Reti dei calcolatori - Appunti

1.CAPITOLO

1.1 Che cos’è internet?

E’ davvero impossibile definire internet in una sola frase, in quanto essa è molto

complessa sia in termini dei suoi componenti hardware e software e sia nei servizi che

fornisce.

La internet pubblica è una rete di calcolatori che abbraccia il mondo, cioè una rete

che collega tra loro milioni di unità di calcolo, tra cui PC, stazioni di lavoro basate su

Unix e i cosidetti server che archiviano informazioni come pagine Web e messaggi

email. Tutti gli apparecchi che vengono collegati a internet sono chiamati host o end

system (terminali).

I terminali sono collegati tra loro attraverso link di comunicazione, e che sono

costituiti da diversi tipi di mezzi trasmissivi, compresi cavi coassiali, cavi di rame e

fibre ottiche. Diversi link possono trasmettere dati a differenti velocità, e la velocità di

trasmissione di un link è spesso detta larghezza di banda del link e di solito si

misura in bit/ secondo. Normalmente i terminali non sono collegati direttamente fra di

loro attraverso un singolo link di comunicazione. Essi sono collegati indirettamente

attraverso dispositivi di commutazione detti router. Un router preleva un ‘pezzo’ delle

informazioni che arrivano su uno dei suoi link di comunicazione in ingresso e lo

reindirizza a uno dei suoi link di comunicazione in uscita. Nel gergo del computer

networking ‘il pezzo’ di informazioni è chiamato pacchetto. L’itinerario compiuto dal

pacchetto a partire dal terminale di origine, attraverso una serie di link di

comunicazione e router, fino al terminale ricevente è conosciuto come cammino

(route) o percorso(path) attraverso la rete. Piuttosto di fornire un percorso dedicato

fra terminali in comunicazione tra loro, Internet usa una tecnica conosciuta come

commutazione di pacchetto che permette a più terminali di condividere un

cammino o parte di un cammino.

I terminali accedono a Internet attraverso gli Internet Service Providers (ISP) che

includono gli ISP per utenza residenziale. Ogni ISP è una rete di router e di link di

comunicazione e i diversi ISP forniscono diverse velocità tipi di accesso alla rete. La

rete di ogni ISP, di livello sia superiore sia inferiore, è gestita indipendentemente,

impiega il protocollo IP e aderisce a determinate convenzioni di nomenclatura e

indirizzamento. I terminali eseguono protocolli che controllano l’invio e la ricezione

di informazioni all’interno di Internet. Due dei più importanti protocolli internet sono il

TCP (protocollo di controllo della trasmissione) e l’IP (protocollo internet). Il protocollo

IP specifica il formato dei pacchetti che sono scambiati fra router e fra terminali. I due

protocolli principali di internet sono conosciuti collettivamente come TCP/IP.

Oltre alla rete pubblica, vi sono numerose reti private , i cui host non possono

scambiare messaggi con gli host esterni alla rete privata, a meno che i messaggi non

possano attraversare i cosidetti firewall che servono a selezionare il traffico da e

verso la rete. A queste reti private ci si riferisce di solito come Intranet, poiché usano

gli stessi tipi di host.

Ietf: l’internet Engineering task force si occupa di sviluppare gli standard internet. La

documentazione sugli standard è nota come Request For Comment (RFC), sono

1

molto tecniche e definiscono i protocolli per il TCP, IP.

1.1.2 descrizione del servizio

Internet permette la distribuzione delle applicazioni che girano sui suoi terminali

per scambiare dati fra le diverse unità. Internet inoltre fornisce due servizi per le

applicazioni da esso distribuite:

- un servizio orientato alla connessione: garantisce che i dati trasmessi

saranno consegnati al destinatario nella loro integrità e interezza.

- un servizio senza connessione: non da alcuna garanzia circa l’eventuale

consegna.

Tipicamente un’applicazione distribuita usa l’uno o l’altro di questi servizi e non

entrambi. Attualmente internet, non fornisce alcun servizio che dia garanzia sul tempo

richiesto per spedire i dati dal mittente al destinatario.

1.1.3 Che cos’è un protocollo?

Un protocollo di rete è simile a un protocollo umano, eccezione fatta per le entità che

si scambiano messaggi e compiono azione che sono componenti hardware e software

di alcuni dispositivi. Tutte le attività in Internet che coinvolgono due o più

entità remote atte alla comunicazione sono gestite da un protocollo. Il

protocollo nei router determina il percorso del pacchetto dalla sorgente al destinatario;

i protocolli implementati dal’hardware nelle schede di interfaccia con la rete di due

calcolatori fisicamente connessi controllano il flusso di bit sul cavo fra le due schede di

interfaccia; nei terminali un protocollo di controllo della congestione regola la velocità

con i pacchetti sono trasmessi tra la sorgente e il destinatario.

“ Un protocollo definisce il formato e l’ordine dei messaggi scambiati tra due o più

entità comunicanti, così come le azioni che hanno luogo a seguito della trasmissione

e/o ricezione di un messaggio o di altri eventi.

1.2 SEZIONE DI ACCESSO ALLA RETE

1.2.1 TERMINALI, CLIENT, SERVER

I computer collegati a Internet sono spesso chiamati host o end system o

semplicemente terminali. Ci si riferisce ad essi come terminali perché sono collocati

nella sezione di accesso a Internet. I terminali di internet includono molti tipi diversi di

calcolatori. Ci si riferiscee ad essi anche come host (ospite) perché ospitano

1 In effetti una connessione in internet consiste in nient’altro che buffer allocati e variabili di

stato nei terminali. I commutatori di pacchetto non mantengono alcuna informazione sullo

stato della connessione.

(eseguono) programmi di livello applicativo come i browser del Web, i programmi Web

server o i programmi server. Gli host molte volte sono suddivisi in:

- client: spesso Pc fissi e portatili;

- server: macchine molto molto più potenti che funzionano da server come i

server Web.

Programma client: programma che gira su un altro terminale che richiede e riceve

un servizio da un programma server che gira su un altro terminale. Poiché un client

gira su un calcolatore mentre il server gira su un altro, le applicazioni client/server in

Internet sono, applicazioni distribuite. Il programma client e il programma server

interagiscono tra loro attraverso comunicazioni in Internet. A questo livello di

astrazione i router, i link e altri “componenti” di Internet servono come scatola nera

che trasferisce messaggi tra i diversi componenti per la comunicazione in Internet.

1.2.2 SERVIZIO SENZA CONNESSIONE E SERVIZIO ORIENTATO

ALLA CONNESSIONE

I terminali utilizzano i servizi di Internet per mandarsi messaggi l’un l’altro. Le

caratteristiche dei servizi di comunicazione che internet fornisce ai suoi terminali sono

determinanti.

In particolare le reti TCP/IP, e in particolare Internet, forniscono due tipi di servizio per

le sue applicazioni: un servizio senza connessione e uno orientato alla

connessione. Lo sviluppatore progetta le proprie applicazioni utilizzando uno dei due

servizi

Servizio orientato alla connessione: quando un applicazione utilizza il servizio

orientato alla connessione, il client e il server si scambiano pacchetti di controllo prima

di spedire i pacchetti conteneti i dati reali. Queste cosidette procedure di stretta di

mano (handshaking procedure),allertano client e server, permettendo loro di

prepararsi per l’arrivo massiccio dei pacchetti. Una volta terminata la procedura di

handshakin si dice che la connessione tra i due terminali è instaurata. Si parla di

servizio orientato alla connessione, in quanto, solo i terminali stessi sono consapevoli

di questa connessione; i router (commutatori di pacchetto) all’interno di internet sono

del tutto ignari della connessione. Il servizio orientato alla connessione è raggruppato

con molti altri servizi come:

- trasferimento di dati affidabile: un applicazione può affidarsi a una

connessione per consegnare tutti i suoi dati senza errori e nell’ordine

appropriato. L’affidabilità in internet è ottenuta attraverso l’impiego di segnali di

riscontro e ritrasmissioni; Quando il terminale B riceve un pacchetto da A, invia

un segnale di avvenuta ricezione, quando il terminale A riceve un segnale di

ritorno sa che il corrispondente pacchetto è stato definitivamente ricevuto,

quando il terminale A non ottiene da B il segnale di avvenuta ricezione desume

che il pacchetto non sia stato ricevuto, allora lo ritrasmette;

- controllo del flusso: assicura che nessuna delle due estremità della

connessione satura l’altra con l’invio a velocità eccessiva di troppi pacchetti. Il

servizio di controllo del flusso, in presenza del rischio di saturazione, costringe il

terminale trasmittente a ridurre la sua velocità.

- controllo della congestione: aiuta a prevenire che Internet entri nello stato di

blocco incrociato (gridblock). Quando un router è congestionato, i suoi buffer

sono sovraccaricati e può verificarsi la perdita dei pacchetti. Internet evita

questo problema costringendo i terminali a ridurre la velocità di invio nella rete

dei pacchetti durante i periodi di congestione. E i terminali si accorgono

dell’esistenza di uno stato di congestione nel momento in cui non sono più

raggiunti dai segnali di avvenuta ricezione dei pacchetti spediti.

NB: il servizio orientato alla connessione di Internet è accoppiato a un trasferimento

affidabile, al controllo del flusso e al controllo della congestione, ma tuttavia queste 3

caratteristiche non sono componenti essenziali di un servizio orientato alla

connessione.

Il servizio orientato alla connessione internet ha un nome: TCP (Trasmission control

protocoll). Esso fornisce un servizio di trasferimento dati affidabile, controllo del

flusso e controllo della congestione.

Servizio senza connessione: nel servizio senza connessione su internet non esiste

handshake. Quando un estremità di un’applicazione vuole inviare pacchetti a un’altra,

semplicemente li invia. Poiché manca l’handshake, i dati sono inviati più velocemente

ma non esiste un messaggio di riscontro dell’avvenuta ricezione, così il mittente non

ha mai la certezza di quali pacchetti abbiano raggiunto la destinazione. Inoltre non

sono previsti controllo di flusso e di congestione. Il servizio Internet senza connessione

è fornito dal protocollo UDP (User Datagram Protocol). Tale protocollo viene

utilizzato dalla telefonia internet.

1.3 LA SEZIONE INTERNA DELLA RETE

1.3.1 Commutazione di circuito e commutazione di pacchetto

Esistono due principali tipi di approccio per la costruzione della sezione interna di una

rete: la commutazione di circuito (circuit switching) e la commutazione di

pacchetto(packet switching).Nelle reti a commutazione di circuito le risorse

necessarie lungo un percorso per fornire la comunicazione fra due terminali sono

riservate per la durata della sessione, mentre nelle reti a commutazione di pacchetto,

queste risorse non sono riservate, ovvero i messaggi della sessione usano le risorse a

richiesta e, di conseguenza, devono aspettare per accedere al link di comunicazione.

Un esempio di rete a commutazione di circuito sono le reti telefoniche, mentre

l’attuale internet è un esempio di rete a commutazione di pacchetto.

Commutazione di circuito: In una rete a commutazione di circuito, i quattro

commutatori di circuito (nodi di commutazione) sono collegati da due link (linee di

trasmissione); ognuno di questi link è costituito da n circuiti, in modo che ciascun link

possa mantenere n connessioni simultanee. I terminali sono collegati direttamente a

uno dei commutatori. Quando due host desiderano comunicare, la rete stabilisce un

circuito dedicato end-to-end. Perché l’host A inviii un messaggio all’host B, la rete

deve prima prenotare un circuito su ciascuno dei due link. Poiché ciascun link ha n

circuiti, a ciascun circuito end to end su un link viene dedicata la frazione 1/n della

larghezza di banda del link per la durata del circuito.

Un circuito in un link è realizzato mediante la

multiplazione a divisione di frequenza

(FDM) o la multiplazione a divisione di

tempo (TDM). Con l’FDM, lo spettro di

frequenza di un link è diviso fra le connessioni

stabilite sui link. Il link dedica una banda di

frequenza a ciascuna connessione per tutta la

sua durata. L’ampiezza di banda viene chiamata

bandwidth. Le stazioni radio usando anche esse

l’FDM per suddividersi lo spettro di frequenza

delle microonde.

Per un link TDM, il tempo è suddiviso in frame (trame o intervalli) di durata prefissata,

e ciascun intervallo è suddiviso in un numero fisso di slot (blocchi). Quando una rete

stabilisce una connessione attraverso un link, dedica uno slot di tempo di ciascun

frame alla connessione. Questi slot sono dedicati a quella sola connessione, con uno

slot di tempo disponibile per trasmettere i dati della connessione.

Commutazione di pacchetto: Nelle moderne reti di calcolatori, la sorgente

suddivide i messaggi lunghi in pezzi più piccoli di dati conosciuti come pacchetti. Fra

sorgente e destinazione, ciascuno di questi pacchetti viaggia lungo link di

comunicazione e commutatori di pacchetto (router). I pacchetti sono trasmessi su

ogni link di comunicazione a velocità uguale a quella massima dei link. Molti router

utilizzano la trasmissione store-and-forward (immagazzinamento e rilascio)

all’ingresso del link. Trasmissione store-and-forward significa che il router deve

ricevere l’intero pacchetto prima di poter cominciare a trasmettere il primo bit sul link

in uscita. Quindi i router store-and-forward introducono un ritardo store and

forward all’ingresso di ciascun link lungo il percorso del pacchetto. Questo ritardo è

proporzionale alla lunghezza in bit del pacchetto, in particolare se un pacchetto

consiste di L bit e deve inoltrato su un link in uscita a R bit/s, il ritardo store-and-forwrd

al router è L/R secondi.

Ogni router è collegato a molti link. Per ciascun link cui è collegato il router ha un

buffer in uscita (detto anche coda in uscita) che immagazzina pacchetti che il router

si appresta a spedire su quel determinato link. Se un pacchetto in arrivo richiede di

essere trasmesso attraverso un link ma trova il link occupato dalla trasmissione di un

altro pacchetto, il pacchetto in arrivo deve aspettare nel buffer in uscita. Quindi in

aggiunta al ritardo store-and-forward, i pacchetti subiscono il ritardo dovuto alla coda

nel buffer in uscita (ritardo in coda). L’entità di questi ritardi è variabile e dipende

dal livello di congestione della rete. Inoltre poiché lo spazio disponibile nel buffer è una

quantità finita, si può verificare una perdita di pacchetti.

Multiplazione statistica: molto spesso diciamo che la commutazione di pacchetto

impiega la multiplazione statistica. La multiplazione statistica è in netto contrasto con

la multiplazione a divisione di tempo (TDM), con la quale ciascun host ottiene uno

stesso slot nei frame TDM che si succedono.

Confronto tra commutazione di pacchetto e commutazione di circuito: La

commutazione di pacchetto offre una migliore suddivisione della larghezza di banda

rispetto alla commutazione di circuito ed è più semplice, più efficiente e meno costosa

da implementare della commutazione di circuito. Dunque la tendenza, è quella di

utilizzare commutazione di pacchetto.

1.3.2 Inoltre dei pacchetti nelle reti di calcolatori

Nelle reti a commutazione di pacchetto l’obiettivo è di instradare i pacchetti attraverso

i router verso le loro destinazioni. Esistono due ampie classi di reti a commutazione di

pacchetto: datagram e circuito virtuale. Possiamo chiamare rete datagram ogni

rete che invia i pacchetti in base all’indirizzo dell’host di destinazione. Qualunque rete

che invia i pacchetti in base alla numerazione dei circuiti virtuali è detta rete a

circuito virtuale.

Circuito virtuale: un circuito virtuale è costituito da un percorso (cioè una serie di

link e commutatori di pacchetto) fra i terminali sorgente e destinazione, i numeri del

circuito virtuale, un numero per ciascun link lungo il percorso e voci nella tabella di

conversione dei numeri di VC in ciascun commutatore lungo il percorso.

Ciascun pacchetto è dotato di un identificatore, che determina il salto successivo. Il

percorso viene determinato quando il circuito viene stabilito per la prima volta, e

rimane fisso per tutta la durata del collegamento. Un commutatore in una rete

mantiene informazioni di stato per le proprie connessioni in corso.

Reti a datagramma: l’indirizzo di destinazione sul pacchetto determina il salto

successivo. I percorsi possono cambiare durante una sessione.

Tassonomia della rete: Un link di una rete a commutazione di circuito può adottare

sia FDM sia TDM. Le reti a commutazione di pacchetto possono avere sia l’approccio a

circuito virtuale sia a datagram. I commutatori nelle reti a circuito virtuale indirizzano i

pacchetti in accordo con i numeri di VC e ricordano lo stato della connessione. I

commutatori nelle reti datagram indirizzano i pacchetti secondo l’indirizzo del

destinatario e non ricordano lo stato della connessione.

1.4 ACCESSO ALLA RETE E MEZZI TRASMISSIVI

1.4.1 ACCESSO ALLA RETE

L’accesso alla rete è il link fisico che collega un terminale al suo router di

confine(edge router), cioè il primo router sul percorso che parte dal terminale e

arriva a qualunque terminale distante. Una rete di accesso fornisce l’infrastruttura

per collegare il client alla rete. L’accesso alla rete può essere classificato in tre

categorie:

- accesso domestico: collega alla rete un terminale casalingo;

- accesso aziendale: collega alla rete i terminali di imprese e istituiti scolastici;

- accesso per terminali mobili: collega