LE RETI. Prof. Enrico Terrone A. S. 2011/12

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1 LE RETI Prof. Enrico Terrone A. S. 2011/12 Definizioni La telematica è la disciplina che nasce dalla combinazione delle telecomunicazioni (telefono, radio, tv) con l informatica. L oggetto della telematica è la comunicazione a distanza dei computer. Una rete è un insieme di computer che comunicano a distanza; dunque la telematica si occupa delle reti. Gli elementi della rete (computer o altri dispositivi) si definiscono host. Le reti permettono agli host di condividere risorse, sia hardware (stampanti, dischi ecc.) sia software (informazioni, programmi).

2 Classificazione per dimensioni In base alla dimensione possiamo distinguere fra reti locali, reti metropolitane e reti geografiche. Le reti locali (LAN = Local Area Network) connettono computer senza attraversamento di suolo pubblico (di solito tutti nello stesso edificio). [esempio: rete scolastica] Le reti metropolitane (MAN = Metropolitan Area Network) connettono computer di un unica area urbana. [esempio: reti comunali] Le reti geografiche (WAN = Wide Area Network) connettono computer che possono trovarsi ovunque. [esempio: Internet] Classificazione per organizzazione In base all organizzazione possiamo distinguere fra reti client-server e reti peer-to-peer. Nelle reti client-server si distingue rigidamente fra computer che mettono a disposizione risorse (server) e computer che le utilizzano (client). [Es. di server: i computer che mettono a disposizione un sito web oppure una stampante] Nelle reti peer-to-peer ogni computer può svolgere alternativamente il ruolo di client o di server. [Es.: e-mule in modalità KAD, oppure la condivisione delle cartelle nelle reti windows]

3 Il modello ISO-OSI Come il funzionamento del singolo computer è descritto dal modello a strati di Tanenbaum, così il funzionamento di una rete è descritto dal modello a strati ISO-OSI. A ciascun livello del modello ISO-OSI vengono definite delle regole di comunicazione che si chiamano protocolli. Applicazioni Linguaggio di alto livello Assembly Sistema operativo Linguaggio macchina Hardware Modello di Tanenbaum Il modello ISO-OSI Applicazione Applicazione Presentazione Presentazione Sessione Sessione Trasporto Trasporto Rete Rete Rete Rete Data Link DL DL Data Link fisico fisico fisico Sottorete di comunicazione fisico

4 LE RETI: LIVELLO FISICO Il livello fisico Il livello più fondamentale per il funzionamento di una rete è il livello fisico, che permette la connessione effettiva fra due computer, sulla quale si basano tutti gli altri protocolli. Il livello fisico consiste innanzitutto in un canale di comunicazione fra i computer collegati. Questo canale può essere di tipo parallelo (più bit alla volta) o seriale (un bit alla volta). I canali di comunicazione per le reti sono prevalentemente seriali (mentre i bus interni al computer funzionano in modalità parallela).

5 I segnali Sul canale fisico viene trasmesso un segnale, cioè una grandezza elettrica che varia al passare del tempo. Segnale analogico s(t) t segnale Segnali digitali/analogici Un segnale è digitale se può assumere soltanto due valori significativi, mentre è analogico se ne può assumerne infiniti. Segnale digitale s(t) t segnale

6 Il teorema di Fourier Il teorema di Fourier afferma che qualunque segnale può essere rappresentato come una somma di segnali sinuosoidali del tipo: s(t) = A sin(2 π f k t + φ) [con k numero intero] Il segnale sinusoidale è dunque il caso fondamentale di segnale analogico. La grandezza f è detta frequenza del segnale sinusoidale, è misurata in Hertz (Hz) e indica il numero di ripetizioni (periodi) al secondo. Il modem All interno del computer si utilizzano segnali digitali paralleli. Nelle reti locali si utilizzano si utilizzano segnali digitali seriali (=> serve un adattatore: scheda di rete) Nelle reti geografiche si utilizzano spesso segnali analogici seriali; in questo caso per la conversione digitale/analogico occorre un dispositivo apposito denominato modem (modulatore / demodulatore). La modulazione è la trasformazione del segnale da digitale ad analogico; la demodulazione è la trasformazione del segnale da analogico a digitale.

7 La modulazione Nella modulazione, il modem trasforma il segnale digitale in un segnale analogico sinusoidale. Nella demodulazione, il modem trasforma il segnale analogico sinusoidale in un segnale digitale. La modulazione può essere di fase, di frequenza o di ampiezza: in ogni caso, si modifica una componente del segnale sinusoidale (modulazione) per rappresentare i bit. Esistono delle tecniche speciali che permettono di codificare più di un bit con una sola modulazione. La velocità di trasmissione La velocità di una trasmissione si misura in baud (numero di modulazioni al secondo) oppure in bps (bit al secondo). Si usano poi le lettere K (mille), M (milione) e G (miliardo). La regola fondamentale è la seguente: Velocità di trasmissione = (dati trasmessi) / (tempo impiegato)

8 I mezzi di trasmissione I principali mezzi di trasmissione al livello fisico sono: il doppino telefonico (LAN) il cavo coassiale (LAN, in disuso) collegamenti via radio terrestri (LAN wireless, WAN) collegamenti via radio satellitari (WAN) fibra ottica (LAN, WAN) La banda di un mezzo di trasmissione è la più grande frequenza che può essere trasmessa su quel canale. Al crescere della banda di un canale si può aumentare la velocità di trasmissione oppure si può suddividere il canale in più sottocanali. I mezzi di trasmissione Doppino telefonico Velocità Da 10 a 100 Mpbs Distanze Da 100 m a 1 Km Immunità disturbi ridotta Banda Da 1 Mhz a 10 MHz Cavo coassiale Da 10 a 100 Mpbs 500 m elevata Da 1 Mhz a 100 MHz Fibra ottica Da 1 a 10 Gbps 10 Km Elevata Decine di GHz Via radio terrestre Centinaia di Mbps elevate ridotta Centinaia di MHz Via radio satellitare Da 1 a 10 Gbps molto elevate ridotta Qualche GHz

9 Reti locali Nelle reti locali i livelli fondamentali sono il livello fisico, il livello data-link e il livello applicazione. Gli altri livelli vengono comunque introdotti per uniformità con le reti geografiche. Studiare le reti locali significa quindi affrontare i problemi di progettazione e di gestione livello per livello, concentrandosi in particolar modo sui livelli fisico, data-link e applicazione. LE RETI LOCALI

10 Reti locali Nelle reti locali i livelli fondamentali sono il livello fisico, il livello data-link e il livello applicazione. Gli altri livelli vengono comunque introdotti per uniformità con le reti geografiche. Studiare le reti locali significa quindi affrontare i problemi di progettazione e di gestione livello per livello, concentrandosi in particolar modo sui livelli fisico, data-link e applicazione. La principale famiglia di protocolli che definisce i livelli fisico e data link per le reti locali si chiama IEEE 802. Fra i protocolli IEEE 802, il più importante è l 802.3, denominato Ethernet. Livello fisico Nelle reti locali il livello fisico richiede di definire: 1. La topologia 2. Materiali e componenti 3. Cablaggio strutturato (cavi, connettori, pareti, armadi) Le topologie possibili sono le seguenti: Punto-punto (maglia) Bus Stella Anello Attualmente la tipologia più usata è quella a stella.

11 Livello fisico Il dispositivo collocato centro della stella può essere un hub (ripetitore multiporta) o uno switch (è più intelligente rispetto all hub: riconosce gli indirizzi MAC e quindi svolge funzioni anche al livello data link). La rete a stella con al centro l hub o lo switch funziona come una rete a bus. Livello fisico I cavi per la connessione fra l hub e gli host della rete locale sono doppini telefonici UTP (Unshielded Twisted Pair: non schermati) o STP (Shielded Twisted Pair: schermati). In alternativa si può usare il wireless (802.11) o la fibra ottica (802.8 o FDDI). Ciascun host si connette all hub tramite la scheda di rete (=NIC = Network Interface Card). La scheda ha una presa RJ-45 in cui il cavo entra con una spina RJ-45 (la scheda per il wireless è invece dotata di antenna).

12 Livello data-link Il livello data-link si divide in due sottolivelli: 1. MAC(Media Access Control) 2. LLC (logical Link Control) Il sottolivello MAC prevede per ciascuna scheda un indirizzo (detto indirizzo MAC) di 48 bit (12 cifre esadecimali), unico per ogni scheda a livello mondiale, e memorizzato direttamente dal costruttore nella scheda di rete. Il sottolivello MAC definisce la tecnica di accesso al mezzo: che cosa succede quando due host della rete locale vogliono spedire dati contemporaneamente? Livello data-link Le soluzioni più diffuse sono due: 1) CSMA/CD (usato nelle reti Ethernet): si basa sul principio che l host che vuole spedire rileva la portante (Carrier Sense), se la trova libera spedisce; così fanno anche gli altri (Multiple Access); pertanto, ciascuno deve restare in ascolto e se si verifica una collisione (Collision Detection) occorre aspettare un tempo casuale e poi rispedire. 2) Token Ring (usato nelle reti token ring e nelle FDDI): può trasmettere soltanto l host che possiede una particolare chiave dibit detta token (gettone).

13 Livello data-link Il sottolivello data-link che sta sopra al MAC si chiama LLC: il suo scopo è quello di definire il formato e la modalità di spedizione dei dati fra due computer direttamente collegati in una rete locale. Al livello LLC, i dati sono raggruppati in unità dette frames. Un frame comprende gli indirizzi MAC di mittente e destinatario, i dati e un codice di controllo detto checksum (p. es. il bit di parità). Livello data-link Il frame Ethernet:

14 Espansione di LAN Una rete locale (LAN) può essere composta da più sottoreti collegate fra loro. Il collegamento fra più sottoreti deve essere effettuato da uno switch. Lo switch si differenzia dall hub per il fatto che riconosce gli indirizzi MAC (associati alle porte tramite una tabella) e così può decidere su quale sottorete inviare i frames. Espansione di LAN

15 LE RETI GEOGRAFICHE Reti geografiche Le reti geografiche (WAN) sono reti di reti, cioè sono fatte da reti locali (LAN) interconnesse. I livelli fondamentali delle reti geografiche sono il livello di rete e il livello di trasporto. Come nelle LAN il livello fisico garantisce il collegamento e il livello data-link lo utilizza, così nelle WAN il livello di rete garantisce il collegamento e il livello di trasporto lo utilizza. In una WAN, il livello fisico e il livello data-link sono determinati dalle LAN che la compongono.

16 Protocollo TCP/IP Il più diffuso protocollo per i livelli di rete e trasporto (per intenderci, quello usato su Internet) si chiama protocollo TCP-IP. Il protocollo IP (Internet Protocol) si applica al livello di rete. Il protocollo TCP (Transmission Control Protocol) si applica a livello di trasporto. I livelli successivi, quelli di sessione, presentazione e applicazione utilizzano il collegamento creato dal livello di trasporto (che a sua volta usa la sottorete di comunicazione) per scopi specifici. Il modello ISO-OSI Applicazione Applicazione Presentazione Presentazione Sessione Sessione Trasporto Trasporto Rete Rete Rete Rete Data Link DL DL Data Link fisico fisico fisico Sottorete di comunicazione fisico

17 ISO-OSI e TCP-IP ISO-OSI e TCP-IP

18 Il livello di rete Il livello di rete serve a collegare fra loro reti locali differenti (per cui si parla di inter-networking). Il dispositivo fondamentale per il livello di rete è il router. Il router connette fra loro reti eterogenee svolgendo funzioni ai livelli di rete, data-link e fisico. Le due funzioni fondamentali del router sono: 1) Conversione di frame eterogenei (in modo da adattarli a reti con livello fisico e data-link diverso) 2) Comunicazione fra reti eterogenee (instradamento o routing) Il livello di rete In questo modo le reti geografiche risultano composte da una parte centrale (la sottorete di router, con topologia a maglia incompleta) e da una parte periferica (le reti locali interconnesse dai router).

19 Il router Il router è collegato alla rete locale, e quando trova un messaggio il cui destinatario non è sulla rete locale lo prende e lo spedisce all esterno. Dal momento che la maglia è incompleta il router non è direttamente connesso a tutti gli altri router della WAN. Pertanto, il router deve trovare un percorso (possibilmente il più rapido) attraverso la sottorete dei router per raggiungere il destinatario. Questa ricerca è svolta tramite degli algoritmi di routing che usano delle tabelle di routing. Per vedere le tabelle di routing occorre andare nel prompt dei comandi e scrivere: route PRINT Routing Il routing (instradamento) si definisce statico se il router (instradatore) che spedisce il messaggio stabilisce lui stesso a priori tutto il percorso. Il routing si definisce invece dinamico se il percorso viene stabilito progressivamente dai vari router attraverso i quali passa il messaggio prima di arrivare a destinazione. Il routing dinamico tiene conto del traffico presente sulla rete al momento della trasmissione: pertanto è più efficiente del routing statico ma anche più complicato da gestire (i router devo scambiarsi di continuo informazioni sul traffico).

20 Protocollo TCP/IP Il più diffuso protocollo per i livelli di rete e trasporto (per intenderci, quello usato su Internet) si chiama protocollo TCP-IP. Il protocollo IP (Internet Protocol) si applica al livello di rete. Il protocollo TCP (Transmission Control Protocol) si applica a livello di trasporto. I protocolli dei livelli successivi, quelli di sessione, presentazione e applicazione utilizzano il collegamento creato dal livello di trasporto (che a sua volta usa la sottorete di comunicazione) per scopi specifici. L insieme di questi protocolli definisce la pila TCP-IP La pila TCP/IP

21 I dati trasmessi A livelli più vicini all utente (sessione, presentazione e applicazione) i dati trasmessi costituiscono il messaggio. A livello di trasporto il messaggio è rappresentato da una serie di segmenti. Al livello di rete il messaggio è rappresentato da una serie di pacchetti. Al livello data-link il messaggio è rappresentato da una serie di frames. Livello di rete: protocollo IP Il più importante protocollo del livello di rete è IP (Internet Protocol). Le sue funzioni principali sono tre: 1. Individuazione dei computer con un indirizzo indipendente dall hardware 2. Strutture dei pacchetti e regole per il loro instradamento tramite i router 3. Regole di frammentazione (eventuale suddivisione del singolo pacchetto in più frame in base alla rete locale da attraversare)

22 Gli indirizzi IP L indirizzo IP è una sequenza di 32 bit che individua l host in maniera unica sull intera rete geografica. L indirizzo IP viene rappresentato come una serie di 4 cifre in [0, 255] separate dal punto. Ciascuna cifra rappresenta un pacchetto da 8 bit. Esempio: L indirizzo IP è sempre composto da due parti: 1. l indirizzo di rete (che individua la rete locale) 2. l indirizzo dell host (che individua il singolo elemento della rete locale) Gli indirizzi di host non possono avere né tutti zero (= indirizzo della rete) né tutti uno (= indirizzo di broadcast remoto) Gli indirizzi IP Per separare l indirizzo di rete dall indirizzo dell host si una sequenza di 32 bit che si chiama subnet mask ed è composta da una sequenza di 1 seguita da una sequenza di 0: gli 1 indicano le posizioni dell indirizzo di rete, gli 0 le posizioni dell indirizzo di host. A seconda della subnet mask usata, si distinguono tre classi di indirizzi: Classe A: (per reti locali grandi) Classe B: (per reti locali medie) Classe C: (per reti locali piccole)

23 Protocollo IP: il ruolo dei router Gli indirizzi IP: la scelta fra rete locale e instradamento

24 Gli indirizzi IP: pacchetto in locale e pacchetto instradato Il pacchetto IP Dimensione: da 1500 byte a 64 KB Versione(4) IHL(4) Tipo di Servizio(8) Lunghezza Totale(16) Id del Datagramma(16) Time To Live(8) Protocollo(8) Flag(3 ) Offset di Frammentazione(13) Checksum dello header(16) Indirizzo IP sorgente(32) Indirizzo IP destinazione(32) Opzioni Padding Dati

25 Protocollo IP Abbiamo visto che il protocollo IP opera al livello di rete definendo indirizzi a 32 bit detti indirizzi IP che permettono di identificare univocamente gli host di una rete geografica composta di tante reti locali. Abbiamo visto che questi indirizzi sono composti da una parte relativa alla rete locale e da una parte relativa al singolo host; la struttura che permette di identificare le due parti si chiama subnet mask. Abbiamo visto infine che il router è il dispositivo in grado di identificare gli indirizzi IP e quindi di decidere se un pacchetto deve restare sulla rete locale oppure essere instradato all esterno. Indirizzi IP privati Poiché la domanda di indirizzi IP è maggiore della quantità disponibile, si è deciso di distinguere fra indirizzi IP pubblici (validi universalmente) e indirizzi IP privati (validi solo su una rete locale, e quindi riciclabili da una rete all altra). Gli indirizzi privati hanno dei valori specifici che non vengono utilizzati come indirizzi pubblici: ad esempio per la classe A si usano indirizzi 10.x.x.x, per la classe B: 172.x.x.x, per la classe C: x.x

26 Protocolli integrativi del livello di rete Il protocollo fondamentale del livello di rete è l IP, ma ci sono altri due protocolli che svolgono un ruolo decisivo: NAT (Network Address Translation): permette di tradurre gli indirizzi IP privati in indirizzi pubblici e viceversa, in modo da garantire un accesso temporaneo a Internet ai computer che hanno soltanto un indirizzo IP privato. ARP (Address Resolution Protocol): permette di tradurre gli indirizzi IP della rete locale in indirizzi MAC, in modo da poter spedire effettivamente il pacchetto sulla rete. Un host ha una tabella detta ARP cache che viene caricata con richieste broadcast. NAT

27 ARP ARP

28 Livello di trasporto Il protocollo fondamentale del livello di trasporto è il TCP (Trasmission Control Protocol), che usa il connessione resa possibile dal livello di rete per gestire la trasmissione dei dati (fa per la rete geografica quel che il data link faceva nella rete locale), in maniera sicura e affidabile. In alternativa al TCP si può usare l UDP (User Datagram Protocol), che è più veloce ma meno affidabile perché non usa il checksum (viene usato ad esempio nelle videoconferenze e nel VOIP). In termini tecnici si dice che TCP è orientato alla connessione mentre UDP non lo è. Protocollo TCP Il livello di trasporto fa da mediatore fra la connessione di rete e le applicazioni che la usano per comunicare fra loro. Al livello di trasporto si devono quindi poter identificare non solo gli host, ma anche le applicazioni che stanno comunicando. A questo scopo, TCP associa a ciascuna applicazione un valore a 16 bit detto porta. Esempi di well-known ports (porte riservate): Server Web (80), FTP (20, 21), SMTP (25), DNS (53)

29 Protocollo TCP La coppia (porta + indirizzo IP) si chiama socket; un applicazione che comunica su internet è identificata in maniera univoca dal suo socket: la porta dice di quale programma si tratta, mentre l IP dice su quale host gira. I dati al livello TCP si definiscono segmenti; hanno dimensioni da 1500 byte a 64 KB, e si incapsulano nei pacchetti; nell intestazione TCP si trovano: Numero di porta sorgente (16 bit) Numero di porta destinazione (16 bit) Cheksum (16 bit) Il livello di applicazione Sul livello di trasporto può innestarsi direttamente il livello di applicazione (che all occorrenza ingloba il livello di sessione, per gestire una serie di comunicazioni successive, e il livello di presentazione, per rappresentazione, compressione e criptaggio dei dati). I protocolli del livello di applicazione definiscono le regole che i programmi devono seguire per una comunicazione che abbia uno scopo determinato. Le principali applicazioni di internet sono il World Wide Web (protocollo HTTP), la posta elettronica (SMTP + POP3), il trasferimento di file (FTP) e la connessione remota (Telnet).

30 Protocolli del livello di applicazione HTTP (HyperText Transfer Protocol) Permette di trasferire da un applicazione webserver (Apache, IIS) a un applicazione web-client (browser: Explorer, Firefox, Chrome) una pagina codificata nel linguaggio HTML (HyperText Markup Language). SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) Permette di inviare messaggi di posta elettronica POP3 (Post Office Protocol) Permette di scaricare messaggi di posta elettronica da un mail-server Protocolli del livello di applicazione FTP (File Transfer Protocol) Permette di scaricare (download) o caricare (upload) file. Serve fra l altro ad aggiornare i siti. DNS (Domain Name System) Permette di convertire i nomi URL (Uniform Resource Locator) delle pagine negli indirizzi IP degli host dove queste pagine si trovano. Struttura dei nomi URL: [protocollo]://[servizio].[dominio].[regione]/[cartella]/[file] Es.: Per conoscere l indirizzo IP di un sito il browser interroga un server DNS (del quale deve conoscere l IP), che fa parte di una rete gerarchica.

31 Schema riassuntivo Il flusso dei dati

32 Comunicazione tramite socket Sicurezza: firewall e proxy Il firewall e il proxy sono due servizi aggiuntivi (realizzabili sia in hardware sia in software) che servono a potenziare la sicurezza di una rete locale (intranet) connessa a Internet, cioè a impedire accessi non autorizzati ai dati presenti negli host della rete locale. Il firewall ( muro di fuoco ) si interpone fra la rete locale e Internet controllando gli accessi verso l esterno e verso l interno della rete locale. Il firewall filtra segmenti TCP e pacchetti IP in base a regole (indicazioni di indirizzi e porte pericolose).

33 Sicurezza: firewall e proxy Il firewall può offrire anche servizi di NAT e può essere integrato col router. Il firewall a tre punte permette l accesso dall esterno soltanto a server pubblici presenti sulla rete locale (DMZ: DeMilitarized Zone). Il proxy effettua controlli aggiuntivi gestendo profili di utenti (interni ed esterni); offre inoltre il caching (memorizzazione in locale, fino a nuovo aggiornamento) delle pagine web più visitate. Sicurezza: firewall e proxy