Elementi di reti di telecomunicazioni

MARTINA CONTESTABILE INGEGNERIA INFORMATICA A.A. 2021/2022

Elemen di re di telecomunicazioni

1

ti ti

MARTINA CONTESTABILE INGEGNERIA INFORMATICA A.A. 2021/2022

BREVE STORIA DELLE TELECOMUNICAZIONI 14

DEFINIZIONE DI TELECOMUNICAZIONI 14

MORSE E IL TELEGRAFO 14

IL TELEFONO — BELL E MEUCCI 14

RADIO — MARCONI E TESLA 15

DALLE TRASMISSIONI ALLE RETI 15

ERLANG — GESTIONE DEI CLIENTI 15

SHANNON E LA TEORIA DELL'INFORMAZIONE 15

KLEINROCK — INTERNET 16

INTERNET — UNA PANORAMICA CONTESTUALIZZATA 17

COMPONENTI DI UN PROTOCOLLO 18

STRUTTURA «FISICA E COMMERCIALE» DI INTERNET 19

CONCETTI DI BASE - DAI SERVIZI ALLE ARCHITETTURE 21

SERVIZI E FUNZIONI NELLE RETI DI TELECOMUNICAZIONE 21

BANDA, CAPACITÀ, VELOCITÀ 22

TRAFFICO OFFERTO E THROUGHPUT 22

RITARDO DI CONSEGNA 23

COMPONENTI DEL RITARDO 23

PERDITA DI INFORMAZIONE 23

CANALI — MODALIT DI COMUNICAZIONE E TOPOLOGIE 23

RETE DI TELECOMUNICAZIONE 23

INTERNET UNA RETE LOGICA 23

TIPI DI CANALE 24

CANALE PUNTO-PUNTO 24

CANALE MULTI-PUNTO 24

CANALE BROADCAST 24

TOPOLOGIE DELLE RETI 24

MAGLIA COMPLETA 24

ALBERO 24

MAGLIA (MESH) 24

TOPOLOGIA AD ANELLO 25

BUS 25

ARCHITETTURE PROTOCOLLARI 25

MODELLO A STRATI 25

ORIGINI 25

QUALI STUDIARE? 26

2

È À

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ARCHITETTURE DI RETE 26

STRATI O LIVELLI 26

SERVIZI 27

PROTOCOLLI 27

CREAZIONE E GESTIONE DELLE PDU 27

MODELLO DI RIFERIMENTO ISO/OSI 29

LIVELLO 1 - FISICO 29

LIVELLO 2 - COLLEGAMENTO 29

LIVELLO 3 - RETE 29

LIVELLO 4 - TRASPORTO 30

LIVELLO 5 - SESSIONE 30

LIVELLO 6 - PRESENTAZIONE 30

LIVELLO 7 - APPLICAZIONE 31

ARCHITETTURA INTERNET (TCP/IP) 31

STACK NEI NODI 31

IL LIVELLO RETE E IL PROTOCOLLO IPV4 33

LIVELLO DI RETE 33

PACCHETTI, INDIRIZZI, RETI 33

CONSEGNA DIRETTA E INDIRETTA 33

PROSPETTIVA GLOBALE 34

FUNZIONI FONDAMENTALI 34

INSTRADAMENTO (ROUTING) «COMPLEMENTI» 34

↝

INOLTRO (FORWARDING) 34

RELAZIONE TRA ROUTING E FORWARDING 34

SCHEMA DI ARCHITETTURA DEI ROUTER 34

IL DATAGRAMMA IP 34

FORMATO DEL DATAGRAMMA IP 34

FORMATO DEI DATAGRAMMI IPV4 35

MTU E FRAMMENTAZIONE 35

MTUS DI ALCUNE TECNOLOGIE 36

STRUTTURA E USO DEGLI INDIRIZZI IPV4 36

INDIRIZZI IP 36

SCHEMA DI INDIRIZZAMENTO IP 36

LA NOTAZIONE DOTTED DECIMAL 36

LA STRUTTURA DEGLI INDIRIZZI IP 37

LA «SUBNET MASKS» 37

3

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SUBNET MASK E INDIRIZZI 37

SUBNET E ROUTER 38

INDIRIZZI UNICAST 38

ROUTERS E INDIRIZZI IP 38

INDIRIZZI PRIVATI E SPECIALI 38

INDIRIZZI PUBBLICI E PRIVATI 38

INDIRIZZI PRIVATI 39

ESEMPIO DI USO DI INDIRIZZI PRIVATI 39

INDIRIZZI IP «SPECIALI» 39

INDIRIZZO DI RETE 40

INDIRIZZO BROADCAST DIRETTO 41

INDIRIZZO «LIMITED BROADCAST» 41

INDIRIZZO «QUESTO HOST» 41

INDIRIZZI DI LOOPBACK 41

INDIRIZZI MULTICAST 41

ROUTING MULTICAST 42

TABELLA RIASSUNTIVA DEGLI INDIRIZZI IP 42

INDIRIZZAMENTO A CLASSI 42

PROTOCOLLI DI SUPPORTO A IP - ICMP, DHCP 43

IP HA BISOGNO DI SUPPORTO? 43

ICMP — INTERNET CONTROL MESSAGE PROTOCOL 43

MESSAGGI DI CONTROLLO, SEGNALAZIONE, ERRORE AL LIVELLO IP 43

INTERNET CONTROL MESSAGE PROTOCOL 43

ALCUNI MESSAGGI ICMP 43

ICMP: FORMATO E INCAPSULAMENTO 44

GESTIONE DATAGRAM E MESSAGGI ICMP 44

USO DI ICMP 44

DHCP — DYNAMIC HOST CONFIGURATION PROTOCOL 44

CONFIGURAZIONE AUTOMATICA DI UN HOST/NODO QUANDO SI COLLEGA A UNA SUBNET

44 PARAMETRI DI CONFIGURAZIONE 44

DHCP UN PROTOCOLLO CLIENT-SERVER 44

FUNZIONAMENTO DI BASE 45

FORMATO MESSAGGIO DHCP 45

ASSEGNAZIONE E GESTIONE DEGLI INDIRIZZI 45

LEASE E RINNOVO DEGLI INDIRIZZI 46

ALTRE OPERAZIONI 46

4

È MARTINA CONTESTABILE INGEGNERIA INFORMATICA A.A. 2021/2022

NAT — NETWORK ADDRESS TRANSLATION 46

NAT PERCH E DOVE 46

IL PROBLEMA 46

NAT OUTBOUND E BIDIREZIONALE 46

BASIC NAT 47

NETWORK ADDRESS PORT TRANSLATION (NAPT) 47

IDENTIFICARE UN «FLUSSO» 47

APPLICAZIONI, PORTE E FLUSSI 47

NAPT 48

ALTRE CONSIDERAZIONI 48

CRITERI ED ESEMPI DI ASSEGNAZIONE DEGLI INDIRIZZI IP 49

TANTO CI PENSA DHCP 49

UNA LAN, UNA SUBNET? 49

SUBNET MINIMA 49

CONFIGURAZIONE DI UNA RETE — ESEMPIO 50

PRIMO PUNTO 50

PRIMO PUNTO - ALTERNATIVA 50

SECONDO PUNTO 50

TERZO PUNTO 50

PER CONCLUDERE 51

TABELLE DI ROUTING 51

FORMATO DI UNA TABELLA DI ROUTING 51

ESEMPIO 51

STATISTICHE RACCOLTE COL COMANDO PING PROGETTO DI MISURA 52

FUNZIONAMENTO DI PING 52

PING DI GOOGLE 52

DNS DI GOOGLE 53

TRACEROUTE DI GOOGLE — RETE DI CASA 53

TRACEROUTE DI GOOGLE — RETE UNIBS 53

PING DEL SITO DELL’UNIVERSITÀ COLUMBIA 54

TRACEROUTE DELL’UNIVERSITÀ COLUMBIA 54

TRACEROUTE DI UNIBS.IT 55

TRACEROUTE DI UCLA 55

TRACEROUTE LA REPUBBLICA — RETE UNIBS 56

TRACEROUTE DI LA REPUBBLICA — RETE DI CASA 56

NSLOOKUP DI LA REPUBBLICA 57

5

É

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DEFINIZIONI 57

PROGETTO 58

IL LIVELLO RETE OLTRE IPV4 - IPV6 59

INEFFICIENZA DELL’HEADER IPV4 59

LIMITI DI SICUREZZA DI IPV4 59

NIENTE SUPPORTO ALLA MOBILIT IN IPV4 59

FORMATO DELL’HEADER IPV6 59

FORMATO INDIRIZZI IPV6 60

NEXT HEADER — LENGTH 60

FRAMMENTAZIONE 60

EXTENSION HEADER 60

HEADERS ORDER 61

EXTENSION HEADER PROCESSING 61

ROUTING HEADER 61

HEADER NON END-TO-END — ROUTING HEADER 61

HOP-BY-HOP E DESTINATION OPTIONS HEADER 61

HEADER END-TO-END DESTINATION OPTIONS 62

AUTHENTICATION HEADER E ESP 62

DHCPV6 62

CONSIDERAZIONI (QUASI) FINALI 62

LIVELLI COLLEGAMENTO E FISICO — «FRAMING» E CODICI DI CONTROLLO ERRORI 63

LIVELLO DATA LINK 63

VISIBILIT DELLA RETE DEL LIVELLO 2 63

SERVIZI OFFERTI AL LIVELLO SUPERIORE 63

DOV’È IMPLEMENTATO IL LIVELLO DATA LINK (DL)? 64

COSA OFFRE IL LIVELLO FISICO A DL 64

FUNZIONI DI COMPETENZA DEL LIVELLO 2 65

FRAMING 65

MODALITÀ DI FRAMING 65

CHARACTER STUFFING 65

BIT STUFFING 65

VIOLAZIONE DEL LIVELLO FISICO — PHYSICAL LAYER CODING VIOLATIONS 66

RILEVAZIONE DEGLI ERRORI (RESIDUI) 66

RILEVARE/CORREGGERE ERRORI 66

RILEVAZIONE DEGLI ERRORI 66

POSSIBILI CHECKSUM 67

6

À À

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CODICI DI PARITÀ 67

CODICI DI RIDONDANZA CICLICA 68

CONTROLLO DI FLUSSO 69

VELOCITÀ DI TRASMISSIONE 69

CONTROLLO DI FLUSSO (LIVELLO 2-HIGH) 69

MEDIUM ACCESS CONTROL — MAC 69

MAC — UN SOTTO-LIVELLO A SÉ (LIVELLO 2-LOW) 69

DEFINIZIONE DEL PROBLEMA 70

TECNICHE DI ALLOCAZIONE DEL CANALE 70

ALLOCAZIONE STATICA 70

ALLOCAZIONE DINAMICA 70

PRINCIPI DEI PROTOCOLLI A CONTESA 71

ACCESSO AL MEZZO — COORDINAMENTO 71

PERCHÉ USIAMO PROTOCOLLI A CONTESA 71

PRINCIPI DEI PROTOCOLLI A CONTESA 71

PROTOCOLLI AD ACCESSO MULTIPLO 72

ALLOCAZIONE DINAMICA CON CONTESA 72

RICHIAMI SUL PROCESSO DEGLI ARRIVI DI POISSON 72

ALOHA «PURO» — TEMPO CONTINUO 73

PERIODO DI VULNERABILITÀ DI UNA TRAMA 73

PRESTAZIONI 73

THROUGHPUT 74

SLOTTED ALOHA 74

THROUGHPUT 75

CARRIER SENSE MULTIPLE ACCESS — CSMA 75

MODALIT P-PERSISTENT 75

PERIODO DI VULNERABILIT 76

CONFRONTO EFFICIENZA ALGORITMI PER LA CONTESA 76

COLLISION DETECTION — CSMA-CD 76

COLLISION AVOIDANCE — CSMA-CA 76

ARP, ETHERNET, WI-FI 77

TRAME E RISOLUZIONE INDIRIZZI ARP 77

INCAPSULAMENTO E INDIRIZZI MAC 77

RISOLUZIONE DEGLI INDIRIZZI 77

ARP – ADDRESS RESOLUTION PROTOCOL 77

FORMATO DEI MESSAGGI 78

7

À À

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PROCESSING E CACHING 78

PROXY ARP 79

ETHERNET E PPP 79

LAN E RETI DI ACCESSO 79

ETHERNET E STANDARD IEEE 802.3 79

GESTIONE COLLISIONI 79

IL PROGETTO ORIGINALE 80

ROUND TRIP DELAY 80

PRESTAZIONI CSMA/CD 80

COLLISION DETECTION 80

PRESTAZIONI 80

PRESTAZIONI DI ETHERNET 81

FORMATO DELLA TRAMA ETHERNET 81

TOPOLOGIA 81

PARAMETRI DI PROGETTO 81

LIVELLO FISICO 82

10 BASE 5 82

10 BASE 2 82

10 BASE T 82

10 BASE FL O FB O FP 82

EVOLUZIONE DI ETHERNET (802.3) 82

OLTRE IL MEZZO CONDIVISO 83

DOMINI DI COLLISIONE E BROADCAST 83

REPEATER E HUB 83

BRIDGE 83

SCHEMA DI UN BRIDGE 84

EVOLUZIONE — SWITCH «L2» 84

SCHEMA DI UNO SWITCH 84

PPP — CARATTERISTICHE 84

PPP — FORMATO DELLA TRAMA 85

PPP — ACCESSO CON MODEM 85

PPP — ACCESSO CON MODEM E ADSL 85

WI-FI - CSMA/CA 86

WI-FI ... 802.11 86

802.11G/H/N/A/B/AC/AD/AX/... 86

ARCHITETTURA 802.11 86

8

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ARCHITETTURA DI RIFERIMENTO 802.11 87

TERMINOLOGIA 87

ARCHITETTURA PROTOCOLLARE 87

FARE CD IMPOSSIBILE 87

802.11 MAC 88

INTER FRAME SPACES — IFS 88

FUNZIONAMENTO BASE — CANALE LIBERO 88

FUNZIONAMENTO BASE — CANALE OCCUPATO 88

PROBLEMA DEL TERMINALE NASCOSTO 89

MAC HANDSHAKING 89

PROBLEMA DEL TERMINALE ESPOSTO 89

LIVELLO TRASPORTO - LA COMUNICAZIONE END-TO-END 90

PROTOCOLLI DI TRASPORTO 90

LIVELLO TRASPORTO IN INTERNET 90

POSIZIONAMENTO E VISIONE 90

VISIONE D’INSIEME 90

UDP VS TCP 90

UDP E TCP 90

SOLO TCP 90

GENERALIT 91

INDIRIZZAMENTO — MUX/DEMUX 91

IDENTIFICARE UN «FLUSSO» 91

UDP 91

USER DATAGRAM PROTOCOL 91

FORMATO DEI SEGMENTI UDP 91

UDP VS IP 92

PERCHÉ USARE UDP 92

PERCHÉ È POCO USATO? 92

TRASPORTO AFFIDABILE 92

TECNICHE ARQ E PROTOCOLLI A FINESTRA 92

STOP AND WAIT 93

FINESTRE MULTI-PDU 93

FINESTRA DI TRASMISSIONE 93

FINESTRA DI RICEZIONE 94

FINESTRA DI RICEZIONE UNITARIA 94

SEMANTICA DEI PACCHETTI DI RISCONTRO 94

9

È À

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PIGGYBACKING 94

FINESTRA DI RICEZIONE > 1 95

NUMERAZIONE PDU 95

NUMERAZIONE PDU E FINESTRE 97

UN ESEMPIO CON 97

SELECTIVE REPEAT 97

PRESTAZIONI PROTOCOLLI A FINESTRA 98

STOP AND WAIT 98

FINESTRA > 1 PIPELINING 98

PIPELINING — AUMENTO DELL’UTILIZZO 98

TRANSMISSION CONTROL PROTOCOL - TCP 98

TRANSMISSION CONTROL PROTOCOL 98

RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI 98

COMPITI 99

IDENTIFICAZIONE DELLE CONNESSIONI 99

TRASMETTITORE TCP 99

RICEVITORE TCP 99

RICEZIONE SEGMENTI 100

RIASSUNTO GENERAZIONE ACK 100

THROUGHPUT (PRESTAZIONI) OTTENIBILE 100

CONTROLLO DI FLUSSO 100

CONTROLLO DI CONGESTIONE 101

LA PDU TCP 101

TOP HEADER 101

NUMERI DI SEQUENZA E DI ACK 101

TOP HEADER 102

FINESTRA E THROUGHPUT 102

TCP HEADER 102

INSTAURAZIONE DELLA CONNESSIONE 102

MAXIMUM SEGMENT SIZE — MSS 103

COME SI CALCOLA? 103

TERMINAZIONE DELLA CONNESSIONE 103

TERMINAZIONE CON RST 103

CALCOLO DEL TIMEOUT — RTO 103

STIMA DEL VALOR MEDIO DI RTT 103

STIMA DELLA VARIANZA DI RTT 104

10

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GESTIONE DI RTO 104

GESTIONE DI RTO IN PRESENZA DI PERDITE 104

RTT E RTO — TIMESTAMP 105

CONGESTIONE 105

GENERALITÀ 105

CAUSE 105

CAUSE/COSTI DELLA CONGESTIONE 105

APPROCCI AL CONTROLLO DELLA CONGESTIONE 106

I BUFFER AUMENTANO RTT 106

CONGESTION WINDOW — CWND 106

ALGORITMI DI CONTROLLO DELLA CONGESTIONE 106

SLOW START 106

CONGESTION AVOIDANCE 107

EVOLUZIONE DELLA CWND 107

ALGORITMO CRESCITA CWND E TRASMISSIONE 107

EVOLUZIONE CWND SENZA PERDITE 107

THROUGHPUT 109

RECUPERO DELLE PERDITE 109

RECUPERO CON RTO 110

RECUPERO CON RTO E PERDITE MULTIPLE 110

RECUPERO CON FAST RETRANSMIT 110

RECUPERO CON FAST RETRANSMIT E PERDITE MULTIPLE 110

RECUPERO CON FAST RETRANSMIT / RTO 110

FAST RECOVERY 111

RECUPERO CON FAST RECOVERY 111

RIASSUMENDO 111

CRESCITA FINESTRA 111

IMPLEMENTAZIONI NON STANDARD 112

EQUITÀ DI TCP 112

TCP È EQUO? 112

LIVELLO APPLICAZIONE — PRINCIPI GENERALI E DNS 113

A COSA SERVONO? 113

IL TRAFFICO IN RETE CAMBIA 113

CREARE APPLICAZIONI (IN RETE) 113

ARCHITETTURE DELLE APPLICAZIONI 113

ARCHITETTURA CLIENT-SERVER 113

11

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ARCHITETTURA P2P PURA 113

IBRIDI (MIX CLIENT-SERVER E P2P) 114

CLOUD/FOG/EDGE/... COMPUTING 114

PROCESSI COMUNICANTI 114

CHE SERVIZIO DI TRASPORTO RICHIEDE UN’APPLICAZIONE? 114

ALCUNI REQUISITI 114

DOMAIN NAME SYSTEM — DNS 115

NOMI A DOMINIO E URL 115

DNS — DOMAIN NAME SYSTEM 115

DATABASE: STRUTTURA AD ALBERO 115

FQDN E PQDN 115

DATABASE DISTRIBUITI E GERARCHICI 115

DNS 116

SERVER DNS RADICE 116

SERVER TLD E SERVER DI COMPETENZA 116

SERVER DNS LOCALE 116

ESEMPIO 116

CACHING E AGGIORNAMENTO DEI RECORD 117

RECORD DNS 117

MESSAGGI DNS 117

LEZIONE 19 — LIVELLO APPLICAZIONE - HTTP 118

HYPERTEXT TRANSFER PROTOCOL 118

WEB — HTML E HTTP 118

PANORAMICA SU HTTP 118

CONNESSIONI HTTP 118

CONNESSIONI NON PERSISTENTI 119

CALCOLO DEL TEMPO DI RISPOSTA 119

CONNESSIONI PERSISTENTI 119

CALCOLO DEL TEMPO DI RISPOSTA IN PIPELINING 120

MESSAGGI HTTP 120

RICHIESTE HTTP — FORMATO GENERALE 120

UPLOAD DELL’INPUT IN UN FORM 120

HTTP/1.0 E HTTP/1.1 — METODI 120

MESSAGGIO DI RISPOSTA HTTP 121

CODICI DI STATO DELLA RISPOSTA HTTP 121

INTERAZIONE UTENTE SERVER — I COOKIE 121

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COOKIE 122

CACHE WEB (E SERVER PROXY) 122

GET CONDIZIONALE 122

SERVER PROXY 122

HTTP/2 122

POSTA ELETTRONICA, FILE TRANSFER 123

POSTA ELETTRONICA 123

SERVER DI POSTA 123

SMTP [RFC 2821] 123

ALICE INVIA UN MESSAGGIO A ROBERTO 123

ESEMPIO DI INTERAZIONE SMTP 124

NOTE FINALI 124

FORMATO DEI MESSAGGI 124

ESTENSIONE A MESSAGGI MULTIMEDIALI 124

MESSAGGIO RICEVUTO 124

PROTOCOLLI DI ACCESSO ALLA POSTA 125

FTP — FILE TRANSFER PROTOCOL 125

CONNESSIONE DI CONTROLLO CONNESSIONE DATI 125

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BREVE STORIA DELLE TELECOMUNICAZIONI

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».

DEFINIZIONE DI TELECOMUNICAZIONI

Si intende il trasporto dell'informazione attraverso sistemi di tipo elettromagnetico nello spazio,

come tensione/corrente su li conduttori, onde radio (guidate e non), segnali luminosi (guidati e

non), ecc.

Le somiglianze — tempo/spazio — sono sorprendenti.

Gran parte delle cose che discutiamo su internet possono essere riarrangiati per parlare di

storage, archiviazione, come dischi/nastri magnetici, memorie a semiconduttori...

MORSE E IL TELEGRAFO

Si parla di comunicazione moderna con l’invenzione del telegrafo, che è considerato come il

primo sistema «strutturato» — USA, 1837 — di comunicazione elettrica.

Tuttavia, Samuel Morse era un pittore.

Nella storia sono noti diversi «precursori» artigianali o di derivazione «visiva» come le

comunicazioni con bandiere tra le navi. I popoli del mediterraneo usavano torri in vista con segnali

luminosi per comunicare invasioni di pirati. Napoleone, a sua volta, sviluppò questo concetto

creando torri mobili.

Il primo cavo telegra co transoceanico funzionante fu creato nel 1866 (UK-US).

Per chi voleva usarlo, la tari a era di 5 USD a parola. Rimase in funzione no al 1960 ca.

IL TELEFONO — BELL E MEUCCI

Il telefono analogico essenzialmente un trasduttore: trasforma l'ampiezza di un'onda di

pressione in aria in una intensit di corrente, e viceversa.

Richiede ampli cazione ogni pochi km e il rumore aumenta a ogni ampli catore.

Con il telefono nascono le prime «reti» fatte di linee di trasmissione e punti di commutazione (di

circuito) che riservano le risorse, creando un circuito da sorgente a destinazione.

Analogica È una grandezza che varia con continuità: una variabile analogica può assumere un

numero in nito di valori (ad esempio la distanza tra due punti nello spazio può

assumere un numero in nito di valori).

Digitale È una grandezza che varia «a salti»: una variabile digitale può assumere solo un

numero nito di valori (la durata di un giorno — ad esempio, può assumere solo uno

degli 85.000 valori se usiamo l’unità «secondo», uno dei 850 mila valori se usiamo i

decimi di secondo oppure uno degli 8 milioni e 500 mila se usassimo i centesimi di

secondo; tante possibilità ma pur sempre nite, determinate).

Tra le due opzioni, è preferibile la comunicazione numerica.

Talvolta, nelle traduzioni dall'inglese del termine digital, si riscontra l'utilizzo dell'aggettivo

numerico anziché digitale. Questa scelta evita di ricorrere a quello che, da alcuni, viene ritenuto un

digitus

«go o calco» — bisognerebbe però considerare che l'inglese «digit» deriva dal latino e

digitus, nel senso di cifra, fu usato per la prima volta oltre mille anni fa da Gerberto d'Aurillac, il

futuro papa Silvestro II; tuttavia il termine corretto è digitale, questo perché:

Da decenni digitale è la parola italiana contrapposta