Architettura a strati dei protocolli di comunicazione

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1 Capitolo 10 Architettura a strati dei protocolli di comunicazione Tramite le reti di comunicazione piú host possono essere messi in grado di comunicare, permettendo il trasferimento di dati di diverso genere e l espletamento di servizi (e mail, trasferimento file, navigazione web, ecc. ecc.). In tale trasferimento dati o richiesta ed espletamento di servizi, gli host devono seguire delle regole ben precise e concordate a priori, ad esempio per formulare le richieste di servizi in modo corretto (che il software che implementa il servizio é in grado di comprendere). Devono cioé essere seguiti degli specifici protocolli, dove per protocollo si intende l insieme delle regole per instaurare, mantenere e concludere una comunicazione. I problemi che devono essere gestiti da tali protocolli sono complessi nel loro insieme (instradamento, trasferimento, gestione degli errori, ecc.). Per questo i sistemi complessi di comunicazione dati non utilizzano un singolo protocollo per rispondere a tutte le esigenze, ma si affidano ad un insieme (o famiglia o suite) di protocolli. Invece di progettare un singolo protocollo molto complesso comprendente tutti i meccanismi necessari, vengono individuati una serie di problemi piú piccoli, che portano all implementazione di protocolli piú semplici. Ció ha dato origine ai modelli a strati dei protocolli di comunicazione. Alcuni produttori hanno cercato di imporre dei protocolli proprietari. É stato peró svolto, in ambito internazionale, un lavoro di standardizzazione, necessario soprattutto nell integrazione delle diverse reti. Allo stato attuale esistono due architetture standard a strati. La prima é stata introdotta da parte dell ISO (International Organization for Standardization), che ha portato a definire il modello ISO/OSI (Open System Interconnection). La seconda, che si é affermata come standard con l evoluzione di, é la suite TCP/IP, che prende il nome da due dei principali protocolli che fanno 66

2 CAPITOLO 10. ARCHITETTURA A STRATI DEI PROTOCOLLI DI COMUNICAZIONE67 Strato n+1 Strato n Strato n-1 flusso dati Figura 10.1: Architettura a strati. parte della suite, il TCP (Transmission Control Protocol) e l IP ( Protocol). Secondo tali architetture, le funzionalitá dei protocolli sono divise in strati (o layers o livelli) (Fig. 10.1). Ogni strato fornisce servizi allo strato superiore; richiede servizi allo strato inferiore; comunica con gli strati adiacenti tramite un interfaccia standard (insieme di funzioni software standard); comunica con lo strato pari livello (peer) di un altra entitá (es. l host destinazione) secondo un protocollo assegnato. Ai vari strati sono assegnati compiti (e problematiche) diverse. Ad esempio, uno strato si puó occupare dell invio e instradamento dei pacchetti e un altro (piú in basso) si puó occupare della formattazione dei bit che deve avere il pacchetto per la particolare tecnologia di rete. Cosí, il livello che si occupa dell invio dei pacchetti non si preoccuperá della particolare tecnologia di rete

3 CAPITOLO 10. ARCHITETTURA A STRATI DEI PROTOCOLLI DI COMUNICAZIONE68 a cui la macchina é collegata, ma richiederá l invio del pacchetto tramite una delle funzioni dell interfaccia (standard) dello strato sottostante che si occuperá di formare un pacchetto secondo la particolare tecnologia di rete. Tale divisione dei compiti permette una migliore progettazione dei protocolli. Il flusso dati parte da un livello alto, transita fra i vari strati per giungere al livello piú basso, che si occupa della trasmissione fisica sul canale di trasmissione. A destinazione, il flusso dati segue il percorso inverso. Strati di pari livello su entitá (host) diverse sono detti paritari (peer). Uno strato é quindi un modulo caratterizzato da una serie di servizi, interfacce e protocolli, dove, ricordiamo ancora, per protocollo si intende l insieme delle regole che governano il formato dei messaggi, pacchetti o frame che vengono scambiati tra strati paritari La suite TCP/IP La suite di protocolli di (TCP/IP) segue un modello a strati, anche se non adotta i 7 livelli ISO/OSI. Questo modello, che viene considerato a tutti gli effetti un modello a strati alternativo all ISO/OSI, non é nato come standard, ma lo é diventato in seguito al lavoro sul campo che ha portato allo sviluppo di. Il modello TCP/IP (Fig. 10.2) é organizzato in 5 livelli (al contrario dei 7 dello standard ISO/OSI), 4 livelli software piú un quinto livello hardware (il supporto fisico). In un modello a strati, l n esimo strato al nodo di destinazione riceve (a meno di errori) un messaggio (o pacchetto o frame, a seconda del livello considerato) identico a quello trasmesso al solito livello al nodo sorgente. Anche se, in realtá, il flusso dei dati segue un percorso verticale, dal livello piú alto a quello piú basso al nodo sorgente e viceversa al nodo destinazione, per essere effettivamente trasmesso sulla rete solo all ultimo livello, la trasmissione puó essere pensata avvenire tra pari livelli, secondo un predeterminato protocollo. Il compito dei vari strati é il seguente. 1. Application layer. É il livello piú alto, relativo alle applicazioni (programmi) che consentono ad un utente di accedere ai servizi resi disponibili attraverso, Un applicazione scambierá dati e messaggi con la sua controparte sull host destinazione scegliendo uno dei protocolli messi a disposizione dal livello di trasporto. 2. Transport layer. Scopo del livello di trasporto é consentire la comunicazione tra applicazioni (programmi) in esecuzione sui nodi sorgente e destinazione,

4 CAPITOLO 10. ARCHITETTURA A STRATI DEI PROTOCOLLI DI COMUNICAZIONE69 Application layer Transport layer layer Network Interface layer Hardware layer Figura 10.2: Modello a strati TCP/IP. comunicazione spesso chiamata end to end. Compito di tale livello é regolare il flusso di informazioni. Puó (non é previsto per tutti i protocolli di tale livello) anche assicurare un collegamento affidabile provvedendo alla gestione degli errori di trasmissione e al riordinamento dei pacchetti in ricezione. Si occupa inoltre della divisione dei dati in pacchetti e dello smistamento dei pacchetti ricevuti alle applicazioni di destinazione. 3. layer. Compito di tale strato é la comunicazione tra un host ed un altro. In seguito alla richiesta di trasmissione di un pacchetto, viene determinato se questo deve essere inviato ad un router o se la destinazione é direttamente connessa. In ricezione viene controllata l integitá del pacchetto e se questo deve essere inviato ad una nuova destinazione intermedia o se l host é la destinazione finale dello stesso. A tale livello vengono inviati e ricevuti i messaggi di errore e controllo della rete. 4. Network Interface layer. Si occupa di creare i frame, ossia di formattare i dati da trasmettere secondo lo standard della rete a cui l host é connesso. In particola-

5 CAPITOLO 10. ARCHITETTURA A STRATI DEI PROTOCOLLI DI COMUNICAZIONE70 host A host B Application protocol header dati Application Messaggio identico Application dati Transport protocol header Transport Pacchetto identico Transport protocol header Datagramma identico Frame header Network Interface CRC Frame identico Network Interface Hardware Hardware Rete fisica Figura 10.3: Tansito dei dati e processo di incapsulamento. re ogni rete fisica ha un limite massimo di capacitá di trasferimento (MTU: Maximum Transfer Unit), massimo numero di byte di dati che possono essere trasferiti in un frame (1500 per Ethernet). Compito del livello é anche la divisione in piú frame di un pacchetto nel caso in cui l MTU sia superato, e il loro riassemblamento, che avviene solo all host destinazione. 5. Hardware layer. Si occupa della trasmissione/ricezione dei bit del frame sulla rete fisica. Quando un utente vuole inviare dell informazione (tramite un applicazione), questa viene passata all Application layer. Con un processo completamente trasparente all utente, l informazione discende tutti i livelli, fino all Hardware layer, a cui segue l effettivo invio sul canale di trasmissione. Nel discendere gli strati, l informazione subisce un processo di incapsulamento: ai dati ricevuti dal livello superiore viene aggiunto un header contenente delle informazioni che riguardano esclusivamente il funzionamento dei protocolli del particolare strato (ad esempio, gli indirizzi dell host sorgente e destinazione), come schematizzato in Fig Nel caso dell Hardware layer viene usual-

6 CAPITOLO 10. ARCHITETTURA A STRATI DEI PROTOCOLLI DI COMUNICAZIONE71 7 Byte 1 Byte 6 Byte 6 Byte 2 Byte 4 Byte Preambolo SFD Indirizzo destinazione Indirizzo sorgente Lunghezza Tipo Dati Pad Frame Check Sequence a b c d e f g h Figura 10.4: Struttura di un frame Ethernet. mente aggiunto anche un trailer (coda) contenente dei bit di ridondanza, per la rivelazione di errori di trasmissione sul canale. É da sottolineare che la particolare formattazione del frame (poi inviato sul canale) dipende dalla particolare tecnologia di rete utilizzata. Ad esempio, nel caso di Ethernet ció che viene inviato sulla rete é rappresentato in Fig. 10.4, in cui a Preambolo. Sequenza di 7 bit di 0 e 1 alternati, utilizzata in fase di sincronizzazione per determinare, in ricezione, gli istanti di inizio dei bit. b SFD (Start Frame Delimiter, delimitatore di inizio trama). La sequenza usata, in ricezione, per determinare il primo bit della trama vera e propria. c Indirizzo di destinazione. Numero intero a 48 bit (6 byte), che identifica univocamente la destinazione del pacchetto. d Indirizzo di provenienza. Numero intero a 48 bit (6 byte), che identifica univocamente la sorgente del pacchetto. e Lunghezza/tipo. Lunghezza del campo dati in byte (standard IEEE 802.3) o tipo del frame (precedenti specifiche Ethernet), che identifica il tipo dei dati trasportato. f Blocco dati. g Pad. Byte aggiunti per assicurare che la trama sia piú lunga del minimo consentito, per una corretta rilevazione delle collisioni. h Frame Check Sequence (o Cyclic Redundancy Check, CRC). Byte di ridondanza utilizzati per rivelare errori di trasmissione del frame.

7 CAPITOLO 10. ARCHITETTURA A STRATI DEI PROTOCOLLI DI COMUNICAZIONE72 host A Application Messaggio identico host B Application Transport Pacchetto identico Router Transport Datagramma identico Network Interface Frame identico Hardware Network Interface Hardware Datagramma identico Network Interface Frame identico Hardware Rete fisica 1 Rete fisica 2 Figura 10.5: Tansito dei dati attraverso un router. Al momento della ricezione viene eseguita la procedura inversa, in modo che ogni livello riceva un blocco identico a quello elaborato dallo strato corrispondente all host sorgente. Quanto schematizzato in Fig vale nel caso di una comunicazione tra due nodi direttamente connessi. Se il trasferimento comporta l attraversamento di un router, la formattazione dei dati puó dover essere adattata ad una diversa tecnologia di rete, e sará determinata la nuova destinazione intermedia. Nell attraversare il router vengono variate le informazioni relativi solo agli strati interessati (, Network e Hardware), come schematizzato in Fig Per quanto ci riguarda possiamo quindi pensare che la comunicazione tra due host avvenga tra livelli corrispondenti, secondo un determinato protocollo. Il nome dello strato da il nome anche ai protocolli relativi. La suite sará cosí composta da protocolli applicativi, protocolli di trasporto, protocolli e protocolli di rete.

8 Parte III 73

9 Capitolo 11 Indirizzi e Domain Name System 11.1 Indirizzi fisici e indirizzi Come abbiamo giá visto, é una rete di reti di calcolatori. Ad essa sono collegati un numero elevatissimo di host, comprendenti server che mettono a disposizione un grande numero di servizi (e mail, pagine web, ecc. ecc.). Ogni host avrá almeno una scheda di rete con cui si connetterá alla particolare rete (Ethernet, Token Ring, ecc.) di appartenenza. Per connettere due host, i protocolli di comunicazione richiedono che questi host siano identificati in modo univoco. Ció é fatto tramite l assegnazione di un numero intero (con un certo numero di bit), che prende il nome di indirizzo. Le varie tecnologie di rete possono utilizzare convenzioni diverse per gli indirizzi. Ad esempio, nel caso delle reti Token Ring, l indirizzo é un numero intero tra 1 e 254, impostabile al momento della configurazione dell host. Nel caso di Ethernet, l indirizzo é un numero a 48 bit (6 Byte) preimpostato sulla scheda da parte del produttore. I protocolli a livello di interfaccia di rete (Network Interface layer) utilizzeranno tali indirizzi per formare il frame da spedire sulla rete fisica. Questo indirizzo prende il nome di indirizzo fisico. In una rete (non una rete di reti) non possono coesistere piú host con uguale indirizzo fisico. Nel caso delle reti Ethernet ció é assicurato dai produttori delle schede, che utilizzano indirizzi diversi per le diverse schede. In una rete di reti (ad esempio ), se un pacchetto attraversa un router e passa ad una rete con una diversa tecnologia, il router stesso provvede a convertire il pacchetto a livello di rete, inserendo nel relativo header 74

10 CAPITOLO 11. INDIRIZZI E DOMAIN NAME SYSTEM 75 come indirizzo fisico di destinazione quello del destinatario finale, se gli é direttamente connesso, o quello della successiva destinazione intermedia nel caso non lo sia. Il fatto di prevedere che in una rete di reti possano essere collegate reti con tecnologia diversa non permette di utilizzare direttamente gli indirizzi fisici per identificare gli host. Tali host devono infatti essere identificati univocamente nella rete di reti nella sua interezza, e ció va fatto secondo un unico formato, indipendente dalla particolare tecnologia di rete. Per questo sono stati introdotti gli indirizzi (o IP). Questi sono indirizzi logici (astratti), utilizzati dai protocolli dell layer, non dipendenti quindi dalle caratteristiche della particolare rete fisica a cui l host é collegato. In realtá un indirizzo non identifica univocamente un host, ma un collegamento alla rete. Ad esempio, Come sottolineremo piú avanti, un router possiede almeno due indirizzi IP, uno per ogni adattatore di rete a cui é connesso. Un indirizzo IP é un numero di 4 Byte (4 ottetti = 32 bit). Nella versione successiva (IPv6), giá in fase di sviluppo, sará a 6 Byte. L indirizzo internet di un host é quindi un qualcosa del tipo Indicare un indirizzo tramite 32 bit é scomodo. Per questo si ricorre alla notazione decimale (dotted decomal), in cui ogni ottetto (Byte) viene fatto corrispondere al relativo numero decimale, separato dagli altri con un.. Nel nostro caso, l indirizzo sará Classi di indirizzi Agli host appartenenti alla medesima rete vengono assegnati indirizzi IP in cui cambiano solo i bit piú a destra. I bit piú a sinistra possono quindi essere visti come l indirizzo della rete a cui gli host sono connessi. In particolare, i primi bit definiscono 5 classi di indirizzi (Fig. 11.1). Nella Fig. 11.1, net id rappresenta un identificativo della rete (l indirizzo della rete comprende anche i primi bit) e host id rappresenta l identificativo dell host nella rete. Le varie classi corrispondono ai seguenti indirizzi