Network Technologies

UNIVERSITÀ DEL SALENTO

Department of Innovation Engineering

Master’s degree in Computer Engineering

Network Technologies

Network Technologies

Dott. Marco Chiarelli

Academic Year 2016/2017 1

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Network Technologies at UNISALENTO. Ad ogni modo i diritti di talune foto sono del prof.

Giovanni Ciccarese, e non me ne assumo alcuna responsabilità dal cattivo utilizzo. Si tratta di

materiale pubblicamente accessibile: http://www.ingegneria.unisalento.it/scheda docente/

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Dei contenuti rielaborati in questa opera, salvo esplicitamente scritto il contrario, il prof.

Giovanni Ciccarese non se ne assume alcuna responsabilità.

2

Sommario

Le seguenti dispense vogliono essere un resoconto didattico del corso di Network

Technologies, il quale docente è il prof. Giovanni Ciccarese, presso il CdL in In-

gegneria Informatica at Unisalento. L’obiettivo dell’intero corso è la Progettazione

di Reti ad Alta Disponibilità. Prima di arrivare a coprire il fulcro del corso il pro-

gramma ha previsto lo studio dei Sistemi a Coda atti a descrivere degli scenari tipici

di utilizzo delle Reti, in concomitanza ad una rivisitazione delle moderne tecnologie

di rete allo Stato dell’Arte. In particolare nel corso vengono trattati i concetti di

Affidabilità e Disponibilità e vengono approfondite le loro differenze e le loro re-

lazioni, permettendo quindi di conoscere dei concetti che possono essere utilizzati a

più ampio spettro in qualsiasi ambito ingegneristico che si possa reputare tale. Il

seguente lavoro non ha la pretesa di sistematizzare in maniera esatta ciò che è stato

fatto a lezione, sebbene l’impostazione di base cerca di seguire fedelmente ogni sin-

gola lezione che è stata erogata. Piuttosto cerca di raccogliere in maniera sintetica

ma al contempo esaustiva gli aspetti chiave della Progettazione di Reti, fornendo un

apposito background ingegneristico incrementale che permetta una maggiore com-

prensione e chiarezza degli argomenti principali del corso. Al contempo vengono

anche forniti numerosi esercizi e vengono coperte esaustive esercitazioni su quanto

fatto di teorico a lezione, lasciando un importante messaggio al lettore, una realtà

vera in generale, ma ancora di più nelle Reti; ovvero che non si può prescindere dal

saper destreggiarsi negli aspetti veramente pratici della progettazione per padroneg-

giarla veramente. 3

Abstract

The following work wants to be a report about the Network Technologies course,

whose teacher is the prof. Giovanni Ciccarese, at Computer Engineering, Unisalento.

The program covers three macro-topics: the Queueing Theory, Design of High-

Availability Network and an important review about the State of Art about modern

Network Technologies. In this work are described both theoretical and practical

aspects. In fact there are many exercises covering these topics. It won’t system-

atize the entire work done at lessons in an exact manner, despite the base setting

try to follow each lessons that has been delivered to us. It tries to gather the key

aspects of the High-Availability Network Design, and to reorder some difficult no-

tions. Moreover it tries to give an help for the preparation of an eventual didactic

exam that requires the knowledge about these notions and the related practical

applications/homework/exercises. 4

Indice

Prefazione all’edizione italiana iii

Introduzione iv

1 Network Technologies 1

1.1 CONGESTIONE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.1.1 TCP TRAFFIC CONTROL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.2 X-CASTING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.2.1 MULTICAST . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.2.2 BROADCAST . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.2.3 MULTICASTING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.3 IPv6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.3.1 Tipi di indirizzi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.3.2 AUTOCONFIGURAZIONE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.3.3 Formato del pacchetto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.3.4 TRANSIZIONE IPv4-IPv6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.4 MULTIMEDIA e QoS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.4.1 Multimedia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.4.2 QoS - Quality of Service . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

1.4.3 IntServ model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

1.4.4 DiffServ model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

1.4.5 RECAP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2 TEORIA DELLE CODE 22

2.1 PROCESSI STOCASTICI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2.1.1 CATENE DI MARKOV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2.1.2 Probabilità a regime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.1.3 ERGODICITÀ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

2.1.4 CMTC Nascita e Morte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

2.1.5 PROCESSO DI POISSON . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

2.1.6 RITARDO NELLE RETI DI DATI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

2.2 SISTEMI A CODA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

2.2.1 Sistema a coda M/M/1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

2.2.2 Sistemi a coda M/M/m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

2.2.3 Sistemi a coda M/M/inf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

3 Affidabilità e Disponibilità 63

3.1 Starting Point . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

3.1.1 Exercise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

5

3.1.2 Ridondanza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

3.2 Affidabilità . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

3.3 Disponibilità . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

3.4 RBD (Reliability Block Diagram) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

3.4.1 Struttura SERIE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

3.4.2 Struttura PARALLELO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

3.4.3 Struttura k-out-of-n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

3.4.4 Network Lecce-Torino (Exercise) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

3.4.5 SYSTEM RELIABILITY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

3.4.6 ABD (Availability Block Diagram) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

3.5 CMTC e Affidabilità . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

3.5.1 Stati Assorbenti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

3.6 Markov Reward Model (MRM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

3.6.1 Markov Reward Model (MRM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

3.6.2 Analisi Combinata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

3.6.3 RECAP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

4 Reti di Code 103

4.1 Starting Point . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

4.1.1 Client-Server System Exercise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

4.1.2 RECAP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

4.2 RETI DI CODE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

4.2.1 RETE DI CODE APERTA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110

4.2.2 Feed-Forward (Reti di code ACICLICHE) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

4.2.3 Reti di code CICLICHE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

4.2.4 Reti BCMP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120

4.2.5 RECAP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124

4.3 Reti di dati . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124

4.3.1 Exercise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126

4.3.2 Response-Time Blocks (RTB) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129

5 Network Technologies 2 131

5.1 (Rapid)STP - Spanning Tree Protocol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131

5.1.1 Funzionamento STP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131

5.2 LAN Virtuali (VLAN) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135

5.2.1 Configurazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

5.2.2 Private Virtual LAN (PVLAN) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138

5.3 NETWORK DESIGN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138

5.3.1 Progettazione di rete ad Alta Disponibilità . . . . . . . . . . . . . . . . . 138

5.3.2 FAULT-TOLERANCE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

5.3.3 Network Design in pratica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141

5.3.4 Progettazione Gerarchica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144

5.4 Parte Wireless . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146

5.4.1 Funzionamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147

5.4.2 CSMA-CA (Collision Avoidance) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149

5.4.3 Mobilità in IPv6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151

5.4.4 Architetture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152

5.4.5 Progettazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152

5.4.6 Reti Wireless AdHoc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153

5.4.7 VANET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155

6

5.5 MPLS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155

5.5.1 Funzionamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155

5.5.2 QoS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157

5.6 Security . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158

5.6.1 IPSec . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158

5.6.2 Firewall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160

5.6.3 IPSec e Firewall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160

5.6.4 Sicurezza nelle Applicazioni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161

6 Training Facility 162

6.1 Homeworks 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162

6.1.1 Esercizio 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162

6.1.2 Esercizio 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163

6.1.3 Esercizio 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163

6.2 Homeworks 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165

6.2.1 Esercizio 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165

6.2.2 Esercizio 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168

6.2.3 Esercizio 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172

6.3 MTTF of a fiber link . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175

6.4 Response Time Distribution 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178

6.5 Server Load Balancer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180

Appendici 183

6.6 Velocità di Uscita e Tassi di Transizione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183

6.6.1 M/M/1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183

6.6.2 M/M/m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183

6.6.3 Server Farm Exercise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184

6.6.4 Client-Server System Exercise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185

6.6.5 Composite Model Exercise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186

6.7 Tips and Tricks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186

6.7.1 MTTF in Reliability/Availability Computational Models . . . . . . . . . 186

6.7.2 Failure Rate e MTTF in parallelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189

6.8 Trasformate di Laplace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190

6.8.1 Proprietà e Trasformate di Funzioni Notevoli . . . . . . . . . . . . . . . . 190

6.8.2 CMTC with Absorbing States . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191

6.8.3 Homeworks 2-1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191

6.9 Sigle Network Technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192

6.9.1 Sigle IEEE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192

6.9.2 Sigle varie divise per argomento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193

7

8

Ringraziamenti

Un grazie particolare va ai miei compagni

d’università, Dino Sbarro, Gabriele Accarino, Giampiero D’Autilia, Matteo Settembrini, Paolo

Panarese ed Emanuele Costa Cesari.

Nel frattempo.. permetto al lettore di godersi cotanta passione e motivazione verso l’Inge-

gneria.. ii

Prefazione all’edizione italiana

Alcuni anni fa, subito dopo la laurea, avendo ricevuto il mandato di far nascere un filone di

attività nel settore delle reti a commutazione di pacchetto presso quello che allora era l’Istituto

di Elettronica e Telecomunicazioni del Politecnico di Torino, mi fu consigliato di cominciare a

leggere un libro appena uscito, decantandone le qualità di profondità e chiarezza. Il libro era

scritto da quella che stava emergendo come la massima autorità del settore a livello interna-

zionale: il Prof. Leonard Kleinrock del Computer Science Department della mitica University

of California a Los Angeles (UCLA). Due anni dopo, mi ritrovai in mano il libro e di fronte

l’autore in persona, mentre ero ritornato studente molto lontano da casa. Non è quindi senza

una certa emozione che scrivo queste poche righe di prefazione a un libro che per me, come per

moltissimi, è stato una delle pietre miliari della formazione tecnica e culturale. Ciò sia per la

fama dell’autore, sia per la chiarezza dell’esposizione, che antepone sempre la spiegazione intui-

tiva dei fenomeni ad una rigorosa trattazione matematica dei modelli. La traduzione italiana,

giungendo con qualche anno di ritardo rispetto all’edizione originale, ha giustamente tralasciato

quelle parti del secondo volume che hanno maggiormente sofferto per la rapidissima evoluzione

di un settore in continuo divenire. Essa raccoglie in un unico testo tutta la trattazione teorica,

la cui importanza continua a crescere con il passare del tempo, trovando sempre nuovi settori

applicativi. Si può auspicare che la disponibilità del testo in italiano serva a diffondere sempre

di più l’insegnamento della teoria delle code, rendendo cosı̀ possibile un approccio quantitativo

nell’analisi degli aspetti tipici delle telecomunicazioni, dell’informatica e dei trasporti. Da parte

mia un augurio ai lettori: che possano trovare in questo libro il gusto per lo studio quantitativo

dei fenomeni, l’interpretazione dei risultati e la conseguente comprensione del comportamento

dei sistemi. Quest’ultima è, in fondo, l’essenza stessa della ricerca scientifica.

MARCO AJMONE MARSAN

Professore di Reti di Telecomunicazioni

al Politecnico di Torino

Settembre 1991

iii

Introduzione

L’argomento principale del corso è la Progettazione di Reti ad Alta Disponibilità. Vengo-

no coperti gli aspetti fondamentali, ovvero i concetti di Affidabilità e Disponibilità e loro

interrelazioni. Saranno studiate le performance delle reti, supporti alle comunicazioni wireless,

verranno fornite le basi sulla sicurezza, e sarà fatta una importante review sullo Stato dell’Arte

relativo a queste problematiche. Le performance e la sicurezza sono dei requisiti che spesso

entrano in conflitto tra di loro. Si pensi ad esempio a quanto possa essere differente una realtà

universitaria da una realtà bancaria relativamente a questi requisiti. Nella realtà bancaria un

downtime annuale accettabile è di circa 5 minuti. Si parlerà di disponibilità 5-9. Requisiti

{affidabilità,

principali: disponibilità e performance}. Requisiti QoS (Quality of Service).

Reliability and Availability. Un esempio veramente forte ed indicativo del livello tecnologico

delle moderne Reti può essere dato dalle comunicazioni veicolari, ove si sfrutta il protocollo

IEEE 802.11p, che sarebbe informalmente il Wi-Fi esteso al mondo veicolare.. In questi casi vi

è un forte spirito collaborativo in queste particolari reti, chiamate Reti Ad-Hoc.

Negli ultimi anni le reti giocano un ruolo molto importante sulle aziende. Sono motivo di

profitto e produttività. Queste reti, molto critiche, devono soddisfare alcuni requisiti (presta-

zioni, QoS). Performance, mobilità, affidabilità e sicurezza sono i tipici requirements. Internet è

stata messa su servizio QoS. Le reti possono essere molto diverse: si pe