Università degli Studi di Roma Tor Vergata Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria Gestionale Metodi e Modelli per l Organizzazione e la Gestione Prof.ssa Sara Nicoloso Concetti di base di Reti di calcolatori A.A. 2005-2006
LE RETI DI CALCOLATORI: INTRODUZIONE Gli ultimi tre secoli sono stati contraddistinti ciascuno da una diversa tecnologia che ha avuto profonde influenze sulla vita dell'uomo: 18º secolo sistemi meccanici, rivoluzione industriale; 19º secolo motori a vapore; 20º secolo tecnologie dell'informazione (raccolta e memorizzazione, elaborazione, distribuzione). Nel nostro secolo si sono via via sviluppati e diffusi: il sistema telefonico, a livello mondiale; la radio e la televisione; i computer; i satelliti per telecomunicazioni. Le tecnologie citate si sono caratterizzate per un fenomeno di rapida convergenza: ad esempio, la combinazione di elaboratori e sistemi di telecomunicazione ha avuto una profonda influenza sulla realizzazione dei sistemi di calcolo. In particolare, si è assistito al seguente cambiamento: dal tradizionale modello mainframe - terminali, nel quale la potenza di calcolo è concentrata in un unico grande elaboratore a cui si accede per mezzo di un certo numero di terminali, si è passati a quello attuale in cui vi è un grande numero di elaboratori autonomi interconnessi. In quest ultimo caso si tratta di elaboratori che devono essere in grado di scambiare informazioni, sfruttando un opportuno mezzo fisico, e tra i quali non deve esistere una relazione di tipo master/slave, ovvero non deve esistere un rapporto di dipendenza tra i due sistemi. Un sistema di calcolo così definito, allora, prende il nome di rete di elaboratori o computer network. È importante sottolineare, però, che rete di elaboratori non è sinonimo di sistema distribuito. 2
Infatti, in un sistema distribuito l'esistenza di più elaboratori è invisibile all'utente, che ha l'impressione di avere a che fare con un unico sistema di calcolo; in una rete di elaboratori, invece, l'utente è conscio dell'esistenza di molteplici elaboratori, che devono essere esplicitamente riferiti. In altri termini, è possibile affermare che: Rete di Elaboratori + Sistema software di gestione = Sistema distribuito dove il sistema software di gestione altro non è che un particolare tipo di sistema operativo. I possibili utilizzi delle reti di calcolatori sono molteplici sia per quanto riguarda le organizzazioni che per i singoli individui Per le organizzazioni gli ambiti di utilizzo ed i risultati conseguibili sono i seguenti: condivisione risorse: si possono rendere disponibili a chiunque programmi e informazioni anche distanti migliaia di km; affidabilità: si ottiene mettendo in rete sorgenti alternative delle risorse (ad es. duplicando le applicazioni e i dati su più computer). Si tratta di un aspetto importante in quei sistemi che devono funzionare a tutti i costi (traffico aereo, centrali nucleari, sistemi militari, ecc.); diminuzione dei costi: una rete di personal computer costa molto meno di un mainframe. A volte alcuni elaboratori sono più potenti ed offrono agli altri dei servizi (modello client-server, vedi prossima figura); Elab. cliente Proc. cliente Elab. server Proc. server Richiesta Rete Risposta Fig. 1: Il modello client-server 3
OSS. L idea redditizia sarebbe quella di realizzare dei modelli in cui sono presenti pochi server e molti client scalabilità: si possono aumentare le prestazioni del sistema aumentando il numero di elaboratori (entro certi limiti); comunicazione fra persone: è possibile inviarsi messaggi, scambiarsi file, ecc. Per quanto attiene i singoli individui, invece, i possibili utilizzi (di solito da casa propria tramite "fornitori di accesso") sono i seguenti: accesso ad informazioni remote, ad es.: accesso a servizi bancari; acquisti da casa; navigazione sul World Wide Web; comunicazioni fra persone: posta elettronica; videoconferenza; gruppi di discussione; divertimento: video on demand (selezione e ricezione via rete di un qualunque spettacolo tratto da un catalogo); giochi interattivi. 4
LA CLASSIFICAZIONE DELLE RETI Per determinare le caratteristiche di una rete, benché non esista una tassonomia accettata universalmente, possono essere considerati due parametri fondamentali: ÿ la tecnologia trasmissiva; ÿ la scala dimensionale. La Tecnologia Trasmissiva In funzione di questo parametro sono classificabili due tipologie di reti: reti broadcast; reti punto a punto. Le RETI BROADCAST prevedono la presenza di un unico "canale" di comunicazione condiviso da tutti gli elaboratori. Brevi messaggi (spesso chiamati pacchetti) inviati da un elaboratore vengono ricevuti da tutti gli altri elaboratori connessi alla rete: un indirizzo all'interno del pacchetto specifica il destinatario. Elaboratori Rete Fig. 2: Una rete broadcast Esistono tre modalità di utilizzo della stessa tecnologia 1. UNICASTING: quando un elaboratore riceve un pacchetto, viene esaminato l'indirizzo di destinazione: qualora esso coincida col proprio indirizzo, il pacchetto viene elaborato, altrimenti viene ignorato. 5
2. BROADCASTING: un indirizzo segnala a tutti gli utenti che il messaggio è indirizzato a loro; in tal caso tutti prendono in considerazione il pacchetto. 3. MULTICASTING: il pacchetto è inviato ad un sottoinsieme di elaboratori; in tale ipotesi solo gli elaboratori appartenenti al sottoinsieme prenderanno in considerazione il pacchetto, mentre gli altri lo ignoreranno. A tal proposito, un bit dell'indirizzo indica che si tratta di una trasmissione in multicasting, mentre i rimanenti (n-1) bit rappresentano l'indirizzo del gruppo destinatario. Il principale problema connesso alla tecnologia BROADCAST è rappresentato dal fatto che esiste un unico mezzo trasmissivo: ad esempio, due entità potrebbero decidere di trasmettere allo stesso istante facendo sì che i messaggi si disturbino a vicenda; allo stesso modo un entità potrebbe decidere di iniziare a trasmettere quando un altra ha già impegnato il canale di trasmissione. Il problema, allora, può essere gestito disciplinando l acceso al canale. A tal proposito si può distinguere tra MODALITÀ STATICA: si stabilisce a priori una strategia, una regola indipendentemente dalla necessità delle macchine di trasmettere. Un esempio è costituito dalla tecnica di Round Robin: l idea è quella di dividere l intervallo di tempo in slot assegnati in ciascuna entità, la quale potrà trasmettere in quel dato lasso di tempo. Il principale svantaggio di tale tecnica è rappresentato dallo spreco di quei slot time assegnati alle entità che non effettuano la trasmissione. MODALITÀ DINAMICA: si tratta di strategie che possono essere modificate nel tempo. L allocazione può essere di due tipi CENTRALIZZATA: esiste un entità, bus arbitration unit, che determina quale sarà l accesso al canale (cioè chi trasmette e quando); DISTRIBUITA: ogni elaboratore decide autonomamente quando trasmettere (il problema in questo caso diviene quello di gestire il verificarsi di possibili collisioni). 6
Le RETI PUNTO A PUNTO sono costituite, invece, da un insieme di connessioni fra coppie di elaboratori: Pacchetto Elaboratore Connessione Fig. 3: Una rete punto a punto Un pacchetto, per arrivare da sorgente a destinazione, può dover attraversare uno o più elaboratori intermedi: esistendo, allora, più cammini alternativi, gli algoritmi di instradamento (routing) assumono un ruolo molto importante. OSS. In generale: le reti geograficamente localizzate tendono ad essere broadcast; le reti geograficamente molto estese tendono ad essere punto a punto. Esistono, però alcune eccezioni: rete geografica realizzata via satellite (e quindi broadcast); rete locale basata su ATM (e quindi punto a punto). 7
La Scala Dimensionale Secondo questo criterio alternativo di classificazione si distingue fra RETI LOCALI, RETI METROPOLITANE e RETI GEOGRAFICHE: DISTANZA FRA PROCESSORI AMBITO TIPO DI RETE 10 m. Stanza Rete locale 100 m. Edificio Rete locale 1 km. Campus Rete locale 10 km. Città Rete metropolitana 100 km. Nazione Rete geografica 1.000 km. Continente Rete geografica 10.000 km. Pianeta Internet (Rete geografica) OSS. La distanza è un fattore importante, in quanto si usano differenti tecniche in rapporto alle diverse scale dimensionali. Le RETI LOCALI (LOCAL AREA NETWORK, LAN), in genere: sono reti private (in quanto, proprietà di una organizzazione); hanno un'estensione che può arrivare fino a qualche km; si sviluppano nell'ambito di un singolo edificio o di un campus (non possono, infatti, attraversare il suolo pubblico); sono usate soprattutto per connettere PC o workstation. Tali reti si distinguono dalle altre per tre caratteristiche: dimensione: non può superare un certo limite, di conseguenza è noto a priori il tempo di trasmissione nel peggiore dei casi. Ciò consente di 8
utilizzare delle tecniche particolari per la gestione del canale di comunicazione; tecnologia trasmissiva: le LAN sono in generale reti broadcast. Le velocità di trasmissione variano da 10 a 100 Mbps (megabit al secondo, cioè milioni di bit al secondo), con basso ritardo di propagazione del segnale da un capo all'altro del canale (qualche decina di microsecondi) e basso tasso di errore; topologia: le più diffuse sono il BUS ed il RING; Ring Bus Fig. 4: Topologie bus e ring Per quanto riguarda la prima, in ogni istante solo un elaboratore può trasmettere, mentre gli altri devono astenersi. Si rende necessaria, dunque, la presenza di un meccanismo di arbitraggio (centralizzato o distribuito) allo scopo di risolvere i possibili conflitti dovuti al tentativo da parte di due o più elaboratori di trasmettere contemporaneamente. Un esempio può essere lo standard IEEE 802.3 (chiamato impropriamente Ethernet), definito per una rete broadcast, basata su un bus, con arbitraggio distribuito, operante a 10 oppure 100 Mbps. Gli elaboratori trasmettono quando vogliono: se c'è una collisione aspettano un tempo casuale per poi riprovare. Per quanto concerne la seconda topologia, in un ring ogni bit percorre l'anello in un tempo tipicamente inferiore a quello di trasmissione di un pacchetto. Anche in questo caso, è necessario un meccanismo di arbitraggio spesso basato sul possesso di un gettone o token che abilita alla trasmissione (il gettone passa via via di mano in mano, e comunque 9
una entità non è obbligata a trasmettere!). Un esempio è lo standard IEEE 802.5 (derivante dalla rete IBM Token Ring): è una rete broadcast basata su ring, con arbitraggio distribuito, operante a 4 o 16 Mbps. Le RETI METROPOLITANE (Metropolitan Area Network, MAN) hanno un'estensione tipicamente urbana e sono generalmente pubbliche (ad es. un'azienda rende disponibile la rete a chiunque sia interessato, previa il pagamento di una opportuna tariffa). Fino a qualche anno fa tali reti erano basate essenzialmente sulle tecnologie di quelle geografiche, utilizzate su scala urbana. Recentemente, però, è stato definito un apposito standard, lo IEEE 802.6 o DQDB (Distributed Queue Dual Bus), effettivamente utilizzato in varie realizzazioni e più vicino alla tecnologia LAN che WAN. Esiste un mezzo trasmissivo di tipo broadcast (due bus in 802.6) a cui tutti i computer sono attaccati: Elaboratore Head end Flusso OSS. La tecnologia trasmissiva prevede basso tasso di errore e ritardo di propagazione Head end Flusso Fig. 5: Distributed Queue Dual Bus Ogni bus (si tratta di un cavo coassiale o di fibra ottica) è unidirezionale, ed ha una head-end che cadenza l'attività di trasmissione. Le RETI GEOGRAFICHE (WIDE AREA NETWORK, WAN) si estendono a livello di una nazione, di un continente o dell'intero pianeta. Per quanto riguarda la tecnologia trasmissiva si tratta di reti punto a punto con tasso di errore 10
e ritardo di propagazione in generale non prevedibili. Le componenti che costituiscono una WAN sono tipicamente: un insieme di elaboratori (host oppure end system) sui quali girano i programmi utilizzati dagli utenti; una comunication subnet (o subnet), che connette gli end system fra loro. La sua funzione è quella di trasportare messaggi da un end system all'altro, così come il sistema telefonico trasporta le parole tra chi parla a chi ascolta. In genere la subnet consiste, a sua volta, di due componenti: linee di trasmissione (dette anche circuiti, canali, trunk): elementi di commutazione (switching element): sono elaboratori specializzati utilizzati per connettere fra loro due o più linee di trasmissione. L'elemento di commutazione deve scegliere una linea in uscita sul quale instradare i dati che arrivano in ingresso. I termini utilizzati per identificare questi elaboratori sono i seguenti: sistemi intermedi; nodi di commutazione pacchetti; router. Una tipica WAN è utilizzata per connettere più LAN fra loro: WAN Router Subnet Host LAN Linea di trasmiss. Fig. 6: Struttura tipica di una WAN 11
Vediamo ora come possono essere realizzate le sottoreti!. Una prima possibilità è costituita dalla rete a commutazione di circuito CIRCUIT SWITCHED NETWORKS : in questo caso viene stabilita una connessione fisica dedicata tra sorgente e destinazione, per cui tutti i messaggi viaggiano lungo il cammino prefissato. Il principale vantaggio di tale soluzione risiede nella qualità costante del servizio, mentre gli svantaggi sono riconducibili alla scarsa utilizzazione della banda ed al connection setup, cioè il tempo necessario per stabilire la trasmissione (un esempio è rappresentato dalla linea telefonica). L altra eventualità è rappresentata dalle reti a commutazione di pacchetto PACKET SWITCHED NETWORKS: in questo caso non si stabilisce più una connessione fisica tra sorgente e destinazione; i dati vengono spezzati in pacchetti che saranno inviati indipendentemente gli uni dagli altri. I pacchetti possono seguire strade diverse, ed inoltre l ordine in partenza, alla sorgente, può essere diverso da quello a destinazione. In generale, una WAN contiene numerose linee (spesso telefoniche) che congiungono coppie di router. Ciascuno di essi, in generale, deve: 1) ricevere un pacchetto da una linea in ingresso; 2) memorizzarlo per intero in un buffer interno; 3) instradare il pacchetto sulla linea in uscita appena questa risulta libera. Una subnet basata su questo principio si chiama: punto a punto; store and forward. Le topologie di interconnessione fra i router sono, poi, molteplici: a stella (ridondanza zero); ad anello (ridondanza zero); ad albero (ridondanza zero); magliata (ridondanza media); completamente connessa (ridondanza massima). 12
Stella Anello Albero Magliatura Compl. connessa Fig. 7: Topologie di interconnessione Un'altra possibilità è una WAN basata su satellite oppure radio al suolo. SATELLITE Ogni router sente l'output del satellite e si fa sentire dal satellite. Pertanto, in generale si ha: broadcast downlink (cioè dal satellite a terra); broadcast uplink (cioé da terra al satellite) se i router possono "sentire" quelli vicini, point to point altrimenti. RADIO AL SUOLO Ogni router sente l'output dei propri vicini entro una certa distanza massima (anche qui siamo in presenza di una rete broadcast). 13
Satellite Uplink beam Downlink beam Router + antenna Router + antenna Fig. 8: Interconnessione di router via satellite Area di copertura del segnale Router + antenna Router + antenna Router + antenna Fig. 9: Interconnessione di router via radio al suolo Una WAN, infine, può essere anche realizzata anche in modo misto: in parte cablata ed in parte basata su radio o satellite. Una INTERNETWORK (INTERCONNESSIONE DI RETI) viene realizzata quando reti diverse (sia LAN che MAN o WAN) sono collegate fra loro. In base a quanto detto, la situazione sembrerebbe apparentemente uguale a quella descritta con la definizione di WAN vista precedentemente 14
(infatti, se al posto di subnet si scrive WAN, si ottiene una Internetwork costituita da una WAN e quattro LAN). Alcuni problemi, però, possono insorgere nell ipotesi in cui si cerchi di connettere fra di loro reti progettualmente diverse tra loro e spesso incompatibili: in tal caso si deve ricorrere a speciali attrezzature, dette gateway o router multiprotocollo, che oltre ad instradare i pacchetti da una rete all'altra, effettuano le operazioni necessarie per rendere possibili tali trasferimenti. WAN 1 WAN 1 Router multiprotocollo (gateway) Fig. 10: Interconnessione di reti In generale, si utilizza il termine: INTERNET come sinonimo di Internetwork, cioé la interconnessione di più reti generiche; INTERNET (con la I maiuscola) per riferirci alla specifica Internetwork, basata sul protocollo TCP/IP. OSS. Allo scopo, infine, di evitare possibili confusioni è bene precisare che: il termine sottorete (subnet) nel contesto di una WAN indica l'insieme dei router e delle linee di trasmissione; la rete (network), non è altro che una subnet più tutti gli host collegati; 15
il termine internetwork indica una collezione di più network, anche non omogenee, collegate per mezzo di gateway. Host Host Gateway Subnet Subnet Network Network Internetwork Fig. 11: Relazioni fra subnet, network e internetwork 16