Reti di calcolatori: TCP/IP

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1 Matte Seren Reti di Cmunicazine Reti di calclatri: TCP/IP Matte Seren Dipartiment di Infrmatica Università di Trin Dati dcente Matte Seren matte/scipol 1

2 Matte Seren Reti di Cmunicazine Test adttat Cmputer netwrking A Tp-Dwn apprach featuring the Internet James F.Kurse Keith W.Rss Addisn-Wesley Esiste anche una versine in italian Obiettivi del crs Intrduzine alle reti di calclatri Cnscenza del prtcll TCP/IP Livell applicazine (applicatin) Livell trasprt (transprt) Livell rete (netwrk) 2

3 Matte Seren Reti di Cmunicazine Parte I: Intrduzine Obiettiv: Intrduzine alle reti di telecmunicazini Dettagli maggire durante il crs apprcci: descrittiv us di Internet cme esempi Smmari: Cs è Internet Cs è un prtcll? netwrk edge netwrk cre Reti di access, mezzi trasmissivi prestazini: perdite, ritardi Prtclli a livelli backbnes, NAP, ISP stria 1: Intrduzine 5 Cs è Internet? Milini di dispsitivi di calcl tra lr intercnnessi: hst, endsystems Pc, wrkstatin, server PDA s phnes, ecc. Che esegun applicazini di rete Canali di cmunicazine fibra, rame, radi, satellite Ruter: instradan pacchetti di dati attravers la rete ruter server ISP lcale Rete aziendale wrkstatin mbile ISP reginale 1: Intrduzine 6 3

4 Matte Seren Reti di Cmunicazine Nn sl cmputer IP picture frame Wrld s smallest web server 1: Intrduzine 7 Cs è Internet? prtclli: cntrllan la spedizine e la ricezine di messaggi e.g., TCP, IP, HTTP, FTP, PPP Internet: rete di reti Deblmente gerarchica Internet pubblica vs intranet private Standard di Internet RFC: Request fr cmments IETF: Internet Engineering Task Frce ruter server ISP lcale Rete aziendale wrkstatin mbile ISP reginale 1: Intrduzine 8 4

5 Matte Seren Reti di Cmunicazine Cs è Internet: accent sui servizi Infrastruttura di cmunicazine che cnsente ad applicazini distribuite l scambi di dati: WWW, , gichi, e- cmmerce, database, file (MP3) sharing Servizi di cmunicazine frniti: cnnectinless cnnectin-riented 1: Intrduzine 9 Cs è un prtcll? Prtclli umani: Che ra è? H una dmanda Presentazini messaggi specifici vengn spediti azini specifiche sn cmpiute quand i messaggi sn ricevuti, in seguit ad altri eventi Prtclli di rete: macchine invece di esseri umani Tutte le attività di cmunicazine in Internet sn gvernate da prtclli I prtclli definiscn frmat e rdine dei messaggi spediti e ricevuti tra entità della rete, e le azini da cmpiere in seguit alla ricezine e/ trasmissine dei messaggi di altri eventi 1: Intrduzine 10 5

6 Matte Seren Reti di Cmunicazine Cs è un prtcll? Un prtcll uman e un prtcll di reti di cmputer: Cia Cia Hai l ra? 2:00 time TCP cnnectin request TCP cnnectin reply. Get <file> Dmanda: Altri prtclli umani? 1: Intrduzine 11 Struttura della rete: netwrk edge: applicazini ed hst netwrk cre: ruter rete di reti reti di access, mezzi trasmissivi: canali di cmunicazine 1: Intrduzine 12 6

7 Matte Seren Reti di Cmunicazine La edge netwrk: end systems (hst): Esegun prgrammi applicativi e.g., WWW, al brd della rete mdell client/server il client richiede, riceve servizi dal server e.g., WWW client (brwser)/ server; client/server mdell peer-peer: interazine tra hst simmetrica e.g.: Gnutella, KaZaA 1: Intrduzine 13 La edge Netwrk: servizi cnnectinriented Obiettiv: trasferiment dati tra hst handshaking: fase di preparazine antecedente al trasferiment dati Cia Cia nel prtcll uman Stabilire un stat nei due hst cmunicanti TCP - Transmissin Cntrl Prtcl Servizi di scambi dati di tip cnnectin-riented di Internet Servizi TCP [RFC 793] Trasferiment affidabile ed rdinat di byte di un fluss dati perdite: cnferma di ricezine (acknwledgement) e ritrasmissine Cntrll di fluss Il mittente nn svraccaricherà il ricevitre Cntrll di cngestine: I mittenti diminuiscn la lr velcità di spedizine quand la rete si cngestina 1: Intrduzine 14 7

8 Matte Seren Reti di Cmunicazine La edge Netwrk: servizi cnnectinless Obiettiv: trasferiment dati tra hst Esattamente l stess! UDP -User Datagram Prtcl [RFC 768]: Servizi cnnectinless di Internet Senza handshaking Trasferiment dati nnaffidabile senza cntrll di fluss senza cntrll cngestine Applicazini che usan TCP: HTTP (WWW), FTP (trasferiment file), Telnet (lgin remt), SMTP ( ) Applicazini che usan UDP: streaming media, telecnferencing, Internet telephny 1: Intrduzine 15 La Cre Netwrk Maglia di ruter intercnnessi Dmanda fndamentale: cme vengn trasferiti i dati attravers la rete? Cmmutazine di circuit: circuit dedicat ad gni chiamata: rete telefnica Cmmutazine di pacchett: i dati sn spediti attravers la rete in quantità discrete chiamate pacchetti 1: Intrduzine 16 8

9 Matte Seren Reti di Cmunicazine La Cre Netwrk: cmmutazine di circuit Risrse riservate per una chiamata End-end Larghezza di banda dei canali, capacità dei cmmutatri Risrse dedicate: nessuna cndivisine Prestazini garantite Richiesta fase di stabiliment di chiamata e prentazine risrse 1: Intrduzine 17 La Cre Netwrk: cmmutazine di Circuit Risrse di rete (e.g., larghezza di banda) divise in pezzi pezzi allcati a chiamate Pezzi di risrse sn idle (inattivi) se nn in us da parte della chiamata (nn si cndividn) Divisine della larghezza di banda di un canale in pezzi Divisine di frequenza Divisine di temp Divisine della larghezza di banda di un canale in pezzi Divisine di frequenza (FDMA) Divisine di temp (TDMA) 1: Intrduzine 18 9

10 Matte Seren Reti di Cmunicazine Cmmutazine di circuit: FDMA e TDMA FDMA Esempi: 4 utenti frequenza TDMA temp frequenza temp 1: Intrduzine 19 La Cre Netwrk: cmmutazine di Pacchett Ogni fluss dati end-end divis in pacchetti I pacchetti degli utenti A e B cndividn risrse di rete Ogni pacchett usa tutta la larghezza di banda del canale Risrse usate quand sn necessarie Divisine della larghezza di banda in pezzi Allcazine Dedicata Prentazine di risrse Cntesa delle risrse: La richiesta aggregata di risrse può eccedere l ammntare dispnibile cngestine: I pacchetti si accdan ed attendn l us del canale stre and frward: pacchetti ricevuti interamente prima di essere spediti 1: Intrduzine 20 10

11 Matte Seren Reti di Cmunicazine La cre Netwrk: cmmutazine di pacchett A 10 Mbs Ethernet statistical multiplexing C B Cda di pacchetti in attesa del canale di uscita 1.5 Mbs D 45 Mbs E Analgie umane? 1: Intrduzine 21 La cre Netwrk: cmmutazine di pacchett Canali a 1.5 Mbs, messaggi 7.5Mb Cmmutazine di pacchett: stre and frward Un messaggi viene divis in parti più piccle chiamate pacchetti Stre-and-frward: il cmmutatre attende fin a quand il pacchett è stat ricevut interamente, in seguit l instrada al prssim Dmanda: che succede se si spedisce il messaggi senza suddividerl? 1: Intrduzine 22 11

12 Matte Seren Reti di Cmunicazine Cmmutazine di pacchett vs cmmutazine di circuit La cmmutazine di pacchett permette a più utenti di usare la rete! Canale ad 1 Mbit Ogni utente: 100Kbps quand attiv attiv 10% del temp Cmmutazine di circuit: 10 utenti Cmmutazine di pacchett: cn 35 utenti, prbabilità > 10 attivi minre di N utenti canale 1 Mbps 1: Intrduzine 23 Cmmutazine di pacchett vs cmmutazine di circuit La cmmutazine di pacchett è l ideale? Mlt efficiente per dati bursty Cndivisine di risrse Senza fase di chiamata Cngestine eccessiva: ritard e perdite di pacchetti prtclli necessari per trasferiment dati affidabile, cntrll di cngestine 1: Intrduzine 24 12

13 Matte Seren Reti di Cmunicazine Reti a cmmutazine di pacchett: ruting Obiettiv: spstare pacchetti tra ruter, dal hst srgente all hst destinatari Vedrem nel dettagli gli algritmi Reti datagram: L indirizz destinazine determina il prssim pass Le strade (rute) pssn variare durante le sessini analgia: guidare, richiesta di direzine I ruter NON mantengn infrmazini sull stat delle cnnessini Reti a circuiti virtuali: Ogni pacchett cntiene un identificativ del circuit virtuale (tag), il tag determina il prssim pass Il cammin dalla srgente alla destinazine è fiss e determinat durante la fase di chiamata; nn cambia durante le sessini I ruter mantengn infrmazini sull stat di gni cnnessine 1: Intrduzine 25 Reti di access e mezzi trasmissivi Dmanda: cme si cnnettn gli hst agli edge ruter? Reti di access residenziale (da casa) Reti di access istituzinali (scule, università, aziende) Reti di access mbili Caratteristiche: Larghezza di banda (bit al secnd) delle reti di access Cndivise dedicate? 1: Intrduzine 26 13

14 Matte Seren Reti di Cmunicazine Access Residenziale: access pint t pint Cnnessine telefnica via mdem Fin a 56Kbps di access dirett ad un ruter (in teria) ISDN: integrated services digital netwrk: cnnessine cmpletamente digitale a 128Kbps vers un ruter ADSL: asymmetric digital subscriber line Fin a 1 Mbps casa-ruter Fin a 8 Mbps ruter-casa Diffusine ADSL: in crs 1: Intrduzine 27 Access Residenziale: cable mdems HFC: hybrid fiber cax asimmetric: fin a 10Mbps ruter-casa, 1 Mbps casa-ruter rete di cavi and fibre cnnettn abitazini ai ruter di ISP Access cndivis tra le abitazini al ruter prblemi: cngestine, dimensinament diffusine: dispnibile, in USA, dalle cmpagnie di TV via cav 1: Intrduzine 28 14

15 Matte Seren Reti di Cmunicazine Access Istituzinale: lcal area netwrks La lcal area netwrk (LAN) di aziende, università, cnnette hst ad un edge ruter Ethernet: Cav cndivis dedicat cnnette gli hst ed il ruter 10 Mbs, 100Mbps, Gigabit Ethernet diffusine: istituzini, LAN casalinghe, attuale LAN: frse vedrem Ethernet 1: Intrduzine 29 Reti di access Wireless Una rete cndivisa di access wireless cnnette hst a ruter wireless LAN: Spettr radi sstituisce il cav e.g., Lucent Wavelan 11 Mbps Accessi wireless in area gegrafica CDPD: access wireless al ruter di un ISP attravers la rete cellulare ruter stazine base hst mbili 1: Intrduzine 30 15

16 Matte Seren Reti di Cmunicazine Mezzi trasmissivi Canali fisici: bit di dati trasmessi si prpagan lung il canale Mezzi guidati: segnali si prpagan in mezzi slidi: rame, fibra Mezzi nn guidati: Segnali si prpagan liberamente, e.g., radi Twisted Pair (TP) Due cavi di rame islati ed intrecciati Categria 3: dppin telefnic, 10 Mbps Ethernet Categria 5 TP: 100Mbps Ethernet 1: Intrduzine 31 Mezzi trasmissivi: cavi cassiali, fibra Cav cassiale: Cnduttre rame (prtante segnale) Strat di plastica isla il cnduttre da un scherm di metall intrecciat (per blccare interferenze esterne) bi-direzinale Us tipic per 10Mbs Ethernet Cav in fibra ttica: Fibra di vetr che trasprta impulsi ttici Operazini ad alta velcità: 100Mbps Ethernet Alta velcità di trasmissine punt-punt (e.g., 5 Gps) Bassa prbabilità di errre 1: Intrduzine 32 16

17 Matte Seren Reti di Cmunicazine Mezzi trasmissivi: radi Segnale trasprtat nell spettr elettrmagnetic Nessun cav fisic bi-direzinale Effetti dell ambiente sulla prpagazine: riflessine struzine (ggetti stacl) interferenza Tipi di canali radi: micrnde e.g. fin a 45 Mbps LAN (e.g., WaveLAN) 2Mbps, 11Mbps Area gegrafica (e.g., cellulare) e.g. CDPD, 10 Kbps satellite fin a 50Mbps 1: Intrduzine 33 Reti residenziali Cmpnenti tipiche: Mdem ADSL per cav ruter/firewall Ethernet Punt di access wireless da / vers cable headend cable mdem ruter/ firewall Ethernet Punt di access wireless prtatile wireless 1: Intrduzine 34 17

18 Matte Seren Reti di Cmunicazine Ritardi nelle reti a cmmutazine di pacchett I pacchetti avvertn un ritard sul cammin srgente-destinazine quattr srgenti di ritard ad gni hp (ruter visitat) A trasmissine Elabrazine del ruter: Cntrll dei bit di errre Determinazine del canale di uscita accdament Temp d attesa al canale di uscita per la trasmissine Dipende dal livell di cngestine del ruter prpagazine B elabrazine del ruter accdament 1: Intrduzine 35 Ritardi nelle reti a cmmutazine di pacchett Ritard di Trasmissine: R=larghezza di banda del canale (bps) L=lunghezza del pacchett (bits) Temp per spedire i bit lung il canale = L/R A trasmissine Ritard di Prpagazine: d = lunghezza del canale fisic (m) s = velcità di prpagazine nel mezz (~2x10 8 m/sec) Ritard di prpagazine = d/s Nta: s ed R sn quantità MOLTO diverse! prpagazine B elabrazine del ruter accdament 1: Intrduzine 36 18

19 Matte Seren Reti di Cmunicazine Ritard di accdament R=larghezza di banda del canale (bps) L=lunghezza del pacchett (bits) a=velcità media di arriv di pacchetti intensità di traffic = L a / R L a / R ~ 0: ritard medi di accdament piccl L a / R -> 1: ritard medi di accdament diventa grande L a / R > 1: il lavr che arriva è più di quell che può essere svlt, il ritard medi diventa infinit! 1: Intrduzine 37 Ritardi e cammini veri in Internet tracerute: ruter, ritardi sul cammin srgentedestinazine path: vedi anche pingpltter, ed altri 1 cs-gw ( ) 1 ms 1 ms 2 ms 2 brder1-rt-fa5-1-0.gw.umass.edu ( ) 1 ms 1 ms 2 ms 3 cht-vbns.gw.umass.edu ( ) 6 ms 5 ms 5 ms 4 jn1-at wr.vbns.net ( ) 16 ms 11 ms 13 ms 5 jn1-s wae.vbns.net ( ) 21 ms 18 ms 18 ms 6 abilene-vbns.abilene.ucaid.edu ( ) 22 ms 18 ms 22 ms 7 nycm-wash.abilene.ucaid.edu ( ) 22 ms 22 ms 22 ms ( ) 104 ms 109 ms 106 ms 9 de2-1.de1.de.geant.net ( ) 109 ms 102 ms 104 ms 10 de.fr1.fr.geant.net ( ) 113 ms 121 ms 114 ms 11 renater-gw.fr1.fr.geant.net ( ) 112 ms 114 ms 112 ms 12 ni-n2.cssi.renater.fr ( ) 111 ms 114 ms 116 ms 13 nice.cssi.renater.fr ( ) 123 ms 125 ms 124 ms 14 r3t2-nice.cssi.renater.fr ( ) 126 ms 126 ms 124 ms 15 eurecm-valbnne.r3t2.ft.net ( ) 135 ms 128 ms 133 ms ( ) 126 ms 128 ms 126 ms 17 * * * 18 * * * 19 fantasia.eurecm.fr ( ) 132 ms 128 ms 136 ms 1: Intrduzine 38 19

20 Matte Seren Reti di Cmunicazine Struttura di Internet: rete di reti a grandi linee gerarchica natinal/internatinal backbne prviders (NBP) e.g. BBN/GTE, Sprint, AT&T, IBM, UUNet si inter-cnnettn direttamente, tramite Netwrk Access Pint (NAP) ISP reginali cnnettn ai NBP ISP lcali, privati, istituzini cnnettn agli ISP reginali NAP ISP reginali ISP lcali NBP B NBP A ISP lcali ISP reginali NAP 1: Intrduzine 39 Natinal Backbne Prvider e.g. Sprint US backbne netwrk 1: Intrduzine 40 20

21 Matte Seren Reti di Cmunicazine Livelli di un prtcll Le reti di telecmunicazine sn cmplesse! mlte cmpnenti: hst ruter canali di cmunicazine (diversi mezzi trasmissivi) applicazini prtclli hardware, sftware Dmanda: Si può rganizzare la struttura di una rete? O, almen, la discussine? 1: Intrduzine 41 Organizzazine di un viaggi aere bigliett (acquist) bagagli (accettazine) uscita (imbarc) pista (decll) rtta aerea bigliett (reclam) bagagli (ritir) uscita (sbarc) pista (atterraggi) rtta aerea rtta aerea Una serie di passi 1: Intrduzine 42 21

22 Matte Seren Reti di Cmunicazine Organizzazine di un viaggi: vista diversa bigliett (acquist) bagagli (accettazine) uscita (imbarc) pista (decll) bigliett (reclam) bagagli (ritir) uscita (sbarc) pista (atterraggi) rtta aerea rtta aerea rtta aerea Livelli: gni livell implementa un servizi attravers azini interne al prpri livell e cnfidand su servizi frniti dal livell sttstante 1: Intrduzine 43 Viaggi aerei a livelli : i servizi persne+bagagli da bancne a bancne da ritir-bagagli a ritir-bagagli persne: uscita di imbarc a uscita di sbarc trasferiment aere da pista a pista rtta aere da partenza a destinazine 1: Intrduzine 44 22

23 Matte Seren Reti di Cmunicazine Implementazine distribuita delle funzinalità di un livell Aerprt di partenza bigliett (acquist) bigliett (reclam) bagagli (accett.) bagagli (ritir) uscita (imbarc) uscita (sbarc) pista (decll) pista (atterraggi) rtta aerea rtta aerea Siti intermedi di traffic aere Aerprt d arriv rtta aerea rtta aerea rtta aerea 1: Intrduzine 45 Perché i livelli? Sistemi cmplessi: Una strutturazine esplicita cnsente l identificazine e le relazini tra parti di un sistema cmpless mdell di riferiment a livelli per l studi Mdularizzazine facilita il manteniment e l aggirnament di un sistema La mdifica dell implementazine del servizi di un livell è trasparente al rest del sistema e.g., mdifica nella prcedura d imbarc nn cndizina il rest del sistema viaggi aere Alcuni critican la strutturazine a livelli 1: Intrduzine 46 23

24 Matte Seren Reti di Cmunicazine Stack di prtclli Internet applicatin: supprt per applicazini di rete ftp, smtp, http transprt: trasferiment dati da hst a hst tcp, udp netwrk: instradament di datagram da mittente a destinazine ip, prtclli di ruting : trasferiment dati tra due elementi vicini (cnnessi) delle rete ppp, ethernet : trasferiment di bits lung i canali di cmunicazine fisici applicatin transprt netwrk 1: Intrduzine 47 Funzinalità dei livelli Ogni livell può eseguire un, più, dei seguenti tipi di cmpit cntrll degli errri cntrll di fluss segmentazine e ricstruzine multiplexing/demultiplexing setup di cnnessine 1: Intrduzine 48 24

25 Matte Seren Reti di Cmunicazine Struttura a livelli: cmunicazine lgica Ogni livell: distribuit entità implementan funzini di un livell ad gni nd entità esegun azini, scambian messaggi cn i prpri pari applicatin transprt netwrk applicatin transprt netwrk applicatin transprt netwrk netwrk applicatin transprt netwrk 1: Intrduzine 49 Struttura a livelli: cmunicazine lgica E.g.: transprt Riceve dati dall applicatin Aggiunge indirizzament, infrmazini sul cntrll di affidabilità per frmare un segment spedisce il segment al prpri pari Attende che il pari cnfermi la ricezine (cn un ack ) analgia: uffici pstale dati applicatin transprt netwrk applicatin transprt netwrk dati ack applicatin transprt netwrk netwrk dati applicatin transprt netwrk 1: Intrduzine 50 25

26 Matte Seren Reti di Cmunicazine Struttura a livelli: cmunicazine fisica dati applicatin transprt netwrk applicatin transprt netwrk applicatin transprt netwrk netwrk dati applicatin transprt netwrk 1: Intrduzine 51 Prtclli a livelli e dati Ogni livell prende dati dal livell superire Aggiunge infrmazini in un header (intestazine) per creare una nuva unità di dati Passa la nuva unità di dati al livell sttstante Ht HnHt Hl HnHt M M M M srgente applicatin transprt netwrk destinazine applicatin transprt netwrk Ht HnHt Hl HnHt M M M M messaggi segment datagram frame 1: Intrduzine 52 26

27 Matte Seren Reti di Cmunicazine Stria di Internet : primi principi della cmmutazine di pacchetti 1961: Kleinrck teria delle cde dimstra l efficacia della cmmutazine di pacchett 1964: Baran cmmutazine di pacchett nelle reti militari 1967: ARPAnet cncepita dal Advanced Research Prjects Agency 1969: prim nd ARPAnet perativ 1972: Dimstrazine pubblica di ARPAnet NCP (Netwrk Cntrl Prtcl) prim prtcll hst-hst Prim prgramma di e- mail ARPAnet ha 15 ndi 1: Intrduzine 53 Stria di Internet : Internetwrking, nuve reti e reti prprietarie 1970: rete satellitare ALOHAnet nelle Hawaii 1973: Metcalfe nella sua tesi di PhD prpne Ethernet 1974: architettura prpsta da Cerf e Kahn per l intercnnessine di reti fine anni 70: architetture prprietarie: DECnet, SNA, XNA fine anni 70: cmmutazine di pacchetti di lunghezza fissa (precursre di ATM) 1979: ARPAnet ha 200 ndi Principi di internetwrking di Cerf e Kahn: minimalism, autnmia nessuna mdifica interna richiesta per intercnnettere reti mdell di servizi best effrt (al megli) ruter che nn mantengn l stat delle cnnessini cntrll decentralizzat Definiscn l architettura dell attuale Internet 1: Intrduzine 54 27

28 Matte Seren Reti di Cmunicazine Stria di Internet : nuvi prtclli, prliferazine di reti 1983: diffusine di TCP/IP 1982: definizine del prtcll smtp per l 1983: definizine del DNS per la traduzine da nme ad indirizz IP 1985: definizine del prtcll ftp 1988: cntrll di cngestine in TCP Nuve reti nazinali: Csnet, BITnet, NSFnet, Minitel 100,000 hst cnnessi alla cnfederazine di reti 1: Intrduzine 55 Stria di Internet Anni 90: cmmercializzazine, il WWW Primi anni 90: disarm di ARPAnet 1991: l NSF allenta le restrizini sull us cmmerciale di NSFnet (in disarm nel 1995) Primi anni 90: WWW ipertesti [Bush 1945, Nelsn 1960 s] HTML, http: Berners-Lee 1994: Msaic, più tardi Netscape fine anni 90: cmmercializzazine del WWW Fine anni 90: 50 milini di cmputers n Internet (stime) più di 100 milini di utenti (stime) canali di cmunicazine dei backbne peranti a 1 Gbps 1: Intrduzine 56 28

29 Matte Seren Reti di Cmunicazine Intrduzine: smmari Mlt materiale panramica su Internet cs è un prtcll? netwrk edge, cre, access netwrk cmmutazine di pacchett e di circuit prestazini: perdite, ritardi strutturazine a livelli e mdelli di servizi backbne, NAP, ISP stria Ora avete: Una panramica sulle prblematica Andrem nel dettagli 1: Intrduzine 57 29

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