 100Km

Nei casi del cavo coassiale e del doppino il segnale è generato da un’oscillazione della tensione, che viene codificata in 0 e 1, quindi un segnale elettrico. Nel caso della fibra ottica il segnale è un segnale luminoso.

Dispositivi di Rete

Lo Switch mette in comunicazione tutti i dispositivi della rete locale garantendo la medesima banda di trasmissione, ma non può interfacciarsi con reti esterne. Il router si occupa di smistare i pacchetti provenienti da e verso l’esterno della rete locale.

Classificazione delle reti

Le reti di classificano in base all'estensione geografica, topologica e in base alla commutazione.
In base all'estensione geografica, abbiamo:

• BAN (Body Area Network)
• PAN (Personal Area Network), la rete di una postazione di lavoro di un ufficio con un computer, una stampante e il cellulare per esempio
• LAN (Local Area Network), Rete che copre al più un edificio
• MAN (Metropolitan Area Network), Rete che copre al più una città (max 10km)
• WAN (Wide Area Network), rete estesa ad una nazione
  
• GAN (Global Area Network), l’Internet per esempio.

Classificazione topologica

Le reti si classificano anche in base al tipo di collegamento tra i singoli dispositivi.
Inoltre esistono anche delle reti ibride, che combinano diverse tipologie di rete.
Questi metodi vengono scelti in base alle esigenze dei singoli utenti, considerando i parametri come la Fault tollerance (tolleranza ai guasti), la possibilità di espandere la rete e costo della rete.
in base alla topologia della rete distinguiamo:

• Bus: un singolo cavo principale collega tutti i dispositivi. I dati viaggiano in entrambe le direzioni fino a raggiungere il dispositivo di destinazione.
  Fault tolerance: bassa – un guasto al cavo principale compromette l'intera rete.
  Espandibilità: limitata – l'aggiunta di nuovi dispositivi richiede l'interruzione del cavo e può degradare le prestazioni.
• Stella: tutti i dispositivi sono collegati a un nodo centrale (hub o switch). I dati passano sempre attraverso questo nodo.
  Fault tolerance: media – il guasto di un dispositivo non compromette la rete, ma un guasto al nodo centrale interrompe la comunicazione.
  Espandibilità: buona – è facile aggiungere nuovi dispositivi collegandoli al nodo centrale.
• Ad anello: i dispositivi sono collegati in una struttura circolare. I dati viaggiano in una direzione (unidirezionale) o in entrambe (bidirezionale).
  Fault tolerance: bassa/media – un singolo guasto può interrompere la comunicazione, ma negli anelli bidirezionali il rischio è minore.
  Espandibilità: limitata – l'aggiunta di dispositivi può essere complessa e interrompere temporaneamente la rete.
• Maglia: ogni dispositivo è collegato direttamente a uno o più altri dispositivi, creando percorsi multipli per i dati.
  Fault tolerance: alta – i percorsi multipli garantiscono la comunicazione anche in caso di guasti multipli.
  Espandibilità: complessa – altamente scalabile, ma aumenta costi e complessità.
• Albero: struttura gerarchica con nodi disposti come in un diagramma ad albero. I dati si muovono tra i livelli attraverso nodi intermedi.
  Fault tolerance: media – un guasto in un nodo principale può isolare interi rami della rete.
  Espandibilità: buona – possibile aggiungere nodi nei rami esistenti o crearne di nuovi, con alcuni limiti strutturali.
• Ibrida: combina due o più topologie di rete per sfruttare i vantaggi di ciascuna.
  Fault tolerance: alta – la tolleranza dipende dalle topologie combinate.
  Espandibilità: ottima – l'espandibilità è personalizzabile in base alle topologie scelte.

Classificazione in base alla commutazione

Commutare qualcosa significa passare da una configurazione ad un'altra. Le reti a commutazione di circuito di tipo analogico, digitale o GSM (le prime reti cellulari) creano un circuito su un canale specifico per ogni singolo utente. Quando l’utente A vuole chiamare un utente B, si apre un canale dedicato a variazione di frequenza. Quando la chiamata termina, la connessione viene abbattuta e il canale liberato.

Reti a commutazione di circuito

Una rete a commutazione di circuito funziona creando proprio un canale fisico tra l’utente A e l’utente B. Questa comunicazione sfrutta una banda a 4 KHz.
Un problema di questa tecnologia è la presenza di un ritardo costante (latenza) nella comunicazione, che varia in base alla distanza tra il trasmittente e il ricevente.

Reti a commutazione di pacchetto

Nelle reti a commutazione di pacchetto, i dati che devono essere trasmessi vengono codificati in una rappresentazione ottale, binaria o esadecimale e poi suddivisi in pacchetti più piccoli. Questo processo migliora l'efficienza della trasmissione e ottimizza l'uso delle risorse di rete.
Ad esempio, se Luca Rossi deve inviare un file immagine a sua figlia Marta Rossi, il file verrà:

• codificato in un formato adatto alla trasmissione (es. binario o esadecimale)
• suddiviso in più pacchetti per ottimizzare la trasmissione

I pacchetti devono giungere a destinazione nell'ordine corretto affinché il file possa essere ricostruito senza errori. I protocolli di rete, come il TCP (Transmission Control Protocol), si occupano di garantire la corretta sequenza e di richiedere la ritrasmissione di eventuali pacchetti mancanti o danneggiati.

In uno scenario simile, se anche la signora Marta Verdi deve inviare un file a Marta Rossi, i pacchetti del suo file potrebbero condividere alcune vie di comunicazione già in uso dai pacchetti di Luca Rossi. Questo approccio consente di ottimizzare la trasmissione dei dati, migliorare l'efficienza della rete e ridurre il consumo di banda.

La condivisione dinamica delle risorse è uno dei vantaggi principali delle reti a commutazione di pacchetto rispetto ad altri metodi di trasmissione dati.