Appunti reti di calcolatori e internet

Reti di calcolatori

Comunicazione dati

Quando comunichiamo ci stiamo scambiando informazioni. Un dialogo tra due persone è fatto di scambio di informazioni e può essere associato a uno scambio di dati in locale, mentre una chiamata può essere paragonata a uno scambio di messaggi in remoto. L'espressione comunicazione dati fa riferimento allo scambio di dati tra due dispositivi grazie all'utilizzo di un mezzo trasmissivo come un cavo.

Affinché la comunicazione fra due dispositivi abbia luogo è necessario che i due dispositivi facciano parte di un sistema di comunicazione fatto sia di hardware che di software. Il funzionamento di un sistema di comunicazione dipende da quattro caratteristiche:

• Consegna: Il sistema deve essere in grado di consegnare i dati alla destinazione corretta. Solo il destinatario deve ricevere i dati;
• Precisione: Il sistema deve consegnare i dati senza alterarli durante la trasmissione;
• Tempestività: Il sistema deve consegnare i dati con tempestività perché in alcuni casi i dati che arrivano in ritardo sono inutili. Si pensi a uno streaming video: in questo caso è importante che i dati arrivino senza un ritardo significante ed esattamente nello stesso ordine in cui vengono spediti. Questo tipo di trasmissione si chiama trasmissione in tempo reale;
• Jitter: Il termine Jitter (in inglese significa essere nervosi) si riferisce alla variazione del ritardo con cui i dati arrivano. Se nella trasmissione dati alcuni pacchetti arrivano con un ritardo di 30ms e altri con 40ms la riproduzione potrebbe essere a scatti.

Componenti

Un sistema di comunicazione ha cinque componenti:

• Messaggio: Il messaggio è l'informazione (i dati) che devono essere inviati. Possono essere in varie forme (testo, audio, video, immagine, numeri, ecc…);
• Mittente: Il dispositivo che invia il messaggio (computer, telefono, videocamera, ecc…);
• Destinatario: Il dispositivo che riceve il messaggio;
• Mezzo di trasmissione: È il cammino fisico che percorrono i dati spediti dal mittente per raggiungere il destinatario. Può essere costituito da: doppini telefonici, cavi coassiali, fibre ottiche, onde elettromagnetiche, ecc…;
• Protocollo: È un insieme di regole che permettono a due dispositivi di comunicare. Due dispositivi connessi che non utilizzano un protocollo non possono comunicare. Sarebbe come quando due persone cercano di comunicare ma una parla italiano e una giapponese.

Rappresentazione dei dati

Come abbiamo già detto l'informazione può avere varie forme: testo, immagini, audio, video ecc…

Testo, numeri, immagini

Le informazioni testuali, i numeri e le immagini (e qualsiasi altra informazione in forma discreta) sono rappresentate come una sequenza di bit. Un'informazione testuale è rappresentata come una sequenza di simboli, ognuno dei quali rappresentato da una sequenza di bit. La codifica standard molto usata in questi decenni è la codifica ASCII (American Standard Code for Information Interchange) che rappresenta ogni carattere con una particolare sequenza di 7 bit per un totale di 128 caratteri. La codifica ASCII sta diventando non adatta alle nuove esigenze, per questo motivo il sistema di codifica Unicode sta gradualmente rimpiazzando ASCII perché utilizza 32 bit per rappresentare ogni singolo carattere consentendo la visualizzazione dei simboli di ogni lingua.

I numeri sono invece rappresentati con 8 bit, quindi si possono rappresentare numeri compresi tra 0 e 255. Bisogna distinguere una sequenza di caratteri testuali tipo “1234567890” da un numero vero e proprio, perché nel primo caso ogni numero di questa sequenza è rappresentato con caratteri ASCII mentre nel secondo il numero viene rappresentato utilizzando 8 bit.

Un’immagine è composta da una matrice di pixel. Ogni pixel ha un valore binario che specifica il colore che deve assumere. Per immagini bianche e nere bastano due pixel per identificare il colore del pixel, mentre per immagini a colori dipende dal numero di colori disponibili.

Audio e video

L’informazione audio o video è per natura continua e non discreta. È possibile rappresentare i dati audio e video in forma discreta, cioè come sequenza di bit. Ad esempio un video può essere rappresentato come una sequenza di immagini che vengono proiettate velocemente per dare l'impressione del movimento. Vedremo più avanti come convertire un segnale analogico (continuo) in uno digitale (cioè rappresentabile come sequenza di bit).

Flusso di dati

La comunicazione tra due dispositivi può essere di tre tipi:

• Unidirezionale;
• Bidirezionale alternata;
• Bidirezionale.

Nella comunicazione unidirezionale (simplex) la comunicazione avviene in una sola direzione, cioè solo uno dei due dispositivi può inviare, mentre l’altro può solo ricevere. Un esempio di comunicazione unidirezionale è la tastiera che può solo inviare input alla CPU e il monitor che può solo visualizzare le informazioni comunicate dalla CPU. In questa modalità l’intera capacità del canale può essere sfruttata per inviare i dati.

Nella comunicazione bidirezionale alternata (half-duplex) ogni dispositivo può sia inviare che ricevere, ma non contemporaneamente. Mentre uno invia l’altro può solamente ricevere, quando invece uno riceve l’altro può solamente inviare. Un esempio di comunicazione half-duplex ci è dato dalle radioricetrasmettenti. Anche in questo caso l’intero canale può essere usato per spedire i dati in ognuna delle due direzioni.

Nella comunicazione bidirezionale (full-duplex) entrambi i dispositivi possono sia ricevere che spedire, anche contemporaneamente. Un esempio di comunicazione full-duplex è una conversazione telefonica. In questo caso la capacità del canale deve essere divisa tra le due direzioni, o effettuando due collegamenti fisici accoppiati (un cavo per spedire in una direzione e uno per spedire nell’altra) oppure dividendo l’unico canale fisico.

Una rete è un insieme di dispositivi (chiamati anche nodi o stazioni) connessi da canali di comunicazione. Un nodo può essere un computer, una stampante o qualsiasi altro dispositivo capace di inviare o spedire dati.

Una rete può usare la computazione distribuita cioè può dividere un problema tra n computer connessi in rete per risolverlo più velocemente. La bontà di una rete viene valutata attraverso vari criteri, tra cui:

• Prestazioni;
• Affidabilità;
• Sicurezza.

Prestazioni

Le prestazioni di una rete possono essere misurate in vari modi, ad esempio misurando il tempo di transito dei dati (ritardo) e il tempo di risposta. Il ritardo è il tempo che impiega un dato messaggio a viaggiare dalla sorgente alla destinazione, mentre il tempo di risposta è il tempo che passa dal momento in cui si fa la richiesta, compresa la spedizione e la ricezione dei messaggi, al momento in cui si ottiene la risposta.

Le prestazioni di una rete dipendono da vari fattori, come il numero di utenti connessi, le tecnologie trasmissive utilizzate, le caratteristiche hardware dei dispositivi e l’efficienza del software che gestisce le comunicazioni. Le metriche spesso utilizzate per misurare le prestazioni sono il throughput cioè la quantità effettiva di dati che si riesce a trasmettere nell’unità di tempo, e il ritardo. La situazione ideale sarebbe quella di avere un throughput alto con un ritardo minimo, ma ciò non è possibile perché più dati si spediscono, più lenta sarà la consegna, in quanto la rete può congestionarsi.

Affidabilità

L’affidabilità della rete sta nella capacità di consegnare i dati spediti senza errori, ma non solo. Dipende anche dalla frequenza dei malfunzionamenti (un collegamento si rompe), insieme alla capacità di riparare tali malfunzionamenti e alla robustezza della rete in situazioni molto difficili.

Sicurezza

La sicurezza di una rete consiste nella protezione dei dati che vengono spediti attraverso la rete per impedire l’accesso non autorizzato o danni e perdite dovuti a violazioni della rete.

Struttura fisica

Definiamo alcune caratteristiche delle reti che riguardano il tipo di connessione tra i vari nodi e la tipologia della rete.

Tipo di connessione

Le connessioni che collegano i nodi si dividono in due tipologie:

• Connessioni punto-punto;
• Connessioni multipunto;

Nelle connessioni punto-punto si stabilisce un canale diretto tra i due nodi in cui solo i due nodi possono comunicare. In questo caso l’intera capacità del canale è dedicata ai due dispositivi connessi dal collegamento. Esempi di collegamenti punto-punto sono un cavo che connette due computer, un collegamento satellitare a onde radio ecc… Anche quando usiamo il telecomando stabiliamo una connessione punto-punto con la televisione.

Le connessioni multipunto invece permettono a più nodi di connettersi allo stesso canale. In tal caso la capacità del canale viene divisa tra tutti i dispositivi che lo usano. La condivisione può avvenire temporaneamente se l’accesso al dispositivo è esclusivo, in questo caso si accede uno alla volta. Se il canale trasmissivo ammette un utilizzo simultaneo da parte di più dispositivi allora si parla di condivisione dello spazio.

Topologia

La tipologia di una rete specifica il modo in cui i nodi sono fisicamente disposti e interconnessi. Esistono quattro tipologie di base:

Mesh

Nella tipologia mesh ogni nodo ha un collegamento punto-punto con ogni altro nodo della rete. Utilizzando dei collegamenti simplex occorrono n x (n-1) collegamenti per una mesh, mentre utilizzando collegamenti duplex occorrono n x (n-1)/2 collegamenti. Quindi il numero di collegamenti è quadratico nel numero di nodi. Lo svantaggio è di dover aver molti cavi che collegano ogni coppia di nodi ad n-1 porte di I/O per ogni nodo. Inoltre il costo dell’hardware per le porte di I/O potrebbe essere molto elevato e l’installazione di un nuovo nodo può essere complessa, per questo motivo le mesh sono utilizzate con parsimonia. Un esempio pratico di mesh è la parte della rete telefonica che connette ogni centralino regionale ad ogni altro centralino regionale.

Questo sistema però offre delle garanzie, perché se un collegamento tra due nodi si rompe, il sistema continua a funzionare sfruttando uno o più nodi intermedi. Esistono infatti molte strade possibili per la comunicazione tra i nodi.

Stella

Nella tipologia a stella, ogni nodo è connesso con un collegamento punto-punto a un dispositivo centrale chiamato hub. I nodi non comunicano tra di loro direttamente ma attraverso l’hub. Il vantaggio è che il guasto di un nodo non pregiudica il funzionamento degli altri. Inoltre in questo modo è richiesta una sola porta di I/O per ogni collegamento, e ciò rende questa soluzione più economica rispetto alla struttura a mesh. Il principale svantaggio sta nel fatto che tutta la rete dipende dall’hub, quindi il guasto dell’hub fa cadere tutta la rete.

Bus

Il bus è una rete che utilizza un collegamento multipunto e collega tutti i nodi della rete. Ogni nodo della rete è fisicamente connesso al bus tramite un connettore. Questa soluzione non permette di avere molti nodi collegati al bus perché la potenza del segnale diminuisce man mano che si estende. Il principale vantaggio sta nella facilità di installazione di un nuovo nodo: basta inserire un nuovo connettore al bus. Gli svantaggi sono dovuti alla difficoltà di trasmissione. Inoltre un guasto al bus blocca tutte le comunicazioni. Il principale esempio di topologia con bus è dato dalle reti Ethernet che saranno descritte più avanti.

Anello

In una tipologia ad anello ogni nodo è collegato ad altri due tramite un collegamento punto-punto, quello che lo precede e quello che lo segue. I dati vengono trasferiti in una sola direzione. Ogni nodo ha un ripetitore che rigenera il segnale per non far perdere la potenza. Una rete ad anello è relativamente facile da installare e configurare perché basta modificare due collegamenti soltanto. L’isolamento dei guasti è molto semplice. Gli svantaggi sono dovuti alla natura unidirezionale dell’anello. Infatti la rottura di un anello pregiudica il funzionamento dell’intera rete. Si può ovviare a questo problema realizzando un doppio anello che permette il traffico nelle due direzioni. In questo modo il guasto di un solo nodo non pregiudica il funzionamento della rete.

Topologia ibrida

Una rete con topologia ibrida mette insieme due o più delle tecnologie descritte.

Modelli di rete

Sono state sviluppate varie tecnologie per la costruzione di reti di calcolatori. Affinché sia possibile far comunicare reti eterogenee sono necessari degli standard. I due standard più conosciuti sono il modello OSI (Open System Interconnection) e il modello TCP/IP. Nel modello OSI si usano 7 livelli, in quello TCP/IP se ne utilizzano 5. Noi useremo ci baseremo sul modello TCP/IP.

Classificazione delle reti

Le reti vengono classificate in base alla loro dimensione fisica. Le due grosse categorie principali sono le reti locali (LAN) e le reti estese (WAN). Le reti LAN solitamente non superano uno o due chilometri di estensione, mentre le reti estese non hanno limitazioni e possono coprire tutto il globo (come accade per internet). Reti intermedie sono chiamate reti metropolitane (MAN).

LAN

Una LAN (Local Area Network) è spesso una rete privata che è fisicamente sistemata in un singolo ufficio, edificio o campus. Due computer connessi tra di loro costituiscono una rete LAN.

Le reti LAN possono arrivare a uno o due chilometri di estensione e vengono utilizzate nelle aziende per connettere computer, server, stampanti ecc. Per esempio può succedere che ci sia un computer sul quale è installato un software che viene utilizzato da più organi dell’azienda, in questo caso il computer con il software è connesso alla rete LAN aziendale. Oppure un altro esempio sta nel poter collegare alla rete dei dischi di memorizzazione che vengono poi utilizzati dai vari PC o server ad essa collegati.

WAN

Una WAN (Wide Area Network) è costituita da linee di comunicazione a grande distanza che permettono di scambiare dati tra dispositivi fisicamente molto distanti tra loro (in due regioni, nazioni o continenti). Può essere molto semplice quando è costituita da un singolo collegamento punto-punto o molto complessa quando costituisce la dorsale di una rete complessa e vasta.

Nel secondo caso si parla di rete WAN a commutazione e la rete è costituita da molti nodi speciali chiamati router che sono collegati tra di loro e consentono la connessione tra le varie reti. Una rete WAN punto-punto è normalmente una linea telefonica o una linea TV via cavo che si può prendere in affitto da un fornitore di tali servizi. Tipicamente serve all’utente per connettersi a internet.

MAN

Una MAN (Metropolitan Area Network) è una rete la cui dimensione fisica si colloca tra quella di una LAN e quella di una WAN. Normalmente ricopre un’area di una città o l’intera città. Un buon esempio di rete MAN è la parte della rete telefonica che offre connessioni DSL ad alta velocità verso internet, oppure quella utilizzata per la TV via cavo che oggi viene usata per connessioni a internet ad alta velocità.

Interconnessioni di reti: Interreti

Oggi è difficile trovare reti LAN, MAN o WAN isolate, perché solitamente sono tutte collegate tra di loro attraverso le interreti o internet. Ipotizzando che ci siano due sedi una in Italia e una in Inghilterra della stessa azienda che utilizzano due topologie di rete differente. Il direttore dell’azienda vive stabilmente in Francia e ha bisogno di accedere alle reti dell’azienda. Può farlo noleggiando le reti WAN messe a disposizione dai fornitori di tale servizio. Perché ciò funzioni però sia l’abitazione del direttore che le sedi devono avere un collegamento punto-punto con la dorsale WAN.

Internet

Abbiamo definito una internet (con la “i” minuscola) come una qualsiasi rete costruita collegando più reti fra di loto. Esistono molte internet, ma quella principale è quella che collega milioni di computer in tutto il mondo e che permette di navigare attraverso il World Wide Web. Tale internet è chiamata Internet (con la “I” maiuscola).

La rete internet è in continua evoluzione: nuove reti vengono aggiunte, reti esistenti si espandono e reti vecchie vengono rimosse facendo cambiare in continuazione la topologia. Per connettersi a internet oggi si utilizzano i cosiddetti ISP (Internet Service Provider) che possono operare sia a livello nazionale che internazionale e sono gestiti da compagnie private. Possiamo classificare gli ISP a seconda dell’area geografica che il loro servizio copre.

A livello più altro troviamo gli ISP che connettono nazioni tra di loro. All’interno di ogni nazione ci sono gli ISP nazionali. Le reti gestite da tali compagnie vengono chiamate dorsali e rappresentano l’asse portante della struttura di Internet. Al di sotto degli ISP nazionali ci sono gli ISP regionali e locali che offrono il servizio di connessione agli utenti finali.

Protocolli

Affinché la comunicazione tra varie reti funzioni sono necessari dei protocolli. Un protocollo definisce cosa viene comunicato, come viene comunicato e quando deve avvenire la comunicazione. Gli elementi chiave di un protocollo sono:

• Sintassi: La sintassi definisce il formato dei dati, cioè l’ordine in cui i vari dati devono essere presentati. Per esempio un protocollo potrebbe richiedere che i primi 8 bit di dati spediti siano l’indirizzo del mittente, i successivi 8 bit l’indirizzo del destinatario.