Architettura Internet - Concetti fondamentali riassunti

Internet

Internet è una rete di calcolatori che interconnette centinaia di milioni di

dispositivi in tutto il mondo. Ciascuno di questi dispositivi prende il nome di

Host o sistema periferico; esso è connesso attraverso reti di collegamenti o

commutatori di pacchetti. Collegamenti diversi implicano velocità di

trasmissione diverse, la velocità di trasmissione si misura in bit/secondo. La

metodologia utilizzata da internet per lo scambio di dati tra due sistemi

periferici prevede la scomposizione dei dati da trasmettere in sottoparti

indicizzate dette pacchetti. Spetta poi al commutatore riordinare i pacchetti per

riformare il file.

Internet si basa su protocolli, i principali sono il Trasmission Control Procotol

(TCP) e l’Internet Protocol (IP), per tale ragione si fa riferimento ad entrambi

usando la sigla TCP/IP.

Gli standard di internet sono sviluppati dalla IETF (Internet Engingeering Task

Force) e i documenti che li compongono prendono il nome di Request for

Comment (RFC).

Vista da un'altra prospettiva internet è un’infrastruttura che fornisce servizi a

delle applicazioni quali posta elettronica o navigazione web. Queste

applicazioni prendono il nome di applicazioni distribuite.

Protocollo

Un protocollo definisce l’ordine ed il formato dei messaggi scambiati tra due o

più dispositivi e definisce anche le azioni da intraprendere in fase di

trasmissione e/o ricezione messaggi. Internet fa un uso estensivo dei protocolli

Reti di Accesso

Una Rete Di Accesso è la rete che connette fisicamente un sistema al suo

edge router. Distinguiamo:

Accessi residenziali: i più diffusi nelle connessioni a banda larga sono

 di tipo DSL o via cavo. Un accesso di tipo DSL (Digital Subscriber Line)

prevede l’utilizzo di un modem DSL che si occupa di trasformare i dati da

trasmettere in segnali analogici che viaggeranno mediante i cavi

telefonici (doppino di rame intrecciato) verso la centrale locale dove un

DSLAM (Digital Subscriber Line Access Multiplex) si occuperà di

riconvertirli in digitale. Le linee telefoniche possono trasportare

contemporaneamente dati e segnali telefonici utilizzando 3 canali di

onda; questo permette di poter utilizzare lo stesso collegamento DSL sia

per chiamate che per collegarsi ad internet

Accessi aziendali (o residenziali): Ethernet e Wi-Fi: per accedere ad

 internet si utilizza una rete locale detta LAN (Local Area Network); un LAN

di tipo wireless prevede il continuo scambio di pacchetti tra host e access

point wireless detto anche base station

Accesso wireless su scala geografica: 3G e LTE: funzionano come

 accessi aziendali senza vincoli di area, l’utente può trovarsi lontano dalla

stazione base invece che a pochi metri

Mezzi trasmissivi

I Mezzi Di Trasmissione possono essere vincolati, e quindi fisici, o non

vincolati. Tra i vincolati ricordiamo:

Doppino di rame intrecciato: formato da due fili di rame molto sottili

 avvolti a spirale per limitare le interferenze elettriche generati da altri fili

posti nelle vicinanze; di norma un certo numero di doppini viene avvolto

in uno schermo protettivo a formare un cavo

Cavo coassiale: formato da due fili di rame concentrici; se avvolto con

 speciali schermi protettivi può raggiungere alte frequenze di

trasmissione. Può inoltre essere usato come mezzo condiviso il che vuol

dire che dispositivi connessi allo stesso cavo ricevono tutti quanto inviato

da altri sistemi periferici

Fibra ottica: molto sottile e flessibile, trasporta impulsi di luce dal valore

 di un bit. Può sopportare enormi velocità di trasmissione, non è sensibile

alle interferenze e non ha attenuazioni di segnale anche per lunghissime

distanze

Tra i non vincolati ricordiamo invece:

Canali radio terrestri: trasportano segnali attraverso lo spettro

 elettromagnetico. Questi segnali sono in grado di attraversare superfici

ma sono sensibili alle stesse e, più in generale, a tutto l’ambiente di

propagazione. Sono inoltre soggette ad interferenze generate da

eventuali altri canali radio o segnali elettromagnetici

Canali radio satellitari: satellite per le comunicazioni che mette in

 collegamento trasmettitori terrestri a microonde. Il satellite riceve il

segnale su una banda e lo rigenera su un'altra banda. Distinguiamo

satelliti a bassa quota e geostazionari

Commutazione di pacchetto

Le applicazioni distribuite utilizzano messaggi per funzionare. La sorgente

suddivide i messaggi lunghi in pacchetti che viaggiano attraverso

collegamenti e commutatori di pacchetto. I pacchetti vengono trasmessi sul

collegamento alla velocità totale di trasmissione che il collegamento stesso può

garantire: se un sistema periferico deve inviare un pacchetto da L bit su un

canale con velocità di trasmissione di R bps, questo pacchetto arriverà dopo

L/R secondi.

La maggior parte dei commutatori utilizza la trasmissione store-and-forward

cioè il commutatore deve aver ricevuto, e verificato, l’intero pacchetto prima di

poter iniziare a trasmettere il primo bit dello stesso. Banalmente se in un

qualsiasi nodo vi è un ritardo questo si protrarrà nel tempo per tutti i nodi che

lo seguono.

Ogni commutatore di pacchetto connette più collegamenti per tale ragione

mantiene un buffer di output per conservare i pacchetti che deve inviare su

quel collegamento. Se un pacchetto in arrivo richiede l’invio attraverso un

collegamento ma questo è occupato il pacchetto verrà messo nella coda di

output. I pacchetti possono quindi subire anche ritardi di accodamento nei

buffer di output; essendo poi il buffer di una dimensione finita se dovessero

arrivare pacchetti quando esso è già completamente riempito da altri si

verificherà una perdita di pacchetto: verrà eliminato o il pacchetto in arrivo o

uno di quelli che si trova già in coda. Ogni pacchetto ha nella propria

intestazione l’indirizzo IP di destinazione, proprio di ogni sistema periferico.

Ogni router mantiene una tabella di inoltro che mette in relazione gli indirizzi di

destinazione con i collegamenti in uscita; qui si usano protocolli di

instradamento. Commutazione di circuito

Definiamo commutatore di circuito un percorso lungo il quale le risorse

richieste per consentire la comunicazione tra sistemi periferici sono riservate

per l’intera durata della sessione di comunicazione. Gli host sono tutti

direttamente connessi a uno dei commutatori. Quando due host desiderano

comunicare la rete stabilisce una connessione end to end dedicata a loro

Confronto tra commutazione di pacchetto e di circuito

La commutazione di pacchetto risulta più vantaggiosa in quanto si possono

avere più utenti collegati e, nel caso ci dovesse essere un solo utente collegato,

questo non dovrà dividere la velocità con nessuno permettendo la trasmissione

dei pacchetti nel più breve tempo possibile. Tuttavia la commutazione di

pacchetto risulta inadatta per i servizi in tempo reale a causa dei suoi ritardi

end-to-end variabili e non determinabili.

Struttura della rete

Nel corso degli anni la rete di reti che forma internet si è evoluta in una

struttura altamente complessa più per motivi economici che prestazionali.

La struttura di rete 1 interconnette tutti gli ISP di accesso con un unico

 ISP globale di transito. Questo, immaginario, ISP globale è una rete di

router e collegamenti che non solo copre l’intero globo ma ha anche

almeno un router prossimo a ognuno delle centinaia di migliaia di ISP di

accesso. Se tuttavia un’azienda costruisse e gestisse un ISP globale

vantaggioso economicamente e spingerebbe altre aziende ad entrare nel

mercato.

La struttura di rete 2 è formata da centinaia di migliaia di ISP di

 accesso e più ISP globali di transito. Ciò permette agli ISP di accesso di

scegliere l’ISP globale secondo una convenienza economica. È quindi una

gerarchia a due livelli con i provider globali di transito in cima. Gli ISP

globali di transito devono comunque essere tutti connessi tra di loro.

Tuttavia nella realtà nessun ISP globale è presente in tutto il mondo; al

contrario in ogni regione può esservi un ISP regionale al quale tutti gli ISP

di accesso della regione si connettono. Ogni ISP regionale si connette

all’ISP di primo livello (tier-1 ISP, es: AT&T, Sprint) che è quanto di più

simile esista al nostro immaginario ISP globale di transito. In questa

struttura vi è una relazione cliente-fornitore ad ogni livello della gerarchia

Nella struttura di rete 3 può essere definita come gerarchia a molti

 livelli; di fatto è una naturale evoluzione della 2 e differisce da questa per

il numero di ISP presenti prima di arrivare a quello di primo livello: vi sono

ISP di accesso in ogni città che si connettono a quelli provinciali che a

loro volta si connettono agli ISP nazionali che infine si connettono agli ISP

di primo livello

Nella struttura di rete 4 aggiungiamo a questa rappresentazione i PoP

 (point of presence), il multi-homing, il peering e gli IXP. Un PoP è

semplicemente un gruppo di router vicini tra loro nella rete del provider,

tramite il quale gli ISP clienti possono connettersi al fornitore. Tramite il

multi-home qualsiasi ISP (escluso il primo livello) può connettersi a più

ISP fornitori. Per ridurre i costi ISP vicini di pari livello gerarchico possono

fare uso di peering cioè connettere direttamente le loro reti in modo che

tutto il traffico passi attraverso di esse piuttosto che transitare da un

intermediario. Utilizzando queste connessioni un’azienda può creare un

IXP (internet exchange point), un punto d’incontro dove più ISP possono

fare peering tra di loro.

Nella struttura di rete 5 ci basta aggiungere i content provider

 networks cioè le reti che si occupano di distribuire contenuti, una tra

tutte: Google

Ritardi, perdite e throughput nelle reti a commutazione di

pacchetto

Un pacchetto parte da un host, attraversa una serie di router e arriva in un

altro host. Durante tutto il viaggio tale pacchetto accumula ritardi in ciascun

nodo del tragitto; i ritardi principali sono:

Ritardo di elaborazione: il tempo necessario per identificare il

 pacchetto e determinare dove dirigerlo

Ritardo di accodamento: il tempo perso nella coda di trasmissione; nel

 caso la coda di trasmissione dovesse essere vuota questo ritardo è nullo

Ritardo di trasmissione: consiste nel tempo richiesto per trasmettere

 tutti i bit sul collegamento; poiché il nostro pacchetto può essere

trasmesso solo dopo aver trasmesso totalmente i pacchetti che lo

precedono questo ritardo non dipende dalla distanza tra i due router ma

solo dal rapporto L (dimensione del pacchetto) su R (velocità di

trasmissione)

Ritardo di propagazione: è il tempo che il pacchetto impiega una volta

 immesso nel collegamento per raggiungere il router B; dipende

esclusivamente dal mezzo fisico sul quale il pacchetto viaggia e non dalle

dimensioni dello stesso

Complessivamente questi ritardi formano il ritardo del nodo.

Il ritardo di accodamento a differenza degli altri può essere trascurato a

seconda della velocità di trasmissione del collegamento e dalla natura del

traffico entrante. Definito con a la velocità media di arrivo dei pacchetti nella

coda (espressa in pacchetti al secondo) il rapporto La/R stima l’entità di questo

ritardo; nello specifico:

Se La/R > 1 allora la velocità media di arrivo dei bit nella coda supera la

 velocità alla quale i bit vengono ritrasmessi in uscita da essa; in tale

situazione la coda tenderà a crescere senza limiti

Se La/R < 1 allora la natura del traffico in arrivo influisce sul ritardo in

 coda. Se i pacchetti arrivano a cadenza periodica ciascun pacchetto

troverà la coda vuota; se invece arrivano a raffiche periodiche si possono

verificare dei significanti ritardi di coda

In generale quando il rapporto La/R tende ad 1 la lunghezza media della

coda aumenterà sempre di più. Poiché la capacità delle code è finita i ritardi

dei pacchetti non tendono all’infinito: quando il rapporto tende ad uno ed

un pacchetto trova la coda piena questo viene perduto, tale fenomeno è

detto buffer overflow.

Il ritardo tra sorgente e destinazione prende il nome di ritardo end-to-

end. Supponiamo l’esistenza di N-1 router tra l’host sorgente e quello di

destinazione; nell’ipotesi che la rete non sia congestionata e che il ritardo di

elaborazione sia d , che la velocità di trasmissione sia R bps e che la

elab

propagazione di ciascun collegamento sia d . I ritardi si accumulano in:

prop

d = N(d + d + d )

end-to-end elab trans prop

Il throughput istantaneo è la velocità in bps alla quale il destinatario sta

ricevendo il file; definiamo invece throughput medio il rapporto F (bit) su

T (tempo totale di trasmissione): F/T.

Sia R la velocità del collegamento tra server e router, R quella tra router e

s c

client. Si supponga che i soli bit inviati sull’intera rete siano quelli tra server

e client. Se R < R allora i bit immessi dal server scorreranno attraverso il

s c

router e arriveranno al client a una velocità di R bps. Se al contrario R < R

s c s

il router non sarà in grado di inoltrare i bit alla stessa velocità con cui li

riceve, i bit lasceranno il router ad una velocità R . Quindi per una rete

c

elementare con due collegamenti il throughput è il minimo tra R e R cioè

c s

la velocità del collegamento che fa da collo di bottiglia (bottleneck).

Architettura a Livelli

I protocolli sono organizzati in livelli o strati (layer). Ciascun protocollo

appartiene ad uno dei livelli che possono essere implementati via software,

hardware o combinazione dei due. La modularità dei protocolli rende più

facile l’aggiornamento e fornisce un modo strutturato per trattare i

componenti dei sistemi.

Considerati assieme i protocolli dei vari livelli sono detti pila di protocolli

(protocol stack). In internet tale pila è composta da 5 livelli:

Livello applicazione: è la sede delle applicazioni di rete e dei relativi

 protocolli. Tra questi i principali sono HTTP, SMTP e FTP. Un protocollo

a livello applicazione è distribuito su più sistemi periferici i quali

grazie ad esso possono scambiare messaggi;

Livello di trasporto: trasferisce i messaggi dal livello di

 applicazione. I più importanti sono TCP e UDP. I pacchetti a livello di

trasporto prendono il nome di segmenti;

Livello di rete: si occupa di trasferire i pacchetti, detti datagrammi,

 a livello di rete da un host ad un altro. Il protocollo più importante è

l’IP;

Livello di collegamento: trasferisce un pacchetto, denominato qui

 frame, da un nodo a quello successivo sul percorso;

Livello fisico: trasferisce i singoli bit del frame da un nodo a quello

 successivo;

Il modello OSI nato negli anni ’70 è formato da due livelli in più che sono il

livello presentazione che fornisce i servizi che consentano alle applicazioni

che vogliono comunicare di interpretare il significato dei dati scambiati e il

livello sessione che fornisce la delimitazione e la sincronizzazione dello

scambio di dati compresi i mezzi per costruire uno schema di controllo e

recupero degli stessi Incapsulamento

Preso un host mittente, un messaggio a livello di applicazione viene passato a

livello di trasporto; nel caso più semplice questo livello prende il messaggio e

gli concatena informazioni aggiuntive che saranno utilizzate dalla parte

ricevente del livello di trasporto. Messaggio a livello di applicazione e

informazioni di intestazione a livello di trasporto costituiscono il segmento a

livello di trasporto che incapsula il messaggio a livello di applicazioni; il livello

di trasporto passa il segmento al livello di rete che aggiunge informazioni di

intestazione proprie del livello di rete andando così a creare un datagramma da

livello di rete che viene passato al livello di collegamento il quale, a sua volta,

aggiunge le proprie informazioni di intestazione creando un frame a livello di

collegamento.

In ciascun livello il pacchetto ha due tipi di campi: l’intestazione e il payload

(carico utile trasportato) che è tipicamente un pacchetto proveniente dal livello

superiore. Reti sotto attacco

Un’ampia classe di minacce alla sicurezza può essere classificata come attacchi

di negazione del servizio (DoS = Denial of Service), questi attacchi rendono

inutilizzabili dagli utenti legittimi una rete, un host o un’altra parte di

infrastruttura. Molti attacchi DoS su internet ricadono in tre categorie:

Attacchi alla vulnerabilità dei sistemi: comporta l’invio di pochi

 messaggi ben costruiti ad un’applicazione vulnerabile o a un sistema

operativo in esecuzione sull’host. Può causare blocchi del servizio o

spegnimento dell’host

Bandwidth flooding (inondazione di banda): l’attaccante invia un

 “diluvio” di pacchetti all’host bersaglio, tanti da ostruire il suo

collegamento al server. Per far danni è necessario che i dati siano

mandati ad una velocità approssimabile ad R (velocità di accesso).

Connection flooding (inondazione di connessioni): l’attaccante

 stabilisce un gran numero di connessioni TCP completamente o solo

parzialmente aperte all’host bersaglio che risulta così ingorgato da

queste connessioni senza poter accettare connessioni valide

Un rilevatore passivo in prossimità di un trasmettitore wireless può ottenere

copia di ogni pacchetto, tale processo è detto packet sniffer e la miglior

difesa è la crittografia.

È possibile immettere pacchetti attraverso un indirizzo sorgente falso, questa

capacità è nota com