Master Universitario di I Livello in Informatica per la P.A. e l'e-government

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1 Prof. Giuseppe F. Rossi Homepage: UNIVERSITA' DEGLI STUDI DI PAVIA Facoltà di Ingegneria - A.A. 2003/04 Master Universitario di I Livello in Informatica per la P.A. e l'e-government Tecnologie Informatiche per la P.A. Tecnologie Informatiche per la P.A. 1/42 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,

2 Indice degli Argomenti Perchè costruire una rete di telecomunicazione? Come costruire una rete di telecomunicazione: la dorsale e l'operazione di commutazione delle comunicazioni I canali di comunicazione Reti di telecomunicazione a commutazione di circuito Reti di telecomunicazione a commutazione di pacchetto Costruzione di reti a commutazione di pacchetto tramite architetture di comunicazione a strati Le Reti Locali (LAN) Tecnologie Informatiche per la P.A. 2/42 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,

3 Qual'é l'esigenza...? Far comunicare persone tra loro attraverso l'uso di dispositivi (telefoni, calcolatori,... ) Tecnologie Informatiche per la P.A. 3/42 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,

4 Come far comunicare dispositivi tra loro...? Una prima soluzione... un po' banale 1 canale di comunicazione per ogni coppia di apparati (nodi) Soluzione che diventa subito antieconomica e poco realizzabile all'aumentare del numero di apparati Troppi collegamenti Troppe interfacce di comunicazione sui nodi Rete di telefoni Rete di calcolatori Tecnologie Informatiche per la P.A. 4/42 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,

5 Come far comunicare dispositivi tra loro...? Una seconda soluzione... più realizzabile Alcune coppie di apparati non sono connesse direttamente attraverso un canale di comunicazione (vedasi esempio sotto di Rete di Calcolatori) Gli apparati non connessi direttamente possono comunicare tra loro solo "attraversando" i nodi intermedi che vengono a costituire una dorsale (o backbone) I nodi intermedi svolgono una funzione che prende il nome di commutazione (o switching) Dorsale (o Backbone) Tecnologie Informatiche per la P.A. 5/42 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,

6 L'operazione di "commutazione"" (switching( switching) Schematizzazione dell'operazione di commutazione svolta da un nodo intermedio Canale Canale Canale Canale Canale Canale Canale Tecnologie Informatiche per la P.A. 6/42 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,

7 Esempi di reti di telecomunicazione Centr. Centr. Centr. Reti Telefoniche Centr. Centr. Calcol. Calcol. Calcol. Calcol. Reti di Calcolatori (Reti Dati) Calcol. Tecnologie Informatiche per la P.A. 7/42 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,

8 "Ingredienti" per costruire una rete di telecomunicazione Nodi di rete Apparati degli utenti utilizzati per comunicare (telefoni, fax, computer,... ): nel linguaggio delle reti vengono spesso chiamati nodi finali Nodi intermedi (centrali telefoniche, nodi Internet,... ) Si dividono in 2 tipologie fondamentali in base al loro principio di funzionamento, determinando così le 2 tipologie fondamentali di reti di telecomunicazione (vedasi oltre) Canali di comunicazione Hanno la funzione di collegare tra loro i nodi di rete Tecnologie Informatiche per la P.A. 8/42 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,

9 Canali di comunicazione I 2 tipi fondamentali Canali di comunicazione analogici Trasmettono un segnale analogico Sempre meno utilizzati nelle reti di telecomunicazione Canali di comunicazione numerici (o digitali) Trasmettono un segnale numerico (di norma binario) Di fatto sono i canali utilizzati per costruire le moderne reti di telecomunicazione (essendo sempre possibile, sotto ben precise condizioni, convertire un segnale analogico in segnale numerico e viceversa) Canale analogico Canale numerico Tecnologie Informatiche per la P.A. 9/42 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,

10 Canali di comunicazione Caratteristiche dei canali numerici Verso di percorrenza e istanti di trasmissione Simplex: 1 sol senso Half-duplex: 2 sensi, ma non contemporaneamente Full-duplex: 2 sensi, anche contemporaneamente Velocità del canale Ritmo al quale il nodo mittente trasmette i bit sul canale (si misura in bps) Vi sono canali duplex che ammettono nei 2 sensi velocità diverse (es. collegamenti ADSL) Ritardo: tempo necessario al bit per "volare" all'altro capo del canale Tasso d'errore Tecnologie Informatiche per la P.A. 10/42 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,

11 Canali di comunicazione Realizzazione dei canali numerici Si supponga di avere un conduttore metallico che collega 2 nodi di rete Se questo conduttore è di lunghezza elevata (ordine di grandezza: km o superiore) e deve essere utilizzato come canale numerico, potrebbe dover richiedere l'inserimento di un dispositivo aggiuntivo: il modem (= MOdulator/DEModulator) Il modem "trasforma" il segnale numerico (di fatto viene convertito in analogico) affinchè questo possa essere trasmesso in modo più efficiente sul canale di lunghezza elevata Il modem all'altro capo effettua la conversione opposta Modem Conduttore Modem Tecnologie Informatiche per la P.A. 11/42 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,

12 Reti di telecomunicazione Le 2 fondamentali tipologie Reti a commutazione di circuito Nei nodi intermedi effettuano la commutazione collegando un canale di comunicazione in ingresso con un canale di comunicazione in uscita I nodi ignorano completamente ciò che sta passando Esempio pratico: la rete telefonica Reti a commutazione di pacchetto Nei nodi intermedi effettuano la commutazione analizzando le sequenze di bit (o parti di esse) che stanno arrivando dai canali in ingresso Esempio pratico: la rete Internet Tecnologie Informatiche per la P.A. 12/42 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,

13 Commutazione di Circuito Il principio Un nodo di commutazione 'salda' un canale in ingresso con un canale in uscita Una connessione attiva (detta circuito o banalmente linea) mantiene comunque allocati i canali anche se non fluisce traffico tra i nodi finali Equivale ad un canale di comunicazione tra i 2 nodi finali Nodi finali Nodo di accesso Nodo N canali Nodo Nodo di accesso Nodi finali Nodo di accesso Nodo Nodo Tecnologie Informatiche per la P.A. 13/42 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,

14 Commutazione di Circuito Il principio Schematizzazione dell'allocazione di risorse in una rete a commutazione di circuito Nodo Intermedio di Commutazione N canali Nodo Intermedio di Commutazione Switching Nodo Intermedio di Commutazione Nodo Intermedio di Commutazione Nodo Intermedio di Commutazione Tecnologie Informatiche per la P.A. 14/42 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,

15 Commutazione di Circuito I tipi di circuito Una rete a commutazione di circuito i circuiti possono essere di 2 tipi Dedicati (Leased) Sempre attivi Commutati o su base chiamata (Switched) Vengono attivati su richiesta Elemento fondamentale: la segnalazione End_System - Nodo_Accesso Nodo - Nodo Una comunicazione attraverso un circuito commutato si svolge in 3 fasi: instaurazione del circuito, comunicazione, abbattimento del circuito Tecnologie Informatiche per la P.A. 15/42 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,

16 Commutazione di Circuito Le reti telefoniche reali Le reti telefoniche attuali sono costruite impiegando sulla dorsale canali di comunicazione di tipo digitale, mentre le linee di accesso possono essere sia analogiche sia digitali Reti telefoniche con accesso analogico (canale d'accesso di tipo analogico) Linee dedicate Connettevano centralini telefonici aziendali analogici Ormai non più utilizzate Linee commutate Sono le classiche linee telefoniche tradizionali Per esempio la connessione spesso commercialmente chiamata PSTN (Public Switched Telephone Network) Tecnologie Informatiche per la P.A. 16/42 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,

17 Commutazione di Circuito Le reti telefoniche reali Reti telefoniche con accesso numerico (canale d'accesso di tipo numerico) Linee dedicate Esempio: la connessione commercialmente chiamata (da Telecomitalia) CDN Linee commutate Esempio: la connessione commercialmente chiamata ISDN (Integrated Services Digital Network) Telefono ISDN Centrale d'accesso Eventuale conversione da analogico a numerico (e viceversa) Telefono analogico canale numerico canale analogico Centrale d'accesso Rete Telefonica Centrale d'accesso canale analogico Telefono analogico Esempio di connessioni commutate sulla rete telefonica Tecnologie Informatiche per la P.A. 17/42 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,

18 Commutazione di Pacchetto Il principio Il nodo finale mittente DEVE inserire i dati (bit) da inviare all'interno di messaggi particolari di lunghezza limitata chiamati "pacchetti" I "pacchetti", oltre ai dati, di norma contengono numerose informazioni di servizio, tra cui, per esempio, l'identificativo del destinatario da raggiungere, ecc... I nodi intermedi commutano sulla base delle informazioni di controllo contenute nei pacchetti Nodo finale pacchetto Dati Nodo di accesso Nodo Nodo Nodo di accesso pacchetto Dati Nodo finale Nodo di accesso Nodo Nodo Tecnologie Informatiche per la P.A. 18/42 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,

19 Commutazione di Pacchetto Il principio Il principio della commutazione di pacchetto non richiede allocazione delle sequenze di canali di comunicazione tra mittente e destinatario (come avveniva nella commutazione di circuito) Il risultato è che tra i nodi finali sui viene ad instaurare una connessione "logica" (e non "fisica" come nella commutazione di circuito) Qui sotto si riporta la struttura generale di un pacchetto Testata Dati Coda Struttura generale di un pacchetto Tecnologie Informatiche per la P.A. 19/42 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,

20 Commutazione di Pacchetto Il nodo intermedio Schema di principio del funzionamento di un nodo di una rete a commutazione di pacchetto Nodo Nodo If Header Dati Trailer If Nodo Intermedio Nodo pacchetto If If pacchetto Nodo Tecnologie Informatiche per la P.A. 20/42 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,

21 Commutazione di Pacchetto Le reti reali e il problema degli standard Affinchè 2 nodi finali possano scambiarsi messaggi attraverso l'uso di una dorsale a commutazione di pacchetto è necessario definire degli standard per la costruzione dei pacchetti (si dice che bisogna definire i tracciati dei pacchetti) La questione fondamentale sta nel definire le strutture delle testate e delle code dei pacchetti (visto che sono le porzioni consultate dai nodi intermedi della rete) Per poter utilizzare una rete a commutazione di pacchetto è pertanto necessario costruire i pacchetti secondo regole ben precise Esempi reali di reti a commutazione di pacchetto Reti conformi allo standard Frame Relay Rete Internet Tecnologie Informatiche per la P.A. 21/42 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,

22 Come si costruisce una rete a comm. di pacchetto? La nascita delle architetture di comunicazione 1 Approccio (non utilizzabile) Scrivere un programma (software) su ciascun nodo che svolge le funzioni precedentemente descritte => Troppo complesso Pgm Pgm Pgm Approccio non utilizzabile Pgm Pgm Pgm Pgm Pgm Pgm Tecnologie Informatiche per la P.A. 22/42 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,

23 Come si costruisce una rete a comm. di pacchetto? La nascita delle architetture di comunicazione 2 Approccio (utilizzato nelle reti a commutazione di pacchetto esistenti) Costrure una struttura stratificata di funzioni su ciascun nodo (architettura di comunicazione a strati) Liv. N..... Liv. 3 Liv. 2 Liv. 1 Liv. N..... Liv. 3 Liv. 2 Liv. 1 Liv. N..... Liv. 3 Liv. 2 Liv. 1 Liv. N..... Liv. 3 Liv. 2 Liv. 1 Liv. N..... Liv. 3 Liv. 2 Liv. 1 Liv. N..... Liv. 3 Liv. 2 Liv. 1 Liv. N..... Liv. 3 Liv. 2 Liv. 1 Liv. N..... Liv. 3 Liv. 2 Liv. 1 Liv. N..... Liv. 3 Liv. 2 Liv. 1 Tecnologie Informatiche per la P.A. 23/42 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,

24 Architetture di comunicazione "a strati" Separazione tra parte puramente applicativa e parte comunicativa A sua volta la parte comunicativa viene suddivisa funzionalmente in N livelli Il servizio comunicativo può contemporaneamente essere utilizzato da più applicazioni utente Applicazione..... Applicazione Interfaccia verso le applicazioni Layer-N Layer-2 Layer-1 Tecnologie Informatiche per la P.A. 24/42 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,

25 Architetture di comunicazione "a strati" La sequenza degli incapsulamenti L'invio di un messaggio comporta la 'discesa' dello stack architetturale con una serie di successivi incapsulamenti (aggiunta di testate e code) inseriti ai vari livelli (escluso il liv. 1) La ricezione di un messaggio comporta la 'risalita' dello stack architetturale con l'eliminazione dei relativi incapsulamenti Applicazione..... Applicazione Msg applicativo Layer-N Hdr-N Msg applicativo Layer-2 Hdr-2... Hdr-N Msg applicativo Trailer Layer-1 Trasmissione Tecnologie Informatiche per la P.A. 25/42 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,

26 Architetture di comunicazione "a strati" Protocolli di comunicazione Protocollo di comunicazione Insieme delle regole attraverso le quali i livelli omologhi appartenenti a nodi di rete diversi si scambiano i messaggi Applicazione Livello N Livello K Livello 1 Protocollo di livello N Protocollo di livello K Applicazione Livello N Livello K Livello 1 Tecnologie Informatiche per la P.A. 26/42 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,

27 Architettura ISO/OSI Il modello "a strati" ha dato origine a diverse architetture di comunicazione Alcuni costruttori hanno formalizzato proprie architetture proprietarie L'ISO (International Standard Organization) ha proposto l'architettura OSI (Open System Interconnection) Architettura comunicativa a 7 livelli Non ha avuto successo Attualmente viene utilizzata come modello di riferimento nello studio di altre architetture di comunicazione Application Services Presentation Services Session Transport Network Data Link Control Physical Il modello ISO/OSI Tecnologie Informatiche per la P.A. 27/42 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,

28 Architettura SNA SNA = System Network Architecture Architettura di comunicazione proposta da IBM nel 1974 Composta da 7 livelli, corrispondenti approssimativamente ai 7 livelli OSI Ha conosciuto varie evoluzioni (p. es. SNA/APPN) Transaction Services Presentation Data Flow Control Transmission Control Path Control Data Link Control Physical Architettura SNA Tecnologie Informatiche per la P.A. 28/42 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,

29 Architettura TCP/IP Parallelamente allo sviluppo delle architetture proprietarie e alla definizione dello standard OSI, il mercato ha conosciuto la progressiva affermazione di una serie di standard 'de facto' noti come "Suite TCP/IP" Il nome TCP/IP deriva dagli acronimi che identificano i 2 più importanti protocolli dell'architettura: TCP e IP Caratteristiche di TCP/IP Non é una architettura "proprietaria" E' essenziale (ha pochi livelli) ma al tempo stesso estremamente flessibile E' stato adottato come standard per lo scambio di informazioni tra le università del mondo E' stato implementato nello UNIX di Berkeley distribuito gratuitamente in tutto il mondo Tecnologie Informatiche per la P.A. 29/42 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,

30 Un importante sistema comunicativo Le Reti Locali Perchè costruire una Rete Locale? Anche nelle organizzazioni fortemente aperte verso l'esterno (dal punto di vista comunicativo) molte conversazioni avvengono tra utenti/applicazioni locali Conviene pertanto disporre di un mezzo di comunicazione veloce e diretto tra gli utenti in ambito locale Soluzione: Rete Locale (Local Area Network - LAN) Tecnologie Informatiche per la P.A. 30/42 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,

31 Reti Locali Concetti fondamentali Definizione di LAN E' un sistema di comunicazione che permette ad apparecchiature indipendenti di comunicare tra loro in un'area delimitata utilizzando un canale fisico a velocità elevata e con basso tasso d'errore (Def. IEEE 802) Le varie macchine della rete vengono interconnesse utilizzando opportuni adattatori (schede di rete LAN) che a volte sono integrate nelle macchine stesse LAN Tecnologie Informatiche per la P.A. 31/42 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,

32 Reti Locali Concetti fondamentali Dove si utilizzano le LAN? Una LAN copre un'area privata geograficamente limitata (diametro fino a qualche km) Un palazzo (o più palazzi adiacenti situati sulla stessa area privata) Campus universitario Uno o più uffici Una fabbrica... qualunque altro insediamento dislocato su suolo privato Tecnologie Informatiche per la P.A. 32/42 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,

33 Reti Locali Concetti fondamentali Come si costruisce una LAN? Dovendo collegare direttamente ogni macchina con ogni macchina, la via più semplice (... e soprattutto realizzabile) consiste nell'utilizzare un canale di comunicazione condiviso (= tutte le stazioni sono collegate sullo stesso canale) Canale di comunicazione condiviso Non va bene! Soluzione adottata per costruire una LAN Tecnologie Informatiche per la P.A. 33/42 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,

34 Reti Locali Concetti fondamentali Nel corso degli ultimi anni sono state proposte e formalizzate alcune reti locali (spesso tra loro molto diverse) Tale "battaglia" ha avuto un vincitore: la LAN Ethernet Uno standard di rete locale deve specificare quanto segue Cablaggio (naturalmente nel caso wired, mentre la cosa non è necessaria nel caso wireless) Protocolli Protocolli di accesso al mezzo fisico condiviso Protocolli di comunicazione tra le stazioni della LAN Tecnologie Informatiche per la P.A. 34/42 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,

35 Reti Locali Gli standard più importanti Ethernet V2 (detta anche DIX Ethernet) Primi anni '80, è l'evoluzione di un prototipo (Ethernet V1) costruito alcuni anni prima presso il PARC della Xerox Corp. Standard proposto da Digital, Intel, Xerox Funziona a 10 Mbps Modello IEEE 802 Standard proposto dall'ieee (Institute of Electrical and Electronic Engineers) americano Insieme molto corposo di specifiche che riunisce in un'unica struttura sia le reti Ethernet che le altre reti locali (Es. Token Ring di IBM, wireless,... ) Tecnologie Informatiche per la P.A. 35/42 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,

36 LAN Ethernet Stazioni collegate assieme su un cavo coassiale "spesso" (nel modello IEEE 802 tale cablaggio prende il nome di 10Base5) Protocollo d'accesso CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection) Insieme di regole che governano l'accesso al mezzo fisico condiviso (bus) Una stazione può trasmettere un messaggio solo se il canale non é occupato dalla trasmissione di un'altra stazione Nel caso due o più stazioni trasmettano quasi-contemporaneamente allora si verifica una collisione: le stazioni mittente devono cessare la trasmissione e ritentare in istanti successivi Trasmissione Tecnologie Informatiche per la P.A. 36/42 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,

37 LAN Ethernet L'evoluzione del cablaggio La formalizzazione IEEE 802 ha aggiunto ulteriori possibilità per i cablaggi delle reti Ethernet (in aggiunta al cavo coassiale spesso, detto anche 10Base5) 10Base2: cavo coassiale "sottile" 10BaseT: connessioni tramite doppino schermato o non schermato con connettori RJ45 10BaseF: connessioni in fibra ottica Connessioni 10BaseT con hub concentratore Tecnologie Informatiche per la P.A. 37/42 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,

38 LAN Ethernet L'evoluzione della velocità 100 Mbps Fast Ethernet Cablaggio su doppino o su fibra 1 Gbps Gigabit Ethernet Cablaggio su doppino o su fibra 10 Gbps 10 Gigabit Ethernet Cablaggio su fibra (solo collegamenti punto a punto tra 2 stazioni) Tecnologie Informatiche per la P.A. 38/42 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,

39 Reti Locali Connessione di più LAN tra loro Nelle reti aziendali risulta spesso necessario collegare tra loro più reti locali, affinchè funzionino di fatto come un'unica LAN Una soluzione (in genere non è l'unica) consiste nell'utilizzo di dispositivi di rete chiamati Bridge o Switch LAN o Switch di livello 2 Spesso assomigliano ad un Hub, ma sono tutt'altra cosa Hanno più interfacce, ciascuna delle quali viene collegata ad una delle LAN da interconnettere Switch LAN Hub Hub Tecnologie Informatiche per la P.A. 39/42 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,

40 Come si costruisce una LAN? Se si tratta di una LAN cablata (wired) occorre predisporre un opportuno cablaggio (il doppino schermato o non schermato; in casi particolari la fibra) Scegliere un punto "baricentrico" (dove verrà collocato l'armadio di permutazione) dal quale diramare a stella le tratte in doppino verso le stazioni da connettere Stendere i cavi connettendo le varie prese Nell'armadio verrà inserito il dispositivo Hub (o Switch) di rete locale L'Hub verrà collegato al cablaggio attraverso "cavi di patch": in tal modo si costruisce una struttura estremamante flessibile Tecnologie Informatiche per la P.A. 40/42 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,

41 Come si costruisce una LAN? Esempio di cablaggio + armadio con Hub Hub LAN Ufficio n.1 pannello Armadio Ufficio n.2 Magazzino Tecnologie Informatiche per la P.A. 41/42 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,

42 Come si costruisce una LAN? Installazione fisica nelle macchine degli adattatori LAN Configurazioni Configurazione dell'adattatore e del suo "device driver" (di norma fornito di corredo con la scheda). Nei sistemi operativi recenti questa operazione spesso avviene automaticamente Configurazione dei protocolli di rete (TCP/IP, NetBIOS, IPX,... ): in sostanza vuol dire scegliere l'architettura di comunicazione da utilizzare Configurazione delle applicazioni Condivisioni di dischi e stampanti DB distribuiti... Tecnologie Informatiche per la P.A. 42/42 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,