Programmazione di reti - riassunto

Internet e le sue componenti

Internet è una rete di calcolatori che interconnette centinaia di milioni di dispositivi di calcolo in tutto il mondo (PC tradizionali, workstation Linux, server, tablet, smartphone, TV, console di gioco, webcam, automobili, sensori, comici digitali, elettrodomestici e sistemi di sicurezza). In gergo, tutti questi dispositivi sono detti host (ospiti) o sistemi periferici (end system).

Talvolta gli host vengono ulteriormente suddivisi in due categorie: client e server. In modo informale, i client sono host che richiedono dei servizi e tendono a essere PC, smartphone e via dicendo, mentre i server si occupano di erogare dei servizi e sono sostanzialmente macchine più potenti che memorizzano e distribuiscono pagine web o flussi video, ritrasmettono la posta elettronica e così via. La maggior parte dei server da cui riceviamo i risultati delle ricerche, le e-mail, le pagine Web e i video è collocata in grandi data center.

Sistemi periferici e rete di comunicazione

I sistemi periferici sono connessi tra loro tramite una rete di collegamenti (communication link) e commutatori di pacchetti (packet switch). Tali collegamenti possono essere di molti tipi costituiti da varie tipologie di mezzi fisici, tra cui cavi coassiali, fili di rame, fibre ottiche e onde elettromagnetiche. Collegamenti diversi possono trasmettere dati a velocità differenti, e tale velocità di trasmissione (transmission rate) viene misurata in bit/secondo (bps).

Quando un sistema periferico vuole inviare dati a un altro sistema periferico, suddivide i dati in sottoparti e aggiunge un'intestazione a ciascuna di esse: l'insieme delle informazioni risultanti, nel gergo delle reti, viene chiamato pacchetto. I pacchetti sono inviati attraverso la rete alla destinazione, dove vengono riassemblati per ottenere i dati originari.

Commutatori di pacchetto

Un commutatore di pacchetto prende un pacchetto che arriva da uno dei collegamenti in ingresso e lo ritrasmette su uno di quelli in uscita. Esistono commutatori di pacchetto di varia forma e natura, ma i due principali nell'odierna Internet sono i router e i commutatori a livello di collegamento (link-layer switch). Entrambe le tipologie instradano i pacchetti verso la loro destinazione finale. I commutatori a livello di collegamento sono solitamente usati nelle reti di accesso, mentre i router nel nucleo della rete. Dal sistema di invio a quello di ricezione, la sequenza di collegamenti e di commutatori di pacchetto attraversata dal singolo pacchetto è nota come percorso (route o path) attraverso la rete.

Accesso a Internet

Internet service provider (ISP)

I sistemi periferici accedono a Internet tramite i cosiddetti Internet service provider (ISP) che comprendono ISP residenziali quali le compagnie telefoniche, ISP aziendali, ISP universitari e ISP che forniscono accesso WiFi in aeroporti, hotel, bar e altri luoghi pubblici. Un provider è un insieme di commutatori di pacchetto e di collegamenti. Gli ISP forniscono ai sistemi periferici svariati tipi di accesso alla rete, tra cui quello residenziale a larga banda come la DSL, quello in rete locale ad alta velocità, quello senza fili (wireless) e il dial-up a 56 kbps via modem.

Gerarchia degli ISP

Per consentire la comunicazione, i provider di livello gerarchico più basso sono interconnessi a quelli nazionali e internazionali di livello più alto, quali Level 3 Communication, AT&T, Sprint e NTT. Un ISP di livello superiore è costituito da router ad alta velocità interconnessi tipicamente tramite fibra ottica. Ciascuna rete di un ISP, sia di alto sia di basso livello, è gestita in modo indipendente, fa uso del protocollo IP e si conforma a determinate convenzioni riguardo a nomi e indirizzi.

Protocolli di rete

Sistemi periferici, commutatori di pacchetto e altre parti di Internet fanno uso di protocolli che controllano l'invio e la ricezione di informazioni all'interno della rete. Due dei principali protocolli Internet sono il transmission control protocol (TCP) e l'Internet protocol (IP). Quest'ultimo specifica il formato dei pacchetti scambiati tra router e sistemi periferici. I principali protocolli Internet sono noti con il nome collettivo di TCP/IP.

Standard di Internet

Data la loro importanza per Internet, un accordo sulle funzioni svolte da ogni singolo protocollo risulta fondamentale. Ecco dove entrano in gioco gli standard. Gli standard di Internet vengono sviluppati dall'Internet Engineering Task Force (IETF). I documenti sugli standard di Internet vengono detti request for comment (RFC). Inizialmente si trattava di richieste generiche di commenti (da cui il nome) per risolvere problemi architetturali sulle reti precedenti a Internet. Gli RFC tendono a essere piuttosto tecnici e dettagliati. Essi definiscono vari protocolli tra cui TCP, IP, HTTP (per il Web) e SMTP (per la posta elettronica). Esistono attualmente più di seimila RFC.

Altri enti di standardizzazione

Anche altri enti specificano standard per i componenti di rete, in particolare per i collegamenti di rete. L'IEEE 802 LAN/MAN Standards Committee, per esempio, specifica gli standard per Ethernet e wireless Wi-Fi.

Servizi e applicazioni di Internet

È anche possibile descrivere Internet da un punto di vista completamente diverso, cioè come un'infrastruttura che fornisce servizi alle applicazioni. Tali applicazioni includono posta elettronica, navigazione sul Web, social network, messaggistica istantanea, telefonia su Internet (VoIP), streaming video, giochi distribuiti, condivisione di file su base peer-to-peer (P2P), televisione su Internet, autenticazione remota e molto altro ancora. Queste applicazioni sono dette applicazioni distribuite, in quanto coinvolgono più sistemi periferici che si scambiano reciprocamente dati.

L'aspetto più rilevante è che le applicazioni per Internet vengono eseguite sui sistemi periferici e non sui commutatori di pacchetto del nucleo della rete. Sebbene i commutatori di pacchetto consentano lo scambio di dati tra sistemi periferici, non hanno a che fare con le applicazioni che sono sorgenti e destinazioni dei dati.

API e comunicazione tra sistemi

I sistemi periferici collegati a Internet forniscono delle API (application programming interface), che specificano come il pezzo di software eseguito su un sistema periferico possa chiedere a Internet di recapitare dati a un altro specifico pezzo di software eseguito su un altro sistema periferico. Le API Internet sono un insieme di regole che il modulo software mittente deve seguire in modo che i dati siano recapitati al programma di destinazione.

Reti di accesso

Definizione

Le reti di accesso (access network) sono la rete che connette fisicamente un sistema al suo edge router (router di bordo), che è il primo router sul percorso dal sistema d'origine a un qualsiasi altro sistema di destinazione collocato al di fuori della stessa rete di accesso.

Accesso residenziale

Il modem DSL dell'utente usa la linea telefonica esistente (doppino telefonico intrecciato in rame) per scambiare dati con un digital subscriber line access multiplex (DSLAM) che si trova nella centrale locale (o central office) della compagnia telefonica. Il modem DSL residenziale converte i dati digitali in toni ad alta frequenza per poterli trasmettere alla centrale locale sul cavo telefonico; tutti i segnali analogici in arrivo dalle abitazioni vengono riconvertiti in formato digitale nel DSLAM.

Le linee telefoniche residenziali trasportano contemporaneamente dati e segnali telefonici tradizionali codificandoli in tre bande di frequenza non sovrapposte:

• Un canale di downstream (verso l'abitazione) ad alta velocità
• Un canale di upstream (verso il DSLAM) a velocità media
• Un canale telefonico ordinario a due vie

Il DSLAM nella centrale locale separa i segnali dei dati da quelli della telefonia e invia i dati su Internet. Centinaia e anche migliaia di abitazioni sono connesse a un unico DSLAM. Gli standard DSL definiscono il tasso di trasmissione in downstream a 12 Mbps e quello in upstream a 1,8 Mbps, o anche 24 Mbps in downstream e 2,5 Mbps in upstream. L'accesso viene detto asimmetrico, perché le velocità di trasmissione in downstream e upstream sono diverse.

Le velocità raggiunte effettivamente in downstream e upstream possono però essere inferiori perché il tasso trasmissione massimo è limitato dalla distanza che intercorre tra l'abitazione e la centrale locale, dalla qualità del materiale con cui è costruito il doppino telefonico e dal grado di interferenza elettrica. La DSL è stata espressamente progettata per distanze piccole tra l'abitazione e la centrale locale.

Accesso via cavo

Mentre la DSL usa le infrastrutture già esistenti della compagnia telefonica locale, l'accesso a Internet via cavo utilizza le infrastrutture esistenti della televisione via cavo. Le fibre ottiche connettono la terminazione del cavo a giunzioni a livello di quartiere, dalle quali viene usato il tradizionale cavo coassiale per la distribuzione televisiva per raggiungere le singole case. Ogni giunzione di quartiere serve generalmente da 500 a 5000 abitazioni. Tale sistema viene spesso chiamato hybrid fiber coax (HFC), in quanto impiega sia la fibra ottica sia il cavo coassiale.

L'accesso a Internet via cavo richiede modem speciali, chiamati cable modem. Così come il modem DSL, anche il cable modem è generalmente un dispositivo esterno che si connette al PC di casa attraverso una porta Ethernet. Alla stazione di testa (cable head end) il sistema di terminazione del cable modem (CMTS) svolge una funzione simile al DSLAM nelle reti DSL: traduce il segnale analogico inviato dai cable modem delle abitazioni in formato digitale.

I cable modem dividono la rete HFC in due canali, un canale in downstream e uno in upstream. Come per la DSL, l'accesso è asimmetrico: al canale in downstream vengono allocati tassi di trasmissione più elevati di quello in upstream (downstream fino a 42,8 Mbps e in upstream fino a 30,7 Mbps). Come nelle reti DSL, la velocità massima potrebbe non essere raggiunta a causa delle condizioni contrattuali o per la bassa qualità del mezzo trasmissivo.

Un'importante caratteristica di HFC è il fatto di rappresentare un mezzo di trasmissione condiviso. In particolare, ciascun pacchetto inviato dalla stazione di testa viaggia sul canale di downstream in tutti i collegamenti e verso ogni abitazione; ciascun pacchetto inviato da un'abitazione viaggia sul canale di upstream verso la stazione di testa. Per questa ragione, se diversi utenti stanno contemporaneamente scaricando un file video sul canale di downstream, l'effettiva velocità alla quale ciascun utente riceve il proprio le video sarà significativamente inferiore rispetto a quella totale del canale di downstream. D'altra parte, se solo pochi utenti stanno navigando in Internet, allora ciascuno di essi potrà effettivamente ricevere pagine web alla massima velocità di downstream.

Accesso a fibra ottica (FTTH)

Sebbene le reti DSL e via cavo rappresentino attualmente più del 90% degli accessi residenziali a banda larga negli Stati Uniti, una tecnologia promettente che vanta velocità ancora maggiori è detta fiber to the home (FTTH). Il concetto di FTTH è semplice: fibra ottica dalla centrale locale direttamente alle abitazioni.

Ci sono diverse tecnologie in competizione per la distribuzione su fibra ottica dalle centrali locali alle abitazioni. La rete di distribuzione ottica più semplice è chiamata fibra diretta, in cui una singola fibra collega una centrale locale a un'abitazione. Di solito però una fibra uscente dalla centrale locale è condivisa da molte abitazioni e solo quando arriva relativamente vicina alle abitazioni viene suddivisa in più fibre, ognuna dedicata a un utente.

Architetture di rete FTTH

Vi sono due architetture che eseguono questa suddivisione: le reti ottiche attive (AON) e quelle passive (PON). Quelle AON sono essenzialmente Ethernet commutate. Nell'FTTH usata nell'architettura di distribuzione PON, ogni abitazione ha un terminatore ottico chiamato optical network terminator (ONT), connesso a un separatore ottico (splitter) di quartiere tramite una fibra ottica dedicata. Lo splitter combina più abitazioni (generalmente meno di 100) in una singola fibra ottica condivisa, che si connette a un altro terminatore che prende il nome di optical line terminator (OLT), situato nella centrale locale della compagnia telefonica. L'OLT fornendo la conversione tra segnali ottici ed elettrici, si connette a Internet tramite un router della compagnia telefonica.

Nell'abitazione gli utenti connettono un router residenziale (generalmente wireless) all'ONT e accedono a Internet. Nell'architettura PON, tutti i pacchetti inviati dall'OLT allo splitter sono replicati dallo splitter (similmente a una stazione di testa nel caso di HFC). La tecnologia può potenzialmente fornire velocità di accesso a Internet di gigabit al secondo. Tuttavia, la maggior parte degli ISP FTTH offre velocità diverse, con le più alte, naturalmente, a prezzi maggiori.

Accesso satellitare e dial-up

Nelle località in cui non sono disponibili le reti DSL, via cavo e FTTH, è utilizzabile un collegamento satellitare per connettere un'abitazione a Internet a velocità maggiori di 1 Mbps. L'accesso in dial-up su linee telefoniche tradizionali è basato sullo stesso modello della DSL: un modem in casa dell'utente si connette a un modem dell'ISP su una linea telefonica. L'accesso dial-up, se paragonato a reti di accesso a larga banda come la DSL, è terribilmente lento con i suoi 56 kbps.

Accesso aziendale

Nelle aziende e nelle università per collegare i sistemi periferici al router di bordo si utilizza una rete locale (LAN, local area network). Esistono molti tipi di LAN, ma la tecnologia Ethernet è attualmente la più utilizzata.

Ethernet utilizza un doppino di rame intrecciato per collegare numerosi sistemi periferici tra loro e connetterli a uno switch Ethernet. Lo switch, o una rete di apparati simili, viene poi a sua volta connesso a Internet. L'acceso tramite Ethernet ha generalmente velocità di 100 Mbps, che possono arrivare fino a 1 o anche 10 Gbps.

Sempre più utenti accedono a Internet via wireless da computer portatili, smartphone, tablet e altri dispositivi. In una LAN wireless gli utenti trasmettono e ricevono pacchetti da e verso un access point wireless (detto anche stazione base o base station) entro un raggio di poche decine metri, connesso a una rete aziendale, che probabilmente include una rete Ethernet cablata, ed è a sua volta connessa a Internet. Le LAN wireless (basate sulla tecnologia IEEE 802.11, nota anche come Wi-Fi) forniscono una velocità trasmissiva condivisa di 54 Mbps.

Accesso wireless su scala geografica: 3G e LTE

I dispositivi provvisti di 3G o LTE utilizzano la stessa infrastruttura wireless usata dalla telefonia cellulare per inviare/ricevere pacchetti tramite una stazione base gestita da un fornitore di telefonia cellulare. A differenza del WiFi, l'utente può trovarsi a poche decine chilometri dalla stazione base, invece che a poche decine di metri.

Mezzi trasmissivi

Definizione

Per definire che cosa si intenda con mezzo fisico facciamo una riflessione sulla breve esistenza di un bit che viaggia da un sistema periferico a un altro, attraversando una serie di collegamenti e router. Il bit viene ritrasmesso più volte. Il sistema di origine è il primo a trasmettere il bit che, poco dopo, sarà ricevuto dal primo router della sequenza; questi lo ritrasmetterà al secondo router che provvederà a inviarlo al successivo router, e così via. Pertanto il nostro bit, quando viaggia dalla sorgente alla destinazione, passa per una serie di coppie trasmettitore-ricevitore, propagandosi dall'uno all'altro sotto forma di onda elettromagnetica o impulso ottico attraverso un mezzo fisico.

Tipi di mezzi fisici

Il mezzo fisico può presentarsi in differenti fogge e dimensioni e non deve necessariamente essere dello stesso tipo per ogni coppia trasmettitore-ricevitore lungo il percorso. Tra gli esempi di mezzi fisici vi sono il doppino intrecciato, il cavo coassiale, la fibra ottica multimodale, lo spettro radio terrestre e lo spettro radio satellitare.

I mezzi fisici ricadono in due categorie: i mezzi vincolati (guided media) e quelli non vincolati (unguided media). Nei primi, le onde vengono contenute in un mezzo fisico, quale un cavo in fibra ottica, un filo di rame o un cavo coassiale. Nei secondi, le onde si propagano nell'atmosfera e nello spazio terrestre.

Doppino di rame intrecciato

Il mezzo trasmissivo vincolato meno costoso e più utilizzato è il doppino di rame intrecciato, usato da più di un secolo nelle reti telefoniche e comunemente presente nelle case e negli ambienti di lavoro. È costituito da due fili di rame distinti, ciascuno spesso meno di 1 mm, disposti a spirale regolare. I fili vengono intrecciati assieme per ridurre l'interferenza elettrica generata da altre coppie presenti nelle vicinanze. Di regola, un certo numero di doppini viene riunito e avvolto in uno schermo protettivo a formare un cavo. Una coppia di fili costituisce un singolo collegamento di comunicazione.

Le odierne velocità trasmissive di una rete locale che utilizza il doppino variano tra 10 Mbps e 10 Gbps. Tali velocità dipendono dallo spessore del filo e dalla distanza che separa trasmettitore e ricevitore.

Cavo coassiale

Anche il cavo coassiale è costituito da due conduttori di rame, ma questi sono concentrici anziché paralleli. Con questa struttura, e grazie a uno speciale isolamento e schermatura, il cavo coassiale può raggiungere alte frequenze di trasmissione.

Fibra ottica

La fibra ottica è un mezzo sottile e flessibile che conduce impulsi di luce, ci