Riassunto calcolatori elettronici e reti di calcolatori 2

Scopi delle reti di calcolatori

Prima di iniziare a esaminare nel dettaglio gli aspetti tecnici, vale la pena soffermarsi a considerare i motivi per cui le reti di calcolatori suscitano un così vivo interesse e gli scopi a cui possono essere destinate. Prenderemo in esame gli utilizzi tradizionali in ambito aziendale e personale e in seguito analizzeremo gli sviluppi più recenti, che riguardano gli utenti mobili e le reti domestiche.

Hardware di rete

Area di rete

• Area di rete personale: Connette i dispositivi di una persona con, ad esempio, Bluetooth.
• Area di rete locale: Connette i dispositivi in una casa o ufficio.
• Area di rete metropolitana: Copre un'area geograficamente estesa, spesso una nazione o continente.

Wide area network (WAN)

Racchiude una raccolta di macchine destinate a eseguire programmi utente (applicazioni). Seguendo le consuetudini, queste macchine vengono chiamate host. Gli host sono collegati da una communication subnet, per brevità chiamata semplicemente subnet. Nella maggior parte delle WAN, la subnet è formata da due componenti: linee di trasmissione ed elementi di commutazione. Le linee di trasmissione spostano i bit tra le macchine e possono essere realizzate con cavo in rame, fibra ottica, o anche collegamenti radio. Gli elementi di commutazione sono computer specializzati che collegano tre o più linee di trasmissione.

Software di rete

Le prime reti di computer furono progettate con particolare attenzione all'hardware e il software era concepito come un complemento. Questa strategia non funziona più. Oggi il software di rete è altamente strutturato, e nei paragrafi seguenti si esamineranno alcuni dettagli delle tecniche di strutturazione del software.

Gerarchie dei protocolli

Per diminuire la complessità, la maggior parte delle reti è organizzata come pila di strati (layer) o livelli, costruiti uno sull'altro. Numero, nome, contenuto e funzione di ogni strato variano da rete a rete. Lo scopo di ogni strato è offrire determinati servizi agli strati di livello superiore, schermandoli dai dettagli sull'implementazione dei servizi. In un certo senso, ogni strato è una specie di macchina virtuale che offre certi servizi allo strato che si trova al di sopra. Le regole e le convenzioni usate in questa comunicazione sono globalmente note come i protocolli dello strato n. Fondamentalmente un protocollo è un accordo tra le parti che comunicano, sul modo in cui deve procedere la comunicazione.

L'insieme di strati e protocollo si chiama architettura di rete. Lo strato 4 mette un header davanti al messaggio per identificarlo e passa il risultato allo strato 3. L'header include informazioni di controllo, come i numeri di sequenza, per consentire allo strato 4 del computer destinatario di consegnare il messaggio nell'ordine corretto quando gli strati sottostanti non mantengono la sequenza. In alcuni strati, gli header possono anche contenere dimensioni, tempi e altri campi di controllo.

Primitive di servizio

Un servizio è formalmente specificato da un insieme di primitive (operazioni) che i processi utenti hanno a disposizione per accedere al servizio. Queste primitive istruiscono il servizio a eseguire alcune azioni o riferire quelle prese da entità pari strato.

La relazione tra servizi e protocolli

Servizi e protocolli sono concetti distinti, ma vengono spesso confusi. La distinzione è però così importante che è necessario evidenziarla. Un servizio è un insieme di primitive (operazioni) che uno strato offre a quello superiore. Il servizio definisce quali operazioni lo strato è in grado di offrire su richiesta dei suoi utenti, ma non dice nulla di come queste operazioni sono implementate. Un protocollo, invece, è un insieme di regole che controllano il formato e il significato dei pacchetti, o messaggi scambiati tra le entità pari all'interno di uno strato. Le entità usano i protocolli per implementare le loro definizioni dei servizi.

Modelli di riferimento

Il modello di riferimento OSI

Si chiama modello di riferimento ISO OSI (Open System Interconnection) perché riguarda la connessione di sistemi aperti, cioè sistemi che sono "aperti" verso la comunicazione con altri; per brevità verrà chiamato in seguito modello OSI. Il modello OSI ha sette strati. Lo strato fisico si occupa della trasmissione di bit grezzi sul canale di comunicazione. Il compito principale dello strato data link consiste nel cercare di rilevare, per quanto possibile, gli errori di trasmissione così da evitare di trasmettere questi errori riconosciuti al livello superiore. Lo strato network controlla il funzionamento della subnet. La funzione essenziale dello strato trasporto è quella di accettare dati dallo strato superiore, dividerli in unità più piccole quando necessario, passarle allo strato network e assicurarsi che tutti i pezzi arrivino correttamente all'altra estremità. Lo strato sessione permette agli utenti su computer diversi di stabilire tra loro una sessione. A differenza degli strati inferiori, che per lo più si occupano di spostare bit, lo strato presentazione si occupa della sintassi e della semantica dell'informazione trasmessa. Lo strato applicazione comprende una varietà di protocolli comunemente richiesti dagli utenti. Un protocollo applicativo largamente usato è HTTP (HyperText Transfer Protocol), che è la base del World Wide Web.

Il modello di riferimento TCP/IP

Lasciamo da parte il modello di riferimento OSI per analizzare il modello di riferimento del progenitore di tutte le reti di computer geografiche, ARPANET, e il suo successore TCP/IP, Internet. Questa architettura è poi diventata nota con il nome di modello di riferimento TCP/IP dal nome dei suoi due protocolli principali.

Confronto tra modelli di riferimento OSI e TCP/IP

I modelli di riferimento OSI e TCP/IP hanno molto in comune. Sono entrambi basati sul concetto di pila di protocolli indipendenti, e la funzione degli strati è grosso modo simile. Per esempio, in entrambi i modelli gli strati di livello pari o superiore a quello trasporto forniscono ai processi che vogliono comunicare un servizio di trasmissione end-to-end indipendente dalla rete; formano cioè il mezzo di trasporto. Di nuovo, in entrambi i modelli gli strati che stanno sopra a quello di trasporto ne rappresentano gli utenti e sono orientati alle applicazioni.

Nel modello OSI sono presenti tre concetti essenziali: servizi, interfacce, protocolli. Il modello di riferimento OSI è stato concepito prima d'inventare i protocolli corrispondenti, e ciò significa che il modello non è orientato verso un insieme specifico di protocolli, cosa che lo rende decisamente generico. Nel caso del TCP/IP si è verificato tutto l'opposto: prima sono arrivati i protocolli, e poi è stato realizzato un modello che rappresentava una semplice descrizione dei protocolli esistenti. Non nacque nessun problema per far aderire i protocolli al modello, infatti corrispondevano perfettamente. L'unico problema era che il modello non corrispondeva a nessun'altra pila di protocolli e quindi era poco utile per descrivere due reti non basate su TCP/IP.

Esempi di reti

Esistono molti tipi di rete, piccole e grandi, note e meno note, con diversi obiettivi, scopi e tecnologie. Nei paragrafi seguenti esamineremo qualche esempio per avere un'idea della varietà di situazioni coperte dall'argomento delle reti di computer.

Internet

Internet non è affatto una rete, ma una vasta raccolta di reti diverse che usano certi protocolli e offrono certi servizi comuni. È un sistema inconsueto, che non ha un progettista e non è controllato da nessuno.

Architettura di Internet

Lo strato fisico esamina lo strato più basso della gerarchia. Lo strato fisico definisce le interfacce meccaniche, elettriche e le temporizzazioni della rete.

Comunicazione dati

Le basi teoriche della comunicazione dati

Le informazioni possono essere trasmesse via cavo variando alcune proprietà fisiche, per esempio la tensione o la corrente. Rappresentando il valore di questa tensione o corrente attraverso una funzione a un valore, f(t), è possibile modellare il comportamento del segnale e analizzarlo matematicamente.

Analisi di Fourier

All'inizio del diciannovesimo secolo, il matematico francese Jean-Baptiste Fourier dimostrò che qualunque funzione periodica sufficientemente regolare con periodo T può essere ottenuta sommando un numero idealmente infinito di seni e coseni.

La velocità massima di un canale

Nyquist dimostrò che se si trasmette un segnale arbitrario attraverso un filtro low-pass la cui ampiezza di banda è pari a H, il segnale filtrato può essere ricostruito completamente prendendo solo 2H campioni al secondo. Campionare la linea più velocemente di 2H volte al secondo non ha senso, perché le componenti delle frequenze superiori sono già state filtrate via. Se il segnale è composto da V livelli discreti, il teorema di Nyquist afferma che: velocità massima = 2H log₂ V bit/sec.

Il risultato principale ottenuto da Shannon si può riassumere così: la cadenza dati massima H in bit/sec su un canale rumoroso la cui ampiezza di banda è di Hz e il cui rapporto segnale-rumore è dato dal numero S/N è pari a H log₂ (1+S/N).

Mezzi di trasmissione guidati

Lo scopo dello strato fisico è trasportare un flusso grezzo di bit da una macchina a un'altra. È possibile utilizzare diversi tipi di mezzi fisici per realizzare una trasmissione; ognuno è caratterizzato da specifica banda passante, ritardo, costo e facilità d'installazione e manutenzione.

Mezzi magnetici

Uno dei sistemi più comuni adottati per trasferire i dati da un computer a un altro funziona così: si scrivono le informazioni su un nastro magnetico o su un supporto rimovibile (per esempio un DVD), si trasporta fisicamente il nastro o il disco, e infine si utilizza l'apposita unità installata nel computer di destinazione per leggere i dati.

L'ampiezza di banda del nastro magnetico è eccellente, ma il suo ritardo è eccessivo; la durata della trasmissione è espressa in minuti e in ore, non in millisecondi. Molte applicazioni richiedono una connessione on-line: uno dei mezzi di trasmissione più vecchi, ma ancora molto in voga, è il doppino. Il doppino è composto da due conduttori di rame isolati, spessi circa 1 mm, avvolti uno intorno all'altro in una forma elicoidale che ricorda un po' quella della molecola del DNA.

Cavo coassiale

Un altro mezzo di trasmissione molto comune è il cavo coassiale. Essendo più schermato del doppino, il cavo coassiale può estendersi per distanze più lunghe e consente velocità più elevate. Esistono due tipi di cavi coassiali: il primo, a 50 Ohm, è utilizzato per le trasmissioni digitali; il secondo, a 75 Ohm, è utilizzato per le trasmissioni analogiche, per la televisione e le connessioni internet via cavo. Questa distinzione dipende più da fattori storici che da motivi tecnici.

Fibra ottica

Un sistema di trasmissione ottico è formato da tre componenti fondamentali: la sorgente luminosa, il mezzo di trasmissione e il rilevatore. Per convenzione, un impulso di luce indica il valore 1 e l'assenza di luce indica il valore 0. Il mezzo di trasmissione è una fibra di vetro sottilissima, realizzata in silicio. Quando viene colpito dalla luce, il rilevatore rigenera un impulso elettrico. Collegando a un estremo della fibra una sorgente di luce e un rivelatore all'altro, si crea un sistema di trasmissione unidirezionale che accetta un segnale elettrico, lo converte e lo trasmette sotto forma di impulso luminoso; all'altra estremità della fibra converte nuovamente l'output in segnale elettrico. La fibra può contenere molti raggi che rimbalzano ad angoli diversi. In questo caso si dice che ogni raggio ha una modalità diversa, perciò una fibra dotata di questa proprietà è detta fibra multimodale.

I cavi in fibra ottica sono simili ai cavi coassiali, ma non sono avvolti dalla calza conduttiva. L'immagine mostra una singola fibra osservata dal lato. Al centro si trova il nucleo (core) di vetro attraverso il quale si propaga la luce; nelle fibre multimodali ha un diametro di 50 micron, circa lo spessore di un capello umano. Il nucleo delle fibre monomodali ha un diametro che varia dagli 8 ai 10 micron.

Trasmissioni wireless

Lo spettro elettromagnetico

Quando si spostano, gli elettroni creano onde elettromagnetiche che si propagano attraverso lo spazio, anche nel vuoto. Il numero di oscillazioni al secondo di un'onda è chiamato frequenza, f, ed è misurato in Hz (in onore di Heinrich Hertz). La distanza tra due massimi (o minimi) consecutivi è chiamata lunghezza d'onda ed è universalmente indicata dalla lettera greca λ (lambda). Nel vuoto tutte le onde elettromagnetiche viaggiano alla stessa velocità, qualunque sia la loro frequenza. Questa velocità, chiamata velocità della luce, è pari a circa 3 x 10⁸ m/s, ossia circa 30 cm per nanosecondo. Nei cavi in rame e nelle fibre ottiche la velocità di trasmissione scende a 2/3 di questo valore e diventa leggermente dipendente dalla frequenza.

Radiotrasmissioni

Le onde radio sono semplici da generare, possono viaggiare per lunghe distanze e attraversano facilmente gli edifici; per questi motivi sono largamente utilizzate per la comunicazione, sia all'interno delle costruzioni sia all'esterno. Le onde radio sono omnidirezionali, ossia si espandono dalla sorgente in tutte le direzioni, perciò il trasmettitore e il ricevitore non devono essere fisicamente allineati.

Trasmissione a microonde

Sopra i 100 MHz le onde viaggiano quasi in linea retta e pertanto si mettono a fuoco facilmente. Concentrando tutta l'energia in un piccolo raggio per mezzo di un'antenna parabolica (come quella delle TV satellitari) si riesce a ottenere un rapporto segnale/rumore molto più alto, ma le antenne trasmittenti e riceventi devono essere accuratamente allineate le une con le altre. Inoltre, questa direzionalità permette a più trasmettitori allineati di comunicare senza interferenze con più ricevitori allineati, purché si osservino alcune regole di distanza minima.

Trasmissione a onde luminose

I segnali ottici non guidati sono utilizzati da secoli. Paul Revere trasmise un segnale ottico binario dalla Old North Church prima di iniziare la sua famosa corsa. In un'applicazione un po' più moderna, laser montati sui tetti permettono di realizzare una connessione LAN tra due edifici. La segnalazione ottica coerente basata sui laser è intrinsecamente unidirezionale, perciò ogni edificio ha bisogno di un laser e di un rilevatore fotoelettrico. Questo schema offre un'ampiezza di banda elevata a un costo ridotto.

Comunicazioni satellitari

Satelliti geostazionari

Un satellite a un'altitudine di 35.800 km in un'orbita equatoriale circolare apparirebbe fermo nel cielo agli osservatori terrestri, perciò non avrebbe avuto bisogno di essere inseguito. Un nuovo sviluppo nel settore delle comunicazioni satellitari è rappresentato dalle microstazioni a basso costo chiamate anche VSAT (Very Small Aperture Terminal). Questi terminali leggeri hanno antenne grandi un metro o anche meno (le antenne sono grandi dieci mesi) e possono generare circa 1 watt di potenza. La trasmissione uplink (verso il satellite) di solito arriva a 19,2 kbps, ma la velocità in downlink (verso terra) può anche superare i 512 kbps. Le televisioni satellitari utilizzano questa tecnologia per le loro trasmissioni unidirezionali. In molti sistemi VSAT le microstazioni non hanno abbastanza energia per comunicare direttamente le une con le altre (via satellite, logicamente), per questo motivo è necessario installare speciali stazioni terrestri chiamate hub, dotate di grosse antenne ad alto guadagno che trasmettono il traffico attraverso le stazioni VSAT.

Satelliti in orbite basse (LEO)

Scendendo di altezza si incontrano i satelliti LEO (Low Earth Orbit). Poiché si spostano rapidamente, la realizzazione di un sistema completo richiede l'utilizzo di numerosi satelliti di questo tipo. D'altra parte, poiché i satelliti sono molto vicini alla superficie del pianeta, le stazioni terrestri non hanno bisogno di molta energia e il ritardo nelle comunicazioni è di pochi millisecondi.

Linee e multiplexing

Le economie di scala giocano un ruolo importante nel sistema della telefonia. Installare e gestire una connessione tra centrali di commutazione basata su una linea a larga banda costa quasi quanto una connessione basata su una linea a banda stretta (il costo deriva soprattutto dagli scavi, non dai materiali utilizzati).