Introduzione alle reti

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1 Introduzione alle reti Sommario:! cosa e Internet! cosa e un protocollo! estremita della rete! nucleo della rete! rete di accesso, mezzi fisici! performance: perdita, ritardo! livelli dei protocolli, modelli di servizio! backbones, NAPs, ISPs! storia 1

2 Internet: visione fisica! milioni di dispositivi di calcolo : hosts, end-systems (terminali)! pc s workstations, servers! PDA s phones, toasters su cui girano applicazioni di rete! communication links (collegamenti)! fibra di vetro, rame, radio, satellite! routers: spediscono pacchetti (chunks) di dati attraverso la rete router server local ISP workstation mobile regional ISP company network 2

3 Internet: visione fisica! protocolli: regole per controllare lo scmabio di messaggi:! e.g., TCP, IP, HTTP, FTP, PPP! Internet: rete di reti! debolmente gerarchica! Internet pubblica versus intranet privata! Internet standards! RFC: Request for comments! IETF: Internet Engineering Task Force router local ISP company network server workstation mobile regional ISP 3

4 Internet: visione orientata ai servizi! Infrastruttura di communicazione permette applicazioni distribuite:! WWW, , giochi, e- commerce, database, voto elettronico,! more?! Servizi di comunicazione forniti:! senza connessione! orientati alla connessione! cyberspace [Gibson]: a consensual hallucination experienced daily by billions of operators, in every nation,..." 4

5 Cosa e un protocollo? Protocolli umani:! che ora e?! I have a question! introduzioni specifici msg spediti specificche azioni intraprese quando i msg sono ricevuti Protocolli di rete:! macchine (invece che umani)! tutta l attivita di communicazione in Internet regolata da protocolli I protocolli definiscono il formato e l ordine dei msg spediti fra entita di rete, e le azioni da fare alla trasmissione o al ricevimento di msg 5

6 Cosa e un protocollo? Un protocollo umano ed un protocollo di rete: Ciao Ciao Che ora e? 2:00 time TCP connection req. TCP connection reply. Get <file> Q: Altri protocolli umani? 6

7 La struttura della rete! Estremita della rete: applicazioni e host! nucleo della rete:! routers! rete di reti! rete di accesso e mezzi fisici: communication links (collegamenti) 7

8 Le estremita della rete:! end systems (hosts, terminali):! ci ``girano i programmi applicativi! e.g., WWW, ! at edge of network! modello client/server! il client richiede e riceve servizi dal server! e.g., WWW client (browser)/ server; client/server! peer-peer model:! interazioni simmetrica fra host ``pari! e.g.: teleconferenza 8

9 Servizio orientato alla connessione Scopo: trasferimento di dati fra end-systems (terminali).! handshaking: fase di preparazione prima del trasferimento dei dati:! Ciao -- Ciao! (protocollo umano)! prepara lo ``stato in due terminali che devono comunicare! TCP - Transmission Control Protocol! e il servizio orientato alla connessione di Internet Servizio fornito datcp [RFC 793]! traserimento di byte-stream affidabile e ordinato! perdita: segnali di ack (riscontro) e ritrasmissione! controllo del flusso:! il sender non sovraccarica il receiver! controllo congestione:! sender rallenta la velocita di invio se la rete e congestionata 9

10 Servizio senza connessione Scopo: trasferimento di dati fra terminali (come prima)! UDP - User Datagram Protocol [RFC 768]: e il servizio senza connessione di Internet! trasferimento dati inaffidabile! no controllo flusso! no controllo congestione Applicazioni che usano TCP:! HTTP (WWW), FTP (file transfer), Telnet (remote login), SMTP ( ) Applicazioni che usanoudp:! app. multimediali, teleconferenze, telefonia via Internet.. 10

11 Il nucleo della rete! mesh (maglia) di routers interconessi! domanda di base: come sono trasferiti idati attraverso la rete?! Commutazione di circuito: un circuito dedicato per chiamata (rete telefonica)! commutazione di pacchetto: dati spediti attraverso la rete in pacchetti discreti 11

12 Commutazione di circuito Risorse riservate per ogni chiamata! capacita del circuito = 1/n banda del link! risorse mantenute per tutto il collegamento (nessuna condivisione)! performance (garantita) simile ad un circuito fisico! richiesta fase di inizializzazione della chiamata (call-setup) 12

13 Commutazione di pacchetto end-end data stream diviso a pachetti! pacchetti di utenti diversi condividono le risorse! ogni pacchetto usa tutta la banda del link! risorse usate in base al bisogno Divisione della banda in parti allocazione dedicata prenotazione risorse Competizione per risorse:! la domanda totale puo eccedere la disponibilita! congestione: pacchetti si accodano aspettando di usare il link! store and forward: packets si muovono un passo alla volta:! trasmetti sul link! aspetta il turno al prossimo link 13

14 Commutazione di pacchetto A 10 Mbs Ethernet statistical multiplexing C B Coda di pacchetti in attesa per il link di output 1.5 Mbs 45 Mbs D E Commutazione di pacchetto -- commutazione di circuito: analogia con il ristorante! altre? 14

15 Commutazione di pacchetto* Comportamento store and forward (memorizza e trasmetti) Perche non commutazione di messaggio? 15

16 Commutazione di pacchetto vs. commutazione di circuito* Commutazione di pacchetto permette l utilizzo della rete a piu utenti! 1 Mbit link! ogni utente:! 100Kbps se attivo! attivo 10% del tempo! circuit-switching:! 10 utenti! packet switching:! con 35 utenti, probabilita > 10 attivi! minore di.0004 N users 1 Mbps link 16

17 Commutazione di pacchetto vs. commutazione di circuito* Commutazione pacchetto! Ottima per dati ``a ondate! condivisione di risorse!no call setup! Eccessiva congestione: ritardo e perdita di pacchetti! protocolli necessari per trasferimenti affidabili, controllo della congestione! Come procurare un comportamento tipo circuito?! Garanzia di banda necessaria per applicazioni audio/video (problema ancora aperto) 17

18 Reti a commutazione di pacchetto: routing! Goal: spostarei pacchetti attraverso i routers dalla sorgente a destinazione! rete datagram:! l indirizzo di destinazione determina il prossimo salto! il cammino puo cambiare durante la sessione! analogia: guidare e chiedere indicazioni 18

19 Reti di accesso e mezzi fisici Q: Come connettere gli end sytems al router?! Reti di accesso domestiche! reti di accesso istituzionali (scuola, azienda)! reti mobili Nota:! banda (bits per secondo) della rete di accesso?! Condivisa o dedicata? 19

20 Reti domestiche: accesso punto a punto! Collegamento tramite modem! fino a 56Kbps per l accesso diretto al router (in principio)! ISDN: intergrated services digital network: 128Kbps connessione interamente digitale al router! ADSL: asymmetric digital subscriber line! fino a 1 Mbps home-to-router! fino a 8 Mbps router-to-home 20

21 Reti domestiche: accesso condiviso (modem per cavi coassiali)! HFC: hybrid fiber coax! asimmetric: fino a 10Mbps upstream, 1 Mbps downstream! reti di cavi e fibra ottica collegano le case al router! trasmissione per broadcast! accesso condiviso al router (anche con la televisione)! congestione (dimensionamento)! disponibile mediante le compagnie che forniscono servizi via cavo 21

22 Reti istituzionali: LAN! La local area network (LAN) di una istituzione collega endsystems ad un edge router! Ethernet:! cavo condiviso o dedicato connette end system e router! 10 Mbs, 100Mbps, Gigabit Ethernet! diffusa presso istituzioni, comunque esistono anche LAN domestiche 22

23 Reti wireless! Rete di acesso wireless condivisa connette end system al router! wireless LANs:! radio invece del cavo! e.g., Lucent Wavelan 10 Mbps! accesso senza fili per reti wide-area! CDPD: accesso wireless al router dell ISP router via rete cellulare router base station mobile hosts 23

24 Mezzi fisici! Link fisico: i bit trasmessi si propagano attraverso il mezzo trasmissivo! mezzi guidati:! i segnali si propagano attraverso mezzi solidi: rame, fibra! mezzi non guidati: Doppino (TP)! due fili di rame isolati! Categoria 3: fili telefonici tradizionali, 10 Mbps ethernet! Categoria : 100Mbps ethernet! i segnali si preparano liberamente (radio) 24

25 Mezzi fisici: cavo coassiale, fibra ottica Cavo coassiale:! cavo (segnale) dentro un altro cavo (shield)! banda base: canale singolo sul cavo! banda larga: canali multipli sul cavo! bidirezionale! use comune in 10Mbs Ethernet Cavo in fibra ottica:! fibra di vetro che trasmette impulsi luminosi! alta velocita :! 100Mbps Ethernet! punto a punto veloce (e.g., 5 Gps)! pochi errori 25

26 Mezzi fisici: radio! Segnale nello spettro elettromagnetico! nessuno cavo! bidirezionale! effetti ambientali sulla propagazione:! riflessi! ostacoli! interferenza Tipi di collegamenti radio:! microwave! canali fino a 45 Mbps channels! LAN (e.g., wavelan)! 2Mbps, 11Mbps! wide-area (e.g., cellular)! e.g. CDPD, 10 s Kbps! satellite! fino a 50Mbps channel (ocanali multipli inferiori)! 270 Msec ritardo end-end! geosincroni o orbita fissa 26

27 Ritardo nella reti a commutazione di pacchetto* I pacchetti accumulano un ritado nel cammino end-to-end! quattro sorgenti ritardo ad ogni salto A transmission! Eleborazione del nodo:! controllo bit di errore! determina l output link! Ordine microsecondi! accodamento! tempo in attesa di un link per la trasmissione! dipende dal livello di congestione del router! Millisecondi-microsec. propagation B nodal processing queueing 27

28 Ritardo nella reti a commutazione di pacchetto * Ritardo di trasmissione:! R=banda del link (bps)! L=lunghezza pacchetto (bits)! tempo per spedire bits nel link = L/R Ritardo di propagazione:! d = lunghezza fisica del link! s = vel. di propagazione (~2x10 8 m/sec)! ritardo di propagazione = d/s A transmission propagation B nodal processing queueing Nota: s microsec. R millisec. Reti regionali 28

29 Ritardo di accodamento*! R=banda del link (bps)! L=lunghezza pacchetto (bits)! a=velocita media di arrivo dei pacchetti Intensita del traffico =La/R! La/R ~ 0: ritardo accodamento medio piccolo! La/R -> 1: ritardo grande! La/R > = 1: ritardo infinito (arrivano piu pacchetti di quanti possano essere serviti)! 29

30 Protocolli organizzati a livelli Le resti sono complesse molti ``ingredienti hosts routers links di vari tipi applicazioni protocolli hardware, software Domanda: Come organizzare la struttura della rete? (O almeno la presentazione delle reti) 30

31 Organizzazione di una viaggio aereo biglietto (acquisto) bagaglio (check) gates (imbarco) pista (decollo) aero (rotta) biglietto (reclamo) bagaglio (recupero) gates (sbarco) pista (atterraggio) aereo (rotta) aero (routing)!una serie di passi 31

32 Organizzazione di un viaggio aereo: una vista diversa biglietto (acquisto) bagaglio (check) gates (imbarco) pista (decollo) aero (rotta) biglietto (reclamo) bagaglio (recupero) gates (sbarco) pista (atterraggio) aereo (rotta) Aereo routing Livelli: ogni livello implementa un servizio! attraverso le proprie azioni interne (al livello)! usando servizi offerti dai livelli sottostanti 32

33 Viaggio aereo a livelli: servizi Sportello-Sportello: consegna persone+bagagli cons.bagaglio-rec. bagaglio: consegna bagagli gate partenza- gate arrivo: trasfer. persone: pista-a-pista: consegna dell aereo aero routing dall origine alla destinazione 33

34 Implementazione distribuita delle funzionalita dei livelli Aeroporto Part. biglietto (acquisto) bagaglio (check) gates (imbarco) pista (decollo) aero (rotta) biglietto (reclamo) bagaglio (recupero) gates (sbarco) pista (atterraggio) aereo (rotta) Aeroporto arri. Luoghi intermerdi del traffico aereo Rotta aereo Rotta aereo Rotta aereo 34

35 Perche i livelli Trattamento sistemi complessi:! la struttura esplicita permette l identificazione e la relazione di parti di sistemi complessi!reference model a livelli per la discussione!la modularizzazione facilita il mantenimento, e l updating del sistema! cambiamenti nella implementazione dei servizi di un livello sono trasparenti al resto del! per esempio, un cambio nelle procedure del gate non modifica il resto del sistem.! livelli considerati pericolosi? 35

36 Pila dei protocolli di Internet! applicazione: supporta le applicazioni di rete! ftp, smtp, http! trasporto: trasferimento dati host-host! tcp, udp! rete: routing dei datagrams dal sorgente alla destinazione! ip, protocolli di routingh! link: trasferimento dati fra elementi della rete vicini! ppp, ethernet! fisico: bits sul cavo Applicazione trasporto rete link fisico 36

37 Livelli: comunicazione logica Ogni livello:! distribuito! entita implementano le funzioni del livello ad ogni nodo! entita eseguono azioni, scambiano messaggi con pari applicazione trasporto rete link fisico applicazione trasporto rete link fisico applicazione trasporto rete link fisico rete link fisico applicazione trasporto rete link fisico 37

38 Livelli:comunicazione logica E.g.: trasporto! prende dati da app! aggiunge indirizzamento, controlli per affidabilita, informazioni per formare segmenti! spedisce segmenti ad un ``pari! aspetta la ricevuta (ack)! analogia: ufficio postale dati applicazione trasporto rete link fisico applicazione trasporto rete link fisico dati ack applicazione trasporto rete link fisico rete link fisico dati applicazione trasporto rete link fisico 38

39 Livelli: comunicazione fisica data applicazione trasporto rete link fisico applicazione trasporto rete link fisico applicazione trasporto rete link fisico rete link fisico data applicazione trasporto rete link fisico 39

40 Livelli dei protocolli e dati Ogni livello prende i dati da sopra! aggiunge intestazioni per formare nuove data unit! passa le nuove data unit al livello sottostante sorgente destinazione H l H t H n H t H n H t M M M M applicazione trasporto rete link fisico applicazione trasporto rete link fisico H l H t H n H t H n H t M M M M messaggio segmento datagram frame 40

41 Struttura di Internet: rete di reti! Piu o meno gerarchica! nazionali/internazonali backbone providers (NBP)! e.g. BBN/GTE, Sprint, AT&T, IBM, UUNet! si connettono (come pari) privatamente oppure usando Network Access Point (NAP) pubblici! ISP regionali! si connettono agli NBP! ISP locali, azienda NAP! si connettono agli ISP regionali NBP A ISP regionale ISP locale NBP B ISP locale ISP regionale NAP 41

42 National Backbone Provider e.g. BBN/GTE US backbone network 42

43 Storia di Internet : primi principi della commutazione di pacchetto! 1961: Kleinrock - la teoria della coda mostra la fattibilita della commutazione di pacchetto! 1964: Baran commutazione di pacchetto in reti militari! 1967: ARPAnet concepita Advanced Reearch Projects Agency! 1969: primo nodo ARPAnet operativo! 1972:! ARPAnet mostrata in pubblico! NCP (Network Control Protocol) primo protocollo! primo proramma per e- mail! ARPAnet ha 15 nodi 43

44 Storia di Internet : Internetworking, reti nuove e proprietarie! 1970: ALOHAnet rete satellitare alle Hawaii! 1973: Tesi PhD di Metcalfe propone Ethernet! 1974: Cerf and Kahn - architetture per connettere reti! fine anni 70: architetture proprietarie: DECnet, SNA, XNA! fine anni 70 : commutazione di pacchetti a lunghezza fissa (precursore ATM)! 1979: ARPAnet ha 200 nodi I principi di interconnessione di Cerf and Kahn s:! minimalismo, autonomia - nessun cambiamento interno richiesto per connettere reti fra loro! modello di servzio ``best effort (miglior sforzo)! routers senza stato! controllo decentralizzato definiscono l architettura di Internet di oggi! 44

45 Storia di Internet : nuovi protocolli, proliferazione di reti! 1983: sviluppo di TCP/IP! 1982: definizione protocollo smtp ! 1983: definito DNS per traduzione nome-indirizzo IP! 1985: definizione protocollo ftp! 1988: controllo congestione TCP! Nuove reti nazionali: Csnet, BITnet, NSFnet, Minitel! 100,000 host connessi a confederazioni di reti 45

46 Internet History Anni 90: commercializazione, il WWW! Primi anni 90: ARPAnet chiusa! 1991: NSF impone restrizione dull uso commrciale di NSFnet (chiusa 1995)! Primi anni 90: WWW! ipertesto [Bush 1945, Nelson 1960 s]! HTML, http: Berners-Lee! 1994: Mosaic, dopo Netscape! fine anni 90: commercializazione del WWW Fine anni 90:! stimati 50 milioni di computer su Internet! stimati + di 100 millioni di utenti! link di backbone a 1 Gbps 46

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