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1 Informatica Distribuita PAS Flavio De Paoli ITIS Lab

2 La rete Internet ITIS Lab

3 Internet (parte 1) Obiettivi: Avere una visione di insieme del contesto Aspetti concettuali/ implementativi dei protocolli applicativi Paradigma client server Modelli dei servizi Rassegna prima parte: cosa è Internet cosa è il Web cosa è un protocollo Architettura client/server Indirizzi URL Processi e programmi Esempi di protocollo Il servizio DNS 1: Introduction 3

4 Internet: rete di reti Grossolanamente gerarchica Backbone gestiti da provider nazionali/internazionali (NBPs) Es. Telecom Interconnessi mediante punti di accesso privati o pubblici (Network Access Point o NAP) Internet Service Provider regionali Connessi a NBP Internet Service Provider locali, compagnie Connessi a ISP regionali NAP ISP regionale ISP locale NBP B NBP A ISP locale ISP regionale NAP 1: Introduction 4

5 National Backbone Provider e.g. BBN/GTE US backbone network 1: Introduction 5

6 Cosa è Internet: hardware milioni di dispositivi collegati: hosts, endsystems PC, workstation, server Palmari, telefoni router server local ISP workstation mobile eseguono appl. di rete mezzi trasmissivi fibra, rame, radio, satellite regional ISP router: inviano pacchetti (packets) di dati attraverso la rete company network 1: Introduction 6

7 Cosa è Internet Internet: rete di reti Struttura parzialmente gerarchica Segmenti pubblici e intranet private protocolli: regolano la comunicazione tra sistemi router server local ISP workstation mobile e.g., TCP, IP, HTTP, FTP, PPP regional ISP Standard Internet RFC: Request for comments IETF: Internet Engineering Task Force company network 1: Introduction 7

8 Cosa è Internet : i servizi la rete di comunicazione permette di eseguire applicazioni: WWW, , giochi, e- commerce, basi di dati ecc. comunicazione: basata sul concetto di protocollo 1: Introduction 8

9 Cosa è un protocollo? protocolli umani: che ora è? Ho una domanda invio di specifici messaggi in corrispondenza ai quali vengono prese opportune azioni anche altri eventi protocolli di rete: macchine tutte le comunicazioni in Internet governate da protocolli i protocolli definiscono il formato, l ordine di invio e di ricezione dei messaggi tra i dispositivi e le azioni associate alla ricezione di un messaggio 1: Introduction 9

10 Cosa è un protocollo (cont.)? due esempi : ciao ciao sai l ora? 2:00 tempo richiesta di connessione TCP risposta di connessione TCP get (prendi) ~impianti/programma <file> 1: Introduction 10

11 Il livello applicativo Obiettivi: Aspetti concettuali/ implementativi dei protocolli applicativi Paradigma client server URL e processi Modelli dei servizi (cenni) Protocolli specifici: http ftp smtp pop dns 2: Application Layer 11

12 Applicazioni e protocolli applicativi Applicazione: processi ditribuiti in comunicazione In esecuzione su host remoti Si scambiano messaggi per eseguire l applicazione Es., posta, FTP, WWW Protocolli applicativi Costituiscono una parte di ogni applicazione Definiscono il formato dei messaggi scambiati e il loro significato (azioni) Usano i servizi degli strati inferiori application transport network data link physical application transport network data link physical application transport network data link physical 2: Application Layer 12

13 Paradigma client-server App. di rete tipica consiste di due parti: client e server Client: Inizia il dialogo col server ( speaks first ) Di solito richiede un servizio Nel caso del Web, il client è integrato nel browser Server: Fornisce il servizio al client, su richiesta Es., un Web server invia una pagina Web richiesta, un mail server accede alla casella di posta elettronica application transport network data link physical richiesta risposta application transport network data link physical

14 Applicazioni: terminologia essenziale Un processo è un programma in esecuzione su un host Sullo stesso host i processi comunicano mediante meccanismi definiti dal SO. Un agente utente (user agent) è un interfaccia tra l utente e l applicazione di rete. Browser Web lettore di posta Processi in esecuzione su host diversi comunicano mediante meccanismi definiti dal protocollo dello strato di applicazione (application layer protocol) streaming audio/video: lettore di file audio/video Aspetti essenziali: Identificazione delle risorse in rete (processi, dati, ) Accesso alle risorse in rete 2: Application Layer 14

15 Processi e programmi I programmi vengono eseguiti dai processi Programma = sequenza di istruzioni eseguibili dalla macchina I processi sono entità gestite dal Sistema Operativo Processo = area di memoria RAM per effettuare le operazioni e memorizzare i dati + registro che ricorda la prossima istruzione da eseguire + canali di comunicazione Ogni processo comunica attraverso canali Un canale gestisce flussi di dati in ingresso e in uscita (dati in formato binario o testuale) Per esempio lo schermo, la tastiera e la rete sono canali Dall esterno ogni canale è identificato da un numero intero detto porta

16 URL (Uniform Resource Locator) Come può un processo identificare quello con cui intende comunicare? Indirizzo IP dell host su cui l altro processo è in esecuzione Numero di porta (port number) permette all host ricevente di identificare il processo locale destinatario del messaggio URL Identifica un oggetto nella rete e specifica il modo per accedere ad esso: il protocollo Ha tre componenti: nome del protocollo, indirizzo dell host e percorso nell host protocollo://indirizzo_ip[:porta]/cammino/file ftp://www.adobe.com/dawnload/acroread.exe

17 Uniform Resource Identifier 17

18 Network edge: end system (hosts): eseguono applicazioni es., WWW, edge of network modello client/server client host requests, receives service from server e.g., WWW client (browser)/ server; client/server modello peer-to-peer : interazione simmetrica tra host es.: teleconferenza, Gnutella 1: Introduction 18

19 Network edge: servizio orientato alla connessione Obiettivo: trasferire dati tra host. handshaking: scambio di informazione di controllo prima della comunicazione Hello, hello ( protocollo umano) viene creato un canale virtuale, cioè uno stato nei due host che comunicano TCP - Transmission Control Protocol Orientato alla connessione Scompone i messaggi in pacchetti Servizio TCP [RFC 793] trasferimento affidabile (reliable) di flussi di byte perdita: conferma (acknowledgement) e ritrasmissioni ordine: numerazione dei pacchetti e scarto dei duplicati controllo di flusso (flow control): il sender rallenta/accelera gli invii al receiver Controllo della congestione (congestion control): il ritmo (rate) di trasmissione diminuisce se la rete è congestionata 19

20 Network edge: servizio connectionless Obiettivo: trasferimento dati tra host Lo stesso di prima! UDP - User Datagram Protocol [RFC 768]: il servizio connectionless di Internet trasferimento dati non affidabile senza controllo di flusso senza controllo della congestione Applicazioni che usano TCP: HTTP (WWW), FTP (file transfer), Telnet (remote login), SMTP ( ) Applicazioni che usano UDP: streaming audio/video teleconferenza, telefonia su Internet 1: Introduction 20

21 Le socket: Il protocollo su cui costruire i protocolli applicativi ITIS Lab

22 Protocolli di livello applicativo: servizi dagli strati inferiori e identificazione API: Application Programming Interface Definisce l interfaccia tra applicazione e strato di trasporto Socket: API Internet Due processi (applicazione nel modello client server) comunicano inviando/leggendo dati nel/dal socket D: come può un processo identificare quello con cui intende comunicare? Indirizzo IP dell host su cui l altro processo è in esecuzione Numero di porta (port number) permette all host ricevente di identificare il processo locale destinatario del messaggio 2: Application Layer 22

23 Socket: funzionamento di base Programmatore Sistema operativo processo socket TCP con buffer e variabili Internet processo socket TCP con buffer e variabili Programmatore Sistema operativo host o server host o server 2: Application Layer 23

24 Protocolli di livello applicativo Identificazione Servizi dagli strati inferiori Problema: come può un processo identificare quello con cui intende comunicare? Indirizzo IP dell host su cui l altro processo è in esecuzione Numero di porta (port number) permette all host ricevente di identificare il processo locale destinatario del messaggio API: Application Programming Interface Definisce l interfaccia tra applicazione e strato di trasporto Socket: API Internet Due processi (applicazione nel modello client server) comunicano inviando/ leggendo dati in/da socket 24

25 Processi e programmi I programmi vengono eseguiti dai processi I processi sono entità gestite dal Sistema Operativo I processi sono le entità visibili in rete Un processo è identificato in rete dall indirizzo della macchina host e da un numero intero detto porta Ogni processo comunica attraverso canali Un canale è identificato da un numero intero collegato alla porta Le socket sono particolari canali per la comunicazione tra processi che non condividono memoria (per esempio perché risiedono su macchine diverse) Per potersi connettere o inviare un messaggio ad un processo (server) A, un processo (client) B deve conoscere la macchina (host) che esegue A e la porta cui A è connesso (well-known port) 25

26 26 Comunicazione via socket La comunicazione TCP/IP avviene attraverso flussi di byte (byte stream), dopo una connessione esplicita, tramite normali system call read/write Read e write Sono sospensive (bloccano il processo finché il sistema operativo non ha effettuato la lettura/scrittura) Utilizzano buffer per garantire flessibilità (es: la read definisce un buffer per leggere N caratteri, ma potrebbe ritornare avendone letti solo k<n)

27 Le API system call (Berkeley) L API è composta da molte procedure per TCP e UDP Le principali per TCP/IP sono riportate in tabella Primitive Meaning Socket Create a new communication endpoint Bind Attach a local address to a socket Listen Announce willingness to accept connections Accept Block caller until a connection request arrives Connect Actively attempt to establish a connection Write Send some data over the connection Read Receive some data over the connection Close Release the connection 27

28 Processi e socket socket socket-bind connect accept ClientProcess write-read read-write ServerProcess 2: Application Layer 28

29 Funzionamento dei servizi offerti dai protocolli di trasporto Internet Servizio UDP: Scompone i messaggi in pacchetti Li invia, uno per volta, ai servizi network Servizio TCP: Scompone e invia come UDP Ogni pacchetto viene numerato per garantire Riordinamento dei pacchetti arrivati Controllo delle duplicazioni (scarto dei pacchetti con ugual numero d ordine) Controllo delle perdite (rinvio dei pacchetti mancanti) 2: Application Layer 29

30 Sintesi dei servizi offerti dai protocolli di trasporto Internet Servizio TCP : Orientato alla connessione: richiesto setup tra client e server Trasporto affidabile (reliable transfer) tra processi mittente e ricevente Controllo di flusso (flow control): il mittente rallenta per non sommergere il ricevente Controllo della congestione (congestion control): il mittente rallenta quando la rete è sovraccarica Non offre: garanzie di banda e ritardo minimi Servizio UDP : Trasporto non affidabile tra processi mittente e ricevente Non offre: connessione, affidabilità, controllo di flusso, controllo di congestione, garanzie di ritardo e banda D: perché esiste UDP? Può essere conveniente per le applicazioni 2: Application Layer 30

31 Requisiti delle applicazioni Perdita (Data loss) Alcune app.ni (es., audio) sono tolleranti (fino a un certo punto) Altre (es., FTP, telnet) richiedono affidabilità totale Ritardo Alcune applicazioni (es., telefonia Internet, giochi interattivi in rete) richiedono una banda minima per funzionare con qualità sufficiente Banda Alcune app.ni (soprattutto multimediali) richiedono una banda minima Altre (dette elastiche ) usano la banda a disposizione Nota: alcuni requisiti sono determinati da esigenze percettive umane (es. ritardo nella telefonia Internet) 2: Application Layer 31

32 Requisiti per il servizio di trasposrto per alcune applicazioni comuni Application Data loss Bandwidth Time Sensitive file transfer Web documents real-time audio/video stored audio/video interactive games financial apps no loss no loss loss-tolerant loss-tolerant loss-tolerant loss-tolerant no loss elastic elastic elastic audio: 5Kb-1Mb video:10kb-5mb same as above few Kbps up elastic no no no yes, 100 s msec yes, few secs yes, 100 s msec yes and no 2: Application Layer 32

33 Applicazioni Internet: loro protocolli e protocollo di transporto usato Applicazione Protocollo applicativo Protocollo di trasporto usato remote terminal access Web file transfer streaming multimedia remote file server Internet telephony smtp [RFC 821] telnet [RFC 854] http [RFC 2068] ftp [RFC 959] proprietario (es. RealNetworks) NFS proprietary (e.g., Vocaltec) TCP TCP TCP TCP TCP o UDP TCP o UDP tipicamente UDP 2: Application Layer 33

34 Read e write Le socket trasportano stream (= flussi) di bytes, quindi... non c è il concetto di messaggio,... lettura(scrittura) avviene per un numero arbitrario di byte Il prototipo (in pseudocodice) della read è quindi byteletti read(socket, buffer, dimbuffer);!!byteletti =!byte effettivamente letti!!socket =!buffer =!il canale da cui leggere!!lo spazio di memoria dove trasferire i byte letti!!dimbuffer =!dimensione del buffer = numero max di caratteri che!si possono leggere!!!! Quindi si devono prevedere cicli di lettura che termineranno in base alla dimensione dei messaggi come stabilito dal formato del protocollo in uso 34

35 Condivisione del canale while ( ) {!!read(s, x, 1);!!println(x);! }! while ( ) {!!read(s, x, 1);!!println(x);! }! Process/Thread 1! Possibile output:! cef! Process/Thread 2! Possibile output:! abd! porta/socket! Sender! write(s, abcdef, n);! La lettura/scrittura su una socket da parte di più processi determina un problema di concorrenza: accesso ad una risorsa condivisa (mutua esclusione) 35

36 Progettare un sistema Client: L'architettura è concettualmente più semplice di quella di un server È spesso una applicazione convenzionale Ha effetti solo sull utente client Non ci sono problemi di sicurezza Server: Concettualmente deve creare una socket assegnargli una porta nota entrare in un ciclo infinito in cui alternare attesa richiesta soddisfa richiesta invia risposta L affidabilità di un server è strettamente dipendente dall affidabilità della comunicazione tra lui e i suoi client La modalità connection-oriented determina l impossibilità di rilevare interruzioni sulle connessioni la necessità di prevedere una connessione (una socket) per ogni comunicazione 36

37 HTTP: il protocollo del Web Un protocollo applicativo basato sui servizi TCP/IP ITIS Lab

38 Il Web: protocollo http http: hypertext transfer protocol Protocollo di livello applicativo per il Web Usa il modello client/server client: browser che richiede, riceve e mostra oggetti Web server: Web server che invia oggetti in risposta alle richieste http1.0: RFC 1945 http1.1: RFC 2068 PC running Explorer Mac running Firefox Server con NCSA Web server

39 I messaggi HTTP request Due tipi di messaggi http: request, response Messaggio http request: ASCII (formato testo leggibile) Request line (GET, POST, HEAD, ) Carriage return, line feed indica fine messaggio header lines GET /somedir/page.html HTTP/1.1 Host: Connection: close User-agent: Mozilla/4.0 Accept: text/html, image/gif,image/jpeg Accept-language:fr (extra carriage return, line feed) Chiudi la connessione al termine della richiesta

40 HTTP Methods cache safe idemp otent OPTIONS represents a request for information about the communication options available on the request/response chain identified by the Request-URI GET means retrieve whatever information (in the form of an entity) is identified by the Request-URI HEAD identical to GET except that the server MUST NOT return a messagebody in the response POST is used to request that the origin server accept the entity enclosed in the request as a new subordinate of the resource identified by the Request-URI in the Request-Line PUT requests that the enclosed entity be stored under the supplied Request-URI DELETE requests that the origin server delete the resource identified by the Request-URI TRACE is used to invoke a remote, application-layer loop- back of the request message Safe = methods SHOULD NOT have the significance of taking an action other than retrieval. Idempotent = the side-effects of N > 0 identical requests is the same as for a single request (aside from error or expiration issues). 40

41 Il formato http request

42 I messaggi HTTP response status line (protocol status code status phrase) header lines HTTP/ OK Connection: close Date: Thu, 06 Aug :00:15 GMT Server: Apache/1.3.0 (Unix) Last-Modified: Mon, 22 Jun Content-Length: 6821 Content-Type: text/html data, e.g., requested html file data data data data data... Client HTTP 1.0: Server chiude connessione al termine della richiesta Client HTTP 1.1: mantiene aperta la connessione oppure chiude se Connection: close

43 Risposta: codici di stato Prima riga del messaggio di risposta server->client. 200 OK Successo, oggetto richiesto più avanti nel messaggio 301 Moved Permanently L oggetto richiesto è stato spostato. Il nuovo indirizzo è specificato nell header (Location:) 400 Bad Request Alcuni esempi: Richiesta incomprensibile al server 404 Not Found Il documento non è stato trovato sul server 505 HTTP Version Not Supported

44 Tipi MIME MIME: Multipupose Internet Mail Extension, o Mutuato dal protocollo di SMTP (vedi oltre) o RFC 2045, Qualifica dati multimediali e di specifiche applicazioni Text Esempi di sottotipi: plain, html Image Esempi di sottotipi : jpeg, gif Audio Esempi di sottotipi : basic (8-bit mu-law encoded), 32kadpcm (32 kbps coding) Video Esempi di sottotipi : mpeg, quicktime Application Dati che devono essere processati da un applicazione prima di essere visibili Esempi di sottotipi : msword, octet-stream 44

45 Prova (client) 1. Telnet verso un Web server: telnet 80 Apre connessione TCP verso la porta 80 (default) prsso Tutto quanto viene digitato è inviato alla porta 80 di 2. Si digita una richiesta http GET: GET /prova/index.html HTTP/1.0 Digitando ciò (carriage return due volte), si invia una richiesta GET al server http 3. Si osservi la risposta!

46 Il funzionamento di Internet ITIS Lab

47 Stratificazione protocollare (Protocol Layering ) Le reti sono complesse! Molti elementi: host router link fisici dalle caratteristiche diverse applicazioni protocolli hardware, software Domanda: Come organizzare la struttura della rete? 1: Introduction 47

48 Esempio di stratificazione: il servizio postale Lettera (consegna) Consegna a dest. Controllo destinazione (ufficio postale di origine) Consegna a corriere Controllo destinazione (uff. postale di dest.) Consegna a ufficio di destinazione Spedizione effettiva

49 Servizio postale: una prospettiva diversa Sorgente Lettera (consegna) Controllo destinazione (consegna a corriere) Corriere Destinazione Lettera (cons. a dest.) Controllo destinazione (ric. da corriere) Corriere (consegna) Trasporto (aereo, treno...) Strati: ogni strato implementa un servizio Mediante funzionalità interne Usando i servizi messi a disposizione dagli strati inferiori

50 Stratificazione del servizio postale Consegna da mittente a destinatario Consegna da ufficio postale sorgente a ufficio postale di destinazione Trasferimento da sede locale a sede destinazione del corriere Trasporto 50 1:

51 Perché la stratificazione? I sistemi sono complessi: La stratificazione permette una più facile organizzazione e individuazione delle funzionalità La modularità facilita la manutenzione e la modifica dei sistemi La modifica dell implementazione dei servizi resi da uno strato è trasparente (non si modifica l interfaccia) Es., cambiare il corriere non altera il funzionamento complessivo del servizio postale 51 1:

52 La stratificazione di Internet application: supporto per le applicazioni di rete ftp, smtp, http transport: trasferimento dati end-to-end tcp, udp network: trasferimento di datagrammi da sorgente a destinazione (host-tohost) ip, routing protocols link: trasferimento di dati tra elementi di rete adiacenti ppp, ethernet physical: bit sul cavo application transport network link physical 1: Introduction 52

53 Stratificazione: comunicazione logica Ogni strato: distribuito entità implementano le funzionalità di strato in ogni nodo Le entità eseguono azioni e scambiano messaggi con le entità pari (peer entities) application transport network link physical application transport network link physical application transport network link physical network link physical application transport network link physical 1: Introduction 53

54 Layering: logical communication Es.: transport Preleva dati da app. Indirizzamento, crea datagramma Invia il datagramma all entità pari del lato destinazione Attendi che il peer confermi il ricevimento analogia: ufficio postale data application transport network link physical application transport network link physical data ack application transport network link physical network link physical data application transport network link physical 1: Introduction 54

55 Layering: physical communication data application transport network link physical application transport network link physical application transport network link physical network link physical data application transport network link physical 1: Introduction 55

56 Stratificazione e dati Ogni strato riceve dati dallo strato superiore Aggiunge header e crea nuova unità dati Passa nuova unità dati a strato inferiore source destination H l H t HnH t HnH t M M M M application transport network link physical application transport network link physical H l H t HnH t HnH t M M M M message segment datagram frame

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