15. Sistemi distribuiti
e reti di calcolatori
Ing. Simona Colucci
Informatica - CDL in Ingegneria Industriale- A.A. 2012-2013
Indice
• Sistemi distribuiti
• Modulazione e trasmissione dei dati
• Reti di calcolatori
–
–
–
–
–
Topologia
Messaggi e protocolli
ISO/OSI
Architettura client/server
Architettura peer to peer
• I Servizi Internet
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Sistemi Distribuiti
• Sistemi caratterizzati da una rete di calcolatori che
interagiscono tra loro
• Si adattano alla nuova natura distribuita delle
organizzazioni
• Poggiano sulla capacità di trasmettere dati lungo un
canale di comunicazione
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Trasmissione dati
• Differenti mezzi trasmissivi disponibili
• Parametri caratterizzanti:
– Velocità di trasmissione, misurata in bit per secondo(bps).
– Distanza di trasmissione
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Mezzi di trasmissione dati (1/3)
Cavi in Rame
• Cavo coassiale:
– ha al centro un conduttore di rame (anima), circondato da un materiale isolante e
da uno schermo di metallo intrecciato(maglia); il tutto è avvolto da un rivestimento
esterno
– Vantaggi: elevata resistenza alle interferenze elettromagnetiche
– Svantaggi: costo elevato, difficoltà di utilizzo in canaline strette, frequenti rotture
meccaniche
– Velocità:
• Su brevi distanze 107 bit/s
• Su lunghe distanze 105 bit/s
•
Doppino Telefonico:
– coppia o treccia di più coppie di conduttori di rame ritorti (twisted pair)per ridurre
gli effetti negativi delle interferenze elettromagnetiche; in genere non schermato
(unshielded twisted pair-UTP) per evitare gli svantaggi del cavo coassiale
– Velocità a seconda della tecnologia utilizzata:
• Modem su linea telefonica commutata 56 kbit/s
• ISDN 128 kbit/s
• ADSL 640 kbit/s, fino ad alcuni Mbit/s
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Mezzi di trasmissione dati (2/3)
Fibre ottiche
– Filamenti di materiali vetrosi realizzati in modo tale da poter
condurre la luce su lunghe distanze
– Disponibili in cavi flessibili, immuni ai disturbi elettrici e atmosferici
– Una fibra ottica è composta da uno strato(core), ossia il mezzo
trasparente che trasporta il segnale laser, e un secondo strato
concentrico(cladding), che costringe l’onda a seguire il percorso
della fibra ottica; il tutto è rivestito da guaine protettive che
aumentano la resistenza
– Comunicazione tramite :
• Trasmettitore di segnale: laser(costosa e efficiente) o led(economica)
• Ricevitore di segnale: foto rivelatore che converte la luce in elettricità
– Vantaggi: sottilissime(0.5 mm) e leggere (20 kg per un km)
– Velocità: fino ad alcuni Tbit/s per centinaia di chilometri
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Mezzi di trasmissione dati (3/3)
Onde radio e sistemi wireless
• Gamma di tecnologie che usa le onde elettromagnetiche per la
trasmissione di dati (senza cavo):
– Infrarossi: lenti e a distanza ravvicinata(in disuso)
– Laser e microonde: elevata velocità, ma necessità di visibilità diretta tra
apparati(usati in sottoreti)
– Onde radio: adatte ad ambienti eterogenei (più utilizzate)
• BlueTooth (brevissime distanze: elaboratore a periferiche, 700 kbit/s)
• WiFi: tipo di rete locale senza fili WLAN-Wireless Local Area Network
(decine/centinaia di metri a seconda della presenza di ostacoli, 56 Mbit/s)
• WiMax: rete di telecomunicazioni a banda larga e senza fili su scala
metropolitana(fino a 50 chilometri, 70Mbit/s )
• Rete cellulare, utile anche per i dati : GSM (14.4 kbit/s), GPRS (57.6 kbit/s download,
28.8 upload), UMTS(384 kbit/s), UMTS2(1.8 Mbit/s), UMTS2+(3 Mbit/s), …
• Via satellite: uso di satelliti geostazionari in un’orbita equatoriale con un raggio di
42400 km dal centro della terra, con velocità angolare pari a quella di rotazione
terrestre (fungono da ponti radio). Distanza centinaia di chilometri, ma alta latenza
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Modulazione e demodulazione
• Modulazione: segnale digitale segnale analogico
• Demodulazione: segnale analogico segnale digitale
• La linea telefonica trasporta un segnale analogico
(segnale portante) che viene modulato in modo da
trasportare uno 0 oppure un 1
• Tecniche di modulazione del segnale portante:
– Frequenza
– Fase
– Ampiezza
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Modulazione di frequenza
0
1
0
1
1
Segnale
digitale da
trasmettere
Portante
Segnale
modulato in
frequenza
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Trasmissione dati
•
•
•
Modem: MOdulatore, DEModulatore
Linee dedicate (connessione permanente) o commutate (connessione
temporanea, es. telefono)
Linee simplex (monodirezionali), half-duplex (senso unico alternato), fullduplex (bidirezionali)
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Possibili modulazioni
• PSTN: linea telefonica tradizionale con portante
compresa tra 300 e 3300 Hz -> massimo 56 Kbit/s
• DSL: applicabili solo sull’ultimo miglio tra centrale e
utente :
– Ultimo miglio fino a 6 km
– Velocità quasi sempre Asimmetrica(ADSL) tra download e
upload: fino a 52Mbit/s in download e 12 Mbit/s in upload
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Reti di calcolatori
•
Le reti di calcolatori collegano elaboratori, detti “nodi della rete”(hosts),
situati ad una certa distanza fra di loro, fornendo a ciascuno di essi vari
“servizi di rete”, ossia funzionalità disponibili a tutti i calcolatori della rete
stessa
•
Ogni rete è basata su di una certa topologia. Essa descrive le modalità con
le quali si scelgono i calcolatori da connettere direttamente tra loro
Infatti, in una rete avrò:
•
– Calcolatori connessi direttamente
– Calcolatori che, per poter comunicare, devono far passare i messaggi attraverso
altri elaboratori
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Reti geografiche e locali
• LAN (Local Area Network): rete locale
– Distanza compresa tra un metro e un chilometro (edificio, campus)
– Velocità elevatissima
• MAN (Metropolitan Area Network): rete metropolitana
– Distanza fino alla decina di chilometri (area cittadina)
– Velocità elevata
• WAN (Wide Area Network): rete geografica
– Collega sistemi a qualsiasi distanza
– Internet è la più diffusa WAN
I tre tipi sono organizzati gerarchicamente: le LAN sono
collegate da MAN, collegate dalle WAN
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Verso la convergenza
• Le reti di calcolatori e quelle di telecomunicazione
tendono sempre più a convergere, sfruttando le stesse
infrastrutture
• Nuova classificazione:
– Rete di dorsale (core network): parte centrale di una rete di
telecomunicazione (es. MAN e WAN dei diversi Internet Service
Provider)
– Rete di accesso(access network):utilizzata dagli utenti per
accedere alla core network (es. linea telefonica, ADSL, GPRS,
UMTS)
I punti di contatto tra access network e core network sono
chiamati Point of Presence (PoP)
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Topologia (1)
•
Stella
Nodo centrale(apparato di rete specializzato negli scambi)
che inoltra i messaggi
+
+
-
Semplice
Più nodi possono comunicare contemporaneamente
Collo di bottiglia (nodo centrale…)
Vulnerabile ai guasti del nodo centrale e della rete (unico
collegamento)
• Nessun nodo centrale: treni di messaggi
+ Nessun collo di bottiglia
+ Più nodi possono comunicare contemporaneamente
+ Meno vulnerabile ai guasti della rete e di altri nodi
Anello
-
(inversione direzione, a meno di doppio guasto)
Più complesso
Più nodi da attraversare
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Topologia (2)
• Nessun nodo centrale
Bus
+ Semplice
+ Nessun nodo da attraversare
- Vulnerabile ai guasti della rete
- Solo due nodi alla volta possono comunicare
• Nessuna topologia precisa
+ Resistente ai guasti (se routing dinamico)
+ Più nodi possono comunicare
Irregolare
-
contemporaneamente
Complesso
Più nodi da attraversare
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Topologia (3)
• Le topologie a stella, anello e bus sono usate soprattutto
nell’ambito delle reti locali (LAN – Local Area Network)
• La topologia irregolare è molto diffusa tra le reti
geografiche (WAN – Wide Area Network)
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I messaggi
• Le informazioni scambiate tra i nodi sono strutturate in
messaggi
• Ogni messaggio contiene i dati da comunicare ed un
certo insieme di informazioni di controllo
• Spesso la quantità di dati (byte) che è possibile inserire
in un messaggio è fissa. Se un nodo deve inviarne un
numero maggiore, è necessario utilizzare più messaggi
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Struttura dei messaggi
Sequenza di
controllo
Parte utile del
messaggio
Inizio
messaggio
Mittente
Destinatario
Dati da
inviare
Caratteri di
controllo
Fine
messaggio
• La struttura dei messaggi dipende dallo standard utilizzato ma è
possibile dare una descrizione generale:
Introduzione
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Routing dei messaggi
• Se due nodi non sono connessi direttamente, il
messaggio dovrà attraversare nodi intermedi
• I nodi intermedi dovranno ricevere il messaggio e
rispedirlo verso un nodo a loro connesso e più
vicino alla destinazione (routing o instradamento)
• Il caso più complesso è quello di una rete con
topologia irregolare
•
Se
A
vuole
comunicare
con
B,
deve
Y
X
passare attraverso X, oppure
attraverso X e Y
• Il nodo X deve decidere quale strada
B
usare (routing statico o dinamico)
A
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Protocolli di rete
•
•
•
Un protocollo stabilisce le regole di comunicazione che debbono
essere seguite da due interlocutori
– A: Chiamata per B
– B: Pronto, chi parla?
– A: Sono A, sei pronto a ricevere dati?
– B: Sì
– A: Ecco i dati … bla bla bla … fine dei dati
– B: Dati ricevuti con successo
– A: Ciao
– B: Ciao
Il protocollo stabilisce cosa fare in tutte le situazioni che possono
verificarsi (errori, ecc.)
Deve essere conosciuto dai due interlocutori (quindi, deve essere uno
standard)
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Lo stack ISO-OSI (1)
•
Lo standard ISO-OSI (Open System Interconnect) include un insieme di
protocolli che definiscono, a vari livelli di dettaglio, le regole di
comunicazione
•
E’ spesso chiamato stack (pila) ISO-OSI
7. Livello applicazione
Servizi telematici(trasferimento file, e-mail, …)
6. Livello presentazione
Conversione formati (01/12/02 12/01/02)
5. Livello sessione
Apertura e chiusura dialogo (Chiamata per B...Ciao)
4. Livello trasporto
Segmentazione dati in più messaggi
Routing (instradamento)
3. Livello rete
2. Livello collegamento dati Controllo correttezza messaggi (rispedisci se errori)
1. Livello fisico
Specifiche Hw/Sw dipositivi fisici usati per
connettere i nodi (Ethernet, cavo coassiale, …)
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Lo stack ISO-OSI (2)
• Ogni livello definisce dei protocolli che gestiscono, a quel livello
di dettaglio, la comunicazione
• Ciascun livello rappresenta una macchina astratta
• Ogni livello (macchina astratta) dello stack assume di “parlare”
con il medesimo livello (macchina astratta) dell’altro nodo ed è
completamente ignaro di ciò che succede sotto di lui
• I messaggi di ogni livello sono incapsulati nei messaggi di livello
sottostante senza alcuna manipolazione
• E’ un modello di riferimento, i protocolli reali spesso
implementano solo parzialmente lo stack
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Lo stack ISO-OSI (3)
L6
Invia file “pippo.txt”
Converti file
L5
Apri dialogo
L4
Segmenta file
Invia msg1, msg2, …
L7
L3
L2
L1
Aggiungi dati controllo
Connessione fisica
Ricevi file
Converti file
L7
Chiudi dialogo
L5
Ricomponi file
Ricevi msg1, msg2, …
L4
Verifica messaggi
Connessione fisica
L2
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L6
L3
L1
Lo stack ISO-OSI (4)
• Il flusso dei dati, in realtà, “scende” lungo lo stack del nodo
mittente e “risale” lungo lo stack del nodo destinatario
• Durante la trasmissione:
– Ogni livello aggiunge informazioni o modifica quelle provenienti dal
livello superiore e le passa al livello inferiore
• Durante la ricezione:
– Ogni livello estrae le informazioni di suo interesse e passa quelle
rimanenti al livello superiore
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Lo stack ISO-OSI (5)
Per es. invio file
pippo.txt
Mittente
L7
L7
L6
L6
L5
L5
L4
L4
L3
L3
L2
L2
L1
Rete fisica
L1
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Destinatario
Apparati di rete (1/2)
Nodi che garantiscono il funzionamento, l’efficienza l’affidabilità e la
scalabilità delle reti informatiche :
• Hub (livello 1): semplice ripetitore di segnale che replica la sequenza
di bit in ingresso su tutte le interfacce di uscita; collega solo reti
identiche perché lavora a livello 1(in disuso a favore degli switch)
• Bridge/switch (livello 2): ripete il segnale solo verso l’ interfaccia di
uscita corretta che porta a destinazione. Bridge: due reti; Switch: più
di due reti
• Router (livello 3): connette reti anche differenti; si occupa
dell’istradamento dei pacchetti verso destinazione, eventualmente
attraverso altri router:
• Rimuove i bit di controllo del livello 2
• Esamina i bit di controllo del livello 3 e decide come istradare
sulla base dell’indirizzo di destinazione
• Aggiunge nuovi bit di controllo e istrada il pacchetto
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Apparati di rete (2/2)
• Proxy (livello 4):
• Ha un’interfaccia per ogni rete a cui è collegato
• Può ricostruire l’intero messaggio aprendolo e aggiungendovi
informazioni (es. antivirus all’email)
• Gateway (livello 7):
• Interconnette applicazioni remote differenti
• Implementa uno stack protocollare a tutti i livelli
• Si propone come interfaccia tra due applicazioni che utilizzano
protocolli differenti(es. web mail con HTTP e IMAP)
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Architettura client/server
•
•
•
•
•
•
Indica una modalità particolare di accesso alle funzionalità offerte da una rete
E’ Indipendente dalla topologia della rete
Una macchina particolare (detta server) offre una serie di servizi (disco
condiviso, stampanti, database, ecc.) ed aspetta richieste
Le altre macchine (dette client) utilizzano i servizi offerti dal server
Quindi, il server generalmente si limita ad attendere che qualcuno lo contatti.
Sono sempre i client ad iniziare il dialogo (chiedendo un certo servizio)
E’ molto usata. Anche in ambito Internet (DNS, Web,…)
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Architettura client/server
Più client possono contattare contemporaneamente lo stesso server
Il server gestisce una coda di richieste nella quale accoda i messaggi
provenienti dal client ed estrae quello che, in un dato istante, elaborerà
Client
Server
Rete logica
Client
•
•
Per es. un sito Web
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Architetture peer to peer
• Ogni computer può assumere la funzione di server e
client a seconda del momento
• Esempi: Emule, Bittorrent
• Migliore distribuzione del carico di lavoro sul server
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Internet
Breve storia
•
•
•
•
•
Un insieme di tecnologie, standard ed applicazioni in grado di connettere tra
loro reti disomogenee (basate cioè su standard diversi), creando una sorta
di “rete di reti”, ovvero una “inter-rete”, ovvero una Inter-Net
Nasce alla fine degli anni ’60 negli USA per scopi militari (ARPANET)
Negli anni ’70 nasce il protocollo fondamentale di Internet: TCP/IP
Negli anni ’80 è diffusa soprattutto in ambito accademico
All’inizio degli anni ’90 nasce il World Wide Web
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Il protocollo di connessione TCP/IP
•
•
TCP/IP: insieme di protocolli usati per connettere calcolatori e reti
Il termine è una combinazione di due dei protocolli più importanti:
– TCP (Transmission Control Protocol): corrisponde, più o meno, al livello
trasporto ISO-OSI
– IP (Internet Protocol): corrisponde, più o meno, con il livello rete ISO-OSI
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TCP/IP e stack ISO OSI
Application
TCP/UDP
IP
Network Interface
Application
Presentation
Session
Transport
Network
Data Link
Physical Media
Internet
Modello ISO OSI
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Livelli di rete e trasporto
Rete: IP individua il nodo di destinazione ed effettua il
routing dinamico di ogni pacchetto da un nodo sorgente
a un nodo destinazione, collegando anche reti diverse tra
loro, senza garantire la corretta consegna(è
connectionless)
Trasporto: al di sopra di IP crea una connessione end to
end (canale virtuale nonostante la divisione in pacchetti)
tra applicazione sorgente e destinazione
– TCP controlla la corretta trasmissione dei dati sotto forma di
pacchetti, occupandosi dell’eventuale ritrasmissione di pacchetti
persi
– UDP(USER DATA PROTOCOL): non garantisce la corretta
trasmissione dei pacchetti perché non usa i pesanti meccanismi
di controllo del TCP: meno affidabile, più efficiente
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Livello Application
Protocolli Applicativi, poggiano sul trasporto e permettono il
funzionamento delle diverse applicazioni su Internet.
Esempi:
• HTTP su TCP, permette il funzionamento del web
• SMTP su TCP, permette l’invio di posta elettronica
• POP3 su TCP, permette la ricezione di posta elettronica
• RTP su UDP, permette la trasmissione della TV su Internet
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Indirizzi pubblici e privati
INDIRIZZO PUBBLICO: IP
• Numero identificatore di un nodo sulla rete
• Necessario per comunicare con un computer su Internet
• E’ un numero lungo quattro byte
• In modo simbolico, viene scritto con la dotted decimal notation:
– separando i valori decimali corrispondenti ai singoli byte con dei punti (es.
127.123.45.156)
– le prime due parti identificano una “rete”, la terza una “sotto-rete” e la quarta uno
specifico calcolatore su tale sotto-rete
•
Sono distribuiti dall’ICANN
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INTRANET
•
•
•
•
•
TCP/IP viene usato anche per creare reti locali che si chiamano
INTRANET
i nodi di una INTRANET usano indirizzi IP privati(es 192.168.x.x, con x
qualsiasi)
IP non rilasciati da alcun organismo
Maggiore sicurezza ai computer della INTRANET
Per accedere ad Internet, la INTRANET deve essere collegata ad
Internet tramite un router che fa offre il servizio NAT(Network Address
Translation):
– Modifica gli indirizzi IP in transito, nascondendo ad Internet l’utilizzo di
indirizzi privati da parte del nodi della INTRANET
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Nomi e Domini: il DNS
•
A ogni computer su Internet (indirizzo IP) può essere assegnato anche un nome
simbolico: nome di dominio
– Indirizzo utente: nome simbolico dell’utente, simbolo @, nome del dominio dell’utente
(es. [email protected])
•
Dominio:
– Rappresenta il nodo su cui l’utente stesso risiede
– La maggior parte dei domini ha tre livelli: etichette rilasciate da organismi
– Gerarchia di livelli nel dominio
• Primo livello: .it, .com, .org, .eu,…….(creati da ICANN e delegati ai singoli enti nazionali, che
lo danno a vari mantainer)
• Secondo livello: unitus, poliba., unimi., polimi., uniba.,…(creati da enti nazionali del primo
livello)
• Terzo livello: www., java., mail.,….(gestiti dall’azienda che ha comprato il dominio)
Esempio: in www.unitus.it UNITUS ha acquistato il dominio dal NIC(Network Information
Center) di Pisa (gestisce il .it) e gestisce il computer www nella propria rete
– I domini devono essere trasformati in indirizzi numerici:
• DNS (Domain Name Server) come protocollo applicativo poggiato su UDP e progettato
secondo il paradigma client server: secondo richiesta al DNS più vicino
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Il World Wide Web
•
•
•
•
•
•
•
Il World Wide Web (WWW) è un sistema per la gestione di documenti su
Internet
Sviluppato al CERN di Ginevra
E’ un’evoluzione degli ipertesti
Sito Web: insieme unitario di documenti Web: documenti ipertestuali
Ogni sito Web ha una struttura gerarchica, con una pagina iniziale (home
page) e una serie di documenti Web collegati tramite riferimenti (link)
I link possono fare riferimento a documenti Web che appartengono ad altri
siti Web
Si crea così una “ragnatela” di connessioni tra le pagine Web che consente
di “navigare” attraverso i siti Web
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Standard del WWW
•
URL (Uniform Resource Locator): il nome univoco di un documento sul Web
(es. http:// www.poliba.it/Didattica/index.html) ; composto da:
– Schema: modalità di accesso alla risorsa (es. http)
– Host: nome di dominio che individua il computer su cui risiede la risorsa(es.
www.poliba.it)
– Percorso: individua la risorsa all’interno dell’host (es. Didattica/index.html )
•
•
HTTP (HyperText Transfer Protocol): protocollo applicativo di trasferimento
usato su TCP per reperire le risorse su Web secondo la logica client server
HTML (HyperText Markup Language): linguaggio di descrizione di un
documento Web, che realizza ipertesti visibili tramite browser
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Architettura del WWW
•
Il WWW segue l’approccio client-server :
– Il browser(Firefox, Internet Explorer, Opera, ..) : lato client; richiede le pagine al
Web server e le visualizza
– Il Web server: lato server; invia le pagine richieste
•
•
•
Pagine statiche, memorizzate sul file system
Pagine dinamiche, “assemblate” dinamicamente a partire da contenuti memorizzati – ad esempio – nei
database
– Il DBMS: lato server; contiene i dati usati per assemblare le pagine dinamiche
Una tipica interazione:
– Il client (browser) si collega al Web server tramite HTTP
– L’utente, richiede l’accesso alle pagine Web, individuate tramite i loro indirizzi (URL)
– Il browser interpreta l’URL e invia una richiesta HTTP al server che detiene il
documento
– Il server Web estrae (o costruisce dinamicamente) la pagina e la invia con HTTP al
browser
– Il browser interpreta la pagina (ovvero l’HTML di cui è composta) e ne visualizza il
contenuto in base alle regole contenute nel file HTML
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Motori di Ricerca
• Basati su immensi database che contemgono tutte le
pagine presenti sul Web
• Ricerca per parole chiave
• Elenchi aggiornati tramite crawler(o spider o robot) che
sono software che analizzano regolarmente i contenuti
dei siti :
– Si basa su una lista iniziale di URL da visitare
– Analizza tutti i documenti della lista iniziale
– Aggiunge le URL contenute nei documenti analizzati alla sua lista
iniziale
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La posta elettronica
• Indirizzo: nome utente, simbolo separatore @ e nome del dominio
• Messaggio composto da varie parti:
– Busta: Informazioni protocollari necessarie per trasmettere e consegnare il
messaggio
– Contenuto:
• Intestazione :
–
–
–
–
–
Mittente (from): indirizzo utente del mittente
Destinatario (to): indirizzo utente del destintario
Destinatario in copia (cc): indirizzo utente del destinatario in copia
Oggetto (subject): titolo e breve descrizione del messaggio
………
• Corpo del messaggio: stringa di caratteri di lunghezza e contenuto arbitrari
(allegati mandati tramite trasformazione di file binari in testo con varie tecniche:
es. MIME)
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Architettura di un sistema di posta
elettronica
• Tre entità:
– Mail User Agent(MUA): programma che l’utente usa per leggere
e scrivere i messaggi
– Mail Transport Agent(MTA): programma che si prende carico di
far arrivare il messaggio
– Mail Delivery Agent(MDA): programma che colloca il messaggio
arriato nella casella postale del destinatario (spesso coincide con
MTA)
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Invio e ricezione messaggi
• Invio:
– L’utente si avvale dei servizi del MTA, non invia direttamente a
destinazione
– Il MTA cerca di recapitare, direttamente o tramite altri MTA per
qualche giorno, fino all’arrivo
– Comunicazione con protocollo SMTP (Simple Mail Transfer Protocol)
• Ricezione:
– Il programma utente presenta i messaggi che sono arrivati alla
casella di posta, prelevandoli dal calcolatore (MDA), che ospita la
casella
– Protocolli:
• POP3: permette autenticazione dell’utente, richiesta di elenco di
messaggi, rimozione
• IMAP: permette in più la gestione di elenco di caselle di posta in remoto
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