Architettura delle reti. Versione del 4 marzo 2004
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- Susanna Ferrero
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1 Architettura delle reti Versione del 4 marzo 2004
2 Reti di calcolatori Una rete di calcolatori è costituita da molti calcolatori (nodi o host della rete) collegati tra loro che interagiscono usufruendo dei servizi di rete per lo scambio delle informazioni. L architettura (o struttura) di una rete di calcolatori è definita da: un insieme di tipi di mezzi trasmissivi; la modalità di connessione dei calcolatori e degli altri apparati di rete; il protocollo di comunicazione comune ai nodi collegati
3 Reti di calcolatori Tecnologia di rete: insieme di tipi di mezzi trasmissivi e di regole di connessione. Parametri della tecnologia: distanza, velocità di trasmissione (bit al secondo), costo. Protocollo di comunicazione: è un insieme di regole che consentono di trasformare il segnale fisico in "dati riconoscibili : governano la modalità di scambio di informazioni tra nodi di una stessa rete; sono specificate a partire dal livello applicativo fino al livello fisico di trasmissione
4 Mezzi trasmissivi La comunicazione tra due calcolatori avviene attraverso un mezzo trasmissivo (guidato o non guidato), come per es.: doppino di rame; cavo coassiale; fibra ottica; onde elettromagnetiche; porte a infrarossi;. o una loro combinazione
5 Modalità di connessione: a commutazione di circuito Connessione dedicata tra due nodi (non adiacenti): è una connessione diretta, punto a punto; garantisce una banda (per es. 64 Kbit/s); tipicamente basata su linee telefoniche; lo sfruttamento della banda non è generalmente continuo: (ad es. occupo la linea senza sfruttarne la banda quando leggo una pagina Web che ho appena scaricato in locale); elevati costi per connessione. A A p q p q s r s r B B A seguito della richiesta di connessione, viene creato un circuito fisico da A a B
6 Modalità di connessione: a commutazione di pacchetto Il canale è unico, ma il traffico è diviso in piccoli messaggi (pacchetti) di poche e variabili centinaia di byte: Quando un calcolatore collegato in rete non utilizza la banda, questa può essere utilizzata da altri calcolatori, consentendo più comunicazioni simultanee. Non è garantito il percorso effettuato dai messaggi. Non garantendo il percorso seguito dai messaggi, si realizza un servizio che può essere: A circuito virtuale o connection oriented (per es. TCP): mantiene l ordinamento dei messaggi durante la trasmissione. A datagramma o connectionless (IP): ogni messaggio è trattato in modo indipendente durante la trasmissione. In ricezione è garantita la ricostruzione del messaggio originario
7 Commutazione di pacchetto A p q Percorso messaggio 1: A... p q r B s r Percorso messaggio 2: A... p s r B B A seguito della richiesta di connessione la rete non crea nessun collegamento
8 Categorie di reti LAN (local area network) velocità 4 Mbps - 2 Gbit/s MAN (metropolitan area network) velocità 56 Kbit/s Mbit/s WAN (wide area network) velocità 9.6 Kbit/s - 1 Gbit/s La maggior parte delle reti è stata standardizzata: IEEE (Ethernet): di tipo LAN Fast Ethernet: di tipo LAN Token-Ring (IBM): di tipo LAN - 8 -
9 Internetworking - Interconnessione tra reti diverse La comunicazione tra calcolatori anche se su reti differenti è difficile ma irrinunciabile. Una rete di reti è detta internet (con la i minuscola). Una internet è definita fornendo i protocolli per trasferire le informazioni tra le varie reti (ad es. TCP/IP). I protocolli internet consentono la comunicazione tra macchine non collegate alla stessa rete. Terminologia internet: una rete di reti. Internet (INTERconnected NETwork): la più diffusa internet del mondo. TCP/IP: il più diffuso protocollo per creare internet, ed usato da Internet. intranet: una rete privata basata sulle stesse tecnologie di Internet. extranet: diverse intranet collegate tra loro
10 Stratificazione dei protocolli Le applicazioni distribuite in rete fanno riferimento ai protocolli (stratificati) utilizzati nei singoli nodi della rete, indipendentemente da: L implementazione fisica della macchina (HW+SO). L implementazione di alcuni strati del protocollo di comunicazione di rete stesso. Deve essere condiviso il protocollo applicativo e il protocollo di internetworking (ad es. TCP/IP), cioè il protocollo di comunicazione in rete. Il protocollo di comunicazione in rete è in generale una una famiglia (o suite) di protocolli: La suddivisione in strati di protocolli consente di dividere un problema complesso in più sottoproblemi ed una migliore analisi di ogni singolo protocollo. I vari protocolli gestiscono differenti problemi
11 I protocolli stratificati ISO/OSI: descrive in modo stratificato le funzioni astratte che devono essere fornite da una architettura di comunicazione tra nodi di applicazione: servizi direttamente utilizzabili dall'utente. E' l'insieme delle interfacce per i programmi applicativi che utilizzano la rete (API) di presentazione: servizi direttamente utilizzabili dall'utente. Offre funzioni, non indispensabili, relative al formato delle informazioni da trasferire (ad es. compressione, crittografia) di sessione: servizi direttamente utilizzabili dall'utente. Gestisce una sessione di lavoro tra due utenti collegati in rete (protocolli diversi per tipologie di sessioni) di trasporto: Gestisce la trasmissione dei dati da trasferire tra un mittente e un destinatario, eventualmente suddividendo i dati in messaggi o pacchetti a dimensioni inferiori di rete: Gestisce la trasmissione del singolo messaggio (o pacchetto) tra un mittente e un destinatario e stabilisce il percorso attraverso nodi intermedi (routing) di collegamento dati: Definisce le regole di trasmissione tra due nodi fisicamente adiacenti fisico: Definisce la trasmissione dei singoli bit lungo il canale fisico internet protocol suite http, smtp, ftp, telnet... sono tutti protocolli applicativi che gestiscono vari tipi di sessioni in rete TCP e UDP IP
12 Applicazione distribuita ServerX Protocollo applicativo per es. interprete comandi ClientX Software TCP Protocollo TCP Software TCP Software IP Protocollo IP Software IP INTERFACCIA DI RETE protocolli della specifica rete driver della scheda di rete internet (IP) INTERFACCIA DI RETE protocolli della specifica rete driver della scheda di rete INTERFACCIA DI RETE protocolli della specifica rete driver della scheda di rete HARDWARE (scheda di rete) HARDWARE (scheda di rete) HARDWARE (scheda di rete)
13 Applicazione distribuita e interoperabilità Quali caratteristiche devono avere le architetture hardware e software su cui girano ServerX e ClientX? Nessuna specifica, fatto salvo che lo scambio di informazioni tra ClientX e ServerX deve avvenire utilizzando la stessa gerarchia di protocolli: protocollo applicativo (HTTP, SMTP, FTP, ecc) protocollo TCP protocollo IP
14 Protocollo IP (I) Maschera ai protocolli superiori l esistenza di tante reti diverse, presentandole come un unica internet. Accetta dal protocollo di livello superiore un messaggio (pacchetto da trasferire) dotato di un indirizzo IP e lo consegna al calcolatore (host) caratterizzato da quell indirizzo. Il messaggio IP si chiama datagramma Ogni calcolatore (host) collegato a una internet ha un suo proprio indirizzo (indirizzo IP): univoco: non esistono cioè due macchine di una stessa internet che abbiano indirizzo IP uguale; composto da netid e hostid, per un totale di 32 bit; tutte le macchine di una rete hanno lo stesso netid; una macchina collegata a 2 reti diverse ha 2 indirizzi IP diversi
15 Protocollo IP (II) Il software IP di una qualsiasi macchina è in grado di inviare un messaggio all IP di un altra qualsiasi macchina collegata alla stessa rete. Il passaggio di messaggi da una rete a un altra avviene tramite alcuni nodi specializzati, chiamati gateway, che sono fisicamente collegati ad ambedue le reti. Quindi un gateway è in grado di parlare e capire i protocolli di basso livello delle reti cui è fisicamente collegato. I gateway dispongono di tabelle di instradamento (routing) che consentono di instradare i messaggi verso la rete destinazione
16 Instradamento Messaggio da rete 1 a rete 2 rete 1 gateway 1 rete 2 gateway 2 rete 3 Messaggio da rete 1 a rete 3 Messaggio da rete 1 a rete 2 che.. lo rilancia a rete
17 Comunicazione tra due calcolatori (host) mittente protocolli applicativi trasporto (TCP) internet (IP) gateway con tabelle di routing internet (IP) destinatario protocolli applicativi trasporto (TCP) internet (IP) INTERFACCIA DI RETE protocolli della specifica rete driver della scheda di rete INTERFACCIA DI RETE protocolli della specifica rete driver della scheda di rete INTERFACCIA DI RETE protocolli della specifica rete driver della scheda di rete HARDWARE (scheda di rete) HARDWARE (scheda di rete) HARDWARE (scheda di rete)
18 Esempio di internet (Purdue University, 1980 circa) Ethernet Merlin (multi-home host) Guenever (ethernet host) Glatisant (gateway) Lancelot (ethernet host) Arthur (pronet host) pronet Taliesyn (gateway) ARPAnet
19 Protocollo IP (III) Il servizio realizzato da IP è la consegna del datagramma. Il datagramma è un pacchetto di bit contenente i dati e un intestazione (tra cui indirizzo mittente e indirizzo destinatario). La consegna del datagramma è: Senza connessione. Ogni pacchetto è trattato indipendentemente dagli altri. Inaffidabile. La consegna del messaggio al destinatario non è garantita, possono esservi pacchetti persi, duplicati, ritardati o consegnati fuori sequenza. Il mittente non ha riscontro dell avvenuta consegna. Best effort. Il software compie ogni tentativo per consegnare i pacchetti correttamente
20 Protocollo IP (IV) Il protocollo IP fornisce: formato esatto di tutti i dati trasferiti in una internet; funzioni di istradamento (routing), realizzato proprio in base all indirizzo IP: ogni gateway dispone di opportune tabelle (di routing) per l istradamento insieme di regole che inglobano l idea di consegna non affidabile. Limitazioni: non consente di distinguere più destinazioni di datagrammi all interno della stessa macchina (vede solo l indirizzo IP); non ha alcun meccanismo per gestire il problema della consegna non affidabile
21 Protocollo TCP (I) Per distinguere più connessioni verso uno stesso calcolatore, si introduce il concetto di porta, intesa come punto di destinazione di una connessione. Ogni porta TCP è identificata univocamente da un unsigned int. Un processo accede a una porta in modo sincrono e tamponato (buffered). Garantisce un servizio affidabile di trasporto di flusso (stream): orientamento al flusso (stream): trasmette sequenze di byte; connessione di circuito virtuale: chiamante e chiamato stabiliscono una connessione full-duplex utilizzando un circuito virtuale. In caso di fallimento, entrambi se ne accorgono; trasferimento tamponato (buffered); flusso (stream) non strutturato: per es. un messaggio può essere suddiviso su più pacchetti
22 Protocollo TCP (II) L affidabilità è una caratteristica imprescindibile. È basata sul riscontro positivo di ricezione (PAR - Positive Acknowledge with Retransmission) Il destinatario informa il mittente della ricezione del messaggio. Il mittente, se non ottiene riscontro dal destinatario entro un certo tempo (time-out), arguisce la perdita del pacchetto
23 Protocollo con riscontro positivo di ricezione Eventi nel mittente Messaggi sulla rete Eventi nel destinatario Trasmissione pacchetto 1 inizializzazione contatore di time-out Ricezione pacchetto 1 Ricezione riscontro (ack) 1 azzeramento time-out Trasmissione pacchetto 2 Trasmissione riscontro (ack) 1 Ricezione pacchetto 2 Trasmissione riscontro (ack) 2 Ricezione riscontro (ack)
24 Trasmissione con perdita di pacchetto Eventi nel mittente Trasmissione pacchetto 1 inizializzazione time-out Messaggi sulla rete Il pacchetto 1 va perso Eventi nel destinatario Mancata ricezione pacchetto 1 Mancata trasmissione riscontro (ack) 1 Mancata ricezione riscontro (ack) 1 Il time-out scade Ritrasmissione pacchetto 1 inizializzazione time-out Ricezione pacchetto 1 Trasmissione riscontro (ack) 1 Ricezione riscontro (ack)
25 Trasmissione contemporanea di più pacchetti Eventi nel mittente Trasmissione pacchetto 1 Trasmissione pacchetto 2 Trasmissione pacchetto 3 Trasmissione pacchetto 4 Ricezione ACK 1 Ricezione ACK 2 Ricezione ACK 3 Ricezione ACK 4 Messaggi sulla rete Eventi nel destinatario Ricezione pacchetto 1 Trasmissione ACK 1 Ricezione pacchetto 2 Trasmissione ACK 2 Ricezione pacchetto 3 Trasmissione ACK 3 Ricezione pacchetto 4 Trasmissione ACK
26 Protocollo TCP (III) - La stima del time-out Il TCP del destinatario deve: trasmettere ACK di ogni pacchetto ricevuto; scartare i pacchetti duplicati (cioè di quelli ritrasmessi dal mittente): questo è possibile perchè i pacchetti sono numerati progressivamente a partire dal messaggio originario. Possono esistere pacchetti duplicati a causa del tempo di circolazione all interno della rete. In TCP il mittente reinvia un pacchetto allo scadere del time-out di ricezione acknowledge. La stima del time-out è un problema complesso e critico e dipende dal carico della rete. Vengono usati algoritmi sofisticati. Il tempo associato ad una comunicazione in rete (round-trip delay) è dato dal tempo necessario perchè il messaggio arrivi a destinazione più il tempo di ricezione dell acknowledge
27 Protocollo TCP (IV) - La stima del time-out Il round-trip delay dipende dal percorso dei pacchetti e dal carico della rete: è quindi necessario che i time-out vengano aggiustati dinamicamente. Ad esempio, collasso della rete. istante T rete in equilibrio per quel che riguarda i time-out aumento del carico, quindi la la rete rallenta scadono i time-out (definiti per uno stato di equilibrio), è necessaria la ritrasmissione il carico aumenta ulteriormente TCP consente anche di di controllare il flusso della comunicazione. Ogni riscontro dal ricevente indica anche il n di byte che il ricevente è in grado di accettare. In questo modo è possibile indicare al trasmittente se si ha congestione sulla linea e addirittura annullare la trasmissione di altri pacchetti indicando di essere disposto a ricevere 0 byte
28 Il datagramma TCP (I) Il datagramma TCP descrive il formato dei pacchetti. Esso prevede: una parte intestazione, di lunghezza fissa pari a 6 blocchi da 32 bit ciascuno (quindi 192 bit); una parte dati, di lunghezza variabile porta provenienza porta destinazione numero sequenziale numero di riscontro hlen riservato bit codice finestra cheksum puntatore urgente opzioni (eventuali) riempimento lungh. messaggio UDP codice err. UDP dati
29 Il datagramma TCP (II) intestazione port di provenienza: porta del mittente (16 bit); port di destinazione: porta del destinantario (16 bit); numero sequenziale: posizione dei dati nello stream del mittente (32 bit); numero riscontro: numero del byte che il destinatario si aspetta di ricevere successivamente; hlen: lunghezza del segmento in multipli di 32 bit (4 bit). È necessario perché il campo opzioni (vedi sotto) ha lunghezza variabile; riservato: per usi futuri (6 bit); codice: indica lo scopo ed il contenuto del segmento (6 bit): URG: il campo puntatore urgente è valido; ACK: il campo riscontro è valido; PSH: il campo richiede un push; RST: effettua il reset della connessione SYN: sincronizza i numeri di sequenza; FIN: il mittente ha raggiunto la fine del suo flusso (stream)
30 Il datagramma TCP (III) intestazione... finestra: dimensione del buffer dei dati (16 bit); checksum: controllo (16 bit); puntatore urgente: il pacchetto deve essere processato con urgenza - ad es. contiene ctrl-c ed i pacchetti residui non devono essere più inviati - (16 bit). Se il codice URG = 1, specifica la posizione della fine dei dati urgenti nella finestra; opzioni: per informazioni aggiuntive, come ad es. stabilire la dimensione massima del segmento - maximum segment size - (24 bit); riempimento: completa le opzioni fino a 32 bit (8 bit). dati: i dati effettivamente trasmessi dal mittente al destinatario
31 Protocollo UDP A parte la specifica di un port, UDP ha gli stessi vincoli di IP: senza connessione; inaffidabile; best-effort. Datagramma UDP port provenienza UDP port destinazione UDP lungh. messaggio UDP dati dati codice err. UDP
32 Alcune porte TCP riservate num. nome descrizione 11 USERS systat utenti attivi 13 DAYTIME daytime ora del giorno 15 netstat stato della rete 17 QUOTE quotd citazione del giorno 20 FTP-DATA ftp-data dati FTP 21 FTP ftp FTP 23 TELNET telnet connessione di terminale 25 SMTP smtp simple mail transport protocol 37 TIME time tempo 42 NAMESERVER name server di nomi dell'host 53 DOMAIN nameserver server di nomi del dominio 79 FINGER finger 80 WEBSERVER web server server web 93 DCP device control protocol
33 Protocolli applicativi veicolati da TCP/IP Sigla Protocollo Servizio DNS Domain Name Service Servizio di conversione di nomi in indirizzi IP e viceversa SMTP Simple Mail Servizio di posta elettronica, Transfer Protocol comunicazione tra due server e da client a server FTP File Transfer Servizio di trasferimento file in rete Protocol HTTP HyperText Transfer Protocol Servizio Worl Wide Web IMAP Internet Mail Servizio di posta elettronica, Application comunicazione da server a client Protocol Post Office POP Protocol telnet Telnetwork Servizio di emulazione di terminale remoto
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