Le reti di calcolatori

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Virgilio Corradini
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1 Moreno Marzolla Dipartimento di Informatica Scienza e Ingegneria (DISI) Università di Bologna

2 Copyright 2011, 2016, Moreno Marzolla This work is licensed under the Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 international (CC BY-SA 4.0) License. To view a copy of this license, visit or send a letter to Creative Commons, 543 Howard Street, 5th Floor, San Francisco, California, 94105, USA. 2

3 Ringraziamenti Prof. Gabriele D'Angelo, Università di Bologna 3

4 Rete di calcolatori E' un insieme di nodi collegati mediante mezzi di trasmissione dati che consentono lo scambio di informazioni 4

Reti a commutazione di circuito Le prime reti di comunicazione sono state le reti telefoniche Una chiamata telefonica stabilisce una connessione diretta tra chiamante e ricevente I sistemi telefonici

5 Reti a commutazione di circuito Le prime reti di comunicazione sono state le reti telefoniche Una chiamata telefonica stabilisce una connessione diretta tra chiamante e ricevente I sistemi telefonici (commutatori meccanici o elettronici) selezionano specifiche linee telefoniche, o circuiti, connessi in modo da creare un unico collegamento tra chiamante e ricevente Una volta che la linea è stata creata, i dati (voce) vengono trasmessi "JT Switchboard 770x540" by Joseph A. Carr Licensed under Attribution via Commons _770x540.jpg#/media/File:JT_Switchboard_770x540.jpg 5

6 Reti a commutazione di circuito Commutatore Chiamante Ricevente 6

7 Reti a commutazione di circuito Commutatore Chiamante Ricevente 7

8 Reti a commutazione di circuito Commutatore Chiamante Ricevente 8

9 Problemi La commutazione di circuito funziona bene per chiamate telefoniche Non funziona altrettanto bene per i dati Stabilire una connessione punto-punto per ogni coppia trasmittente-ricevente su reti di grandi dimensioni è complesso e poco efficiente Le linee dei commutatori rimangono impegnate durante l'intera durata della trasmissione Internet utilizza un meccanismo diverso, detto a commutazione di pacchetto 9

10 Commutazione di pacchetto I messaggi vengono suddivisi in pacchetti di dimensione fissata Ogni pacchetto viene instradato verso il destinatario, attraverso nodi intermedi Ogni nodo intermedio riceve un pacchetto e lo ritrasmette al nodo successivo (store-and-forward) Ciascun pacchetto puo' prendere strade diverse dagli altri Il destinatario riceve i pacchetti e li riassembla 10

11 Commutazione di pacchetto Mittente Destinatario Messaggio Nodo di instradamento (router) 11

12 Commutazione di pacchetto Mittente Destinatario Mes sa gg io Nodo di instradamento (router) 12

13 Commutazione di pacchetto sa io Mittente Destinatario Mes gg Nodo di instradamento (router) 13

14 Commutazione di pacchetto Mittente Destinatario Nodo di instradamento (router) Mes sa gg io 14

15 Commutazione di pacchetto Mittente Destinatario Nodo di instradamento (router) Messaggio 15

16 Vantaggi della commutazione di pacchetto Messaggi di grandi dimensioni vengono suddivisi in pacchetti più corti facilmente gestibili I pacchetti possono viaggiare su percorsi differenti, bilanciando il traffico sulla rete La ritrasmissione di un singolo pacchetto perso o danneggiato è preferibile alla ritrasmissione dell'intero messaggio 16

17 Problemi da risolvere Come faccio a identificare ogni nodo della rete? Come faccio a consentire a programmi diversi in esecuzione su nodi diversi di interagire tra loro? Cosa succede se qualche pacchetto viene perso? Cosa succede se qualche pacchetto viene duplicato? Cosa succede se i pacchetti arrivano al destinatario in ordine diverso dall'ordine di spedizione?... 17

18 Stack di protocolli A. S. Tanenbaum, Computer Networks, 18

19 Architettura TCP/IP Protocolli a livello applicazione TCP UDP IP Scheda di rete e relativo driver 19

20 Livello Hardware Protocolli a livello applicazione TCP UDP Gestisce la comunicazione tra due macchine collegate direttamente mediante un opportuno canale IP Scheda di rete e relativo driver Impulsi elettrici su filo di rame, impulsi luminosi su fibra ottica, onde radio... Problemi affrontati Come rappresento sequenze di bit con il segnale analogico? Come gestisco errori dovuti a interferenze o collisioni? 20

21 Livello Internet Protocolli a livello applicazione TCP UDP IP Scheda di rete e relativo driver Comunicazione orientata a pacchetti tra due nodi non necessariamente collegati direttamente Problemi affrontati: Instradamento (routing) Identificazione univoca dei nodi della rete 21

22 Livello Trasporto Protocolli a livello applicazione TCP UDP IP Scheda di rete e relativo driver Comunicazione affidabile ed efficiente basata su un flusso di byte tra processi (programmi in esecuzione) Problemi affrontati Gestione pacchetti persi / duplicati / riordinati durante il tragitto Identificazione di processi in esecuzione sullo stesso nodo 22

23 Livello Applicazione Protocolli a livello applicazione TCP UDP IP Protocolli di comunicazione utilizzati dalle applicazioni Scheda di rete e relativo driver SMTP/POP/IMAP (Posta Elettronica) HTTP (Web) Bittorrent... 23

24 IP Il protocollo IP definisce le regole di base per la comunicazione tra due nodi (host) connessi alla rete Comunicazione orientata a pacchetti Comunicazione non affidabile: i pacchetti (datagram) possono essere persi, duplicati, ecc. La comunicazione è tra due host (esempio, due PC). IP (da solo) non distingue tra applicazioni diverse in esecuzione sullo stesso host IP definisce le regole per l'instradamento dei pacchetti nella rete per l'uso di indirizzi univoci assegnati a ciascun nodo della rete 24

25 IP Mittente Destinatario Internet 1 Pacchetto fuori ordine Pacchetto duplicato Pacchetto perso 25

26 TCP Il protocollo TCP si basa su IP, e definisce meccanismi per realizzare una comunicazione affidabile ed efficiente tra due processi in esecuzione su due host Affidabile: pacchetti persi o danneggiati vengono ritrasmessi Efficiente: ridurre la congestione nei nodi intermedi TCP fornisce l'illusione di un canale di comunicazione (un tubo ) che collega due processi I dati arrivano nello stesso ordine con cui sono spediti Vengono corretti eventuali problemi legati a pacchetti IP persi o duplicati 26

27 P1 TCP Processo P2 P3 Host P6 P7 Internet P4 P8 P5 27

28 Gli indirizzi IPv4 Ogni nodo collegato alla rete si chiama host Gli indirizzi IPv4 sono composti da 4 blocchi; ogni blocco è un numero intero compreso tra 0 e 255 PC, smartphone, smart TV, router,... Es Quindi un indirizzo IPv4 puó essere codificato con 32 bit, suddivisi in 4 numeri di 8 bit Ciascun host collegato a Internet deve avere un indirizzo IP Domanda: quanti indirizzi IPv4 distinti possono esistere? 28

29 Risposta Al massimo = 232 = In realtà sono di meno, perché certi intervalli di indirizzi sono riservati Esempio: 10.x.x.x denota un indirizzo IPv4 privato, che non può identificare un host raggiungibile dalla rete Internet pubblica 29

30 Quale è il mio indirizzo IP? Usando Windows XP, File Programs Accessories Command Prompt All'interno della finestra che si apre, digitare ipconfig e premere Invio 30

31 Gli indirizzi IPv6 Gli indirizzi IPv4 stanno per finire... Per tale ragione è stato sviluppato un nuovo protocollo (IPv6) con un nuovo schema di numerazione Indirizzi di 16 byte = 128 bit Ci sono in tutto circa possibili indirizzi IPv6 Vuol dire indirizzi IPv6 per metro quadro terrestre, oceani inclusi! 31

32 I nomi di dominio Lavorare con i numeri può andare bene per i calcolatori, meno per gli utenti umani Per questa ragione, al posto dei numeri si usano i nomi di dominio Es.: corrisponde a Un nome di dominio è costituito da sequenze di caratteri separati da punti I nomi vengono tradotti in numeri da server chiamati Domain Name Server (DNS) 32

33 Tradurre nomi di dominio in indirizzi IP Si può usare il comando nslookup nome_host Esempio: A quale indirizzo IP corrisponde 33

34 DNS (MOLTO semplificato...) Il DNS funziona grazie a server logicamente organizzati ad albero Per risolvere un nome di dominio, si inizia interrogando un DNS alla radice dell'albero Ciascun DNS passa le richieste al di livello inferiore 35

35 DNS (MOLTO semplificato...) Root Nameserver Root Nameserver Root Nameserver.edu Nameserver.stanford.edu Nameserver.ucla.edu Nameserver.com Nameserver.mit.edu Nameserver.cs.unibo.it Nameserver.it Nameserver.unibo.it Nameserver.med.unibo.it LeNameserver reti di calcolatori.biz Nameserver.unive.it Nameserver 36

36 Esempio: risoluzione di

37 Esempio: risoluzione di

38 Esempio: risoluzione di

39 Esempio: risoluzione di

40 Esempio: risoluzione di

41 Esempio: risoluzione di

42 Banda e Latenza Banda Latenza Quantità di dati che possono essere trasferiti attraverso un canale di comunicazione in una unità di tempo Si misura in B/s (KB/s, MB/s, GB/s...) Tempo che passa dall'invio di un dato alla sua ricezione Si misura in secondi (millisecondi, ) Esempio Banda 512B/s Latenza 2s 43

Esempio Spediamo una microsd da 1GB (= 230 Byte = circa 1.000.

43 Esempio Spediamo una microsd da 1GB (= 230 Byte = circa di Byte) tramite piccione viaggiatore Un piccione viaggiatore, con buone condizioni meteo, riesce a viaggiare alla velocità di 70km/h Calcolare la latenza e la banda di un piccione viaggiatore che consegna 1GB a 140km di distanza 44

44 45

45 Domanda Mittente E' dato un canale con banda 1 MB/s (= B/s) e latenza 20 ms (= s) Vogliamo trasferire 100 KB (= B) Quanto tempo passa dall'inizio della trasmissione alla completa ricezione da parte del destinatario (x)? Destinatario a x b Tempo 47

46 Idee chiave Reti a commutazione di circuito vs reti a commutazione di pacchetto Stack di protocolli Indirizzi IP DNS Banda e latenza 62

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