Reti. Reti: una prospettiva storica. Reti di calcolatori: vantaggi

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1 Reti Da leggere: Cap.5 Sawyer, Williams (testo A) Reti: una prospettiva storica Once upon a time...tutti i calcolatori erano isolati l'uno dall'altro e potevano essere utilizzati solo da chi aveva accesso ad essi. Oggi invece i calcolatori sono connessi a formare delle reti i dati sono fruibili in modo più semplice, anche a distanza -> il loro valore informativo aumenta! dall'interazione uomo-macchina si passa all'interazione uomo-calcolatore remoto Reti di calcolatori: vantaggi Condivisione di dispositivi periferici: connettere una periferica costosa (scanner, stampante...) a una rete che serva più utenti. Condivisione di programmi e dati: più utenti usano lo stesso software e devono accedere alle stesse informazioni Comunicazione... 1

2 Sommario Cos'è una rete: nodo (host), arco (link), canali di comunicazione Comunicazione nelle reti scambio di messaggi e protocolli Topologie di rete e tecnologie di trasmissione reti lineari, ad anello a stella commutate Reti LAN e WAN Trasmissione analogica e digitale il modem Reti di calcolatori insieme di nodi (calcolatori, periferiche, risorse) collegati fra loro da una rete di comunicazione, in grado di comunicare gli uni con gli altri e di condividere applicazioni/dati Rete di comunicazione: infrastruttura che rende possibile la comunicazione fra un insieme di dispositivi PC Terminale Server PC Terminologia: componenti di una rete Nodo: un nodo (host) è un qualsiasi dispositivo hardware del sistema in grado di comunicare con gli altri dispositivi che fanno parte della rete Arco: i nodi sono collegati mediante archi (link) -> vari tipi di canali di comunicazione: dai semplici cavi telefonici a tecnologie di trasmissione più sofisticate come le fibre ottiche, a tecnologie di trasmissione wireless: collegamenti satellitari; Il tipo di cavo determina la capacità di trasmissione= quantità di informazione che posso trasferire nell'unità di tempo Si parla di banda della rete; unità di misura: bit al secondo: Kilobit (Kb), Megabit (Mb) per secondo 2

3 Comunicazione nelle reti Scopo fondamentale di una rete di computer: consentire la comunicazione tra i nodi I nodi si scambiano dei dati sotto forma di messaggi codificati in forma digitale Ogni messaggio è caratterizzato da un mittente (S = sender), un destinatario (R= receiver), un insieme di informazioni che costituiscono il corpo del messaggio: tipo di servizio richiesto da S a R e insieme di dati S R Comunicazione nelle reti Affinché questa comunicazione possa avvenire in modo corretto occorre definire un protocollo di comunicazione Come nella vita reale si stabiliscono delle convenzioni per il comportamento tra gli individui, nel caso della comunicazione tra gli elaboratori un protocollo definisce quell insieme di regole che il nodo mittente e il nodo destinatario devono seguire per interagire tra loro Comunicazione nelle reti In generale, un protocollo di rete fornisce delle funzionalità per gestione dell'indirizzamento (addressing) gestione dell'instradamento (routing) gestione di eventuali errori di trasmissione (error detection, error recovery, sequence control) gestione della velocità di comunicazione (flow control) vedremo un esempio di protocollo di rete quando parliamo di Internet 3

4 Tipi di reti: Topologie I nodi che formano una rete possono essere collegati tra loro in vari modi che determinano l architettura o topologia della rete La topologia della rete determina la modalità di trasmissione dei dati all interno della rete reti punto-punto: più connessioni individuali fra coppie di calcolatori reti multi-punto: canale di trasmissione condiviso da tutti i calcolatori della rete commutate -> reti geografiche Tipi di reti: Topologie multi-punto punto-punto Cosa valutiamo? costo: legato al numero e alla lunghezza delle trasmissioni; domanda chiave: "dati N nodi quanti collegamenti devo realizzare?" velocità di trasmissione: il collegamento diretto è il più veloce, se non è diretto devo minimizzare il passaggio per nodi intermedi -> calcolo del tempo di trasmissione sulla base del numero di archi attraversati comunicazione equamente distribuita fra i vari nodi: no bottle neck! affidabilità, tolleranza ai guasti -> ridondanza 4

5 Reti punto-punto Ciascuna coppia di nodi è direttamente collegata modalità di trasmissione: point-to-point, uno a uno Qual'è il numero dei collegamenti necessari dati N nodi? N*(N-1)/2 Reti punto-punto costo alto: più alto è il numero di collegamenti da realizzare -> più alto è il costo difficoltà realizzativa/pratica efficienza della comunicazione: esiste un collegamento diretto (dedicato per ogni coppia di nodi) affidabilità: esistono molti cammini alternativi per collegare ogni coppia di nodi (ridondanza) Tipi di reti Tutte le topologie attuali prevedono collegamenti in cui solo alcune coppie di nodi sono effettivamente collegate tramite cavi I nodi non fisicamente collegati fra loro, sono collegati mediante nodi intermedi (topologie puntopunto ad anello, a stella) o attraverso canali condivisi (topologia lineare) -> reti multi-punto (o broadcast) 5

6 Reti ad anello i nodi sono connessi punto a punto secondo una configurazione ad anello, e non sono tutti direttamente collegati Numero di collegamenti N > 2 = N il segnale emesso da un nodo passa al nodo successivo; se non è indirizzato a quel nodo, viene ritrasmesso al nodo seguente, finché non raggiunge il destinatario Reti ad anello efficienza della comunicazione: la velocità di comunicazione è inferiore rispetto alla rete lineare, i messaggi devono attraversare dei nodi intermedi -> trasmissione in una sola direzione, nel caso medio attraverso metà dei nodi affidabilità: scarsa, la rottura di un nodo causa un'interruzione delle comunicazioni nella rete Reti a stella i nodi sono tutti collegati mediante connessioni punto a punto a un nodo centrale detto host Numero di collegamenti = N-1 le comunicazioni tra due nodi non sono dirette ma passano attraverso il nodo host che provvede a smistarle verso il nodo Viviana Patti destinazione Informatica di base - 3/12/03 6

7 Reti a stella la velocità di comunicazione buona, i messaggi da nodo a nodo devono attraversare solo attraverso il nodo centrale affidabilità: cruciale il funzionamento del nodo centrale: se si guasta ogni comunicazione diventa impossibile Problema: il nodo centrale può diventare il collo di bottiglia della rete: tutto il traffico passa di lì Esempio di architettura con hub Per risolvere il problema del traffico sul nodo centrale si usano dispositivi specializzati detti hub Concentratore (hub): dispositivo di connessione che semplifica il collegamento fisico tra i nodi e instrada i segnali Dorsale: cavo ad alta capacità di trasmissione dei dati rete a stella Reti lineari (a bus) Tutti i nodi sono collegati allo stesso mezzo trasmissivo, la dorsale della rete -> RETI MULTI-PUNTO modalità di trasmissione: broadcast, uno a molti I dati trasmessi da un calcolatore sono visibili a tutti gli altri Problema principale: condivisione della linea i messaggi inviati da un elaboratore vengono ricevuti da tutti ma solo l elaboratore destinatario elaborerà il messaggio, gli altri elaboratori lo Viviana ignoreranno Patti Informatica di base - 3/12/03 7

8 Comunicazione broadcast: una metafora DEF di Broadcast: Modalità di trasmissione che prevede l'invio di un messaggio a tutti i computer collegati in rete In generale si dice che in una rete la modalità di trasmissione è broadcast quando la rete ha queste caratteristiche: canali di trasmissione condivisi da tutti i calcolatori della rete a ogni calcolatore deve essere associato un identificatore univoco (indirizzo di rete); nome logico/indirizzo fisico un messaggio inviato sulla rete raggiunge tutti calcolatori della rete ma soltanto il calcolatore il cui indirizzo corrisponde all'indirizzo indicato nel messaggio lo tratterrà per elaborarlo Comunicazione broadcast: una metafora Un analogia con questo tipo di comunicazione è quella di una classe in cui docenti e studenti condividono lo stesso mezzo di comunicazione (l aria). Diventa cruciale decidere chi deve parlare e quando, e gli esseri umani hanno stabilito una serie di regole (un protocollo) per usare questo "canale di comunicazione condiviso" Si deve dare a ciascuno l opportunità di parlare Non si deve parlare fino a quando non si è interrogati Non si deve monopolizzare la comunicazione Si deve alzare la mano quando si ha una domanda Non si deve interrompere chi sta parlando Anche le reti di calcolatori hanno dei protocolli, detti multiple access protocol, con i quali i nodi regolano le loro trasmissioni sul canale di broadcast Reti lineari costi: ho 1 solo arco, la dorsale della rete facilità di realizzazione efficienza della comunicazione: la comunicazione è veloce, un messaggio deve attraversare solo 1 arco, la dorsale la dorsale può diventare il collo di bottiglia affidabilità: un nodo fuori uso rimane isolato - > l'unico punto debole è la dorsale 8

9 LAN Le topologie di reti che abbiamo visto hanno di solito un'elevata capacità di trasmissione ( Mbit/sec.) ma Ridotta scala geografica: (10m KM) Reti di questo tipo sono dette Reti Locali o LAN (Local Area Networks) -> quando devo connettere computer a una distanza maggiore... Reti commutate poiché è impossibile collegare fisicamente tutte le macchine, si utilizza una infrastruttura condivisa Rete composta da commutatori: ognuno dei quali ha il compito di smistare i dati a un altro commutatore etc. meno veloci: 100Mbit/sec estensione enorme: migliaia di Km ne riparliamo nella lezione su Internet Tipi di reti: scala...criterio per classificare le reti legato alla loro scala, che si determina in base alla dimensione dei processori e alla loro distanza 9

10 LAN - Local Area Network Reti private per la condivisione di risorse all interno di un edificio o in edifici vicini elaboratori stampanti dati Sono generalmente di dimensioni ridotte Si possono distinguere a seconda della topologia (punto-a-punto, ad anello, a stella, lineare) LAN Scheda di rete Per collegare un computer ad una rete locale si usa una scheda di rete che permette di instaurare una connessione fisica consente al computer di inviare e ricevere messaggi tramite la rete: es.converte i dati da trasmettere nel formato opportuno, fa in modo che il protocollo di comunicazione sia rispettato una caratteristica importante è la velocità con cui i dati vengono trasmessi Reti LAN Client/Server Gli elaboratori in una LAN possono avere ruoli diversi Server: elaboratore che può essere condiviso dagli altri computer collegati in rete server gestore dei dati (file server): gestisce la memorizzazione e la condivisione di dati server di stampa (printer server): gestisce le stampanti disponibili in una rete locale server di comunicazione: permette l accesso ad altre reti locali o ad Internet Client: elaboratore che usa delle risorse condivise, messe a disposizione dal server 10

11 Reti LAN Client/Server Esempio di architettura client/server Pensate alla rete in laboratorio: server -> area dati del docente vostri PC -> il server si preoccupa di gestire la condivisione dei dati sull'area di memoria del docente ai vostri PC collegati in rete LAN - Software di rete In una LAN si vogliono condividere delle risorse Il sistema operativo (locale) non è in grado di gestire le risorse che non appartengono all elaboratore e si introduce un nuovo livello nella struttura a cipolla : il sistema operativo di rete 11

12 LAN - Software di rete Supporta l'accesso di più utenti offrendo le funzionalità di riconoscimento tramite password Gestisce l'accesso alle risorse condivise (es. stampante, o disco di memoria secondaria)... Windows NT/2000 (tecnologia su cui si basa anche XP, in laboratorio) LAN - Ethernet Ethernet è il tipo di rete locale più diffuso Sviluppata dalla Xerox negli anni 70 (1976) Qualsiasi computer di qualsiasi tipo prevede la possibilità di usare una scheda Ethernet per connettersi alla rete locale Usa prevalentemente la topologia lineare e una modalità di trasmissione broadcast Velocità di trasmissione: 10, 100, 1000 Mb/sec. LAN - Modalità di accesso al canale condiviso: CSMA/CD Non è previsto nessun controllo centralizzato (vigile): tutti i computer sono collegati e potenzialmente possono trasmettere e ogni nodo si preoccupa di trasmettere il messaggio cercando di evitare le collisioni Schema di funzionamento Quando un computer vuole trasmettere un'informazione... prima verifica che il canale sia libero, poi invia il messaggio in broadcast Se si accorge che un altro computer sta trasmettendo, aspetta 12

13 LAN - Modalità di accesso CSMA/CD Se si verifica un conflitto (due o più computer hanno inviato i loro messaggi contemporaneamente) i computer coinvolti si fermano, aspettano per un tempo T casuale, e poi riprovano la trasmissione -> CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection LAN aperte - interconnessione Oggi raramente una LAN è chiusa, non connessa ad altre reti -> es. Internet Esistono dei dispositivi appositi che fanno da interfaccia e creano queste connessioni Bridge: interfaccia di comunicazione per reti dello stesso tipo (es. 2 Ethernet) Gateway: interfaccia per reti con ambienti applicativi diversi (es. 2 LAN basate su sistemi op. diversi) Router: computer che dirige lo scambio di comunicazione fra più reti (es. connessione fra una LAN e Internet); in particolare instradano i pacchetti di dati da una rete all'altra LAN aperte - interconnessione 13

14 WAN - Wide Area Network Una rete WAN copre una grande area geografica -> esempio, la rete GARR collega tutte le Università italiane Nella maggior parte delle reti WAN la sottorete di comunicazione è formata da linee di trasmissione (che spostano i dati fra i vari nodi) elementi di commutazione, ossia calcolatori specializzati usati per collegare due o più linee di trasmissione Reti Internet Private Intranet: rete privata interna di un'azienda; condivisione di informazioni utili per condurre il proprio lavoro: informazioni sui prodotti, indirizzi, numeri di telefono Firewall: i dati riservati di un'azienda devono essere mantenuti privati -> firewall: tutti i pacchetti di dati che arrivano da Internet nella Intranet passano attraverso una determinata porta che identifica gli utenti autorizzati, controlla la presenza di virus etc. Trasmissione: analogico e digitale Nelle reti locali, la comunicazione tra due computer passa di solito su cavi dedicati, installati esplicitamente per la rete, e adatti per la trasmissione digitale delle informazioni Semplificando un po : su questi cavi si ha una variazione del livello di tensione fra due valori, che corrisponde alla trasmissione di bit di valore 0 oppure 1 14

15 Trasmissione: analogico e digitale Per le comunicazioni su lunga distanza, si cerca di sfruttare le reti di comunicazione esistenti, come ad esempio la rete telefonica La rete telefonica è adatta a comunicare la voce, cioè un segnale analogico che varia in maniera continua in una banda di frequenze Sono necessari dei dispositivi per poter usare la rete telefonica come mezzo di comunicazione tra computer Analogico e digitale In generale l'informazione trasmessa in una rete può essere portata da un segnale analogico o digitale Digitale Rappresentazione dell'informazione tipica dei computer: 2 cifre 0 1 rappresentati da due impulsi elettrici acceso e spento Un mezzo di trasmissione per dati digitali trasmette i segnali elettrici corrispondenti ai due valori in modo discontinuo -> il segnale è costituito da una serie di impulsi discreti Analogico e digitale Analogico i dati analogici sono rappresentati come variazioni continue della potenza e/o della quantità vengono trasmessi come segnali elettrici sotto forma di onda continua Mezzi di trasmissione analogici: telefono, radio, televisione e TV via cavo 15

16 Funzione del modem Converte i segnali da analogici a digitali e viceversa Modem significa modulatore - demodulatore; il nome stesso suggerisce le due funzioni di questo dispositivo hardware: Modula i segnali digitali trasformandoli in segnali analogici Demodula i segnali analogici riconvertendoli in segnali digitali Funzione del modem Il modem Se si deve trasmettere un bit che vale 1 allora il modem fischia una certa nota lungo la linea telefonica altrimenti se deve trasmettere uno 0 fischia una nota differente Chiaramente, il ricevitore deve avere un modem che esegue il lavoro opposto: se sente un fischio con una la nota associata al bit uguale a 0 allora trasmette al computer un bit 0 altrimenti nell altro caso trasmette un 1 16

17 Il modem: caratteristiche I modem attuali hanno velocità di trasmissione di , , , bit/sec. Ossia una velocità massima di non più di 56 Kbit/sec Se due computer comunicano tramite un modem, la velocità di comunicazione è sempre quella del modem più lento Il modem è usato soprattutto per le comunicazioni private (ad esempio un utente che si collega ad Internet tramite il suo Internet Provider) Il modem nel computer modem esterno: deve essere collegato alla porta seriale del calcolatore) modem interno: (alloggiato in un apposito slot di espansione della scheda madre) 17