Internet e Reti di Calcolatori

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1 Internet e Reti di Calcolatori Sommario cosa è Internet cosa è un protocollo? network edge network core rete di accesso, mezzi fisici prestazioni: loss (perdita), delay (ritardo) strati di un protocollo (protocol layers), modelli di servizio backbone, NAP, ISP 1

2 Cosa è Internet: hardware \ milioni di dispositivi collegati: hosts, endsystems PC, workstation, server Palmari, telefoni eseguono appl. di rete mezzi trasmissivi fibra, rame, radio, satellite router: inviano pacchetti (packets) di dati attraverso la rete router local ISP company network server workstation mobile regional ISP 2

3 Cosa è Internet Internet: rete di reti Struttura parzialmente gerarchica Segmenti pubblici e intranet private protocolli: regolano la comunicazione tra sistemi e.g., TCP, IP, HTTP, FTP, PPP Standard Internet RFC: Request for comments IETF: Internet Engineering Task Force router local ISP company network server workstation mobile regional ISP 3

4 Cosa è un protocollo? protocolli umani: che ora è? Ho una domanda invio di specifici messaggi in corrispondenza ai quali vengono prese opportune azioni anche altri eventi protocolli di rete: macchine tutte le comunicazioni in Internet governate da protocolli i protocolli definiscono il formato, l ordine di invio e di ricezione dei messaggi tra i dispositivi e le azioni prese quando si riceve un messaggio 5

5 Cosa è un protocollo (cont.)? due esempi : ciao ciao sai l ora? 2:00 tempo richiesta di connessione TCP risposta di connessione TCP get (prendi) <file> 6

6 Caratteristiche della rete fisica Struttura Network edge: applicazioni e host Network core: router rete di reti Rete di accesso Mezzo fisico: caratteristiche dei link di comunicazione 7

7 Network edge: end system (hosts): eseguono applicazioni es., WWW, edge of network modello client/server client host requests, receives service from server e.g., WWW client (browser)/ server; client/server modello peer-to-peer : interazione simmetrica tra host es.: teleconferenza, Gnutella 8

8 Network edge: servizio orientato alla connessione Obiettivo: trasferire dati tra end system. handshaking: scambio di informazione di controllo prima della comunicazione Hello, hello ( protocollo umano) viene creato uno stato nei due host che comunicano TCP - Transmission Control Protocol Servizio orientato alla connessione in Internet Servizio TCP [RFC 793] trasferimento affidabile (reliable) e in ordine di flussi di byte perdita: conferma (acknowledgement) e ritrasmissioni controllo di flusso (flow control): il sender non inonda il receiver Controllo della congestione (congestion control): Si diminuisce il ritmo (rate) di trasmissione se la rete è congestionata 9

9 Network edge: servizio connectionless Obiettivo: trasferimento dati tra host Lo stesso di prima! UDP - User Datagram Protocol [RFC 768]: il servizio connectionless di Internet trasferimento dati non affidabile no controllo di flusso no controllo della congestione App ni che usano TCP: HTTP (WWW), FTP (file transfer), Telnet (remote login), SMTP ( ) App ni che usano UDP: streaming audio/video teleconferenza, telefonia su Internet 10

10 Network Core Rete di router interconnessi Questione fondamentale : come avviene il trasferimento dei dati? circuit switching: circuito dedicato per ogni connessione: rete telefonica packet-switching: i dati sono trasferiti a blocchi, non viene preallocato un circuito 11

11 Network Core: Circuit Switching Pre-allocazione di risorse end-to-end per chiamata Banda dei link, capacità degli switch Risorse dedicate : nessuna condivisione Prestazioni garantite per ogni connessione Ogni chiamata richiede una fase di instaurazione 12

12 Network Core: Circuit Switching Le risorse di rete non sono condivise divisione della banda in pezzi divisione di frequenza divisione di tempo la risorsa non usata (idle) dalla chiamata a cui è allocata è sprecata 13

13 Network Core: Packet Switching ogni messaggio è diviso in pacchetti (packets) i pacchetti di piu utenti condividono le risorse ogni pacchetto usa tutta la banda le risorse sono usate quando servono contesa per le risorse: congestione: possibilità di eccedere la capacità; i pacchetti sono in coda store and forward (memorizza e inoltra) : i pacchetti si muovono un salto alla volta 1. Attraversa un link 2. Aspetta il turno al prossimo link Trasmissione in ordine di arrivo 14

14 Network Core: Packet Switching A 10 Mbs Ethernet multiplexing statistico C B 1.5 Mbs Coda di pacchetti in attesa sul link di uscita 45 Mbs D E 15

15 Network Core: Packet Switching Esempio Messaggio di 7.5 Mbit Suddivisione in 5000 pacchetti da 1.5 Kbit Capacità dei link: 1.5 Mbps Tempi di processamento nei router trascurabili Esercizio: calcolare tempo di trasferimento se il messaggio non fosse diviso Attenzione: 1 Mbit=1000 Kbit!! 16

16 Packet switching versus circuit switching Packet switching permette a più utenti di usare la rete! Link da 1 Mbit/s Per ogni utente: 100Kbps se attivo attivo 10% del tempo circuit-switching: Max. 10 utenti attivi packet switching: con 35 utenti, Prob > 10 utenti attivi <.004 N utenti link da 1 Mbps 17

17 Packet switching versus circuit switching Ottimo per dati a raffica (bursty) Condivisione di risorse Nessuna instaurazione di chiamata MA: Possibilità di congestione: ritardo e perdita di pacchetti Servono protocolli per il trasporto affidabile e per gestire la congestione Come ottenere un comportamento di tipo circuit switched? Problema aperto (cap. 6) 18

18 Packet-switched networks: instradamento (routing) Obiettivo: trasferire i pacchetti da sorgente a destinazione seguendo un cammino nella rete Molti algoritmi di selezione dei cammini (cap. 4) Reti a datagramma (datagram networks): Prossimo salto (hop) determinato dall indirizzo di destinazione Il percorso può mutare nel corso della sessione analogia: servizio postale Reti a circuito virtuale (virtual circuit networks): Ogni pacchetto contiene un identificatore che detetmina il prossimo salto Il cammino è fissato una volta per tutte in fase di instaurazione I router attraversati mantengono informazione su ogni chiamata Attenzione: circuito virtuale e circuit switching sono cose diverse!! 19

19 Utenze domestiche Reti di istituzioni (università, aziende) Reti mobili Aspetti importanti: banda (bit al secondo) della rete di accesso Condivisa o dedicata? Reti di accesso 20

20 Residential access: point to point access Modem Fino a 56Kbps, accesso diretto al router (conversione D/A A/D) ISDN: integrated services digital network: 128Kbps fino al router (digitale) ADSL: asymmetric digital subscriber line Capacità maggiori 21

21 Rete locale (LAN) che connette end system a edge router Ethernet: Istituzioni: reti locali Cavo condiviso che connette sistemi terminali a un router 10 Mbs, 100Mbps, Gigabit Ethernet 22

22 Reti di accesso wireless Connettono sistemi terminali a un router mediante un mezzo condiviso wireless LAN: Collegamento radio al posto del cavo es., Lucent Wavelan 10 Mbps Accesso wireless su aree più vaste Es. CDPD (Cellular Digital Packet Data): accesso wireless a router di ISP attraverso una rete cellulare router Punto di accesso Terminali mobili 23

23 Ritardo di trasferimento nelle reti Quattro sorgenti di ritardo ad ogni salto A Trasmissione a pacchetto 1. Processamento al nodo: Correzione di errore sui bit calcolo link di uscita 2. Attesa in coda Propagazione Attesa per la trasmissione Dipende dalla congestione nel router B Elaborazione nel nodo Accodamento 24

24 Ritardo di trasferimento nelle reti 3. Ritardo di trasmissione R= banda sul link (bps) L=lunghezza pacchetto (bit) Tempo per trasmettere pacchetto sul link = L/R a pacchetto (2) 4. Ritardo di propagazione: d = lunghezza link fisico s = vel. propagazione nel mezzo (~2x10 8 m/sec) Ritardo di propagazione nel mezzo = d/s A Trasmissione Attenzione: 3 e 4 sono quantità diverse! Propagazione B Elaborazione nel nodo Accodamaento 25

25 Ritardo di coda nelle reti a pacchetto (3) R=banda del link (bps) L=lungh. pacchetto (bit) a=frequenza (rate) di arrivo dei pacchetti (packets/sec) Intensità del traffico = La/R La/R ~ 0: ritardo medio di coda piccolo La/R -> 1: ritardo medio di coda grande La/R > 1: più pacchetti di quanti possano essere smaltiti, il tempo di attesa in coda tende a divenire infinito! (in realtà perdita) 26

26 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? O almeno la sua discussione? 27

27 Esempio di stratificazione: servizio postale Lettera (consegna) Controllo destinazione (ufficio postale di origine) Consegna a corriere Consegna a dest. Controllo destinazione (uff. postale di dest.) Consegna a ufficio di destinazione Spedizione effettiva Una sequenza di passi 28

28 Servizio postale: una prospettiva diversa Lettera (consegna) Controllo destinazione (consegna a corriere) Corriere Sorgente Destinazione Lettera (cons. a dest.) Controllo destinazione (ric. 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 29

29 Stratificazione del servizio postale Consegna da mittente a destinatario Consegna da ufficio postale sorgente a ufficio postale di destinazione Trasferimento da sede locale a sede destinazione del corriere Trasporto 30

30 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) Es., cambiare il corriere non altera il funzionamento complessivo del servizio postale 31

31 La stratificazione di Internet application: supporto per le applicazioni di rete ftp, smtp, http transport: trasferimento dati end-to-end tcp, udp network: trasferimento di datagrammi da sorgente a destinazione (host-to-host) ip, routing protocols link: trasferimento di dati tra elementi di rete adiacenti ppp, ethernet physical: bit sul cavo application transport network link physical 32

32 Stratificazione: comunicazione logica Ogni strato: distribuito entità implementano le funzionalità di strato in ogni nodo Le entità eseguono azioni e scambiano messaggi con le entità pari (peer entities) application transport network link physical application transport network link physical application transport network link physical network link physical application transport network link physical 33

33 Layering: logical communication Es.: transport Preleva dati da app. Indirizzamento, crea datagramma Invia il datagramma all entità pari del lato destinazione Attendi che il peer confermi il ricevimento analogia: ufficio postale data application transport network link physical transport application transport network link physical data ack application transport network link physical network link physical data application transport network link physical 34

34 Stratificazione e dati Ogni strato riceve dati dallo strato superiore Aggiunge header e crea nuova unità dati Passa nuova unità dati a strato inferiore source destination Hl Ht HnHt HnHt M M M M application transport network link physical application transport network link physical Hl Ht HnHt HnHt M M M M message segment datagram frame 36

35 Internet: rete di reti Grossolanamente gerarchica Backbone gestiti da provider nazionali/internazionali (NBPs) Es. Telecom Interconnessi mediante punti di accesso privati o pubblici (Network Access Point o NAP) Internet Service Provider regionali Connessi a NBP Internet Service Provider locali, compagnie Connessi a ISP regionali NAP ISP regionale ISP locale NBP B NBP A ISP locale ISP regionale NAP 37