RETI INTERNET MULTIMEDIALI Lucidi delle Lezioni - Capitolo I
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1 Prof. Giuseppe F. Rossi UNIVERSITA' DEGLI STUDI DI BERGAMO A.A. 2016/17 - II Semestre RETI INTERNET MULTIMEDIALI Lucidi delle Lezioni - Capitolo I Struttura del capitolo WARNING! IL PRESENTE CAPITOLO HA SOLO L'OBIETTIVO DI RICHIAMARE PER SOMMI CAPI ALCUNI CONCETTI FONDAMENTALI RIGUARDANTI LE RETI A COMMUTAZIONE DI PACCHETTO TALI CONCETTI COSTITUISCONO UN PREREQUISITO PER AFFRONTARE I TEMI TRATTATI NELL'INSEGNAMENTO DI RETI INTERNET MULTIMEDIALI PER COLMARE EVENTUALI LACUNE SI CONSIGLIA (VIVAMENTE!) DI CONSULTARE LE SLIDE DEL CORSO DI FONDAMENTI DI RETI E TELECOMUNICAZIONI Capitolo I 1-2/38 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,
2 Le reti di TLC Una rete di telecomunicazione (rete di TLC) è definibile come un'insieme di nodi (nodi intermedi e nodi finali), canali trasmissivi e procedure mediante le quali due o più dispositivi d'utente possono scambiarsi delle informazioni La dorsale che mette in comunicazione i dispositivi d'utente fornisce a questi ultimi una serie servizi di telecomunicazione attraverso quella che prende il nome di interfaccia utente-rete Tipo di informazione scambiata Suoni (Voce, Musica,... ) Dati (Testi,... ) Immagini... Problematiche generali nelle reti di TLC Sia data una generica rete di TLC -system mittente e end-system destinatario in generale non sono direttamente connessi da un canale di trasmissione, quindi per comunicare può risultare necessario 'attraversare' alcuni nodi intermedi Dorsale (o Backbone) Capitolo I 3-4/38 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,
3 Problematiche generali nelle reti di TLC Instradamento & Commutazione Quando un flusso comunicativo entra nella rete sorgono 2 problematiche fondamentali Decidere il percorso che deve essere seguito dal flusso comunicativo attraverso i nodi intermedi per giungere al destinatario Questa operazione prende il nome di instradamento (o routing) L'instradamento può essere eseguito seguendo i più svariati criteri di scelta (es. percorso più corto, percorso più libero, 1 percorso disponibile scelto a caso,... ) Procedere all'inoltro del traffico sul percorso scelto Questa operazione prende il nome di commutazione (o switching o talvolta anche forwarding) In una rete di TLC la commutazione viene effettuata da tutti i nodi intermedi che formano il percorso da seguire (eccetto evidentemente il nodo destinatario) Problemi generali nelle reti di TLC L'operazione di commutazione (switching) Commutazione (switching) da parte di un nodo di rete Trasferimento di 1 flusso comunicativo verso 1 o più canali di uscita E' un'operazione effettuata da tutti i nodi intermedi del percorso mittente-destinatario Canale Canale Canale Canale Canale Canale Canale Capitolo I 5-6/38 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,
4 Studio del sistema rete di TLC Si consideri una rete di TLC (di qualunque tipo). Come visto in precedenza, essa é formata da 2 elementi fondamentali Nodi -system: sorgente o destinatario della comunicazione Intemedio: né sorgente né destinatario della comunicazione (viene 'attraversato') Canali di trasmissione, chiamati spesso anche link, di vario tipo (si veda più avanti) Una rete di TLC può essere studiata tramite l'analisi di varie caratteristiche Servizio di comunicazione offerto (sperimentabile "ai morsetti esterni" dagli end-system) Topologie... Studio del sistema rete di TLC Un'approccio interessante consiste nello studiare una rete di TLC come sistema (semplice o complesso) che interconnette tra loro i vari end-system Tale sistema complesso può essere visto come formato dall'unione di sistemi più semplici che quindi possono essere chiamati sotto-sistemi Ogni sotto-sistema componente può eventualmente a sua volta essere visto come formato dall'unione di ulteriori sotto-sotto-sistemi ancor più semplici per giungere quindi fino ai sistemi più elementari: i canali di trasmissione I nodi intermedi svolgono pertanto il ruolo di dispositivi per l'interconnessione tra i vari sottosistemi che formano un sistema rete di TLC Sistema Rete di TLC Capitolo I 7-8/38 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,
5 Studio del sistema rete di TLC Esempi di sistemi componenti un sistema rete di TLC Il sistema elementare canale di trasmissione Dorsale Un sistema complesso Sistema formato dall'interconnessione di 2 sistemi elementari Studio del sistema rete di TLC Esempi di sistemi componenti un sistema rete di TLC (cont.) Un sistema molto complesso formato dall'interconnessione di più sistemi (semplici e complessi) Dorsale Dorsale Capitolo I 9-10/38 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,
6 Le 2 fondamentali tipologie di reti di TLC I concetti finora esposti fondamentalmente si possono applicare a qualunque tipo di rete di TLC Tuttavia le reti di TLC si dividono in 2 grosse famiglie in funzione del principio utilizzato dai nodi intermedi per effettuare la commutazione dei flussi comunicativi Reti a commutazione di circuito E' il principio di funzionamento delle tradizionali reti telefoniche E' il principio di funzionamento delle reti di calcolatori (cioè le reti in cui calcolatori end-system possono comunicare tra loro attraversando una dorsale di calcolatori intermedi) Esempio: la rete Internet Commutazione di circuito Principio Dato un nodo intermedio, il flusso comunicativo oggetto di commutazione è univocamente identificato dal canale di ingresso da cui proviene L'intero contenuto di un canale in ingresso viene commutato su un (riservato) canale d'uscita Circuito attivo tra 2 end-system: sequenza di associazioni tra canale in ingresso e canale in uscita (ai "morsetti esterni" il circuito equivale ad un canale punto-a-punto) di accesso Fascio di N canali di accesso di accesso Capitolo I 11-12/38 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,
7 Commutazione di circuito L'attivazione dei circuiti Circuiti dedicati o permanenti Il circuito è permanentemente attivo Circuiti attivati su base richiesta Il circuito viene attivato su richiesta di un end-system In questo caso sono necessarie delle procedure di segnalazione per l'instaurazione (circuit setup) e l'abbattimento (circuit termination) del circuito Segnalazione tra end_system e nodo_di_accesso Segnalazione tra nodo_intermedio e nodo_intermedio Commutazione di Principio Le reti di TLC a commutazione di forniscono un servizio di trasferimento per sequenze numeriche (bit) tra gli end-system PRINCIPIO L'end-system mittente genera sequenze di simboli che prendono il nome di pacchetti Ogni, in base al suo contenuto, viene inviato dal mittente ad un nodo d'accesso alla rete a commutazione di (che è anche il 1 nodo intermedio) Il 1 nodo intermedio, a sua volta analizzando il contenuto del, procede alla trasmissione di quest'ultimo verso il 2 nodo intermedio L'uso di una struttura funzionale/protocollare a strati (architettura di comunicazione a strati) permette di analizzare solo una porzione (header) del Il processo di ritrasmissione (commutazione o forwarding del ) da parte dei nodi intermedi permette al di raggiungere l'end-system destinatario Capitolo I 13-14/38 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,
8 Commutazione di Principio Il principio della commutazione di non richiede allocazione di risorse fisiche (es. la sequenza di canali di trasmissione) tra end-system mittente e end-system destinatario Le connessioni nodo-nodo possono essere costituite da 1 solo canale su cui vengono trasmessi i pacchetti delle diverse comunicazioni (non é più richiesto un fascio di N canali distinti) di accesso di accesso di accesso Commutazione di Il nodo di commutazione Schema di principio del funzionamento di un nodo di una rete di TLC a commutazione di Intermedio di Commutazione Capitolo I 15-16/38 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,
9 Architetture di comunicazione a strati Concetti fondamentali L'uso delle architetture di comunicazione a strati costituisce un buon approccio per la costruzione di reti a commutazione di Separazione tra le diverse funzionalità Porzione 'applicativa' Porzione 'comunicativa' Suddivisione in N livelli comunicativi Gli strati bassi con funzioni semplici e strati alti con funzioni 'sofisticate' Il servizio comunicativo offerto dal livello N può contemporaneamente essere utilizzato da più processi applicativi Il numero N di livelli (o layer) varia in funzione della specifica architettura (in genere si va da N=4 a N=7) Applicazione A.... Livello N Livello N Livello 2 Livello 1 Applicazione Z Hardware (interfacce di comunicazione) Architetture di comunicazione a strati Concetti fondamentali L'invio di un messaggio applicativo comporta la 'discesa' dello stack architetturale con una serie di successivi incapsulamenti (aggiunta di header e trailer) inseriti ai vari livelli (escluso il liv. 1) La ricezione di un comporta la 'risalita' dello stack architetturale con l'eliminazione dei relativi incapsulamenti e la consegna del messaggio contenuto al processo destinatario Applicazione Msg applicativo Layer N Hdr-N Msg applicativo Layer 2 Hdr-2... Hdr-N Msg applicativo Trailer Layer 1 Trasmissione Capitolo I 17-18/38 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,
10 Architetture di comunicazione a strati Concetti fondamentali Schematizzazione dei concetti di entità e protocollo di comunicazione Applicazione k+1-sap Peer-Protocol (di livello applicativo) Applicazione k+1-sap Livello K+1 k+1-entity Peer-Protocol (di livello K+1) k+1-entity Livello K+1 k-sap k-sap Livello K k-entity Peer-Protocol (di livello K) k-entity Livello K Livello 1 Livello 1 Architetture di comunicazione a strati Concetti fondamentali I protocolli reali possono essere ripartiti nelle 2 seguenti macrofamiglie Protocolli che non prevedono PDU-ACK verso l'entità mittente (si chiamano anche protocolli non confermati) Di fatto non prevedono alcuna PDU di servizio e quindi utilizzano solo PDU-DATI Protocolli che prevedono PDU-ACK verso l'entità mittente (si chiamano anche protocolli confermati) L'entità destinataria spedisce all'entità mittente PDU-ACK per confermare la corretta ricezione di una o più PDU-DATI Normalmente le PDU-ACK hanno doppio significato, cioè anche di PDU-Permit (autorizzazione all'invio di nuove PDU) Capitolo I 19-20/38 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,
11 Architetture di comunicazione a strati La commutazione dei pacchetti L'adozione di una struttura stratificata permette ad un nodo intermedio di realizzare l'operazione di commutazione dei pacchetti non più a livello applicativo bensì ad un livello inferiore, svolgendo tale funzione sulla base delle informazioni di controllo presenti nelle header/trailer di tale livello Questa scelta ha il vantaggio di non coinvolgere nell'operazione di inoltro del un eventuale processo applicativo presente sul nodo intermedio Qui sotto si riporta un esempio di commutazione effettuata a livello 3 (caso molto diffuso) Appl Layer N Appl Layer N Le funzioni degli strati di livello N>3 non sono utilizzate Appl Layer N Appl Layer N Layer N Layer 3 Layer N Layer 3 commutazione del Layer N Layer 3 Layer N Layer 3 Layer 2 Layer 2 Layer 2 Layer 2 Layer 1 Layer 1 Layer 1 Layer 1 -system A intermedio intermedio -system B Instradamento (di livello k) Routing statico Routing statico ad instradamento fissato Una entità mittente ed una entità destinataria di livello k sono connesse da un percorso (= lista ordinata di entità intermedie di livello k) staticamente definito da colui che ha configurato la rete Esempio: la configurazione manuale delle tabelle di instradamento in una rete IP Routing statico ad instradamento suddiviso Una entità mittente ed una entità destinataria di livello k sono connesse da N percorsi staticamente definiti da colui che ha configurato la rete Routing statico a diffusione Un nodo invia un su tutte le interfacce, eccetto su quella dal quale il è stato ricevuto Capitolo I 21-22/38 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,
12 Instradamento (di livello k) Routing dinamico Routing dinamico centralizzato Un processo in esecuzione su un particolare nodo identifica secondo un dato criterio (p. es. il "percorso più corto") i percorsi da ogni nodo X e Y della rete, distribuendo i risultati agli altri nodi (se necessario al funzionamento della tecnica di forwarding) Routing dinamico isolato Ogni nodo effettua localmente semplici calcoli senza alcuno scambio di informazione di instradamento con gli altri nodi (un importante algoritmo: backward learning) Routing dinamico distribuito Su ogni nodo vi è in esecuzione un processo che, scambiando informazioni con i processi sugli altri nodi, calcola (secondo un dato criterio) gli instradamenti Commutazione (di livello k) Il livello k di un nodo intermedio effettua la commutazione del utilizzando una delle 3 fondamentali tecniche di forwarding Source-route forwarding L'entità mittente deve inserire in ogni k-pdu inviata tutte le informazioni che specificano completamente il percorso verso l'entità destinataria Destination-based forwarding L'entità mittente inserisce in ogni k-pdu inviata solo l'indirizzo globale (e univoco) 'D' dell'entità destinataria. I nodi intermedi commutano sulla base di 'D' e delle informazioni contenute nella tabella di instradamento Label-based forwarding Ogni k-pdu viene etichettata con una label significativa solo per il prossimo nodo. Ogni nodo, sulla base della label in ingresso e delle informazioni contenute nella tabella delle label, determina il prossimo nodo e la prossima label Capitolo I 23-24/38 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,
13 I dispositivi di interconnessione Nella pratica esistono diversi dispositivi di interconnessione, i quali si differenziano tra loro in base al livello architetturale al quale operano la funzione di interconnessione, nonchè le modalità con le quali a tale livello vengono affrontate le problematiche del routing e del forwarding (Repeater) Interconnettono a livello 1 (... di fatto commutano a circuito e non a ) Bridge LAN / Switch LAN / Switch di livello 2 Interconnettono reti commutando PDU di livello 2 Router / Switch di livello 3 Interconnettono reti commutando PDU di livello 3 Gateway Interconnettono reti commutando PDU di livello applicativo I dispositivi di interconnessione: esempi Dispositivi di livello 1 Hub = Repeater multiporta Dispositivi di livello 2 Transparent Bridge (Switch LAN Ethernet) Tipologia di routing: routing dinamico isolato (algoritmo backward learning) Tecnica di commutazione: destination-based forwarding Source-route Bridge (è un tipo di bridge utilizzato in passato tra reti locali Token Ring) Tipologia di routing: ricerca esaustiva su tutti i possibili percorsi (routing dinamico) Tecnica di commutazione: source-route forwarding Capitolo I 25-26/38 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,
14 I dispositivi di interconnessione: esempi Dispositivi di livello 3 Router IP Tipologie di routing: Routing statico ad instradamento fissato (route statiche) Routing dinamico distribuito (ricerca del percorso più corto attraverso i protocolli di routing, quali RIP, OSPF, BGP,... ) Tecnica di commutazione: destination-based forwarding Esempio di rete Esempio di rete a con commutazione su alcuni nodi a livello 2 (DLC Ethernet) e su altri nodi a livello 3 (IPv4) R1 R2 R4 Porzione di rete con commutazione a livello 2 (Transparent Bridging) R3 Bridge1 Bridge2 Bridge3 Capitolo I 27-28/38 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,
15 Analisi prestazionale: definizioni Una rete a commutazione di è un sistema che fornisce un servizio di trasferimento di bit. I parametri prestazionali di una rete vengono definiti con riferimento ad un generico sistema, il quale può essere semplice o complesso: qui sotto si riportano alcuni esempi Parametri misurati "ai morsetti esterni" Bit / Byte / Pacchetti Sistema rete di TLC a commutazione di Bit / Byte / Pacchetti Schematizzazione di un generico sistema rete di TLC (a commutazione di ) Rete di TLC semplice (solo canale di trasmissione) canali di trasmissione Dorsale Rete di TLC complessa (dorsale + canali d'accesso) Analisi prestazionale: definizioni Tempo di ritardo (o tempo di latenza) τ di una rete Intervallo di tempo tra gli istanti d'ingresso e d'uscita di un bit (un gruppo di bit) dalla rete Unità di misura utilizzate secondi (s), millisecondi (1 ms=10-3 s), microsecondi (1 µs=10-6 s), nanosecondi (1 ns=10-9 s) Nel caso particolare in cui una rete è formata solo da un canale di trasmissione Tempo (indicato con τ) necessario a un bit per propagarsi da un capo all'altro del canale (prende il nome anche di tempo di propagazione del canale) Noto il bit-rate C del canale, il tempo di ritardo può equivalentemente essere espresso anche attraverso il prodotto banda ritardo Prodotto Cτ (in bit) Capitolo I 29-30/38 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,
16 Analisi prestazionale: definizioni Throughput medio (misurato in un intervallo To) di una rete Numero di bit trasferiti da una rete nell'unità di tempo, misurati in un intervallo di osservazione To Unità di misura normalmente utilizzate Bit_per_second (bps) o multipli (Kbps, Mbps, Gbps) Byte_per_second (Byte/s) o multipli (KByte/s, MByte/s, GByte/s) Packet_per_second (pps) o multipli (Kpps, Mpps) Capacità di una rete Max (Throughput) che può fornire una rete Nel caso particolare in cui una rete è formata solo da un canale di trasmissione Massimo numero di bit inviabili dall'interfaccia del nodo mittente sul canale di trasmissione nell'unità di tempo (velocità della linea o bit-rate della linea) Analisi prestazionale: definizioni Utilizzo medio (misurato in un intervallo To) di un sistema rete Rapporto tra la somma degli intervalli di tempo in cui un sistema é occupato e l'intervallo di tempo di osservazione To Grandezza adimensionale, il cui valore è sempre compreso nell'intervallo [0,1] (o nell'intervallo tra 0% e 100%, se espresso in percentuale) Questa grandezza viene solitamente misurata in sistemi semplici (canali di trasmissione) Capitolo I 31-32/38 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,
17 Analisi prestazionale: modelli matematici L'analisi prestazionale di una rete a viene svolta con l'ausilio di una serie di modelli matematici di funzionamento Modelli probabilistici (o stocastici) Grandezze di rete, eventi, ecc., non sono descritti con valori/andamenti univoci e certi, bensì sono espressi in termini di probabilità Nell'ambito di questi modelli viene molto utilizzata la Teoria delle code Modelli deterministici Possono essere considerati un caso particolare dei modelli probabilistici Ciò che varia rispetto ai modelli probabilistici è il fatto che ogni valore/andamento è certo e non più espresso in termini di probabilità Utilizzabili per la descrizione del funzionamento di una rete in condizioni particolari (per esempio rete sulla quale non è presente alcun traffico, eccetto il traffico di prova) Analisi prestazionale: modelli matematici La Teoria dei Sistemi insegna che un modello matematico di funzionamento di un sistema (in questo caso una rete a ) può essere descritto utilizzando una serie di variabili Variabili di stato Definiscono lo stato del modello e la loro evoluzione definisce l evoluzione del sistema Variabili d ingresso Sono parametri da cui dipende il modello e che descrivono sollecitazioni esterne al sistema in esame Variabili d uscita Sono funzione delle variabili di stato e di quello di ingresso e rappresentano le grandezze del modello che si intende misurare La soluzione del modello consiste nell ottenere i valori delle variabili d uscita Soluzione analitica di un modello: metodi matematici di risoluzione di equazioni che descrivono le relazioni tra le variabili Soluzione simulata di un modello: riproduzione dell evoluzione del sistema mediante l evoluzione delle variabili di stato e misurazione diretta delle variabili d uscita Capitolo I 33-34/38 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,
18 Analisi prestazionale: simulazione Putroppo in molti casi reali i modelli matematici delle reti non sono risolubili per via analitica a causa della loro eccessiva complessità In tali casi, in alternativa alla classica via analitica, può essere utile studiare il comportamento prestazionale del sistema attraverso la simulazione Cos è la simulazione? La simulazione cerca di costruire un sistema sperimentale che, per alcune caratteristiche, si comporta come il sistema reale da analizzare Esempi in ambiti non TLC Modellini in scala della superficie esterna di aerei, automobili, treni utilizzati nelle gallerie del vento Simulatori di volo per l addestramento di piloti... Analisi prestazionale: simulazione Cosa fornisce la simulazione? La simulazione è descriptive e non prescriptive La simulazione fornisce informazioni sul comportamento del sistema, data una serie di parametri La simulazione non dice come impostare i parametri per ottenere, per esempio, il miglior comportamento del sistema (l'ottimo) Capitolo I 35-36/38 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,
19 Analisi prestazionale: simulazione Esistono molti modi (criteri) per classificare le simulazioni: qui se ne riporta uno Simulazioni deterministiche Sono completamente definite dal modello e la sua evoluzione è legata deterministicamente ai parametri d ingresso Per esempio, si consideri un complesso modello per la descrizione del moto delle biglie su un tavolo di biliardo: note posizione delle bocce, punto-velocità-direzione di impatto con la stecca, si vuol sapere l esito di un colpo senza risolvere in modo esplicito il modello in modo analitico Simulazioni stocastiche Sono basate su modelli che includono variabili o processi casuali e necessitano della generazione di variabili casuali; l evoluzione del modello dipende dai parametri d ingresso e dalla generazione delle variabili casuali Analisi prestazionale: simulazione La simulazione ad eventi discreti Il modello matematico da risolvere attraverso la simulazione descrive un sistema a tempo discreto Le variabili di stato cambiano valore solo ad istanti discreti di tempo Il cambiamento di stato del sistema prende il nome di evento ed è caratterizzato da un istante di occorrenza (un evento non ha durata) Al contrario con il termine attività si intende una condizione del sistema che perdura per un certo tempo ed è solitamente caratterizzata da un evento di inizio ed un evento di fine Ad esempio l inizio e la fine della trasmissione di un sono eventi, mentre la trasmissione stessa è un attività La simulazione ad eventi discreti è di fondamentale importanza per tutte le reti di telecomunicazione (sia a commutazione di circuito sia a commutazione di ) Capitolo I 37-38/38 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,
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