Prof. Andrea Borghesan

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1 SISTEMI DI ELABORAZIONE DELLE INFORMAZIONI Le reti di calcolatori Prof. Andrea Borghesan Ricevimento: martedì, Dipartimento di Matematica 1 Modalità esame: scritto + tesina facoltativa

2 2 TERMINOLOGIA Account Amministratore di rete Amministrazione centralizzata Server Risorse di rete Rete paritetica Client Client/Server Richiesta-risposta Condivisione Condivisione di dispositivi Controller di dominio Dispositivo collegato localmente Dispositivo periferico Ftp Dns Sistema operativo di rete Gruppo Local Area Network (LAN: rete locale) Metropolitan Area Network (MAN: rete metropolitana) Wide Area Network (WAN: rete geografica) Network Interface Card (NIC: scheda di interfaccia con la rete) Protocollo di rete Rete basata su server Rete ibrida Dispositivo periferico Tcp/ip Http

3 Le Reti di calcolatori La rete è un collegamento tra due o più computer (detti nodi) che condividono delle risorse. I nodi sono: Interconnessi: in grado di scambiare informazioni attraverso svariati mezzi di trasmissione (cavi di rame, canali radio, ecc..) Autonomi: nessun calcolatore dipende totalmente da un altro calcolatore Nella rete, i computer comunicano utilizzando dei protocolli di comunicazione: insieme di regole e convenzioni (linguaggio). 3

4 SISTEMI OPERATIVI DI RETE I primi sistemi operativi non erano pensati per comunicare/scambiare dati in rete. Bisognava dunque installare dei pacchetti/software aggiuntivi, tali funzionalità aggiuntive (LAN Manager Microsoft) espandevano/potenziavano il sistema operativo (OS) e lo faceva diventare un sistema operativo di rete (NOS) In ogni computer doveva essere installato il software per la comunicazione in rete I veri NOS riescono a gestire sia le attività dei singoli calcolatori sia le comunicazioni in rete (NetWare, dalla famigliawindows NT a windows7). I sistemi operativi di rete richiedono molta potenza di elaborazione, tale potenza si ottiene da una configurazione HW/SW, chiamata processo di multitasking 4

5 5 MULTITASKING Consente al SO di avviare numerosi processi, quindi può controllare contemporaneamente più attività. Il multitasking è in grado di supportare tanti processi quante sono le CPU, ma nei computer che ne hanno una sola ciò viene effettuato con una tecnica detta partizione di tempo. La partizione di tempo è una divisione dei cicli macchina della CPU tra molteplici attività o task; questo si fa assegnando a ciascuna attività una parte dei cicli di elaborazione, e successivamente interrompendo quell attività per attivare la successiva. Ciò si ripete finché tutte le attività sono terminate. Esistono 2 tipi di multitasking: A sospensione: il SO controlla quali processi possono accedere alla CPU e per quanto tempo. Quando la partizione di tempo assegnata si è esaurita, il processo in corso viene fermato e il task successivo ottiene il suo tempo per l elaborazione. Un NOS ad alte prestazioni si serve di questo tipo di multitasking. Cooperativo: il SO non può fermare il processo. Quando il processo ha il controllo della CPU, lo tiene fino a quando non è terminato.

6 Funzioni di una Rete Condivisione di risorse: dati, programmi, hardware utilizzati dagli utenti a prescindere dalla collocazione fisica Accesso ad informazioni e servizi remoti: permette la consultazioni di giornali in rete, sportelli bancari elettronici, ecc.. Mezzo di comunicazione: permette di spedire e ricevere messaggi di posta elettronica, partecipare a video conferenze, ecc.. 6 Supporto all affidabilità del sistema: duplicare informazioni su più calcolatori, distribuire l elaborazione di dati su più calcolatori, ecc..

7 Classificazione delle reti Esistono numerose tipologie di rete, si caratterizzano per: Modalità di collegamento Modalità di gestione dei pacchetti (informazioni) Estensione geografica Canale trasmissivo 7

8 Classificazione delle reti Modalità di collegamento Reti Broadcast: unico mezzo di comunicazione condiviso tra tutti i nodi della rete N1 N2 N3 N4 Mezzo di comunicazione 8 Si accede al mezzo di comunicazione tramite un protocollo che coordina la gestione dei conflitti Il mittente invia un messaggio contenente l indirizzo del destinatario Il messaggio raggiunge tutti i nodi che leggono l indirizzo del destinatario Ildestinatario recepisce il messaggio e gli altri nodi lo ignorano

9 Classificazione delle reti Modalità di collegamento Reti punto-a-punto (point-to-point): costituite da molte linee di comunicazione, ognuna delle quali connette 2 nodi Idealmente si vorrebbe connettere ogni coppia di nodi In pratica si connettono solo alcune coppie di nodi N1 N3 N4 9 N2 N5 I messaggi seguono un determinato percorso per giungere a destinazione

10 Classificazione delle reti Modalità di gestione dei percorsi Reti punto-a-punto (point-to-point) si suddividono in: Commutazione di circuito, le risorse fisiche rimangono impegnate durante tutta la comunicazione Sistabilisce un percorso mittente-destinatario detto circuito I dati seguono sempre lo stesso percorso Commutazione a pacchetto, non richiede di impegnare la risorsa fisica durante tutta la comunicazione Il mittente suddivide il messaggio in pacchetti I pacchetti sono inoltrati in modi indipendente (possono seguire percorsi differenti, arrivare in ordine sparso) 10

11 Classificazione delle reti Estensione geografica Distanza computer Luogo fisico Tipologia di rete 1 Mt scrivania PAN, Personal Area Netwok 10 Mt stanza LAN, Local Area Network 100 Mt Edificio LAN, Local Area Network 1 Km campus CAN, Campus Area Network 10 Km città MAN, Metropolitan Area Network 100 Km nazione WAN, Wide Area Network 1000 Km continente WAN, Wide Area Network Km pianeta Internet

12 Classificazione delle reti Canale trasmissivo Doppino telefonico (Modem, ADSL): coppia di fili di rame utilizzato per scambiare informazioni Wireless (reti senza fili): utilizza principalmente onde radio a bassa potenza, in taluni casi radiazione infrarossa o laser Fibre ottiche: filamenti di materiali vetrosi o polimerici. I filamenti conducono la luce Parabola (rete satellitare): utilizza connessioni satellitari bidirezionali (non stiamo parlando del segnale televisivo proveniente dal satellite, monodirezionale) 12

13 Doppino telefonico non schermato 1/2 CARATTERISTICHE: Definito in 5 categorie (con più coppie di fili e torsioni) CAT1 è adatto per le comunicazioni vocali CAT3 ha velocità di trasferimento fino a 10Mbps (minimo per le reti moderne) CAT4: 16 Mbps CAT5 ha velocità fino a 100 Mbps Connesso tra la NIC di ogni host e il pannello di raccordo della rete, che a sua volta connesso a un hub, per mezzo di connettori RJ-45 RJ45, connettore per supporti a 8 fili; collega una linea telefonica da una presa al modem o al telefono 13

14 Doppino telefonico non schermato 2/2 IL SUO UTILIZZO IN UNAETHERNET 10BaseT: Si usano cavi da CAT3 a CAT5 e connettori RJ-45 Questa topologia di rete supporta velocità da 10 a 100Mbps Può trasmettere fino a una distanza 100 metri Questa topologia è molto diffusa, perché supportata da molte piattaforme Supporti poco costosi, pochi problemi per il cablaggio della rete DIFETTI: Interferenze elettromagnetiche (diafonia) È privo di schermatura, allora è facile alle intercettazioni. 14 Abbassamento dell intensità del segnale sulla distanza

15 Cavo coassiale ILSUO UTILIZZO IN UNAETHERNET 10BaseT: Primo tipo di cavo per connettere i calcolatori a una rete, ancora utilizzato Dentro ha un filo centrale conduttore di rame. Il conduttore centrale è ricoperto da un isolante, attorniato da un altro conduttore messo a terra, che isola da interferenze. Può trasmettere a 10 Mbps La distanza va da 185 a 500 metri Le specifiche che separano i cavi coassiali sono l impedenza (Ώ) e lo spessore del cavo Le due categorie principali di cavi coassiali sono: Thinnet o RG-58 (da Thin Ethernet); 15 Thicknet (da Thick Ethernet).

16 Fibra Ottica Copre lunghe distanze circa 2 km Immune da interferenze e intercettazioni Conduttore centrale in vetro rivestito, più un altra guaina protettiva esterna. I dati sono inviati da un LED, che manda impulsi luminosi al centro della fibra; un fotodiodo riceve il segnale e converte gli impulsi luminosi in segnale elettrico. Velocità va da 100 Mbps a 2Gbps DIFETTI: Rigido, allora difficile da installare Costoso, per ridurre i costi lo si usa in dorsali di rete o in aree con interferenze 16

17 Reti Paritetiche VANTAGGI Relazione di pari importanza tra computer Ciascun utente è amministratore di rete Facili da installare e configurare Non è costosa Non serve alcuna attrezzatura o server Non è necessario avere un impiegato con mansioni da system administrator SVANTAGGI Gli utenti potrebbero ritrovarsi a ricordare tante password quante sono le risorse condivise Si blocca se ci sono troppi utenti Bisogna effettuare backup individuali su ciascuna macchina, per proteggere tutti i dati condivisi Quando qualcuno accede alle risorse condivise, la macchina su cui tali risorse risiedono subisce un calo di prestazioni 17

18 Reti Client/Server PREGI I server sono progettati per gestire velocemente più richieste di risorse condivise Sicurezza fisica: verifica account utente e password Gli utenti sono tenuti a ricordare una sola password di accesso alla rete Più semplice esecuzione di operazione di backup e manutenzione di risorse dati DIFETTI Costi aggiuntivi Serve un system administrator (a volte anche uno staff di esperti) per gestire il complesso software per i/il server Se il server si blocca gli utenti non possono neppure accedere alla rete, rendendo quindi la rete inutilizzabile 18

19 Esempio tipico di una LAN Rete cablata, utilizza modalità broadcast Topologia a stella (tra le più diffuse) N1 N3 SWITCH N4 Switch: dispositivo che inoltra i messaggi dal mittente al destinatario N2 19 Reti wireless: utilizzano le modalità broadcast Access point gestisce la comunicazione tra i nodi della rete e successivamente li connette alla rete principale

20 Esempio tipico di una WAN Rete cablata, utilizza modalità broadcast Topologia a stella (tra le più diffuse) N4 N1 N2 N3 S G Router: nodi della rete che smistano pacchetti verso altre reti R R N1, N2.., Nodi o Host: sono destinati ad eseguire applicazioni degli utenti Gateway: router di confine che collegano una rete locale ad una rete geografica e assicurano compatibilità/validità dei pacchetti G G S S N4 N4 N4 20

21 Componenti di una rete Tra i dispositivi che possono servire a creare, segmentare, unire e migliorare una rete troviamo: Adattatori Ripetitori Amplificatori Bridge Router Gateway 21

22 Adattatori o Network Interface Card La scheda adattatrice o NIC ( Network Interface Card ) è l elemento che connette fisicamente un computer alla rete. Gli adattatori Plug and Play possono: configurarsi da sé Oppure se non si possiede un adattatore Plug and Play: occorre configurare il livello di Interrupt Request Line ( IRQ) e l indirizzo Input/Output ( I/O ). Sia l IRQ che l indirizzo I/O devono essere configurati in modo appropriato, perché la scheda di rete possa funzionare correttamente 22

23 RIPETITORI E AMPLIFICATORI Per neutralizzare il deterioramento del segnale su una rete si possono utilizzare ripetitori o amplificatori, che identificano il segnale che vi passa attraverso. RIPETITORI, usati nelle reti insieme a schemi di segnalazione digitale per combattere l attenuazione di segnale. Quando un ripetitore riceve una trasmissione in entrata in banda base attenuata, ripulisce il segnale, lo rinforza e lo passa al segmento successivo. AMPLIFICATORI, servono ad aumentare le distanze di trasmissione su reti che utilizzano segnali analogici, ovvero per la trasmissione di banda larga. I segnali analogici possono trasferire contemporaneamente sia la voce sia i dati, il filo è diviso in molteplici canali, per poter trasmettere diverse frequenze nello stesso momento. 23

24 HUB o SWITCH Esistono tre tipi di hub: PASSIVI, non hanno bisogno di alimentazione elettrica e si comportano solo come punto di collegamento fisico ATTIVI, richiedono alimentazione elettrica, che serve per rinforzare i segnali che vi passano attraverso INTELLIGENTI, possono fornire servizi come ad esempio l instradamento del traffico 24

25 BRIDGE (o ponte) Leggono l indirizzo MAC della destinazione assegnata da ciascun pacchetto dati in entrata e esaminano le bridging tables per determinare dove devono inoltrare/spedire il pacchetto. VANTAGGI: Possono connettere segmenti che usano vari tipi di supporto SVANTAGGI: Non possono connettere reti che usano differenti schemi di accesso ai supporti 25

26 ROUTER (o instradatore) Confronta l indirizzo di rete del pacchetto con le voci della tabella di instradamento se trova una corrispondenza, invia il pacchetto sul percorso individuato. Si tratta di terminali con più schede di rete ciascuna collegata ad una rete differente. Quindi, nella configurazione più semplice, il router deve solo "guardare" su quale rete si trova un computer per fargli arrivare i datagrammi da parte del mittente Esistono due tipi di dispositivi di instradamento: Router statici, la tabella di routing è inserita manualmente dall'amministratore (utilizzabile per piccole reti) Router dinamici, costruisce da solo la tabella di routing in funzione delle informazioni ricevute (attraverso i protocolli di routing) 26

27 VANTAGGI ROUTER Aiutano a diminuire la congestione in rete Rendono più affidabile il recapito dei dati Sono in grado di selezionare un percorso alternativo per il pacchetto, se quello predefinito è fuori uso Sono superiori ai bridge per quanto riguarda la capacità di filtrare e dirigere i pacchetti di dati attraverso la rete Può collegare molte reti piccole posto che i protocolli impiegati siano instradabili (siano in grado di operare al di fuori della sua stessa sottorete) SVANTAGGI ROUTER Più costosi Più difficili da gestire rispetto ai ripetitori Router dinamici possono aggiungere un traffico eccessivo alla rete 27

28 GATEWAY Termine generico che indica il servizio di inoltro dei pacchetti verso l'esterno, permette la comunicazione tra due o più segmenti di rete. Funzionamento: Funzionamento: un computer connesso alla rete locale confronta, i primi bit dell'indirizzo di destinazione dei dati da inviare, con quelli del proprio indirizzo: se corrispondono, significa che il computer di destinazione è sulla stessa rete locale; se invece non corrispondono, il computer d'origine invia i dati al gateway predefinito, il quale si occuperà del loro successivo instradamento verso la rete remota di destinazione SVANTAGGI Difficili da installare e configurare Più costosi rispetto agli altri dispositivi di connessione A causa del processo di traduzione possono essere più lenti dei router 28

29 TOPOLOGIE DI RETE Una topologia di rete è la rappresentazione più intuitiva di una rete di telecomunicazioni. Una topologia di rete rappresenta un modello geometrico (grafo) i cui elementi costitutivi sono i nodi e i rami. Esistono varie topologie: Bus Anello Stella Maglia Ibridi: Stella-bus Maglia ibrida 29

30 BUS 30 VANTAGGI Sistema più rapido e semplice per installare una rete Più facile da configurare Buon sistema per mettere in piedi una rete provvisoria in poco tempo È la scelta migliore per reti di piccole dimensioni SVANTAGGI Un difetto di funzionamento nella dorsale del bus può compromettere l operatività di tutta la rete

31 ANELLO 31 VANTAGGI Il gettone garantisce equa opportunità di accedere al supporto e quindi di trasmettere i propri dati Ciascun computer è in grado di ritrasmettere qualunque pacchetto di dati che ha ricevuto e che è indirizzato ad altre stazioni sull anello Elimina la necessità di ripetitori È facile da installare e configurare e richiede pochissimo hardware SVANTAGGI Un computer può inviare i propri dati solamente quando è in possesso del gettone Un difetto di funzionamento su una stazione può compromettere l intera rete Bisogna disattivare temporaneamente tutta la rete se in una qualsiasi parte della rete sono necessarie operazioni di manutenzione o riconfigurazione

32 STELLA 32 VANTAGGI un difetto nel funzionamento di una stazione non compromette l intera rete È più semplice localizzare cavi rotti e altri guasti L hub centralizzato rende più semplice l aggiunta di nuovi computer o la riconfigurazione della rete SVANTAGGI Se due stazioni emettono segnali in direzione dello hub contemporaneamente nessuna delle due trasmissioni avrà successo e ciascuno dei due computer dovrà aspettare un periodo casuale di tempo prima di tentare nuovamente l accesso al supporto Utilizza molti cavi L hub centrale gestisce la maggior parte delle funzioni per questo un suo guasto fa cessare l attività di tutta la rete

33 MAGLIA VANTAGGI Il sistema è abile nello schivare i guasti, ridondante nelle connessioni Un singolo cavo rotto non interrompe le comunicazioni in rete perché ogni computer dispone di diversi percorsi possibili SVANTAGGI Quantità di cavi in rete maggiore Più costoso Molto difficile da installare 33

34 STELLA-BUS VANTAGGI Non basta un guasto in un singolo computer o segmento per inattivare l intera rete Se si rompe un singolo hub, solo i computer connessi a tale hub non possono comunicare sulla rete 34

35 MAGLIA IBRIDA VANTAGGI Maglie esistono solo su una parte della rete Assicura una certa tolleranza ai guasti tra i server Costa meno di una rete a maglia completa SVANTAGGI Non è a prova di guasto (anche se in verità nessuna rete lo è ) 35

36 Stratificazione protocollare (Protocol Layering ) Le reti sono complesse! Molti elementi: host router link fisici dalle caratteristiche diverse applicazioni protocolli hardware, software Domanda: Come organizzare la struttura della rete? 36

37 Modello a livelli Le reti di calcolatori sono organizzate secondo una pila di livelli (detta anche strati), tali livelli semplificano il compito ai programmatori delle applicazioni Ciascun livello offre servizi per il livello soprastante Ciascun livello utilizza servizi offerti dal livello sottostante Ogni livello dialoga con un pari livello (detto anche peer) ma su nodi differenti per realizzare i servizi di competenza Il protocollo di comunicazione fornisce le regole per lo scambio di informazioni tra peer dello stesso livello Unità dati del livello N: formato pacchetti utilizzato dai peer di livello N 37

38 Servizio postale: una prospettiva diversa Lettera (mittente) Controllo destinazione (consegna a corriere) Corriere Sorgente Destinazione Lettera (cons. a dest.) Controllo destinazione (riceve da corriere) Corriere (consegna) Trasporto (aereo, treno...) Strati: ogni strato implementa un servizio Mediante funzionalità interne Usando i servizi messi a disposizione dagli strati inferiori 38

39 Perché la stratificazione? I sistemi sono complessi: La stratificazione permette una più facile organizzazione e individuazione delle funzionalità La modularità facilita la manutenzione e la modifica dei sistemi La modifica dell implementazione dei servizi resi da uno strato è trasparente (non si modifica l interfaccia) Esempio, cambiare il corriere non altera il funzionamento complessivo del servizio postale 39

40 La stratificazione di Internet application: scambio messaggi nelle applicazioni di rete ftp, smtp, http transport: trasferimento segmento dati end-to-end tcp, udp network: trasferimento di datagrammi da sorgente a destinazione (host-to-host) ip, routing protocols link: trasferimento di frame tra elementi di rete adiacenti ppp, ethernet physical: bit sul cavo application transport network link physical 40

41 ProtocolloTCP/IP Livello Physical Trasmette e riceve un flusso di bit attraverso una determinata linea di comunicazione Il principale problema affrontato a questo livello riguarda la codifica dei bit per la trasmissione su: Doppino telefonico Fibra ottica Canale radio Trasmissione caratterizzata da 3 parametri: Velocità di trasmissione Tasso di errore Ritardo di propagazione 41

42 42 ProtocolloTCP/IP Livello Data-link Trasferisce un frame tra due nodi direttamente collegati da una linea di comunicazione Scheda di rete è identificata da un indirizzo MAC (Media Access Control), ovvero un identificativo di 48 bit scritto permanentemente sulla ROM (ad es. 01:23:45:67:89:ab) Quando il livello di rete deve spedire un datagramma: il livello data-link crea un pacchetto (frame) definito dal datagramma e dall indirizzo MAC di destinazione invia il frame a livello fisico Quando un frame arriva al livello di data-link: Confronta il proprio indirizzo MAC con quello contenuto nel frame Estrae dal frame il datagramma originario e lo invia al livello di rete Si occupa dei problemi riguardanti il mezzo fisico e il coordinamento dell accesso al mezzo condiviso

43 ProtocolloTCP/IP Livello di Network Trasferisce un datagramma tra due nodi della rete connessi da un percorso (problema dell instradamento) Nodi della rete identificati mediante gli indirizzi IP (Internet Protocol), ovvero un identificativo di 32 bit scritto in un file di configurazione del sistema operativo (ad es , localhost) 43 Quando il livello di trasporto deve spedire un segmento: il livello rete crea un datagramma con il segmento, l indirizzo IP del mittente e l indirizzo IP del destinatario Se l indirizzo IP appartiene alla rete locale, il pacchetto è spedito al nodo di destinazione, altrimenti è spedito al router della rete. Le spedizioni avvengono passando il datagramma al livello data-link. Quando il datagramma arriva al livello di rete: Il router utilizza una tabella di instradamento Il nodo di destinazione riconosce il proprio indirizzo IP Estrae il segmento originario e lo recapita al livello di trasporto

44 ProtocolloTCP/IP Livello ditrasport Trasferisce un segmento tra due processi applicativi in esecuzioni su due nodi della rete (problema dello smistamento) Il processo applicativo è identificato mediante un numero di porta, ovvero un identificativo di 16 bit Affinché un processo possa accedere alla rete deve richiedere la creazione di un canale di comunicazione (detto anche socket) al quale è associata una porta UDP (User Datagram Protocol): non garantisce che i dati arrivino al destinatario 44 TCP (Trasfer Control Protocol): garantisce la consegna dei dati nell ordine di spedizione

45 ProtocolloTCP/IP Livello di Application Ciascuna applicazione si avvale di specifici protocolli per: lastruttura e il significato dei messaggi scambiati le regole secondo cui il processo invia e riceve messaggi Comprende le applicazioni che fanno uso della rete attraverso i servizi offerti dal livello di trasporto (ad es. i browser) Protocolli di comunicazione più diffusi: HTTP (servizio web) FTP (servizio per iltrasferimento di file) TELNET/SSH (servizio per l uso di terminali remoti) SMTP (servizio di posta elettronica) 45