Le Reti

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Le Reti

Combinazione di hardware, software e cablaggio che, assieme, permettono a più dispositivi di elaborazione di comunicare tra loro (W. Odom).

I computer che si scambiano informazioni costituiscono un sistema di telecomunicazioni (TLC) che è costituito da un insieme di nodi (elaboratori di dati) e di collegamenti (canali di interconnesione tra i nodi) che consentono a una o più entità sorgenti di inviare dati (informazioni) a una o più entità destinazioni.

Architettura a strati

Le attività sono organizzate secondo criteri gerarchici.

Definizione di gerarchia: gli strati sono gerarchicamente in ordine crescente se lo svolgimento delle funzioni di B richiede preventivamente lo svolgimento delle funzioni di A e l'insieme di A e B è il presupposto per la realizzazione dei compiti dello strato C.

TCP/IP

Per maggiori dettagli sul TCP/IP clicca il link.

ISO-OSI

Il modello di riferimento OSI (Open System Interconnection reference model) è stato proposto dall'ISO (International Standards Organization) prevede un'architettura composta da sette livelli o strati divisi tra loro logicamente in due gruppi:

• livelli inferiori: si occupano della comunicazione e del trasferimento dell'informazione tra i due sistemi;
• livelli superiori: sono orientati all'applicazione.

Un dispositivo può essere terminale o intermedio:

• un sistema terminale (end system) è origine o destinazione finale delle informazioni;
• un sistema intermedio (relay system) provvede ad assicurare il collegamento fisico o logico tra due o più sistemi terminali.

Se si prende per esempio uno schema di trasmissione tra due PC (DTE, Data Terminal Equipment) sul mezzo trasmissivo sono presenti dei nodi.

(Lo schema va letto dal basso verso l'alto)

Livello fisico

Nel livello fisico (physical layer) vengono definite:

• le caratteristiche meccaniche: l'interfaccia tra il DTE e il DCE (Data Communication Equipment, dispositivo di interfacciamento) con cui si può realizzare l'interconnessione tra un sistema di calcolo e un canale;
• le caratteristiche elettriche dei segnali: le forme d'onda utilizzate per trasmettere i simboli, la durata temporale di ciascun simbolo;
• le regole per l'attivazione e la disattivazione del collegamento fisico tra due punti;
• le caratteristiche dei cavi e dei connettori;
• le operazioni di multiplazione e modulazione dei segnali.

Livello di collegamento

Le principali funzioni svolte sono:

• suddividere i bit forniti dal livello fisico in frame;
• individuare la presenza di errori nei frame e gestire i meccanismi per correggerli;
• definire l'accesso multiplo da parte di diversi utenti allo stesso canale di comunicazione;
• regolare la trasmissione tra dispositivi che lavorano a velocità diverse;
• fornire servizi al livello superiore (livello di rete).

Livello di rete

Le principali funzioni svolte sono:

• multiplazione di due o più flussi di dati sullo stesso circuito fisico;
• instradamento (routing) dei dati dalla stazione di partenza a quella di arrivo;
• controllo della congestione della rete;
• interconnessione di reti (internetworking);
• fornire servizi al livello superiore (di trasporto).

Livello di trasporto

Le principali funzioni svolte sono:

• segmentazione e assemblaggio dei dati;
• controllo end-to-end dei dati per prevenire errori e malfunzionamenti e fornire perciò un servizio affidabile al livello di sessione;
• definizione della qualità del servizio;
• offrire servizi al livello superiore (di sessione).

Livello di sessione

Le principali funzioni svolte sono:

• suddividere il dialogo tra le applicazioni in unità logiche (sessioni);
• gestire la chiusura ordinata (soft) del dialogo;
• introdurre i cosiddetti punti di sincronizzazione;
• offrire servizi al livello superiore (di presentazione).

Livello di presentazione

Le principali funzioni svolte sono:

• rappresentazione dei dati;
• compressione dei dati;
• cifratura dei dati;
• offrire servizi al livello superiore (applicativo).

Livello applicativo

Le principali funzioni svolte sono:

• trasferimento, accesso e gestione dei file;
• posta elettronica;
• terminale virtuale;
• gestione di messaggi;
• scambio risultati tra programmi (applicazioni client-server).

Trasmissione delle informazioni

Avviene per mezzo di un trasmettitore, un ricevitore e un canale di comunicazione. Le informazioni che vengono trasmesse attraverso una rete sono denominate "traffico".

La trasmissione comprende diverse modalità di comunicazione e di utilizzo del canale.

Modi di trasferimento

Con modi di trasferimento si intendono le modalità (strategie) adottate dalla rete per permettere lo scambio di dati tra due applicazioni.

Commutazione

La commutazione definisce la strategia secondo la quale i dati provenienti da ciascun specifico canale di ingresso al nodo sono trasferiti a uno specifico canale di uscita del nodo. Si definisce nodo di commutazione un qualsiasi nodo di rete che realizzi l'operazione di commutazione.

Viene realizzata in due momenti:

• inoltro: le operazioni che vengono effettuate sul dato in ingresso per decidere su quale canale di uscita deve essere inoltrato;
• attraversamento: è la funzione che "fisicamente" trasferisce il dato dal canale di ingresso allo specifico canale di uscita.

Commutazione di pacchetto

La commutazione di pacchetto (packet switching) è un'evoluzione della commutazione di messaggio dove ogni messaggio viene suddiviso in pacchetti numerati progressivamente e questo numero di sequenza viene aggiunto all'intestazione.

A canali virtuali

I pacchetti ottenuti da un messaggio seguono tutti lo stesso percorso, che viene stabilito prima della connessione: quindi vengono ricevuti con lo stesso ordine con cui sono stati inviati (es. ITAPAC, TRANSPAC, TELENET, TYMNET).

Datagram

I pacchetti ottenuti da un messaggio possono seguire percorsi diversi, dato che ogni singolo pacchetto è instradato indipendentemente dagli altri e può quindi arrivare al ricevitore in ordine diverso rispetto a quello con cui è stato spedito: sarà il ricevitore a ristabilire il messaggio ordinando i pacchetti una volta che li ha acquisiti tutti (Es. ARPANET, DATAPAC...).

Commutazione di messaggio

Nella commutazione di messaggio (message switching) tra trasmettitore e ricevitore viene stabilita una connessione logica e non fisica in quanto il collegamento fisico può variare a seconda dello stato della rete.

La comunicazione viene spezzata in componenti elementari autonomi (messaggi) che vengono instradati volta per volta dai nodi di commutazione: un particolare circuito dura solo il tempo necessario per la trasmissione del singolo messaggio.

Il messaggio è composto da due parti:

• un'intestazione (header): ha una lunghezza fissa e contiene gli indirizzi della stazione trasmittente e ricevente e le informazioni necessarie per trasmettere il messaggio;
• un campo informativo (payload): ha una lunghezza variabile e contiene i dati da trasferire.

Commutazione di circuito

La commutazione di circuito (circuit switching) consiste nel creare un percorso tra il nodo chiamante e il nodo chiamato prima di iniziare la comunicazione per poi mantenerlo per tutta la durata della comunicazione.

Una rete che utilizza il modo di trasferimento a circuito mette a disposizione di ciascuna coppia di applicazioni comunicanti un circuito fisico che rimane a esse dedicato per tutta la durata della comunicazione.

Accesso al canale

Le tecniche di accesso descrivono le modalità con le quali i nodi terminali utilizzano il mezzo trasmissivo al fine di realizzare una corretta trasmissione delle informazioni e una gestione ottimale del traffico all'interno di una rete locale: l'obiettivo è quello di smaltire velocemente il traffico dati.

Accesso multiplo

Sono le sorgenti che generano il flusso multiplato accedendo direttamente alla rete; questa tecnica richiede l'utilizzo di particolari protocolli per assegnare la banda a disposizione a tutti i richiedenti, cercando di minimizzare le attese delle sorgenti e di ottimizzare l'utilizzo della banda disponibile.

CDMA

A ogni terminale viene associato un opportuno codice (chiamato chip) che identifica l'utente. Con esso vengono codificati e decodificati messaggi che le stazioni continuano a inviare in sovrapposizione e interferenza.

Ad accesso casuale o contesa

Non c'è nessuna gestione centralizzata o suddivisione preventiva del canale. Inevitabilmente se due stazioni trasmettono contemporaneamente avvengono delle sovrapposizioni di segnale che prendono il nome di collisioni: entrambe si sospendono, attendono un intervallo di tempo casuale e successivamente riprovano a trasmettere "sperando" di trovare libero il canale.

CSMA/CD

Il CSMA, o accesso multiplo con ascolto della portante, richiede a ogni stazione di ascoltare il canale prima di iniziare una trasmissione per verificare se è libero.

Aloha puro e slotted

Il meccanismo alla base è quello di trasmissione con attesa di conferma di ricezione da parte del ricevente. Se la trasmissione si sovrappone ad un altra avviene la collisione. In questo caso il destinatario non riceverà il messaggio e non potrà inviare nessuna conferma di ricezione.

Nell'Aloha slotted si introduce una suddivisione del tempo (time slot). Una stazione inizia a trasmettere all'inizio del tempo di slot e quindi la collisione avviene solo se provano a trasmettere nello stesso slot.

Deterministico senza contesa

Evitano la possibilità che due utenti accedano al canale contemporaneamente (collisione) programmando l'accesso di ogni utente.

Token passing

Le stazioni compongono un circolo. Per poter comunicare, una stazione deve essere in possesso di un gettone (o token), consistente in un apposito pacchetto che gli viene consegnato dalla stazione che la precede. Quando la stazione che ha il token vuole trasmettere, immetterà sul canale comune un pacchetto che indicherà l'indirizzo della stazione destinataria. Quando ha terminato di trasmettere tutti i dati cede il token al suo vicino.

FDMA

FDMA (Frequency Division Multiple Access) è un protocollo si accesso multiplo di tipo deterministico a divisione di frequenza. Gli utenti utilizzano frequenze diverse per trasmettere.

TDMA

TDMA (Time Division Multiple Access) è un protocollo di accesso multiplo di tipo deterministico a divisione di tempo. Gli utenti trasmettono in intervalli di tempo diversi.

Accesso centralizzato

Esiste un multiplatore che prima acquisisce (e memorizza) tutte le richieste e successivamente assegna alle sorgenti, in modo dinamico o statico, la banda richiesta del canale trasmissivo attraverso un'opportuna politica di scheduling.

Multiplazione

La multiplazione (multiplexing) è l'implementazione del concetto di condivisione di risorse trasmissive (il mezzo utilizzato per la trasmissione).

Dinamica

La suddivisione del canale avviene in base alle richieste in canali logici che vengono assegnati temporaneamente a una coppia di host che li rilasciano non appena hanno terminato di comunicare.

Preassegnazione

La risorsa viene assegnata all'inizio dell'attività, su richiesta, e viene riservata per tutta la durata dell'attività stessa (ad es. una comunicazione telefonica).

Assegnazione a domanda

Durante il periodo di non utilizzo il canale viene rilasciato per altre attività e viene riassegnato a seguito di una successiva richiesta. In questo caso si ha un frazionamento in sottoparti del messaggio, in "unità informative autonome" che volta per volta si contendono il canale.

Statica

La suddivisione del canale avviene in parti fisse, in tanti canali fisici quanti sono noti a priori, come per esempio nelle trasmissioni via satellite o televisive.

Protocolli di comunicazione

Un protocollo è un insieme di regole e di azioni che due applicazioni che vogliono comunicare devono applicare e seguire per scambiarsi i dati.

All'interno del protocollo devono essere specificati:

• la tipologia dei messaggi che le applicazioni devono scambiarsi;
• le azioni che esse devono intraprendere per inviare e ricevere correttamente i messaggi.

Modalità di utilizzo del canale

La trasmissione per mezzo di canali di comunicazione può essere classificata in:

• simplex: la trasmissione può avvenire solo in un senso (ad es. le trasmissioni televisive). Tranne in casi particolari, non è possibile che un apparecchio ricevitore invii messaggi al trasmettitore;
• half-duplex: la trasmissione può avvenire in entrambi i sensi, ma in tempi diversi (ad es. il "walkie-talkie"). Il canale di comunicazione è unico e viene utilizzato in modo alternato tra le due stazioni che si scambiano anch'esse la modalità di funzionamento, passando da trasmettitore a ricevitore;
• full-duplex: la trasmissione può avvenire nei due sensi contemporaneamente (ad es. la trasmissione telefonica). Viene realizzata mediante due canali di trasmissione, uno per ogni senso.

Modalità di comunicazione

Si suddividono in due grandi classi:

• modalità a connessione (connection-oriented): prima dell'inizio della trasmissione delle informazioni, si deve stabilire una connessione tra il mittente e il destinatario, che viene "rilasciata" al termine delle comunicazioni;
• modalità senza connessione (connectionless): il mittente trasmette le informazioni in modo autonomo, senza che avvenga un preventivo accordo con il destinatario.

Aspetti hardware

Scala dimensionale

Reti Wireless

• PAN (Personal Area Network): sono composte da collegamenti a portata ridotta, ad es. il Bluetooth;
• WLAN (Wireless LAN): la più diffusa è quella nota con il nome di Wi-Fi (Wireless Fidelity).

I sistemi wireless utilizzano per comunicare onde radio a bassa potenza in radiofrequenza (RF). Lo strumento che consente l'accesso alla rete tramite linea wireless prende il nome di access point (AP).

GAN

Per GAN (Global Area Network) si intendono reti che collegano computer dislocati in tutti i continenti. Internet è un tipico esempio di GAN.

WAN

In una WAN (Wide Area Network) l'area geografica può comprendere diverse città, fino a interessare l'intero territorio nazionale o addirittura gli Stati con esso confinanti.

Insieme di connessioni

Un insieme di connessioni (subnet) collega tra loro gli host e permette il trasferimento delle informazioni da un host sorgente a un host ricevente attraverso altri host o dispositivi che trasmettono i dati fino a che non sono giunti a destinazione. Questo meccanismo prende anche il nome di communication subnet.

Dispositivi di commutazione

Sono i componenti che permettono al messaggio di spostarsi attraverso subnet diverse, cioè il dispositivo che riceve il segnale, lo analizza, e decide su quale altra subnet deve trasmetterlo affinchè possa giungere a destinazione. Questi dispositivi sono i repeater, i bridge e i router.

Linea di trasmissione

E' il canale di comunicazione, che può essere costituito dal filo di rame, da fibra ottica oppure dall'etere.

Insieme di host

Insieme di host sui quali vengono eseguiti i programmi degli utenti (end system).

MAN

In una MAN (Metropolitan Area Network) i computer si trovano all' interno di un'area urbana di grandi dimensioni oppure sono dislocati in più comuni limitrofi. Un esempio sono i computer interconnessi tra loro e collegati ad un server centrale, dislocati all'interno del territorio comunale, e i PC delle segreterie delle facoltà universitarie dislocate in una determinata area metropolitana.

LAN

LAN sta per Local Area Network e si tratta di un insieme di computer collegati tra loro e ubicati fisicamente nello stesso luogo, per esempio all'interno di un'area aziendale, di un'abitazione privata o semplicemente di un edificio.

Topologia

E' la "forma geometrica" con la quale i calcolatori sono tra loro connessi, cioè "la disposizione geometrica dei nodi".

Ad albero

Tra due nodi qualsiasi esiste un unico percorso fisico, quindi se un canale si satura o si guasta la rete non è più in grado di funzionare. I vantaggi derivano dalla semplicità della topologia e della commutazione. Il ridotto numero di canali implica bassi costi.

A maglia

Ogni nodo è collegato con tutti gli altri. Non esistono problemi di commutazione, in quanto l'individuazione del canale che collega due interlocutori qualsiasi si risolve andando a scegliere il proprio "cavo" che collega direttamente i due utenti.

A bus

I computer sono connessi a un unico canale comune, condiviso da tutte le comunicazioni. I messaggi vengono inviati sul canale e tutti i nodi possono valutarli ma solo il destinatario acquisisce il messaggio. Solo un nodo alla volta può trasmettere sul canale.

Ad anello

Ogni nodo è collegato con altri nodi per formare una struttura circolare. Ogni informazione da trasferire deve percorrere l'anello fino al destinatario. Il guasto di un nodo quindi causa la "caduta" dell' intera rete anche se si può ponticellare l'ingresso e l'uscita di un nodo per escluderlo.

A stella

Il numero dei canali è uguale al numero di nodi meno uno (c=n-1). In questo tipo di rete la fault tolerance, ovvero la capacità di sopperire automaticamente a una situazione di errore, è inesistente: nel caso in cui il canale si guasti, la funzionalità della rete viene compromessa. Al centro della rete si trova il dispositivo concentratore hub o switch.

La trasmissione nella LAN avviene generalmente in broadcast, tranne particolari casi di reti dedicate a speciali applicazioni. La velocità tipica di trasmissione è da 10 a 100 Mbps, anche se oggi si vanno diffondendo le Giganet, reti con velocità di trasmissione dell'ordine dei 1000 Mbps.

Dimensione

Esistono dei limiti dimensionali massimi dipendenti dalla natura dei mezzi trasmissivi utilizzati e dalle modalità di connessione dei dispositivi utilizzati.

Tecnologia trasmissiva

Reti punto a punto

Gli host (i computer) sono connessi tra loro a coppie, mediante un insieme di canali di trasmissione. Il messaggio viene inviato dal mittente all'host al quale è direttamente connesso che ritrasmette il messaggio alla ricerca del destinatario secondo percorsi scelti da appositi algoritmi di instradamento (routing).

Reti broadcast

Gli host sono direttamente connessi al canale di comunicazione, condiviso da tutti. Colui che deve trasmettere un messaggio, che di solito consiste in un breve pacchetto di dati, inserisce l'indirizzo del destinatario e lo spedisce a tutti; solo il destinatario lo leggerà mentre verrà ignorato dagli altri host. Nel caso di più destinatari si parla di multicast (ad es. le trasmissioni radio, televisive, ecc.).