Elementi di Reti di telecomunicazione

Elementi di reti di telecomunicazione

Introduzione

Appunti del corso di Elementi di Reti e Telecomunicazioni - Ingegneria Informatica anno II

Professore: Renato Antonio Lo Cigno - Matilde Simonini

Contenuto

• Storia (in breve) delle telecomunicazioni
• Standardizzazione
• Internet: una panoramica contestualizzata
• I servizi
• Protocolli
• Componenti di un protocollo
• Struttura "fisica e commerciale" di Internet
• Servizi e funzioni nelle reti di telecomunicazione
• Servizi e applicazioni
• Servizi: classificazione
• Banda, capacità, velocità
• Traffico offerto e throughput
• Ritardo di consegna
• Perdita di informazione

Canali e modalità di comunicazione

• Topologie
• Rete di telecomunicazione
• Tipi di canale
• Topologie delle reti
• Maglia completa
• Albero
• Stella
• Maglia (mesh)
• Topologia ad anello
• Bus

Architetture protocollari

• Architetture: modello a strati
• Architetture: origini
• Architetture di rete - strati o livelli
• Servizi
• Protocolli
• Creazione e gestione delle PDU
• Modello di riferimento ISO/OSI
• OSI ed Internet
• Architettura Internet (TCP/IP)

Il livello rete e il protocollo IPv4

• Pacchetti, indirizzi, reti
• Consegna diretta e indiretta
• Funzioni fondamentali
• Schema di architettura dei router
• Il datagramma IP
• Formato dei datagrammi IPv4
• MTU e frammentazione
• Struttura e uso degli indirizzi IPv4
• Indirizzi IP
• La notazione dotted decimale
• La struttura degli indirizzi IP
• La "subnet masks"
• Subnet e router
• Routers e indirizzi IP
• Indirizzi privati e speciali

Esempi di uso di indirizzi privati

• Indirizzi IP "speciali"
• Routing multicast
• Indirizzamento a "classi"

Protocolli di supporto a IP

• ICMP – DHCP
• IP ha bisogno di supporto?
• ICMP - INTERNET CONTROL MESSAGE PROTOCOL
• ICMP: formato e incapsulamento
• Gestione datagram e messaggi ICMP
• Uso di ICMP

DHCP - DYNAMIC HOST CONFIGURATION PROTOCOL

• Parametri di configurazione
• Funzionamento di base
• Formato messaggio DHCP
• Assegnazione e gestione degli indirizzi
• DHCP: altre operazioni

NAT - Network Address Translation

• Basic NAT
• Network Address Port Translation (NAPT)
• Applicazioni, porte e flussi
• Altre considerazioni
• Criteri ed esempi di assegnazione degli indirizzi IP
• Tabelle di routing

Funzionamento di Ping

• Traceroute
• Nslookup
• Formato dei datagram IPv6
• Inefficienza dell’header IPv4
• Limiti di sicurezza di IPv4
• Niente supporto alla mobilità in IPv4
• IPv6
• Formato dell’header IPv6
• Formato indirizzi IPv6
• Note: Possibilità per introdurlo
• Classificazione indirizzi
• Next Header – Length
• Frammentazione
• Extension header
• Headers order
• Extension header processing
• Routing header
• Header non end-to-end | Routing header
• Hop-by-hop e destination options header
• Destination options
• Authentication Header e ESP
• DHCPv6
• Considerazioni (quasi) finali

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Livelli collegamento e fisico "framing" e codici di controllo errori

• Livello Data Link
• Servizi offerti al livello superiore
• Dove è implementato il livello DL (Data Link)?
• Cosa offre il livello fisico a DL
• Funzioni di competenza del livello 2
• Framing
• Modalità di Framing
• Framing: character stuffing
• Framing: bit stuffing
• Framing: violazione del livello fisico
• Framing: intervalli temporali
• Rilevare / correggere errori
• Rilevazione degli errori
• Codici di parità
• Codici di ridondanza ciclica (CRC = Cyclic Redundancy Check)
• Codici di ridondanza ciclica → continua...

Controllo di flusso e medium access control (MAC)

• Velocità di trasmissione
• Controllo di flusso
• MAC - un sotto-livello a sé
• Definizione del problema
• Tecniche di allocazione del canale
• Allocazione statica
• Allocazione dinamica
• Principi del protocollo a contesa
• Perché usiamo protocolli a contesa
• Principi dei protocolli a contesa
• Protocolli di accesso multiplo
• Allocazione dinamica con contesa
• ALOHA "puro" (tempo continuo)
• Slotted ALOHA
• Carrier Sense Multiple Access (CSMA)
• Confronto efficienza algoritmi per la contesa
• Collision Detection (CSMA-CD)
• Collision Avoidance (CSMA-CA)
• Alcune formule utili

Trame e risoluzione indirizzi ARP

• Risoluzione degli indirizzi
• ARP – Address Resolution Protocol
• ARP: formato dei messaggi
• ARP: uso dei messaggi
• ARP: processing e caching
• Proxy ARP
• Ethernet e PPP
• Ethernet e standard IEEE 802.3
• Ethernet: il progetto originale
• Round Trip Delay
• Ethernet: prestazioni
• Formato della trama Ethernet
• Ethernet: topologia
• Ethernet: parametri di progetto
• Ethernet: livello fisico
• Evoluzione di Ethernet (802.3)
• Domini di collisione e broadcast
• Repeater e Hub
• HUB
• Bridge
• Evoluzione: switch "L2"
• PPP: caratteristiche
• PPP: formato della trama
• PPP: accesso con modem e ADSL
• Wi-Fi: CSMA/CA

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Wi-Fi ... 802.11

• Architettura di riferimento 802.11
• Architettura protocollare
• 802.11 MAC
• Inter Frame Spaces – IFS
• Funzionamento base: canale libero, con NAV
• Funzionamento base: canale occupato

Livello trasporto e la comunicazione end-to-end

• Protocolli di trasporto
• Posizionamento e visione
• UDP vs TCP
• Indirizzamento: mux/demux
• UDP - User Datagram Protocol
• Formato dei segmenti UDP
• Principi di trasporto affidabile
• Tecniche ARQ e protocolli a finestra
• Finestre multi-PDU
• Finestra di trasmissione
• Finestra di ricezione
• Semantica dei pacchetti di riscontro
• Numerazione PDU
• Numerazione PDU e finestre
• Altri tipi di ritrasmissione dovuta a perdite o errori (da libro: Kurose)
• Prestazioni protocolli a finestra

Transmission Control Protocol TCP

• TCP: compiti
• Ricevitore TCP: ricezione segmenti
• Throughput (prestazioni) ottenibile
• Controllo di flusso
• Controllo di congestione
• La PDU TCP
• Instaurazione della connessione
• Terminazione della connessione
• Calcolo del timeout (RTO)
• Stima del valor medio di RTT
• Stima della varianza di RTT
• Gestione di RTO
• RTT e RTO: timestamp

Transmission Control Protocol - Controllo di Congestione - Finestra di Trasmissione

• Approcci al controllo della congestione
• Congestion Window (CWND)
• Slow Start
• Congestion Avoidance
• Evoluzione della CWND
• Evoluzione CWND senza perdite
• Throughput

Transmission Control Protocol - Gestione Ritrasmissioni

• Recupero delle perdite
• Recupero con RTO
• Recupero con Fast Retransmit
• Recupero con Fast Recovery
• Crescita finestra
• Equità di TCP

Protocolli di Livello Applicativo - Principi e DNS

• A cosa servono?
• Creare applicazioni (in rete)
• Architetture delle applicazioni
• Architettura client-server
• Architettura P2P pura
• Ibridi (mix client-server e P2P)
• Cloud/fog/edge/... computing
• Processi comunicanti
• Che servizio di trasporto richiede un’applicazione?

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Alcuni requisiti

• Domain Name System (DNS)
• Nomi a dominio e url
• DNS: Domain Name System
• DNS: FQDN e PQDN
• Server DNS radice
• Server TLD e server di competenza
• Tipi di server
• Server DNS locale
• Server dei nomi radice (root name server)
• Server dei nomi assoluto (authoritative name server o server di competenza)

Esempi

• Caching e aggiornamento dei record
• Record DNS
• Messaggi DNS
• HyperText Transfer Protocol - HTTP
• Web: HTML e HTTP
• Panoramica su HTTP
• Connessioni HTTP
• Connessioni non persistenti
• Calcolo del tempo di risposta
• Connessioni persistenti
• Calcolo del tempo di risposta in pipelining
• Messaggi HTTP
• Upload dell’input di un form
• HTTP/1.0 e /1.1: metodi
• Codici di stato della risposta HTTP
• Interazione utente-server: i cookie
• Cache web (e server proxy)
• GET condizionale
• Server proxy
• HTTP/2

Esempio

• Cosa scarica il sito www.unibs.it
• Posta Elettronica, File Transfer
• Posta elettronica
• Server di posta
• Posta elettronica: SMTP [RFC 2821]
• Esempio: Alice invia un messaggio a Roberto
• Esempio di interazione SMTP
• SMTP: note finali
• Formato dei messaggi
• Estensione a messaggi multimediali
• Messaggio ricevuto
• Protocolli di accesso alla posta (POP)
• FTP: file transfer protocol
• Connessione di controllo
• Connessione dati

Storia (in breve) delle telecomunicazioni

Telecomunicazioni = si intende il trasporto dell'informazione attraverso sistemi di tipo elettromagnetico: nello spazio: tensione/corrente su fili conduttori, onde radio (guidate e non), segnali luminosi (guidati e non)... e nel tempo: dischi/nastri magnetici, memorie a semiconduttori...

Internet viene spesso disegnato come una clessidra perché vi sono tantissime applicazioni (sopra) e tantissime tecnologie per la trasmissione (base); ma vi è un unico protocollo di gestione della rete (IP, ovvero il collo/centro della clessidra).

Le reti di telecomunicazione hanno una forte legacy; Non essendovi stata una teoria fondante (standard) su come dovessero essere implementate, l’evoluzione dei sistemi di telecomunicazione deve tener conto anche di quanto esiste/esisteva già. Per motivi economici non è possibile dire “internet è sbagliata, rifacciamola”.

Legacy = applicazione o componente obsoleto, che continua ad essere usato poiché l'utente non intende o non può rimpiazzarlo.

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Morse e il telegrafo

1837: Il pittore Morse inventa il telegrafo (digitale - comunicazione diretta punto-punto). Primo sistema "strutturato" (USA 1837) di comunicazione elettrica. I diversi "precursori" (uno dei quali fu Napoleone) erano artigianali o di derivazione "visiva" come le comunicazioni con bandiere tra le navi. Il primo cavo telegrafico transoceanico funzionante: 1866 (UK-US) → 5 USD (dollari) a parola, rimase in funzione fino al 1960 ca.

Il telefono: Bell e Meucci

1876: Bell e Meucci inventano il telefono analogico; cercano quindi di tradurre la pressione esercitata dalla voce nell’aria in corrente. Nascono così le prime “reti” che prevedono delle centrali di commutazione per connettere M con D. Il telefono analogico è essenzialmente un trasduttore: trasforma l'ampiezza di un'onda di pressione in aria in una intensità di corrente (e viceversa). Richiede amplificazione ogni pochi km e il rumore aumenta a ogni amplificatore. Con il telefono nascono le prime "reti" fatte di linee di trasmissione e punti di commutazione (di circuito) che riservano le risorse.

Radio: Marconi e Tesla

Fine 800/ inizio 900: Marconi intuisce la possibilità di modulare le onde elettromagnetiche e sviluppa prima il telegrafo senza fili, poi la telefonia via radio ed il radar. (Tesla contesta la paternità ed ottiene la ragione in tribunale). Marconi non si è mai laureato, probabilmente dislessico, grande studioso e imprenditore, premio Nobel. Sviluppa prima il telegrafo senza fili, poi la telefonia via radio e il radar (che vende alla marina inglese, perché quella italiana non lo reputa utile ...).

Tesla contesta a Marconi la paternità delle invenzioni (e vince in tribunale nel 1943 ... troppo tardi).

Dalle trasmissioni alle reti

Telegrafo, telefono, radio sono tutte tecnologie di trasmissione punto-punto (o broadcast). Per la telefonia è però necessario mettere in contatto terminali specifici – ammissione delle chiamate – commutazione e ricerca di un percorso e-t-e. Bell all'inizio pensava di collegare ogni telefono ad ogni altro ... Soluzione non scalabile: N clienti → N(N-1) collegamenti – maglia completa. Nasce un nuovo mestiere: il (la) centralinista.

Erlang: gestione dei clienti

Erlang costruisce i primi modelli matematici per le reti (primo approccio scientifico) e la gestione dei clienti. Erlang è un matematico danese che lavora per la società telefonica di Kopenhagen, applicando la teoria delle probabilità e la teoria di Markov risolve il problema negli anni '10-'20 del 900. Fino all'avvento di Internet le reti di TLC saranno dimensionate usando i risultati di Erlang (teoria delle code).

Shannon e la teoria dell'informazione

Claude Shannon pone le basi per comprendere la natura dell'informazione. Insieme ad Alan Turing (si incontrano nel 1943) e John von Neumann è uno dei padri di tutta l'ingegneria dell'informazione e della computer science. Partendo dalla teoria di Markov (di nuovo) definisce quantitativamente l'informazione, l'informazione mutua e ne capisce i legami con l'entropia e quindi con l'energia. Dal suo lavoro consegue che l’informazione “analogica” non può esistere perché implicherebbe una quantità di informazioni infinita. Definisce il modello del canale di trasmissione numerico (probabilità di errori in out).

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Modello di Shannon e canale AWGN

Se particolarizziamo il modello di Shannon per il caso in cui gli errori sono dovuti solamente al rumore introdotto dall'elettronica del ricevitore otteniamo il "famoso" canale AWGN – Additive White Gaussian Noise. In queste condizioni semplificate dalla teoria di Shannon è possibile definire una capacità massima di un canale trasmissivo: NS= ( + 1)C B log2 → capacità di un canale trasmissivo in bit/s C → "banda" del canale definita in Hz B → energia associata ad un singolo bit trasmesso S → energia del rumore (gaussiano bianco) N La formula permette di capire anche che la capacità aumenta in funzione anche della potenza del segnale ma attraverso un logaritmo. E se si potesse rendere 0 la potenza del rumore allora si dovrebbe avere una capacità infinita, ma questo non è possibile. Il rumore termico nei ricevitori elettronici non è eliminabile, l’unica cosa che si può fare è quella di raffreddare i dispositivi. (Fino agli anni 60 si parla di storia delle trasmissioni).

Kleinrock e Internet

Kleinrock, insieme a Postel, Cerf, Roberts, Baran, Tobagi, Gerla e molti altri pone le basi teoriche per la commutazione di pacchetto e l'accesso a canali condivisi. Questo segna il passaggio tra l’idea di costruire un circuito fisico tra due endpoint per comunicare ed il modello moderno, in cui butto in rete un pacchetto composto info necessarie alla rete per gestirlo. Di nuovo la teoria di Markov è al centro dello sviluppo teorico e i lavori di Erlang fanno da precursori. È il passaggio fondamentale per arrivare alle reti TLC "multiservizio" e non orientate a una conversazione umana. Attraverso le "reti di code" definisce un metodo quantitativo per dimensionare le reti di TLC a commutazione di pacchetto. Definisce i criteri e le prestazioni fondamentali dei protocolli di accesso multiplo a canali di trasmissione condivisi: – Ethernet – 802.11 (Wi-Fi) ... 802.11 viene standardizzato nel 1999, Kleinrock ne ha definito il funzionamento (con Tobagi) e le prestazioni di base in un articolo del 1975!!

Standardizzazione

Le telecomunicazioni e le reti in particolare hanno bisogno di standard per poter funzionare: – metodi, algoritmi e protocolli condivisi e identici tra tutti gli "attori" del sistema – devono esistere "enti" preposti a definire gli standard di funzionamento (ITU, ETSI, FCC, IETF, IRTF, ...). Gli standard devono garantire l'interoperabilità (il passato, la "legacy"), cosa che ha influenzato enormemente lo sviluppo delle TLC.... il famoso "5G" è di fatto un coacervo di modifiche e adattamenti che ancora oggi risentono di ... Erlang e delle comunicazioni "analogiche a circuito"!!!

ITU ed IETF

La International Telecommunication Union (ITU) è un ente di standardizzazione legalmente riconosciuto (ONU) che regolamenta il funzionamento delle reti di telecomunicazione: – Molte delle definizioni date nel corso sono riprese da standard ITU – Gli standard ITU si chiamano “recommendation”.

La Internet Engineering Task Force (IETF) è un ente di standardizzazione di fatto (non legalmente riconosciuto) che definisce il funzionamento dei protocolli che regolano il funzionamento di Internet: – La maggior parte di questo corso è legato agli standard di Internet, chiamati RFC (Request For Comment).

Internet: una panoramica contestualizzata

Dal punto di vista di un utente terminale è l’insieme dei servizi che offre. È un ecosistema aperto in cui chiunque a costi relativamente bassi può vendere o regalare un servizio. Sulla rete telefonica non è possibile fare questo, né tecnicamente e neanche legalmente. Internet NON è un protocollo, è un insieme di terminali (Host) e di sistemi di commutazione ed instradamento dell’informazione (router), basati sull’architettura TCP/IP, che forniscono servizi (web, chat, social). Internet è anche definito come un’infrastruttura di telecomunicazioni per applicazioni distribuite. Internet quindi offre dei servizi di telecomunicazioni alle applicazioni per costruire a loro volta i servizi che offrono.

I servizi dati alle applicazioni sono due:

• Servizio Punto-Punto: Affidabile ed orientato alla connessione; Prima apro una connessione LOGICA tra una sorgente ed una destinazione (quindi devo sapere che esiste la destinazione), poi trasmetto.
• Best Effort: Non orientato alla connessione; Si basa sull’immissione in rete di pacchetti che la rete farà il possibile per consegnare a destinazione (la rete non sa se la destinazione esiste).