Appunti di Reti

Reti

Introduzione

Le telecomunicazioni senza standard non hanno alcun senso di esistere: infatti, se non ci si mette d'accordo prima di avviare qualsiasi tipo di comunicazione sui protocolli da seguire per intraprenderla, sarà del tutto impossibile riuscire a comprendersi. I principali standard per quanto riguarda il mondo delle reti informatiche sono definiti da:

• ITU (International Telecomunication Union) => Ente di standardizzazione legalmente riconosciuto (ONU) che regola il funzionamento delle reti di telecomunicazione. Gli standard ITU si chiamano “recommendation”.
• IETF (Internet Engineering Task Force) => Ente di standardizzazione di fatto (non legalmente riconosciuto) che definisce i protocolli regolanti il funzionamento di internet. Gli standard IETF sono chiamati RFC, “Request for comment”. Il motivo di tale nominativo è collegato a ragioni storiche. Quando il lontano antenato dell’odierno Internet, ARPANET, era in via di sviluppo, diversi accademici americani stavano lavorando alla sua creazione. Nelle fasi iniziali del progetto si inviavano tra loro delle proposte relative agli standard da utilizzare nelle comunicazioni, chiedendo agli altri di commentarle per sapere se potessero andare bene o meno. Ancora oggi gli ingegneri o gli esperti informatici possono pubblicare dei memorandum, sotto forma di RFC, per esporre nuove idee o semplicemente delle informazioni che, una volta vagliati dall'IETF, possono diventare degli standard Internet.

Nota: Un dispositivo, un protocollo o qualsiasi altro elemento fisico o di natura software che non rispetta gli standard ITU non è a norma di legge ed il suo utilizzo rappresenta un reato, mentre gli standard IETF possono essere violati da un punto di vista legale (anche se nella stragrande maggioranza dei casi questo comporta che l’oggetto chiamato in causa non sia in grado di essere parte attiva della rete).

Definizioni

• Comunicazione → Trasferimento d’informazione secondo convenzioni prestabilite.
• Telecomunicazione → Qualsiasi trasmissione e ricezione di segnali che rappresentano segni, scrittura, immagini e suono, informazioni di qualsiasi natura, attraverso cavi, radio o altri sistemi ottici ed elettromagnetici (da questa definizione sembra però che le telecomunicazioni finiscano a livello fisico, così non è...).

Esempi

Esempio 1: Gli apparecchi telefonici sono terminali utente collegati ad una rete (generalmente a commutazione di circuito) che fornisce servizi di telecomunicazione. Il servizio è la telefonia.

Esempio 2: La rete internet opera invece a commutazione di pacchetto.

Commutazione di circuito vs commutazione di pacchetto

Fissato un determinato percorso fisico tra i due end-point prima dell’inizio della comunicazione, esso viene mantenuto per tutta la durata della stessa. Ad ogni passo percorso dai singoli pacchetti di rete, il nodo della rete valuta dove inoltrare gli stessi al fine di raggiungere l'end point. Di conseguenza, il percorso virtuale da seguire viene ricalcolato passo passo ed i pacchetti di una stessa comunicazione fra due terminali possono percorrere strade diverse per arrivare alla stessa destinazione.

Servizi e applicazioni

Per servizi e applicazioni intendiamo tutto ciò che vediamo della rete come utenti. La rete supporta il servizio tramite opportune funzioni.

• Servizio di telecomunicazione → ciò che viene offerto da un gestore pubblico o privato ai propri clienti al fine di soddisfare una specifica esigenza di telecomunicazione.
• Funzioni in una rete di telecomunicazione → operazioni svolte nella rete al fine di offrire i servizi.

Esempi (funzioni di rete)

• Sollevando il telefono (o schiacciando il tasto verde sul cellulare) si indica alla rete l’inizio di una procedura di chiamata.
• Cliccando su un link in un browser si indica alle funzioni di rete del proprio host di scaricare un nuovo elemento (pagina web, video, immagine, documento, …).

Altre definizioni

• Trasmissione → il trasferimento di segnali che supportano informazione da un punto a uno o più altri punti.
• Commutazione → il processo di interconnessione di unità funzionali, canali di trasmissione o circuiti di telecomunicazione per il tempo necessario al trasferimento delle informazioni.
• Segnalazione → lo scambio di informazioni che riguardano l’apertura, il controllo e la chiusura di connessioni e la gestione di una rete di telecomunicazione.

Classificazione dei servizi

I servizi possono essere classificati in base a scelte “qualitative” (basata sulle caratteristiche macroscopiche del servizio che vogliamo fornire):

• Orientati alla connessione o meno (se un servizio per sua natura in qualche modo ha bisogno prima dell’inizio della trasmissione di una connessione tra le parti che comunicheranno, la telefonia è un esempio di servizio orientato alla connessione perché prima di iniziare effettivamente a fruire del servizio stabilisco una connessione con l’altro end-point; un servizio non orientato alla connessione invece prevede di inviare in rete dell’informazione “non curante” del fatto che l’altro/gli altri terminali della comunicazione effettivamente lo ricevano, la transazione in taluni casi ne è un esempio: se il DBMS risponde all’interrogazione bene, altrimenti so che il servizio non è disponibile, ad ogni modo non ho bisogno di stabilire una connessione prima).
• Diffusivi/interattivi (servizio diffusivo → servizio fornito a tutti e indipendente dal numero di utenti connessi al canale in uno specifico momento (TV), servizio interattivo → nel canale di comunicazione c’è un’interazione fra le due parti, fra utente e servizio).
• Conversazionali o meno (servizio conversazionale ho bisogno di un canale di comunicazione almeno full duplex (altrimenti multicast) nella quale tutti gli utenti possono parlare tra di loro contemporaneamente e l’informazione può scorrere in maniera multipla sui circuiti di comunicazione con una latenza ridotta al minimo (nel caso della telefonia il messaggio dovrebbe arrivare all’altro capo in 100-150ms)).
• Multimediali o monomediali (per definizione fortemente legato ai sensi utilizzati dalla persona per fruire del servizio offerto dalla rete, concetto andato un po’ perdendosi dal momento che al giorno d’oggi le telecomunicazioni avvengono principalmente per mezzo di dati binari trasferiti da un computer all’altro; in origine monomediale corrispondeva a solo video o audio e multimediale la combinazione tra le due, la definizione si è evoluta al punto tale che la telefonia su rete a pacchetti alcuni la chiamano multimediale e il banale trasferimento di file monomediale → sunto classificazione mono/multimediale un po’ “fantasiosa” e non così significante).
• Servizi di base / aggiuntivi (es. servizio di base → telefonia, servizio aggiuntivo alla telefonia → segreteria, un servizio aggiuntivo quindi, per definizione, non avrebbe senso di esistere senza il servizio di base).

Nota bene: il trasferimento di un file è interattivo perché tradizionalmente viene prima selezionato il file e poi ne viene richiesta la trasmissione.

Nota bene (2): Radio e TV sono orientati alla connessione perché prima di fruire del servizio c’è bisogno di stabilire una connessione fra le parti (per gli utenti corrisponde alla sintonizzazione al canale).

Nota bene (3): TV On-Demand (contenuti accessibili “stile YouTube”) non è più diffusiva ovviamente.

Allo stesso modo, potremmo avere una caratterizzazione di carattere maggiormente “quantitativo”:

• Ritardo di consegna (per esempio, data una CPU che opera nell’ordine dei µs, inizia ad essere un problema se le periferiche ad essa collegati impiegano un tempo due o tre ordini superiori per trasmettere i dati).
• Perdita d’informazione (maggiore è la compressione dell’informazione più si è sensibili alle perdite, all’opposto maggiore è la ridondanza, più flessibili si può essere riguardo ad esse).
• Quantità d’informazione da trasmettere.
• Sincronizzazione tra sorgente e destinazione (ad es. comunicazioni telefoniche).
• Dimensione delle unità dati.

Teoria dei segnali

• Banda → ampiezza spettrale di un segnale o di un canale trasmissivo. In teoria dei segnali, la trasformata di Fourier si occupa di trasformare un segnale da funzione del tempo a funzione della frequenza. In tal caso esso vive sempre tra una frequenza minima e una massima ed è sempre simmetrico rispetto all’origine. BANDA = Freq. Massima – Freq. Minima.
• Reti di telecomunicazione → Banda → con essa si intende la quantità di dati (bit) per unità di tempo (secondi). Capacità di un canale → massima velocità trasmissiva (bit/s) del canale. Fortemente dipendente dalla tecnologia con la quale sono stati realizzati trasmettitore, ricevitore e “mezzo” trasmissivo. Traffico offerto → quantità di dati per unità di tempo che una sorgente cerca di inviare in rete. Traffico smaltito (Throughput) → porzione di traffico offerto che riesce ad essere consegnata correttamente alla destinazione.

Nota: Throughput <= capacità del canale. Throughput <= traffico offerto.

Canali, modalità di comunicazione e topologie

Rete → un insieme di nodi e canali che fornisce un collegamento tra due o più punti per permettere la comunicazione tra di essi.

• Si chiama nodo un punto in cui avviene la commutazione (un router in Internet).
• Si chiama canale un mezzo di trasmissione oppure un collegamento logico, realizzato tramite diversi mezzi di trasmissione (es. il collegamento a Internet da casa, una fibra ottica, il collegamento tra smartphone e stazione radio base LTE).
• Canale punto-punto → Due soli nodi collegati agli estremi del canale. Un trasmettitore ed un ricevitore messi in comunicazione tra loro, eventualmente in modalità full-duplex.
• Canale multi-punto → Più nodi collegati ad un unico canale: una modalità tipica in questi casi si ha nel momento in cui si presenta un nodo master (che ha il controllo del canale e abilita i nodi a comunicare) e numerosi nodi slave. Rispetto al canale punto-punto qui si verificano problemi di indirizzamento per identificare il destinatario del messaggio (nel caso esso sia uno specifico o un sottogruppo).
• Canale broadcast → Un unico canale di comunicazione, condiviso da tutti i nodi. L’informazione inviata da un nodo è ricevuta da tutti gli altri.

Topologia della rete

Essa non è altro che la disposizione di nodi e canali della rete di telecomunicazione, rappresentabile mediante un grafo G = (V,A), dove V è l’insieme dei vertici (ossia dei nodi, raffigurati mediante dei cerchi) ed A è l’insieme degli archi (i canali, rappresentanti come dei segmenti). Gli archi possono essere:

• Diretti (segmenti orientati – canali unidirezionali)
• Non diretti (segmenti non orientati – canali bidirezionali)

Tipi di topologie

• Topologia a maglia completa → C = N(N-1)/2. Ogni nodo è collegato in maniera diretta a qualsiasi altro nodo della rete.
  • Vantaggi → tolleranza ai guasti (molti percorsi tra due nodi)
  • Svantaggi → elevato numero di canali
  • Note → Esistono molti percorsi alternativi, ma un solo percorso diretto (1 solo canale) che rappresenta allo stesso tempo anche l’ovvio percorso a minima distanza. Essa viene usata solo quando i nodi sono pochi oppure nelle reti logiche dove il “canale” non implica l’uso di risorse fisiche (es. P2P). Per banalizzare le cose, a livello applicativo Internet può considerarsi a maglia completa.
• Topologia ad albero → C = N-1. Ogni nodo ha unico padre e più figli, andando a comporre nel complesso quella che è una struttura gerarchica.
  • Vantaggi → basso numero di canali
  • Svantaggi → vulnerabilità ai guasti (solo un unico percorso tra due nodi)
  • E’ usata per semplificare la stesura dei canali e ridurre i costi. Ovviamente da un punto di vista di comunicazioni di rete, non è una tipologia particolarmente “felice”, ma nel contesto Ethernet (dove non è ammesso più di un percorso valido di comunicazione) viene utilizzata perché mediante lo switching viene costruita una struttura gerarchica.
• Topologia a stella → C = N (il centro della stella non è un nodo).
  • Vantaggi → basso numero di canali
  • Svantaggi → vulnerabilità ai guasti del centro stella
  • E’ usata per semplificare la stesura dei canali e ridurre i costi. Ogni nodo ha un’unica scelta di percorso possibile. Tutta la complessità nella scelta dei percorsi è demandata al centro della stella. Essa viene usata nelle reti locali, nelle reti via satellite, nelle reti radio cellulari.
• Topologia a maglia (mesh) → C = N-1 < C < N(N-1)/2
  • Vantaggi → tolleranza ai guasti e numero di canali selezionabile a piacere
  • Svantaggi → topologia non regolare e numero di canali variabile (quest’ultimo causa difficoltà in termini d’instradamento)
  • E’ la più usata (Internet, telefonia).
• Topologia ad anello → Può essere unidirezionale o bidirezionale:
  • C = N (anello unidirezionale)
  • C = N (anello bidirezionale)
  • E’ molto usata in reti locali e metropolitanee per costruire topologie magliate realizzate come anelli giustapposti. Per ogni coppia di nodi esiste un percorso possibile nell’anello unidirezionale, due in quello bidirezionale. In caso di guasto l’anello bidirezionale assicura la sopravvivenza della rete (a capacità dimezzata): l’anello bidirezionale è la più semplice topologia che consente un instradamento alternativo in caso di guasto. Quando devo raccogliere il traffico da un insieme di punti locali (ad es. raccogliere il traffico regionale), può venir utile la topologia ad anello.
• Topologia a bus
  • Bus passivo
  • Bus attivo → C = N-1 per il bus attivo (caso particolare di albero)
  • C = 1 per il bus passivo
  • Come si può notare, esiste una sola scelta possibile di percorso tra ogni coppia di nodi. Una volta, la si poteva trovare ampiamente utilizzata nelle reti locali (ora sempre meno), ora continua ad esistere a livello di bus di sistema.

Internet

Internet è la “rete delle reti”, l’interconnessione della stragrande maggioranza di reti pubbliche e private diffuse nel mondo. Ai protocolli TCP/IP corrisponde un’architettura logica che va a definire come diversi calcolatori possano comunicare tra di loro e vanno a comporre la rete internet. Ha una struttura gerarchica che lo permette. Riescono a farlo grazie ad un insieme di protocolli che definiscono il formato e l’ordine dei messaggi scambiati tra due o più entità in comunicazione.

Standard Internet → RFC definiti dall’IETF (vedi primo paragrafo). Internet è un’immensa infrastruttura di comunicazione per applicazioni distribuite (Web, e-mail, giochi, e-commerce, condivisione di file). Servizio affidabile dalla sorgente alla destinazione (connection oriented).

Servizi forniti alle applicazioni: Servizio ”best effort”, senza connessione (non affidabile, connectionless).

Sistemi terminali → Dicasi anche host, sono situati alle estremità della rete Internet (sono le foglie del nostro grafo). In essi girano i programmi applicativi che sfruttano i mezzi forniti dalla rete stessa (Web, e-mail).

Tipi di architettura

• Client/server
  • L’host client richiede e riceve un servizio da un programma server in esecuzione su un altro terminale.
  • Il server deve sempre essere collegato alla rete e disponibile ad accettare e fornire una richiesta di servizio.
  • Il client accede alla rete e richiede i servizi quando necessita. Es: browser/server Web, client/server e-mail.
• Peer to peer
  • Uso limitato (o totalmente inesistente) di server dedicati. Ogni terminale si comporta sia da client che da server.
  • I sistemi peer to peer si possono definire più propriamente sistemi distribuiti da un punto di vista effettivo (vista l’architettura fortemente decentralizzata). Es: Skype, Bit Torrent.

Nella periferia della rete troviamo applicazioni e sistemi terminali, reti private, dispositivi fisici, collegamenti cablati e wireless. Al centro (core) della rete invece ci sono router interconnessi, rete delle reti.

Nota nella rete Internet → Terminali intelligenti, rete stupida. Nella rete telefonica → Terminali stupidi, rete “intelligente”.

Protocolli

Partiamo dai “protocolli umani”…

• “Che ore sono?”; “Ho una domanda”, Presentazioni.

Invio di specifici messaggi… quando il messaggio è ricevuto, vengono intraprese specifiche azioni, o si verificano altri eventi.

Protocolli di rete

Sono coinvolti dispositivi hardware e software, non esseri umani. Tutta l’attività di comunicazione in Internet è governata dai protocolli. Un protocollo definisce il formato e l’ordine dei messaggi scambiati tra due o più entità in comunicazione, così come le azioni intraprese in fase di trasmissione e/o ricezione di un messaggio o di un altro evento. Un protocollo è quindi un modo di comunicare tra due entità astratte, tipicamente due processi su un calcolatore. Un protocollo viene definito tra due entità “pari” (o peer in inglese) in quanto entità che “parlano la stessa lingua” (presumibilmente occupano lo stesso livello nella struttura protocollare di cui fanno parte).

Componenti di un protocollo

Sintassi: Insieme dei formati (intestazioni, tag, …) che consentono il riconoscimento di un messaggio.