Tecnologie per la Comunicazione Aziendale

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1 Tecnologie per la Comunicazione Aziendale Flavio De Paoli AA Livello applicativo Abbiamo visto: Aspetti concettuali/ implementativi dei protocolli applicativi Paradigma client server Modelli dei servizi (cenni) Esempi di applicazioni: Protocolli specifici: http ftp smtp pop dns 2: Application Layer 2

2 Applicazioni e protocolli applicativi Applicazione: processi ditribuiti in comunicazione In esecuzione su host remoti Si scambiano messaggi per eseguire l applicazione Es., posta, FTP, WWW Protocolli applicativi Costituiscono una parte di ogni applicazione Definiscono il formato dei messaggi scambiati e il loro significato (azioni) Usano i servizi degli strati inferiori data data data 2: Application Layer 3 Applicazioni: terminologia essenziale Un processo è un programma in esecuzione su un host Sullo stesso host i processi comunicano mediante meccanismi definiti dal SO. Processi in esecuzione su host diversi comunicano mediante meccanismi definiti dal protocollo dello strato di applicazione ( layer protocol) Un agente utente (user agent) è un interfaccia tra l utente e l applicazione di rete. Browser Web lettore di posta streaming audio/video: lettore di file audio/video 2: Application Layer 4

3 Network edge: end system (hosts): eseguono applicazioni es., WWW, edge of modello client/server client host requests, receives service from server e.g., WWW client (browser)/ server; client/server modello peer-to-peer : interazione simmetrica tra host es.: teleconferenza, Gnutella 1: Introduction 5 Network edge: servizio orientato alla connessione Obiettivo: trasferire dati tra host. handshaking: scambio di informazione di controllo prima della comunicazione Hello, hello ( protocollo umano) viene creato un canale virtuale, cioè uno stato nei due host che comunicano TCP - Transmission Control Protocol Orientato alla connessione Scompone i messaggi in pacchetti Servizio TCP [RFC 793] trasferimento affidabile (reliable) di flussi di byte perdita: conferma (acknowledgement) e ritrasmissioni ordine: numerazione dei pacchetti e scarto dei duplicati controllo di flusso (flow control): il sender rallenta/accelera gli invii al receiver Controllo della congestione (congestion control): il ritmo (rate) di trasmissione diminuisce se la rete è congestionata 6

4 Network edge: servizio connectionless Obiettivo: trasferimento dati tra host Lo stesso di prima! UDP - User Datagram Protocol [RFC 768]: il servizio connectionless di Internet trasferimento dati non affidabile senza controllo di flusso senza controllo della congestione Applicazioni che usano TCP: HTTP (WWW), FTP (file transfer), Telnet (remote login), SMTP ( ) Applicazioni che usano UDP: streaming audio/video teleconferenza, telefonia su Internet 1: Introduction 7 Protocolli di livello applicativo: servizi dagli strati inferiori e identificazione API: Application Programming Interface Definisce l interfaccia tra applicazione e strato di trasporto Socket: API Internet Due processi (applicazione nel modello client server) comunicano inviando/leggendo dati nel/dal socket D: come può un processo identificare quello con cui intende comunicare? Indirizzo IP dell host su cui l altro processo è in esecuzione Numero di porta (port number) permette all host ricevente di identificare il processo locale destinatario del messaggio 2: Application Layer 8

5 Socket: funzionamento di base Programmatore Sistema operativo processo socket TCP con buffer e variabili Internet processo socket TCP con buffer e variabili Programmatore Sistema operativo host o server host o server 2: Application Layer 9 Client e server TCP/IP Connessione TCP via socket 2: Application Layer 10

6 Funzioni per TCP/IP Funzioni per TCP/IP

7 Processi e socket socket socket-bind connect accept ClientProcess write-read read-write ServerProcess 2: Application Layer 13 Funzionamento dei servizi offerti dai protocolli di trasporto Internet Servizio UDP: Scompone i messaggi in pacchetti Li invia, uno per volta, ai servizi Servizio TCP: Scompone e invia come UDP Ogni pacchetto viene numerato per garantire Riordinamento dei pacchetti arrivati Controllo delle duplicazioni (scarto dei pacchetti con ugual numero d ordine) Controllo delle perdite (richiesta dei pacchetti mancanti) 2: Application Layer 14

8 Sintesi dei servizi offerti dai protocolli di trasporto Internet Servizio TCP : Orientato alla connessione: richiesto setup tra client e server Trasporto affidabile (reliable transfer) tra processi mittente e ricevente Controllo di flusso) flow control: il mittente rallenta per non sommergere il ricevente Controllo della congestione (congestion control): il mittente rallenta quando la rete è sovraccarica Non offre: garanzie di banda e ritardo minimi Servizio UDP : Trasporto non affidabile tra processi mittente e ricevente Non offre: connessione, affidabilità, controllo di flusso, controllo di congestione, garanzie di ritardo e banda D: perché esiste UDP? Può essere conveniente per le applicazioni (si vedrà più avanti) 2: Application Layer 15 Requisiti delle applicazioni Perdita (Data loss) Alcune app.ni (es., audio) sono tolleranti (fino a un certo punto) Altre (es., FTP, telnet) richiedono affidabilità totale Banda Alcune app.ni (soprattutto multimediali) richiedono una banda minima Altre (dette elastiche ) usano la banda a disposizione Ritardo Alcune applicazioni (es., telefonia Internet, giochi interattivi in rete) richiedono una banda minima per funzionare con qualità sufficiente Nota: alcuni requisiti sono determinati da esigenze percettive umane (es. ritardo nella telefonia Internet) 2: Application Layer 16

9 Requisiti per il servizio di trasposrto per alcune applicazioni comuni Application Data loss Bandwidth Time Sensitive file transfer Web documents real-time audio/video stored audio/video interactive games financial apps no loss no loss loss-tolerant loss-tolerant loss-tolerant loss-tolerant no loss elastic elastic elastic audio: 5Kb-1Mb video:10kb-5mb same as above few Kbps up elastic no no no yes, 100 s msec yes, few secs yes, 100 s msec yes and no 2: Application Layer 17 Applicazioni Internet: loro protocolli e protocollo di o usato Applicazione remote terminal access Web file transfer streaming multimedia remote file server Internet telephony Protocollo applicativo smtp [RFC 821] telnet [RFC 854] http [RFC 2068] ftp [RFC 959] proprietario (es. RealNetworks) NFS proprietary (e.g., Vocaltec) Protocollo di trasporto usato TCP TCP TCP TCP TCP o UDP TCP o UDP tipicamente UDP 2: Application Layer 18

10 Stratificazione protocollare (Protocol Layering ) Le reti sono complesse! Molti elementi: host router fisici dalle caratteristiche diverse applicazioni protocolli hardware, software Domanda: Come organizzare la struttura della rete? O almeno la sua discussione? 1: Introduction 19 Esempio di stratificazione: servizio postale Lettera (consegna) Controllo destinazione (ufficio postale di origine) Consegna a corriere Consegna a dest. Controllo destinazione (uff. postale di dest.) Consegna a ufficio di destinazione Spedizione effettiva Una sequenza di passi 1: Introduction 20

11 Servizio postale: una prospettiva diversa Sorgente Lettera (consegna) Controllo destinazione (consegna a corriere) Corriere Destinazione Lettera (cons. a dest.) Controllo destinazione (ric. da corriere) Corriere (consegna) Trasporto (aereo, treno...) Strati: ogni strato implementa un servizio Mediante funzionalità interne Usando i servizi messi a disposizione dagli strati inferiori 1: Introduction 21 Stratificazione del servizio postale Consegna da mittente a destinatario Consegna da ufficio postale sorgente a ufficio postale di destinazione Trasferimento da sede locale a sede destinazione del corriere Trasporto 1: Introduction 22

12 Perché la stratificazione? I sistemi sono complessi: La stratificazione permette una più facile organizzazione e individuazione delle funzionalità La modularità facilita la manutenzione e la modifica dei sistemi La modifica dell implementazione dei servizi resi da uno strato è trasparente (non si modifica l interfaccia) Es., cambiare il corriere non altera il funzionamento complessivo del servizio postale 1: Introduction 23 La stratificazione di Internet : supporto per le applicazioni di rete ftp, smtp, http : trasferimento dati end-to-end tcp, udp : trasferimento di datagrammi da sorgente a destinazione (host-tohost) ip, routing protocols : trasferimento di dati tra elementi di rete adiacenti ppp, ethernet : bit sul cavo 1: Introduction 24

13 Stratificazione: comunicazione logica Ogni strato: distribuito entità implementano le funzionalità di strato in ogni nodo Le entità eseguono azioni e scambiano messaggi con le entità pari (peer entities) 1: Introduction 25 Layering: logical communication Es.: Preleva dati da app. Indirizzamento, crea datagramma Invia il datagramma all entità pari del lato destinazione Attendi che il peer confermi il ricevimento analogia: ufficio postale data data ack data 1: Introduction 26

14 Layering: communication data data 1: Introduction 27 Stratificazione e dati Ogni strato riceve dati dallo strato superiore Aggiunge header e crea nuova unità dati Passa nuova unità dati a strato inferiore source destination Ht HnHt H l HnHt M M M M Ht HnHt H l HnHt M M M M message segment datagram frame 1: Introduction 28

15 Il funzionamento del core della rete Network Core Rete di router interconnessi Questione fondamentale : come avviene il trasferimento dei dati? circuit switching: circuito dedicato per ogni connessione: rete telefonica packet-switching: i dati sono trasferiti a blocchi, non viene preallocato un circuito 1: Introduction 30

16 Network Core: Circuit Switching Pre-allocazione di risorse end-to-end per chiamata Banda dei, capacità degli switch Risorse dedicate : nessuna condivisione Prestazioni garantite per ogni connessione Ogni chiamata richiede una fase di instaurazione 1: Introduction 31 Network Core: Circuit Switching Le risorse di rete non sono condivise divisione della banda in pezzi divisione di frequenza divisione di tempo la risorsa non usata (idle) dalla chiamata a cui è allocata è sprecata 1: Introduction 32

17 Network Core: Packet Switching ogni messaggio è diviso in pacchetti (packets) i pacchetti di piu utenti condividono le risorse ogni pacchetto usa tutta la banda le risorse sono usate quando servono contesa per le risorse: congestione: possibilità di eccedere la capacità; i pacchetti sono in coda store and forward (memorizza e inoltra) : i pacchetti si muovono un salto alla volta 1. Attraversa un 2. Aspetta il turno al prossimo Trasmissione in ordine di arrivo 1: Introduction 33 Network Core: Packet Switching A 10 Mbs Ethernet multiplexing statistico C B 1.5 Mbs Coda di pacchetti in attesa sul di uscita 45 Mbs D E 1: Introduction 34

18 Network Core: Packet Switching Esempio Messaggio di 7.5 Mbit Suddivisione in 5000 pacchetti da 1.5 Kbit Capacità dei : 1.5 Mbps Tempi di processamento nei router trascurabili Esercizio: calcolare tempo di trasferimento se il messaggio non fosse diviso Attenzione: 1 Mbit=1000 Kbit!! 1: Introduction 35 Packet switching versus circuit switching Packet switching permette a più utenti di usare la rete! Link da 1 Mbit/s Per ogni utente: 100Kbps se attivo attivo 10% del tempo circuit-switching: Max. 10 utenti attivi packet switching: con 35 utenti, Prob > 10 utenti attivi <.004 N utenti da 1 Mbps 1: Introduction 36

19 Packet switching versus circuit switching Ottimo per dati a raffica (bursty) Condivisione di risorse Nessuna instaurazione di chiamata MA: Possibilità di congestione: ritardo e perdita di pacchetti Servono protocolli per il trasporto affidabile e per gestire la congestione Come ottenere un comportamento di tipo circuit switched? Problema aperto (cap. 6) 1: Introduction 37 Packet-switched s: instradamento (routing) Obiettivo: trasferire i pacchetti da sorgente a destinazione seguendo un cammino nella rete Molti algoritmi di selezione dei cammini (cap. 4) Reti a datagramma (datagram s): Prossimo salto (hop) determinato dall indirizzo di destinazione Il percorso può mutare nel corso della sessione analogia: servizio postale Reti a circuito virtuale (virtual circuit s): Ogni pacchetto contiene un identificatore che detetmina il prossimo salto Il cammino è fissato una volta per tutte in fase di instaurazione I router attraversati mantengono informazione su ogni chiamata Attenzione: circuito virtuale e circuit switching sono diversi!! 1: Introduction 38

20 Utenze domestiche Reti di istituzioni (università, aziende) Reti mobili Aspetti importanti: banda (bit al secondo) della rete di accesso Condivisa o dedicata? Reti di accesso 1: Introduction 39 Residential access: point to point access Modem Fino a 56Kbps, accesso diretto al router (conversione D/A A/D) ISDN: integrated services digital : 128Kbps fino al router (digitale) ADSL: asymmetric digital subscriber line Capacità maggiori 1: Introduction 40

21 Istituzioni: reti locali Rete locale (LAN) che connette end system a edge router Ethernet: Cavo condiviso che connette sistemi terminali a un router 10 Mbs, 100Mbps, Gigabit Ethernet 1: Introduction 41 Reti di accesso wireless Connettono sistemi terminali a un router mediante un mezzo condiviso wireless LAN: Collegamento radio al posto del cavo es., Lucent Wavelan 10 Mbps Accesso wireless su aree più vaste Es. CDPD (Cellular Digital Packet Data): accesso wireless a router di ISP attraverso una rete cellulare router Punto di accesso Terminali mobili 1: Introduction 42

22 Physical Media Bit: propagato tra le coppie trasmettitore/ ricevente : cio che connette trasmettitore e ricevente guided media: I segnali si propagano in media solidi: rame, fibra ottica, cavo coassiale unguided media: I segnali si propagano liberamente, e.g., radio Doppino telefonico Twisted Pair (TP) Due fili di rame isolati Categoria 3: cavo telefonico tradizionale, 10 Mbps Ethernet Categoria 5: 100Mbps Ethernet 1: Introduction 43 Physical Media: coax, fiber Coaxial cable: Due conduttori concentrici in rame bidirezionale Banda fissa: Cavi a canale singolo legacy Ethernet Broadband (banda larga): Cavi a canale multiplo HFC Fiber optic cable: Fibra ottica che conduce impulsi luminosi, ogni impulso e un bit Alata velocita operativa: high-speed point-to-point transmission (e.g., 10 s-100 s Gps) Bassa probabilita di errore: ripetitori molto lontani; immune da rumore electromagnetico 1: Introduction 44

23 Physical media: radio Signale trasmesso nello spettro elettromagnetico no wire cavo fisico bidirezionale Effetti di propagazione nell ambiente: riflessione ostacolato dagli oggetti interferenze Radio types: terrestrial microwave e.g. up to 45 Mbps channels LAN (e.g., Wifi) 2Mbps, 11Mbps, 54 Mbps wide-area (e.g., cellular) e.g. 3G: hundreds of kbps satellite Kbps to 45Mbps channel (or multiple smaller channels) 270 msec end-end delay geosynchronous versus low altitude 1: Introduction 45 Ritardo di trasferimento nelle reti a pacchetto Quattro sorgenti di ritardo ad ogni salto A Trasmissione 1. Processamento al nodo: Correzione di errore sui bit calcolo di uscita 2. Attesa in coda Propagazione Attesa per la trasmissione Dipende dalla congestione nel router B Elaborazione nel nodo Accodamento 1: Introduction 46

24 Ritardo di trasferimento nelle reti a pacchetto (2) 3. Ritardo di trasmissione A R= banda sul (bps) L=lunghezza pacchetto (bit) Tempo per trasmettere pacchetto sul = L/R Trasmissione 4. Ritardo di propagazione: Propagazione d = lunghezza fisico s = vel. propagazione nel mezzo (~2x10 8 m/ sec) Ritardo di propagazione nel mezzo = d/s Attenzione: 3 e 4 sono quantità diverse! B Elaborazione nel nodo Accodamaento 1: Introduction 47 Ritardo di coda nelle reti a pacchetto (3) R=banda del (bps) L=lungh. pacchetto (bit) a=frequenza (rate) di arrivo dei pacchetti (packets/sec) Intensità del traffico = La/R La/R ~ 0: ritardo medio di coda piccolo La/R -> 1: ritardo medio di coda grande La/R > 1: più pacchetti di quanti possano essere smaltiti, il tempo di attesa in coda tende a divenire infinito! (in realtà perdita) 1: Introduction 48