Sommario INFORMATICA. Collegamento di elaboratori in rete. Sistemi distribuiti e reti di calcolatori RETI DI CALCOLATORI INTERNET

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1 Università degli Studi di Cagliari Corso di Laurea in Biotecnologie Industriali INFORMATICA A.A. 2015/2016 Docente: Prof. Gian Luca Marcialis Sommario Sistemi distribuiti e reti di calcolatori Architettura client-server Reti geografiche e reti locali internet e Internet Principali Protocolli Principali Servizi RETI DI CALCOLATORI INTERNET Informatica - A.A. 2015/16 - Prof. Gian Luca Marcialis 2 Sistemi distribuiti e reti di calcolatori Collegamento di elaboratori in rete Sistema distribuito singolo calcolatore multiprocessore, o più calcolatori connessi in rete i processi sono suddivisi tra i diversi processori dal sistema operativo (gestore dei processi), in modo trasparente all utente Reti di calcolatori insieme di calcolatori connessi attraverso linee di comunicazione esterne (ad es. modem e linea telefonica, o scheda di rete e cavo coassiale) l utente è consapevole dell esistenza di diversi calcolatori il sistema operativo fornisce funzionalità di alto livello alle applicazioni utente, per consentire la comunicazione tra diversi calcolatori Informatica - A.A. 2015/16 - Prof. Gian Luca Marcialis 3 Soluzione alternativa alla centralizzazione dei sistemi informatici Anni 50: si parlava di centro di calcolo la stanza di un azienda, università ecc., dove si trovava il/i calcolatori deputati a soddisfare tutte le esigenze di calcolo... Difetto: scarsa capacità di adattarsi con rapidità alle esigenze applicative Oggi tutte le funzioni sono svolte da un gran numero di calcolatori indipendenti e interconnessi Si parla di reti di calcolatori Informatica - A.A. 2015/16 - Prof. Gian Luca Marcialis 4

2 Servizi di rete Reti per le aziende Condivisione di risorse fra sedi lontane geograficamente e fra diverse divisioni dell azienda (magazzino, produzione, amministrazione, ecc.) Affidabilità: stessi dati presenti su più elaboratori per evitare che il guasto ad un elaboratore renda quei dati indisponibili Risparmio di denaro: molti piccoli elaboratori con risorse condivise in rete hanno un rapporto costo/prestazioni migliore di un unico grosso elaboratore Mezzo di comunicazione fra diverse sedi Servizi di rete (cont.) Reti per le persone Accesso a informazioni remote: servizi bancari, assicurativi, commerciali, quotidiani personalizzati, informazioni varie, ecc. disponibili sull elaboratore di casa (accesso a basi di dati) Comunicazione uomo-a-uomo: posta elettronica, chat, videoconferenze, gruppi di discussione, blog, social network Intrattenimento: streaming audio/video, video e/o musica a richiesta (film, programmi televisivi, canzoni, ecc.), radio e giochi online Informatica - A.A. 2015/16 - Prof. Gian Luca Marcialis 5 Informatica - A.A. 2015/16 - Prof. Gian Luca Marcialis 6 Architettura client-server Oggi le applicazioni informatiche sono distribuite su più calcolatori collegati in rete Suddivisione funzionale server: calcolatori specializzati per un determinato tipo di servizi (ad es. basi di dati, stampanti) client: calcolatori che richiedono servizi di tipo diverso software dedicato prevalentemente all interazione con l utente Vantaggi dell architettura client-server economicità: pochi calcolatori potenti e condivisi svolgono le funzioni di server, i numerosi calcolatori individuali quelle di client aumento di performance e funzionalità dei calcolatori individuali A B C Stampa tesi di laurea Informatica - A.A. 2015/16 - Prof. Gian Luca Marcialis 7 Client-server: un esempio Gli utenti di A e B richiedono la stampa di un documento. Il fatto che la stampante sia «condivisa» attraverso un altro computer è trasparente ad entrambi. I client A e B richiedono il servizio di stampa a C, e passano in stato di attesa. Il server C gestisce una coda di richieste elaborate una per una in sequenza di arrivo o per priorità. A riceve la risposta di C, e riprende l interazione con l utente, mentre C passa ad elaborare la richiesta di B. Informatica - A.A. 2015/16 - Prof. Gian Luca Marcialis 8 A Stampante Richiesta di stampa 1 B C Richiesta di stampa 2

3 Una rete vista «dall alto» Reti geografiche e reti locali Rete locale (LAN, Local Area Network): una rete privata che collega elaboratori e periferiche appartenenti a uno stesso ufficio, dipartimento, azienda Rete metropolitana (MAN): versione della LAN ingrandita Esempio: rete locale del DIEE fa parte della rete di ateneo Rete geografica (WAN, Wide Area Network): copre una nazione o un continente Connessione fra diverse reti: internetwork abbreviazione: internet (con l iniziale minuscola!) la rete Internet (iniziale maiuscola) è una delle tante internet esistenti Informatica - A.A. 2015/16 - Prof. Gian Luca Marcialis 9 10 Caratteristiche delle reti locali Mezzo di trasmissione utilizzato Doppino telefonico, fibra ottica Topologia A stella, irregolare Comunicazione attraverso messaggi Instradamento, commutazione Protocolli di comunicazione ISO/OSI, TCP/IP Informatica - A.A. 2015/16 - Prof. Gian Luca Marcialis 11 Mezzi di trasmissione dei dati Sono i mezzi fisici entro i quali i bit viaggiano sotto forma di segnale analogico o digitale In forma astratta, rappresentano il cosiddetto canale di trasmissione Nel caso il segnale sia analogico, è necessario un opportuno strumento di conversione del segnale a monte ed a valle del mezzo Da digitale ad analogico e viceversa Le prestazioni di un mezzo di trasmissione sono misurate in termini di velocità di trasmissione Misurata in bit per second (bps): bit al secondo e multipli Kilobps (kbps) = 10 3 bps Megabps (Mbps) = 10 6 bps Gigabps (Gbps) = 10 9 bps Informatica - A.A. 2015/16 - Prof. Gian Luca Marcialis 12

4 Mezzi di trasmissione dei dati Cavi in rame Doppino telefonico coppia di fili in rame isolati e intrecciati segnale: differenza di potenziale elettrico in forma analogica o digitale velocità di trasmissione: fino a 56 kbps in analogico (modem) fino a 4 Mbps in digitale (ADSL) Es. collegamenti telefonici con provider : organizzazione o società che fornisce all utente le infrastrutture tecniche per permettergli di collegarsi Cavo coassiale filo portante centrale contenuto in un isolante plastico, circondato da una maglia di filo di rame; il tutto avvolto da un rivestimento esterno segnale: onda elettromagnetica velocità: fino a 1 Gbps (su brevi distanze), Kbps (altrimenti) Es. comunicazioni televisive e reti locali Informatica - A.A. 2015/16 - Prof. Gian Luca Marcialis 13 Mezzi di trasmissione (cont.) Fibra ottica fasci di fibre ottiche all interno di materiale riflettente segnale: onda elettromagnetica nello spettro del visibile (luce), emessa da dispositivi in grado di produrre segnali ottici (diodi fotoelettrici) velocità: fino a 40 Gbps (80 km senza perdita di segnale) Es. collegamenti metropolitani, reti locali Etere Segnale: onda elettromagnetica mezzo non guidato brevi distanze: onde radio; lunghe distanze (satellite): microonde Velocità: da 54 Mbps (WLAN Wireless LAN) Es. collegamento con PC portatili tramite raggi infrarossi, GSM, Wi- Fi Informatica - A.A. 2015/16 - Prof. Gian Luca Marcialis 14 Sistemi wireless Modulazione e demodulazione Infrarossi Dispositivi visibili direttamente (cellulare-portatile) Lente, in disuso Laser Microonde Comunicazioni satellitari geostazionarie 45 Mbps, banda venduta a tagli da 640 kbps Onde radio WiFi (Wireless Fidelity) WLAN (reti locali): 35/100 m, 54 Mbps WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) Reti metropolitane, 70 Mbps Rete cellulare GSM, GPRS (57.6 Kbps in download), UMTS (10 Mbps?) Informatica - A.A. 2015/16 - Prof. Gian Luca Marcialis 15 Le sequenze di bit devono essere convertite in segnali analogici (continui) in trasmissione: modulazione In ricezione, conversione opposta: demodulazione Il dispositivo che effettua la conversione è detto modem Si utilizzano segnali analogici periodici (sinusoidi) detti portanti, e i bit vengono codificati variando l ampiezza, la frequenza o la fase dei segnali portanti Calcolatore MOdulatore DEModulatore Calcolatore Sequenza di bit Segnale analogico Sequenza di bit Informatica - A.A. 2015/16 - Prof. Gian Luca Marcialis 16

5 Esempio: modulazione in frequenza Sequenza di bit da trasmettere: tipicamente nelle linee telefoniche la portante è una sinusoide con frequenza 1700 Hz; bit 1: 2100 Hz, bit 0: 1300 Hz Il modem ADSL (Asymmetrical Digital Subscriber Line) Predisposto per trasmettere dati a frequenze portanti più elevate di quelle usate dai normali Modem sul doppino telefonico Vantaggio: il segnale può viaggiare direttamente in formato digitale, realizzando una maggiore velocità di trasmissione (qualche centinaio di Mbps contro qualche decina di kbps dei normali modem) t Informatica - A.A. 2015/16 - Prof. Gian Luca Marcialis Topologia delle reti di calcolatori Topologia delle reti di calcolatori Def. la struttura geometrica di una rete di calcolatori Si rappresenta graficamente: Ogni calcolatore o periferica della rete è identificata da un punto chiamato nodo Se due calcolatori della rete sono fra loro collegati, si traccia una linea ( arco ) congiungente i relativi nodi Due nodi non congiunti da archi rappresentano due calcolatori non collegati tra loro direttamente, ma l uno può comunicare con l altro attraverso un opportuno percorso lungo la rete Rete a stella l elaboratore centrale è il più potente la gestione della comunicazione è semplice vulnerabilità: se il nodo centrale non funziona, ogni altro nodo è isolato Rete ad anello tutti i nodi hanno la stessa importanza i messaggi viaggiano lungo l anello, ogni nodo trattiene quelli indirizzati a lui se un nodo non funziona, si può invertire la direzione dei messaggi problema: lentezza Informatica - A.A. 2015/16 - Prof. Gian Luca Marcialis 19 Informatica - A.A. 2015/16 - Prof. Gian Luca Marcialis 20

6 Topologia delle reti di calcolatori (cont.) Rete a bus in ogni istante il bus è dedicato a due nodi della rete, gli altri non possono trasmettere Topologia irregolare possono esistere più percorsi possibili tra due nodi qualsiasi affidabilità in caso di malfunzionamento di un nodo tipica di reti di grandi dimensioni (WAN), mentre le topologie precedenti sono usate per MAN e WAN alcuni nodi svolgono la funzione di router, cioè smistano i dati tra gli altri nodi Informatica - A.A. 2015/16 - Prof. Gian Luca Marcialis 21 Messaggi e pacchetti La comunicazione tra nodi avviene mediante lo scambio di messaggi, secondo protocolli comuni I messaggi vengono suddivisi in pacchetti sequenze di byte, in genere di lunghezza fissa struttura: byte di controllo all inizio e alla fine, dati al centro byte di controllo: inizio pacchetto, mittente, destinatario, controllo di correttezza, termine del messaggio Fine Controllo Parte utile D M Inizio Controllo di correttezza meccanismi che consentono di rilevare se uno o più bit sono stati alterati durante la trasmissione Informatica - A.A. 2015/16 - Prof. Gian Luca Marcialis 22 Instradamento o routing Reti a topologia irregolare: se il percorso dei pacchetti tra due nodi è predefinito : routing statico se non è predefinito: routing dinamico I pacchetti vengono trasferiti: al nodo destinatario se è adiacente al nodo in cui si trovano ad un nodo adiacente in un percorso verso il destinatario altrimenti Routing dinamico: ogni nodo deve scegliere il percorso migliore per i pacchetti in transito algoritmi di routing: tengono conto della lunghezza del percorso, del traffico, della possibile indisponibilità di alcuni nodi più complesso, ma anche più affidabile e flessibile del routing statico Protocolli di comunicazione Regole di comunicazione tra due interlocutori Nelle reti di calcolatori sono molto complessi devono tener conto di diversi aspetti (comunicazione tra applicazioni, routing, connessione fisica) e devono consentire la comunicazione tra calcolatori anche molto diversi tra loro Sono definiti come standard internazionali Il più diffuso è il protocollo ISO/OSI International Standard Organisation (ISO) Open System Interconnection (OSI) Informatica - A.A. 2015/16 - Prof. Gian Luca Marcialis 23 Informatica - A.A. 2015/16 - Prof. Gian Luca Marcialis 24

7 Il protocollo ISO/OSI Il protocollo ISO/OSI (cont.) E un modello di riferimento per protocolli reali E organizzato in sette livelli: ognuno rappresenta una macchina astratta con funzionalità ben definite Applicazione: servizi come posta elettronica, trasferimento di file Presentazione: conversione di codici e formati (es.: da ASCII a UNICODE) Sessione: apertura e chiusura del dialogo Trasporto: suddivisione dei dati in pacchetti, ricostruzione dei dati Rete: controlla il routing dei singoli pacchetti Collegamento: controlla la trasmissione corretta di sequenze di bit Fisico: controlla i dettagli hardware dei mezzi fisici utilizzati per la trasmissione (doppino, fibra ottica ecc.) I livelli fisico e di collegamento sono realizzati in hardware, gli altri in software Ogni livello (eccetto quello fisico) ha l impressione di dialogare con il livello corrispondente del destinatario, tramite l interfaccia fornita dal livello sottostante (macchina astratta) comunicazione end to end o peer to peer (da pari a pari) I protocolli stabiliscono una comunicazione: tra processi del calcolatore mittente e del destinatario (dal livello applicazione a trasporto) tra processi o dispositivi fisici (come modem e interfacce di rete) di calcolatori su nodi adiacenti della rete (dal livello rete al livello fisico) Informatica - A.A. 2015/16 - Prof. Gian Luca Marcialis 25 Informatica - A.A. 2015/16 - Prof. Gian Luca Marcialis 26 Esempio di trasferimento di file con il protocollo ISO/OSI internet e Internet Applicazione Presentazione Sessione Trasporto Rete Collegamento Fisico Invia file Usa formato ASCII Apri dialogo Segmenta il file in pacchetti Instrada un pacchetto Spedisci un pacchetto tra due nodi adiacenti Invia una sequenza di bit lungo la linea fisica Percorso reale dei dati Percorso virtuale dei dati Ricevi file Usa formato HTML Chiudi dialogo Ricostruisci la sequenza dei pacchetti Ricevi un pacchetto Controlla gli errori del pacchetto ricevuto Ricevi una sequenza di bit lungo la linea fisica Applicazione Presentazione Sessione Trasporto Rete Collegamento Fisico 27 Come visto, una rete è caratterizzata da: Infrastrutture hardware: collegamenti fisici tra calcolatori Infrastrutture software: servizi per la diffusione, la gestione e il controllo dell informazione Esistono numerose reti, pubbliche e private La connessione di più reti è definita internet La rete Internet è una particolare internet, estesa a livello mondiale 20 milioni di calcolatori e 120 milioni di utenti nel 2000 servizi principali della rete Internet: scambio di file, posta elettronica, World Wide Web (WWW) si accede attraverso un provider Informatica - A.A. 2015/16 - Prof. Gian Luca Marcialis 28

8 Breve storia di Internet Anni 70 ARPANET: rete nazionale USA dedicata alla ricerca con una dozzina di nodi (ARPA = Advanced Research Projects Agency) Anni 80: ARPANET si divise in MILNET (applicazioni militari) e CSNET (ricerche in ambito informatico) CSNET collegò tutte le facoltà universitarie USA rete analoga in Italia: rete universitaria GARR Alla fine degli anni 80 CSNET si aprì ad applicazioni commerciali, diventando Internet primi provider: CompuServe e MCI Informatica - A.A. 2015/16 - Prof. Gian Luca Marcialis 29 I protocolli TCP/IP I protocolli principali corrispondono ai livelli 3 e 4 ISO/OSI livello di trasporto (4): protocollo TCP (Transfer Control Protocol) livello di rete (3): protocollo IP (Internet Protocol) Tutti i calcolatori collegati a Internet utilizzano TCP/IP TCP i dati da trasmettere sono suddivisi in pacchetti di identica lunghezza ogni pacchetto è inviato separatamente: i pacchetti di uno stesso messaggio possono seguire percorsi diversi, ed essere inviati in qualsiasi ordine IP gestisce il routing dei singoli pacchetti (dinamico) Può modificare una route se una connessione viene interrotta o in base alle condizioni di traffico affidabilità: più del 99% dei pacchetti giunge a destinazione velocità: pochi minuti al massimo Informatica - A.A. 2015/16 - Prof. Gian Luca Marcialis 30 Il protocollo IP: indirizzi Internet Indirizzi IP simbolici Ogni nodo (elaboratore) di Internet ha un proprio indirizzo IP 4 byte (4 numeri, ciascuno fra 0 e 255, separati da un punto) Ad es., il server web del DIEE ha indirizzo Internet è suddivisa in reti e sottoreti I primi due numeri dell indirizzo IP indicano una rete (nell esempio la rete dell Università di Cagliari) il terzo numero 131 indica una sottorete (il DIEE) il quarto numero 7 identifica l elaboratore all interno della sottorete Informatica - A.A. 2015/16 - Prof. Gian Luca Marcialis 31 Normalmente a ciascun indirizzo numerico è associato un nome simbolico sequenze di caratteri separate da un punto marcialis@newmail.diee.unica.it utente dominio l ultima parte identifica la tipologia o la localizzazione geografica (it = italia, com = commerciale, edu = istruzione, ecc.) spostandoci più a sinistra l indirizzo diventa più specifico per indicare la rete (es. unica), la sottorete (es. diee), eventualmente l elaboratore (es. newmail) La trasformazione da simbolico a numerico e viceversa è eseguita dai DNS (Domain Name Server), elaboratori che contengono le tabelle di conversione Informatica - A.A. 2015/16 - Prof. Gian Luca Marcialis 32

9 I principali protocolli basati su TCP/IP per i servizi Internet telnet connessione ad un nodo generico alla rete attraverso l interprete dei comandi permette di avviare l esecuzione di processi sul nodo a cui si è connessi è necessario avere i permessi di accesso (ovvero essere utenti) di entrambi i nodi ftp (file transfer protocol) trasferimento di file tra due nodi approccio client (nodo locale, cioè il computer da cui si richiede il servizio) server (nodo remoto, cioè il computer su/da cui si intende trasferire i file) non è necessario essere utenti del nodo remoto grazie alla connessione anonymous Informatica - A.A. 2015/16 - Prof. Gian Luca Marcialis 33 Altri servizi Streaming Basato su protocollo Real-Time Protocol (RTP) Riproduzione di file audio/video in tempo reale, senza necessità di «scaricarli» prima sul client Voice over IP (VOIP) Tecniche per la comunicazione via voce su Internet Protocolli pubblici (RTP o SIP) o proprietari (Skype) Informatica - A.A. 2015/16 - Prof. Gian Luca Marcialis 34 Il servizio di posta elettronica ( ) Il World Wide Web (WWW) Messaggio: insieme di caratteri di lunghezza e contenuto arbitrari Trasmesso da un mittente (from) a uno o più destinatari (to) espressi attraverso indirizzi Indirizzi nello stesso formato degli indirizzi IP In copia (CC) oppure copia nascosta (BCC) ad altri destinatari Esistono mappature di più utenti destinatari attraverso un unico indirizzo (mailing list) Caratterizzato da un titolo (subject) che ne sintetizza il contenuto Invio messaggi: smtp (simple mail transfer protocol) Si basa sulla comunicazione di due processi (mailer) tra nodo mittente e destinatario Es. Outlook oppure Eudora Non è necessario che l utente destinatario sia connesso Ricezione messaggi: pop (post office protocol) L utente attiva il proprio mailer che si connette al nodo (server) dove sono memorizzati i messaggi in arrivo, che li trasferisce nel computer dell utente Sistema per la gestione di documenti ipertestuali e multimediali su Internet sviluppato al CERN, diventato poi standard di Internet ipertesti: documenti in cui parole o frasi rimandano ad altre parti del documento (navigazione) documento multimediale: composto da testi, suoni, immagini i documenti WWW possono essere localizzati su diversi nodi, e vengono visualizzati da software (livello applicazione ISO/OSI) detti browser i documenti WWW di ogni nodo sono gestiti da un server WWW (software), che risponde alle richieste dei browser (client remoti) Informatica - A.A. 2015/16 - Prof. Gian Luca Marcialis 35 Informatica - A.A. 2015/16 - Prof. Gian Luca Marcialis 36

10 Il World Wide Web (cont.) Il WWW si basa su tre standard sistema di indirizzi URL (Uniform Resource Locator): sistema di indirizzi che individua ogni risorsa della rete (documenti WWW, file, ecc.), e specifica il protocollo con cui accedervi (usato ad es. anche per file con ftp) protocollo di comunicazione tra client WWW e server WWW HTTP (HyperText Transfer Protocol)(livello trasporto ISO/OSI) linguaggio per la realizzazione degli ipertesti HTML (HyperText Markup Language): definisce la struttura, il contenuto e l aspetto grafico di un documento ipertestuale, e consente la definizione di link (collegamenti) ad altri documenti I browser (livello applicazione ISO/OSI) visualizzano i documenti ipertestuali e consentono la navigazione Netscape Navigator, MS Internet Explorer, ecc. Il World Wide Web (cont.) Siti web un sito è un documento ipertestuale organizzato in un insieme gerarchico di pagine collegate tra loro nel server web le pagine sono memorizzate come file all interno di directory la pagina iniziale (al livello più alto della gerarchia) è detta home page lo URL di ogni pagina è costituito dall indirizzo IP del nodo su cui si trova il server, seguito dal path name del file in cui è memorizzata la pagina esempi: sito dell Università di Cagliari (URL: sito del corso di Fondamenti di Informatica ( Informatica - A.A. 2015/16 - Prof. Gian Luca Marcialis 37 Informatica - A.A. 2015/16 - Prof. Gian Luca Marcialis 38 Il sito di Fondamenti di Informatica Esempio di codice HTML (dal sito di informatica) Informatica - A.A. 2015/16 - Prof. Gian Luca Marcialis 39 40

11 Paradigmi moderni «Internet of Things» Una vista dall alto V.1.0 i contenuti sono inseriti dai creatori dei siti Siti commerciali V.2.0 i contenuti sono aggiunti anche dagli utenti Nascono i forum Internet of Things Nuovi contenuti sono generati dall interazione/comunicazione di altri contenuti e da oggetti interni ed esterni alla rete Social network, connessione mobile «Blended world»«mondo liquido» Informatica - A.A. 2015/16 - Prof. Gian Luca Marcialis Dalle «cose» alle applicazioni IoT e dispositivi mobili Informatica - A.A. 2015/16 - Prof. Gian Luca Marcialis 43 Informatica - A.A. 2015/16 - Prof. Gian Luca Marcialis 44

12 Per saperne di più Libro di testo consigliato, Cap. 4 Altri testi: Sistemi distribuiti e reti di calcolatori Ceri, Mandriola, Sbattella, Informatica arte e mestiere, McGraw-Hill 1999, ISBN , Capitolo 15 I servizi Internet Ceri, Mandriola, Sbattella, Informatica arte e mestiere, McGraw-Hill 1999, ISBN , Capitolo 1 Lettura specialistica per i più curiosi: L. Atzori, A. Iera, G. Morabito, «The Internet of Things: a Survey», Computer Networks, 54 (2010) Informatica - A.A. 2015/16 - Prof. Gian Luca Marcialis 45