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RETI DI CALCOLATORI
Prima Esercitazione
Introduzione
Gli ultimi tre secoli sono stati dominati
ciascuno da una diversa tecnologia che lo
ha caratterizzato ed ha avuto profonde
influenze sulla vita dell'uomo:
• 18º secolo: sistemi meccanici, rivoluzione
industriale;
• 19º secolo: motori a vapore;
• 20º secolo: tecnologie dell'informazione.
2
Introduzione
Nel nostro secolo si sono via via diffusi:
• il sistema telefonico, a livello
mondiale;
• la radio e la televisione;
• i computer;
• i satelliti per telecomunicazioni.
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Introduzione
Queste tecnologie stanno rapidamente
convergendo. In particolare, la
combinazione di elaboratori e sistemi
di telecomunicazione ha avuto una
profonda influenza sull'organizzazione
dei sistemi di calcolo.
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Introduzione
Si è passati dal vecchio modello mainframe - terminali,
in cui la potenza di calcolo è concentrata in un
unico grande elaboratore a cui si accede per mezzo
di un certo numero di terminali, a quello attuale in
cui vi è un grande numero di elaboratori autonomi,
interconnessi fra loro:
• autonomi: significa che non deve esserci fra loro
una relazione tipo master/slave (ad es., l'uno non
può forzare lo spegnimento dell'altro);
• interconnessi: significa che devono essere capaci di
scambiare informazioni (sfruttando un opportuno
mezzo fisico).
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Introduzione
Un sistema di calcolo siffatto è detto rete di
elaboratori (computer network).
Si noti che rete di elaboratori non è sinonimo
di sistema distribuito. 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, l'utente è conscio
dell'esistenza di molteplici elaboratori, che
devono essere esplicitamente riferiti.
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Introduzione
In effetti, si può 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, ossia un
sistema operativo distribuito.
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Scopi delle Reti di
Calcolatori
•
•
•
•
•
•
Condivisione dell’Informazione
Condivisione delle Risorse
Accesso a Risorse Remote
Alta Affidabilità
Convenienza Economica
Crescita Graduale
8
Principali Servizi Offerti
•
•
•
•
•
•
•
•
Terminale Virtuale
Web e posta elettronica
Trasferimento di File
Condivisione di file e stampanti
Bootstrap remoto di workstation diskless
Programmazione distribuita
Programmi vari (es. messaggi sui terminali,
phone, ecc.)
Sistemi Operativi di rete
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Tipi di Reti
•
•
•
LAN (Local Area Network)
MAN (Metropolitan Area Network)
WAN (Wide Area Network)
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LAN
Le reti locali, in genere:
• sono possedute da una organizzazione (reti
private);
• hanno un'estensione che arriva fino a
qualche km;
• si distendono nell'ambito di un singolo
edificio o campus (non si possono, di
norma, posare cavi sul suolo pubblico);
• sono usate solitamente per connettere PC o
workstation.
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LAN
Esse si distinguono dagli altri tipi di rete per tre
caratteristiche:
• dimensione: la dimensione non può andare oltre un
certo limite, per cui è noto a priori il tempo di
trasmissione nel caso peggiore;
• tecnologia trasmissiva: le LAN sono in generale reti
broadcast. Velocità di trasmissione tipiche risultano
essere 10 - 100 Mb/s, con basso ritardo di
propagazione del segnale da un capo all'altro del
canale (qualche decina di microsecondi) e basso
tasso di errore;
• topologia: sono possibili diverse topologie, le più
diffuse sono il bus ed il ring.
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MAN
Le reti metropolitane hanno un'estensione
tipicamente urbana (quindi anche molto
superiore a quella di una LAN) e sono
generalmente pubbliche (cioé un'azienda,
ad es. Telecom Italia, mette la rete a
disposizione di chiunque desideri, previo
pagamento di una opportuna tariffa).
Sono caratterizzate da una elevata velocità
trasmissiva (tra i 2 Mb/s ed i 140 Mb/s) e
dall’utilizzo della fibra ottica come mezzo
trasmissivo tipico.
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WAN
Le reti geografiche si estendono a livello di una
nazione, di un continente o dell'intero pianeta. Una
WAN è tipicamente costituita di due componenti
distinte:
• un insieme di elaboratori (host oppure end system)
sui quali girano i programmi usati dagli utenti;
• una comunication subnet (o subnet), che connette
gli end system fra loro. Il suo compito è trasportare
messaggi da un end system all'altro, così come il
sistema telefonico trasporta parole da chi parla a
chi ascolta.
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WAN
Le WAN sono caratterizzate da una
velocità trasmissiva medio bassa (tra i
9.6 Kb/s ed i 2 Mb/s).
I mezzi trasmissivi risultano spesso
essere gli stessi usati per la telefonia
convenzionale.
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Struttura Generale
WAN
MAN
MAN
LAN
LAN
LAN
LAN
LAN
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Scala dimensionale
Distanza fra
processori
10 m
100 m
1 Km
10 Km
100 Km
1.000 Km
10.000 Km
Ambito
Tipo di rete
Stanza
Edificio
Campus
Città
Nazione
Continente
Pianeta
LAN
LAN
LAN
MAN
WAN
WAN
WAN
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Sistemi e Mezzi Fisici
Sistema 1
Sistema 3
Sistema 2
mezzi fisici
Sistema j
Sistema n
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Modello OSI
L'OSI (Open Systems Interconnection) Reference Model
è il frutto del lavoro della ISO (International Standard
Organization), ed ha lo scopo di:
• fornire uno standard per la connessione di sistemi
aperti, cioé in grado di colloquiare gli uni con gli altri;
• fornire una base comune per lo sviluppo di standard
per l'interconnessione di sistemi;
• fornire un modello rispetto a cui confrontare le varie
architetture di rete.
Esso non include di per se la definizione di protocolli
specifici (che sono stati definiti successivamente, in
documenti separati).
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Il modello di riferimento
ISO/OSI
7
6
5
4
3
2
1
Applicazione
Presentazione
Sessione
Trasporto
Rete
Data Link
Fisico
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I Livelli (Layers, Levels)
L’architettura OSI si basa su una serie di principi
progettuali, di seguito elencati:
•
non creare un numero di livelli (layer) eccessivo ai
fini della loro definizione e integrazione;
•
spezzare nel punto in cui la descrizione dei servizi
offerti dal layer è compatta e le interazioni con
altri layer è minima;
•
creare livelli distinti per realizzare funzioni
differenti nel processo o nella tecnologia usata;
•
raccogliere funzioni simili nello stesso livello;
•
creare suddivisioni nei punti che in esperienze
precedenti si sono rivelati strategici;
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I Livelli (Layers, Levels)
•
•
creare layer che possano essere
completamente riprogettati (es. per
usufruire di nuove tecnologie) senza
influire sui layer precedenti e seguenti
(stessi servizi offerti e richiesti);
creare una suddivisione tra livelli in
qualsiasi punto serva avere la
corrispondente interfaccia standardizzata;
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I Livelli (Layers, Levels)
•
•
•
creare un layer ovunque ci sia bisogno di
introdurre un nuovo livello di astrazione nel
trattamento dei dati (es. morfologia,
sintassi, semantica);
far si che cambiamenti di funzioni o
protocolli all’interno di un layer non
influenzino gli altri layer;
definire interazioni solo tra livelli contigui
(in su o in giù).
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La funzione dei Livelli
Lo scopo di ciascun livello è quello di fornire
servizi ai livelli superiori, mascherando come
questi servizi sono implementati.
Nessun dato è trasferito direttamente da un
livello N all’altro: ogni livello passa dati e
informazioni di controllo al livello
sottostante, sino a quando si raggiunge il
livello fisico che effettua la trasmissione.
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Elementi Base del Modello
OSI
Sistema A Sistema B Sistema C Sistema D
mezzi fisici
Applicazione
Connessioni
25
Livello 1: Fisico
•
•
Ha a che fare con la trasmissione di bit
"grezzi" su un canale di comunicazione.
Gli aspetti di progetto sono:
 volti a garantire che se parte un 1, arrivi
effettivamente un 1 e non uno zero;
 largamente riguardanti le caratteristiche
meccaniche, elettriche e procedurali delle
interfacce di rete (componenti che connettono
l'elaboratore al mezzo fisico) e le caratteristiche del
mezzo fisico.
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Livello 1: Fisico
•
Si caratterizzano, tra gli altri:




tensioni scelte per rappresentare 0 ed 1;
durata (in microsecondi) di un bit;
tipi di connettori;
tipi, dimensioni, impedenze dei cavi.
27
Livello 2: Data Link
•
•
•
•
Ha come scopo la trasmissione affidabile di
pacchetti di dati (frames)
Accetta come input i frames (tipicamente
pochi centinaia di byte) e li trasmette
sequenzialmente
Verifica la presenza di errori aggiungendo
delle FCS (Frame Control Sequence)
Può gestire meccanismi di correzione di
errori tramite ritrasmissione
28
Livello 3: Rete
•
•
•
Questo livello gestisce l'instradamento dei
messaggi
Determina quali sistemi intermedi devono
essere attraversati da un messaggio per
giungere a destinazione
Il livello 3 gestisce delle tabelle di
instradamento per ottimizzare il traffico sulla
rete
29
Livello 4: Trasporto
•
•
Fornisce servizi per il trasferimento dei dati
end-to-end (cioè indipendenti dalla rete
sottostante)
Il livello 4 può:
 frammentare i pacchetti in modo che abbiano
dimensioni idonee al livello 3;
 rivelare/correggere gli errori;
 controllare il flusso;
 controllare le congestioni.
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Livello 5: Sessione
•
Il livello 5 è responsabile
dell'organizzazione del dialogo e della
sincronizzazione tra due programmi
applicativi e del conseguente scambio
di dati
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Livello 6: Presentazione
•
È interessato alla sintassi ed alla
semantica delle informazioni da
trasferire. Ad esempio, si occupa di
convertire tipi di dati standard
(caratteri, interi) da rappresentazioni
specifiche della piattaforma HW di
partenza in una rappresentazione "on
the wire" e poi in quella specifica dell'
HW di arrivo
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Livello 7: Applicazione
•
Prevede che qui risieda tutta la varietà di
protocolli che sono necessari per offrire i
vari servizi agli utenti, quali ad esempio:
 terminale virtuale;
 transferimento file;
 posta elettronica.
•
Attraverso l'uso di questi protocolli si
possono scrivere applicazioni che offrono i
suddetti servizi agli utenti finali
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Protocolli e Peer Entities
Il livello N su un host porta avanti una
conversazione col livello N su di un'altro
host. Le regole e le convenzioni che
governano la conversazione sono
collettivamente indicate col termine di
protocollo di livello N.
Le entità (processi) che effettuano tale
conversazione si chiamano peer entitiy
(entità di pari livello).
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Protocolli e Peer Entities
Primitive del Servizio
Primitive del Servizio
Protocollo
Sistema A
Sistema B
Peer Entities
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Dialogo fra peer entity
Il dialogo fra due peer entity di livello N
viene materialmente realizzato tramite
i servizi offerti dal livello (N-1).
In realtà non c'è un trasferimento diretto
dal livello N di host 1 al livello N di
host 2. Ogni livello di host 1 passa i
dati, assieme a delle informazioni di
controllo, al livello sottostante.
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Dialogo fra peer entity
Al di sotto del livello 1 c'è il mezzo fisico,
attraverso il quale i dati vengono
trasferiti da host 1 ad host 2.
Quando arrivano a host 2, i dati
vengono passati da ogni livello (a
partire dal livello 1) a quello superiore,
fino a raggiungere il livello N.
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Interfacce
Fra ogni coppia di livelli adiacenti è
definita una interfaccia, che
caratterizza:
• le operazioni primitive che possono
essere richieste al livello sottostante;
• i servizi che possono essere offerti dal
livello sottostante.
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Interfacce
I vantaggi di una buona progettazione
delle interfacce sono:
• minimizzazione delle informazioni da
trasferire;
• possibilità di modificare
l'implementazione del livello (ad es.,
ove le linee telefoniche venissero
sostituite da canali satellitari) con una
più attuale che offra gli stessi servizi.
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Interfacce
Livello N
Interfaccia
del livello N-1
N-1 SDU
Primitive del Servizio
di livello N-1
Livello N-1
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Service Access Point
I servizi sono disponibili ai SAP (Service
Access Point). I SAP del livello N, o NSAP, sono i punti di accesso nei quali il
livello (N+1) può accedere ai servizi
del livello N. Ogni N-SAP ha un
indirizzo che lo identifica
univocamente.
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Service Access Point
N-1 SAP
Entità N-1
Livello
N
Entità N
Entità N-1
Livello
N-1
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SDU e PDU
L'informazione passata dal livello N al
livello (N-1), attraverso il (N-1)-SAP, si
dice PDU (Protocol Data Unit) di livello
N, o N-PDU.
Essa, entrando nel livello (N-1), diventa
una SDU (Service Data Unit) di livello
(N-1), o (N-1)-SDU.
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SDU e PDU
Entro il livello (N-1) viene aggiunta alla
(N-1)-SDU una PCI (Protocol Control
Information) di livello (N-1).
Il tutto diventa una (N-1)-PDU, che
verrà passata al livello (N-2) attraverso
un (N-2)-SAP.
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SDU e PDU
N SDU
N SDU
N PDU
Sistema A
Sistema B
Entità di Livello N
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Imbustamento Multiplo
Trasmittente
Ricevente
Dati
Applicazione
Presentazione
Sessione
PH APDU
SH
Trasporto
Rete
Data Link
Fisico
Applicazione
Presentazione
Sessione
AH Dati
TH
NH
DH
PPDU
Trasporto
Rete
SPDU
TPDU
NPDU
bits
DT
Data Link
Fisico46
Frammentazione
N-PDU
SAP
Livello N
Interfaccia
Livello N-1
(N-1)-SDU
(N-1)-PCI
F1
(N-1)-PDU
F2
F3
F4
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Architettura di Rete
L'insieme dei livelli e dei relativi
protocolli è detto architettura di rete.
Un'architettura di rete può essere:
• proprietaria (IBM SNA, DECNET);
• standard de facto (TCP/IP);
• standard de iure (OSI).
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Servizi connessi e non
connessi
Ci sono due principali classi di servizi
offerti da un livello a quello superiore:
• servizi connection-oriented;
• servizi connectionless.
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Servizi connessi
Un servizio connection-oriented si
sviluppa in 3 fasi:
1. si stabilisce una connessione, cioé si
crea con opportuni mezzi un "canale
di comunicazione" fra la sorgente e la
destinazione. La relativa attività
tipicamente coinvolge un certo
numero di elaboratori nel cammino
fra sorgente e destinazione;
50
Servizi connessi
2.
3.
la connessione, una volta
stabilita, agisce come un tubo
digitale lungo il quale scorrono
tutti i dati trasmessi, che
arrivano nello steso ordine in cui
sono partiti;
si rilascia la connessione (attività
che coinvolge di nuovo tutti gli
elaboratori sul cammino).
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Servizi non connessi
In un servizio connectionless, i pacchetti
(PDU) viaggiano indipendentemente
gli uni dagli altri, possono prendere
strade diverse ed arrivare in ordine
diverso da quello di partenza o non
arrivare affatto.
Si sviluppa in una sola fase:
• invio del pacchetto.
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Mezzi trasmissivi
•
Elettrici
 Doppino intrecciato
 Cavo Coassiale
•
Ottici
 Fibra ottica
 Raggi Laser
•
Radio
 Ponti radio
 Satelliti
 Reti Cellulari
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Doppino intrecciato
È il più anziano e diffuso mezzo trasmissivo.
Consiste di una coppia di conduttori in rame
intrecciati l'uno con l’altro in forma
elicoidale. Ciò fa si che si minimizzino le
interferenze fra coppie adiacenti.
È caratterizzato da costi ridotti e da una facile
installazione.
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Doppino intrecciato
Il doppino può essere di tipo:
• UTP (Unshielded Twisted Pair), se non
schermato;
• STP (Shielded Twisted Pair), se è
presente uno schermo per ogni coppia
più uno schermo globale;
• FTP (Foiled Twisted Pair) se è presente
un unico schermo per tutto il cavo.
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Cavo coassiale
È un altro comune mezzo di
trasmissione; offre un miglior
isolamento rispetto al doppino e quindi
consente velocità di trasmissione
maggiori su distanze superiori.
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Cavo coassiale
È caratterizzato da costi leggermente
superiori a quelli del doppino ed da
una maggiore difficoltà di installazione.
Era molto usato nel sistema telefonico
per le tratte a lunga distanza, ma in
tale ambito è ormai sostituito quasi
ovunque dalla fibra ottica. Rimane in
uso per la TV via cavo e in alcune LAN.
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Fibre ottiche
Sono uno dei mezzi più recenti e rivoluzionari
del mondo delle telecomunicazioni. Sono
fatte di un sottilissimo cilindro centrale in
vetro (core) circondato da uno strato
esterno (cladding) di vetro avente un
diverso indice di rifrazione e da una guaina
protettiva. Sono quindi raggruppate insieme
in una guaina contenitrice esterna.
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Fibre ottiche
CLADDING
CORE
GUAINA PROTETTIVA
RIVESTIMENTO PRIMARIO
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Fibre ottiche
Le fibre ottiche sfruttano il principio della
deviazione che un raggio di luce
subisce quando attraversa il confine
fra due materiali diversi (core e
cladding nel caso delle fibre). La
deviazione dipende dagli indici di
rifrazione dei due materiali. Oltre un
certo angolo, il raggio rimane
intrappolato all'interno del materiale.
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Fibre ottiche
Le fibre ottiche sono di due tipi:
• multimodali: raggi diversi possono colpire la
superficie con diversi angoli (detti mode),
proseguendo quindi con diversi cammini. Il
diametro del core è di 50 micron, come
quello di un un capello;
• monomodali: sono così sottili (il diametro
del core è 8-10 micron) che si comportano
come una guida d'onda (la luce avanza in
modo rettilineo, senza rimbalzare). Sono più
costose ma reggono distanze più lunghe
(fino a 30 km).
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Fibre ottiche
La propagazione del modo è regolata
dalla Legge di Snell:
n1 sina1
n1
Angolo di a1
incidenza
= n2 sina2
a2
Angolo di
rifrazione
n2
Superficie di separazione
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Domande di riepilogo
•
•
•
•
•
•
Quanti sono i livelli OSI?
Quali sono le peculiarità di ciascun
livello?
Qual è la differenza tra SDU e PDU?
Cosa è la frammentazione?
Quale livello trasmette effettivamente i
dati sui mezzi trasmissivi?
Che cosa e il SAP?
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Domande di riepilogo
•
•
•
•
•
•
Quali sono i due principali tipi di cavi
elettrici usati per la trasmissione dati?
Cos'è l'attenuazione?
Cos'è la diafonia?
Quali sono le due parti principali di
una fibra ottica?
Qual è l'enunciato della legge di Snell?
Qual è approssimativamente il
diametro di una fibra ottica?
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