La realtà nel mondo delle reti: OSI e TCP/IP

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1 La realtà nel mondo delle reti: OSI e TCP/IP Iniziamo ad esaminare due realtà importanti nel mondo delle reti: OSI Reference Model (E solo un modello di riferimento e non un architettura. Alcuni protocolli sono stati definiti successivamente, in standard separati); Internet Protocol Suite (detta anche architettura TCP/IP o, piuttosto impropriamente, TCP/IP reference model). Un modello di riferimento è cosa diversa da un'architettura di rete: 1

2 Il modello di riferimento OSI L'OSI (Open Systems Interconnection) Reference Model è un modelo di riferimento di software di rete a livelli definito dalla ISO (International Standard Organization), ed ha lo scopo di: fornire uno standard per la connessione di sistemi aperti fornire una base comune per lo sviluppo di standard per l'interconnessione di sistemi fornire un modello rispetto a cui confrontare le varie architetture di rete RETE APERTA rete a cui ci si può collegare da qualsiasi punto geografico e con qualsiasi sistema tramite un mezzo di comunicazione e opportuni protocolli. 2

3 Principi di progetto seguiti durante lo sviluppo del modello OSI Il modello OSI definisce sette livelli: ogni livello deve avere un diverso grado di astrazione; ogni livello deve avere una funzione ben definita; la scelta dei livelli deve minimizzare il passaggio delle informazioni fra livelli; occorre evitare troppe funzioni all interno di un unico livello ed un numero troppo elevato di livelli. 3

4 I 7 livelli del modello OSI Possiamo considerare i primi tre livelli come standard per la comunicazione, in quanto si occupano della gestione della sottorete di comunicazione, dipendono dal gestore della rete e le applicazioni non possono avere alcuna influenza su di essi. I quattro livelli superiori invece si occupano dell elaborazione, in quanto permettono di creare applicazioni indipendenti dalla rete di comunicazione. 4

5 Schematizzazione dei 7 livelli del modello OSI 5

6 Rappresentazione schematica dei livelli gestiti lungo un cammino Spesso, per visualizzare le competenze (in termini di livelli gestiti) dei vari elaboratori sul cammino, si usano diagrammi del tipo: 6

7 Il livello fisico del modello OSI Si occupa della trasmissione dei bit dei dati lungo il mezzo fisico di trasmissione. Gli aspetti di progetto sono: volti a garantire che se parte un 1, arrivi effettivamente un 1 e non uno 0; riguardanti le caratteristiche meccaniche, elettriche e procedurali delle interfacce di rete (componenti che connettono l'elaboratore al mezzo fisico) e le caratteristiche del mezzo fisico. E a questo livello che si caratterizzano: Valori della tensione per rappresentare 0 ed 1; durata (in microsecondi) di un bit; scelta della trasmissione simultanea in due direzioni oppure no; forma dei connettori. 7

8 Il livello Data link del modello OSI Lo scopo di questo livello è far si che un mezzo fisico trasmissivo appaia, ai livelli superiori, come una linea di trasmissione esente da errori di trasmissione Funzionamento: i dati provenienti dal livello superiore vengono spezzettati in frame (da qualche centinaia a qualche migliaia di byte); i frame vengono inviati in sequenza; si aspetta un acknowledgement frame (ack) per ogni frame inviato. 8

9 Il livello Network del modello OSI Lo scopo del livello di rete è controllare il funzionamento della subnet di comunicazione (linne e router). Inizialmente esso offriva solamente servizi orientati alla connessione, successivamente fu aggiunta la modalità connectionless. Sono di competenza di tale livello: Il routing (scelta del percorso nella sottorete), che può essere statico (fissato ogni tanto e raramente variabile) o dinamico (continuamente aggiornato, anche da un pacchetto all'altro); La gestione della congestione: che si verifica quando troppi pacchetti arrivano ad un router (es.: da molte linee in ingresso ad un unica linea di uscita); L accounting: gli operatori della rete possono far pagare l'uso agli utenti sulla base del traffico generato; La conversione di dati nel passaggio fra una rete ed un'altra (diversa). Ciò implica di dover: rimappare gli indirizzi; frammentare i pacchetti; gestire protocolli diversi. 9

10 Il livello Transport del modello OSI (1) Il livello di trasporto si occupa della comunicazione fra due stazioni attraverso la sottorete di comunicazione, facendo in modo che i dati inviati dal mittente arrivino a destinazione come se attraversassero una linea diretta tra le due stazioni, senza errori. Tale livello offre solo servizi orientati alla connessione. Una volta che i dati vengono accettati dal livello superiore, essi vengono spezzettati in pacchetti, passati al livello network assicurandosi che arrivino alla peer entity che si trova all'altra estremità della connessione. Tutto ciò è compiuto in maniera efficiente, isolando i livelli superiori dai cambiamenti della tecnologia di rete sottostante. 10

11 Il livello Transport del modello OSI (2) Il livello transport è il primo livello realmente end-to end, cioè da host sorgente a host destinatario: le peer entity di questo livello portano avanti una conversazione senza intermediari. Si noterà che certe problematiche sono, in ambito end to-end, le stesse che il livello data link ha nell'ambito di una singola linea di comunicazione; le soluzioni però sono alquanto diverse per la presenza della subnet di comunicazione. 11

12 Incombenze del livello di trasporto Creazione di connessioni di livello network (attraverso i servizi del livello network) per ogni connessione di livello transport richiesta. Sono possibili: una connessione network per ciascuna connessione transport; molte connessioni network per una singola connessione transport (per ottenere un alto throughput) una singola connessione network viene usata per molte connessioni transport, con meccanismi di multiplexing(se è alto il costo di una connessione network) Offerta di vari servizi al livello superiore: canale punto a punto affidabile, che consegna i dati in ordine e senza errori (il servizio più diffuso, connection oriented); invio di messaggi isolati, con o senza garanzia di consegna (connectionless); broadcasting di messaggi a molti destinatari (connectionless). 12

13 Il livello Session del modello OSI Tale livello dovrebbe aggiungere dei servizi avanzati a quelli del transport layer. Ad es: token management: autorizza le due parti, a turno, alla trasmissione. Come vedremo nel seguito, in realtà questo livello non ha avuto un grande successo 13

14 Il livello Presentation del modello OSI Tale livello fa riferimento alla sintassi e alla semantica delle informazioni trasmesse, diversamente dai livelli sottostanti che gestiscono solo una sequenza di bit. Ad esempio, si occupa di convertire tipi di dati standard (caratteri, interi) da rappresentazioni specifiche della piattaforma HW di partenza in una rappresentazione "on the wire" e poi in quella specifica dell' HW di arrivo. 14

15 Il livello Application del modello OSI Tale livello prevede che qui risieda tutta la varietà di protocolli necessari per offrire i vari servizi agli utenti, quali ad esempio: terminale virtuale transferimento dei file posta elettronica Attraverso l'uso di questi protocolli si possono scrivere applicazioni che offrono i suddetti servizi agli utenti finali. 15

16 IL TCP/IP Il TCP/IP è un architettura di rete ideata con l obiettivo di collegare reti di diversa natura (internetworking) e di essere affidabile anche in caso di guasti a parti della rete. Il suo nome trae origine dai suoi due protocolli principali. Essa non è un modello nel senso stretto del termine, in quanto include i protocolli effettivi, che sono specificati per mezzo di documenti detti RFC (Request For Comments). 16

17 Un po di storia del TCP/IP Presso il Dipartimento della Difesa degli USA, nasce l A.R.P.A. (Advanced Research Project Agency) per studiare applicazioni di scienza e tecnologia all uso militare Parte il progetto di una rete a commutazione di pacchetto in grado di resistere agli attacchi bellici Nasce la rete ARPAnet che collega quattro università statunitensi ARPAnet collega 32 nodiusando linne telefoniche, reti satellitari e onde radio; nasce la prima posta elettronica per uso universitario Comincia lo sviluppo del TCP/IP Si inizia a parlare di internet come insieme di reti TCP/IP collegate fra loro ARPANET viene divisa in parte pubblica e parte militare Nasce il servizio WEB presso il CERN ( Centro Europeo Ricerca fisica Nucleare). 17

18 Relazione fra i livelli OSI e TCP/IP I livelli TCP/IP hanno questa relazione con quelli OSI: 18

19 I livelli del TCP/IP I livelli fondamentali del TCP/IP sono quello di rete e quello di trasporto, mentre il livello di applicazione contiene tutti i protocolli ad alto livello (come HTTP, SMTP, FTP ecc ) Non vengono definiti livelli inferiori a quello di rete. Viene indicato un livello generico host-to-network che prevede di utilizzare qualsiasi protocollo sottostante per trasportare pacchetti IP lungo il mezzo di trasmissione. 19

20 Livello host-to-network del TCP/IP Il livello più basso non è specificato nell'architettura, che prevede di utilizzare quelli disponibili per le varie piattaforme HW e conformi agli standard. Tutto ciò che si assume è la capacità dell'host di inviare pacchetti IP sulla rete, appoggiandosi a qualsiasi tecnologia esistente. 20

21 Livello Internet del TCP/IP E il corrispondente del livello di rete del modello OSI. E' il livello che tiene insieme l'intera architettura, e il suo ruolo è permettere ad un host di iniettare pacchetti in una qualunque rete e fare il possibile per farli viaggiare tramite commutazione di pacchetto fino alla destinazione, che può essere situata anche su un altra rete. Offre un servizio connectionless e non confermato. E' un servizio best-effort datagram. E' definito un formato ufficiale dei pacchetti ed un protocollo chiamato IP (Internet Protocol). Come il livello di rete del modello OSI, si occupa del routing e del controllo della congestione. 21

22 Livello Transport del TCP/IP E' progettato per consentire la conversazione delle peer entity sugli host sorgente e destinazione (end-to-end). Sono definiti due protocolli in questo livello: TCP (Transmission Control Protocol): protocollo connesso ed affidabile (ossia tutti i pacchetti arrivano, e nell'ordine giusto). Frammenta il flusso in arrivo dal livello superiore in messaggi separati che vengono passati al livello Internet. In arrivo, i pacchetti vengono riassemblati in un flusso di output per il livello superiore. UDP (User Datagram Protocol): protocollo non connesso e non affidabile, i pacchetti possono arrivare in ordine diverso o non arrivare affatto. 22

23 Livello Application del TCP/IP (1) Nell'architettura TCP/IP non ci sono i livelli Session e Presentation (non furono ritenuti necessari; l'esperienza col modello OSI ha mostrato che questa visione è condivisibile). Sopra il livello Transport c'è direttamente il livello Application, che contiene tutti i protocolli di alto livello vengono usati dalle applicazioni reali. I primi protocolli furono: Telnet: terminale virtuale; FTP (File Transfer Protocol): file transfer; SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) e POP (Post Office Protocol): posta elettronica 23

24 Livello Application del TCP/IP (2) Successivamente se ne sono aggiunti altri, fra cui: DNS (Domain Name Service): mapping fra nomi di host e indirizzi IP numerici. NNTP (Network News Transfer Protocol): trasferimento di articoli per i newsgroup. HTTP (HyperText Transfer Protocol): alla base del Word Wide Web. 24

25 I diversi protocolli del TCP/IP Relazione fra i livelli e i protocolli dell'architettura TCP/IP: Application Transport Network HTTP, SMTP, POP3, FTP, NNTP, SNTP, DNS, VoIP TCP, UDP IP, ARP, RARP, BOOTP, ICMP, IGMP, OSPF, BGP Vari standard per LAN, MAN, WAN 25

26 TCP/IP e modello OSI a confronto Somiglianze: sono basati entrambi sul concetto di pila di protocolli indipendenti; hanno funzionalità simili per i vari livelli; 26

27 TCP/IP e modello OSI a confronto (2) Il TCP/IP è uno standard de facto, è diventato uno standard grazie al suo utilizzo. Ciò significa che il TCP/IP nasce coi protocolli, mentre il modello di riferimento viene a posteriori Il modello OSI è uno standard de jure, cioè uno standard formale legale adottato dalla ISO, i protocolli verranno definiti solo in un secondo momento. 27

28 TCP/IP e modello OSI a confronto (3) Poiché il modello OSI nacque prima dei relativi protocolli, successe che: il modello era, ed è tuttora, molto generale (punto a favore); vi era insufficiente esperienza nella progettazione dei livelli (punto a sfavore). Ad esempio: il livello data-link (pensato all'origine per linee punto-punto) ha dovuto sdoppiarsi per gestire reti broadcast; mancava del tutto l'idea di internetworking: si pensava ad una rete separata, gestita dallo stato, per ogni nazione 28

29 TCP/IP e modello OSI a confronto (4) I protocolli dell'architettura TCP/IP sono invece il punto di partenza del progetto, per cui: l'architettura è molto efficiente (punto a favore); il reference model non è generale, in quanto descrive solo questa particolare architettura (punto a sfavore); è difficile rimpiazzare i protocolli se necessario (punto a sfavore). 29

30 Limiti dei protocolli associati al modello OSI la definizione dei protocolli è arrivata tardi, quando quelli TCP/IP si erano già diffusi. infelici scelte tecnologiche: i sette livelli (e i relativi protocolli) sono stati dettati in realtà dalla architettura SNA dell' IBM, più che da considerazioni di progetto. Per cui il progetto soffre di vari difetti: grande complessità e conseguente difficoltà di implementazione; inutili i livelli session e presentation; non ottimali attribuzioni di funzioni ai vari livelli: alcune funzioni appaiono in molti livelli (es. controllo errore e flusso in tutti i livelli); altre funzioni mancano del tutto (ad es. sicurezza e gestione rete); le prime implementazioni erano lente ed inefficienti, mentre i protocolli dell'architettura TCP/IP invece sono stati implementati efficientemente fin dall'inizio, per cui si sono affermati sempre più, e quindi hanno goduto di un crescente supporto che li ha resi ancora migliori. 30

31 Limiti dell architettura TCP/IP l'architettura TCP/IP non ha utilità come modello (non serve ad altro che a descrivere se stessa); manca una distinzione fra protocolli, servizi e interfacce, il che rende più difficile l'evoluzione dell'architettura; alcune scelte di progetto cominciano a pesare (ad es., indirizzi IP a soli 16 bit). In conclusione: L OSI è ottimo come modello, mentre i suoi protocolli hanno avuto poco successo; Il TCP/IP è ottimo (per ora) come architettura di rete, ma inutile come modello di riferimento. 31

32 Esempi di architetture di rete: IPX/SPX IPX/SPX(Internet Packet Exchange/ Sequenced Packet Exchange) è uno stack di protocolli proprietario diffuso negli anni 80 perché usato dalle reti con sistema operativo Novell Netware. E' l'architettura di rete più diffusa nel mondo PC. E' precedente all OSI, e assomiglia molto al TCP/IP. IPX come Ip è un protocollo di rete che offre un servizio non connesso e non affidabile. SPX come TCP è un protocollo di trasporto che offre un servizio connesso e affidabile. Lo stack di protocolli IPX/SPX comprende quattro livelli funzionali: Accesso al mezzo (corrisponde al livello 1 OSI) Data link (corrisponde al livello 2 OSI) Internet (livelli 3 e 4 OSI) Applicazione (livelli 5, 6 e 7 OSI) 32

33 Esempi di architetture di rete: (2) IPX/SPX La pratica di avere un livello network best-effort e connectionless, e sopra esso un livello transport reliable e connected, è molto diffusa. Sono così anche: Appletalk e il TCP/IP. 33

34 Esempi di architetture di rete: (3) IPSX/SPX NCP protocollo principale di applicazione (Netware Core Protocol) che può usare SPX ma anche IPX; usato per la stampa, la condivisione di file e la posta elettronica. Altri protocolli a livello applicazione sono RIP e NLSP (protocolli di routing) e il protocollo SAP che trasmette in broadcast informazioni sui server disponibili, subito dopo che siano diventati attivi. Gli indirizzi IPX sono lunghi 10 byte e sono formati da un N di rete di 32 bit e da un N di nodo di 48 bit in dot notation e in esadecimale Es: 1a2b c4d.5e6d 34

35 Esempi di architetture di rete: Arpanet E l antenata del TCP/IP. Nacque a metà degli anni '60 (ai tempi della guerra fredda); il D.o.D. volle una rete robustissima anche in caso di catastrofi, in grado di non interrompere le connessioni in atto anche se alcune sue componenti fossero state distrutte. Si scelse quindi una rete a commutazione di pacchetto, formata dagli host e da una subnet di comunicazione costituita da vari IMP (Interface Message Processor) collegati da linee di trasmissione. Il software venne diviso in due parti: SW per gli host SW per la subnet (ossia per gli IMP) 35

36 Esempi di architetture di rete: Arpanet (2) Protocolli definiti per Arpanet: Host-IMP protocol; IMP-IMP protocol; Source IMP-destination IMP protocol. 36

37 Esempi di architetture di rete: Arpanet (3) Successivamente Arpanet si sviluppò incorporando altre reti, il che mostrò l'inadeguatezza dei protocolli originari rispetto alle problematiche di internetworking. Nacque di conseguenza, verso la metà degli anni '70, l'architettura TCP/IP, che il giorno 1/1/1983 divenne lo standard di Arpanet. TCP/IP fu poi mantenuta anche per l'evoluzione di Arpanet, NSFNET (metà degli anni '80), basata su linee da 56Kbps all'inizio e poi più veloci (1.5 Mbps nel 1990, 34 Mbps sulle linee principali oggi). Il continuo aggiungersi di reti, ad Arpanet prima e ad NSFNET poi, ha creato quella che oggi viene comunemente chiamata Internet, costituita da milioni di host e utilizzata da decine di milioni di utenti. Internet si raddoppia all'incirca ogni anno, ed ha suscitato grande interesse sia per i privati cittadini che per le aziende. 37

38 Esempi di architetture di rete: DECnet Phase V (DNA - DEC) DNA(Digital Network Architecture) è l architettura di rete proprietaria della DEC. Le realizzazioni sdelle reti DNA si chiamano DECnet, mentre le versioni sono le fasi (phases). DECnet Phase V è una versione totalmente conforme al Modello OSI. Per tale motivo è detta anche DECnet/OSI. 38

39 Esempi di architetture di rete: DECnet Phase V (2) Decnet ha costruito una piattaforma che comprendente i primi 3 livelli dell OSI, sulla quale possono appoggiarsi due diverse pile di protocolli: pila OSI; pila Decnet Phase IV(proprietaria). 39

40 Esempi di architetture di rete: Reti IBM (1) SNA (System Network Architecture) è una rete proprietaria della IBM. Si è diffusa verso la fine degli anni 70 per collegare terminali a mainframe. VTAM software di rete istallato sugli host SDLC protocollo usato sulle linee. 40

41 Esempi di architetture di rete: Reti IBM (2) APPN (Advanced Peer-to-Peer Networking) è l altra rete proprietaria della IBM per applicazioni Client/Server A livello di rete si usa un servizio connesso in cui l instradamento è stabilito al momento della creazione della connessione ed è fisso per tutta la durata della connessione (routing statico). HPR (High Performance Routing) (detta anche APPN+) introdotta nel 1994 implementa invece un routing dinamico. 41

42 Autorità per gli standard AUTORITA INTERNAZIONALI DI STANDARDIZZAZIONE ORGANIZZAZIONI SPONTANEE ORGANIZZAZIONI STABILITE CON CONTRATTI FRA GOVERNI NAZIONALI 42

43 Autorità per gli standard (2) Organismi più significativi per gli standard: Società telefoniche (si occupano di standard per la telecomunicazione) ITU (International Telecomunication Union) organismo internazionale con il compito di standardizzare le telecomunicazioni internazionali. ISO organizzazione volontaria delle Nazioni Unite che si occupa di stabilire standard internazionali in ogni campo, fuorché elettricità ed elettronica. 43

44 Autorità per gli standard (3) Altri organismi per gli standard: ANSI organizzazione privata che pubblixca standard volontari (non obbliga ad applicarli, anche se la non adesione ha conseguenze negative). E il rappresentante Usa dell ISO UNINFO rappresentante italiano dell ISO IEE organizzazione professionale mondiale, che si ocupa anche di standard per le reti IEC definisce standard internazionali per il campo dell elettronica JTC1 è formata da ISO IEC per definire standard per le tecnologie dell informazione 44

45 Organismi per gli standard per Internet (1) I.S. (Internet Society) organismo che dal 1992 sovrintende alle tecnologie della rete Internet All interno della IS troviamo vari gruppi: IAB gruppo tecnico consultivo che stabilisce gli standard per Internet Gestisce la pubblicazione degli RFC in base alle proposte di IETF e IRTF IETF si occupa di progetti a durata breve o media, come Applicazioni, Gestioni di rete, Servizi di Internet, Instradamento e Sicurezza IRTF si occupa di attività di ricerca a lungo termine come proposte di 45

46 RFC Gli RFC(request for comment) sono documenti che descrivono standard o proposte di standard. Tutti gli standard vengono pubblicati dalla IAB sottoforma di RFC. Chiunque può presentare una proposta di standard, purché sia pubblicata sottoforma di RFC. 46

47 RFC (2) Stadi del processo di maturazione degli RFC : una proposta di RFC viene esaminata dall IETF dopodiché può diventare proposed standard o restare in uno stadio sperimentale dopo almeno 6 msi può diventare draft standard dopo altri 4 mesi almeno può diventare uno standard Internet 47

48 RFC (3) Cosa succede ai vecchi protocolli quando subentra un nuovo standard? Diventano Historical protocol Le RFC sono identificate da un numero. Gli aggiornamenti di una RFC vengono pubblicati con un nuovo numero, mentre le RFC vecchie non vengono segnalate. Alcuni numeri risultano mancanti perché corrispondono a delle RFC che rimangono non pubblicate 48

49 RFC (4) CLASSIFICAZIONE DELLE RFC REQUIRED RFC Devono essere implementate da host e router su Internet RECOMMENDED RFC Solitamente implementate anche se non obbligatorie 49