Tecnologie per la cooperazione. Introduzione alle reti di calcolatori

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1 Tecnologie per la cooperazione Introduzione alle reti di calcolatori

2 About this lesson Obbiettivo: fornire le conoscenze di base sulle reti ed Internet poichè: la maggioranza dei sistemi di supporto alla cooperazione necessitano un infrastruttura di rete la conoscenza delle reti è una competenza imprescindibile Verranno forniti più dettagli (segnalati sui lucidi) di quanti richiesti all esame per riuscire a capirne meglio il funzionamento Studio solo sui lucidi, lo studente interessato può: acquistare Reti di calcolatori e internet - Un approccio topdown 3a Edizione, J. Kurose - K. Ross leggere/scaricare free Internet 2004 Marco Calvo, Fabio Ciotti, Gino Roncaglia, Marco A. Zela 2

3 Indice Introduzione Organizzazione fisica Mezzi trasmissivi Metodi di trasmissione Commutazione di circuito e di pacchetto Topologie Comunicazione e protocolli Cenni su protocolli per naming, routing e gestione dei conflitti Internet Cosa è? Livelli gerarchici di rete e loro compiti Non solo TCP/IP 3

4 Introduzione Rete: sistema di collegamento tra vari elaboratori per condividere e/o scambiare risorse quali: periferiche (es. stampanti, unità di backup); dati ed informazioni; programmi. Le reti sono nate per motivi di risparmio economico ed efficacia ma... 4

5 Classificazione Reti Local Area Network - LAN- Reti Locali: connessioni tra computer di un singolo edificio o di un insieme di edifici vicini (es.: rete DISCo U14); Metropolitan Area Network - MAN- Reti Metropolitane: connessioni tra computer in diverse parti di una città (es.: UNIMIB); Wide Area Network - WAN- Reti Geografiche: connessioni tra aree geograficamente distanti (es.: Milano-Los Angeles). 5

6 Breve storia Anni 70: vari utenti collegati ad un unico calcolatore molto potente tramite terminali stupidi Anni 80: avvento delle reti locali; vari PC collegati tra loro. Soluzione più flessibile/scalabile, economica, affidabile (rispetto ai guasti) Anni 90: avvento delle reti metropolitane e geografiche... le reti si sono diffuse poiché permettono alle persone di comunicare e scambiare informazioni 6

7 Indice Introduzione Organizzazione fisica Mezzi trasmissivi Metodi di trasmissione Commutazione di circuito e di pacchetto Topologie Comunicazione e protocolli Cenni su protocolli per naming, routing e gestione dei conflitti Internet Cosa è? Livelli gerarchici di rete e loro compiti Non solo TCP/IP 7

8 Organizzazione fisica (1) Una rete è formata da un insieme di nodi (es., gli elaboratori) e da un insieme di archi di collegamento Il modo più semplice per collegare due nodi è tramite un cavo I vari cavi (es. doppino intrecciato, coassiale, fibra ottica) hanno caratteristiche molto diverse in termini di: costo, affidabilità, capacità/ frequenza di trasmissione=banda (da KB al sec. fino a centinaia di milioni di bit al sec. - Mbps e Gbps) 8

9 Addenda - Multipli notevoli bit bit => 1 0 byte = 8 bit = 2 3 bit kilobyte (kb) = 1024 byte = 2 10 byte Megabyte (MB) = 1024 kb = 2 20 byte Gigabyte (GB) = 1024 MB = 2 30 byte Terabyte (TB) = 1024 GB = 2 40 byte 9

10 Approfondimento: Mezzi trasmissivi Mezzi guidati: i segnali si propagano in un mezzo fisico: fibra ottica, filo di rame o cavo coassiale Mezzi a onda libera: i segnali si propagano nell atmosfera e nello spazio aperto Doppino intrecciato due fili di rame distinti Categoria 3: tradizionale cavo telefonico, 10 Mbps Ethernet Categoria 5: 100 Mbps Ethernet 10

11 Mezzi trasmissivi Cavo coassiale: due conduttori in rame concentrici bidirezionale banda base: singolo canale sul cavo (legacy) Ethernet banda traslata: più canali sul cavo impianti TV via cavo Fibra ottica: Mezzo sottile e flessibile che conduce impulsi di luce (ciascun impulso rappresenta un bit) Alta frequenze trasmissiva: Elevata velocità di trasmissione punto-punto (10 s-100 s Gps) Basso tasso di errore, immune all interferenza elettromagnetica 11

12 Mezzi trasmissivi: canali radio trasportano segnali nello spettro elettromagnetico (segnale analogico vedi dopo) non richiedono l installazione fisica di cavi bidirezionali effetti dell ambiente di propagazione: riflessione ostruzione da parte di ostacoli interferenza Tipi di canali radio: microonde terrestri es.: canali fino a 45 Mbps LAN (es.: Wifi) 2 Mbps, 11 Mbps, 54 Mbps wide-area (es.: cellulari) es.: 3G: centinaia di kbps satellitari canali fino a 45 Mbps channel (o sottomultipli) ritardo punto-punto di 250 msec geostazionari/a bassa quota 12

13 Indice Introduzione Organizzazione fisica Mezzi trasmissivi Metodi di trasmissione Commutazione di circuito e di pacchetto Topologie Comunicazione e protocolli Cenni su protocolli per naming, routing e gestione dei conflitti Internet Cosa è? Livelli gerarchici di rete e loro compiti Non solo TCP/IP 13

14 Organizzazione fisica: trasmissione La trasmissione delle informazioni si distingue in: digitale o analogica (i modem non ISDN si occupano della conversione dall una all altra) seriale o parallela su linee dedicate, commutate (es. telefono), multiplexing (fisico o logico) = trasmissione di più segnali contemporanei 14

15 Approfondimento: Trasmissione commutazione di circuito: circuito dedicato per l intera durata della sessione (tipica in comunicazioni telefoniche) commutazione di pacchetto: i messaggi sono suddivisi in pacchetti spediti indipendentemente verso il destinatario; i singoli pacchetti di una sessione utilizzano le risorse su richiesta, e di conseguenza potrebbero dover attendere per accedere a un collegamento (tipica in reti di calcolatori) 15

16 Commutazione di circuito connessione puntopunto dedicata ciascun commutatore dispone di n circuiti, in modo da supportare n connessioni contemporanee risorse dedicate: non c è condivisione necessaria l impostazione della chiamata 17

17 Commutazione di circuito Risorse di rete (ad es. larghezza di banda, bandwidth) suddivise in pezzi ciascun pezzo viene allocato ai vari collegamenti le risorse rimangono inattive se non utilizzate (non c è condivisione) Suddivisione della banda in pezzi (multiplexing logico): divisione di frequenza (FDM = Frequency-Division Multiplexing) divisione di tempo (TDM = Time-Division Multiplexing) 18

18 Commutazione di circuito: FDM e TDM FDM Esempio: 4 utenti frequenza TDM tempo frequenza tempo 19

19 Commutazione di pacchetto Il flusso di dati punto-punto viene suddiviso in pacchetti I pacchetti degli utenti A e B condividono le risorse di rete Ciascun pacchetto utilizza completamente il canale Le risorse vengono usate a seconda delle necessità Larghezza di banda suddivisa in pezzi Allocazione dedicata Risorse riservate Contesa per le risorse La richiesta di risorse può eccedere il quantitativo disponibile congestione: accodamento dei pacchetti, attesa per l utilizzo del collegamento store and forward: il commutatore deve ricevere l intero pacchetto prima di poter cominciare a trasmettere il primo bit sul collegamento in uscita 23

20 Confronto tra comm. di pacchetto e commutazione di circuito La commutazione di pacchetto consente a più utenti di usare la rete! 1 collegamento da 1 Mbps Ciascun utente: 100 kbps quando è attivo attivo per il 10% del tempo N utenti commutazione di circuito: 10 utenti Collegamento da 1 Mbps commutazione di pacchetto: con 35 utenti, la probabilità di averne > 10 attivi è inferiore allo 0,

21 Confronto tra comm. di pacchetto e commutazione di circuito La commutazione di pacchetto è la scelta vincente? Ottima per i dati a raffica Condivisione delle risorse Semplice, non necessita l impostazione della chiamata Eccessiva congestione: ritardo e perdita di pacchetti Sono necessari protocolli per il trasferimento affidabile dei dati e per il controllo della congestione D: Come ottenere un comportamento circuitlike? è necessario fornire garanzie di larghezza di banda per le applicazioni audio/video è ancora un problema irrisolto 27

22 Indice Introduzione Organizzazione fisica Mezzi trasmissivi Metodi di trasmissione Commutazione di circuito e di pacchetto Topologie Comunicazione e protocolli Cenni su protocolli per naming, routing e gestione dei conflitti Internet Cosa è? Livelli gerarchici di rete e loro compiti Non solo TCP/IP 32

23 Topologie di Reti Dato un insieme di nodi possiamo fisicamente collegarli tra loro secondo topologie diverse Le topologie differiscono per vari fattori tra i quali: 1. costo iniziale dell infrastruttura (es. posa cavi) 2. costo/semplicità di manutenzione 3. velocità di comunicazione (fortemente dipendente dal numero di nodi intermedi tra i nodi che devono comunicare) 4. tolleranza ai guasti ed affidabilità 33

24 Topologie di Reti (2) Le più famose sono: lineare o a bus (dorsale ad accesso multiplo) ad anello (nella versione più semplice ogni nodo comunica solo con il nodo seguente) a stella (elaboratore potente al centro che può diventare un collo di bottiglia) Anche topologie miste 34

25 Topologia a bus Dorsale costo limitato facilità di manutenzione/ gestione comunicazione veloce tollerante ai guasti la dorsale può diventare collo di bottiglia CSMA/CD - vedi lucidi successivi 35

26 Topologia ad anello costo simile alla lineare velocità comunicazione molto minore poco tollerante ai guasti Token Ring - vedi lucidi successivi 36

27 Topologia a stella la migliore in termini di costo della rete e della velocità di comunicazione affidabilità alta (comunicazione interrotta solo per guasti dell elab. centrale) il nodo centrale può diventare collo di bottiglia, necessita un elaboratore potente 37

28 Indice Introduzione Organizzazione fisica Mezzi trasmissivi Metodi di trasmissione Commutazione di circuito e di pacchetto Topologie Comunicazione e protocolli Cenni su protocolli per naming, routing e gestione dei conflitti Internet Cosa è? Livelli gerarchici di rete e loro compiti Non solo TCP/IP 38

29 Comunicazione Nelle reti qualunque scambio di informazione tra nodi (es. stampa di un file, invio di un , ecc.) è una comunicazione, uno scambio di messaggi tra i nodi Un messaggio è caratterizzato da: mittente destinatario il corpo del messaggio (l insieme di informazioni da scambiare) 39

30 Comunicazione e protocolli E necessario definire, a priori, un protocollo di comunicazione, cioè un insieme di regole che stabiliscono come deve avvenire lo scambio di messaggi Un protocollo definisce il formato e l ordine dei messaggi scambiati tra due o più entità in comunicazione, così come le azioni intraprese in fase di trasmissione e/o ricezione di un messaggio o di un altro evento 40

31 Cos è un protocollo? Esempio Protocollo umano e protocollo di rete Ciao Ciao Sai l ora? 2:00 tempo Richiesta di connessione TCP Risposta di connessione TCP Get <file> (vedere lucido 64) 41

32 Cos è un protocollo? In una rete questo insieme di regole deve definire, ad esempio: Come localizzare sulla rete il (nodo) destinatario/mittente di un messaggio Quale percorso deve fare un messaggio tra due nodi non connessi in maniera diretta (nodi intermediari) Quando un nodo può inviare un messaggio Come controllare se un messaggio, durante la trasmissione, si è alterato 42

33 Indice Introduzione Organizzazione fisica Mezzi trasmissivi Metodi di trasmissione Commutazione di circuito e di pacchetto Topologie Comunicazione e protocolli Cenni su protocolli per naming, routing e gestione dei conflitti Internet Cosa è? Livelli gerarchici di rete e loro compiti Non solo TCP/IP 43

34 Protocolli di Comunicazione (1) Naming: stabilisce come associare un nome logico (es. stampante Colori Lab732) ad un indirizzo fisico sulla rete per ogni nodo della rete Sia il nome logico che l indirizzo fisico devono essere unici all interno di quella rete; gli utenti utilizzeranno il nome logico Solo alcuni nodi mantengono le tabelle di associazione (nome logico indirizzo fisico): server DNS= Domain Name Server o Service; (vedi anche router) 44

35 Protocolli di Comunicazione (2) Routing o instradamento: scelta del percorso: fisso: deciso al momento dell installazione della rete (veloce, non tollerante ai guasti) variabile: è scelto all inizio della sessione di lavoro (più tollerante ai guasti, basta ri-iniziare la sessione) dinamico: è scelto al momento del passaggio del messaggio o del pacchetto (packet switching) in base alle condizioni della rete (traffico, nodi attivi, ecc.); i router sono quei nodi delegati a questo compito 45

36 Protocolli di Comunicazione (3) Conflitti di comunicazione: più nodi tentano di comunicare sullo stesso arco contemporaneamente Le tecniche per evitare i conflitti più famose sono: Token ring o token passing: un nodo può trasmettere solo se è in possesso del token; c è acknowledgment e obbligo di rilascio del gettone (tecnica equa) CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection) o prevenzione e correzione mediante ascolto adottato in Ethernet 47

37 Indice Introduzione Organizzazione fisica Mezzi trasmissivi Metodi di trasmissione Commutazione di circuito e di pacchetto Topologie Comunicazione e protocolli Cenni su protocolli per naming, routing e gestione dei conflitti Internet Cosa è? Livelli gerarchici di rete e loro compiti Non solo TCP/IP 48

38 Cosa è Internet? Internet è una rete di reti Dominio Dominio Gateway Routers + Firewall (opzionali) Dominio Dominio 49

39 Cosa è Internet? Internet, La rete per eccellenza è una rete di reti e quindi si potrebbe denominare anche essa una grande ragnatela mondiale Ma Internet: 1. NON è il Web 2. E un insieme di reti in cui tutti i nodi aderiscono (usano) agli stessi protocolli di comunicazione (i.e., stesso naming, routing, ecc.): una famiglia di protocolli detta TCP/IP 50

40 Cosa è Internet? Internet concettualmente è una collezione di gruppi di reti denominati domini (es: unimib.it, yahoo.it) La struttura è gerarchica, ogni dominio contiene altri sottodomini; ad es. dominio di primo livello it, dominio di secondo livello unimib Ogni dominio consiste di una serie di reti gestite da una singola organizzazione che ne gestisce autonomamente la sua configurazione, ad es.: topologia creazione sotto-domini (es: disco.unimib.it, sociologia.unimib.it) indirizzi logici e fisici delle singole macchine. I nodi in Internet sono individuati da un nome che è unico nel loro dominio. Es.: bbking è unico nel dominio disco.unimib.it Un ente internazionale è incaricato dei nomi/indirizzi dei domini (perché siano unici in tutto il mondo): Domain Name System N.B. Con DNS si può intendere o il meccanismo, o il server/servizio 51

41 Cosa è Internet? Internet è una rete di reti Dominio Dominio Gateway Routers + Firewall (opzionali) Dominio Dominio 52

42 Router, Firewall e Gateway Riepilogo elementi in figura: I router si occupano di smistare il traffico tra i diversi domini della rete Il firewall si occupa di proteggere una sotto -rete da accessi indesiderati provenienti dall esterno Tutti i nodi di una rete devono essere in grado di dialogare secondo il protocollo della rete stessa; per dialogare tra reti con protocolli differenti è necessario un gateway (si occupa di tradurre la comunicazione) 53

43 Internet Breve Storia Nata negli anni 60 col nome di Arpanet Obbiettivo: collegare i calcolatori di vari siti militari per: condividere in modo efficace/veloce le ricerche riuscire a comunicare anche in caso di attacco nucleare (es. tanti cammini alternativi, decisi al momento, tra due calcolatori->routing dinamico) All inizio: 4 calcolatori negli USA 1973: connessioni all Inghilterra e alla Norvegia Anni 80: grandi reti accademiche e scientifiche 1982: TCP/IP (nome breve per individuare i protocolli Internet) diviene lo standard Ora: decine di migliaia di reti in tutto il mondo 54

44 Indice Introduzione Organizzazione fisica Mezzi trasmissivi Metodi di trasmissione Commutazione di circuito e di pacchetto Topologie Comunicazione e protocolli Cenni su protocolli per naming, routing e gestione dei conflitti Internet Cosa è? Livelli gerarchici di rete e loro compiti Non solo TCP/IP 55

45 Livelli gerarchici di rete Il SW per la comunicazione in rete, in generale non solo in Internet, è organizzato in moduli ben distinti e organizzati in una gerarchia di livelli (pila) tali che ogni modulo: Svolge solo un sotto-insieme dei passi/compiti necessari per la comunicazione in rete Dialoga solo (si interfaccia) con i moduli del livello direttamente superiore e inferiore 56

46 Livelli gerarchici di comunicazione amm. delegato assistente pers. segretaria posta interna U.R.P. ufficio postale postino amm. delegato assistente pers. segretaria posta interna U.R.P. ufficio postale postino 57

47 Gerarchia di livelli Internet Application Layer Transport Layer Application Layer Transport Layer HTTP, SMTP, FTP,... TCP, UDP Network Layer Network Layer IP Link Layer Link Layer Percorso dei messaggi 58

48 Compiti dei livelli - invio Application Layer: (naming) trasforma l indirizzo del destinatario (passato dalla particolare applicazione) in un indirizzo adatto per il livello sottostante (usa il DNS) Transport Layer: divide il messaggio in pacchetti aggiungendogli un numero sequenziale (perchè il destinatario possa ricostruire il messaggio) Network Layer: (routing) aggiunge ai pacchetti un indirizzo intermedio, cioè l indirizzo del router se deve uscire dalla rete locale (usa la tabella di instradamento), e un contatore-hop count Link Layer: tratta i dettagli della particolare rete (es: aspetta il token in una rete token ring) 59

49 Compiti dei livelli - ricez. Nella fase di ricezione del messaggio i vari livelli effettuano il lavoro contrario, ad esempio il protocollo IP (Network Layer): Toglie l indirizzo intermedio (il suo) e considera l indirizzo finale: 1. se è il proprio indirizzo passa il pacchetto al livello superiore (Transport Layer) 2. altrimenti decrementa il contatore (hop count) e ridirige il pacchetto nella rete aggiungendo un nuovo indirizzo intermedio e ri-passandolo al livello inferiore (Link Layer) 60

50 Compiti dei livelli Il precedente comportamento fa in modo che solo il Link Layer e il Network Layer siano coinvolti (occupati) nella ri-direzione dei messaggi sulla rete 61

51 Indirizzi IP IP= Internet Protocol Nel protocollo IP (livello Network Layer) gli indirizzi dei nodi sono numeri di 32 bit Solitamente vengono indicati con 4 gruppi di 8 bit (ottetti) e.g

52 IP Dinamico / IP Statico IP Dinamico Tipico delle connessioni in Dialup tramite ISP (ma non solo) IP Statico Per aziende con necessità di accesso ai dati dall esterno 63

53 Indice Introduzione Organizzazione fisica Mezzi trasmissivi Metodi di trasmissione Commutazione di circuito e di pacchetto Topologie Comunicazione e protocolli Cenni su protocolli per naming, routing e gestione dei conflitti Internet Cosa è? Livelli gerarchici di rete e loro compiti Non solo TCP/IP 64

54 Internet: non solo TCP/IP Esistono molti protocolli di comunicazione oltre ai ben noti HTTP e alla famiglia TCP/IP Alcune applicazioni usano un solo protocollo Altre sono multi-protocollo ad esempio: i browsers (es. Internet Explorer, Mozilla Firefox) usano ad es.: http: per il trasferimento di ipertesti https: trasmissione crittografata dei dati ftp: per il trasferimento dei file i client (pop, imap; smtp) 65

55 Internet: non solo TCP TCP - Transmission Control Protocol (Transport Layer): (vedi lucido 40) Orientato alla connessione: richiesto setup tra client e server (handshaking) Trasporto affidabile: mittente e destinatario si inviano conferme di ricezione (ack.); in caso di perdita dati c è ritrasmissione Controllo di flusso: il mittente non sovraccarica il destinatario Controllo di congestione: i mittenti rallentano il tasso di invio se la rete è congestionata Non offre: garanzie di banda e ritardo minimi UDP - User Datagram Protocol (Transport Layer): Senza connessione Trasferimento dati non affidabile Non offre: controllo di flusso, controllo di congestione, garanzie di ritardo e banda 66

56 Applicazioni Internet: loro protocolli e protocollo di transporto Applicazione remote terminal access Web file transfer streaming multimedia remote file server Internet telephony Protocollo applicativo smtp (invio) telnet http ftp proprietario (es. RealNetworks) NFS proprietary (e.g., Vocaltec) Protocollo di trasporto usato TCP TCP TCP TCP TCP o UDP TCP o UDP tipicamente UDP 67

57 Delucidazioni varie - 1 Nelle reti alcuni nodi, Server, mettono a disposizione uno o più servizi di rete agli altri nodi es.: Server web (pubblicazione di informazioni) Server SMTP per l invio di messaggi di posta elettronica Server ftp (file transfer protocol) per lo scambio di file Server per la condivisione di file Server DNS... 69

58 Delucidazioni varie - 2 I server sono paragonabili a domestici vecchio stile sempre attivi e pronti ad eseguire le richieste dei datori di lavoro (i client) Un particolare server (di web, di posta, ecc.) è in grado di eseguire solo determinati compiti/servizi e non altri Ovviamente, i servizi di rete di un nodo server non solo altro che programmi in esecuzione su quel computer 70

59 Internet Un breve cartone animato americano (12 minuti) nel quale sono rappresentati i vari personaggi coinvolti in una comunicazione via Internet Il video tradotto in molte lingue è disponibile a: 72

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