Reti di calcolatori. Architettura delle reti. Mezzi trasmissivi

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1 Reti di calcolatori Architettura delle reti Una di calcolatori è costituita da molti calcolatori (nodi o host della ) collegati tra loro che interagiscono usufruendo dei servizi di per lo scambio delle informazioni L architettura di una di calcolatori è definita da: un insieme di tipi di mezzi trasmissivi Versione del 4 marzo 2004 la modalità di connessione dei calcolatori e degli altri apparati di il protocollo di comunicazione comune ai nodi collegati Reti di calcolatori Mezzi trasmissivi tecnologia di 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 sono specificate a partire dal livello applicativo fino al livello fisico di trasmissione La comunicazione tra due calcolatori avviene attraverso un mezzo trasmissivo (guidato o non guidato), come ad es.: doppino di rame; cavo coassiale; fibra ottica; onde elettromagnetiche; porte a infrarossi;. o una loro combinazione

2 Modalità di connessione: a commutazione di circuito Modalità di connessione: a commutazione di pacchetto Connessione dedicata tra due nodi (non adiacenti) è una connessione diretta, punto a punto; garantisce una banda (ad es. 64 kbps); 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 p s q r B A seguito della richiesta di connessione, viene creato un circuito fisico da A a B. A p s q r B 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 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 (ad es. TCP): mantiene l ordinamento dei messaggi durante la trasmissione; oppure a datagramma o connectionless (IP): ogni messaggio è trattato in modo indipendente durante la trasmissione. E garantita in ricezione la ricostruzione del messaggio originario Commutazione di pacchetto Categoria di reti LAN (local area network): velocità 4 Mbps - 2 Gbps; A p q Percorso messaggio 1: A... p q r B MAN (metropolitan area network): velocità 56 kbps Mbps; WAN (wide area network): velocità 9.6 kbps - 45 Mbps. s A seguito della richiesta di connessione, la non crea nessun collegamento. r B Percorso messaggio 2: A... p s r B La maggior parte delle reti è stata standardizzata: IEEE (Ethernet): di tipo LAN; Fast Ethernet: di tipo LAN; Token-Ring (IBM): di tipo LAN

3 Internetworking - Interconnessione tra reti diverse Stratificazione dei protocolli La comunicazione tra calcolatori anche se su reti differenti e difficile ma irrinunciabile. Una 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 Terminologia internet: una 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 privata basata sulle stesse tecnologie di Internet. extranet: diverse intranet collegate tra loro. Le applicazioni distribuite in fanno riferimento ai protocolli (stratificati) utilizzati nei singoli nodi della, indipendentemente da: l implementazione fisica della macchina (HW+SO) e l implementazione di alcuni strati del protocollo di comunicazione di stesso Deve essere condiviso il protocollo applicativo e il protocollo di internetworking (ad es. TCP/IP), cioè il protocollo di comunicazione in Il protocollo di comunicazione in 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 I protocolli stratificati Applicazione distribuita 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 (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 (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 : 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 TCP e UDP IP ServerX Software TCP Software IP (scheda di ) lo applicativo ad es. interp comandi lo TCP lo IP internet (IP) (scheda di ) ClientX Software TCP Software IP (scheda di )

4 Applicazione distribuita e interoperabilità lo IP(i) Quali caratteristiche devono avere le architettura hardware e software su cui girano ServerX e ClientX? Maschera ai protocolli superiori l esistenza di tante reti diverse, presentandole come un unica internet Nessuna specifica, fatto salvo che lo scambio di informazioni tra ClientX e ServerX deve avvenire utilizzando la stessa gerarchia di protocolli protocollo applicativo TCP IP Accetta dal protocollo di livello superiore un messaggio (pacchetto da trasferire) dotato di un indirizzo IP e lo consegna all host caratterizzato da quell indirizzo. Il messaggio IP si chiama datagramma Ogni host collegato ad 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 hanno lo stesso netid una macchina collegata a 2 reti diverse a 2 diversi indirizzi IP lo IP(ii ii) Instradamento Il software IP di una qualsiasi macchina è in grado di inviare un messaggio all IP di un altra qualsiasi macchina collegata alla stessa Messaggio da 1 a 2 Il passaggio di messaggi da una ad 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 1 gateway 1 2 gateway 2 3 I gateway dispongono di tabelle di routing che consentono di instradare i messaggi verso la destinazione Messaggio da 1 a 3 Messaggio da 1 a 2 che.. lo rilancia a

5 Comunicazione tra due host Esempio di internet (Purdue University, 1980 circa) mittente protocolli applicativi trasporto (TCP) internet (IP) gateway con tabelle di routing internet (IP) destinatario protocolli applicativi trasporto (TCP) internet (IP) Merlin (multi-home host) Guenever (ethernet host) Ethernet Glatisant (gateway) Lancelot (ethernet host) (scheda di ) (scheda di ) (scheda di ) Arthur (pronet host) pronet Taliesyn (gateway) ARPAnet lo IP(iii iii) lo IP(iv iv) 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 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

6 lo TCP(i) lo TCP(ii ii) Per distinguere più connessioni verso uno stesso calcolatore, si introduce il concetto di port, inteso come punto di destinazione di una connessione. Ogni port è identificato univocamente da un unsigned int. Un processo accede ad un port in modo sincrono e bufferizzato. L affidabilità è una caratteristica imprescindibile. E basata sul riscontro positivo di ricezione (PAR - Positive Acknowledge with Retransmission) Il destinatario informa il mittente della ricezione del messaggio. Garantisce un servizio affidabile di trasporto di stream orientamento allo stream: trasmette sequenze di byte; Il mittente se non ottiene riscontro dal destinatario entro un certo tempo (time-out), arguisce la perdita del pacchetto. 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 bufferizzato; stream non strutturato: ad es. un record può essere frammentato su più pacchetti lo con riscontro positivo di ricezione Trasmissione con perdita di pacchetto Eventi nel mittente Messaggi sulla Eventi nel destinatario Eventi nel mittente Messaggi sulla Eventi nel destinatario Trasmissione pacchetto 1 inizializzazione contatore di time-out Ricezione pacchetto 1 Trasmissione pacchetto 1 inizializzazione time-out Il pacchetto 1 va perso Mancata ricezione pacchetto 1 Trasmissione acknowledge 1 Mancata trasmissione acknowledge 1 Ricezione acknowledge 1 azzeramento time-out Mancata ricezione acknowledge 1 Il time-out scade Trasmissione pacchetto 2 Ricezione pacchetto 2 Ritrasmissione pacchetto 1 inizializzazione time-out Ricezione pacchetto 1 Trasmissione acknowledge 2 Trasmissione acknowledge 1 Ricezione acknowledge 2 Ricezione acknowledge

7 Trasmissione contemporanea di più pacchetti lo TCP(iii iii) - La stima del time- out Eventi nel mittente Trasmissione pacchetto 1 Trasmissione pacchetto 2 Trasmissione pacchetto 3 Trasmissione pacchetto 4 Ricezione ACK 1 Ricezione ACK 2 Messaggi sulla 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 4 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. 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. Vengono usati algoritmi sofisticati Ricezione ACK 3 Ricezione ACK 4 Il tempo associato ad una comunicazione in (round-trip delay) è dato dal tempo necessario perchè il messaggio arrivi a destinazione più il tempo di ricezione dell acknowledge lo TCP(iv iv) - La stima del time- out Il datagramma TCP Il round-trip delay dipende dal percorso dei pacchetti e dal carico della : è quindi necessario che i time-out vengano aggiustati dinamicamente Ad esempio, collasso della. istante T in equilibrio per quel che riguarda i time-out, aumento del carico, quindi la la 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. 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 port provenienza port destinazione numero sequenziale numero di riscontro hlen riservato bit codice finestra cheksum puntatore urgente opzioni (eventuali) riempimento lungh. messaggio UDP checksum UDP dati

8 Il datagramma TCP(i) Il datagramma TCP(ii ii) intestazione port di provenienza: port del mittente (16 bit); port di destinazione: port 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). E 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 stream. 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 lo UDP Alcuni port riservati 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 checksum UDP dati dati num. nome descrizione 11 USERS systat utenti attivi 13 DAYTIME daytime ora del giorno 15 netstat stato della 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

9 li applicativi di TCP/IP Sigla lo Servizio DNS Domain Name Service Servizio di conversione di nomi in indirizzi IP e viceversa SMTP Simple Mail Servizio di posta elettronica, Transfer comunicazione tra due server e da client a server FTP File Transfer Servizio di trasferimento file in HTTP HyperText Servizio Worl Wide Web Transfer IMAP Internet Mail Servizio di posta elettronica, Application comunicazione da server a client Post Office POP telnet Telnetwork Servizio di emulazione di terminale remoto