Capitolo 1 Introduzione ai Sistemi di Telecomunicazione (TLC) e alle Reti di computer. Baccarelli, Cordeschi, Patriarca, Polli

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1 Capitolo 1 Introduzione ai Sistemi di Telecomunicazione (TLC) e alle Reti di computer 1

2 Introduzione ai Sistemi di TLC e alle Obiettivo: terminologia Reti di Computer visione d insieme, dettagli nel seguito del corso approccio: o Internet come esempio Sommario: che cos è Internet? che cos è un protocollo? Come èorganizzataunareteditlc Strati di protocollo, modelli di servizio Organi di Standardizzazione 2

3 Che cosa è un Sistema di TLC (1/3) Un Sistema di TLC è costituito da un insieme di nodi (elaboratori di dati) e di collegamenti (canali di interconnessione tra nodi) che consentono ad una (o più) entità Sorgenti di inviare dati (informazioni) ad una (o più) entità Destinazioni Le entità Sorgenti e Destinazioni sono chiamate nodi terminali (end-systems oppure hosts) del Sistema. Tutti gli altri nodi del sistema sono chiamati nodi di commutazione (switching nodes) L interconnessione dei nodi mediante i collegamenti costituisce, nel suo complesso, la Rete di TLC 3

4 Che cosa è un Sistema di TLC (2/3) Un Sistema di TLC ha lo scopo di consentire il trasferimento di dati (informazioni) tra i nodi Sorgente e quelli Destinazione. L informazione generata dalle sorgenti viene trasferita alle Destinazioni sotto forma di Segnali. Quindi, il segnale è l entità fisica che trasporta informazione dalle Sorgenti alle Destinazioni. 4

5 Che cosa è un Sistema di TLC (3/3) L insieme di apparati e connessioni (canali) che permettono a due o più utenti di scambiarsi tra di loro informazioni. Utente A CANALE NODO CANALE NODO CANALE NODO CANALE Utente B Rete di Accesso Rete di Accesso Rete di Trasporto Rete TLC 5

6 Sistemi di TLC cablati (wired) Sistemi di TLC wired (su filo o cablati): Rete telefonica (commutata: PSTN, Public Switched Teleph. Network) Rete ISDN (Integrated System Data Network) Reti a larga banda ( core networks) Reti locali (LAN, Local Area Networks) Accesso wired alla linea telefonica: Doppino modem audio, ISDN, ADSL, HDSL, VDSL Fibra ottica Sistemi su linee di potenza: Power Line Carrier (PLC) 6

7 Sistemi di TLC radio (wireless) Sistemi di TLC wireless (senza filo, via radio): Broadcasting radio/televisione Cordless digitale (DECT), cordless analogico Reti cellulari terrestri: TACS, GSM, GPRS, UMTS e satellitari Reti locali senza fili (WLAN, Wireless LAN): Bluetooth, IEEE802.11, Hiperlan Reti Satellitari Accesso wireless alla linea telefonica: Wireless Local Loop (WLL) Internet satellitare (con ritorno via telefono o via satellite) 7

8 Rete telefonica pubblica di tipo commutato Rete di Trasporto commutatore Rete di Accesso Rete di Accesso Mezzi trasmissivi: doppino telefonico, fibra ottica, etere (ponti radio) 8

9 Reti cablate in area locale (wired LAN) Rete di Accesso PSTN Rete di Trasporto Rete Locale WIRED Mezzi trasmissivi: cavo coassiale, doppino, fibra ottica 9

10 Broadcasting terrestre Mezzo trasmissivo: etere (collegamenti radio) Esempi: Servizi di Radio e Televisione- Televisione Diditale Terrestre (DVBT) 10

11 Broadcasting satellitare Satellite Utenti Mezzo trasmissivo: etere (collegamenti radio) Trasmettitori Esempi: Televisione satellitare (analogica o digitale): SKY e simili 11

12 Reti cellulari terrestri Stazione base Utente cellulare Mezzo trasmissivo: etere (collegamenti radio) Esempi: TACS, GSM, UMTS, (Reti cellulari terrestri) Iridium, Globalstar (reti cellulari satellitari) 12

13 Reti locali senza fili (WLAN) Modalità SRUTTURATA Modalità AD HOC Mezzo trasmissivo: etere (collegamenti radio) 13

14 Rete telefonica pubblica Internet Rete telefonica pubblica Rete di Accesso PSTN Internet PSTN Rete di Accesso Rete di Trasporto Mezzi trasmissivi: doppino telefonico, fibra ottica 14

15 Che cosa è Internet Generalmente parlando, Internet è una particolare Rete di TLC i cui nodi terminali (Sorgenti e Destinazioni) sono Computer, ossia sistemi in grado di elaborare dati Internet è costituita da un (grande) insieme di sottoreti opportunamente interconnesse fra di loro Possiamo definire che cosa è Internet adottando due punti di vista tra di loro complementari, e cioè: o o descrivendo e definendo gli elementi (hardware e software) che compongono Internet; descrivendo e definendo i servizi che Internet fornisce agli utenti che si collegano ad essa. 15

16 Che cosa è Internet- Elementi costitutivi (1/4) Mobile network Global ISP Home network Regional ISP Institutional network 16

17 Che cosa è Internet- Elementi costitutivi (2/4) I Sistemi Terminali sono connessi indirettamente attraverso nodi di indirizzamento (instradamento dell informazione) detti Commutatori di pacchetto (packet switches) A seconda del tipo di elaborazione svolto, i commutatori di pacchetto si suddividono in Router e Bridge La sequenza ordinata di canali e commutatori di pacchetto che connette una (assegnata) sorgente S ad una assegnata destinazione D èdettarotta tra S e D (o path tra S e D) I Sistemi terminali accedono ad Internet mediante sottoreti di accesso note come Internet Service Providers (ISPs) Ciascun ISP è essa stessa costituita dalla (opportuna) interconnessone di canali e commutatori di pacchetto 17

18 Che cosa è Internet- Elementi costitutivi (3/4) Per poter scambiare dati tra di loro, i nodi (Sistemi Terminali e Commutatori di pacchetto) di Internet eseguono programmi noti come protocolli di Comunicazione Il Transmission Control Protocol (TCP) e l Internet Protocol (IP) sono i protocolli di base che regolano il funzionamento di Internet Gruppi di utenti che accedono ad Internet possono, a loro volta, essere organizzati in sotto-reti: queste ultime costituiscono le cosiddette Intranets. 18

19 Che cosa è Internet- Elementi costitutivi (4/4) Mobile network Protocolli di controllo per l invio e la ricezione di messaggi o TCP, IP, HTTP, Skype, Ethernet Home network Global ISP Regional ISP Internet: rete di reti o o Gerarchia di reti Internet pubblico contro intranet private Institutional network 19

20 Che cosa è Internet- Servizi (1/3) Per definizione, Internet è una infrastruttura (piattaforma tecnologica) che fornisce servizi di comunicazione (ossia, permette di scambiare dati) alle applicazioni che sono eseguite dagli Utenti Terminali. Poiché i sistemi terminali non sono (in genere) direttamente connessi tra di loro, le applicazioni da esse eseguite e che si devono scambiare informazioni si dicono di tipo distribuito. Esempi di applicazioni eseguite da Utenti Terminali che comunicano tra di loro includono: o Web surfing, instant messaging, audio/video streaming, VoIP, 20

21 Che cosa è Internet- Servizi (2/3) L applicazione eseguita da un Sistema Terminale accede (invia i dati) ad Internet in accordo ad un programma (protocollo) noto come Application Programming Interface (API) L API specifica l insieme di regole (ossia, il protocollo) che l applicazione deve seguire (rispettare) affinché Interet trasporti alla destinazione desiderata i dati generati dall applicazione. 21

22 Che cosa è Internet- Servizi (3/3) Internet fornisce due tipi di servizi di base alle sue applicazioni: i. un servizio affidabile orientato alla connessione ii. un servizio non affidabile privo di connessione Informalmente, i. il servizio affidabile orientato alla connessione garantisce che i dati trasmessi dall applicazione-sorgente saranno ricevuti dall applicazione-destinazione senza errori e nell ordine corretto; ii. il servizio non affidabile privo di connessione non garantisce né la correttezza (assenza di errori) né il corretto ordinamento dei dati trasferiti alla destinazione. 22

23 Che cosa è un protocollo Informalmente, un protocollo è un insieme di regole e di azioni che due applicazioni che vogliono comunicare debbono applicare e seguire per poter scambiarsi i dati. Il protocollo specifica: i. i messeggi che le applicazioni comunicanti debbono scambiarsi; ii. le azioni che esse debbono intraprendere in risposta ai messaggi ricevuti per poter scambarsi correttamente i dati. 23

24 Che cosa è un protocollo- Alcuni esempi (1/2) Protocolli umani: Ho una domanda Che ora è? Accordo tra le parti inviatimessaggispecifici intraprese azioni specifiche quando i messaggi sono ricevuti, o altri eventi Protocollidirete: macchine invece di umani tutte le attività della comunicazione in Internet sono governate da protocolli 24

25 Che cosa è un protocollo- Alcuni esempi (2/2) Un protocollo umano e un protocollo in una rete di computer Hi Hi Got the time? 2:00 Protocollo tra umani time TCP connection request TCP connection response Get <file> Protocollo tra computer 25

26 Che cosa è un protocollo- Definizione formale Formalmente, un protocollo definisce il formato (ossia, la struttura) e l ordine dei messaggi scambiati tra due applicazioni comunicanti, unitamente alle azioni che le applicazioni comunicanti debbono intraprendere in funzione dei messaggi trasmessi e/o ricevuti In Internet, differenti protocolli sono usati per permettere la corretta esecuzione di applicazioni differenti. Ad esempio, il protocollo che regola l accesso al Web non è uguale a quello che permette l invio/ricezione di . 26

27 Modi di Servizio Supponiamo che una applicazione A richieda un servizio (ad esempio, l invio di dati) ad una applicazione B. Il servizio richiesto può essere erogato con o senza una intesa preliminare (handshaking) tra le due applicazioni coinvolte: i. nel caso in cui l intesa (handshaking) sussista, il servizio si dice orientato alla connessione (connection-oriented) ii. nel caso in cui l intesa (handshaking) non sussista, il servizio si dice privo di connessione (connection- less). In questo caso, lo scambio di dati tra le due applicazioni avviene senza che vi sia stato un prevetivo accordo (handshaking) tra le parti. 27

28 Modi di Servizio Servizio con connessione Un servizio con connessione è caratterizzato da: i. una fase di accordo preventivo (handshaking) tra le applicazioni coinvolte; ii. una negoziazione dei parametri di sistema (ad esempio, la velocità di trasferimento) coinvolti nel trasferimento; iii. una strutturazione in tre fasi temporali (instaurazione della connessione, trasferimento dei dati, abbattimento della connessione); iv. un indirizzamento basato su identicatori di connessione; v. una numerazine progressiva dei dati d informazione scambiati. 28

29 Modi di Servizio Servizio privo di Connessione Un servizio privo di connessione è caratterizzato da: i. la mancanza di un accordo preventivo (handshaking) tra le applicazioni coinvolte; ii. un assenza di negoziazione preventiva dei parametri di sistema coinvolti nel trasferimento dei dati; iii. una strutturazione in un unica fase temporale (mancano le fasi di instaurazione e di abbattimento della connessione); iv. un indirizzamento basato sugli indirizzi delle applicazioni coinvolte nella comunicazione; v. indipendenza e autoconsistenza dei singoli dati scambiati. 29

30 Componenti di un Modo di Trasferimento (1/2) Supponiamo di avere due applicazioni che vogliono scambiarsi dati attraverso una rete di TLC interposta tra di loro. Generalmente parlando, per Modo di Trasferimento si intendono le modalità (strategie) adottate dalla rete per permettere lo scambio di dati tra le due applicazioni. 30

31 Componenti di un Modo di Trasferimento (2/2) Un Modo di Trasferimento è individuato quando sono specificate le tre seguenti componenti: i. la tecnica di multiplazione adottata dalla rete; ii. la tecnica di commutazione adottata dalla rete; iii. l architettura protocollare della rete. I due Modi di Trasferimento di maggiore rilevanza sono: i. il Modo di Trasferimento a circuito ii. il Modo di Trasferiento a pacchetto 31

32 La Multiplazione - Generalità Lo schema di Multiplazione definisce le modalità secondo cui i dati generati da più applicazioni distinte possono essere trasmesse ordinatamente attraverso uno stesso canale presente nella rete di TLC. Ovvero, lo schema di Multiplazione definisce la modalità secondo cui più flussi informativi generati da applicazioni distinte condividono le risorse di trasmissione (banda e tempo) messe a disposizione da ciascun singolo canale costituente la Rete di TLC. 32

33 La Multiplazione - Classificazione Le tecniche di Multiplazione possono essere di tipo Statico oppure Dinamico Nelle tecniche di multiplazione Statiche: i. ogni canale è suddiviso in più sotto-canali; ii. un singolo sotto-canale è assegnato alla applicazione che ne fa richiesta all inizio del processo di comunicazione; iii. l assegnazione del sotto-canale è mantenuta per tutta la durata della comunicazione Nelle tecniche di multiplazione Dinamiche, la capacità trasmissiva (banda, tempo) globale di ciascun canale è trattata come una risorsa singola (ossia, indivisibile), alla quale le applicazioni richiedenti possono accedere su richiesta e nel rispetto di una opportuna procedura di assegnazione (procedure di controllo). 33

34 La Multiplazione - Esempi Fanno parte delle tecniche di multiplazione Statiche: i. La multiplazione a divisione di freqenza ii. (Frequency Division Multiplexing: FDM); La multiplazione a divisione di tempo (Time Division Multiplexing: TDM). Fa parte delle tecniche di multiplazione dinamiche: i. La multiplazione statistica (Statistical Multiplexing). 34

35 La Multiplazione a Divisione di frequenza (FDM) La banda C (Hz) di ciascun canale è suddivisa in n 2 sottobande non sovrapponentisi di largezza ciascuna pari a C/n (Hz). A ciascuna applicazione che lo richieda, è assegnato un sotto-canale di larghezza di banda C/n (Hz) per tutta la durata della comunicazione. Frequenza (Hz) Sottocanale n C/n Sottocanale 2 Sottocanale 1 C/n C/n Tempo (sec) 35

36 La Multiplazione a Divisione di tempo (TDM) L asse dei Tempi è suddiviso in intervalli detti Frame. La durata di un frame è indicata con T F (sec) Ciascun frame è, a sua volta, suddiviso in n 2 sotto-intervalli chiamati slot. La durata T S (sec) di uno slot è pari a T S =T F /n. A ciascuna applicazione che lo richiede, il canale dedica uno slot in ogni frame per la trasmissione dei corrispondenti dati. Frequenza (Hz) Frame 1 Frame 2 S L O T S L O T S L O T S L O T S L O T S L O T 1 2 n 1 2 n T S T F Tempo (sec) 36

37 FDM e TDM FDM Esempio: 4 utenti Frequenza (Hz) TDM Frequenza (Hz) Tempo (sec) Tempo (sec) 37

38 La Multiplazione Statistica (SM) (1/2) Nella Multiplazione Statistica, ciascun canale della rete è preceduto da almeno un buffer di memorizzazione I dati (pacchetti) generati da più applicazioni e che debbono essere trasmessi attraverso un nodo o su un canale, vengono temporaneamente posti in coda nel buffer e, poi, vengono immesse (trasmessi) uno alla volta nel canale. Quindi, di volta in volta, l intera capacità trasmissiva C del canale è messa a disposizione del pacchetto che è trasmesso in quel momento. 38

39 La Multiplazione Statistica (SM) (2/2) A 100 Mb/s Ethernet Multiplazione Statistica C B coda di pacchetti in attesa del canale di uscita 1.5 Mb/s D E La sequenza di pacchetti A & B non ha una struttura (pattern) fissata; la banda è condivisa su base richiesta (on demand) Multiplazione Statistica. 39

40 La Commutazione Generalità (1/2) Consideriamo un nodo di rete che abbia m 1 canali in ingresso e n 1 canali in uscita. 1 2 NODO 1 2 m n Canali di ingresso Canali di uscita 40

41 La Commutazione Generalità (2/2) La commutazione definisce il modo (la strategia) secondo cui i dati provenienti da ciascun specifico canale di ingresso al nodo sono trasferiti ad uno specifico canale di uscita del nodo. Lo scopo della commutazione è quello di trasferire (inoltrare) i dati provenienti da ciascun canale di ingresso al nodo verso uno specifico canale d uscita, in modo che il dato trasferito possa procedere verso la destinazione finale. 41

42 La Commutazione Funzioni Componenti L operazione di commutazione è attuata per mezzo delle due funzioni di: i. Inoltro E la funzione decisionale, che ha lo scopo di stabilire il canale di uscita verso cui deve essere inoltrato il dato informativo che proviene da uno specifico canale di ingresso ii. Attraversamento È la funzione attuativa, che ha lo scopo di trasferire il dato dal canale di ingresso allo specifico canale di uscita. 42

43 La Commutazione Nodi di Commutazione In generale, indicheremo come nodo di commutazione un qualsiasi nodo di rete che realizzi l operazione di commutazione. A secondo delle modalità con cui l operazione di commutazione è effettuata, i nodi di commutazione si suddividono in: i. Router ii. Bridge Router Bridge 43

44 Modo di trasferimento a Circuito (1/3) Una rete che utilizza il modo di trasferimento a circuito mette a disposizione di ciascuna coppia di applicazioni comunicanti un circuito fisico che rimane ad esse dedicato per tutta la durata della comunicazione. 1 Applicazione Sorgente B A C E D 2 Applicazione Destinazione 44

45 Modo di trasferimento a Circuito (2/3) Un circuito è un canale trasmissivo tra l applicazione sorgente e l applicazione destinazione di capacità (bit/sec) sufficiente per il trasferiemtno dei dati tra le due applicazioni. Un circuito è costituito da una sequenza ordinata di sotto-canali, in cui ciascun sotto-canale è implementato attuando una tecnica di multiplazione di tipo statico (TDM o FDM). La capacità di ciascun sotto-canale costituente il circuito è assegnata individualmente alla coppia di applicazioni Sorgente-Destinazione che desiderano comunicare. Il circuito rimane permanentemente assegnato alle applicazioni richiedenti per tutta la durata della connessione. 45

46 Modo di trasferimento a Circuito (3/3) Il modo di trasferimento a Circuito offre un servizio di trasferimento con una strategia di Multiplazione di tipo Statico. In ogni connessione, possono essere distinte le tre fasi caratteristiche di un servizio con connessione, e cioè: i. Fase di INSTAURAZIONE della connessione; ii. Fase di TRASFERIMENTO dei dati; iii. Fase di ABBATTIMENTO della connessione. 46

47 Modo di Trasferimento a Pacchetto (1/2) Servizio di rete: o con o senza connessione Multiplazione: o statistica 47

48 Modo di Trasferimento a Pacchetto (2/2) Le unità di dati trasferite in rete sono detti PACCHETTI e sono composte da: i. un intestazione (header) contenente informazioni di controllo della comunicazione ed avente una lunghezza fissa (L h ) ii. un campo informativo (payload) avente lunghezza variabile (L i ) e contenente le informazioni (dati) da trasferire L h L i Intestazione Campo informativo ( header ) ( payload ) 48

49 Modo di Trasferimento a Pacchetto Multiplazione Statistica A C A bit/s α C B bit/s B MUX C M bit/s MUX C M >C A +C B +C C β C C C bit/s A1 A2 B1 B2 C1 C2 A1 B1 C1 A2 C2 49

50 Modo do Trasferimento a Pacchetto - Code ai nodi di commutazione. Un nodo a commutazione di pacchetto esegue la funzione di commutazione in accordo alla tecnica dell accodamento. Linee di ingresso Buffer di ingresso Buffer di uscita Linee di uscita Due componenti del ritardo di commutazione: i. FISSA, composta dai tempi di elaborazione e di propagazione ii. VARIABILE, composta dal tempo di memorizzazione in uscita (tempi di coda) 50

51 Confronto tra Commutazione di Pacchetto e Commutazione di Circuito (1/2) Confrontiamo i pro e i contro delle due tecniche di commutazione menzionate o La commutazione di pacchetto si basa sulla multiplazione statistica; quindi, sin tanto che ci sono pacchetti che aspettano di essere trasmessi in coda ad un nodo di rete, il canale in uscita al nodo è sempre utilizzato o Per contro, la commutazione di pacchetto genera code ai nodi di commutazione. Le code introducono ritardi (variabili e spesso elevati) nel trasferimento dei dati attraverso la rete. 51

52 Confronto tra Commutazione di Pacchetto e Commutazione di Circuito (2/2) o o La commutazione di circuito si basa su tecniche di multiplazione di tipo statiche (TDM o FDM). Quindi, non si generano mai code ai nodi di una rete a commutazione di circuito e non si hanno ritardi di coda. Per contro, può accadere che il circuito assegnato ad una particolare coppia Sorgente- Destinazione possa rimanere inutilizzato per più o meno lunghi periodi di tempo durante la durata della connessione. 52

53 Modo di Trasferimento a pacchetto- Classificazione Le Reti con modo di Trasferimento a pacchetto sono anche dette Reti a Commutazione di Pacchetto (Packet Switching Networks). Le Reti a Commutazione di Pacchetto possono offrire servizi orientati alla connessione oppure servizi privi di connessione. Le Reti a Commutazione di Pacchetto con servizio privo di connessione sono dette Reti a Datagramma. Le Reti a Commutazione di Pacchetto con servizio orientato alla connessione sono dette Reti a Circuito Virtuale. Le Reti a Datagramma differiscono dalle reti a Circuito Virtuale nella modalità (strategia) impiegata per indirizzare un pacchetto. 53

54 Tassonomia e Classificazione delle Reti di TLC sulla base del Modo di Trasferimento adottato Reti di TLC Reti a Commutazione di Circuito Reti a Commutazione di Pacchetto Reti TDM Reti FDM Reti a Circuito Virtuale Reti a Datagramma 54

55 Modo di Trasferimento a Pacchetto - Reti a Datagramma In una rete a commutazione di pacchetto con servizio di trasferimento di tipo a Datagramma, il trasferimento dei pacchetti avviene senza accertare preventivamente la disponibilità dell applicazione chiamata (applicazione di destinazione) all effettuazione dello scambio informativo. Non esistono le fasi di instaurazione e di abbattimento della connessione ed ogni pacchetto è gestito dalla rete indipendentemente dagli altri, anche se fanno parte dello stesso flusso: applicazione sorgenteapplicazione destinazione. L indirizzamento adottato, nelle reti a Datagramma, consiste nell indicare su ogni pacchetto l indirizzo del programma Sorgente e l indirizzo del programma Destinazione. 55

56 Modo di Trasferimento a Pacchetto - Circuito Virtuale (1/2) In una rete a commutazione di pacchetto a Circuito Virtuale, il servizio di trasferimento dei pacchetti è orientato alla connessione. Esistono quindi, oltre alla fase di trasferimento dei dati, anche le fasi di instaurazione ed abbattimento del Circuito Virtuale. Durante la fase di instaurazione viene: i. indicato il cammino fisico che i pacchetti seguiranno in rete ii. iii. iv. (funzione di instradamento); accertata la possibilità di instaurare la connessione (funzione di controllo di accettazione di chiamata); effettuata un assegnazione delle risorse di rete; assegnati opportuni identificatori della connessione che saranno trasportati da tutti i pacchetti appartenenti alla connessione stessa 56

57 Modo di Trasferimento a Pacchetto - Circuito Virtuale (2/2) Un Circuito Virtuale (Virtual Circuit-VC) differisce da un circuito fisico (quale quelli attuati nelle Reti a Commutazione di Circuito) in quanto più Circuiti Virtuali distinti possono condividere uno stesso circuito fisico. Le Reti a Pacchetto a Circuito Virtuale adottano ancora la multiplazione Statistica ai nodi di rete. Quindi, i nodi di rete possono presentare code, e i pacchetti trasferiti sono soggetti a ritardi di coda. 57

58 Reti a Datagramma e Reti a Circuito Virtuale- Confronto Nelle Reti a Circuito Virtuale, tutti i pacchetti assegnati ad uno stesso Circuito Virtuale seguono una medesima rotta (path) per essere trasferiti dalla Sorgente alla Destinazione. Una stessa rotta può essere, però, condivisa (usata) da più Circuiti Virtuali. Nelle Reti a Datagramma, ciascun nodo di rete instrada un pacchetto solo sulla base degli indirizzi di Sorgente e di Destinazione specificati nell intestazione del pacchetto. Ciò implica che pacchetti con gli stessi indirizzi Sorgente- Destinazione possono essere trasferiti dalla Sorgente alla Destinazione seguendo rotte diverse. 58

59 Modo di Trasferimento a Pacchetto - Datagramma vs Circuito Virtuale A E U Circuito Virtuale U B C D A E U Datagramma U B C D 59

60 Configurazione Generale della Rete Internet Passiamo ad esaminare un po più da vicino la configurazione della Rete Internet. La Rete Internet è essenzialmente composta da tre parti (sezioni) principali : i. La periferia della Rete (Network Edge)- E costituita dai Sistemi Terminali (End System o Hosts) che vogliono interconnetersi tramite la rete stessa. ii. La Rete di Accesso (Access Network)- E costituita dai canali fisici (doppini telefonici, cavi coassiali, fibra ottica etc) che collegano ciascun Sistema Terminale al proprio Router d Ingresso (Edge Router), che è il primo nodo di commutazione tra il Sistema Terminale e la Rete Internet. iii. La rete di Trasporto (Core Network)- E costituita dai nodi di commutazione (Router e/o Bridge) e dai canali fisici che interconnettono tra di loro i Router d Ingresso (Edge Router). 60

61 La struttura della rete: Network Edge (Periferia della Rete): applicazioni e nodi terminali Rete d accesso, canali fisici: collegamenti di comunicazione wired (cablati), wireless (senza fili) Network core (Cuore della Rete): o o Router interconnessi Rete di reti 61

62 Periferia della Rete (Network Edge) (1/2) Sistemi terminali (hosts): o Programmi applicativi o Esempio: Web, Modello client / server peer-to-peer o Le richieste dei sistemi terminali (clienti) vengono soddisfatte da server sempre attivi (always-on) o Esempio: Web browser / client/server server; client / server Modello peer-to-peer: o Minimo (o nullo) impiego di server dedicati o Esempio: Skype, BitTorrent 62

63 Periferia della Rete (Network Edge) (2/2) Due applicazioni eseguite da due Sistemi Terminali non direttamente collegati comunicano tra di loro mediante una connessione. Informalmente, una connessione è costituita da una o più sequenze ordinate di canali e nodi di commutazione che Internet mette a disposizione delle applicazioni (programmi) che vogliono scambiarsi dati. In generale, due applicazioni che vogliono scambiarsi dati possono farlo in accordo all uno o l altro dei due seguenti modelli di interazione : i. Il modello cliente/servente (client/server Model) ii. Il modello pari-a-pari (peer-to-peer Model) 63

64 Periferia della Rete: Modello Cliente/Servente Per definizione, il modello cliente/servente prevede che una applicazione (programma) cliente eseguita da un sistema terminale richieda e riceva un servizio (delle informazioni o/e dei dati) da una applicazione servente che è eseguita da un altro sistema terminale. Poiché il programma cliente e il programma servente sono eseguiti da sistemi terminali distinti, le applicazioni cliente-servente sono, per definizione, esempi di applicazioni distribuite. I programmi cliente e servente si scambiano dati mediante la connessione messa a disposizione da Internet. Esempi di applicazioni cliente-servente: Web, , Trasferimento di Files (FTP) 64

65 Periferia della Rete: Modello Peer-to-Peer (P2P) Per definizione, il modello di interazione Peer-to- Peer (P2P) prevede che le due applicazioni comunicanti ricoprano, a turno, il ruolo di programma servente e quello di programma cliente. Esempi di applicazioni P2P: i. Condivisione di Files (Limewire, edokey, Kazaa); ii. Telefonia via Internet (VoIP). Anche le applicazioni P2P sono di tipo distribuito. 65

66 La Rete di accesso e i canali fisici- Classificazione Come detto, la Rete di Accesso è costituita dai canali fisici che collegano ciascun sistema terminale al proprio Edge Router (primo nodo di commutazione) A seconda del tipo di canale fisico impiegato per il collegamento, le Reti di Accesso si suddividono in: i. Reti di Accesso Cablate i canali fisici sono costituiti da mezzi trasmissivi cablati, quali il doppino telefonico, la fibra ottica, il cavo coassiale; ii. Reti di Accesso Radio i canali fisici sono costituiti da porzioni dello spettro radio (WiFi, Wimax, Wireless LANs, Collegamenti Satellitari). 66

67 Utenza della Reti di Accesso Chi accede ad Internet? reti di accesso residenziali reti di accesso istituzionali (scuole, compagnie) reti di accesso mobili Importante: banda (bit al secondo) delle reti di accesso 67

68 Reti d Accesso residenziali- Accesso punto-punto Come accede ad Internet un utente residenziale? Dialup via modem o fino a 56Kbps per l accesso diretto al router (spesso meno) o Impossibilità di navigare e telefonare allo stesso tempo: no always on Edge Router DSL: digital subscriber line o o o compagnia telefonica (tipicamente) fino a 1 Mbps in upstream (oggi tipicamente < 256 kbps) fino a 8 Mbps in downstream (oggi tipicamente < 1 Mbps) 68

69 Accesso ad Internet di compagnie- Reti in Area locale Come accedono ad Internet le compagnie? Reti in area locale (Local Area Network) (LAN): connettono sistemi terminali agli edge router Ethernet: o o 10 Mbs, 100Mbps, 1Gbps, 10Gbps Ethernet configurazione: sistemi terminali connessi ai commutatori Ethernet Internet 69

70 Reti di Accesso Radio Reti di accesso radio condivise connettono i sistemi terminali ai router o attraverso base station access point (stazioni base) wireless LANs: o b/g (WiFi): 11 o 54 Mbps accesso wireless a più ampia copertura o fornito dall operatore telco o ~1Mbps su sistemi cellulari o (EVDO, HSDPA) o fino a: WiMAX (10 Mbps) su ampio raggio Edge router base station Internet mobile hosts 70

71 I canali fisici della Rete di Accesso Bit: trasferiti tra le coppie trasmettitore/ricevitore. Collegamento fisico: quello che sta tra il trasmettitore e il ricevitore. mezzi guidati (cablati): o segnali propagati in mezzi solidi: doppino, cavo, fibra. mezzi non guidati (radio): o segnali propagati liberamente 71

72 Capacità dei Canali Fisici In generale, i canali fisici che costituiscono Internet trasportano dati sotto forma di sequenza di simboli binari (sequenza di bit). Per definizione, la capacità C di un canale fisico è il numero massimo di bit che il canale può trasferire nell intervallo temporale di 1 sec. La capacità C di un canale fisico può equivalentemente misurarsi in: i. bit/sec ii. Hz Ogni canale fisico ha una sua propria capacità C non nulla. I canali migliori sono quelli con più alto valore di C. 72

73 Mezzi Fisici: cavo (1/2) Cavo coassiale: due conduttori concentrici di rame bidirezionale 73

74 Mezzi Fisici: fibra (2/2) Fibra ottica fibra di vetro che trasporta impulsi luminosi; ciascun impulso un bit operano ad alta velocità: o trasmissioni punto-punto ad alta velocità (e.g., Gb/sec). basso tasso d errore: ripetitori molto spaziati l uno dall altro; immune al rumore elettromagnetico 74

75 Mezzi Fisici: radio Segnale trasportato da onde elettromagnetiche Nessuna guida fisica Bidirezionale Tipologie di collegamento radio: microonde terrestri o fino a 45 Mb/sec LAN (e.g., Wifi) o 11Mb/s, 54 Mb/s wide-area (cellulari) o cellulare 3G: ~ 1 Mb/s 75

76 La Rete di Trasporto di Internet (Core Network) (1/2) 76

77 La Rete di Trasporto di Internet (Core Network) (2/2) Come detto, la Rete di Trasporto di Internet è costituita dai Nodi di Commutazione (router) e dai canali fisici che interconnettono tra di loro gli Edge Router. La Rete Internet offre due tipi di servizi alle applicazioni eseguite dai sistemi terminali: i. Servizio orientato alla connessione e affidabile; ii. Servizio non orientato alla connessione e non affidabile. La Rete Internet è i. una rete a commutazione di pacchetto; ii. che impiega il modo di Trasferimento a Datagramma. La multiplazione effettuata dai router presenti nella Rete di Trasporto di Internet è statistica. Quindi, il trasferimento di pacchetti attraverso Internet è soggetto a Ritardi di Coda. 77

78 La Struttura di Internet- Una rete di reti (1/5) La Core Network di Internet è organizzata (strutturata) in sotto-reti di varia dimensione che sono interconnesse tra di loro. Ciò significa che la Rete Internet è, in realtà, una rete di reti interconnesse. Le reti che costituiscono Internet sono organizzate gerarchicamente in Internet Service Providers (ISPs) di livello 1, livello2 e livello 3. ISPs distinte comunicano tra di loro mediante Router. I punti nei quali un ISP si collega con altri ISPs sono detti Punti di- Presenza ( Point-of-Presence: POP) 78

79 La Struttura di Internet- Una rete di reti (2/5) al centro: ISPs di Livello 1 ( Tier 1 ) (Verizon, Sprint, AT&T), copertura nazionale/internazionale Providers di Livello 1 interconnessi privatamente POP Tier 1 ISP Tier 1 ISP POP POP Tier 1 ISP L insieme di Tier 1 ISPs costituisce la così detta Internet backbone ( dorsale di Internet) 79

80 La Struttura di Internet- Una rete di reti (3/5) Tier-2 ISPs: più piccoli (spesso regionali) ISPs o Connessi a uno o più Tier-1 ISPs, eventualmente ad altri Tier-2 ISPs Tier-2 ISP pagano Tier-1 ISP per la connettività al resto di Internet Tier-2 ISP è cliente del provider Tier-1 Tier-2 ISP Tier-2 ISP Tier 1 ISP POP Tier 1 ISP Tier 1 ISP Tier-2 ISP Tier-2 ISP POP Tier-2 ISPs sono anche connessi privatamente con altre reti. POP Tier-2 ISP 80

81 La Struttura di Internet- Una rete di reti (4/5) Tier-3 ISPs o ISPs locali (local ISPs) o last hop network ( reti di accesso ) (le più vicine ai sistemi terminali) Tier- 3 ISPs e ISPs locali sono clienti degli ISPs di livello superiore, che li connettono al resto di Internet local ISP local ISP Tier 3 ISP Tier 1 ISP Tier-2 ISP Tier-2 ISP local ISP local ISP Tier 1 ISP local ISP Tier-2 ISP Tier 1 ISP Tier-2 ISP local ISP POP local ISP POP POP Tier-2 ISP local ISP 81

82 La Struttura di Internet- Una rete di reti (5/5) un pacchetto passa attraverso molte sotto-reti costituite da differenti ISPs local ISP Tier 3 ISP Tier-2 ISP local ISP Tier 1 ISP local ISP Tier-2 ISP local ISP Tier 1 ISP Tier 1 ISP Tier-2 ISP local ISP Tier-2 ISP local ISP Tier-2 ISP local ISP local ISP 82

83 Organizzazione a strati dei Le reti sono complesse Molte componenti: o Terminali d utente o Router o Canali di mezzi diversi o Applicazioni o Protocolli o hardware, software protocolli di Rete Domanda: C è una speranza di organizzare la struttura di una rete? O almeno la nostra discussione sulle reti? 83

84 Un esempio- Organizzazione di un viaggio in aereo biglietto (acquisto) bagagli (controllo) gates (carico) decollo instradamento biglietti (reclamo) bagagli (ritiro) gates (scarico) atterraggio instradamento instradamento dell aereo una serie di servizi/azioni svolti sequenzialmente 84

85 Organizzazione a strati delle funzioni svolte per realizzare un viaggio in aereo (1/2) biglietto (acquisto) biglietto (reclamo) biglietto bagagli (controllo) bagagli (ritiro) bagagli gates (carico) gates (scarico) gate decollo atterraggio Decollo/atterraggio instradamento Instradamento dell aereo instradamento Instradamento Partenza intermediate air-traffic control centers Arrivo 85

86 Organizzazione a strati delle funzioni svolte per realizzare un viaggio in aereo (2/2) Nella Figura precedente, l insieme dei servizi (funzioni) necessarie per effettuare un viaggio in aereo è partizionato (suddiviso) in strati organizzati gerarchicamente. Lo strato n offre un servizio allo strato (n+1) immediatamente superiore i. effettuando certe azioni (funzioni) che sono specifiche dello strato n; ii. avvalendosi del servizio (dati di input) offerto dallo strato (n-1) immediatamente inferiore. 86

87 Perché organizzare in strati le funzioni svolte dai Protocolli di rete? Una architettura gerarchica a strati delle funzioni svolte dai vari protocolli di rete permette di esaminare separatamente una parte specifica di un sistema grande e complesso. Specificatamente, fin tanto che lo strato n fornisce lo stesso servizio allo strato (n+1) immediatamente superiore e usa lo stesso servizio fornitogli dallo strato (n-1) immediatamente inferiore, il resto dell intero sistema non cambia quando viene (eventualmente) cambiato il modo in ciu lo strato n attua il suo servizio. La possibilità di cambiare il modo in cui un servizio è attuato da uno strato senza modificare nessuna altra componente del restante sistema costituisce il vantaggio principale dell organizzazione gerarchica a strati dell insieme dei protocolli di rete. 87

88 La stratificazione- Definizione formale (1/2) Supponiamo che l insieme J delle funzioni da svolgere per consentire l attuazione di un processo di comunicazione: i. sia partizionato in sottoinsiemi funzionali; ii. sia organizzato in modo che questi sottoinsiemi funzionali operino in un ordine gerarchico. Coerentemente con queste ipotesi, ogni sottoinsieme è identificato da un numero crescente al crescere del livello gerarchico. 88

89 La stratificazione- Definizione formale (2/2) Sotto le precedenti ipotesi, ogni sottoinsieme funzionale dell architettura a strati: i. riceve un servizio dal sottoinsieme che gli è immediatamente inferiore nell ordine gerarchico; ii. arricchisce questo servizio con il valore derivante dallo svolgimento delle proprie funzioni; iii. offre un nuovo servizio a valore aggiunto allo strato che gli è immediatamente superiore nell ordine gerarchico. 89

90 Strato più elevato Definizione di strato nell organizzazione gerarchica dei protocolli di una rete di TLC Sistema A Sistema B Sottosistemi omologhi Strato di rango N Strato più basso Mezzi trasmissivi 90

91 Servizio di strato nell organizzazione gerarchica dei protocolli di una Rete di TLC Riassumendo, ogni strato di rango N fornisce un servizio allo strato di rango N+1. Per questo scopo utilizza il servizio fornito dallo strato di rango N-1. Arricchisce tale servizio con lo svolgimento di particolari proprie funzioni. 91

92 Modello di architettura protocollare Open System Interconnection (Modello OSI) Strati Strato di Applicazione Servizi offerti Fornisce ai processi applicativi i mezzi per accedere ad Internet (è costituito da programmi applicativi quali FTP, HTTP,SMTP). Strato di Presentazione Strato di Sessione Strato di Trasporto Strato di Rete Strato di Collegamento Strato Fisico Risolve problemi di compatibilità sulla rappresentazione dei dati da trasferire e offre servizi di cifratura. Struttura e sincronizza lo scambio di dati in modo da poterlo sospendere, riprendere e terminare ordinatamente. Colma le deficienze della qualità di servizio delle connessioni di livello rete. Funz. fondament.: multiplazione e frammentazione. Instaura, mantiene e abbatte connessioni di rete. Funzioni fondamentali: instradamento e controllo di flusso. Fronteggia malfunzionamenti del livello fisico (rivelazione e recupero degli errori di trasmissione, controllo di flusso). Fornisce i mezzi meccanici, fisici, funzionali e procedurali per attivare, mantenere e disattivare le connessioni fisiche. Mezzi fisici di trasmissione 92

93 Modello di architettura protocollare adottata da Internet (Modello Internet) Strati Strato Applicativo Servizi offerti Corrisponde a parte dello strato di sessione e agli strati di presentazione e di apllicazione del modello OSI. Strato di Trasporto Corrisponde allo strato di trasporto e a parte dello strato di sessione del modello OSI. Offre un servizio di trasporto affidabile con connessione (TCP), ovvero un servizio più semplice, senza connessione (UDP). Strato di Rete Consente l interconnessione delle varie reti componenti con funzionalità che nel modello OSI sono collocate in un sottostrato di rete alto. Fornisce un servizio di trasferimento dati senza connessione (IP). Strato di Collegamento Include le funzioni che, nel modello OSI, sono comprese negli strati fisico, di collegamento e di rete,quest ultimo almeno per ciò che riguarda gli aspetti connessi al funzionamento di ogni singola rete componente (sottostrato di rete basso). Il servizio offerto allo strato superiore (Strato Internet) può essere con o senza connessione. Strato Fisico 93

94 messagio segmento datagramma trama H l H t H n H t H n H t M M M M Sorgente Applicativo Trasporto Rete Collegamento Fisico Trasferimento dei Dati nel Modello Internet Collegamento H l H n H t M Fisico Bridge Destinazione H n H t M Rete M Applicativo H l H n H t M Collegamento H t M Trasporto Fisico H l H n H n H t H t M M Rete Collegamento Fisico Router 94

95 Trasferimento dei Dati nel Modello Internet- Pile protocollari La Figura precedente mostra il cammino fisico che i pacchetti generati dall applicazione-sorgente seguono attraverso le pile protocollari per raggiungere l applicazione-destinazione. La Figura si presta ad alcune osservazioni: o o o o Similmente ai sistemi terminali, anche i Router e i Bridge organizzano i loro protocolli in strati. I Router implementano solo i protocolli di Strato Fisico, di Collegamento e di Rete. I Bridge implementano solo i protocolli di Starto Fisico e di Collegamento. I terminali d utente implementano i protocolli di tutti e 5 gli strati del modello Internet. 95

96 Trasferimento dei Dati nel Modello Internet- Messaggi, Segmenti, Datagrammi e Trame Inoltre, i. I pacchetti generati dallo Strato Applicativo sono chiamati Messaggi ; ii. I pacchetti generati dallo Strato di Trasporto sono chiamati Segmenti ; iii. I pacchetti generati dallo Strato di Rete sono chiamati Datagrammi ; iv. I pacchetti generati dallo Strato di Collegamento sono chiamati Trame (frame) 96

97 Trasferimento dei Dati nel Modello Internet- Il Principio dell Incapsulamento (1/2) La figura mostra anche che, al lato sorgente, il pacchetto generato da ciascuno strato n si ottiene aggiungendo un header H n al pacchetto generato dallo Strato (n+1). Il contenuto dell header è specifico dello strato al quale l header viene aggiunto e contiene informazioni necessarie per svolgere le funzioni proprie dello strato. Ciò significa che, al lato sorgente, il pacchetto di strato n è ottenuto per incapsulamento del pacchetto di strato (n+1). 97

98 Trasferimento dei Dati nel Modello Internet- Il Principio dell Incapsulamento (2/2) Al lato Destinazione, i pacchetti subiscono la procedura (reciproca) del De-incapsulamento. Ovvero, i. Lo strato n riceve il pacchetto che gli compete dallo strato (n-1); ii. Lo strato n elabora il pacchetto; iii. Lo strato n elimina dal pacchetto l Header specifico dello strato n; iv. Lo strato n passa la parte rimanente del pacchetto allo strato (n+1). Se non sono stati introdotti errori nel trasferimento dei dati del Terminale-Sorgente al Terminale-Destinazione, il messaggio M ricevuto allo strato applicativo del Terminale di Destinazione coincide col messaggio M generato dallo strato applicativo del Terminale Sorgente 98

99 La Normativa nelle TLC- Organismi Mondiali International Telecommunication Union (ITU) International Standard Organization (ISO) International Electrotechnical Commission (IEC) Internet Engineering Task Force (IETF) 99

100 La normativa nelle TLC- L organismo ITU È un agenzia specializzata delle Nazioni Unite, con sede in Ginevra e con il compito di armonizzare tutte le iniziative mondiali e regionali nel settore delle Telecomunicazioni. Tiene tre tipi di conferenze amministrative tra cui si menziona: i. WARC (World Administrative Radio Conference). - considera ed approva tutti i cambiamenti alle regolamentazioni sulle radio comunicazioni con particolare riferimento all uso dello spettro delle frequenze radio. Dagli inizi degli anni 90 è organizzato in tre settori: i. Sviluppo ii. Standardizzazione iii. Radiocomunicazioni 100

101 La normativa nelle TLC- L organismo ISO Ente delle Nazioni Unite, creato con l obiettivo di promuovere lo sviluppo della normativa internazionale per facilitare il commercio di beni e servizi nel mondo. Relativamente alle Telecomunicazioni e alle aree collegate, opera tramite un comitato tecnico congiunto con l IEC: Joint Technical Committee on Information Technology (JTC1). L ISO-IEC JTC1 è organizzato in Comitati Tecnici (TC), attualmente otre 170, e in Sotto-comitati (SC). 101

102 La normativa nelle TLC- L organismo IETF Coordina l attività di standardizzazione nell ambito della rete Internet. E organizzata in Working Group tematici. L iter di standardizzazione prevede la produzione di: i. Draft (documenti di lavoro) ii. RFC (standard) Tutti i documenti IEFT sono disponibili sul sito: 102

103 Organizzazione e Struttura del Corso (1/2) In accordo al Modello protocollare Internet, il corso si articola nelle seguenti parti: 1. Strato Fisico o Segnali analogici e numerici o Elaborazione analogica e numerica dei segnali o Mezzi trasmissivi e canali di comunicazione o Modulazioni analogiche e numeriche o Codifica di canale 2. Strato di collegamento o Accesso multiplo o Reti in Area Locale (LANs) 103

104 Organizzazione e Struttura del Corso (2/2) 4. Strato di Rete o o Il protocollo IP Algoritmi e Protocolli di instradamento 5. Strato di Trasporto I protocolli TCP e UDP 104