Università degli Studi di Brescia INFORMATICA RETI parte A Docente: Marco Sechi E mail: marco.sechi@unibs.it Vers. 02/08/2016.A260917 Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale DIPARTIMENTO DI SCIENZE CLINICHE E SPERIMENTALI Corso di studi: Medicina e Chirurgia Informatica
Introduzione alle reti 2
3 Un pc standalone è un pc che non risulta collegato ad alcuna rete. Le risorse locali non sono pertanto condivise con altri computer. Le risorse hardware locali sono i dispositivi connessi al computer come ad esempio le memoriedimassa(harddisk,dvd,usbkey,etc.)eleperiferichedii/o(stampanti, tastiera, mouse, scanner, etc.).
4 Una RETE INFORMATICA è costituita da un insieme di computer collegati tra loro che possono condividere sia le risorse hardware (periferiche hardware) che le risorse software (programmi applicativi e base dati). La rete aggiunge alla capacità di elaborare i dati anche la possibilità di mettere in comunicazione gli utenti tra loro, consentendone lo scambio dei dati. ELEMENTI FONDAMENTALI PER COMUNICARE Il MEZZO TRASMISSIVO costituisce il livello fisico utilizzato per trasmettere l informazione. In base alla tipologia distinguiamo: Reti Wired: utilizzano cavi fisici Reti Wireless: utilizzano onde radio a bassa potenza Il PROTOCOLLO è un insieme di regole che definiscono in maniera dettagliata le modalità con cui deve svolgersi la comunicazione. Entrambe gli interlocutori, per comunicare, devono conoscere il protocollo utilizzato. Il SERVIZIO è il motivo per cui si instaura una comunicazione. Ad esempio per consultare un sito web, salvare un file in rete (File Service) o stampare un documento su una stampante condivisa (Print Service)
5 TIPOLOGIE DI RETE: In generale una rete informatica può occupare un'area di pochi metri fino a raggiungere dimensioni planetarie. La rete informatica assume denominazioni diverse in base alla sua estensione: BAN, PAN, LAN, MAN e WAN. BAN (Body Area Network o Body Sensor Network): sono reti che interconnettono dispositivi indossabili il cui raggio di copertura è inferiore al metro. Un personal gateway o server consente il monitoraggio a distanza dei sensori installati sulla BAN.
6 Le applicazioni più tipiche delle BAN sono le reti di sensori corporei in campo biomedico. PAN (Personal Area Network): si tratta di una rete che si sviluppa intorno all'utilizzatore con una estensione di pochi metri. E' la tipica rete adoperata per collegare le periferiche ed altri dispositivi (es. macchina fotografica digitale, cellulare, etc.) al Computer. Per stabilire la connessione basta portare i dispositivi che si vuole collegare nel corto raggio di copertura della rete PAN. Gli standard di connessione utilizzati sono: IrDA (Infrared Data Association obsoleto): è basato sull utilizzo di raggi infrarossi diretti, con portata massima di circa un metro ed una velocità di trasmissione dati al più di 4 Mbps. La necessità di sistemare i terminali a "distanza visiva", senza interporre ostacoli, ne ha limitato notevolmente gli ambiti applicativi. Bluetooth (IEEE 802.15) rappresenta uno degli standard più utilizzati per questa tipologia di rete. La sua specifica utilizza frequenze di 2,4GHz con una portata massima di circa 15 metri ed una velocità di trasferimento dati fino a 2 Mbps. Questo standard utilizza una con configurazione di tipo master slave, in cui il primo dispositivo attivo diviene il master, consentendo agli altri slave di comunicare tra di loro LAN (Local Area Network): è costituita da un insieme di nodi situati solitamente all interno di uno stesso edificio o al massimo in edifici adiacenti relativi alla stessa azienda.
7 MAN (Metropolitan Area Network): dette anche reti metropolitane si sviluppano a livello cittadino. WAN (Wide Area Network): sono reti geografiche di notevole estensione che consentono di far comunicare computer anche a grandissime distanze. Internet è la WAN per eccellenza 7
8 TOPOLOGIE FISICHE DI RETE: La disposizione fisica, cioè la configurazione spaziale di una rete è detta topologia fisica. Si distinguono le seguenti topologie: RETE A BUS: E' il metodo più semplice per connettere in rete dei computer. Consiste in un singolo cavo (chiamato dorsale o backbone) che connette in modo lineare tutti i computer. E la topologia utilizzata dalla rete ETHERNET. Quella a bus è una tipologia di rete passiva: i nodi ascoltano i dati trasmessi sulla rete, ma non intervengono nello spostamento dei dati da un computer a quello successivo. Se la backbone viene spezzata l intera rete smette di funzionare. RETE AD ANELLO: I computer sono connessi ad un unico cavo circolare (percorso chiuso!). I segnali sono inviati lungo il circuito chiuso passando attraverso ciascun computer che funge da ripetitore (poiché ritrasmette il segnale amplificato al computer successivo). E la topologia utilizzata dalla rete TOKEN RING e FDDI.
9 RETE A STELLA: Tutte i pc (workstation) sono connessi ad un punto centrale chiamato HUB. Se la connessione tra un computer e l hub si interrompe solo quel computer verrà escluso dalla rete mentre tutti gli altri continueranno ad utilizzare la rete. Diversamente se è l'hub a guastarsi allora verranno interrotte tutte le connessioni. Questa topologia presenta i seguenti vantaggi: l espandibilità: basta collegare un altro hub all hub iniziale per aumentare il numero di porte a cui connettere i nodi, controllo centralizzato del traffico di rete. L'hub, tramite dei led luminosi posti sul suo pannello frontale, consente di monitorare da una singola posizione ogni ramo della rete. RETEAMAGLIAOMESH: Nella rete Mesh ogni nodo è capace di dialogare con gli altri tramite collegamenti diretti o attraverso dei nodi intermedi. In origine le reti Mesh erano caratterizzate dal fatto che ogni nodo era connesso direttamente con ogni altro nodo (full mesh). Ora un nodo è connesso direttamente solamente con un sottoinsieme di nodi detto cluster. In una rete Mesh i nodi svolgono anche funzioni di instradamento (routing), eseguendo le operazioni di forwarding dei pacchetti verso il nodo di destinazione. Le reti mesh, avendo linee ridondate, hanno un elevato grado di fault tolerance.
10 Le reti a maglia si distinguono in: Magliata completamente connessa (full mesh): ogni nodo è connesso direttamente con tutti gli altri nodi della rete mediante un ramo dedicato. Sono le reti che presentano la massima tolleranza ai guasti ma anche il costo più elevato poiché il numero dei canali aumenta con legge quadratica rispetto al numero N di nodi. E applicabile solo a reti di piccole dimensioni dove l'affidabilità è un fattore determinante. In questa tipologia esistono molti cammini alternativi che connettono ogni coppia di nodi (ridondanza). Se vogliamo collegare fra loro N nodi, in una full mesh, sono necessari (N 1) + (N 2) +... + 2 + 1 N*(N 1)/2 link. Si tenga presente che ogni link permette la comunicazione in entrambe le direzioni per cui se è presente una connessione tra il nodo A e il nodo B non è necessario il collegamento inverso tra il nodo B e il nodo A. Magliata parzialmente connessa (partial mesh): i nodi risultano connessi direttamente tra loro solo parzialmente. La tolleranza ai guasti dipende dal numero di canali ridondati. La rete Internet si avvale di una struttura magliata di questo tipo.
11 TOPOLOGIE LOGICHE DI RETE: La topologia logica, in contrapposizione con quella fisica, rappresenta il modo in cui i dati transitano sulle linee di comunicazione. Le topologie logiche più diffuse sono Ethernet, Token Ring e FDDI. ETHERNET (IEEE 802.3): Conosciuto con il nome di IEEE 802.3 è lo standard di trasmissione dati più diffuso per le LAN. E stato sviluppato dalla Xerox negli anni 70 (1976). Usa la topologia lineare ed una modalità di trasmissione di tipo broadcast. I dati sono inviati a tutti i computer come segnali elettronici che vengono accettati solo dal computer destinatario, il cui indirizzo fisico è contenuto nel segnale. Poiché un solo computer alla volta può inviare i dati segue che maggiore è il numero di computer connessi, più alto è il tempo di attesa per i singoli nodi (le prestazioni della rete diventano quindi scadenti!). Tutti i computer di una rete Ethernet sono collegati alla stessa linea di trasmissione. La comunicazione avviene mediante un protocollo detto CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detect). L acronimo CSMA/CD indica: Carrier Sense (CS): ogni stazione ascolta il bus e trasmette quando questo è libero; Multiple Access (MA): è possibile che due stazioni, trovando il mezzo trasmissivo libero, decidano di trasmettere nello stesso momento. Questo succede a causa di ritardi dovuti al tempo di propagazione del segnale sul bus.
12 Quindi può capitare che un nodo, trovando il canale libero, inizi la trasmissione anche se un altro nodo sulla rete lo sta già facendo. La trasmissione in contemporanea determina una collisione. Collision Detect (CD): per rilevare le collisioni, una stazione mentre trasmette ascolta il segnale sul mezzo trasmissivo e lo confronta con il suo. Se sono differenti allora si è verificata una collisione. Quando un nodo rileva una collisione interrompe le trasmissioni ed aspetta per un periodo di tempo aleatorio al termine del quale riprova atrasmettere. TOKEN RING (IEEE 802.5): La rete Token Ring è una rete ad anello con passaggio del testimone (token passing). All'interno di questa rete solo un calcolatore alla volta può trasmettere ovvero quello che è in possesso di un particolare messaggio detto token (gettone). Ogni calcolatore è collegato ad altri due. L insieme delle connessioni tra i calcolatori forma un anello. Quando un computer deve trasmettere attende il passaggio del token. Quando il token è disponibile il calcolatore che deve trasmettere lo modifica inserendovi: 1) il contenuto del messaggio, 2) l indirizzo del destinatario 3) l'indirizzo del mittente. Il token modificato prosegue di nodo in nodo fino a raggiungere il destinatario. Il destinatario, quando riceve il messaggio, setta un bit nella testata (header) del pacchetto per confermare l'avvenuta consegna e lo inoltra al nodo successivo. Il passaggio del token continua fino al mittente il quale, accertata l avvenuta ricezione, crea un nuovo token pulito che viene reimmesso nella rete.
14 FDDI: Nell'ambito delle reti informatiche la Fiber distributed data interface (meglio conosciuta con l'acronimo FDDI) è un particolare tipo di rete ad anello che utilizza come mezzo trasmissivo le fibre ottiche. Le fibre ottiche sono filamenti di materiali vetrosi o polimerici, realizzati in modo da poter condurre al loro interno la luce. Si tratta solitamente di una coppia di fili: uno per la trasmissione el'altroperlaricezione. FDDI utilizza un protocollo che deriva dallo standard 802.4 token bus. Nella Token Bus i calcolatori sono connessi ad un bus lineare sul quale viene definita una sequenza ciclica di stazioni (ovvero viene deciso a piacimento un ordinamento delle stazioni). In questo anello logico (come nella token ring) circola un gettone che abilita la stazione che lo possiede a trasmettere pacchetti sul canale di comunicazione comune per l intervallo di tempo prefissato. Il vantaggio del token bus, rispetto al più semplice token ring, è che esso rappresenta una valida alternativa quando risulta difficoltoso stendere fisicamente una rete ad anello. Il bus è infatti una rete "comoda" che può essere inserita facilmente in qualsiasi tipo di edificio. Lo schema logico della rete FDDI è costituito da un doppio anello in fibra ottica (che può arrivare a 200km di lunghezza) che opera ad una velocità di 100 Mbps (Megabit per secondo). Normalmente le trasmissioni avvengono su un solo anello detto primario mentre, in caso di malfunzionamenti, entra in funzione l'anello secondario. In tal modo viene garantita l'affidabilità del servizio. Il secondo anello viene talvolta utilizzato per raddoppiare la potenza trasmissiva totale della rete fino a una velocità di 200Mbps.
15 Inizialmente, quando Ethernet non superava i 10Mbps, la FDDI veniva utilizzata come mezzo trasmissivo per le backbone aziendali (ad esempio per connettere le sottoreti presenti sui vari piani di un edificio) permettendo un aumento sensibile della banda nei punti più critici della LAN. Con l avvento della FASTEthernet prima e poi della GIGAEthernet tale tecnologia è stata abbandonata in LAN ma rimane ancora presente in ambito MAN. Se una postazione diventa non operativa l anello si adatta alla nuova situazione in modo da garantire i servizi di rete a tutti gli altri nodi connessi. Gli anelli FDDI sono generalmente connessi ad albero. Solo pochi apparati (solitamente dei router) risultano connessi ad entrambe gli anelli.
APPROFONDIMENTI RETE 16
17 APPROFONDIMENTO 1: Tipologie di canale di comunicazione Le tipologie dei canali di comunicazione sono: canali di tipo Full duplex: consentono la comunicazione in entrambe le direzioni (sullo stesso canale!) anche contemporaneamente. canali di tipo Half duplex: consentono la trasmissione in entrambe le direzioni (sullo stesso canale!) ma non contemporaneamente. Un tipico esempio sono le reti ethernet 10Base5, 10Base2 o le reti basate su hub. canali di tipo Simplex: il mezzo trasmissivo consente di trasmettere i dati in una sola direzione. Nella comunicazione tra due entità una ha sempre il ruolo di trasmittente mentre l'altra quello di ricevente, come ad esempio nelle trasmissioni televisive. Per ottenere un canale full duplex (bidirezionale) è necessario utilizzare 2 canali simplex.
18 APPROFONDIMENTO 2: modalità di collegamento Le modalità di collegamento sono: Broadcast: (vedi approfondimento 3) è caratterizzata dalla presenza di un unico mezzo di trasmissione condiviso tra tutti i nodi. Per comunicare con un nodo occorre inviare un messaggio contenente l'indirizzo di destinazione. Il messaggio raggiunge tutti i nodi della rete ma attua la ricezione soltanto il nodo il cui indirizzo è uguale a quello nel messaggio. punto a punto: in questo caso esistono più linee di trasmissione e ciascuna connette una coppia di nodi. E una configurazione costosa poiché per connettere tutte le possibili coppie ottenibili con N nodi occorrono (N 1)+(N 2)+ +2+1 = N*(N 1)/2 canali dedicati! Commutate: solo alcuni nodi risultano connessi direttamente tra loro mentre altri svolgono la funzione di smistamento dei messaggi. In questo caso tra una coppia di nodi possono esistere più percorsi di connessione. In una rete commutata i dati sono immessi nella rete da un calcolatore host e instradati fino all host di destinazione passando attraverso dei router.
19 Nelle reti a commutazione distinguiamo 2 strategie di instradamento: Commutazione di circuito: in questo caso viene creato un circuito logico fra sorgente e destinazione. Tutti i dati seguono lo stesso percorso. Il primo passo è la creazione di un canale logico dedicato fra sorgente e destinazione. Il canale logico è costituito da una successione di connessioni fra nodi della rete. I dati vengono instradati lungo il canale predisposto senza alcun ritardo. La trasmissione è costituita da: 1. Fase di attivazione: viene stabilito il cammino fra sorgente e destinazione 2. Fase di trasferimento dei dati 3. Fase di chiusura della comunicazione Vantaggi e svantaggi Tecnica efficiente per comunicazioni telefoniche Non adatta per la trasmissione dati tra calcolatori: in caso di traffico elevato alcune comunicazioni possono risultare bloccate (intasamento) Richiede che sorgente e destinatario si accordino sulla velocità di trasferimento
20 Commutazione di pacchetto: il messaggio viene suddiviso in pacchetti e ogni pacchetto può seguire percorsi diversi. Quando un nodo riceve un pacchetto lo memorizza e lo accoda per poterlo trasmettere al più presto. I pacchetti vengono spediti uno alla volta sulla rete e possono seguire un percorso diverso. L ordine di arrivo può essere diverso da quello di partenza. Ogni pacchetto contiene: Dati Informazioni di controllo come la priorità, l'indirizzo del destinatario e del mittente un numero progressivo Vantaggi e svantaggi Migliore utilizzo delle risorse (distribuzione del carico) Maggiore robustezza rispetto ai guasti (fault tolerance) Trasmissione anche fra calcolatori con velocità differenti In caso di traffico elevato alcune comunicazioni possono subire ritardi ma non vengono bloccate Gestione di comunicazioni a priorità diverse (ulteriore informazione che va nel pacchetto) Necessità di riordino dei pacchetti da parte del destinatario
21 APPROFONDIMENTO 3: Trasmissione broadcast Questa modalità di trasmissione prevede l'invio di un messaggio a tutti i computer collegati alla rete. In generale si dice che in una rete la modalità di trasmissione è broadcast quando la rete ha queste caratteristiche: canale di trasmissione condiviso da tutti i calcolatori della rete ogni calcolatore ha associato un identificatore univoco (indirizzo di rete) Il messaggio viene inviato sulla rete a tutti calcolatori connessi ma soltanto il nodo il cui indirizzo coincide con il destinatario indicato nel messaggio lo riceve per elaborarlo. Trasmissione broadcast: una metafora Un analogia con questo tipo di comunicazione è quella di un'aula in cui docente e studenti condividono lo stesso mezzo di comunicazione (l aria). Diventa cruciale decidere chi deve parlare e quando. A tale scopo vengono stabilite una serie di regole (il protocollo) per usare questo "canale di comunicazione condiviso : Si deve dare a ciascuno l opportunità di parlare Non si deve parlare fino a quando non si è autorizzati Non si deve monopolizzare la comunicazione Si deve alzare la mano quando si deve intervenire Non si deve interrompere chi sta parlando Le reti di calcolatori hanno dei protocolli di comunicazione che regolamentano le trasmissioni broadcast.
22 APPROFONDIMENTO 4: metodi d'accesso Per evitare sovrapposizioni di segnale (interferenze o collisioni) ogni nodo utilizza un metodo di accesso che permette di ottenere il diritto a trasmettere sul canale condiviso. Esistono 2 modalità: Tecniche a contesa: l'accesso al canale è casuale. Se due o più stazioni cercano di trasmettere simultaneamente, il conflitto viene risolto secondo alcune regole di mediazione. A questa categoria appartiene il protocollo CSMA CD. Tecniche non a contesa: I nodi non si contendono l uso della rete ma devono prima ottenere il permesso di trasmissione mediante l'acquisizione del gettone (token) circolante. Appartengono a tale tipologia le reti token ring e quelle token bus (FDDI) Tecniche a contesa Possono suonare tutti ma appena uno inizia gli altri aspettano Tecniche non a contesa Suona solo chi ha i battenti La capacità di trasmissione (ampiezza di banda) di un mezzo trasmissivo indica la quantità di informazione che si può trasferire nell'unità di tempo. Viene misurata in bps (detto anche baud bit per secondo), Kbps (kilobit per secondo) o Mbps (megabit per secondo).
25 APPROFONDIMENTO 5c: Rete Ethernet BaseT 10BaseT 100BaseT 1000BaseT (Gigabit) 10000BaseT (10Gigabit): La 10Base2 è stata poi sostituita dallo standard 10BaseT che utilizza un cavo a 8 fili in rame intrecciati a coppie (twisted pair) conosciuto con le sigle UTP/STP. Tali cavi terminano con dei connettori di tipo RJ 45 che si innestano direttamente nell'interfacce di rete. La 10Base T lavora con una topologia a stella dove tutti computer risultano connessi ad un concentratore (Hub). Con la 10BaseT si è passati dalla topologia fisica lineare a quella a stella. RJ 45 2 5
28 APPROFONDIMENTO 6: Trasformazione di reti lineari e ad anello in reti a stella La topologia a stella rappresenta la configurazione più funzionale per quanto riguarda l'amministrazione di una rete. Infatti la centralità dei sui dispositivi più importanti consente di monitorare lo stato della rete da un unico punto centrale con conseguente riduzione dei costidigestione. Semplificando in figura viene mostrato come ottenere una topologia fisica a stella partendo da una rete a bus (o a circuito aperto)
29 Con un procedimento simile possiamo ottenere una topologia fisica a stella partendo da una rete ad anello (o a circuito chiuso)
APPROFONDIMENTO 7: Cablaggi e Rack 30
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