Scienza dell informazione. Le prime reti telematiche

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1 Scienza dell informazione Scuola di Specializzazione in Fisica Medica Lezione 5 Le prime reti telematiche P. Mastroserio 1

2 INDICE Cenni storici I sistemi satellitari Il lancio dello Sputnik L agenzia ARPA Nascita dei protocolli TCP/IP Le prime reti a contesa La rete ALHOA Le reti a BUS (ethernet) Le reti ad anello (token ring, fddi) Le reti a contesa (CMSA/CD) Confronto tra algoritmi a contesa Il cablaggio di rete I coassiali I doppini I cavi in fibra ottica P. Mastroserio 2

3 Cenni storici P. Mastroserio 3

4 A proposito di satelliti artificiali, facciamo un passo indietro nel tempo il 4 ottobre 1957, in piena guerra fredda, l Unione Sovietica P. Mastroserio 4

5 effettuò il lancio dello SPUTNIK, il primo satellite al mondo messo in orbita attorno alla terra; viaggiando a una quota di 300 Km e a una velocità di 8 Km/s, rientrò sulla terra dopo 90 minuti P. Mastroserio 5

6 Orologi posti in campi gravitazionali di diversa intensità portano orari diversi (relatività generale) Se ci allontaniamo dalla terra il nostro peso diminuisce Va avanti! Km in altre parole il campo gravitazionale diminuisce man mano che ci allontaniamo dalla terra. Va indietro! Secondo Einstein un orologio a terra scandisce il tempo più lentamente di un orologio posto su un satellite artificiale P. Mastroserio 6

7 Un esempio quotidiano di dilatazione dei tempi: IL SISTEMA GPS (Global Positioning System) Il sistema GPS serve per individuare la posizione di un oggetto sulla terra (ad es. un automobile) Nasce da esigenze militari (USA) Utilizza 24 satelliti ad una quota di circa Km L Europa ha in progetto il sistema Galileo che metterà in orbita 30 satelliti (uso civile) Il GPS calcola le distanze utilizzando i tempi di trasmissione di onde elettromagnetiche tra l oggetto da individuare e i satelliti Se non si applicassero le correzioni relativistiche sulla dilatazione dei tempi il sistema sbaglierebbe l individuazione della posizione di centinaia di metri!!! P. Mastroserio 7

8 Domanda: ma cosa c entrano i fisici e la Fisica, la guerra fredda e i satelliti con Internet? Risposta: Ne hanno determinato la nascita! Raccontiamone la storia e le prospettive. P. Mastroserio 8

9 Le reazioni americane al lancio dello Sputnik da parte dei sovietici I problemi di spionaggio risalgono fino ai tempi di Giulio Cesare che usava un codice segreto per le comunicazioni fra le legioni durante la guerra gallica Il Dipartimento della Difesa americana mostrò l esigenza di una rete di computer di controllo e di comando per far fronte ad un eventuale guerra nucleare contro l Unione Sovietica. Le reti telematiche militari, fatte con i circuiti della telefonia tradizionale, venivano considerate troppo vulnerabili. P. Mastroserio 9

10 La rete ARPANET nel dicembre 1969 Nel 1958 nasce negli USA l agenzia ARPA (Advanced Research Project Agency) aveva il compito di fornire nuove ed avanzate tecnologie ai militari P. Mastroserio 10

11 La rete ARPANET nel 1971 P. Mastroserio 11

12 La rete ARPANET nel 1980 P. Mastroserio 12

13 L hardware di ARPANET Honeywell DDP-316 (RAM 12K parole di 16 bit) IMP - Interface Message processor Velocità di trasmissione tra IMP: 56 kbps P. Mastroserio 13

14 Primi collegamenti satellitari Dall interno di un camion, per le strade della California Londra un ricercatore si collegò via radio con il suo computer alla rete Arpanet e da questa, via satellite, si collegò con il suo calcolatore nella University College di Londra. P. Mastroserio 14

15 Nascita dei protocolli di Internet Gli studi sui collegamenti tra reti remote culminarono nel 1974 con la definizione ad opera di Kahn e Cerf dei protocolli TCP/IP Control Protocol/Internet Protocol) TCP/IP (Transfer TCP/IP Robert Kahn Cerf Insignito nel 2005 del premio Turing P. Mastroserio 15

16 Sviluppo di ARPANET dicembre nodi luglio nodi marzo nodi aprile nodi settembre nodi gennaio 1983 >200 nodi gennaio Oggi nel mondo abbiamo milioni di nodi! P. Mastroserio 16

17 Nel 1977 nasce la posta elettronica Dagli anni 60 fino alla fine degli anni 80 Internet fu praticamente un esclusiva dei dipartimenti scientifici delle università, impiegata da una ristretta cerchia di studiosi e ricercatori Nel 1977 a Los Angeles in California decollò lo strumento fondamentale che favorì la comunicazione di messaggi in tempo reale e a costi irrisori ad opera di Ray Tomlinson: la POSTA ELETTRONICA Oggi in Italia si spediscono 400 milioni di mail al giorno pari a circa 146 miliardi di mail all anno. Ray Tomlinson Agli inizi del 2005 è stata pubblicata una legge che conferisce valore legale alla Posta Elettronica P. Mastroserio 17

18 Strumenti di calcolo anni 70 Macchina calcolatrice Olivetti, faceva le quattro operazioni! P. Mastroserio 18

19 Anni 70: a che punto era la tecnologia? 1 Byte = 8 bit 1 bit memorie a nuclei di ferrite P. Mastroserio 19

20 Confronto tra le dimensioni delle memorie di ieri e di oggi Anni Byte = 1024 bit Nel 2004 Scheda di memoria da 4 GByte, pari a 32 Gbit, cm 13 cioè 32 miliardi di bit circa P. Mastroserio 20

21 Anni 70: a che punto era la tecnologia? Le schede perforate All epoca i terminali erano poco diffusi, i programmi venivano scritti, tramite macchine perforatrici, su schede che potevano contenere al massimo 80 caratteri In una seconda fase le schede venivano lette da appositi lettori ottici ed incamerate dal calcolatore P. Mastroserio 21

22 Un po di nomenclatura LAN: Local Area Network MAN: Metropolitan Area Network WAN: Wide Area Network P. Mastroserio 22

23 Nel 1983 MILNET, la rete militare USA, si stacca da ARPANET e nascono nuove reti NFSNET HEPNET BITNET EARN (mondo accademico USA) (fisici delle alte energie) (mainframe IBM) (mondo accademico europeo) P. Mastroserio 23

24 Le prime reti a contesa P. Mastroserio 24

25 Reti locali: prime reti a contesa nacquero negli anni 70 presso l Università delle Hawaii basate su sistemi radio, servivano per collegare le macchine dislocate sulle varie isole P. Mastroserio 25

26 ALOHA puro Ideato da Norman Abramson, i calcolatori iniziavano la trasmissione radio ogni qualvolta che avevano un messaggio da spedire senza controllare se altre stazioni stavano facendo altrettanto, in caso di collisione la trasmissione veniva ripetuta dopo un tempo di attesa casuale P. Mastroserio 26

27 ALOHA a slot Ideato da Roberts, prevedeva una macchina il cui compito era quello di fungere da orologio scandendo il tempo emettendo segnali radio ad intervalli (slot slot) regolari, tutti gli altri computer potevano trasmettere solo a partire dall inizio di un nuovo slot. Questo sistema forniva prestazioni doppie rispetto ad ALOHA puro. P. Mastroserio 27

28 La rete Ethernet Digital, Intel e Xerox produssero uno standard che diventerà la base dell ISO-IEEE IEEE P. Mastroserio 28

29 Evoluzione velocità di calcolo - Anni 70: un istruzione in 100 nanosecondi - oggi: un istruzione in 1 nanosecondo P. Mastroserio 29

30 Evoluzione velocità trasmissione dati Anni 70: collegamenti a 56 kbps Anni 90: collegamenti a 1 Gbps Oggi: collegamenti a 10 Gbps P. Mastroserio 30

31 Evoluzione velocità reti locali Token Ring Ethernet Token Ring 4 Mbps 10 Mbps 16 Mbps FDDI 100 Mbps Fast Ethernet 100 Mbps Gigabit Ethernet 1 Gbps Myrinet 2.5 Gbps e oltre Infiniband fino a 10 Gbps P. Mastroserio 31

32 Tipi di rete Reti diffusive (lan) Reti punto-punto (man, wan) P. Mastroserio 32

33 Reti locali (LAN) a bus P. Mastroserio 33

34 CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection) per un cavo coassiale di 1 km, il tempo di propagazione di un segnale elettrico è di circa 5µsec per rilevare un eventuale collisione bisogna attendere 10µsec questo intervallo di 10 micro-secondi viene chiamato slot di contesa P. Mastroserio 34

35 Confronto tra algoritmi a contesa P. Mastroserio 35

36 BINARY EXPONENTIAL BACKOF ALGORITHM n. collisioni i dopo slot di contesa i impossibile P. Mastroserio 36

37 EFFICIENZA DI UN CANALE A CONTESA Tempo trasmissione pacchetto Tempo trasmissione pacchetto + tempo contesa medio byte 512 byte 128 byte 64 byte P. Mastroserio 37

38 Reti ad anello Esempio di rete ad anello Rete ad anello che fa uso di un concentratore P. Mastroserio 38

39 La rete ad anello TOKEN RING ISO-IEEE IEEE token: sequenza precisa di bit il nodo restituisce il token: non deve trasmettere il nodo restituisce una propria sequenza per impossessarsi del mezzo trasmissivo quando la spedizione è terminata il nodo restituisce il token la stazione successiva acquisisce eventualmente il diritto di spedire non esiste contesa non esistono collisioni P. Mastroserio 39

40 La rete ad anello FDDI (ANSI X3T9.5 - Fiber Distributed Data Interface) velocità 100 Mbps può coprire distanze fino a 200 km può sostenere fino a 1000 stazioni viene usata anche come dorsale di altre reti utilizza sia fibre ottiche che cavo in rame fa uso ridondante di due anelli su un anello possono correre più pacchetti contemporaneamente P. Mastroserio 40

41 Le prime schede di rete Ethernet Thin (Bnc) Thick (AUI) UTP P. Mastroserio 41

42 La rete senza fili (wireless o wifi) Wireless Lan adapter P. Mastroserio 42

43 Le schede di rete Ethernet Hanno all interno un codice univoco (ethernet address o MAC address) d identificazione la cui numerazione è gestita a livello mondiale. Il MAC address è formato da sei byte e viene usato dai protocolli di rete al momento d impostare le informazioni identificative per instaurare una comunicazione. Questa univocità evita eventuali malfunzionamenti dovuti a calcolatori che si potrebbero dichiarare alla rete con lo stesso indirizzo fisico. P. Mastroserio 43

44 Il cablaggio di rete P. Mastroserio 44

45 Coassiali, doppini e fibre ottiche P. Mastroserio 45

46 Mezzi trasmissivi elettrici Dovendo trasportare il segnale in forma di energia elettrica, è necessario che il mezzo abbia le seguenti caratteristiche: massima la trasmissione dell'energia da un estremo all'altro; minima la dissipazione in altre forme (ad esempio calore, irradiazione elettromagnetica); la forma d'onda resti il più possibile inalterata. P. Mastroserio 46

47 Disturbi sui segnali Il conduttore che trasporta il segnale si comporta da antenna nei confronti dei campi elettromagnetici in cui è immerso e quindi si hanno: disturbi provenienti da altri conduttori disturbi provenienti da impianti elettrici disturbi provenienti da trasmissioni radio e TV, ecc. P. Mastroserio 47

48 Il coassiale Il foglio o la calza metallica che avvolge il cavo coassiale svolge la triplice funzione di: conduttore per il ritorno della corrente del segnale riferimento di tensione gabbia di Faraday, cioè schermatura, per il conduttore interno P. Mastroserio 48

49 La rete a BUS P. Mastroserio 49

50 Considerazioni sui coassiali Rispetto al 10Base5 il 10Base2 ha il vantaggio di essere più maneggevole ma ha lo svantaggio di poter gestire un numero inferiore di attacchi. Dei coassiali è difficile l individuazione di eventuali rotture sul cavo. Una tecnica nota come riflessometria a dominio di tempo consente l individuazione di interruzioni sul cavo cronometrando l intervallo tra la spedizione di un impulso e il suo ritorno. P. Mastroserio 50

51 I doppini P. Mastroserio 51

52 Connessione al Cavo Giallo Confrontiamo il vecchio e grosso Tranceiver con l attuale e minuscolo connettore RJ45 Scheda Ethernet P. Mastroserio 52

53 Trasmissione bilanciata La tecnica alternativa alla trasmissione sbilanciata è la trasmissione bilanciata (differential mode). Essa consiste nell'utilizzare due conduttori perfettamente simmetrici (detti "coppia"), sui quali viene inviato lo stesso segnale elettrico, ma in opposizione di fase. P. Mastroserio 53

54 Vantaggi della trasmissione bilanciata Il vantaggio rispetto alla trasmissione sbilanciata consiste nell'assenza della tensione di riferimento che deve essere identica per ricevitore e trasmettitore. Nella trasmissione bilanciata, il segnale è ricostruito per differenza delle tensioni presenti sui due conduttori della coppia. P. Mastroserio 54

55 Trasmissione bilanciata La perfetta simmetria potrebbe essere raggiunta soltanto se i due conduttori coincidessero, cosa irrealizzabile per il limite minimo nelle dimensioni fisiche e per la necessità di interporre fra essi del materiale isolante, ma può essere approssimata ritorcendo i due conduttori. P. Mastroserio 55

56 Il doppino ritorto (twisted pair, TP) P. Mastroserio 56

57 Velocità di propagazione di un segnale elettrico La velocità della luce nel vuoto è di circa Km/s. Per i cavi in rame la velocità di un segnale elettrico è di circa Km/s. P. Mastroserio 57

58 I doppini Il doppino è il mezzo trasmissivo classico della telefonia e consiste in due fili di rame ricoperti da una guaina isolante e ritorti (o "binati" o "twisted") detti comunemente "coppia" (pair, in inglese, da cui twisted pair o TP). P. Mastroserio 58

59 Categorie doppini La categoria 1 (Telecommunication) comprende i cavi adatti unicamente a telefonia analogica. La categoria 2 (Low Speed Data) comprende i cavi per telefonia analogica e digitale (ISDN) e trasmissione dati a bassa velocità (per esempio linee seriali). La categoria 3 (High Speed Data) è la prima categoria di cavi adatti a realizzare reti locali fino a 10 Mb/s, in particolare per soddisfare gli standard 10BaseT di e Token-Ring a 4Mb/s Mb/s. La categoria 4 (Low Loss, High Performance Data) comprende i cavi per LAN Token- Ring fino a 16 Mb/s. La categoria 5 (Low Loss, Extended Frequency, High Performance Data) comprende i migliori cavi disponibili, per applicazioni fino a 100 Mb/s, su distanze di 100 metri La categoria 5E migliora le prestazioni dei cavi in categoria 5. La categoria 6 categoria 5E. ratificata il 5 giugno 2003, raddoppia le prestazioni dei cavi di P. Mastroserio 59

60 Doppini di nuova generazione Sul mercato sono attualmente presenti molti cavi omologati in categoria 5 o superiore (Cat. 5 E). I connettori che si attestano ai doppini si chiamano RJ45 P. Mastroserio 60

61 Le fibre ottiche P. Mastroserio 61

62 Nascita delle fibre ottiche Per lo sfruttamento delle fibre ottiche, i primi cavi sono diventati operativi tra il 1973 e il La fine degli anni ottanta ha segnato la maturità delle fibre ottiche, e a partire dall'inizio degli anni novanta esse sono state impiegate anche per le reti locali. P. Mastroserio 62

63 Caratteristiche delle fibre ottiche Il vetro, se stirato a dimensioni micrometriche, perde la sua caratteristica di fragilità e diventa un filo flessibile e robusto. P. Mastroserio 63

64 Le fibre ottiche Una fibra ottica si presenta come un sottile filo di materiale vetroso costituito da due parti: la più interna prende il nome di nucleo (core), e l'esterna di mantello (cladding) P. Mastroserio 64

65 Core e Cladding Il core ed il cladding hanno indici di rifrazione diversi, ed il primo è più denso del secondo. La differenza negli indici di rifrazione determina la possibilità di mantenere la luce totalmente confinata all'interno del core. P. Mastroserio 65

66 I vantaggi delle fibre ottiche Il grande successo delle fibre ottiche è dovuto a diversi fattori tra cui: totale immunità da disturbi elettromagnetici, non impiegando materiali conduttori, e trasportando particelle (fotoni) elettricamente neutre; alta capacità trasmissiva; bassa attenuazione: alcuni decimi di db/km; dimensioni ridottissime. P. Mastroserio 66

67 Gli svantaggi delle fibre ottiche Per contro, le fibre ottiche sono unicamente adatte a collegamenti punto-punto, punto, non essendo possibile prelevare o inserire il segnale in un punto intermedio, cosa invece possibile con mezzi trasmissivi elettrici. P. Mastroserio 67

68 Le fibre ottiche Perché fra il core e il cladding avvenga la riflessione totale dei raggi luminosi è necessario che essi siano introdotti ad una estremità ottica entro un certo angolo di accettazione della fibra Tanto maggiore sarà l'angolo di accettazione tanto più alta sarà la quantità di luce che si riesce ad introdurre. P. Mastroserio 68

69 Le fibre ottiche P. Mastroserio 69

70 Le fibre ottiche Le fibre multimodali si dividono, a seconda del profilo radiale dell'indice di rifrazione, in: fibre step-index fibre graded-index P. Mastroserio 70

71 Le fibre ottiche Le fibre step-index sono caratterizzate da un indice di rifrazione costante fra il centro e la periferia del core. L indice di rifrazione decresce bruscamente con un gradino (step) entrando nel cladding. P. Mastroserio 71

72 Le fibre ottiche Nelle fibre ottiche a profilo d'indice graduale o graded-index, il profilo d'indice di rifrazione varia gradualmente lungo il diametro della fibra, passando da un valore massimo al centro del core e decrescendo gradualmente sino ad assumere un valore minimo al confine fra core e cladding. P. Mastroserio 72

73 Le fibre ottiche Il fenomeno della dispersione modale è molto più accentuato nelle fibre step-index rispetto alle fibre graded-index. P. Mastroserio 73

74 Le fibre ottiche La soluzione definitiva al problema della dispersione modale è quella di ridurre fortemente (fino a 8-10 µm) la dimensione del core, per consentire la propagazione dei raggi di un solo modo Si ottengono così fibre con cono di accettazione molto ridotto, dette monomodali, nelle quali la fibra ottica si comporta come una guida d'onda ammettendo una sola modalità propagativa. P. Mastroserio 74

75 Le fibre ottiche Bisogna tenere in considerazione la dispersione cromatica, dovuta alla presenza di raggi a diversa lunghezza d'onda (e quindi di diversi colori, trattandosi di luce); per questo, mentre sulle fibre multimodali si può trasmettere mediante normali LED (ad ampio spettro di emissione), P. Mastroserio 75

76 Le fibre ottiche in quelle monomodali occorre utilizzare dei laser, più sofisticati e costosi, ma più precisi (con emissione di luce monocromatica e coerente). Evitando le dispersioni multimodale e cromatica si può trasmettere a velocità superiori e su distanze più lunghe. P. Mastroserio 76

77 Confronto tra fibre Monomodale Core 8 10 µm (9 in uso) µm Cladding 125 µm 125 µm Multimodale distanze Oltre 500 m Fino a 500 m Connettoriz- Costosa, non richiede Economica, necessaria zazione professionalità professionalità Altre caratteristiche: Armature Antiroditore Certificazioni (riflettometri) P. Mastroserio 77