Reti di calcolatori. Reti: una prospettiva storica

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1 Reti di calcolatori Da leggere: Cap.5 Sawyer, Williams (testo A) Cap.6 (primi 3 paragrafi) del Console Ribaudo (testo B) Reti: una prospettiva storica Once upon a time...tutti i calcolatori erano isolati l'uno dall'altro e potevano essere utilizzati solo da chi aveva accesso ad essi. Oggi invece i calcolatori sono connessi a formare delle reti i dati sono fruibili in modo più semplice, anche a distanza -> il loro valore informativo aumenta! dall'interazione uomo-macchina si passa all'interazione uomo-calcolatore remoto 1

2 Reti di calcolatori: aree di applicazione Comunicazione tra utenti in locazioni fisiche differenti (scambio di messaggi e dati) comunicazioni in ambito di ricerca utilizzo di basi di dati in locazioni remote lavoro cooperativo possibilità di svolgere attività di lavoro a casa (tele-lavoro) accesso a informazioni di varia natura Reti di calcolatori: aree di applicazione Condivisione di dispositivi periferici: connettere una periferica costosa a una rete che serva più utenti. Es. non è economico comprare uno scanner, o stampante per ogni PC del lab Condivisione di programmi/applicazioni e dati: più utenti usano lo stesso software e devono accedere alle stesse informazioni es. basi di dati a cui molti utenti (da diversi computer) posso accedere Comunicazione 2

3 Reti di calcolatori È possibile identificare due tipologie di reti di computer reti locali che collegano elaboratori vicini tra di loro, ossia computer e dispositivi in un area geografica limitata, per esempio un ufficio, un edificio o un gruppo di edifici a breve distanza. reti geografiche che collegano elaboratori in località remote (paese, globo terrestre) Reti di calcolatori: hardware Per avere una rete è indispensabile il collegamento fisico tra diversi computer Meccanismi in grado di trasmettere informazioni (canali di comunicazione) cavi elettrici cavi a fibre ottiche linee telefoniche trasmissioni wireless via satellite Diverse possibili topologie di collegamento Meccanismi in grado connettere i computer con i vari canali di comunicazione modem 3

4 Reti di calcolatori: software Sono inoltre necessari meccanismi software per permettere ai vari computer di dialogare e di gestire la comunicazione protocolli (convenzioni) di comunicazione invio e ricezione di messaggi meccanismi di indirizzamento spedizione sulle connessioni opportune verifica correttezza dei messaggi durante la trasmissione protezione dei messaggi (per evitare intercettazione) ottimizzazione della comunicazione gestione del traffico sulla rete Sommario Aspetti hardware: nodo (host), arco (link), canali di comunicazione Topologie di rete e tecnologie di trasmissione reti lineari, ad anello, a stella commutate Trasmissione analogica e digitale il modem Cenni su aspetti software scambio di messaggi e protocolli esempio concreto di protocolli della rete Internet nella prossima lezione Reti LAN e WAN 4

5 Reti di calcolatori un sistema di nodi (calcolatori, telefoni o altri dispositivi di comunicazione) collegati fra loro da una rete di comunicazione, in grado di comunicare gli uni con gli altri e di condividere applicazioni/dati Rete di comunicazione: infrastruttura che rende possibile la comunicazione fra un insieme di dispositivi PC Terminale Server PC Terminologia: componenti di una rete Nodo: un nodo (host) è un qualsiasi dispositivo hardware del sistema in grado di comunicare con gli altri dispositivi che fanno parte della rete Arco: i nodi sono collegati mediante archi (link) -> vari tipi di canali di comunicazione Canale di comunicazione: Percorso sul quale le informazioni viaggiano in un sistema di telecomunicazioni 5

6 Hardware: canali di comunicazione i canali possono essere realizzati via cavo o mediante tecnologie di trasmissione senza filo (wireless) Tipi di canali via cavo: Doppino telefonico costituito da due sottili fili di rame intrecciati Fibra ottica: costituito da decine o centinaia di sottili fibre di vetro o di materiale plastico che trasmettono impulsi di luce (tecnologie di trasmissione più sofisticate) Wireless: Trasmissioni a infrarossi Collegamenti satellitari; Canali di comunicazione Il tipo di cavo determina la capacità di trasmissione= quantità di informazione che posso trasferire nell'unità di tempo Ampiezza di banda della rete: quantità di informazioni che possono essere inviate in un determinato periodo di tempo unità di misura: bit al secondo: Kilobit (Kb), Megabit (Mb) per secondo 6

7 Comunicazione nelle reti Scopo fondamentale di una rete di computer: consentire la comunicazione tra i nodi I nodi si scambiano dei dati sotto forma di messaggi codificati in forma digitale Ogni messaggio è caratterizzato da un mittente (S = sender), un destinatario (R= receiver), un insieme di informazioni che costituiscono il corpo del messaggio: tipo di servizio richiesto da S a R e insieme di dati S R Comunicazione nelle reti Affinché questa comunicazione possa avvenire in modo corretto occorre definire un protocollo di comunicazione Come nella comunicazione umana si stabiliscono delle convenzioni per il comportamento tra gli individui, nel caso della comunicazione tra gli elaboratori un protocollo di rete definisce quell insieme di regole che il nodo mittente e il nodo destinatario devono seguire per interagire tra loro 7

8 Comunicazione nelle reti Un protocollo umano e un protocollo di reti di computer: messaggi specifici vengono spediti azioni specifiche sono compiute quando i messaggi sono ricevuti I protocolli definiscono formato e ordine dei messaggi spediti e ricevuti tra entità della rete, e le azioni da compiere in seguito alla ricezione e/o trasmissione dei messaggi o di altri eventi Comunicazione nelle reti In generale, un protocollo di rete fornisce delle funzionalità per controllare la spedizione e la ricezione dei messaggi gestione dell'indirizzamento (addressing) gestione dell'instradamento (routing) gestione di eventuali errori di trasmissione (error detection, error recovery, sequence control) gestione della velocità di comunicazione (flow control) vedremo un esempio di protocollo di rete quando parleremo di Internet 8

9 Hardware: Topologie di reti I nodi che formano una rete possono essere collegati tra loro in vari modi che determinano l architettura o topologia della rete La topologia della rete determina la modalità di trasmissione dei dati all interno della rete reti punto-a-punto: connessioni individuali fra coppie di calcolatori reti multi-punto (broadcast): canale di trasmissione condiviso da tutti i calcolatori della rete commutate -> reti geografiche Topologie di reti: esempi multi-punto punto-a-punto 9

10 Cosa valutiamo? costo: legato al numero e alla lunghezza delle trasmissioni; domanda chiave: "dati N nodi quanti collegamenti devo realizzare?" velocità di trasmissione: il collegamento diretto è il più veloce, se non è diretto devo minimizzare il passaggio per nodi intermedi -> calcolo del tempo di trasmissione sulla base del numero di archi attraversati comunicazione equamente distribuita fra i vari nodi: no bottle neck! affidabilità, tolleranza ai guasti -> ridondanza Reti punto-punto semplici Ciascuna coppia di nodi è direttamente collegata modalità di trasmissione: point-to-point, uno a uno Qual'è il numero dei collegamenti necessari dati N nodi? N*(N-1)/2 10

11 Reti punto-punto semplice: valutazione costo: alto! più alto è il numero di collegamenti da realizzare -> più alto è il costo difficoltà realizzativa/pratica velocità di trasmissione: alta! efficienza della comunicazione: esiste un collegamento diretto (dedicato) per ogni coppia di nodi affidabilità: buona! Esistono molti cammini alternativi per collegare ogni coppia di nodi (ridondanza) Oltre le reti punto-punto semplici Tutte le topologie attuali prevedono collegamenti in cui solo alcune coppie di nodi sono effettivamente collegate tramite cavi. I nodi non fisicamente collegati fra loro, sono collegati punto-a-punto a nodi intermedi (topologie anello, a stella: connessioni ) attraverso canali condivisi (topologia lineare) -> reti multi-punto (o broadcast) 11

12 Reti ad anello i nodi sono connessi secondo una configurazione ad anello, e non sono tutti direttamente collegati connessione circolare punto-a-punto Numero di collegamenti (se N > 2) = N il segnale emesso da un nodo passa al nodo successivo; se non è indirizzato a quel nodo, viene ritrasmesso al nodo seguente, finché non raggiunge il destinatario Reti ad anello: valutazione costo: minore rispetto al punto a-punto semplice: minor n. di collegamenti velocità di trasmissione: è meno efficiente rispetto alla rete punto-a-punto semplice: i messaggi devono attraversare dei nodi intermedi -> assumiamo trasmissione in una direzione, nel caso medio attraverso metà dei nodi affidabilità: scarsa, la rottura di un nodo causa un'interruzione delle comunicazioni nella rete 12

13 Reti a stella i nodi sono tutti collegati mediante connessioni punto a punto a un nodo centrale detto host tutte le connessioni punto-a-punto fanno capo a un unico nodo centrale Numero di collegamenti = N-1 le comunicazioni tra due nodi non sono dirette ma passano attraverso il nodo host che provvede a smistarle verso il nodo Viviana Patti destinazione Informatica di base 13/12/04 Reti a stella: valutazione costo: inferiore a quello delle altre topologie viste velocità di trasmissione: buona! i messaggi da nodo a nodo devono attraversare solo il nodo centrale affidabilità: cruciale il funzionamento del nodo centrale: se si guasta ogni comunicazione diventa impossibile Problema: il nodo centrale può diventare il collo di bottiglia della rete: tutto il traffico passa di lì 13

14 Esempio di architettura con hub Per risolvere il problema del traffico sul nodo centrale si usano dispositivi specializzati detti hub Concentratore (hub): dispositivo di connessione che semplifica il collegamento fisico tra i nodi e instrada i segnali Dorsale: cavo ad alta capacità di trasmissione dei dati rete a stella Reti lineari (a bus) Tutti i nodi sono collegati allo stesso mezzo trasmissivo, la dorsale della rete modalità di trasmissione: broadcast, uno a molti -> RETI MULTI-PUNTO I dati trasmessi da un calcolatore sono visibili a tutti gli altri Problema principale: condivisione della linea i messaggi inviati da un elaboratore vengono ricevuti da tutti ma solo l elaboratore destinatario elabora il messaggio, gli altri elaboratori Viviana Patti lo ignorano Informatica di base 13/12/04 14

15 Trasmissione in broadcast Broadcast: Modalità di trasmissione che prevede l'invio di un messaggio a tutti i computer collegati in rete In generale si dice che in una rete la modalità di trasmissione è broadcast quando la rete ha queste caratteristiche: canali di trasmissione condivisi da tutti i calcolatori della rete a ogni calcolatore deve essere associato un identificatore univoco (indirizzo di rete); nome logico/indirizzo fisico un messaggio inviato sulla rete raggiunge tutti calcolatori della rete ma soltanto il calcolatore il cui indirizzo corrisponde all'indirizzo indicato nel messaggio lo tratterrà per elaborarlo Trasmissione broadcast: una metafora Un analogia con questo tipo di comunicazione è quella di una classe in cui docenti e studenti condividono lo stesso mezzo di comunicazione (l aria). Diventa cruciale decidere chi deve parlare e quando, e gli esseri umani hanno stabilito una serie di regole (un protocollo) per usare questo "canale di comunicazione condiviso" Si deve dare a ciascuno l opportunità di parlare Non si deve parlare fino a quando non si è interrogati Non si deve monopolizzare la comunicazione Si deve alzare la mano quando si ha una domanda Non si deve interrompere chi sta parlando Anche le reti di calcolatori hanno dei protocolli di rete, detti multiple access protocol, con i quali i nodi regolano le loro trasmissioni sul canale di broadcast 15

16 Reti lineari: valutazione costo: ho 1 solo arco, da realizzare: la dorsale della rete facilità di realizzazione velocità di trasmissione: la comunicazione è veloce! un messaggio deve attraversare solo 1 arco, la dorsale la dorsale può diventare il collo di bottiglia affidabilità: buona! un nodo fuori uso rimane isolato -> l'unico punto debole è la dorsale LAN Le topologie di reti che abbiamo visto hanno di solito un'elevata capacità di trasmissione ( Mbit/sec.) ma Ridotta scala geografica: (10m KM) Reti di questo tipo sono dette Reti Locali o LAN (Local Area Networks) -> quando devo connettere computer a una distanza maggiore... 16

17 Reti commutate poiché è impossibile collegare fisicamente tutte le macchine, si utilizza una infrastruttura condivisa Rete composta da commutatori: ognuno dei quali ha il compito di smistare i dati a un altro commutatore etc. meno veloci: 100Mbit/sec estensione enorme: migliaia di Km ne riparliamo nella lezione su Internet Tipi di reti: scala...criterio per classificare le reti legato alla loro scala, che si determina in base alla dimensione dei processori e alla loro distanza 17

18 LAN - Local Area Network Reti private per la condivisione di risorse all interno di un edificio o in edifici vicini elaboratori stampanti dati Sono generalmente di dimensioni ridotte Si possono distinguere a seconda della topologia (punto-a-punto semplice, ad anello, a stella, lineare) LAN Scheda di rete Per collegare un computer ad una rete locale si usa una scheda di rete che permette di instaurare una connessione fisica consente al computer di inviare e ricevere messaggi tramite la rete: es.converte i dati da trasmettere nel formato opportuno, fa in modo che il protocollo di comunicazione sia rispettato 18

19 Reti LAN Client/Server Gli elaboratori in una LAN possono avere ruoli diversi Server: elaboratore che può essere condiviso dagli altri computer collegati in rete server gestore dei dati (file server): gestisce la memorizzazione e la condivisione di dati server di stampa (printer server): gestisce le stampanti disponibili in una rete locale server di comunicazione: permette l accesso ad altre reti locali o ad Internet Client: elaboratore che usa delle risorse condivise, messe a disposizione dal server Reti LAN Client/Server 19

20 LAN - Software di rete In una LAN si vogliono condividere delle risorse Il sistema operativo (locale) non è in grado di gestire le risorse che non appartengono all elaboratore e si introduce un nuovo livello nella struttura a cipolla : il sistema operativo di rete LAN - Software di rete Supporta l'accesso di più utenti offrendo le funzionalità di riconoscimento tramite password Gestisce l'accesso alle risorse condivise (es. stampante, o disco di memoria secondaria)... Windows NT/2000 (tecnologia su cui si basa anche XP, in laboratorio) 20

21 LAN - Ethernet Ethernet è il tipo di rete locale più diffuso Sviluppata dalla Xerox negli anni 70 (1976) Qualsiasi computer di qualsiasi tipo prevede la possibilità di usare una scheda Ethernet per connettersi alla rete locale Usa prevalentemente la topologia lineare e una modalità di trasmissione broadcast Velocità di trasmissione: 10, 100, 1000 Mb/sec. LAN - Modalità di accesso al canale condiviso: CSMA/CD Non è previsto nessun controllo centralizzato (vigile): tutti i computer sono collegati e potenzialmente possono trasmettere e ogni nodo si preoccupa di trasmettere il messaggio cercando di evitare le collisioni Schema di funzionamento Quando un computer vuole trasmettere un'informazione... prima verifica che il canale sia libero, poi invia il messaggio in broadcast Se si accorge che un altro computer sta trasmettendo, aspetta 21

22 LAN - Modalità di accesso CSMA/CD Se si verifica un conflitto (due o più computer hanno inviato i loro messaggi contemporaneamente) i computer coinvolti si fermano, aspettano per un tempo T casuale, e poi riprovano la trasmissione -> CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection LAN aperte - interconnessione Oggi raramente una LAN è chiusa, ossia non connessa ad altre reti Lab: rete locale connessa a Internet Esistono dei dispositivi appositi che fanno da interfaccia e creano queste connessioni Router: computer che dirige lo scambio di comunicazione fra più reti (es. connessione fra una LAN e Internet); in particolare instradano i pacchetti di dati da una rete all'altra Bridge: interfaccia di comunicazione per reti dello stesso tipo (es. 2 Ethernet) Gateway: interfaccia per reti con ambienti applicativi diversi (es. 2 LAN basate su sistemi op. diversi) 22

23 LAN aperte - interconnessione WAN - Wide Area Network Una rete WAN copre una grande area geografica esempio, la rete GARR collega tutte le Università italiane Nella maggior parte delle reti WAN la sottorete di comunicazione è formata da linee di trasmissione (che spostano i dati fra i vari nodi) elementi di commutazione, ossia calcolatori specializzati usati per collegare due o più linee di trasmissione 23

24 Reti Internet Private Intranet: rete privata interna di un'azienda; condivisione di informazioni utili per condurre il proprio lavoro: informazioni sui prodotti, indirizzi, numeri di telefono I dati riservati di un'azienda devono essere mantenuti privati Firewall: sistema hardware e software che blocca gli utenti non autorizzati (sia interni che esterni) impedendo loro l accesso alla intranet costringe tutti i pacchetti di dati in passaggio fra Internet e la intranet a passare attraverso una porta che identifica gli utenti autorizzati, controlla la presenza di virus etc. Trasmissione: analogico e digitale Nelle reti locali, la comunicazione tra due computer passa di solito su cavi dedicati, installati esplicitamente per la rete, e adatti per la trasmissione digitale delle informazioni Semplificando un po : su questi cavi si ha una variazione del livello di tensione fra due valori, che corrisponde alla trasmissione di bit di valore 0 oppure 1 24

25 Trasmissione: analogico e digitale Per le comunicazioni su lunga distanza, si cerca di sfruttare le reti di comunicazione esistenti, come ad esempio la rete telefonica La rete telefonica è adatta a comunicare la voce, cioè un segnale analogico che varia in maniera continua in una banda di frequenze Sono necessari dei dispositivi per poter usare la rete telefonica come mezzo di comunicazione tra computer Meccanismi in grado connettere i computer con i vari canali di comunicazione Analogico e digitale In generale l'informazione trasmessa in una rete può essere portata da un segnale analogico o digitale Digitale Rappresentazione dell'informazione tipica dei computer: 2 cifre 0 1 rappresentati da due impulsi elettrici acceso e spento Un mezzo di trasmissione per dati digitali trasmette i segnali elettrici corrispondenti ai due valori in modo discontinuo -> il segnale è costituito da una serie di impulsi discreti 25

26 Analogico e digitale Analogico i dati analogici vengono trasmessi come segnali elettrici sotto forma di onda continua Mezzi di trasmissione analogici: telefono, radio, televisione e TV via cavo La rete telefonica E' stata creata per trasmettere la voce (onda sonora) L apparato fonico di un uomo (polmoni, corde vocali,bocca, ) produce nell aria un onda di pressione acustica Il microfono della cornetta converte quel segnale in un segnale elettrico che ha esattamente la stessa forma Il segnale elettrico viaggia sul doppino telefonico ed arriva all apparecchio del ricevente L altoparlante della cornetta del ricevente esegue l inverso del microfono del trasmettente convertendo ilsegnale elettrico in un onda acustica ANALOGA a quellache aveva colpito il microfono. 26

27 Funzione del modem La rete telefonica trasmette suoni Un calcolatore vuole trasmettere informazioni codificate usando un opportuno numero di bit Ci vuole un dispositivo che esegue la conversione da bit a fischio MOdulatore-DEModulatore Converte i segnali da analogici a digitali e viceversa Modem significa modulatore - demodulatore; il nome stesso suggerisce le due funzioni di questo dispositivo hardware: Modula i segnali digitali trasformandoli in segnali analogici Demodula i segnali analogici riconvertendoli in segnali digitali Funzione del modem 27

28 Il modem Se si deve trasmettere un bit che vale 1 allora il modem fischia una certa nota lungo la linea telefonica altrimenti se deve trasmettere uno 0 fischia una nota differente Chiaramente, il ricevitore deve avere un modem che esegue il lavoro opposto: se sente un fischio con una la nota associata al bit uguale a 0 allora trasmette al computer un bit 0 altrimenti nell altro caso trasmette un 1 Il modem: caratteristiche I modem attuali per trasmissione su rete telefonica standard hanno velocità di trasmissione di , , , bit/sec. Ossia una velocità massima di non più di 56 Kbit/sec Se due computer comunicano tramite un modem, la velocità di comunicazione è sempre quella del modem più lento Il modem è usato soprattutto per le comunicazioni private (ad esempio un utente che si collega ad Internet tramite il suo Internet Provider) 28

29 Il modem nel computer modem esterno: deve essere collegato alla porta seriale del calcolatore) modem interno: (alloggiato in un apposito slot di espansione della scheda madre) 29