TESI DI LAUREA COSTRUZIONE DI PROTOCOLLI DI COMUNICAZIONE TRA PC E DISPOSITIVI DI CONTROLLO PROF. GIULIO DESTRI

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1 TESI DI LAUREA COSTRUZIONE DI PROTOCOLLI DI COMUNICAZIONE TRA PC E DISPOSITIVI DI CONTROLLO RELATORE PROF. GIULIO DESTRI CORRELATORE ING. CESARE CHIODELLI CANDIDATO LUCA LODI RIZZINI

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3 Ai miei genitori III

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5 Ringraziamenti Desidero innanzitutto ringraziare l ing. Cesare Chiodelli e il prof. Giulio Destri per aver permesso lo svolgimento del mio stage lavorativo presso la ditta CS Soluzione, consentendomi di apprendere le basi per lo sviluppo di software a livello professionale e impostando la stesura della mia tesi. Un grazie anche a Luca Visioli, Alberto Picca e Marco Maltraversi per il lavoro svolto insieme. Ringrazio anche i miei compagni di università Amadini, Lucia, Fabio e tutti gli altri con cui ho passato questi quattro anni di studio e tutti gli amici del mio paese che mi hanno sostenuto ed aiutato. Ringrazio i miei genitori Curzio e Marina per essermi stati vicini e per avermi supportato materialmente e moralmente, a cui dedico questo lavoro. Un ringraziamento speciale a Nicole, per essermi stata vicino sostenendomi nei momenti difficili del mio percorso di studio. Vorrei salutare un mio grande amico Marco Belletti, conosciuto da tutti come Kumbel, da poco deceduto in un incidente stradale. Tu per me sei stato un ottimo amico di baraccate, grigliate, bevute e tanto altro, non scorderò mai il tuo sorriso che ti accompagnava in ogni istante e la tua grande dinamicità. Ciao Kumbel. V

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7 Sommario INTRODUZIONE...1 Il contesto del problema: la comunicazione digitale fra dispositivi... 1 Come è stato affrontato il lavoro... 2 LA COMUNICAZIONE DIGITALE...4 Le reti di comunicazioni... 4 Applicazioni delle reti... 5 Aspetti hardware delle reti... 6 Tecnologia trasmissiva... 6 Scala dimensionale... 8 Reti Locali... 9 Reti metropolitane Reti geografiche Interconnessione di reti Protocolli e aspetti software delle reti Gerarchie di protocollo Architettura di rete Funzionamento del software di rete Servizi connection-oriented e connectionless Servizi connection-oriented Servizi connectionless Affidabilità del servizio Servizi vs protocolli Aspetti di progetto dei livelli Il modello ISO/OSI Livello fisico Livello Data Link Livello Network Livello Transport Livello Session Livello Presentation Livello Application Internet Protocol Suite o TCP/IP Livello host-to-network Livello Internet Livello Transport Livello Application VII

8 Confronto fra modello di riferimento OSI e architettura TCP/IP Confronto fra pile di protocolli OSI e TCP/IP LE RETI NEL MONDO REALE: PROBLEMI E STANDARD FISICI Un limite per le reti: il rumore e i disturbi elettromagnetici Trattazione matematica del rumore I tipi di rumore Disturbi elettromagnetici Lo standard più diffuso ai livelli 1 e 2: Ethernet I motivi del successo Il Frame Indirizzo Ethernet Tipologia di trasmissione Ethernet con ripetitori e hub Uno standard diffusissimo per le reti corte : seriale o RS Utilizzi Storia dello standard Definizione Le unità di misura Come è fatto un segnale EIA RS Il bit di parità I SISTEMI PER L AUTOMAZIONE INDUSTRIALE...55 Architetture tipiche dei sistemi La piramide CIM Descrizione dei livelli Livello 0: sensori, attuatori, tools legati al processo esecutivo Livello 1: Controllo di macchina Livello 2: Controllo di cella Livello 3: Controllo di area Livello 4: mainframe per il governo del management, gestione commesse e amministrazione centrale delle attività di fabbrica (pianificazione della gestione globale) Lo Scada e le sue caratteristiche Acquisizione dati Supervisione Controllo Il Plc e le sue caratteristiche Funzionamento Struttura del PLC Cpu Schede di comunicazione CANALI DI COMUNICAZIONE PER L AUTOMAZIONE...71 Caratteristiche generali dei protocolli usati per l automazione Sistemi seriali vs Sistemi ethernet I protocolli dei sistemi Omron C-Command Fins VIII

9 Strumenti misti : i bridge ethernet-seriali e le loro caratteristiche UN APPLICAZIONE CONCRETA: CONTROLLO DI PLC OMRON...82 Obiettivo del progetto L architettura del nuovo sistema I sistemi controllati I Plc e le strutture associate...86 Lo Scada e le sue caratteristiche La base di dati per la persistenza Visione di insieme IL LAVORO OPERATIVO...96 Difficoltà incontrate Correzioni in corso d opera CONCLUSIONI...99 Il sistema in esecuzione Bilancio del lavoro svolto Applicazioni e ampliamenti futuri INDICE DELLE FIGURE BIBLIOGRAFIA IX

10 INTRODUZIONE Il contesto del problema: la comunicazione digitale fra dispositivi Oggetto di questa tesi è quello di implementare un protocollo per comunicazioni digitali in ambito di rete locale per far comunicare fra loro sistemi digitali che svolgono compiti completamente diversi. Da un lato abbiamo l entità composta da uno o più PC che ospitano gli applicativi di supervisione. Tali applicativi servono sia a rendere disponibile un interfaccia uomo-macchina, semplice e snella, per coloro che utilizzano le applicazioni, mascherando nel contempo la complessità dei dati e delle metodologie di comunicazione fra le varie componenti, sia a svolgere le funzioni di supervisione al normale funzionamento degli apparati cui sono connessi. Gli applicativi sono connessi anche ad un DBMS avente la funzione di memorizzare sia i dati di configurazione impostati dagli utenti sia i numerosi dati acquisiti dagli apparati.. All altro capo della rete sono apparati PLC, (Programmable Logic Controller). Un PLC è, in pratica, un dispositivo programmabile, dotato di ingressi e uscite analogiche e digitali e una o più connessioni di reti, specializzato nella gestione dei processi industriali. Il PLC esegue un programma ed elabora i segnali digitali ed analogici provenienti dai sensori ricevuti attraverso gli ingressi, generando sulle proprie uscite i corrispondenti comandi per gli attuatori presenti in un impianto industriale, i quali riescono a gestire una moltitudine di funzioni dalla più elementare (rilevare la temperatura, accendere una lampadina, ecc..) alle più sofisticate e complesse (muovere un braccio meccanico, programmare l accensione/avviamento di macchine, automi, ecc..). La tesi si propone di realizzare l implementazione dei protocolli standard che, nell ambito di contesti aziendali operativi, con tutti i vincoli che caratterizzano tali ambienti, permettendo la comunicazione efficiente fra PC e PLC su supporti di rete Ethernet-TCP\IP e RS-232. Nella seconda 1

11 parte della tesi verrà presentata l applicazione operativa dei software così sviluppati entro il contesto di un azienda di medie dimensioni, per realizzare la gestione integrata di alcuni impianti tecnologici come ad esempio l apertura e chiusura meccanica di porte e finestre, l accensione della fontana situata nel giardino dell azienda, l avviamento di riscaldamento e climatizzatore e, oltre a questi aspetti prettamente domotici, per gestire anche l accensione e spegnimento di impianti propriamente industriali, quali bruciatori, compressori, presse. Il tirocinio e l allegato progetto sono stati compiuti presso l azienda CS Soluzioni di Casalmaggiore (CR). Come è stato affrontato il lavoro I protocolli di comunicazione da realizzare devono essere snelli, minimizzando gli overhead di carico, per permettere un comunicazione in tempo reale ma, allo stesso tempo, anche robusti rispetto a diversi tipi di canale fisico(ethernet,rs-232) ad adatti ad un applicazion a sistemi reali. La tesi e stata svolta operando in particolare con i sistemi PLC Omron, tecnologia italiana molto diffusa presso le medie imprese. Omron utilizza due protocolli, proprietari ma ampliamente documentati, per la comunicazione: il protocollo C-Command, più vecchio, per la comunicazione su canale RS-232 ed il protocollo FINS, più recente e completamente rinnovato rispetto al precedente per la comunicazione su canali TCP/IP su Ethernet. La prima parte della tesi è consistita nello studio dei due protocolli, cui e seguita l implementazione, debug e verifica su piattaforma hardware reale dei due protocolli, realizzando la trasmissione bidirezionale di byte ed array di byte, contenenti le informazioni opportune, tra la memoria del PC e la memoria del PLC, utilizzando il linguaggio C# di microsoft con l ambiente di sviluppo integrato Visual Studio Una volta ottenuto una comunicazione bidirezionale funzionate efficace, le librerie di comunicazione così ottenute 2

12 sono state integrate in un sistema molto complesso atto a governare reti di PLC Omron che controllano impianti industriali quali compressori, bruciatori, ventilatori e infrastrutture edilizie come le finestre superiori dei capannoni. Tale sistema è costituito da una piattaforma SCADA con opportuna interfaccia utente, realizzata completamente il linguaggio C# con architettura pienamente Objet-oriented e stratificata, da una base di dati in un RDBMS Oracle 10g Express, dalle librerie di comunicazione e da reti di PLC Omron, connessi ai PC industriali ove operano le console grafiche dello SCADA in alcuni casi tramite connessione RS-232 e in alcuni casi tramite Ethernet. E stato inoltre verificato l uso di un componente di conversione seriale-ethernet che però, per poter essere utilizzato nelle sue piene potenzialità, ha richiesto l inserimento di nuove strutture software nel sistema. In collaborazione con le persone di CS Soluzioni incaricate della realizzazione del sistema si è contribuito ad ogni sua fase, in particolare al design della base di dati, come sarà presentato in dettaglio nei capitoli seguenti. La struttura della tesi nei capitoli successivi è la seguente: Saranno presentate in primo luogo le reti di comunicazione, per contestualizzare in modo adeguato il cuore del lavoro, ossia lo sviluppo del protocollo di comunicazione. Successivamente sarà presentato in dettaglio il contesto software di super visione entro i sistemi di automazione industriale e, in particolare, la struttura dei protocolli Fins e C-Command di Omron; Nel capitolo seguente sarà presentato il progetto svolto nei suoi vari aspetti, partendo dalle librerie di comunicazione per arrivare ala visione del sistema nel suo insieme. Infine saranno presentate le conclusioni con un bilancio del lavoro svolto ed eventuali prospettive di sviluppo. 3

13 LA COMUNICAZIONE DIGITALE Le reti di comunicazioni Il 900 fu, dal punto di vista della strumentazione tecnologica, un susseguirsi di successi. Principalmente nell ultimo cinquantennio, l attenzione degli studiosi fu rivolta a nuove metodologie di informazione, che possono essere sintetizzate in tre punti: raccolta e memorizzazione; elaborazione; distribuzione. Nel nostro secolo si sono via via diffusi: il sistema telefonico, a livello mondiale; la radio e la televisione; il computer; i satelliti per telecomunicazioni. Queste tecnologie stanno rapidamente convergendo, in particolare, la combinazione di elaboratori e sistemi di telecomunicazione ha avuto una profonda influenza sull'organizzazione dei sistemi di calcolo. Infatti si è passati dal vecchio modello mainframe - terminali, in cui la potenza di calcolo è concentrata in un unico grande elaboratore, a cui si accede per mezzo di un certo numero di terminali, a quello attuale, in cui vi è un grande numero di elaboratori autonomi, interconnessi fra loro. Per autonomi si vuole intendere che non deve esserci fra loro una relazione tipo master/slave (ad es., l'uno non può forzare lo spegnimento dell'altro) bensì interconnessione che sta a significare la capacità di scambiarsi informazioni (sfruttando un opportuno mezzo fisico). Un sistema di calcolo siffatto è detto rete di elaboratori o computer network. Rete di elaboratori non è sinonimo di sistema distribuito. Infatti in un sistema distribuito l'esistenza di più elaboratori è invisibile all'utente, che ha l'impressione di avere a che fare con un unico sistema di calcolo; in una rete di elaboratori, 4

14 l'utente è conscio dell'esistenza di molteplici elaboratori, che devono essere esplicitamente riferiti. Applicazioni delle reti Moltissimi sono gli usi delle reti di elaboratori, sia per le organizzazioni che per i singoli individui. Per le aziende, associazioni, organizzazione si possono sintetizzare in questi piccoli punti: condivisione di risorse: si possono rendere disponibili a qualsiasi programma e informazioni anche distanti migliaia di km; affidabilità: si ottiene mettendo in rete sorgenti alternative delle risorse (ad es. duplicando le applicazioni e i dati su più computer). E' importante in sistemi che devono funzionare a tutti i costi (traffico aereo, centrali nucleari, sistemi militari, ecc.); diminuzione dei costi: una rete di personal computer costa molto meno di un mainframe. A volte alcuni elaboratori sono più potenti ed offrono agli altri dei servizi (modello client-server, vedi figura sottostante); scalabilità: si possono aumentare le prestazioni del sistema aumentando il numero di elaboratori (entro certi limiti); comunicazione fra persone: è possibile inviarsi messaggi, scambiarsi file, ecc. 5

15 Elab. cliente Proc. cliente Elab. server Proc. server Richiesta Rete Risposta Figura 1-1: Il modello client-server Per i singoli individui (di solito da casa propria tramite "fornitori di accesso": viene usata per l accesso ad informazioni remote, (ad es.:accesso a servizi bancari, acquisti da casa; navigazione sul World Wide Web); oppure per la comunicazioni fra persone (posta elettronica); divertimento: video on demand (selezione e ricezione via rete di un qualunque spettacolo tratto da un catalogo); giochi interattivi (contro macchine o avversari umani). Aspetti hardware delle reti I due parametri utili per definire le caratteristiche di una rete, anche se non vi é una tassonomia universalmente accettata, sono: la tecnologia trasmissiva e la scala dimensionale. Tecnologia trasmissiva Esistono due tipologie per quanto riguarda la tecnologia trasmissiva e sono: le reti broadcast e le reti punto a punto. Una rete broadcast è caratterizzata da processi di comunicazione punto-multipunto, in cui i singoli nodi sono connessi tramite lo stesso supporto trasmissivo. Se sono presenti supporti trasmissivi di tipo diverso occorre che alcuni nodi svolgano la funzione di gateway (repeater o bridge) rigenerando 6

16 l'informazione in modo da essere propagata sul nuovo supporto. In alcuni casi è possibile che si voglia impedire tale funzionalità e quindi il gateway sarà sostituito da un router configurato per filtrare il traffico (firewall). Se gli elementi della rete utilizzano supporti trasmissivi condivisi, il principale problema che è necessario affrontare è la gestione dei conflitti nell'uso della rete, per cui esistono diverse tecniche di gestione e di risoluzione (aloha,csma,csma/cd...). Le reti broadcast sono dotate di un unico "canale" di comunicazione che è condiviso da tutti gli elaboratori. Brevi messaggi, spesso chiamati pacchetti, inviati da un elaboratore sono ricevuti da tutti gli altri elaboratori. Un indirizzo all'interno del pacchetto specifica il destinatario. Elaboratori Rete Figura 1-2: una rete broadcast Quando un elaboratore riceve un pacchetto, esamina l'indirizzo di destinazione; se questo coincide col proprio indirizzo il pacchetto viene elaborato, altrimenti viene ignorato. Le reti broadcast, in genere, consentono anche di inviare un pacchetto a tutti gli altri elaboratori, usando un opportuno indirizzo (broadcasting). Tutti prendono in considerazione il pacchetto. Un'altra possibilità è inviare il pacchetto ad un sottoinsieme degli elaboratori (multicasting). In tal caso solo gli elaboratori di tale sottoinsieme lo prendono in considerazione, gli altri lo ignorano. Le reti punto a punto consistono invece in un insieme di connessioni fra coppie di elaboratori. 7

17 Pacchetto Elaboratore Connessione Figura 1-3: una rete punto a punto Per arrivare dalla sorgente alla destinazione, un pacchetto può dover attraversare uno o più elaboratori o nodi intermedi. Spesso esistono più cammini alternativi, per cui gli algoritmi di instradamento (routing) hanno un ruolo molto importante. In generale le reti geograficamente localizzate tendono ad essere broadcast; mentre le reti geograficamente molto estese tendono ad essere punto a punto. Esistono però alcune eccezioni, ad esempio la rete geografica realizzata via satellite (e quindi broadcast) ed infine la rete locale basata su ATM (e quindi punto a punto). Scala dimensionale Un criterio alternativo di classificazione è la scala dimensionale delle reti. In questo contesto si distinguono: reti locali, reti metropolitane e reti geografiche. 8

18 Distanza fra processori Ambito Tipo di rete 10 m. Stanza Rete locale 100 m. Edificio Rete locale 1 km. Campus Rete locale 10 km. Città Rete metropolitana 100 km. Nazione Rete geografica 1000 km. Continente Rete geografica km. Pianeta Internet (Rete geografica) La distanza è un fattore molto importante, poiché a differenti scale dimensionali si usano differenti tecniche. Reti Locali Le reti locali (Local Area Network, LAN), in genere sono possedute da una organizzazione (reti private), hanno un'estensione che arriva fino a qualche km, si distendono nell'ambito di un singolo edificio o campus (non si possono, di norma, posare cavi sul suolo pubblico), sono utilizzate prevalentemente per connettere PC o workstation. Esse si distinguono dagli altri tipi di rete per tre caratteristiche diverse: La prima è la dimensione che non può andare oltre un certo limite, per cui è noto a priori il tempo e quindi il ritardo di trasmissione. Questa conoscenza permette di utilizzare delle tecniche particolari per la gestione del canale di comunicazione. La seconda è la tecnologia trasmissiva. Le LAN sono in generale reti broadcast. Velocità di trasmissione tipiche sono da 10,100,1000 Mbps con basso ritardo di propagazione del segnale da un capo all'altro del canale e basso tasso di errore. Ultima ma non meno importante é la topologia: sono possibili diverse topologie, le più diffuse alcuni anni fa erano il bus ed il ring. Nell ambito della topologia bus in ogni istante solo un elaboratore può 9

19 trasmettere, gli altri devono astenersi, inoltre è necessario un meccanismo di arbitraggio per risolvere i conflitti quando due o più elaboratori vogliono trasmettere contemporaneamente e l'arbitraggio può essere centralizzato o distribuito; lo standard IEEE (chiamato impropriamente Ethernet) è per una rete broadcast, basata su un bus, con arbitraggio distribuito, operante a 10,100 oppure 1000 Mbps; infine gli elaboratori trasmettono quando vogliono; esistono alcuni protocolli, che permettono di evitare le collisioni. Nella topologia ring ogni bit circumnaviga l'anello in un tempo tipicamente inferiore a quello di trasmissione di un pacchetto. Anche qui è necessario un meccanismo di arbitraggio (spesso basato sul possesso di un gettone (token) che abilita alla trasmissione. Lo standard IEEE (derivante dalla rete IBM Token Ring) è una rete broadcast basata su ring, con arbitraggio distribuito, operante a 4 o 16 Mbps. Ring Bus Figura 1-4: topologie bus e ring Infine le reti broadcast possono essere classificate a loro volta in due sottogruppi a seconda del meccanismo scelto per l'arbitraggio. Il primo é allocazione statica: le regole per decidere chi sarà il prossimo a trasmettere sono fissate a priori, ad esempio assegnando un time slot ad ogni elaboratore con un algoritmo round-robin. Lo svantaggio è rappresentato dallo spreco dei time slot assegnati a stazioni che non devono trasmettere. Il secondo è allocazione dinamica: si decide di volta in volta chi sarà il prossimo a trasmettere; è necessario un meccanismo di arbitraggio delle 10

20 contese, che può essere anche in questo caso un arbitraggio centralizzato, un apposita apparecchiatura, ad esempio, una bus arbitration unit, che accetta richieste di trasmissione e decide chi abilitare oppure può essere un arbitraggio distribuito: ognuno decide per conto proprio. Reti metropolitane Le reti metropolitane (Metropolitan Area Network, MAN) hanno un'estensione tipicamente urbana (quindi anche molto superiore a quella di una LAN) e sono generalmente pubbliche (cioè un'azienda, ad es. Telecom Italia, Ommitel, Infostrada mettono la rete a disposizione di chiunque desideri, previo pagamento di una relativa tariffa). Fino a qualche anno fa erano basate essenzialmente sulle tecnologie delle reti geografiche, utilizzate su scala urbana. Recentemente però è stato definito un apposito standard, lo IEEE o DQDB (Distributed Queue Dual Bus), che é effettivamente impiegato in varie realizzazioni, molto più vicino alla tecnologia LAN che WAN. Esiste un mezzo trasmissivo di tipo broadcast (due bus in 802.6) a cui tutti i computer sono attaccati. Head end Flusso Elaboratore Head end Flusso Figura 1-5: Distributed Queue Dual Bus Ogni bus (cavo coassiale o fibra ottica) é unidirezionale, ed ha una headend che modula l'attività di trasmissione. 11

21 Reti geografiche Le reti geografiche (Wide Area Network, WAN) si estendono a livello di una nazione, di un continente o dell'intero pianeta. Una WAN è tipicamente costituita da due componenti distinte: un insieme di elaboratori (host oppure end system), sui quali girano i programmi usati dagli utenti una comunication subnet (o subnet), che connette gli end system fra loro. Il suo compito è trasportare messaggi da un end system all'altro, così come il sistema telefonico trasporta parole da chi parla a chi ascolta. Di norma la subnet è costituita, a sua volta, da due componenti: linee di trasmissione (dette anche circuiti, canali, trunk) e elementi di commutazione (switching element). Gli elementi di commutazione sono elaboratori specializzati utilizzati per connettere fra loro due o più linee di trasmissione. Quando arrivano dati su una linea, l'elemento di commutazione deve scegliere una linea in uscita sul quale instradarli. Non esiste una terminologia standard per identificare gli elementi di commutazione. Termini usati sono i sistemi intermedi, i nodi di commutazione pacchetti o router. Una tipica WAN è utilizzata per connettere più LAN fra loro: WAN Router Subnet Host LAN Linea di trasmiss. Figura 1-6: struttura tipica di una WAN 12

22 In generale una WAN contiene numerose linee (spesso telefoniche), che congiungono coppie di router. Ogni router, in generale, deve: ricevere un pacchetto da una linea in ingresso, memorizzarlo per intero in un buffer interno ed infine, appena la necessaria linea in uscita è libera, instradare il pacchetto su essa. Una subnet basata su questo principio può essere chiamata: punto a punto, store and forward o a commutazione di pacchetto (packet switched).molte topologie di interconnessione possono essere impiegate fra i router: a stella (ridondanza zero); ad anello (ridondanza zero); ad albero (ridondanza zero); magliata (ridondanza media); completamente connessa (ridondanza massima). Stella Anello Albero Magliatura Compl. connessa Figura 1-7: topologie di interconnessione 13

23 Un'altra possibilità è una WAN basata su satellite oppure radio al suolo. Utilizzando il satellite cioè ogni router sente l'output del satellite e invia a sua volta dati al satellite. Dunque, in generale si ha un broadcast downlink (cioè dal satellite a terra) e broadcast uplink (cioè da terra al satellite). Satellite Uplink beam Downlink beam Router + antenna Router + antenna Figura 1-8: interconnessione di router via satellite Ogni router quindi utilizza onde Radio al suolo: ogni router sente l'output dei propri vicini (entro una certa distanza massima) ed anche in questo caso siamo in presenza di una rete broadcast. Area di copertura del segnale Router + antenna Router + antenna Router + antenna Figura 1-9: interconnessione di router via radio al suolo Una WAN può essere anche realizzata in maniera mista: in parte cablata, in parte basata su radio o satellite. 14

24 Interconnessione di reti Una interconnessione di reti, talvolta anche chiamata internetwork, è formata quando reti diverse (sia LAN che MAN o WAN) sono collegate fra loro. A prima vista, almeno in alcuni casi, la cosa è apparentemente uguale alla definizione di WAN vista precedentemente (se al posto di subnet si scrive WAN, abbiamo una internetwork costituita da una WAN e quattro LAN). Alcuni problemi però sorgono quando si vogliono connettere fra di loro reti progettualmente diverse (spesso incompatibili fra loro). In questo caso si deve ricorrere a speciali attrezzature, dette gateway (o router multiprotocollo), che, oltre ad instradare i pacchetti da una rete all'altra, effettuano le operazioni necessarie per rendere possibili tali trasferimenti. WAN 1 WAN 1 Router multiprotocollo (gateway) Figura 1-10: interconnessione di reti In questo contesto e concretamente è utilizzata questa terminologia: internet come sinonimo di internetwork, cioè la interconnessione di più reti generiche; ed Internet (con la I maiuscola) per riferirsi alla specifica internetwork, basata su TCP/IP, che ormai tutti conoscono. L uso della terminologia non è sempre preciso ed univoco. Si indica: con sottorete (subnet): l'insieme dei router e delle linee di trasmissione; con rete (network): una subnet più tutti gli host collegati; 15

25 con internetwork: una collezione di più network, anche non omogenee, collegate per mezzo di gateway. Host Host Gateway Subnet Subnet Network Network Internetwork Figura 1-11: relazioni fra subnet, network e internetwork Protocolli e aspetti software delle reti Le prime reti furono progettate cominciando dall'hardware e sviluppando il software solo successivamente, quasi come se esso fosse un'accessoria appendice dell'hardware. Questo approccio non può più funzionare. Il SW di rete è oggi altamente strutturato. Vogliamo esaminare ora, a grandi linee, tale strutturazione, che servirà come base per introdurre il lavoro svolto. Gerarchie di protocollo Per ridurre la complessità di progetto, le reti sono in generale organizzate a livelli, ciascuno costruito sopra il precedente. Fra un tipo di rete ed un altra possono essere diversi: il numero, i nomi, il contenuto e le funzioni dei livelli. Comunque è sempre rispettato il principio generale secondo il 16

26 quale lo scopo di un livello è offrire certi servizi ai livelli più alti, nascondendo i dettagli sul come tali servizi siano implementati. Il livello n su un host porta avanti una conversazione col livello n su di un'altro host. Le regole e le convenzioni che governano la comunicazione sono collettivamente indicate col termine di protocollo. Le entità (processi) che effettuano tale conversazione si chiamano peer entity (entità di pari livello). HOST 1 HOST 2 Protocollo Livello 5 di livello 5 Livello 5 Interfaccia liv. 4/5 Interfaccia liv. 3/4 Protocollo Livello 4 di livello 4 Livello 4 Protocollo Livello 3 di livello 3 Livello 3 Interfaccia liv. 4/5 Interfaccia liv. 3/4 Interfaccia liv. 2/3 Interfaccia liv. 1/2 Protocollo Livello 2 di livello 2 Livello 2 Protocollo Livello 1 di livello 1 Livello 1 Interfaccia liv. 2/3 Interfaccia liv. 1/2 Mezzo fisico Figura 1-12: Dialogo fra peer entity In realtà non c'è un trasferimento diretto dal livello n di host 1 al livello n di host 2. Ogni livello di host 1 passa i dati, assieme a delle informazioni di controllo, al livello sottostante. Al di sotto del livello 1 c'è il mezzo fisico, attraverso il quale i dati vengono trasferiti da host 1 ad host 2. Quando arrivano a host 2, i dati vengono passati da ogni livello (a partire dal livello 1) a quello superiore, fino a raggiungere il livello n. Fra ogni coppia di livelli adiacenti è definita una interfaccia, che caratterizza sia le operazioni primitive, che possono essere richieste al livello sottostante e i servizi, che 17

27 possono essere offerti dal livello sotto di esso. I vantaggi di una buona progettazione delle interfacce sono la minimizzazione delle informazioni da trasferire e la possibilità di modificare l'implementazione del livello (ad es., ove le linee telefoniche venissero sostituite da canali satellitari) con una più attuale che offra gli stessi servizi. Architettura di rete L'insieme dei livelli e dei relativi protocolli è detto architettura di rete. La specifica dell' architettura deve essere abbastanza dettagliata da consentire la realizzazione di SW e/o HW che, per ogni livello, rispetti il relativo protocollo. Viceversa, i dettagli implementativi di ogni livello e le interfacce fra livelli non sono parte dell'architettura, in quanto sono nascosti all'interno di un singolo host. E' quindi possibile che sui vari host della rete ci siano implementazioni che differiscono fra di loro anche in termini di interfacce fra livelli, purché ogni host implementi correttamente i protocolli previsti dall'architettura. In questo caso possono dialogare fra loro anche host aventi caratteristiche (processore, sistema operativo, costruttore) diverse. Dunque, nell'ambito di una specifica architettura di rete, si ha che tutti gli host devono contenere implementazioni conformi in termini di livelli e di protocolli. Un'architettura di rete può essere: proprietaria, standard de facto, standard de iure. Un'architettura proprietaria è basata su scelte indipendenti ed arbitrarie del costruttore ed è generalmente incompatibile con architetture diverse. Nel senso più stretto del termine è un'architettura per la quale il costruttore non rende pubbliche le specifiche, per cui nessun altro può produrre apparati compatibili. Alcuni esempi sono IBM SNA (System Network Architecture), Digital Decnet Phase IV; Novell IPX e Appletalk. Un'architettura standard de facto è un'architettura basata su specifiche di pubblico dominio (per cui diversi costruttori possono proporre la propria 18