Le reti telematiche. Laboratorio di Informatica AA 2006/2007. Le reti telematiche

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1 Le reti telematiche 1 Le reti telematiche Tra le tecnologie del XX secolo dominano l elaborazione e la distribuzione delle informazioni Nascono le reti di telecomunicazioni Si sviluppano le componenti hw e sw dei calcolatori Dagli anni 70 informatica e telecomunicazioni convergono nelle reti telematiche 2 1

2 Le reti telematiche Una rete consiste in un certo numero di dispositivi autonomi interconnessi capaci di comunicare e di condividere le proprie risorse con gli altri 3 Le reti telematiche 1/6 Permettono di condividere risorse dati (database remoti o distribuiti), programmi elaboratori, dischi, stampanti 2/6 Migliorano l affidabilità del sistema replicazione 3/6 Realizzano grandi sistemi di calcolo a partire da tanti piccoli elaboratori sistemi distribuiti 4 2

3 Le reti telematiche 4/6 Permettono di accedere a informazioni remote database 5/6 Permettono di comunicare tra persone , chat, irc, news, bbs, videoconferenza scambio di file 6/6 Forniscono intrattenimento video on demand, musica on-line, giochi di rete 5 Schema di comunicazione sorgente (messaggio) sistema di trasmissione canale di trasmissione trasmettitore (segnale) ricevitore rumore destinatario (messaggio) 6 3

4 Problemi da affrontare Come mettere in comunicazione più sorgenti e più destinatari schemi di connessione (topologia) tecnologie di trasmissione Come trasmettere i segnali in modo affidabile e efficiente mezzi di trasmissione (canali e dispositivi) codifiche e protocolli (software) 7 Le reti telematiche Una rete consiste di calcolatori eventualmente con compiti differenziati nodi terminali calcolatori e periferiche dispositivi e canali di comunicazione (per il trasferimento fisico dei dati) modem, cavi, onde,... Software di gestione della rete 8 4

5 Le reti telematiche Componenti principali computer: strutturati gerarchicamente o allo stesso livello canali di comunicazione doppino telefonico, fibre ottiche, infrarossi,... DEFINIZIONE: nodi terminali: i punti di ingresso/uscita dei dati microcomputer e periferiche (stampanti, fax, ecc.) PC con il ruolo di terminali e computer stand-alone 9 Le reti telematiche Insieme di canali, protocolli, apparati di rete che collegano tra loro computer distinti i canali (dedicati/condivisi) trasportano fisicamente le informazioni opportunamente codificate i protocolli definiscono le regole e il modo per trasferire le informazioni standard pubblici/proprietari gli apparati di rete codificano l informazione e la inviano sui canali 10 5

6 Le reti telematiche Componenti principiali di una rete di calcolatori (definizione): 1) calcolatori e altri dispositivi (nodi terminali e non); 1a) calcolatori (nodi terminali); 1b) altri dispositivi (nodi terminali); 1c) calcolatori (nodi interni ); 2) canali di comunicazione; 3) protocolli. NB nei calcolatori sono inclusi in questo caso i dispositivi utilizzati per l accesso ai canali di comunicazione (es. modem, scheda wireless, ) 11 I canali di comunicazione Canali guidati doppino telefonico cavo coassiale fibra ottica Canali non guidati onde radio micro onde infrarossi Canali guidati 12 6

7 I canali di comunicazione Tipo doppino telefonico micro onde satellite cavo coassiale fibra ottica Velocità min. 300 bps 256 Kbps 256 Kbps 56 Kbps 500 Kbps Velocità max. 10 Mbps 100 Mbps 100 Mbps 200 Mbps 10 Gbps 13 I canali di comunicazione Esempio di sistema a collegamento misto 14 7

8 Le reti di calcolatori Sono caratterizzate in base a scala (distanza tra i nodi) topologia (schema di connessione tra i nodi) organizzazione (gerarchica/paritetica) tecnologia di trasmissione (broadcast/peer to peer) standard di comunicazione (ISO-OSI/TCP- IP) 15 Scala Interna all elaboratore Locale (LAN) metropolitana (MAN) geografica (WAN) internetwork (rete di reti) 16 8

9 Reti interne all elaboratore Collegano i processori delle macchine parallele o multiprocessore occupano spazi molto ridotti (0.1m - 1m) Molto veloci Seguono standard proprietari Hanno topologie particolari formano strutture con particolari proprietà (alberi, maglie, ipercubi) 17 Rete locale LAN (Local Area Network) Collega i computer di una stanza, edificio, campus (si estende al più per pochi chilometri) E mediamente veloce (100 Mbps/1 Gbps): il tempo max di connessione è legato alle dimensioni della rete E in genere privata: i cavi sono utilizzati in modo esclusivo dal proprietario 18 9

10 Rete locale Spesso è una rete broadcast a bus: cavo lineare condiviso su cui sono collegati tutti i computer della rete e sul quale i computer trasmettono a turno (secondo una regola di arbitraggio) e ascoltano simultaneamente (Ethernet) ad anello: tutti i computer sono collegati su un anello in cui ruotano i bit; i computer trasmettono a turno secondo una regola di arbitraggio (Token ring) 19 Rete metropolitana MAN (Metropolitan Area Network) Collega i computer di edifici a livello cittadino Usa spesso la tecnologia delle LAN, ma esiste uno standard specifico (Distr. Queue Dual Bus) Può trasportare dati e voce Può essere privata o pubblica E mediamente veloce 20 10

11 Rete geografica WAN: Wide Area Network Collega i computer sul territorio nazionale Usa linee di comunicazione a larga banda e pubbliche (linee telefoniche - point to point, canali satellitari - broadcast) Ha una topologia complessa La velocità è dell ordine dei Kb/s-Mb/s 21 Rete geografica Usa router o elementi di commutazione computer specializzati per collegare linee di trasmissione decidono su quale linea in uscita instradare l informazione L insieme delle linee di comunicazione e router viene detto sottorete La topologia è molto complessa e irregolare 22 11

12 Per connettere Reti di reti più reti dello stesso tipo reti di tipo diverso I segnali trasmessi in rete devono essere amplificati per arrivare più lontano convertiti per essere trasferiti a una rete diversa inviati nella giusta direzione 23 Reti di reti Aggregazione di varie reti Tecnologia e scala diverse Hardware e software complessi Gateway come elementi di collegamento traducono i formati dei pacchetti conoscono il software di entrambe le reti che vogliono collegare Internet - la rete delle reti 24 12

13 Dispositivi di rete Reti di reti ripetitori: rigenerano ed amplificano i segnali ponti (bridge): connettono reti che utilizzano dispositivi fisici diversi instradatori (router): instradano un messaggio da un nodo in una rete ad un nodo in un altra rete gateway: collegano reti che utilizzano protocolli di comunicazione diversi 25 Reti di reti Reti che utilizzano canali di Recupero del trasmissione LAN segnale LAN diversi LAN Ripetitore Ponte Internet Instradatore Quale è il percorso migliore per i dati? Sistema telefonico Gateway Reti che utilizzano protocolli di trasmissione diversi 26 13

14 Le reti di calcolatori Sono caratterizzate in base a scala (distanza tra i nodi) topologia (schema di connessione tra i nodi) organizzazione (gerarchica/paritetica) tecnologia di trasmissione (broadcast/peer to peer) standard di comunicazione (ISO-OSI/TCP- IP) 27 Topologia Rappresentata mediante grafi vertici: nodi della rete computer (host) e terminali apparati di rete o elementi di comunicazione (router, gateway) archi: connessioni tra i nodi cavi, collegamenti satellitari, micro onde Nodo Arco 28 14

15 Topologia La topologia, cioè lo schema di connessione tra i nodi, può essere a bus o lineare anello stella albero maglia Topologia a bus (o lineare) Tutti i computer sono collegati ad un cavo lineare condiviso sul quale trasmettono a turno (secondo una predefinita regola di arbitraggio) e ascoltano simultaneamente 30 15

16 Topologia ad anello Tutti i computer sono collegati su un anello I computer trasmettono a turno, secondo una regola di arbitraggio prestabilita I dati inviati da un nodo percorrono l anello fino a quando raggiungono il destinatario Es: Token ring 31 Topologia a stella Tutti i nodi sono collegati ad un calcoltore centrale (host), che riceve i dati inviati dalle sorgenti e li smista ai destinatari 32 16

17 Altri schemi di connessione sono varianti o combinazione dei precedenti Es.: topologia ad albero Topologia 33 Topologia a maglia 34 17

18 Topologia e scala Al crescere della scala della rete, la topologia si complica! Non esiste un gestore della rete; Esistono molti percorsi per attraversare la rete (robustezza). 35 Le reti di calcolatori Sono caratterizzate in base a scala (distanza tra i nodi) topologia (schema di connessione tra i nodi) organizzazione (gerarchica/paritetica) tecnologia di trasmissione (broadcast/peer to peer) standard di comunicazione (ISO-OSI/TCP- IP) 36 18

19 Organizzazione Client/server organizzazione gerarchica il server gestisce centralmente la condivisione delle risorse e la sicurezza della rete i client fanno le richieste al server Peer to peer (punto a punto) organizzazione paritetica ogni stazione si occupa di propri problemi di gestione 37 Le reti di calcolatori Sono caratterizzate in base a scala (distanza tra i nodi) topologia (schema di connessione tra i nodi) organizzazione (gerarchica/paritetica) tecnologia di trasmissione (broadcast/peer to peer) standard di comunicazione (ISO-OSI/TCP- IP) 38 19

20 Trasmissione broadcast Tutti i nodi condividono un unico canale di comunicazione L informazione spedita viene ricevuta da tutti i nodi della rete, solo la destinazione la elabora Due tecniche di accesso al canale di comunicazione a contesa (risolve i conflitti): protoc. a collisione non a contesa (evita i conflitti): protoc. a gettone 39 Reti wireless Versione evoluta della radio di Marconi Possono essere mobili o statiche modello cellulare (telefonia) modello a infrarossi (periferiche senza cavo) Usate in campo militare e in caso di disastri Sempre più diffuse nel mondo commerciale Meno veloci di quelle via cavo, più soggette a errore e interferenza nelle trasmissioni 40 20

21 Trasmissione punto a punto Connessioni tra coppie di nodi L informazione raggiunge la destinazione attraversando i nodi intermedi sul cammino dalla sorgente ad essa ciascun nodo intermedio deve sapere in quale direzione far proseguire l informazione ricerca del cammino tolleranza ai guasti grazie a cammini multipli 41 Trasmissione punto a punto Reti dedicate (es. reti private) costi di installazione e mantenimento elevati disponibilità di tutto il canale Reti commutate: strutturate gerarchicamente rete di trasmissione: canali di trasmissione e IMP (Interface Message Processor, per l instradamento e la verifica di correttezza) rete di calcolatori, rete di utenti 42 21

22 Trasmissione punto a punto Reti commutate - strategie di instradamento commutazione di circuito modello dei collegamenti telefonici crea un canale logico temporaneo dedicato, costituito da una successione di connessioni tra i nodi della rete commutazione di pacchetto modello delle spedizioni postali informazione suddivisa in pacchetti di dati di piccole dimensioni (Kbyte) 43 Tecnologie di trasmissione Commutazione di pacchetto i pacchetti sono le unità minime di trasmissione sono composti da intestazione (header) e dati (payload) sono instradabili indipendentemente contengono ciascuno mittente e destinatario e le informazioni necessarie per ricomporre i pacchetti nel formato originale dell informazione 44 22

23 Tipo di servizi Servizi orientati alla connessione si stabilisce una connessione tra sorgente e destinazione che vale per tutta la durata della connessione come nel telefono i dati arrivano nell ordine in cui sono stati spediti 45 Tipo di servizi Servizi primi di connessione non esiste connessione tra gli estremi possono essere inaffidabili con e senza conferma di ricezione come nel sistema postale i messaggi possono non arrivare nell ordine di spedizione 46 23

24 Tipi di servizi Servizi con garanzia di qualità (QoS: Quality of Service) sono affidabili non perdono mai i dati garantiscono tempi di consegna garantiscono una certa capacità di trasmissione (banda) trasmissione digitale di audio e video 47 Le reti di calcolatori Sono caratterizzate in base a scala (distanza tra i nodi) topologia (schema di connessione tra i nodi) organizzazione (gerarchica/paritetica) tecnologia di trasmissione (broadcast/peer to peer) standard di comunicazione (ISO-OSI/TCP- IP) 48 24

25 Standard di comunicazione Per poter comunicare, due calcolatori devono concordare delle convenzioni (o standard di comunicazione) relative a formato dei dati struttura dei pacchetti e informazioni di controllo velocità di trasmissione Standard di comunicazione A B pacco spedizioniere c. aerea container aereo pacco spedizioniere c. aerea container 50 25

26 Standard di comunicazione Organizzato a livelli per ridurne la complessità e aumentarne la flessibilità il numero dei livelli e le loro funzionalità dipendono dal tipo di rete ogni livello formalizza un particolare aspetto (livello di astrazione) della comunicazione ogni livello fornisce servizi per, e comunica fisicamente solo con, i due livelli adiacenti, superiore e inferiore (se esistono) 51 Organizzazione a livelli il mittente si occupa solo di preparare il pacco, scrivendo l indirizzo sul pacco; il mittente non si occupa di come il pacco sarà consegnato (es. via aerea, navale, ); il mittente non si interfaccia direttamente con la compagnia aera, della quale tra l altro non conosce le procedure per l invio di un pacco! lo spedizioniere deve interfacciarsi con il mittente e con la la compagnia aerea (tramite la consegna di un container riempito di materiale); lo spedizioniere conosce le procedure per l invio di un pacco con la compagnia aerea, e fornisce in questo modo un servizio al mittente. lo spedizioniere non si preoccupa di come saranno organizzati i container nel vano di carico dell aereo! La compagnia aerea non sa cosa c è nei pacchi, non sa cosa c è nei container, si occupa solo di organizzare il trasporto dei container da un posto all altro Non si interfaccia direttamente con mittente e destinatario! 52 26

27 Standard di comunicazione Livelli adiacenti comunicano mediante interfacce definiscono le operazioni primitive e i servizi che il livello sottostante offre a quello soprastante sono strutturate in modo da ridurre al minimo gli scambi di informazione 53 Standard di comunicazione Le regole per la comunicazione sui vari livelli si chiamano protocolli stabiliscono come la comunicazione deve procedere e il formato dei pacchetti ogni protocollo aggiunge un intestazione al messaggio con le informazioni che servono al livello omologo all altro capo della comunicazione per interpretare il messaggio 54 27

28 Standard di comunicazione L insieme dei protocolli usati ai vari livelli di una rete è detto pila dei protocolli L insieme dei livelli e di protocolli si chiama architettura di rete 55 Esempio di livelli A B livello 4 interfaccia di livello 3-4 protocollo di livello 4 livello 4 livello 3 protocollo di livello 3 livello 3 interfaccia di livello 2-3 livello 2 interfaccia di livello 1-2 protocollo di livello 2 livello 2 livello 1 protocollo di livello 1 livello 1 mezzo fisico 56 28

29 Lo standard ISO-OSI Applicazione application protocol data unit Applicazione Presentazione presentation protocol data unit Presentazione Sessione session protocol data unit Sessione Host A Trasporto transport protocol data unit livello della sottorete di comunicazione Trasporto Host B Rete packet packet packet Rete Rete Rete Data link frame Data link frame Data link frame Data link Fisico bit Fisico bit Fisico bit Fisico 57 Lo standard ISO-OSI Ricostruzione parziale dei dati (fino al livello di rete) nei nodi intermedi, per l instradamento dei dati. Numero massimo di nodi raggiungibili (64) per evitare il ricircolo infinito di pacchetti di dati in rete

30 Il modello ISO-OSI I messaggi vengono scomposti in pacchetti, l unità di informazione scambiata dagli Interface Message Processor (IMP) Gli IMP possono includere 3 livelli (instradatori) 2 livelli (ponti) 1 livello (ripetitori) tutti i livelli (gateway) 59 L architettura TCP/IP Trasmission Control Protocol/Internet Protocol sviluppato per consentire l interoperabilità tra reti fisiche diverse, definito nel 1974 da Vinton Cerf Composto da 5 livelli applicazione trasporto internet accesso alla rete fisico TCP IP 60 30

31 TCP/IP: livelli fisico e rete Livello fisico le caratteristiche del mezzo di trasmissione la natura dei segnali la velocità di trasmissione Livello di accesso alla rete dati organizzati in trame (frame) instradamento all interno di una rete l architettura non specifica alcun requisito (Ethernet, ARPANet, packet radio,...) 61 TCP/IP: livello internet Usa l Internet Protocol Definisce un tipo di pacchetto in cui spezza i dati che riceve dal livello superiore Definisce lo schema di indirizzamento Gestisce l attraversamento di reti diverse (router) Trasparente all utente finale 62 31

32 TCP/IP: livello internet Sistema di tipo senza connessione (non affidabile) privo di connessione verifica l integrità dell intestazione ma non quella dei dati non garantisce né l ordine di consegna né la consegna i pacchetti possono seguire percorsi diversi 63 TCP/IP: livello trasporto Organizza in pacchetti la sequenza di byte da trasmettere, la riorganizza all arrivo Usa il TCP orientato alla connessione (affidabile) garantisce la consegna e l ordine dei pacchetti garantisce la correttezza dei byte trasmessi (ritrasmette in caso di errore) controlla il flusso perché un ricevente lento non soffochi a causa di un trasmittente veloce 64 32

33 TCP/IP: livello trasporto Può usare lo User Datagram Protocol (UDP) privo di connessione non garantisce l ordine dei pacchetti inaffidabile veloce non controlla la correttezza adatto per servizi in cui il tempo di risposta è più importante della correttezza (video, audio) 65 TCP/IP: livello applicazione TCP/IP non è orientato ad alcuna specifica applicazione Il livello di applicazione di TCP/IP specifica come un applicazione può utilizzare l insieme dei protocolli TCP/IP, fornendo quindi la possibilità di comunicazione tra applicazioni eseguite su calcolatori diversi Protocolli applicativi: definiti al di sopra di TCP/IP 66 33

34 TCP/IP: livello applicazione Contiene i protocolli di alto livello che i prodotti software usano per offrire servizi Ogni protocollo è associato a una porta la coppia <indirizzo della macchina, porta> individua univocamente la connessione serve per smistare le varie connessioni ai vari protocolli La connessione viene stabilita solo se è presente il servizio su quella data porta 67 L architettura TCP/IP E un eccellente piattaforma per la realizzazione di applicazioni client-server affidabili Permette di condividere informazioni tra organizzazioni diverse connesse ad Internet E implementata nella gran parte dei sistemi operativi 68 34

35 Applicazioni TCP/IP Protocolli applicativi i protocolli di alto livello che i prodotti software usano per offrire servizi agli utenti finali offrono una comunicazione basata su un architettura di tipo client-server 69 Architettura client-server In un architettura client-server ci sono due calcolatori connessi alla rete un client che sottopone richieste al server un server in grado di rispondere alle richieste formulate da un client 70 35

36 Architettura client-server L architettura client-server è alla base di tutti i servizi applicativi di Internet La comunicazione fra client e server può avvenire solo se i due hanno stabilito un protocollo di comunicazione 71 Applicazioni TCP/IP Connessione a calcolatori remoti: il proprio calcolatore è impiegato come terminale a interfaccia numerica telnet (porta 23) Trasferimento di file tra calcolatori FTP: File Transfer Protocol (porta 21) 72 36

37 Applicazioni TCP/IP Posta elettronica: consente agli utenti di scambiarsi messaggi SMTP: Simple Mail Transfer Protocol (porta 25) POP: Post Office Protocol - lettura remota della posta elettronica (porta 110) IMAP: Internet Message Access Protocol - lettura remota della posta elettronica (porta 143) 73 Applicazioni TCP/IP News: messaggistica all interno di gruppi di interesse (newsgroup) NNTP: Network News Transfer Protocol (porta 119) DNS: Domain Name Service - rubrica (porta 53) 74 37

38 Applicazioni TCP/IP World Wide Web: consultazione interattiva di ipermedia con modalità pointand-click HTTP: HyperText Transfer Protocol (porta 80) accesso ad altri servizi posta elettronica scaricamento file 75 La rete delle reti Internet 76 38

39 Internet Definizioni una rete di reti basate sul protocollo TCP/IP un insieme di risorse informative che tale rete rende disponibili una comunità di individui che usa tale rete per comunicare informarsi apprendere effettuare transazioni finanziarie Vantaggi Vantaggi e svantaggi il suo utilizzo è alla portata di tutti incoraggia la comunicazione tutti i suoi utenti sono uguali permette di reperire e di produrre informazione Svantaggi contiene barriere di tipo culturale, linguistico, economico e tecnologico 78 39

40 Nascita di Internet Durante la guerra fredda il Dipartimento per la difesa degli Stati Uniti finanziò vari progetti di ricerca al fine di preservare le telecomunicazioni in caso di attacco nucleare Non esiste alcun mezzo per garantire la funzionalità di un centro di telecomunicazioni sottoposto a un attacco nucleare. La soluzione non può essere di tipo fisico: deve essere di tipo logico 79 Internet Progetto del Department of Defense- ARPANet (Defense) Advanced Research Project Agency risposta allo Sputnik sovietico del 1957 sponsorizza la ricerca presso università e laboratori di ricerca La rete è di uso esclusivo militare e di ricerca 80 40

41 Nascita di Internet Il progetto ARPANet (Advanced Research Project Agency Network) decentralizza la gestione delle telecomunicazioni permette all informazione di raggiungere la destinazione attraverso differenti cammini rende dinamica la ricerca dei percorsi su cui veicolare l informazione 81 Nascita di Internet ARPANet fu attivata nell autunno del 1969 mettendo in connessione quattro elaboratori Honeywell 516 dotati di 12 KB di memoria nei seguenti nodi UCLA: University of California Los Angeles UCSB: University of California Santa Barbara SRI: Stanford Research Institute UTAH: University of Utah 82 41

42 ARPANet ARPANet

43 ARPANet ARPANet

44 Immagini della rete tlas/atlas.html 87 Da ARPANet ad Internet ARPANet nasce nel 1969, negli anni 70 si espande comprendendo università e centri di ricerca Nel 1971 viene integrata la posta elettronica, nel 1972 il protocollo telnet per la connessione remota 1973: Internet in Europa, Ethernet, FTP 88 44

45 Da ARPANet ad Internet Nel 1974 viene proposto per ARPANet il protocollo TCP/IP per superare le difficoltà di connessione tra reti diverse (poi integrato in UNIX, UC Berkeley) Negli anni 80 si iniziano a collegare ad ARPANet anche reti locali: la rete comincia a contare migliaia di nodi 89 Da ARPANet ad Internet Nel 1983 i militari si staccano dalla rete in continua espansione, formando MILnet; viene integrato il DNS Tra gli anni 80 e 90 all interno di ARPANet si formano network distinti (NSFnet, BITnet,...) Internet sostitusice gradatamente ARPANet utilizzando NFSnet come nuova dorsale ARPANet viene dismessa a partire dal

46 Da ARPANet ad Internet Nel 1991 viene proposto http e il WWW (CERN, Ginevra) Nel 1994 Al Gore parla esplicitamente di Information Superhighways al discorso presso l International Telecommunications Union La rete diventa anche commerciale, sono possibili connessioni dial-up 91 Da ARPANet ad Internet Nel 1995 viene integrato il protocollo SSH Le dimensioni di Internet tendono a raddoppiare ogni anno Nel 2000 Internet conta milioni di host; sono disponibili a prezzi ragionevoli connessioni broadband 92 46

47 Crescita di Internet Andamento temporale del numero di host collegati a Internet dal 1969 al 2003 (Fonte: Hobbes Internet timeline) 93 Densità dei nomi di dominio registrari nell area di San Francisco (downtown) nel 1998 E oggi? 94 47

48 E domani? Mappa delle antenne wireless negli Stati Uniti 95 Riassunto Introduzione alle reti telematiche; Componenti di una rete; Caratterizzazione di una rete (scala, topologia, organizzazione, tecnologia di trasmissione, standard di comunicazione); Livelli nella rete; Protocolli nella rete; Breve storia di Internet

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