IDUL 2010

RETI E PROTOCOLLI. INTERNET.

IDEE PRINCIPALI IN QUESTA LEZIONE

Reti: Aspetto ‘logico’ della rete e tipologie: peer-to-peer, a hub, a

bus Trasmissione dei dati: commutazione di pacchetto (Packet-

switching) Protocolli

Internet e TCP/IP Application level:

Client / server Email Web

EVOLUZIONE DEI SISTEMI INFORMATICI

Il modello centralizzato

Negli anni settanta, prevalse il modello time-sharing multi-utente (il modello centralizzato) che prevede il collegamento di molti utenti ad un unico elaboratore potente attraverso terminali Terminale: un dispositivo hardware, usato solo per inserire

dati e ricevere dati per la visualizzazione (per esempio, con tastiera, schermo, mouse, ma senza capacità di elaborazione)

Il modello distribuito

Se gli elaboratori sono collegati tra di loro, possono condividere le risorse

Ogni utente ha a disposizione una macchina (per esempio, un personal computer, come nel laboratorio) su cui lavorare, ma può anche condividere le informazioni e le risorse con gli altri utenti

L’informatica distribuita offre molteplici vantaggi rispetto al modello centralizzato

Il modello distribuito: (s)vantaggi rispetto al modello centralizzato

Flessibilità: In un sistema centralizzato, in caso di guasto

all’elaboratore centrale nessuno può lavorare Nel caso distribuito invece, la rottura di una macchina

blocca un solo utente mentre gli altri possono continuare a lavorare

Di contro: Macchine separate richiedono installazioni separate del

software e dell’hardware, riparazioni individuali, protezione individuale dai virus, ecc.

In un sistema centralizzato il problema dei guasti può essere affrontato rendendo ridondante il server (p.es. dischi RAID)

Il modello distribuito: (s)vantaggi rispetto al modello centralizzato

Economicità: In termini di costi, la diffusione dei PC personali è stata la

spinta che ha portato alla produzione di massa e quindi al crollo del costo dell’hardware.

La rete costa poco.

Di contro: I PC sono quasi sempre sovradimensionati rispetto ai

compiti che devono eseguire. Gli utenti comprano potenza che non usano.

Il modello distribuito: (s)vantaggi rispetto al modello centralizzato

Sicurezza Mantenere i propri dati su PC assicura la massima libertà

su cosa condividere e cosa no. Se i dati sono su un server, dobbiamo fidarci del grado di

privacy promesso dai gestori del server

Di contro: I PC singoli possono essere rubati o danneggiati più

facilmente dei server. Sono anche più soggetti a virus (ma meno ad attacchi web)

COS’E’ UNA RETE

Un insieme di calcolatori AUTONOMI collegati tra di loro tramite una connessione fisica o radio, che si scambiano dati tramite protocolli di comunicazione.

IL PUNTO DI VISTA FISICO: TIPI DI RETI

Le reti possono essere classificate sulla base della loro TOPOLOGIA TECNOLOGIA DI TRASMISSIONE SCALA

TOPOLOGIA

Reti PEER to PEER Consistono di molte connessioni individuali tra coppie di

elaboratori

RETI PEER-to-PEER

Vantaggi: Semplicita’ Basso costo

Svantaggi: Utilizzabile solo per pochi nodi (tipicamente non

piu’ di 5)

Attenzione a non confondere “reti peer to peer” con “scambio dati peer-to-peer”; nel secondo caso I computer coinvolti non sono direttamente collegati

RETI A STELLA / HUB

(Tipica architettura per LAN di tipo Ethernet) I nodi sono tutti collegati a un nodo centrale detto

HUB

Hub

RETI A STELLA: VANTAGGI E SVANTAGGI

TOPOLOGIA: RETI LINEARI (A BUS)

Reti lineari (broadcast) Hanno un unico canale di comunicazione (dorsale) condiviso da

tutte le macchine della rete

I messaggi inviati da un elaboratore vengono ricevuti da tutti ma solo l’elaboratore destinatario elaborerà il messaggio, gli altri elaboratori lo ignoreranno

(Altra architettura molto usata per Ethernet)

RETI A BUS: VANTAGGI E SVANTAGGI

SCHEDE DI RETE

Necessarie su ogni computer collegato in rete

Parallele o seriali Dotate di numero MAC

(Media Access Control)univoco

Tra le periferiche più economiche

TECNOLOGIA DI CONNESSIONE

La trasmissione di dati tra calcolatori puo’ avvenire tramite MEZZI GUIDATI: linee fisiche che portano il

messaggio al ricevitore. (Esempio: doppino telefonico, fibre ottiche)

MEZZI NON GUIDATI: irradiazione di segnali nello spazio. (Satelliti, wireless)

MEZZI GUIDATI

MEZZI NON GUIDATI

CARATTERISTICHE DELLA TRASMISSIONE

Capacità del canale (larghezza di banda) misurata in Mbps (Megabit al secondo)

Grado di attenuazione del signale(ripetitori)

Interferenza(cavi schermati o meno)

Numero dei ricevitori

SCALA DELLE RETI

Reti locali: LAN (Local area networks) si possono usare connessioni specializzate dedicate solo a trasmissione di segnali digitali

Reti a lunga distanza (WAN, Wide Area Networks) si cerca di sfruttare le reti esistenti, in particolare la rete telefonica, che pero’ e’ progettata per trasmettere dati analogici. Uso crescente di connessioni in fibra ottica

Internetil risultato della connessione tramita gateway di WAN,

ottenendo una rete globale.

TRASMISSIONE DIGITALE / ANALOGICA

Nel caso di trasmissioni a breve distanza su doppini telefonici fatti per portare segnali analogici, occorre un metodo per trasformare dati in forma digitale in analogica, e viceversa.

Il MODEM (MODulatore DEModulatore) Visto che il modem (come il fax) produce suoni

udibili, non si può usare se la linea è utilizzata per una telefonata vocale.

Ormai quasi interamente ripiazzato dall' ADSL (dove possibile)

ADSL

Negli ultimi anni i modem analogici sono stati soppiantati dalla tecnologia DSL (Digital Subscriber Link), in particular A(symmetrical)DSL (download veloce, upload lento) ADSL (<8Mbps), ADSL2 (<12Mbps), ADSL2+ (<24Mbps)…

queste velocità si riferiscono al download Uso di frequenze inaudibili (>25KHz) per trasmettere i segnali in

formato digitale su doppino telefonico, senza interferire con il segnale vocale.

Uso di filtri alle prese telefoniche per separare i due segnali. Velocità effettive dipendenti dalla distanza percorsa dal segnale Non disponibile su tutte le linee (dipende da presenza di DSLAM;

tecnologie sorpassate quali MUX, UCR; distanza dalla centralina)

ADSL e Digital Divide

Vista la quantità di servizi che passano su rete digitale, la esclusione da una connessione ADSL comporta problemi crescenti.

Nonostante la presenza di centraline telefoniche adatte all’ADSL nelle città la situazione nelle aree rurali ed in quelle sotto centraline che non possono essere convertite all’ADSL rimane insoddisfacente (vedi. http://it.wikipedia.org/wiki/Copertura_ADSL )

Possibile soluzione: reti wireless (UMTS, HDSPA, Wi-Max). Problemi: troppi standard in competizione; necessità di ulteriori frequenze radio.

Digital Divide

Da cosa si resta esclusi restando esclusi dal mondo digitale?

Uso di base del computer (videoscrittura, email; lavoro) SE non si ha banda larga (ma uso del MODEM):

Nessun servizio che richiede di essere reperibili on-line (visto che la linea è commutata): ad esempio VOIP (telefonia via internet)

Difficoltà a scaricare siti web di dimensioni sempre crescenti Difficoltà a scaricare (magari in automatico) aggiornamenti

software (inclusi aggiornamenti antivirus) Difficoltà nelle ricerche su web Niente radio/TV via internet (per la TV non basta una ADSL

“lenta”)

I MECCANISMI DELLE RETI

Come avviene effettivamente la trasmissione dei dati?

TRASMISSIONE DEI DATI: COMMUTAZIONE DI PACCHETTO

Ogni messaggio diviso in pacchetti numerati di dimensione fissa

Ogni pacchetto contiene l’indirizzo del computer destinatario e del computer mittente

Ogni pacchetto e’ inviato separatamente e potenzialmente almeno può usare un percorso completamente diverso

COMMUTAZIONE DI PACCHETTO (PACKET SWITCHING)

PACKET SWITCHING

Dati

Packet

MittenteDestinatario

PACKET SWITCHING

Controllo Parte di dati

PACKET SWITCHING

PACKET SWITCHING

PACKET SWITCHING

I pacchetti non arrivano necessariamente nell’ordine giusto; il destinatario aspetta che arrivino tutti prima di ricostruire il messaggio

Ogni pacchetto occupa la connessione per un tempo molto breve. Potenzialmente, i pacchetti possono essere inviati in parallelo.

LA RETE COME STRUMENTO DI COMUNICAZIONE

L’uso fondamentale di una rete è quello di consentire la comunicazione tra i nodi

I nodi si scambiano dei dati sotto forma di messaggi codificati in forma digitale

Ogni messaggio è caratterizzato da un mittente, un destinatario, e un insieme di informazioni che costituiscono il corpo del messaggio

PROTOCOLLI

Affinché questa comunicazione possa avvenire in modo corretto si deve definire un protocollo di comunicazione Come nella vita reale si stabiliscono delle convenzioni per

il comportamento tra gli individui, nel caso della comunicazione tra gli elaboratori un protocollo definisce quell’insieme di regole che il nodo mittente e il nodo destinatario devono seguire per interagire tra loro

PROTOCOLLI

Un protocollo specifica: A che velocità vengono trasmessi i messaggi; Come verificare la correttezza del messaggio; Come segnalare che il messaggio è stato ricevuto; Dove inviare il messaggio (addressing) ed attraverso

quale percorso (routing)

STANDARD

Come nel caso della codifica dei dati, sono necessari degli STANDARD internazionali per garantire che la comunicazione avvenga senza errori e confusioni Esempio: TCP/IP

Comunicazione nelle reti – protocolli

Un protocollo “monolitico” che realizzi tutte le funzionalità necessarie per la comunicazione tra elaboratori in rete è difficile da realizzare

Inoltre, se cambia qualche componente della rete, si deve modificare l’intero protocollo

Per ridurre la complessità di progettazione la maggior parte dei protocolli è organizzata come una serie di livelli Il numero dei livelli, il loro nome, le funzionalità

differiscono da una rete ad un’altra

Comunicazione multilivello

Per ogni coppia di livelli adiacenti esiste una interfaccia

Le convenzioni usate nella conversazione sono il protocollo Si tratta di un accordo tra i partecipanti su come deve

avvenire la comunicazione

Al di sotto del livello più basso c’è il mezzo fisico che serve per il trasferimento dei dati

Comunicazione multilivello: lo standard ISO - OSI

Modello teorico di riferimento per definire le caratteristiche della comunicazione multilivello

OSI: Open Standard Interconnection

Application

Presentation

Session

Transport

Network

Data link

Physical

Comunicazione multilivello: ISO - OSI

Modello teorico di riferimento per definire le caratteristiche della comunicazione multilivello

OSI: Open Standard Interconnection

Application

Presentation

Session

Transport

Network

Data link

Physical

Servizi per utilizzo delle rete

Comunicazione end-to-end

Indirizzamento, routing tra reti

Per esempio:

Ethernet, TokenRing, 802.11

ethernet, doppino,..

Comunicazione multilivello: ISO - OSI

Application

Presentation

Session

Transport

Network

Data link

Physical

Application

Presentation

Session

Transport

Network

Data link

Physical

ETHERNET

Serie di protocolli a livello DATA LAYER e PHYSICAL LAYER sviluppati meta’ anni 70 che ha soppiantato tecnologie precedenti

Idee chiave: NODI connessi da SEGMENTI Messaggi inviati in blocchi chiamati FRAMEs Scheda internet ed indirizzi MAC x ogni nodo Ethernet REPEATER ogni certo numero di

segmenti Protocollo per OSSERVARE COLLISIONI

INTERNET

La reti delle reti: collega fra loro reti locali, metropolitane, geografiche e singoli computer di

tutto il mondo

INTERNET

Una macchina è in Internet se: utilizza il protocollo TCP/IP ha un suo indirizzo IP (Internet Protocol) ed ha la capacità di spedire pacchetti IP a

tutte le altre macchine su Internet

Come funziona Internet Un aspetto importante di Internet è la sua topologia distribuita

e decentrata

N7

N3

N4

N5 N6

N2N1

• In questo modo se un percorso è interrotto o troppo trafficato i dati possono prendere strade alternative

• Questo aspetto deriva dalla storia (militare) di internet (vedi:http://www.youtube.com/watch?v=9hIQjrMHTv4 )

LIVELLI DI PROTOCOLLI INTERNET

I DUE PROTOCOLLI DI BASE: TCP / IP

Insieme, si occupano di: Dividere il messaggio in pacchetti Instradarli Assicurarsi che arrivino (tramite meccanismi di

conferma della ricezione e segnalazione di errori)

Network layer: IP

Internet può essere vista come una collezione di sottoreti diverse (eterogenee) connesse tra loro (internetworking)

La “colla” che tiene insieme le varie sottoreti è l’Internet Protocol (IP)

Permette di trasportare i dati dalla sorgente alla destinazione, sfruttando la presenza di reti intermedie lungo il percorso

Application

Transport

Network

Link & Physical

Network layer: IP

Ogni computer collegato ad Internet possiede un indirizzo univoco detto indirizzo IP (32 bit)

I 32 bit di un indirizzo IP sono suddivisi in 4 campi da 8 bit ciascuno Per esempio: 10000000 00010100 00111110 10101011

Di solito si usa una rappresentazione formata da 4 numeri decimali separati da un punto Per esempio: 128.10.2.30

Network layer: IP

Gli indirizzi IP devono essere univoci Per questo motivo è stata istituita una

organizzazione, Internet Assigned Number Authority (IANA) (emanazione di ICANN, un organismo del governo americano), preposta ad assegnare gli indirizzi IP garantendone l’univocità

Quando vi collegate ad Internet da casa è il provider che vi assegna un indirizzo IP scegliendolo tra quelli che ha acquistato

(dunque IP diversi in sessioni diverse)

IP: il problema del numero

La numerazione IP garantisce >4 miliardi di indirizzi. Sembrano tanti ma:– Dispositivi internet portatili (p.es. Smartphone,

netbook) e mercati emergenti (Cina, India, Brasile) Soluzione 1: Indirizzi “privati” nelle sottoreti– I nodi di una LAN possono avere indirizzi identici a

quelli altri nodi in altre reti, ma questi indirizzi non sono visibili dal resto di internet (IP pubblico/privato)

– La rete ha un nodo gateway che smista i messaggi tramite un meccanismo di Network Address Translation (NAT)

Ipv4 vs. IPv6

Entro circa 2 anni si prevede che gli indirizzi IP saranno esauriti

Soluzione a lungo termine: passare ad un sistema con indirizzi di 4 numeri di 32 bit (IPv6)

La migrazione è in corso, e potrebbe assumere il carattere di una emergenza.

Ipv6 da 2^128 indirizzi: abbastanza per poter assegnare indirizzi univoci a qualsiasi oggetto o posto sul pianeta.

Verso una internet delle cose (Uniform Resource Identifier per qualsiasi risorsa, vedi http://www.ietf.org/rfc/rfc3986.txt.)

Network layer: IP

IP fornisce anche l’instradamento (routing) dei pacchetti tra mittente e destinatario

Protocollo di routing: Scopo: determinare un “buon” percorso nella rete tra

sorgente e destinazione Percorso “buono”: in genera significa “più corto” La topologia della rete può cambiare (qualche router o

link si può guastare)

Transport layer

Il compito del livello Transport è quello di fornire un trasporto affidabile dall’host di origine a quello di destinazione, indipendentemente dalla rete utilizzata

In Internet il protocollo di questo livello è chiamato Transmission Control Protocol (TCP)

Application

Transport

Network

Link & Physical

Application layer

Si colloca al di sopra del livello Transport ed è il livello nel quale viene svolto il “lavoro utile” per l’utente

In questo livello si trovano diversi protocolli, alcuni relativi alle applicazioni che usiamo abitualmente in Internet HTTP: HyperText Transfer Protocol Pagine web SMTP: Simple Mail Transfer Protocol Invio E-Mail POP: Post Office Protocol Scaricamento E-Mail FTP: File Transfer Protocol Trasporto File SSH: Secure Shell login criptato su un

computer remoto

Application

Transport

Network

Link & Physical

I PROTOCOLLI INTERNET

IP

TCP UDP

HTTP FTP SMTP TELNET DNS… …

Application layer

Transport layer

Network layer

Link + physical layer

APPLICATION LAYER: POSTA ELETTRONICA

Un’applicazione Internet che permette lo scambio di messaggi tra gli utenti collegati alla rete

È necessario fornire: L’indirizzo del mittente L’indirizzo del destinatario Il corpo del messaggio

Gli indirizzi devono avere un formato ben preciso non sono sensibili alla differenza tra maiuscole e

minuscole.

HEADER DI UN MESSAGGIO

From: Roberto Zamparelli <roberto.zamparelli@unitn.it>To: Caio Sempronio <caio.sempronio@indirizzo.it>CC: Massimo Poesio <massimo.poesio@unitn.it>Subject: Posta elettronicaDate: 24/02/2010

Caro Caio, ….

POSTA ELETTRONICA: DUE APPROCCI

Scaricare la posta dal server al proprio computer, La posta attende sul server, da dove viene scaricata

tramite i protocolli POP ed inviata tramite il protocollo SMTP.

Una volta ricevuta, la posta risiede su mio computer Posso leggerla o rispondervi scollegato dalla rete

Oppure, consultarla sul web tramite un browser. La posta resta sul browser; lettura e composizione

venegono effettuati tramite il browser. Posso accedere alla posta da qualsiasi computer,

purchè connesso ad internet

Sistemi “ibridi” (p.es. protocollo IMAP)

Application layer: DNS

Gli indirizzi IP numerici sono difficili da ricordare Si usano quindi degli indirizzi simbolici che

sono più significativi per l’essere umano dit.unitn.it, essex.ac.uk, developer.netscape.com

Questi nome vengono tradotti in indirizzi IP numerici mediante il Domain Name System (DNS)

Gli indirizzi simbolici hanno un formato come quello seguente… nome5.nome4.nome3.nome2.nome1

Application layer: DNS

Sono costruiti a partire da uno schema gerarchico di nomi basato sul concetto di dominio

gnu

com edu gov mil net org au it zw

unitn unito

lett dit

www www

di

www

www

… …

www.gnu.org

www.lett.unitn.it

root

Livello 1

Livello 2

Livello 3

Livello 4

NUOVI DOMINI TOP-LEVEL

Oltre a .com, .it, .edu ecc., sono stati recentemente aggiunti una serie di nuovi domini di primo livello non nazionali (generici)

P.es. biz, info, name, museum Vedi:

http://it.wikipedia.org/wiki/Domini_di_primo_livello_generici

Application layer: DNS

Ogni dominio deve essere in grado di “risolvere i nomi” dei calcolatori di sua competenza

Si usano i domain name server, che gestiscono la corrispondenza tra nomi simbolici e indirizzi IP numerici Quando un’applicazione deve collegarsi ad una risorsa

di cui conosce il nome logico (ad es. www.unitn.it), invia una richiesta al suo name server locale, ottenendone l' IP

A volte non si riesce a “collegarsi a internet” solo perchè il DNS è irragiungibile (soluzione: selezionare un altro DNS)

INTERNET: STORIA IN BREVE

1962: inizio del progetto ARPANET: creare una rete sperimentale che collega siti universitari e governativi negli USA

1964: prima LAN (Lawrence Livermore Labs) 1973: Metcalfe pubblica paper su Ethernet 1974: Kahn & Cerf propongono idee di base 1978: separazione di TCP da IP 1990: 3000 reti e 200.000 computer (detti host) 1992: viene collegato il milionesimo host Agli esordi il numero di host cresce in modo esponenziale

mentre in questi anni si osserva un rallentamento, con incremento annuo del del 6%

2002: hanno accesso ad Internet 457 milioni di persone (di cui 174 milioni negli Stati Uniti)

Situazione attuale

Vedi http://www.internetworldstats.com/stats.htm

Popolazione mondiale 6,845,609,960

Utenti Internet 1.966.514.816 Percentuale utenti 28.7 % Crescita 2000-2010 444.8 %