Reti di calcolatori - Appunti

Reti di calcolatori

Concetti di base

Le reti sono sempre esistite per soddisfare la necessità dell'uomo di comunicare. Oggi il termine rete fa riferimento implicitamente alle reti telematiche.

Rete telematica: in generale, un complesso di apparecchiature elettroniche connesse tra loro da collegamenti elettrici; costituisce il solo modo per trasmettere dati da un apparato a un altro senza spostarsi fisicamente.

Il moderno concetto di rete richiede una terminologia precisa.

• Host (o end system): entità che, rispetto a una rete, genera o riceve dati.
• Apparato: entità che, rispetto a una rete, smista e cataloga i dati.
• Nodo: entità riconoscibile di una rete, che si tratti di un host o di un apparato.
• Borchia: punto di connessione a una rete, dove collegare fisicamente un cavo per accedere ad essa.
• Link: connessione fisica tra due nodi di una rete, non necessariamente riservata a questi ultimi né necessariamente coincidente con due borchie.
• Connessione: comunicazione stabilita tra due nodi a prescindere dalla natura dei link che la realizzano.
• Flusso: sequenza di dati avente un’origine comune e canalizzata sulla stessa connessione.
• Pacchetto: sequenza di dati che costituisce l’elemento unitario della trasmissione attraverso una rete.

Classificazione delle reti

Le reti moderne si possono classificare secondo diversi criteri.

Classificazione strutturale (o architetturale)

Classificazione delle reti fondata sulla loro topologia, cioè sulla loro disposizione territoriale.

• Topologia a bus: Gli host sono direttamente connessi a un collegamento condiviso e trasmettono dati secondo una politica di accesso (ad esempio il protocollo Ethernet).
• Topologia ad anello: Gli host sono collegati l’uno all’altro a formare un anello. Un caso tipico di rete ad anello è rappresentato dalla tecnologia token ring, che impone un sistema di turni per cui gli host trasmettono senza interferire l’uno con l’altro. Un altro esempio è la rete FDDI (Fiber Distributed Data Interface) basata su fibra ottica.
• Topologia a stella: Gli host sono collegati a un nodo centrale comune. Solitamente si tratta di uno switch o di un hub, entrambi apparati per lo smistamento dei dati tra diverse destinazioni.

Classificazione tecnologica

Classificazione delle reti fondata sulla tecnologia trasmissiva che impiegano.

• Reti con collegamento fisico: Reti realizzate da collegamenti fisici quali cavi in rame o fibre ottiche.
• Reti senza collegamento fisico: Reti realizzate da collegamenti radio, satellitari, infrarossi, laser.

Classificazione amministrativa

Classificazione delle reti fondata sulla burocrazia necessaria a stabilirle. Esiste anche una classificazione “storica” delle reti, dovuta al fatto che un tempo i costi e le tecnologie impiegate dipendevano direttamente dalla loro estensione. Oggi tale classificazione ha un significato diverso, collegato principalmente a questioni amministrative.

• Reti locali (Local Area Network, LAN): Reti caratterizzate da una copertura limitata, ad esempio a un ufficio o a un palazzo. Oggi, reti per cui non è necessaria alcuna autorizzazione particolare.
• Reti metropolitane (Metropolitan Area Network, MAN): Reti di dimensioni cittadine, che interconnettono diversi edifici. Oggi, reti per cui è necessaria l’autorizzazione di enti locali, come i comuni.
• Reti geografiche (Wide Area Network, WAN): Reti particolarmente estese, che interconnettono intere città e nazioni. Oggi, reti per cui è necessaria l’autorizzazione di enti statali, parastatali, internazionali.

Le reti moderne sono soggette a problematiche non tecnologiche ma relative alla loro integrazione nei contesti legale (chi ne è responsabile), ambientale e umano.

La rete Internet

Internet (con l’iniziale maiuscola) è una particolare rete basata su determinati protocolli (IP, TCP, UDP). Non è possibile spegnerla, né controllarla, né valutarne l’estensione esatta. Può però essere studiata a partire dai suoi componenti e secondo diverse prospettive.

Prima prospettiva: infrastrutture fisiche

Internet consiste in milioni di host interconnessi tra loro attraverso link di ogni genere (cavi in rame, fibre ottiche, collegamenti wireless) e in apparati che si occupano di “distribuire” i dati (come router, switch o hub).

Seconda prospettiva: infrastrutture logiche

Internet (la “rete delle reti”) è l’interconnessione di più reti, private e pubbliche, del tutto decentralizzata (loosely hierachical). È realizzata da una serie di protocolli che ne consentono il funzionamento (come TCP, IP, PPP) o stabiliscono determinati servizi (come HTTP).

Terza prospettiva: servizi e protocolli

Internet consiste in innumerevoli applicazioni distribuite (come il Web, la posta elettronica, i sistemi per l’e-commerce, i videogiochi, …) che comunicano secondo diverse modalità operative. In particolare, senza connessione permanente (connectionless) e con connessione permanente (connection oriented).

Internet è realizzata da una serie di protocolli, le infrastrutture logiche che (esattamente come la lingua italiana o il codice Morse) determinano la comunicazione attraverso di essa e sono indispensabili per il funzionamento delle applicazioni che la sfruttano.

Protocollo: struttura sintattica attraverso la quale si realizza il funzionamento di una rete; insieme di regole che governa la successione e lo scambio di informazioni tra i dispositivi collegati ad essa. È composto da:

• Un lessico, che determina il formato dei messaggi;
• Una sintassi, che determina le sequenze di messaggi valide;
• Un sistema di turni, che definisce quando inviare messaggi e quando ricevere;
• Una semantica, che determina il significato dei messaggi.

Esistono protocolli pubblici e proprietari (vedi Skype). I primi sono definiti ad uso di chiunque dalla IETF.

RFC (Request For Comments): documento riportante informazioni o specifiche sulle ricerche e le infrastrutture (compresi i protocolli) che caratterizzano il mondo informatico e Internet in particolare.

IETF (Internet Engineering Task Force): comunità aperta di tecnici, specialisti e ricercatori interessati all’evoluzione tecnologica di Internet; responsabile dei documenti RFC relativi alle infrastrutture e agli studi che la riguardano.

Per evitare confusione, i protocolli sono raccolti secondo un modello standard, il modello ISO-OSI, la cui definizione originaria prevede una gerarchia di sette livelli.

Modello ISO-OSI: raccolta di funzionalità per l’implementazione di una rete, strutturata in sette livelli legati tra loro attraverso dipendenze di tipo gerarchico. Ciascun livello è progettato per fornire servizi al livello soprastante basandosi sulle funzionalità che gli sono offerte dal livello inferiore.

NOTA: un modello è una definizione astratta, ingegneristica di come realizzare un’architettura, cioè l’implementazione pratica dello stesso. Ai fini pratici, molte delle funzionalità previste dal modello ISO-OSI sono risultate di scarsa utilità, pertanto si fa riferimento ad un modello semplificato con solo cinque livelli.

Ai vari livelli del modello ISO-OSI si collocano i diversi protocolli che realizzano la rete. Ciascun protocollo possiede un proprio sistemi di indirizzamento, per mezzo del quale i nodi della rete sono univocamente identificati.

Incapsulamento: strategia per mezzo della quale i messaggi relativi ai protocolli dei livelli più bassi sono posti all’interno dei messaggi relativi ai protocolli di livello superiore. Questo consente l’esistenza di un sistema di indirizzamento particolare per ciascun livello e in ultima analisi il funzionamento delle architetture fondate sul modello ISO-OSI.

Internet è una rete che fa uso di certi protocolli per quanto riguarda i livelli di trasporto (transport) e di rete (network). Precisamente si avvale dei protocolli della famiglia TCP, UDP e IP.

Livello applicativo

Fornisce le funzionalità che supportano direttamente le applicazioni di rete, attraverso protocolli come HTTP, FTP e SMTP.

Livello di trasporto

Fornisce le funzionalità che consentono di trasferire dati da un nodo all’altro, attraverso il protocollo TCP o il protocollo UDP.

Livello di rete

Fornisce le funzionalità che stabiliscono il percorso per trasferire dati da un nodo all’altro, attraverso il protocollo IP e i protocolli di routing.

Livello di collegamento

Fornisce le funzionalità per il trasporto dei dati tra nodi direttamente collegati, attraverso i protocolli PPP (Point-to-Point Protocol).

Livello fisico

Corrisponde al trasferimento vero e proprio di segnali digitali (di bit) su un determinato mezzo (cavo in rame, fibra ottica, etc.).

Struttura logica di Internet

In qualche modo, collegarsi a Internet significa collocarsi in corrispondenza del suo margine esterno (edge). Questo per la struttura logica che ne descrive il modello di funzionamento.

Bordo (edge)

Terminali di accesso: host e applicazioni. A questo livello si stabilisce la modalità di scambio delle informazioni tra servizi orientati alla connessione e servizi senza connessione.

Nucleo o interno (core)

Rete complessa di apparati (router) che interconnettono le diverse reti e, in ultima istanza, i sistemi terminali (gli host). A questo livello si stabiliscono le strategie che consentono agli host di connettersi tra loro, in particolare tra commutazione di pacchetto e commutazione di circuito.

Sostanzialmente, i sistemi terminali eseguono applicazioni “al bordo della Rete” e interagiscono con essa secondo un modello di funzionamento detto architettura.

Architettura client/server

Determinati sistemi terminali detti client fanno richiesta di servizi o contenuti ad altri sistemi detti server, che sono in grado di fornirli.

Architettura peer-to-peer (P2P)

Gli host comunicano tra loro per ottenere servizi senza ruoli determinati, cioè in assenza di un server fisso che li fornisca. Tale architettura è estremamente scalabile ma difficile da gestire.

NOTA: esistono architetture ibride che sfruttano in parte la strategia client/server, in parte quella peer-to-peer (ad esempio Napster e i programmi di instant messaging).

Quando un host (un client, stando al modello client/server) richiede un servizio, i dati gli sono inviati attraverso la rete secondo due modalità alternative, la cui scelta dipende dal servizio stesso.

Servizi orientati alla connessione (connection oriented)

Gli host interessati a uno scambio di dati stabiliscono una connessione permanente. In particolare, si sincronizzano in qualche modo (handshaking) per conoscere lo stato della connessione che li riguarda.

NOTA: per quanto riguarda Internet, ricorrere a servizi orientati alla connessione significa utilizzare il protocollo TCP (Tranmission Control Protocol), che stabilisce connessioni affidabili rispetto alla perdita di dati, preserva l’ordine delle informazioni inviate ed effettua controlli per evitare il sovraccarico della rete.

Servizi senza connessione (connectionless)

I dati sono semplicemente inviati da sorgente a destinazione e sono trattati singolarmente.

NOTA: per quanto riguarda Internet, ricorrere a servizi senza connessione significa utilizzare il protocollo UDP (User Datagram Protocol), che prescinde dal concetto di connessione permanente, non garantisce affidabilità, non preserva l’ordine delle informazioni inviate e non effettua controlli sullo stato della rete.

In realtà, la connessione tra gli host (che si tratti di una connessione permanente o dell’invio isolato di dati) è resa possibile dagli apparati che operano nel nucleo della Rete, i quali stabiliscono le strategie per interconnetterli.

Commutazione di circuito

I dati seguono un percorso virtuale prestabilito all’interno della rete, da sorgente a destinazione. In particolare:

• Tale percorso virtuale è stabilito secondo una gestione (setup) delle risorse interessate, che tiene conto di fattori quali la capacità delle linee e le potenzialità di calcolo degli apparati;
• Le risorse sono ripartite in sezioni da riservare ai singoli percorsi, perciò le prestazioni di trasferimento sono garantite a ciascuno di essi;
• La ripartizione delle risorse si ottiene con la multiplazione: FDM (Frequency Division Multiplexing) o TDM (Time Division Multiplexing).

Commutazione di pacchetto

I dati sono ripartiti in unità indipendenti dette pacchetti e ciascuna di esse è spedita e gestita in modo del tutto isolato rispetto alle altre. In particolare:

• Ciascun pacchetto può sfruttare l’intera capacità di trasferimento della rete, perciò si ha una competizione per le risorse ed esiste il rischio di congestione (i pacchetti si accumulano all’interno delle apparecchiature di rete, la cui capacità di lavoro non è sufficiente a smaltirli);
• I pacchetti sono trasmessi attraverso la rete secondo la tecnica di store and forward, per cui sono gestiti un “salto” (hop) alla volta;
• In generale, la tecnica di impiego delle risorse della rete è definita multiplexing statistico, poiché si basa sul fatto che l’attività degli host (in termini di generazione di pacchetti) non è predicibile e le risorse sono utilizzate sulla base delle richieste istantanee (share on demand).

NOTA: sulla base della teoria statistica delle code è dimostrato che la commutazione di pacchetto fa un uso migliore della rete, soprattutto se l’attività degli host è imprevedibile (come nel caso di Internet); inoltre è più semplice da realizzare e meno costosa. D’altra parte, la commutazione di pacchetto comporta il rischio di congestione della rete e richiede protocolli che garantiscano l’affidabilità dei dati trasmessi. Particolari servizi (come le applicazioni multimediali e la telefonia su IP) richiedono la “simulazione” della commutazione di circuito.

Le reti a commutazione di pacchetto si dividono in due famiglie contraddistinte dalla diversa strategia di spedizione dei pacchetti (packet forwarding).

Reti a datagrammi (reti datagram)

Reti a commutazione di pacchetto in cui:

• Il percorso dei pacchetti di salto in salto è determinato in base alla loro destinazione finale;
• Il percorso scelto per pacchetti consecutivi (della stessa connessione) può risultare diverso.

Reti a circuito virtuale

Reti a commutazione di pacchetto in cui:

• Il percorso di ciascun pacchetto (il circuito virtuale) è determinato in occasione del primo invio;
• I pacchetti sono contrassegnati da un ID numerico relativo al circuito virtuale su cui viaggiano;
• Gli apparati di rete devono mantenere le informazioni che riguardano lo stato dei circuiti virtuali stabiliti e questo può costituire problemi in caso di traffico elevato.

NOTA: le reti a circuito virtuale prestabiliscono il percorso logico dei pacchetti e non il percorso fisico, come avviene nelle reti a commutazione di circuito. Una nota rete a circuito virtuale è ATM (Asynchronous Transfer Mode) i cui pacchetti, detti celle, seguono percorsi fissi da sorgente a destinazione.

La distinzione tra le diverse tipologie di reti a commutazione di pacchetto e a commutazione di circuito permette di definire una tassonomia delle reti di natura logico-strutturale.

Reti di accesso a Internet

Le reti di accesso si trovano ai margini di Internet; forniscono agli utenti le tecnologie per collegarsi ad essa e precisamente ai punti di accesso detti edge router.

Accesso residenziale

Reti rivolte agli utenti privati, forniscono le tecnologie per mezzo delle quali questi ultimi possono collegarsi a Internet, solitamente per il tempo necessario alle loro attività.

Tecnologie punto-punto

• Dial-up via modem: Utilizza la rete telefonica per trasmettere dati a una velocità massima di 56 Kbps. Ai capi del collegamento due modem (MOdulator-DEModulator) traducono i dati digitali in segnali analogici e viceversa.
• ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line): Utilizza la rete telefonica per un tratto relativamente breve e sfrutta la multiplazione di frequenza (FDM) per separare i dati dalle normali telefonate. Offre una capacità di trasferimento elevata: fino a 20 Mbps in download (tipicamente da 1 a 4) e fino a 1 Mbps in upload (tipicamente 256 Kbps).

Tecnologie a cable network

• HFC (Hybrid Fiber-coaxial Cable): Sfrutta l’infrastruttura di distribuzione delle TV via cavo per collegare a Internet un certo numero di utenti (ad esempio un intero palazzo), ciascuno dei quali dispone di un modem apposito ad alta velocità (cable modem). Assente in Italia, è disponibile in Francia, nel Regno Unito o negli USA. Raggiunge un massimo di 30 Mbps in download e di 2 Mbps in upload.

Accesso permanente

Reti locali (LAN) di aziende o università, direttamente e permanentemente collegate a un edge router.

Accesso wireless

Reti tipicamente condivise da più utenti e gestite da dispositivi detti access point (AP), direttamente collegati a un router.

• Per quanto riguarda le reti wireless locali (WLAN), è diffuso lo standard 802.11b (noto anche come WiFi). La frequenza di trasferimento massima è di 11 Mbps.
• Per quanto riguarda le reti più estese (Wider Area Wireless Access), gestite dagli operatori di telecomunicazione, sono degne di nota le tecnologie WAP, GPRS, 3G (UMTS) e Wi-Max.

Internet Service Provider (ISP)

Gli Internet Service Provider sono aziende che rivendono servizi relativi a Internet e in primo luogo la connessione ad essa. Sono organizzati secondo una struttura gerarchica, per cui si distinguono ISP di primo e secondo livello, con ruoli e competenze distinte.

ISP di primo livello: Provider direttamente collegati tra loro mediante accordi di peering (solitamente gratuiti) ("Tier-1" ISP) finalizzati a ottimizzare i costi di ciascuno. Forniscono ai clienti l’accesso alla propria rete pubblica attraverso infrastrutture fisiche chiamate NAP (Network Access Point).

ISP di secondo livello: Provider più piccoli, tipicamente a livello locale.