I Sistemi Distribuiti. Il Calcolo Distribuito. Sistemi di Comunicazione. Introduzione e Architettura di una Rete di Calcolatori

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1 a.a. 2002/03 Introduzione e Architettura di una Rete di Calcolatori Prof. Vincenzo Auletta auletta@dia.unisa.it Università degli studi di Salerno Laurea e Diploma in Informatica 2 I Sistemi Distribuiti Un sistema distribuito consiste di dispositivi distinti ed indipendenti, collegati tramite una rete di interconnessione, visti dall utente come un unico dispositivo virtuale l utente non si accorge se il comando che ha lanciato è eseguito in locale o in remoto e non sa dove sono localizzati i dati il sistema operativo si preoccupa di assegnare le elaborazioni ai vari processori e di spostare i dati sulla rete Il Calcolo Distribuito La progettazione di sistemi distribuiti richiede la definizione di un modello di calcolo distribuito un programma consta di varie parti, eseguite su piattaforme hardware e software differenti, che interagiscono tramite una rete modello client/server e peer-to-peer Corba, DCOM, Web Services, etc. ambienti di sviluppo Java,.NET, etc. Sistemi di Comunicazione obbiettivo: consentire lo scambio di dati tra due entità localizzate in posti differenti 3 4

2 Sistemi di Comunicazione Sorgente genera i dati da trasmettere (PC, telefono, rilevatore) Trasmettitore Esempio di Sistema di Comunicazioni Comunicazione tra una workstation ed un file server tramite rete telefonica 5 trasforma e codifica i dati (modem, trasmettitore radio) Sistema di Trasmissione consente la trasmissione di un segnale (rete telefonica, rete locale, etere) Ricevitore decodifica e trasforma i segnali (modem, sintonizzatore, ricevitore digitale) Destinazione riceve i dati inviati dalla sorgente 6 Reti di Comunicazione Esempio di Reti di Comunicazione 7 In genere non conviene collegare direttamente due dispositivi che devono comunicare distanza costo connessione necessaria solo per breve tempo SOLUZIONE Colleghiamo tutti i dispositivi ad un unica rete di comunicazione a commutazione tutti usano la stessa rete per il tempo necessario possibili ritardi e disfunzioni per traffico 8

3 9 Eterogeneità delle Reti Esistono svariati tipi di rete Utilizzano tecnologie hardware e modalità di trasmissione differenti Ogni tecnologia di rete è adatta ad uno specifico utilizzo libri di ~500 pagine per elencare tutti gli acronimi utilizzati Dispositivi collegati a reti diverse non possono comunicare direttamente Classificazione delle reti per tecnologia di trasmissione dimensione 10 Classificazione di Reti: Dimensione Tipologia macchine multiprocessore Personal Area Network (PAN) Local Area Network (LAN) Metropolitan Area Network (MAN) Wide Area Network (WAN) Global Area Network (GAN) Dimensione decine di centimetri pochi metri da pochi metri a qualche chilometro qualche decina di chilometri fino a migliaia di chilometri tutto il pianeta server di un grosso sito Web cellulare portatile -- stampante rete dipartimentale (casa, o ufficio) rete cittadina rete nazionale o continentale Internet Esempio 11 Comunicazione Universale L'utente richiede un servizio di comunicazione universale Connessione con un altro utente indipendentemente dal tipo di rete e dal tipo di software utilizzato L internetworking definisce un modello astratto di rete di comunicazione Tutti gli utenti operano usando lo stesso modello il modello rende trasparente all'utente le differenze tra le reti fisiche 12 Internetworking Una internet è l'insieme di più reti reti distinte collegate tramite gateway le reti possono anche essere di tipo differente Vantaggi il progettista di un applicazione non deve conoscere i dettagli della rete fisica Il software applicativo è progettato in maniera indipendente dalla tecnologia hardware utilizzata (lo stesso programma può essere usato su una LAN e su una WAN)

4 Il Gateway ed il Router Esempio di internet 13 Il gateway è un dispositivo con due o più interfacce di rete Collega due reti fisiche distinte Traduce i pacchetti dal formato di una rete in quello dell altra Il router è un dispositivo con due o più interfacce di rete Indirizza i pacchetti verso la loro destinazione Acquisisce informazioni sulla topologia dell internet In genere coincidono 14 Esempio di internet locale Server Linux o Windows Rete Gateway Windows2000 Client Linux Internet E la più famosa delle internet Basata sugli standard definiti dalla Internet Society Ogni dispositivo che vuole collegarsi a Internet deve utilizzare i suoi standard Ogni azienda può implementare liberamente gli standard dell Internet Society 15 Client SUN Gateway Linux Client Windows 2000 Client Windows 98 16

5 17 Intranet ed Extranet L enorme diffusione di Internet ha spinto ad utilizzare i suoi standard anche in altri ambiti Intranet Rete privata che collega i dispositivi di un azienda Extranet Rete che collega un azienda ed i suoi partner (clienti e fornitori) dette anche VPN (Virtual Private Network) 18 Standard per Internetworking Uno standard definisce regole che stabiliscono come un dispositivo si interfaccia con il mondo esterno ci sono molteplici standard che codificano dalla forma fisica dei connettori, al tipo di segnale utilizzato nella trasmissione, fino al formato ed al significato dei messaggi scambiati Esistono due tipi di standard standard proprietari: definiti da un azienda privata e validi solo per i suoi dispositivi standard aperti: definiti da organismi internazionali ed utilizzabili da tutti senza pagare royalties Sistemi Aperti e Sistemi Chiusi Pro e Contro dei Sistemi Aperti 19 Sistemi chiusi basati su standard proprietari sono costituiti da dispositivi hardware o piattaforme software della stessa marca ci si lega alle politiche dell azienda Sistemi aperti basati su standard aperti sono costituiti da dispositivi e piattaforme software di diversi produttori La maggior parte delle moderne reti di telecomunicazioni sono sistemi aperti per facilitare l interconnessione 20 Pro Definiti da organizzazioni internazionali largamente riconosciute come imparziali processo di definizione "a maggioranza" i membri dell'organizzazione si impegnano ad accettarli consentono la comunicazione tra dispositivi diversi Contro il processo è lento ci sono troppi standard

6 21 Standard e Sistemi Aperti Definiti da organizzazioni internazionali largamente riconosciute come imparziali processo di definizione "a maggioranza" Vantaggi degli standard aperti i membri dell'organizzazione si impegnano ad accettarli dispositivi diversi possono comunicare Svantaggi il processo è lento ci sono troppi standard 22 Organizzazioni di Standard ISO (International Standard Organizzation) agenzia internazionale non governativa volontaria raccoglie rappresentanti delle maggiori aziende Ha sviluppato OSI (Open System Interconnection) modello di riferimento per l'intera architettura di un sistema aperto ANSI (American National Standards Institute) rappresentante Stati Uniti in ISO 23 Organizzazioni di Standard ITU-T ( International Telecommunications Union- Telecommunications Sector ) agenzia delle Nazioni Unite si occupa di tutti gli aspetti delle telecomunicazioni (questioni tecniche, operative, tariffarie, ecc.) ogni 4 anni invia Raccomandazioni agli stati membri Responsabile della standardizzazione di B-ISDN ATM Forum organizzazione non profit fondata dalle compagnie si occupa dello sviluppo di ATM 24 Organizzazioni di Standard Internet Society organizzazione professionale responsabile dello sviluppo e della pubblicazione degli standard relativi a Internet Divisa in gruppi di lavoro IAB (Internet Architecture Board) IETF (Internet Engineeirng Task Force) IRTF (Internet Research Task Force) Le proposte di standard sono pubblicate come RFC (Request For Comments)

7 Organizzazioni di Standard Comunicazione tra Computer 25 IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) più grande organizzazione professionale del mondo organizza conferenze e pubblica giornali si occupa di standardizzazioni nel campo dell'ingegneria elettrica e informatica Ha definito lo standard IEEE 802 per le reti locali 26 Lo scambio di informazioni tra entità in esecuzione su sistemi distinti è detto computer communication L insieme dei computer interconnessi tramite una rete di comunicazione è detto computer network Lo scambio di dati tra due entità è un operazione molto complessa che richiede di esaminare numerosi aspetti difficile progettare un software che possa gestire tutti gli aspetti della comunicazione 27 Modello di un Sottosistema di Comunicazione L astrazione di un sottosistema di comunicazione è organizzato a strati (livelli) sovrapposti uno strato definisce un'astrazione di una parte del sottosistema di comunicazioni ogni strato è costruito sugli strati inferiori Vantaggi la progettazione di uno strato deve esaminare solo un aspetto del problema ogni strato non dipende dall'implementazione degli altri stati uno strato fornisce servizi comuni a tutte le funzioni dello strato superiore 28 Astrazione di Sottosistema di Comunicazione comunicazione tra applicazioni implementa la logica dell applicazione comunicazione tra calcolatori implementa il servizio di trasmissione affidabile comunicazione tra dispositivi fisici consente la trasmissione di dati attraverso una rete di comunicazione

8 Esempio: Trasferimento di File Servizi e Protocolli Uno strato fornisce servizi allo strato superiore nascondendogli i dettagli relativi all'implementazione Lo strato utilizza i servizi dello strato inferiore la collaborazione dell entità dello strato equivalente (peer) del sistema destinatario Protocollo insieme di regole sintattiche e semantiche, utilizzate da due entità dello stesso livello per scambiarsi informazioni specifica cosa deve essere comunicato, in che modo e quando Architettura di Rete Architettura di Rete a Strati L insieme degli strati in cui è diviso il sottosistema di comunicazione, con le specifiche dei servizi offerti e dei protocolli utilizzati costituisce l architettura di rete (o del sistema di comunicazione) comprende solo specifiche funzionali e non implementazioni L insieme dei protocolli utilizzati dai vari strati di un architettura è detta suite (gerarchia) 31 32

9 Modello di Progettazione Esempio di Architettura di Rete Modello Semplificato a Tre Livelli Livello di accesso alla rete Livello di trasporto Livello delle applicazioni Livello di Accesso alla Rete Si occupa di scambio di dati tra computer e rete identificazione di sorgente e destinazione specifica del tipo di servizio richiesto dipende dal tipo di rete fisica utilizzata esiste un implementazione diversa per ogni tipo di rete i livelli superiori sono isolati da tali differenze 35 36

10 Livello di Trasporto Si occupa di garantire uno scambio affidabile dei dati controllo degli errori controllo della sequenza dei pacchetti richiesta di ritrasmissione controllo del flusso Livello delle Applicazioni Si occupa di fornire i servizi associati ad ogni applicazione es. , ftp, http supporta diverse applicazioni ogni applicazione ha i propri servizi Indipendente dalla rete e dall'applicazione Interfacce e Servizi La comunicazione tra strati adiacenti avviene tramite un'interfaccia definisce quali servizi offre lo strato inferiore e quali sono le operazioni corrispondenti lo strato superiore richiede il servizio invocando l'operazione ogni servizio è implementato da primitive per questioni di efficienza la richiesta del servizio non è necessariamente una chiamata a funzione Punti di Accesso I servizi di uno strato sono disponibili presso un SAP (service access point) sportello dove è disponibile il servizio in genere implementato come coda di messaggi Ogni SAP ha un indirizzo univoco L utente deve specificare l indirizzo del SAP per il servizio richiesto esistono diversi livelli di indirizzamento, uno per ogni livello 39 40

11 Esempio Implementazione del Servizio 41 Applicazione Trasporto Accesso alla Rete Applicazione Trasporto Accesso alla Rete Punto di accesso al servizio Indirizzo di rete Rete di Telecomunicazione Applicazione Trasporto Accesso alla Rete 42 L utente invia una IDU(interface date unit) al SAP contiene informazioni di controllo e dati Il fornitore preleva una IDU dal SAP ed esegue la corrispondente primitiva di servizio crea uno o più PDU (Protocol Date Unit) e li trasmette al suo pari per trasmettere un PDU richiede un servizio al suo fornitore Tipi di Servizi Orientati alla connessione i dati viaggiano in ordine sullo stesso percorso affidabile (dati persi vengono ritrasmessi) Senza connessione ogni pezzo di dato viaggia per suo conto con o senza riscontro di ricezione Protocol Data Unit Ogni protocollo prevede lo scambio di pacchetti (Protocol Data Unit) Una PDU contiene intestazione o header (dati di controllo aggiunti dal protocollo) corpo o body (dati utente) coda o tail (dati di controllo aggiunti dal protocollo) Header e tail sono usate dal protocollo per controllare la comunicazione 43 44

12 Informazioni di Controllo Esempio di comunicazione L header di una PDU contiene informazioni utilizzate dall entità del protocollo Esempi indirizzo del sistema e del SAP di destinazione numero di sequenza (per poter riordinare le PDU) codice per la individuazione di errori di trasmissione codice identificativo di servizi particolari (es. priorità) Progettazione di un Protocollo L insieme di protocolli che definiscono l architettura di rete devono definire regole per indirizzamento segmentazione e riassemblaggio incapsulamento controllo della connessione controllo degli errori controllo del flusso multiplexing servizi di trasmissione Incapsulamento Definisce quali informazioni di controllo vengono aggiunte ai dati e come vengono organizzate all interno di una PDU indirizzi, controllo degli errori, controllo del protocollo 47 48

13 Frammentazione e Riassemblaggio Divide un messaggio in blocchi di dimensione fissata ogni blocco inserito in una PDU Vantaggi controllo errori su ogni blocco utilizzo equo del mezzo trasmissivo in caso di errori ritrasmissione solo di un blocco minori ritardi buffer di dimensione ridotte Svantaggi maggiore elaborazione Controllo della connessione Per servizi orientati alla connessione il protocollo deve provvedere a creare la connessione trasferire i dati chiudere la connessione 49 minor throughput 50 Fasi di una Connessione Controllo degli Errori e del Flusso 51 Nella fase di creazione della connessione le entità si accordano su come scambiarsi i dati in casi semplici il ricevente accetta o rifiuta altrimenti viene eseguita una negoziazione All'interno della connessione controlli per corretta sequenza dei blocchi di dati controllo degli errori controllo del flusso Nella fase di terminazione le due entità concordano di chiudere la comunicazione 52 Il controllo degli errori serve ad individuare eventuali alterazioni dei dati o delle informazioni di controllo implementato in due fasi: individuazione degli errori e ritrasmissione dei dati a volte si usano codici che riescono ad individuare e correggere gli errori Il controllo del flusso è utilizzato dal ricevente per limitare la velocità con cui la sorgente gli invia i dati la sorgente non deve inviare più dati di quanti il ricevente possa ricevere

14 Indirizzamento Livelli di Indirizzamento (TCP/IP) 53 Identificazione univoca di un'entità nella rete esistono diversi livelli di indirizzamento ogni livello ha un proprio scope Indirizzo fisico (locale ad una rete) indirizzo MAC Indirizzo di rete (globale sull interrete) indirizzo IP (TCP/IP) Network Service Access Point (OSI) Indirizzo del processo (locale al sistema) numero di porta (TCP/IP) Service access point (OSI) 54 Tipi di indirizzamento Indirizzi assegnati a host o processi Unicast multicast broadcast Multiplexing Corrispondenza di più connessioni ad un livello con una sola connessione al livello inferiore consente di aggregare i dati e ottimizzare l'efficienza della trasmissione Identificatori assegnati alla connessione (circuiti virtuali) riduce overhead istradamento fissato per la connessione é necessario un meccanismo di disaggregazione (demultiplexing) 55 56

15 Servizi di Trasmissione Priorità precedenza ai messaggi di controllo Quality of service minimo ritardo accettabile minimo throughput accettabile Sicurezza restrizioni di accesso Architettura di Rete architettura di rete insieme delle specifiche funzionali degli strati componenti il sottosistema di comunicazione e dei relativi protocolli suite di procolli insieme di protocolli che implementano i servizi degli strati di un architettura di rete Modelli di riferimento Architetture di rete e suite di protocolli definite da enti di standardizzazione non fanno riferimento all'implementazione non definiscono le interfacce tra strati Principali modelli di riferimento OSI (sviluppato da ISO) TCP/IP (sviluppato da DARPA e mantenuto da Internet Society) 60 Modello di riferimento OSI Strutturato in sette livelli primi tre dipendenti dalla rete ultimi tre dipendenti dall'applicazione quarto livello isola ambiente rete da ambiente applicazione Modello teorico sviluppato troppo tardi alla pubblicazione di OSI Internet era già una realtà utilizzato come modello di riferimento

16 Servizi, Interfacce e Protocolli Il modello OSI è basato sui concetti di servizi, interfaccia e protocolli Ogni livello è trattato come un oggetto di un linguaggio di programmazione ad oggetti i servizi e le interfaccia (parte pubblica) sono descritti senza alcun riferimento ai protocolli (parte privata) utile come modello di riferimento Primitive Ogni interfaccia è implementata attraverso l invocazione di primitive request indication response confirm implementazione inefficiente che deriva dalla esperienza del mondo delle telecomunicazioni Modello OSI Livello Fisico Si occupa della trasmissione di bit su un canale di trasmissione definisce struttura del connettore livelli dei segnali e tasso di trasmissione funzionamento dei circuiti dell'interfaccia fisica sequenza di operazioni per trasmettere flussi di bit su un mezzo fisico Fornisce al livello di data link un servizio di trasferimento di sequenze non strutturate di bit

17 Livello di Data Link Livello di Rete 65 Gestisce il canale in modo da fornire un servizio di trasmissione affidabile di informazioni su un canale fisico attiva, mantiene e chiude un collegamento affidabile crea i frame e gestisce la sincronizzazione individua errori e gestisce le ritrasmissioni controlla il flusso delle informazioni Fornisce due tipi di servizio orientato alla connessione senza connessione, con o senza riscontro 66 Si occupa di trasferire informazioni tra due sistemi collegati all interrete indipendentemente dal tipo di rete a cui sono collegati Si occupa di localizzare la destinazione ed istradare i dati convertire il formato dei dati nel passaggio da una rete fisica all altra gestire la congestione nella rete Fornisce un servizio di trasmissione dati nell interrete indipendente dalla rete fisica e dalla tecnologia di commutazione utilizzata Livello di Trasporto Livello di Sessione 67 Si occupa di fornire un servizio di trasferimento affidabile di informazioni tra due entità (e non sistemi) si occupa di individuare le entità individuare gli errori e gestire le ritrasmissioni controllare il flusso numerare i segmenti e riordinarli alla destinazione definire il tipo di servizio offerto ai livelli superiori 68 Consente di creare una sessione tra due utenti collegati a sistemi distinti Si occupa di gestire l interazione (duplex, half duplex, ecc.) gestire la sincronizzazione (crea punti di sincronizzazione per recupero da errori) gestire i token (per accesso a risorse condivise) segnalare eccezioni ai livelli superiori fornisce la struttura di controllo per implementare la comunicazione tra due applicazioni

18 Livello di Presentazione Consente all applicazione di essere indipendente dal modo in cui sono rappresentati i dati non si riferisce al trasferimento dei dati Si occupa di definire uno standard di rappresentazione dei dati e codificare e decodificare i dati compressione dei dati crittografia Livello delle Applicazioni Fornisce all utente una serie di servizi che implementano le operazioni principali su una rete terminale remoti, trasferimento file, posta elettronica, ecc. Fornisce anche servizi relativi a identificazione, autenticazione e gestione della sicurezza accordo sulla gestione degli errori Esempio di comunicazione Modello di Riferimento TCP/IP Organizzato in cinque livelli secondo alcuni testi i livelli sono quattro Sviluppato da Cerf e Kahn per DARPA ( Defense Advanced Researc Projects) nel 74 progetto operativo con tempi di definizione molto brevi ha portato alla realizzazione di ARPANET (antenata di Internet) Suite di protocolli per standardizzare la comunicazione tra computer alla base della rete Internet

19 Livelli di TCP/IP OSI vs TCP/IP livello delle applicazioni livello di trasporto livello di internetworking livello di accesso alla rete livello fisico Livello fisico descrive l interfaccia fisica tra un dispositivo ed il mezzo di trasmissione definisce caratteristiche del mezzo di trasmissione livelli del segnale tassi di trasmissione schemi di codifica dei dati ecc. ecc. Livello di Accesso alla Rete consente lo scambio di dati tra un sistema e la rete a cui è collegato definisce modalità di individuazione del destinatario richiesta del tipo di servizio richiesto (es. priorità) dipende dal tipo di rete utilizzata 75 76

20 Livello di internetworking (IP) Livello di trasporto (TCP) 77 Consente la trasmissione dati tra due sistemi collegati all interrete indipendentemente dalla rete fisica a cui sono collegati Il servizio è basato su commutazione di pacchetto trasmissione non affidabile definisce formato dei pacchetti sistema di indirizzamento globale meccanismo di istradamento dei pacchetti 78 Descrive la comunicazione tra due entità su sistemi distinti garantisce consegna affidabile dei dati corretto ordinamento dei pacchetti Offre due tipi di servizi orientato alla connessione senza connessione Livello delle Applicazioni Principali protocolli della suite TCP/IP Consente la comunicazione tra processi utente su sistemi distinti Fornisce vari servizi di comunicazione terminale virtuale (TELNET) trasferimento file (FTP) posta elettronica (SMTP) trasferimento di dati ipertestuali (HTTP) 79 80