Fondamenti di Internet

Appunti per il corso di: Fondamenti di Internet

Premessa

Salve, mi chiamo Giancarlo e come si può immaginare sono uno studente di ingegneria che si diletta nello scrivere appunti relativi ai corsi tenuti dai professori di ingegneria presso l’università Roma Tre. Questa non è la prima volta che scrivo un elaborato ma tengo sempre a precisare che io sono uno studente e non un professore. Perciò le mie dispense, se così le vogliamo chiamare, sono da prendere con il beneficio del dubbio, ovvero la probabilità che all’interno di queste ci siano errori non è sicuramente nulla.

Inoltre esse non rappresentano (e mai lo faranno) un libro di testo sul quale ci si può basare il proprio studio per superare l’esame della materia corrispondente, ma al contrario devono servire esclusivamente per avere un’idea generale degli argomenti trattati a lezione. Ricordatevi che un libro è sempre un libro, non solo perché è scritto da persone competenti, ma anche perché è scritto in maniera più fluida soffermandosi anche su aspetti e esempi per rendere più chiaro possibile l’argomento trattato, cosa che nelle mie dispense non capita spesso perché scrivo solo ciò che il professore spiega a lezione, cercando di collegare tutto quello che è possibile ma con il risultato sempre approssimato perché la mia preparazione è ancora da affinare.

Proprio per questo motivo invito i lettori delle mie dispense ad integrare con un libro di testo o con altro materiale ritenuto adatto questi miei appunti. Grazie, Giancarlo.

Indice

• Capitolo 1: Le reti di telecomunicazioni
  • 1.1 Introduzione alle reti di telecomunicazioni pag. 4
  • 1.2 Architettura di una rete di telecomunicazione pag. 4
  • 1.3 I tempi di ritardo di una rete pag. 7
  • 1.4 Aspetti fondamentali di una rete pag. 8
  • 1.5 Tassonomia pag. 9
  • 1.6 Organismi mondiali pag. 9
• Capitolo 2: Modi di trasferimento
  • 2.1 Introduzione pag. 10
  • 2.2 Tecniche di multiplazione pag. 11
    • 2.2.1 Multiplazione TDM Sincrona pag. 13
    • 2.2.2 Multiplazione TDM Asincrona pag. 13
  • 2.3 Commutazione pag. 13
  • 2.4 Affidabilità di una comunicazione pag. 16
  • 2.5 Architetture protocollari pag. 16
    • 2.5.1 Modello a strati pag. 17
    • 2.5.2 Tipologia di strati pag. 19
  • 2.6 Il modello ISO-OSI pag. 19
  • 2.7 Il modello TCP/IP pag. 21
• Capitolo 3: Reti WAN
  • 3.1 Introduzione pag. 22
  • 3.2 Strato di collegamento dati pag. 22
  • 3.3 Il protocollo HDLC pag. 22
  • 3.4 Procedure per il controllo degli errori pag. 26
    • 3.4.1 Il protocollo Stop And Wait pag. 26
    • 3.4.2 Il protocollo Continuos ARQ pag. 29
      • 3.4.2.1 Protocollo Go BACK N pag. 29
      • 3.4.2.2 Protocollo Selective Repeat pag. 29
  • 3.5 Controlli di flusso a finestra pag. 30
  • 3.6 Strato di rete pag. 30
    • 3.6.1 Cenni sugli algoritmi d’instradamento pag. 31
    • 3.6.2 Controllo della congestione e dei flussi pag. 32
  • 3.7 Il protocollo X.25 pag. 33
• Capitolo 4: I protocolli ad accesso casuale
  • 4.1 Introduzione pag. 34
  • 4.2 Accesso multiplo con allocazione dinamica pag. 34
  • 4.3 Il protocollo MAC pag. 35
  • 4.4 Il protocollo ALOHA puro pag. 35
  • 4.5 Il protocollo ALOHA Slotted pag. 37
  • 4.6 Il protocollo ALOHA Satellitare pag. 39
  • 4.7 Il protocollo CSMA pag. 39
  • 4.8 Il protocollo CSMA/CD pag. 40
• Capitolo 5: Lo standard 802.11
  • 5.1 Introduzione pag. 41
  • 5.2 Lo standard 802 pag. 41
    • 5.2.1 Il livello LLC pag. 41
    • 5.2.2 Il livello MAC pag. 42
    • 5.2.3 Il livello fisico pag. 42
  • 5.3 Lo standard 802.11 pag. 43
  • 5.4 Dispositivi e topologie pag. 43
  • 5.5 Mobilità degli utenti pag. 44
  • 5.6 Gli strati protocollari di una 802.11 pag. 44
    • 5.6.1 Lo strato fisico pag. 44
      • 5.6.1.1 Trasmissione IR pag. 45
      • 5.6.1.2 Trasmissione radio pag. 45
    • 5.6.2 Lo strato MAC pag. 46
  • 5.7 Inter Frame Space (IFS) pag. 48
  • 5.8 Il formato delle MACPDU pag. 48
    • 5.8.1 Tipi di trama di gestione pag. 49
  • 5.9 Funzionalità del sottolivello MAC pag. 50
• Capitolo 6: Lo standard 802.16 (WiMax)
  • 6.1 Introduzione pag. 51
  • 6.2 Vantaggi tecnici pag. 51
  • 6.3 La versione “mobile” 802.16e pag. 52
  • 6.4 Aspettative pag. 52
  • 6.5 Disponibilità di prodotti pag. 53
  • 6.6 La situazione in Italia pag. 54
  • 6.7 Possibili problemi pag. 54
  • 6.8 Tecnologie simili e complementari pag. 55
  • 6.9 Possibili successori pag. 55
• Capitolo 7: Mobile IP
  • 7.1 Introduzione pag. 56
  • 7.2 Terminologia pag. 56
  • 7.3 Il Mobile IP pag. 56
  • 7.4 La fase della registrazione pag. 58
  • 7.5 Acquisizione del care of address pag. 59
  • 7.6 Il Tunneling pag. 59
    • 7.6.1 Il Reverse Tunneling pag. 60
  • 7.7 Sicurezza nelle autenticazioni pag. 61
  • 7.8 Mobile IPv6 pag. 61
• Capitolo 8: La segnalazione e la commutazione
  • 8.1 La segnalazione pag. 62
  • 8.2 Segnalazione a canale associato pag. 62
  • 8.3 Segnalazione a canale comune pag. 62
  • 8.4 La commutazione pag. 63
  • 8.5 Tecnica a circuito pag. 64
  • 8.6 Tecnica a pacchetto pag. 64
  • 8.7 Ritardi nella tecnica a pacchetto pag. 65
• Capitolo 9: Multiplazione a divisione di tempo
  • 9.1 La TDM pag. 66
  • 9.2 Il teorema del campionamento pag. 67
  • 9.3 La multiplazione PAM pag. 68
  • 9.4 La multiplazione PCM pag. 68
  • 9.5 La multiplazione numerica pag. 68
    • 9.5.1 Cenni sulla multiplazione sincrona SDH pag. 69
    • 9.5.2 Cenni sulla multiplazione asincrona PDH pag. 69
• Capitolo 10: Cenni sulla teoria delle code
  • 10.1 Introduzione pag. 70
  • 10.2 Lo stallo pag. 70
  • 10.3 La coda pag. 71
  • 10.4 Legame tra throughput e input rate pag. 74

Capitolo 1: Le reti di telecomunicazioni

1.1 Introduzione alle reti di telecomunicazioni

Le reti di telecomunicazioni sono procedure o complessi di regole che consentono di gestire i protocolli di rete per il trasferimento dei dati in modo corretto. Quelli esistenti sono di diverso livello, di conseguenza, secondo il tipo di collegamento che s’intende effettuare, si utilizzano uno o più protocolli di natura differente.

Si supponga di avere due utenti (che per semplicità saranno chiamati A e B) che hanno necessità di scambiare informazioni nella direzione da A a B (l’utente A trasferisce a B). L’utente A invia un segnale all’utente B tramite un canale di comunicazione qualsiasi; il rumore quale introduce una modifica nel segnale ricevuto dall’utente B diverso da quello inviato da A. Come detto, l’utente destinatario non vede più il segnale originario trasmesso all’inizio, ma vede un segnale che in qualche modo è molto simile a quello di partenza. La similitudine dei due segnali dipende da quanto rumore è stato aggiunto al segnale iniziale e, tanto più questo è basso, quanto più si potrà affermare che l’utente B ha ricevuto il segnale contenente l’informazione giusta.

Tra l’utente A e l’utente B si è dunque instaurata una comunicazione che ha permesso il trasferimento delle informazioni secondo delle convenzioni prestabilite. Una telecomunicazione è una qualsiasi comunicazione di segnali che rappresentano segni, scritture, immagini, suoni o informazioni di qualsiasi tipo attraverso un mezzo di telecomunicazione come l’etere o un semplice cavo (coassiale, doppino, ecc.). In particolare si presterà attenzione alle reti di telecomunicazioni come ad esempio le reti LAN, Wi-Fi, Internet, le quali offrono a chi le usa dei servizi notevoli come teleconferenze, diffusioni audio-video, scambi peer to peer e tanto altro.

I principali attori di una rete di telecomunicazione sono tre, in particolare:

• Cliente: chi usufruisce dei servizi messi a disposizione dalla rete.
• Provider: chi fornisce i servizi offerti dalla rete.
• Gestore di rete: chi gestisce la rete.

1.2 Architettura di una rete di telecomunicazione

Intuitivamente, per fare comunicare due utenti generici, basterebbe che essi fossero collegati attraverso un mezzo di comunicazione e che i due avessero a disposizione un dispositivo in grado di trasformare la loro informazione in un segnale. La figura 1 mostra due utenti che si scambiano l’informazione “CIAO” tramite l’ausilio di due computer collegati attraverso un normale doppino telefonico.

È evidente che quest’esempio è giusto perché i due utenti riescono a scambiare tra loro le informazioni necessarie ma, nello stesso tempo, ci mostra anche che una rete di telecomunicazione non è proprio fatta in questo modo perché ci sono molti punti che non quadrano, come ad esempio se si pensa alla rete Internet ci si accorge che:

• Non è per niente vero che esistono solo due utenti collegati tra loro, ma ce ne sono milioni che usufruiscono dei servizi che la rete offre;
• Ogni utente collegato deve poter comunicare con tutti gli altri;
• Le informazioni che un utente A invia ad un utente B devono arrivare solo ed esclusivamente a B e a nessun altro.

Una rete di telecomunicazione è definita come un insieme di nodi collegati tra loro tramite dei rami.

Nel dare la definizione di rete si sono introdotti due nuovi termini rappresentanti i due componenti fondamentali che danno luogo ad una vera e propria rete di telecomunicazione. Il primo di questi è il nodo che si divide in due specie:

• Nodo esterno (alla rete): apparecchio con il quale il cliente che usufruisce della rete invia e riceve i segnali;
• Nodi interni: sono particolari componenti, interni alla rete di telecomunicazione, che vengono attraversati dai segnali inviati dagli utenti. Il loro compito sarà spiegato più in dettaglio più in avanti, per il momento ci basterà sapere che essi sono inseriti per elaborare-processare in qualche modo i segnali che ricevono.

I rami, invece, sono dei link (collegamenti) che vengono effettuati tra due nodi: tali link possono essere effettuati attraverso cavi coassiali, doppini telefonici, via etere, in fibra ottica… attraverso un mezzo di telecomunicazione qualsiasi.

Il modo migliore per rappresentare una rete di telecomunicazione è quello di usare la teoria dei grafi, nella quale si rappresentano i nodi con dei vertici ed i rami con degli archi. Un esempio di rete di telecomunicazione è rappresentato in figura 2.

Come è possibile intuire, una rete di telecomunicazione può essere progettata in svariati modi a seconda del tipo di progetto che si deve realizzare. Ad esempio si supponga di avere 3 utenti che per semplicità chiameremo A, B, C; l’utente A comunica molto spesso con l’utente B ma quasi mai con C; l’utente B fa lo stesso, comunica con l’utente A ma quasi mai con C, allora, una possibile rete di telecomunicazione adatta alla situazione proposta può essere la seguente:

Ognuno dei tre utenti ha la possibilità di comunicare con l’altro, ma visto che A parla molto spesso con B e a sua volta B è felice di conversare spesso con A, viene dedicato un percorso ridondante tra i due utenti in modo tale che, se si dovesse interrompere un collegamento ne esiste sempre un altro che permette di non fare isolare i due utenti. La ridondanza inserita nella rete permette dunque di far comunicare due utenti anche se un percorso non dovesse funzionare.

Esiste però l’inconveniente di avere una rete più pesante, cioè si presenta il problema di avere un numero maggiore di rami all’interno della rete stessa. D’altro canto se si avesse una struttura ad albero come quella in figura 4, la rete sarebbe sicuramente più leggera perché composta da soli due rami, ma la rottura di uno di essi porterebbe all’isolamento di un utente, per la precisione se si rompesse il ramo 1 rimarrebbe isolato B, mentre se si rompesse il ramo 2 rimarrebbe isolato l’utente C.

In generale se risulta che il traffico tra due utenti generici X ed Y sia elevato, allora si ricorre all’uso di più ridondanze tra i due, viceversa se tale traffico è limitato si elimina ogni ridondanza in modo tale da alleggerire il più possibile la rete da rami inusati.

Una rete è dunque composta da un certo numero di nodi (interni ed esterni) ed un certo numero di rami disposti entrambi in modo appropriato e in essa si può distinguere una sezione interna e una sezione di accesso. La prima riguarda la parte di rete costituita dai soli nodi interni e rami, mentre la seconda permette l’accesso alla sezione interna mediante l’utilizzo di tecnologie differenti (Wi-Fi, rame, fibre ottiche).

In una rete di telecomunicazione è possibile inviare 3 tipologie di informazioni:

• Informazione d’utente: contiene le informazioni che l’utente ha spedito;
• Informazione di segnalazione e di controllo: contiene informazioni relative a rilevazione di errori e di controllo;
• Informazione di gestione della rete: contiene informazioni relative allo stato della rete.

1.3 I tempi di ritardo di una rete

Nel paragrafo precedente si è visto che una rete di telecomunicazione è formata da un numero m di nodi ed un numero n di rami posti in una certa maniera. Si supponga che la rete di cui si parla sia fatta come quella disegnata in figura 5. L’utente A può comunicare con B attraverso 2 percorsi uno alternativo all’altro, indicati con i numeri 1, 2. Quello che verrà fatto in questo paragrafo sarà valutare in termini di tempo cosa comporta la scelta di un percorso invece di un altro.

Scegliendo il percorso 1, il segnale che l’utente A invia all’utente B subisce un certo ritardo dovuto al fatto che lo stesso segnale impiega del tempo t₁ per attraversare il mezzo comunicativo.

Scegliendo il percorso 2, il segnale che l’utente A invia all’utente B subisce un certo ritardo maggiore del tempo di ritardo del percorso 1 perché il cammino che il segnale deve svolgere è più lungo di quello offerto dal percorso 1.

A prescindere dal percorso che il segnale è costretto a percorrere esiste sempre un tempo di ritardo dovuto alla propagazione del segnale all’interno del mezzo trasmissivo; questo tempo è tanto più grande quanto più è lungo il percorso e non è eliminabile in alcun modo. In una rete di telecomunicazione è assai improbabile che due nodi esterni siano collegati tra di loro in modo diretto da un mezzo trasmissivo ma, sicuramente, esiste una rete più o meno complessa formata da un certo numero di nodi interni ed un certo numero di rami.

Un esempio di rete può essere quello proposto in figura 6 dove i nodi interni, come detto in precedenza, hanno il compito di elaborare i segnali degli utenti, ma nel fare questo hanno bisogno di un certo tempo che comporta l’arrivo ritardato del segnale verso il destinatario B. È chiaro che, più è maggiore il numero di nodi presenti all’interno del percorso più il tempo di ritardo dovuto all’elaborazione dei segnali da parte dei nodi è alto.

Oltre ai ritardi di elaborazione e di propagazione ne esiste un altro chiamato ritardo di coda che si manifesta quando un nodo è impegnato ad elaborare un segnale e nello stesso istante gliene arriva un altro. Ovviamente non è possibile elaborare contemporaneamente due segnali, così l’ultimo che è arrivato viene inserito in coda e poi elaborato quando il nodo è libero. Praticamente la coda non è altro che una memoria nella quale vengono memorizzati i nuovi dati in arrivo e, se per qualche motivo è intasata o piena, tutti i dati che arrivano successivamente vengono persi perché non è possibile salvarli. Ultimo tipo di ritardo di trasmissione, ovvero quel tempo necessario affinché tutta l’informazione venga spedita al destinatario.

Ricapitolando tutti i tempi di ritardo fino ad ora visti:

• Ritardo per propagazione;
• Ritardo di elaborazione;
• Ritardo di coda;
• Ritardo di trasmissione.

Detti:

• L = lunghezza dell’informazione (in bit) (o unità informativa o u.i.);
• R = il bit-rate, ovvero la velocità con la quale l’u.i. viaggia nel mezzo (bit al secondo);
• L_m = la lunghezza complessiva del mezzo (in metri);
• C_m = la velocità nel mezzo (in metri al secondo).

È possibile quantificare i tempi di ritardo dovuti alla propagazione e alla trasmissione rispettivamente come segue:

T_prop = L_m / C_m

T_trans = L / R