Perché i computer non si telefonano, ovvero Breve introduzione a Internet

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1 Perché i computer non si telefonano, ovvero Associazione di Promozione Sociale LOLUG Gruppo Utenti Linux Lodi davide@lolug.net

2 Reti di calcolatori Con rete di calcolatori intendiamo un insieme di elaboratori indipendenti interconnessi tra loro in modo da potersi scambiare informazioni. Diversi tipi di reti di calcolatori; divisione classica: LAN (Local Area Networks - reti locali), WAN (Wide Area Networks - reti geografiche). Un tipo di rete locale molto utilizzato è Ethernet (la rete di etere ): 2

3 Reti di reti È utile interconnettere i calcolatori su una rete... ma allora può essere utile anche interconnettere le reti stesse! Una rete di reti è una internetwork (o internet). La più grande rete di reti, che interconnette un numero enorme di reti su scala planetaria, è Internet (con la I maiuscola!). Le reti da interconnettere possono essere eterogenee e utilizzare tecnologie diverse, per cui mettere in comunicazione calcolatori su reti diverse è un problema complesso: la tecnologia che risolve questo problema è l internetworking. 3

4 Che cos è Internet? The Federal Networking Council (FNC) agrees that the following language reflects our definition of the term "Internet". "Internet" refers to the global information system that -- (i) is logically linked together by a globally unique address space based on the Internet Protocol (IP) or its subsequent extensions/follow-ons; (ii) is able to support communications using the Transmission Control Protocol/Internet Protocol (TCP/IP) suite or its subsequent extensions/follow-ons, and/or other IP-compatible protocols; and (iii) provides, uses or makes accessible, either publicly or privately, high level services layered on the communications and related infrastructure described herein. 24 ottobre

5 Internet: cenni storici Le origini di quella che oggi è Internet risalgono ad ARPANET, rete nata negli Stati Uniti a fine anni '60 per connettere università che svolgevano ricerche finanziate dalla Difesa. Applicazioni come l'ftp e la posta elettronica risalgono alla prima metà degli anni '70. L'internetworking TCP/IP nasce a metà degli anni '70, ad opera di Bob Kahn e Vinton Cerf. La transizione a TCP/IP si compie l'1 gennaio La Internet Engineering Task Force (IETF) dal 1986 definisce gli standard di Internet. Il World Wide Web nasce nella prima metà degli anni '90, ad opera di Tim Berners Lee. Bob Kahn Vinton Cerf Tim Berners Lee 5

6 Commutazione di circuito (1) Internet funziona in modo molto diverso rispetto alla rete telefonica. La rete telefonica funziona con il principio della commutazione di circuito. In una rete a commutazione di circuito la comunicazione avviene in tre fasi: instaurazione del circuito, trasferimento dei dati, rilascio del circuito. Durante il trasferimento si ha a disposizione una risorsa dedicata (multiplazione deterministica). Va bene per le telefonate, è molto meno adatta alle comunicazioni dati tra calcolatori. 6

7 Commutazione di circuito (2) mittente richiesta di connessione nodo nodo destinatario risposta inizio del trasferimento tempo fine del trasferimento rilascio 7

8 Commutazione di pacchetto (1) Il principio della commutazione di pacchetto somiglia al servizio postale. I dati da trasmettere vengono suddivisi in piccole unità dette pacchetti, ognuno dotato di un intestazione (header) contenente alcune informazioni di servizio tra cui l indirizzo del destinatario. I pacchetti vengono trasmessi in rete indipendentemente l uno dall altro; ogni nodo intermedio elabora l intestazione e inoltra il pacchetto al nodo successivo verso la destinazione, determinandone il percorso attraverso la rete (instradamento, in inglese routing). 8

9 Commutazione di pacchetto (2) I pacchetti possono seguire percorsi differenti attraverso la rete, possono arrivare in un ordine diverso da quello di partenza, si possono perdere. In una rete a commutazione di pacchetto non si hanno risorse dedicate ma condivise (multiplazione statistica), e sono soggette a problemi di congestione al variare istantaneo del traffico. I nodi hanno delle code (buffer) in cui immagazzinano i pacchetti in arrivo (in attesa di essere elaborati); queste code si possono riempire provocando la perdita di alcuni pacchetti. 9

10 Commutazione di pacchetto (3) mittente nodo nodo destinatario intestazione dati intestazione dati tempo intestazione dati 10

11 Protocolli di comunicazione Un protocollo di comunicazione è un insieme di regole da seguire nello scambio di informazioni, che fissa per esempio il formato e il significato dei messaggi, noto a tutti i partecipanti e necessario affinché possano capirsi. Spesso i protocolli sono organizzati in strati, ovvero livelli per cui un protocollo di livello superiore sfrutta i servizi forniti da un protocollo di livello inferiore. Un insieme di protocolli organizzato a livelli costituisce una pila di protocolli (stack). 11

12 Pila di protocolli: un'analogia (1) Sig. Rossi Mr. Smith testo in italiano testo in inglese Interprete Interprete testo in francese testo in francese Segretaria Segretaria fax 12

13 Pila di protocolli: un'analogia (2) Alcune osservazioni: la lingua utilizzata dai due interpreti (così come il metodo di trasmissione usato dalle segretarie) può essere cambiata senza problemi per gli altri livelli. Se gli interpreti decidessero di usare il tedesco anziché il francese, o le segretarie decidessero di usare la posta elettronica anziché il fax, non sarebbe necessaria nessuna modifica negli altri livelli (è importante che non cambi l interfaccia verso gli altri livelli). in trasmissione, ogni livello riceve i dati dal livello superiore, aggiunge delle informazioni di controllo (per esempio l interprete scrive che lingua ha utilizzato) e passa il tutto al livello inferiore; in ricezione ogni livello interpreta le informazioni di controllo, le elimina, e passa i dati al livello superiore. 13

14 Pila di protocolli livello 3 protocollo di livello 3 interfaccia 2-3 livello 2 interfaccia 2-3 protocollo di livello 2 interfaccia 1-2 livello 1 livello 3 livello 2 interfaccia 1-2 protocollo di livello 1 livello 1 mezzo fisico 14

15 Pila TCP/IP I protocolli su cui si basa Internet sono quelli della suite TCP/IP. Nel modello TCP/IP si considerano quattro livelli: interfaccia di rete rete detto anche livello 4 ; applicazione trasporto rete interf. rete applicazione detto anche livello IP o livello 3 ; trasporto propriamente non fa parte di TCP/IP, detto anche livello 2 ; detto anche livello 7. I numeri dei livelli derivano da un altro modello (OSI). 15

16 Sistemi intermedi in TCP/IP I livelli applicazione e trasporto operano in maniera end-to-end, e non sono presenti nei sistemi intermedi. Il livello rete si preoccupa della comunicazione tra reti. I livelli inferiori operano solamente hop-by-hop. applicazione applicazione trasporto trasporto rete rete interf. rete interfaccia rete interf. rete rete 1 rete interfaccia rete rete 2 16

17 Protocolli TCP/IP I protocolli principali della suite TCP/IP sono tre: livello rete: livello trasporto: IP (Internet Protocol) UDP (User Datagram Protocol) TCP (Transmission Control Protocol) Esistono poi molti protocolli a livello applicazione. IP, TCP e UDP sono implementati all interno del sistema operativo. IP è l elemento unificante di Internet, in quanto qualunque comunicazione su Internet passa attraverso il protocollo IP. 17

18 Indirizzi IP Per identificare una macchina (o meglio un interfaccia) su una rete è necessario un indirizzo. Ogni tipo di rete ha i suoi indirizzi, che vengono utilizzati al livello 2 (al di sotto di IP); per esempio su Ethernet si hanno indirizzi (MAC address) di 48 bit. Dal livello 3 (IP) in su non si utilizzano gli indirizzi fisici ma gli indirizzi IP (univoci su tutta Internet). Un indirizzo IP è una sequenza di 32 bit (per cui gli indirizzi teoricamente disponibili sono 232, cioè circa 4,3 miliardi), di solito scritta in decimale ottetto per ottetto (separati da un punto), per esempio:

19 Indirizzi IP: struttura Gli indirizzi IP sono legati alla topologia di Internet, perché sono usati per l'instradamento (routing) dei pacchetti. La prima parte dell'indirizzo IP (prefisso) indica la rete di appartenenza, la seconda parte l'host. Scrivendo /16, il /16 indica la lunghezza del prefisso. Un'altra notazione fa uso della netmask: la netmask è una maschera da applicare all'indirizzo IP, in cui i bit pari a 1 sono in corrispondenza del prefisso; la netmask corrispondente a /16 è quindi

20 Indirizzi IP speciali Alcuni blocchi di indirizzi IP sono riservati per uso privato, e cioè: /8 ( ) /12 ( ) /16 ( ) Gli indirizzi privati sono validi solo all'interno di una rete privata, e non su Internet se una macchina ha un indirizzo privato, deve essere mascherata da un'altra macchina con indirizzo pubblico per poter uscire su Internet (NAT Network Address Translation). Gli indirizzi /8 indicano il loopback (localhost, di solito si usa l'indirizzo ). 20

21 Nomi di dominio (1) Gli indirizzi IP non sono molto comodi da ricordare, per cui è stato introdotto il Domain Name System (DNS), che fornisce un sistema di nomi simbolici (nomi di dominio). I nomi di dominio sono organizzati in modo gerarchico, al livello più alto ci sono i Top Level Domain (TLD), divisi in due categorie: generici (gtld): sette storici : com, org, net, int, gov, edu, mil; altri introdotti successivamente: info, biz, name nazionali (cctld): it, fr, de, es, uk, us, ca, au, eu 21

22 Nomi di dominio (2) Al di sotto dei TLD un organizzazione può registrare il proprio dominio, per esempio lolug.net. Al di sotto del proprio dominio l organizzazione può dare nomi alle proprie macchine, per esempio host1.lolug.net, e può anche creare dei sottodomini, come per esempio sede1.lolug.net. Le etichette dei diversi livelli si scrivono separandole con un punto, i livelli più alti più a destra. Per convenzione, si usano nomi del tipo www per il server web, ftp per il server FTP, eccetera. Quando per comunicare con una macchina se ne indica il nome di dominio, questo viene risolto, cioè convertito nel corrispondente indirizzo IP, interrogando la rete dei server DNS. 22

23 Pila TCP/IP, indirizzi e S.O. nomi di dominio es: HTTP, SMTP, POP, IMAP, FTP, TELNET, TCP, UDP indirizzi IP indirizzi IP es: indirizzi fisici indirizzi MAC es: 00:50:DA:49:33:2F IP, ICMP ARP, RARP stream, messaggi software esterno al sistema operativo segmenti TCP, datagrammi UDP software interno al sistema operativo pacchetti IP trame Ethernet, FDDI,... stack TCP/IP 23

24 IP L Internet Protocol (IP) costituisce il cuore di Internet. IP fornisce un servizio inaffidabile e senza connessione (protocollo di tipo best effort ). IP definisce l unità base di qualunque comunicazione su Internet: il pacchetto IP. A livello IP si effettua l instradamento (routing) dei pacchetti attraverso le reti. IP definisce le regole che specificano come host e router devono elaborare i pacchetti, generare messaggi di errore, eccetera. La versione attualmente in uso di IP è la 4 (IPv4), la prossima (IPv6) è in corso di sperimentazione. 24

25 Header IP (v4) VERS HLEN 16 SERV. TYPE IDENTIFICATION TIME TO LIVE PROTOCOL TOTAL LENGTH FLAG FRAGMENT OFFSET HEADER CHECKSUM SOURCE IP ADDRESS DESTINATION IP ADDRESS OPTIONS (IF ANY) & PADDING 25

26 Il concetto di porta Un indirizzo IP identifica un interfaccia di rete, ma in genere si vuole comunicare con una specifica applicazione (processo) sull host destinatario, che deve essere indicata in qualche modo. Si introduce allora il concetto di porta: una porta è un punto di destinazione astratto, indicato con un numero, a cui un processo può legarsi ricevendo quindi ciò che vi giunge. Esistono porte ben note (well-known) che corrispondono a servizi definiti (ad esempio la porta TCP 80 corrisponde ad HTTP), e altre usate temporaneamente quando un processo richiede l apertura di una porta per poter comunicare. 26

27 UDP Lo User Datagram Protocol (UDP) fornisce alle applicazioni un servizio di comunicazione a datagramma. UDP si appoggia su IP, e come IP fornisce un servizio senza connessione e inaffidabile. Rispetto a IP, UDP fornisce in più l astrazione delle porte, permettendo di distinguere tra diverse applicazioni sullo stesso host SOURCE PORT DESTINATION PORT MESSAGE LENGTH CHECKSUM 27

28 TCP (1) Spesso le applicazioni hanno necessità di trasmettere grandi quantità di dati, e un servizio a datagramma inaffidabile come quello di UDP non è adatto a questo scopo. Il Transmission Control Protocol (TCP) fornisce, appoggiandosi su IP, un servizio affidabile di trasmissione di un flusso non strutturato di dati, orientato alla connessione, full-duplex. L affidabilità è realizzata mediante il meccanismo dei riscontri (acknowledgement), messaggi con i quali il destinatario segnala l avvenuta ricezione dei dati (i dati non riscontrati vengono ritrasmessi). 28

29 TCP (2) L astrazione fondamentale di TCP non è la porta (come UDP) ma la connessione, identificata da due punti terminali: il punto terminale di una connessione TCP è dato dall indirizzo IP della macchina (sorgente o destinazione) e dal numero di porta (sorgente o destinazione); perciò una connessione è identificata mediante quattro valori (indirizzo sorgente, porta sorgente, indirizzo destinazione, porta destinazione). Prima di poter comunicare è necessario aprire la connessione TCP (three-way handshake). TCP comprende dei meccanismi di controllo di flusso e controllo della congestione. 29

30 Header TCP SOURCE PORT DESTINATION PORT SEQUENCE NUMBER ACKNOWLEDGEMENT NUMBER HLEN RESERVED CHECKSUM FLAGS WINDOW URGENT POINTER OPTIONS (IF ANY) & PADDING 30

31 TCP: three-way handshake client server SYN (x) SYN (y) ACK (x+1) tempo ACK (y+1) 31

32 TCP/IP: incapsulamento dati utente applicazione header applicativo dati utente trasporto header TCP dati applicazione rete header IP segmento TCP interfaccia rete Ethernet header pacchetto IP Ethernet trailer 32

33 Qualche comando Per configurare le interfacce di rete: Per vedere le connessioni di rete aperte: ping Per vedere il percorso in rete verso una macchina: netstat Per vedere se una macchina è viva : ifconfig traceroute Per interrogare il DNS: dig 33

34 Esempio: ifconfig $ ifconfig eth0 Link encap:ethernet HWaddr 00:15:C5:C8:5D:FD inet addr: Bcast: Mask: inet6 addr: fe80::215:c5ff:fec8:5dfd/64 Scope:Link UP BROADCAST RUNNING MULTICAST MTU:1500 Metric:1 RX packets:5621 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0 TX packets:4491 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0 collisions:0 txqueuelen:1000 RX bytes: (5.3 MB) TX bytes: (463.9 KB) Interrupt:18 lo Link encap:local Loopback inet addr: Mask: inet6 addr: ::1/128 Scope:Host UP LOOPBACK RUNNING MTU:16436 Metric:1 RX packets:4 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0 TX packets:4 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0 collisions:0 txqueuelen:0 RX bytes:276 (276.0 b) TX bytes:276 (276.0 b) 34

35 Esempio: traceroute $ traceroute traceroute to picard.linux.it ( ), 64 hops max, 52 byte packets 1 gw.freeshell.org ( ) ms ms ms ( ) ms ms ms ( ) ms ms ms 4 so c1.ftw.broadwing.net ( ) ms p2 1.c0.ftwo.broadwing.net ( ) ms so c1.ftw.broadwing.net ( ) ms ( ) ms ms ( ) ms 6 te car4.Dallas1.Level3.net ( ) ms ms ms 7 vlan69.csw1.dallas1.level3.net ( ) ms ms ms 8 ae ebr3.Dallas1.Level3.net ( ) ms ms ms 9 ae 7.ebr3.Atlanta2.Level3.net ( ) ms ms ms 10 ae 2.ebr1.Washington1.Level3.net ( ) ms ms ms 11 ae csw1.Washington1.Level3.net ( ) ms ms ms 12 ae ebr2.Washington1.Level3.net ( ) ms ms ms 13 ae 5.ebr2.Paris1.Level3.net ( ) ms ms ms 14 ae 4 4.car1.Milan1.Level3.net ( ) ms ms ms 15 ITGATE NETW.car1.Level3.net ( ) ms ms ms 16 if 2 0.scooby monster.core.trn.itgate.net ( ) ms ms ms 17 if 0 0.charleston.CBQ.TRN.itgate.net ( ) ms ms ms 18 picard.linux.it ( ) ms ms ms 35

36 Esempio: dig $ dig lodi.linux.it ; <<>> DiG P1 <<>> lodi.linux.it ;; global options: printcmd ;; Got answer: ;; >>HEADER<< opcode: QUERY, status: NOERROR, id: ;; flags: qr rd ra; QUERY: 1, ANSWER: 1, AUTHORITY: 0, ADDITIONAL: 0 ;; QUESTION SECTION: ;lodi.linux.it. IN A ;; ANSWER SECTION: lodi.linux.it IN A ;; Query time: 66 msec ;; SERVER: #53( ) ;; WHEN: Mon Dec 10 22:17: ;; MSG SIZE rcvd: 47 36

37 Applicazioni (1) Al di sopra di UDP e TCP ci sono le applicazioni. Le applicazioni sono programmi (sia programmi utente che programmi di sistema) che utilizzano la rete per comunicare. applicazioni flusso affidabile (TCP) datagrammi (UDP) internet (IP) interfaccia di rete 37

38 Applicazioni (2) A livello applicazione si realizzano i servizi telematici: l infrastruttura Internet permette di trasferire informazione; le applicazioni realizzano i servizi appoggiandosi sull infrastruttura di comunicazione di Internet. Esempi di applicazioni sono: il World Wide Web, la posta elettronica, il trasferimento file, la voce su IP (VoIP), l instant messaging, 38

39 Applicazioni (3) web VoIP instant messaging applicazioni internetworking (TCP/IP) interfaccia di rete GPRS/UMTS Ethernet ADSL 39

40 Posta elettronica (1) Idealmente (e in origine era così) la posta potrebbe andare direttamente dalla macchina del mittente a quella del destinatario, utilizzando il protocollo SMTP (Simple Mail Transfer Protocol). Questo richiede uno spooler per la posta in uscita e un server SMTP per la posta in entrata su tutte le macchine che si scambiano posta. Le macchine devono avere una connessione permanente a Internet. spooler SMTP mittente SMTP server destinatario 40

41 Posta elettronica (2) La casella di posta in genere non risiede sulla macchina del destinatario, ma su un altra macchina con connessione permanente. Il mittente invia il messaggio (tramite SMTP) a un proprio server di posta in uscita, che gestisce lo spool. Questo server, tramite una query DNS, scopre qual è il mail exchanger (MX, cioè la macchina che gestisce la posta) del destinatario, e invia a questo il messaggio (tramite SMTP). Il destinatario si collega periodicamente alla propria mailbox (tramite i protocolli POP o IMAP) per controllare l arrivo di nuova posta. 41

42 Posta elettronica (3) contatto server del destinatario SMTP server P /IMA POP er serv SMTP SMTP spooler SMT serv P er server in uscita del mittente posta arrivata a destinazione DNS devo sapere quale server gestice la posta per questo destinatario (mail exchanger - MX) DNS POP/IMAP controllo se ho ricevuto nuova posta messaggio da inviare, contatto server in uscita client del mittente mail exchanger e mailbox del destinatario client del destinatario 42

43 FTP FTP (File Transfer Protocol) è uno dei protocolli più antichi di Internet. È utilizzato per il trasferimento di file. Si usa tramite client appositi oppure tramite browser web. Utilizza due connessioni distinte tra client e server: Solitamente i client FTP dedicati offrono un insieme di funzionalità molto più ricco. connessione di controllo (comandi), connessione per il trasferimento dati. È un protocollo complesso, e ora in molti casi è sostituito dal più semplice HTTP. 43

44 World Wide Web Il World Wide Web (WWW), è oggi l applicazione più nota di Internet, e pur essendo relativamente recente (prima metà anni 90) è quella che ne ha determinato l esplosione presso il grande pubblico. L importanza del Web è tale che molte persone lo identificano o confondono con Internet stessa, ma Internet non è il Web! Il Web si fonda su tre pilastri : HTTP HTML protocollo applicativo (porta TCP 80), linguaggio per scrivere le pagine, URL indirizzi delle risorse: 44

45 Instant messaging L instant messaging permette a due utenti di conversare in tempo reale. Solitamente fornisce anche funzioni di notifica di presenza. Il primo IM moderno è stato ICQ, a cui ne sono seguiti altri. Molti utilizzano protocolli proprietari (per esempio ICQ, MS Messenger): problemi di interoperabilità; lo standard aperto più diffuso è XMPP/Jabber: architettura ispirata alla posta elettronica (ogni organizzazione gestisce un proprio server XMPP). 45

46 VoIP (1) Con il voice over IP (VoIP) si vuole utilizzare l infrastruttura IP per realizzare le tradizionali applicazioni di fonia. Protocolli di segnalazione: Protocolli per il trasporto della voce: SIP (Session Initiation Protocol - IETF), H.323 (ITU, precedente a SIP). RTP (Real-time Transport Protocol - IETF). È possibile l interconnessione con la rete telefonica tradizionale (PSTN). 46

47 VoIP (2) È possibile fare chiamate SIP utilizzando un programma apposito su PC (softphone), oppure un particolare telefono connesso alla rete IP (telefono SIP), oppure un telefono analogico collegato a un adattatore. Skype è un programma con funzioni di VoIP e instant messaging molto diffuso, basato su un infrastruttura peer-to-peer, ma totalmente proprietario (incompatibile con qualsiasi altro servizio VoIP). 47

48 VoIP: chiamata SIP DNS lookup: SIP SRV per b.org 2 DNS Organization A (a.org) 3 proxy.b.org outbound proxy 4 invite sip:bob@b.org inbound proxy Organization B (b.org) 5 lookup location data 8 ok invite sip:bob@b.org 1 6 invite sip:bob@ ok 7 9 ok UA alice@a.org ack 10 UA bob@b.org