Fondamenti di Informatica RETI DI COMPUTER (lucidi) Prof. De Maio Carmen cdemaio@unisa.it
Introduzione I primi tempi dell'informatica furono caratterizzati da centri di calcolo con grossi computer centrali a cui ogni utente accedeva direttamente Successivamente, a tali sistemi furono connessi terminali conversazionali, che permisero di decentrare le operazioni di Input/Output. Con la miniaturizzazione delle componenti elettroniche, l'aumento delle capacità elaborative dei microprocessori e il conseguente abbattimento dei prezzi, il computer fece la sua apparizione anche sulle scrivanie e iniziò la fase del personal computing
Introduzione La fase successiva vide il collegamento in rete dei computer che così potevano scambiarsi messaggi e files e condividere banche dati. Nacque così l'informatica distribuita: da un lato i computer erano collegati in rete a un server da cui potevano prendere applicativi e dati, dall'altro erano in grado di effettuare elaborazioni in locale, cioè al loro interno, perché erano dotati di hw e sw adeguato.
Cos è una rete Una rete informatica è un insieme di dispositivi (detti di rete) collegati tra loro tramite sistemi di interconnessione (cablaggio o wireless). Consente di comunicare e condividere informazioni e risorse. È possibile ospitarle in una sede singola oppure dislocarle in vaste aree.
Componenti di una rete Componenti di una rete sono: nodi: un nodo è un qualsiasi dispositivo hardware del sistema, in grado di comunicare con gli altri dispositivi che fanno parte della rete; collegamenti (links) tra i nodi.
Finalità di una rete facilitare la comunicazione tra gli utenti permettendo l'invio di messaggi di posta elettronica e lo scambio di file; consentire la condivisione di risorse quali dati e programmi, ma anche componenti hardware; utilizzare razionalmente le risorse (Hw e Sw) migliorare l'affidabilità del sistema in quanto una rete è composta da più computer, che possono anche eventualmente sostituire le macchine non funzionanti.
Tipologie di rete I tipi di rete che possiamo utilizzare coprono spazi diversi: possiamo utilizzare una semplice rete, collegando un computer a un portatile; collegarci via Internet per comunicare senza limiti di spazio.
ESTENSIONE: Rete Domestica Collegamento punto punto connessione diretta tra due nodi senza passare per un nodo intermedio Struttura centralizzata Risorse elaborative condivise HW-SW Il computer centrale è chiamato Host
ESTENSIONE: Rete Locale (LAN) reti locali o LAN (Local Area Network): connette fisicamente apparecchiature su brevi distanze Una LAN è solitamente interna a un edificio o ad edifici adiacenti. Un esempio potrebbe essere una rete di un ufficio o di un istituto universitario; utilizzando cavi dedicati o Wi-Fi utilizzando hardware specifico.
ESTENSIONE: Rete Metropolitana (MAN) reti metropolitane o MAN (Metropolitan Area Network): reti, che coprono l'estensione di un'area urbana. Per esempio: le reti civiche presenti in molte città italiane la connessione di tutti gli elaboratori di una Università distribuita in diversi plessi è una rete MAN
ESTENSIONE: Rete Geografica (WAN) Reti geografiche o WAN (Wide Area Nerwork): reti di vaste dimensioni, che permettono di collegare dispositivi molto distanti tra di loro. Ad esempio la rete GARR, che collega tutte le reti delle Università italiane; la rete ARPANET rete americana per collegare centri di ricerca. Una WAN particolare è Internet ("rete delle reti") in questo caso si uniscono reti di diversa natura (sia dal punto di vista dell hardware che del software). Una funzione fondamentale la svolgono i cosiddetti protocolli di comunicazione, che sono un insieme di regole comuni rispettate da tutti i sistemi che si affacciano sulla rete
Tecnologia di comunicazione: Peer-to-peer In una rete peer-to-peer, o rete punto a punto, tutti i calcolatori sono collegati da una serie di connessioni dirette (dedicate) tra di loro. Per passare da una sorgente ad una destinazione, l'informazione passa attraverso elaboratori intermedi che hanno l'unica funzione di inoltrare il messaggio Nel suo viaggio, l'informazione può percorrere tragitti alternativi
Tecnologia di comunicazione: Broadcast Sono costituite da canali condivisi tra tutti i calcolatori, ognuno dei quali ha un indirizzo distintivo, che è chiamato indirizzo di rete Le macchine inviano i messaggi sui canali condivisi specificando l indirizzo del destinatario Il messaggio viene inviato contemporaneamente a tutti gli host: solo il destinatario legge il messaggio, gli altri lo ignorano 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
RETI DI COMPUTER I protocolli (Sez. 9.9)
La rete telefonica ed i computer Le linee di comunicazione usate per connettere i computer di una rete possono essere Dedicate: connettono in modo perenne, i dispositivi di comunicazione che condividono tali linee Commutate: realizzate su un'infrastruttura molto più generale (la linea telefonica), sulla quale si affacciano moltissimi dispositivi di comunicazione che usano tali linee solo per periodi limitati di tempo. Le linee commutate possono essere a commutazione di circuito a commutazione di pacchetto
Modem Su una normale linea telefonica il segnale che viaggia è di tipo analogico Il modem converte i dati digitali in segnali analogici e viceversa su linea telefonica.
Linea a Commutazione di Circuito Nella linea a commutazione di circuito viene a crearsi, per tutta la durata della comunicazione, un canale tra la sorgente e il destinatario, che è di uso esclusivo di tale comunicazione Per tutta la durata della comunicazione i dati seguono sempre lo stesso percorso. E' tipico delle comunicazioni telefoniche 1 2 4 3
Linea a Commutazione di Pacchetto Le linee a commutazione di pacchetto sono utilizzate contemporaneamente da più utenti. Il messaggio è scomposto in pacchetti tutti della stessa dimensione che vengono inviati sulla rete e che possono seguire tragitti diversi. È la "logica" della rete che decide quale strada dovrà seguire ogni singolo pacchetto A destinazione il messaggio si ricompone I dati sono suddivisi in pacchetti, ognuno dei quali può seguire un percorso diverso. Tipico delle trasmissioni dati 1 2 3
Linea a Commutazione di Pacchetto Si occupa la linea solo per il tempo strettamente necessario quando si telefona, invece, la linea è dedicata alla connessione Ogni router decide il percorso ottimale per ogni pacchetto. Questo percorso può variare da pacchetto a pacchetto di uno stesso messaggio, perché, nel frattempo, le condizioni di traffico sulla rete possono essere mutate. È, però, necessario che tutti i nodi della rete seguano una serie di regole comuni (i protocolli). In Internet, i protocolli fondamentali sono TCP e IP
La rete telefonica ed i computer In una LAN le componenti sono fisicamente molto vicina le une alle altre, per cui sono collegate mediante cavi dedicati (o in modo wireless, cioè senza cavi) Nelle reti geografiche le componenti sono fisicamente lontane ed è molto costoso collegarle tramite cavi dedicati, per cui una WAN utilizza quasi sempre una rete telefonica a commutazione di pacchetto.
Protocolli di comunicazione: Internet Protocol (IP) Per utilizzare linee a commutazione di pacchetto bisogna essere in grado di identificare il singolo dispositivo che si affaccia alla rete. In Internet, ogni dispositivo collegato possiede un proprio indirizzo (detto IP, cioè Internet Protocol) che lo identifica univocamente Ciascun dispositivo (router, computer, server di rete, stampanti, alcuni tipi di telefoni,...) ha il suo indirizzo All interno di un indirizzo IP si distinguono: l indirizzo di rete; l indirizzo dell host.
Protocolli di comunicazione: Internet Protocol (IP) Il meccanismo di interpretazione degli indirizzi IP è simile a quello dei numeri telefonici in cui: il prefisso definisce il distretto telefonico; il resto identifica l apparecchio telefonico specifico in quel quartiere, zona, abitazione, interno
Protocolli di comunicazione: TCP Il protocollo TCP (Transmission Control Protocol) si occupa di come spezzettare un messaggio in più parti. Ogni pacchetto contiene una porzione di un file, e può seguire nella rete la strada che vuole. Il protocollo TCP si occupa anche di ricomporre il messaggio con l'ordine esatto dei pacchetti, una volta che questi sono arrivati tutti a destinazione.
Funzionamento del protocollo TCP/IP In partenza, TCP spezzetta il documento in pacchetti Ogni pacchetto è strutturato in base al protocollo IP I pacchetti viaggiano su rete, instradati dai vari router A destinazione TCP ricompone il messaggio assemblando i vari pacchetti in un unico messaggio
RETI DI COMPUTER LAN (Sez. 9.5, 9.6, 9.7)
RETI LOCALI: INTRODUZIONE Un rete locale connette apparecchiature in un ambito fisico delimitato (una stanza o un edificio, o anche più edifici vicini) Utilizzando cavi dedicati (Doppini telefonici, Cavi coassiali, Fibra Ottica) modalità WIFI utilizzando hardware specifico schede di rete router, apparato in grado di gestire il traffico
Vantaggi di una LAN Condivisione di archivi e di risorse fisiche tra più utenti che le vedono come se fossero collegate al proprio computer, con il vantaggio di Limitare il numero delle risorse complessive, quali: Dischi fissi, CD-ROM, e altri supporti di memoria Stampanti, Plotter, scanner, ecc. Interfacce di collegamento verso reti esterne (es.: Internet) semplificare gestione e manutenzione del centro.
Vantaggi di una LAN Condivisione di Software (applicazioni di rete) Molti software possono essere installati su un unico computer (spesso il server) e utilizzati dagli altri computer della rete solo quando realmente servono, Vantaggi: Economico. Una licena di rete normalmente costa molto meno di quanto costa una licenza per ogni postazione Facilità di gestione e aggiornamento perché va aggiornata solo la copia presente sul server, invece che tutte le copie che altrimenti sarebbe necessario aggiornare su ogni computer
Vantaggi di una LAN Affidabilità del sistema un guasto a una risorsa (una stampante, ad esempio) non compromette il funzionamento della rete in quanto gli utenti della rete possono utilizzare risorse alternative (un'altra stampante) presenti in rete. Lavoro di gruppo; più utenti possono: Lavorare sullo stesso documento, apportando correzioni pur non essendo fisicamente vicini Trasmettersi pratiche in formato elettronico Utilizzare archivi condivisi Scambiarsi informazioni tramite posta elettronica. Utilizzare risorse condivise quali calendari o altro.
Accesso alla rete Per accedere a una rete, normalmente, un utente deve identificarsi (effettuare il log-in), inserendo Codice-utente (fornito dall amministratore e immutabile) Password (scelto dall utente e modificabile) Ogni utente può essere abilitato all accesso a un sottoinsieme delle risorse (internet, stampanti, dischi, ) Ad accedere limitatamente a una particolare risorsa può stampare solo un numero massimo di fogli, oppure accedere solo in lettura ad alcuni dati oppure non essere abilitato ad accedere a internet
Utenti e Amministratori L amministratore è il gestore della rete. Egli decide Chi accede alla rete A quali risorse della rete accede ogni utente Quale livello di accesso ha il singolo utente relativamente alla singola risorsa (solo lettura, modifica, ) L amministratore deve diagnosticare ed eliminare eventuali problemi del sistema Assistere gli utenti in difficoltà
Componenti fondamentali di una rete nodi: qualsiasi dispositivo hardware in grado di comunicare con gli altri dispositivi della rete; Se il nodo è un elaboratore, esso viene chiamato host collegamenti (links) tra i nodi, che si realizzano tramite mezzi di trasmissione dell informazione: Cablaggi, rete telefonica, satelliti, sistemi wireless. Apparati per il coordinamento, la gestione della rete e l instradamento delle informazioni Hub (o concentratori), switch, bridge, router; Dorsale: cavo ad alta velocità al quale si connettono singoli nodi o hub e che trasporta grandi quantità di dati
Componenti fondamentali di una rete
RETI LOCALI: ARCHITETTURA La topologia (o architettura) di una rete è il modo in cui sono collegati i nodi fra di loro, che definisce la modalità di trasmissione dei dati. Una rete può assumere le seguenti topologie Client/server Anello Stella Bus Paritaria (Peer-to-peer)
Modello di rete CLIENT/SERVER Nel Modello Client-Server un computer è il depositario di tutte le risorse comuni Esso è detto Server perché è di servizio agli altri nodi In una rete possono esserci più server I nodi "utente" della rete sono detti "client" e accedono al/ai server per usufruire dei loro servizi.
Server Un server è un computer al servizio degli altri nodi. In una rete ci possono essere server dedicati a vari servizi Server di posta elettronica gestore dei dati (file server), che gestisce dati e programmi condivisi, residenti su dischi di rete (NAS) Server di stampa per l accesso coniviso alle stampanti Server di comunicazione che gestisce la trasmissione dei dati nella rete o tra la rete e l esterno (es. Internet) server generali, in grado di erogare più servizi.
Topologia ad ANELLO I nodi sono connessi da un cavo continuo che, dal punto di vista logico, realizza un cerchio chiuso. Ogni nodo è connesso solo con il precedente e con il successivo. I messaggi sono inviati in senso orario lungo il circuito passando attraverso ciascun nodo Topologia attiva: Ogni nodo ritrasmette il messaggio al nodo successivo, se non è destinato a sè Adatta per reti di piccole dimensioni Sensibile ai guasti: se un computer si guasta l anello si interrompe
una topologia a stella Topologia a STELLA ogni computer è collegato a un nodo centrale (server) tramite un concentratore (hub o switch). Tutte le comunicazioni passano per il server e sono gestite da quest'ultimo; Topologia passiva: gli altri nodi non intervengono nel passaggio dei dati Adatta per reti di grandi dimensione Ogni nodo può essere un singolo computer, un concentratore di terminali o un altro server Rientra in questa categoria il collegamento da punto a punto (point-to-point) in cui sono collegati solo due nodi.
Topologia a STELLA Tra i vantaggi della topologia a Stella ci sono: Espandibilità (collegando un altro Hub); Controllo centralizzato del traffico sulla rete. Resistenza ai guasti In caso di guasto di un nodo, solo quel nodo verrà isolato dalla rete. Tra gli svantaggi della topologia a stella ci sono: Elevata quantità di cavi. In caso di mancato funzionamento dell Hub, saranno interrotte tutte le attività di rete.
Topologia a STELLA: Hub e Switch Il concentratore di una rete a stella può anche essere uno switch, in alternativa all hub Un Hub inoltra i dati che gli arrivano da un qualsiasi nodo, e diretti ad un altro nodo, verso tutti gli altri nodi (che scarteranno i messaggi che non sono diretti a loro) Uno switch inoltra selettivamente il messaggio solo al computer a cui è effettivamente destinato Uno switch riduce, quindi, la quantità di traffico su rete.
Topologia a BUS In una topologia a bus, o lineare tutti i nodi sono collegati a un unico cavo (dorsale). I messaggi sono inviati dal mittente sulla dorsale e vengono esaminato dagli altri nodi; solo il destinatario preleva il messaggio, mentre gli altri lo ignorano. Topologia passiva: i nodi ascoltano i dati trasmessi sulla rete, ma non intervengono nel loro spostamento. Quando la dorsale è occupata, bisogna attendere che il messaggio giunga a destinazione prima di inviarne un altro.
Topologia a BUS: Terminatori A ciascuna estremità del cavo viene applicato un componente chiamato terminatore che assorbe i dati che non giungono a destinazione che altrimenti continuerebbero a rimbalzare da una parte all altra della dorsale all infinito non permettendo l invio di altri dati.
Topologia a BUS Vantaggi È il modo più semplice di connettere dei computer. In caso di guasto ad un nodo la struttura non ne risente Svantaggi Supporta traffico meno elevato della topologia ad anello Poiché un solo computer alla volta può inviare dati, maggiore è il numero di computer connessi alla rete, più saranno i computer in attesa di trasmettere dati, rallentando le prestazioni dell intera rete.
RETI LOCALI: ARCHITETTURA La topologia (o architettura) di una rete è il modo in cui sono collegati i nodi fra di loro, che definisce la modalità di trasmissione dei dati. Una rete può assumere le seguenti topologie Client/server Anello Stella Bus Paritaria (Peer-to-peer)
Modello di rete PEER-TO-PEER Tutti i computer sono allo stesso livello (non ci sono computer più importanti, quali i server dedicati) Ogni computer accede alle risorse presenti su ogni altro computer e mette a disposizione degli altri computer le sue risorse (tutte o in parte) Ad esempio, mentre sta elaborando un documento, un computer può soddisfare una richiesta di stampa (sulla propria stampante) proveniente da un altro computer
RETI LOCALI: IL SISTEMA Per creare una rete sono necessari Cavi Dispositivi per il collegamento dei nodi
Schede di rete La scheda di rete è detta anche adattatore LAN. Crea il ponte tra l elaboratore e la rete Converte i dati del computer in dati per la rete Amplifica la potenza del segnale per rendere possibile la trasmissione attraverso i cavi
Mezzi di trasmissione guidati Mezzi guidati: collegano fisicamente il trasmettitore al ricevitore. I più usati sono il doppino telefonico, è poco costoso, molto usato, ma lento e con alte percentuali di errore il cavo coassiale, usato per TV via cavo e reti telefoniche a lunga distanza, dà maggiore affidabilità le fibre ottiche capaci di trasmettere quantità di dati molto maggiori, a una velocità e con un affidabilità più elevata e per distanze più lunghe;
Mezzi di trasmissione non guidati Mezzi non guidati: canali di trasmissione che si basano sull'irradiazione del segnale nello spazio. Qui possono essere annoverati le antenne, i satelliti, i ripetitori televisivi o per cellulari, ecc.
Mezzi di trasmissione: velocità e qualità Un fattore molto importante da considerare nei mezzi di trasmissione è la larghezza di banda che misura la portata del canale (capacità). Nei mezzi digitali essa è infatti pari al numero di bit che il canale è in grado di trasportare nell'unità di tempo; Altri fattori che influiscono sulla velocità e, soprattutto, sulla qualità dei segnale sono: le interferenze tra i segnali e il grado di attenuazione del segnale, ovvero il grado di riduzione dell'intensità dell'energia del segnale.
MEDIA ACCESS CONTROL (MAC) Su un cavo di rete può viaggiare un solo messaggio a volta, Altrimenti si verificano interferenze. A una conferenza stampa quando più persone parlano contemporaneamente c è confusione Una LAN ha quindi bisogno di una regola che impedisca la sovrapposizione dei segnali e che disciplini il traffico Si adotta la regola che chi vuole intervenire alza la mano e aspetta il proprio turno
MEDIA ACCESS CONTROL (MAC) Metodi comuni per disciplinare il traffico di una LAN: Ethernet (CSMA/CD) Ethernet è la tecnologia più utilizzata per LAN CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect) è un protocollo di accesso multiplo a una LAN cablata (non wireless): Token ring
Controllo degli accessi Ethernet: CSMA/CD Un nodo comincia a trasmettere Se, mentre il primo nodo sta trasmettendo, comincia a trasmettere un altro nodo, si crea collisione ed entrambi si interrompono I due nodi inviano nuovamente il messaggio, dopo un tempo casuale (che varia da nodo a nodo)
Ethernet, Fast Ethernet e Giga Ethernet Esistono diverse tecnologie Ethernet; le più comuni sono: Ethernet, Fast Ethernet e Giga Ethernet. La differenza principale è data dalla velocità alla quale trasferiscono le informazioni. Ethernet funziona a 10 Megabit al secondo (Mbps) Fast Ethernet funziona a 100Mbps. Giga Ethernet funziona a 1 Gigabit/s Una rete può essere formata da una o più di queste tecnologie.
Comunicazione nelle reti ad anello: Token Ring Token Ring (adatto per reti ad anello). Il Token (gettone) è un pacchetto di bit che viaggia sull anello, e che contiene informazioni di controllo. Il token viaggia sino a quando un computer che deve inviare dati se ne impossessa, lo modifica e lo invia insieme al messaggio. Il token così modificato comincia a viaggiare lungo l anello, passando da un computer al successivo finché non raggiunge il computer di destinazione, che legge il messaggio, e invia sulla rete un token vuoto che riprenderà a circolare sulla rete.
Comunicazione nelle reti ad anello: Token Ring Con questa modalità di accesso, i nodi non si contendono l uso della rete, ma devono ottenere il permesso di trasmissione. Nelle reti Token Ring, a differenza di altre, un computer malfunzionante viene automaticamente escluso dall anello consentendo agli altri di continuare a funzionare regolarmente in rete. Nelle reti ad anello che non utilizzano la tecnologia token ring, un computer che non funziona può provocare la caduta di tutta la rete.
Comunicazione nelle reti ad anello: Token Ring