Le reti di calcolatori

Insegnamento di Informatica – a.a. 2016-17
Macerata, AA. 2016-2017
Le reti di calcolatori
INSEGNAMENTO DI INFORMATICA – A.A. 2016-17
Francesco Ciclosi
Insegnamento di Informatica – a.a. 2016-17
Le reti informatiche: definizione
 Una rete informatica o network è un insieme più o
meno grande di computer e dispositivi collegati tra
loro allo scopo di condividere risorse e informazioni
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Alcuni esempi di reti
 2 computer collegati tra
di loro (rete minima)
 Internet (rete di reti)
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I componenti fondamentali
 Banalmente il cablaggio e le schede di rete
sono i componenti indispensabili per
l’implementazione di una rete di elaboratori
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La classificazione
 Le reti possono essere classificate in base a:
a. Estensione fisica (LAN, MAN, WAN)
b. Metodo di amministrazione (peer-to-peer,
client-server)
o
o
o
o
Sistema operativo di rete (Windows, Unix, Netware)
Protocolli di rete (TCP-IP, IPX/SPX, AppleTalk)
Topologia (bus, anello, stella)
Architettura (Ethernet, Token Ring, FDDI)
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Classificazione per estensione (1/2)
 In base all’estensione fisica una rete si definisce:
• LAN (Local Area Network) – Rete locale, confinata a una
zona geografica limitata (stanza, piano, edificio, campus)
• MAN (Metropolitan Area Network) – Rete metropolitana,
di dimensioni intermedie tra una LAN e una WAN,
delimitata dai confini di una città o di un’area
metropolitana
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Classificazione per estensione (2/2)
 In base all’estensione fisica una rete si definisce:
• WAN (Wide Area Network) – Rete geografica, composta di
LAN interconnesse. Si estende su un area geografica
ampia utilizzando collegamenti come linee telefoniche o
satelliti per connettere computer in diverse città, nazioni
o continenti
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Server e client
 Un Server è un computer (o un’applicazione) che
rende disponibili le proprie risorse (dati, software
o periferiche) agli altri computer della rete
 Un Client è un computer (o un’applicazione) che
accede alle risorse di un server
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Classificazione per amministrazione
 La classificazione per metodo di amministrazione
definisce una rete sulla base di
• chi condivide le risorse
• in quale modo le risorse vengono condivise
 Rete client/server
• Caratterizzata da amministrazione centralizzata
 Rete peer-to-peer (o gruppi di lavoro) - “pari a pari”
• Caratterizzata da amministrazione decentralizzata
• Ogni nodo agisce sia da server che da client
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Il modello ISO/OSI
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Cos’è il modello OSI?
7
Application
6
Presentation
5
Session
4
Transport
3
Network
2
Data-Link
1
Physical
 Ogni strato (o livello) definisce le
attività di rete
 Ogni strato comunica sia con il
livello soprastante che con il livello
sottostante
Il modello Open System Interconnection (OSI) definisce i compiti
generici che vengono eseguiti per la comunicazione in rete
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Lo scopo del modello OSI?
Il modello OSI è un punto di riferimento comune per discutere la
comunicazione di rete che viene utilizzata per descrivere le
funzionalità dei dispositivi e dei protocolli
 Lo strato 7 fornisce ai programmi i servizi
necessari per l’accesso alla rete
 Gli strati 1 e 2 definiscono il mezzo fisico della
rete e le relativa attività connesse
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I sette livelli del protocollo ISO/OSI
Host A
Applicazione
Host B
Livelli (strati) dedicati all’applicazione
Applicazione
Presentazione
Presentazione
Sessione
Sessione
Trasporto
Livello (strato) di raccordo
Rete
Data Link
Trasporto
Rete
Livelli (strati) dedicati alla connettività
Fisico
Data Link
Fisico
Interconnessione
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I benefici degli standard di rete
 Consentono l’interoperabilità tra dispositivi e
sistemi di vendor differenti
 Riducono i costi
• Es.: il protocollo TCP/IP consente l’interazione tra
sistemi di vendor differenti
• Es.: il protocollo SMTP consente la comunicazione
tra differenti sistemi di posta elettronica
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I componenti di rete
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I componenti di rete
 PC / Workstation
 Server
LAN




Cablaggio
Switch
Router
Firewall
Internet
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Tipi di cablaggi
 Il cablaggio fa riferimento al livello fisico del
modello ISO/OSI
 Tra i tipi di cablaggi più diffusi vi sono:
•
•
•
•
Doppini intrecciati (Twisted-pair)
Fibra ottica (Fiber optic)
Cavi coassiali (oramai in disuso)
Connessioni senza fili (Wireless)
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Le tipologie di cablaggio
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Cos’è un Hub?
Uno switch:
È un ripetitore multiporta usato nelle LAN
Non tiene traccia della posizione dei computer
Server
Hub
PC e Workstation
Stampante
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L’Hub
 È un ripetitore multi porta che permette di
collegare tra loro numerosi dispositivi all’interno
di una LAN
 Alla ricezione di un segnale su di una porta lo
inoltra su tutte le sue porte a tutti i nodi connessi
 Muove i pacchetti tra i vari computer
 Non offre alcuna protezione dal packet sniffing
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Cos’è uno Switch?
Uno switch:
È un dispositivo di comunicazione usato nelle LAN
Tiene traccia della posizione dei computer
Server
Switch
PC e Workstation
Stampante
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Lo switch (o commutatore)
 Opera al livello di collegamento dati del modello OSI
 Muove i pacchetti tra i vari computer in base alla loro
posizione
 Traccia i computer in base all’indirizzo MAC
 Il packet sniffing su di una rete commutata richiede il
port mirroring
 Alcuni switch operano anche ai livelli 3 e 4 del
modello OSI
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Hub e switch
Hub
Switch
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Riepilogo delle differenze tra hub e switch
 Hub
• È un «ripetitore multiporta» che inoltra i dati in arrivo
da una sua porta su tutte le altre sue porte
• Il segnale in arrivo da un nodo è inviato a tutti i nodi
della rete
 Switch
• È un commutatore che inoltra selettivamente i pacchetti
ricevuta da una porta verso una specifica porta di uscita
• Il traffico è gestito attraverso gli indirizzi MAC
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Cos’è un Router?
Il router:
Muove i pacchetti tra le reti
Tiene traccia delle reti e non dei computer
Collega differenti locazioni fisiche
Viene anche chiamato gateway
Router/Gateway
Router/Gateway
LAN
LAN
Server
Server
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Il router
 È un «instradatore» di traffico
 È in grado di interconnettere più LAN e
inoltrare il traffico a una qualunque destinazione
(interna o esterna alla LAN) basandosi sugli
indirizzi IP
 Elabora e mantiene una tabella con i percorsi
più veloci per il recapito e percorsi secondari in
caso di eccessivo traffico o blocchi.
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Cos’è un Firewall?
Un firewall:
È un router che utilizza regole
Controlla la comunicazione in ingresso
(inbound) e in uscita (outbound)
Protegge gli host dietro il firewall
Host
Firewall
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Istradamento e commutazione nelle reti
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Caratteristiche di una LAN (1/2)
Una LAN:
È in una singola posizione fisica
Ha una connettività di rete veloce
Il livello di controllo è minimo
Server
Switch
PC e Workstation
Stampante
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Caratteristiche di una LAN (2/2)
 La LAN è confinata in una singola posizione
fisica che può essere un edificio o un campus
 Gli switch costruiscono automaticamente una
tabella interna di routing dei singoli computer
 Gli switch solitamente non hanno regole per
controllare le comunicazioni di rete
 Tutti gli host connessi alla LAN sono
considerati attendibili
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Caratteristiche di una WAN
Una WAN:
Connette differenti locazioni fisiche
Ha una velocità di connessione più lenta di quella di una LAN
È più costosa della connettività LAN
Solitamente utilizza la connettività fornita da un'altra società
Sede centrale
Router
Sede secondaria
LAN
Server
Server
Router
LAN
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Connessioni WAN
 Le connessioni possono essere:
• Dial-up: la connessione viene stabilita effettuando una
chiamata e ha la durata temporanea di una sessione di
trasferimento dati (es. modem)
• Permanenti: la connessione è sempre attiva (es. xDSL)
• Dedicate (punto-punto): connessioni che collegano un
punto specifico a un altro (es. due sedi di una stessa
azienda). Sono “dedicate” in quanto di uso esclusivo di
chi acquista il servizio e di conseguenza molto costose
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La rete perimetrale o DMZ
Una rete perimentrale (o DMZ):
Isola le risorse della LAN
Aumenta la sicurezza
LAN
Web
Server
Server
Internet
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L’accesso remoto
L’accesso remoto:
Fornisce accesso alle risorse della LAN da fuori l’ufficio
Può essere di tipo VPN o dial-up
Client Dial-up
LAN
Server
Server di
accesso
remoto (RAS)
Modem
Client VPN
Internet
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Le reti a commutazione di circuito (1/2)
 In una rete a commutazione di circuito viene
preventivamente riservato un circuito tra i due
nodi che devono comunicare tra di loro
 È come se venisse fisicamente steso un cavo di
una linea dedicata tra i due nodi
 Questa tecnologia è usata nelle reti telefoniche
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Le reti a commutazione di circuito (2/2)
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Le reti a commutazione di pacchetto (1/3)
 I dati non sono spediti direttamente da un
punto all’altro, ma inviati attraverso una serie di
nodi chiamati instradatori
 I nodi che devono comunicare tra di loro non
hanno a disposizione una linea dedicata
 I dati in uscita sono suddivisi in piccole porzioni
(pacchetti) e quindi trasmessi in rete
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Le reti a commutazione di pacchetto (2/3)
 I dati attraversano la rete di router in router e
quindi vengono riassemblati una volta giunti a
destinazione
 Ogni pacchetto può seguire un percorso diverso
 In tal modo si ottimizzano le risorse evitando
che una linea rimanga impegnata e inattiva per
la maggior parte del tempo, come avviene nelle
reti a commutazione di circuito
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Le reti a commutazione di pacchetto (3/3)
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La topologia di rete
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L’architettura (o topologia) di rete
 Determina il modo in cui i dispositivi e gli
elaboratori possono essere collegati tra di loro
 Non fa riferimento alla disposizione dei
componenti fisici, bensì alla modalità di
trasmissione dei dati
 Le principali architetture sono a:
• anello
• bus
• stella
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I componenti fondamentali
 Una rete è composta da alcuni elementi
fondamentali:
• Nodo, un qualsiasi dispositivo hardware in grado di
comunicare con gli altri dispositivi della rete
• Pannello di connessione (hub o concentratore),
semplifica la connessione fisica dei nodi e istrada i
segnali inviati da un nodo all’altro
• Dorsale, cavo ad alta capacità a cui sono collegati più
concentratori
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Architettura ad anello: schema
Nodo
Nodo
Nodo
Nodo
Nodo
 La topologia è attiva (≠ topologia a bus)
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L’architettura ad anello (1/2)
 I nodi della rete sono connessi in serie da un
cavo continuo (canale) che, dal punto di vista
logico, realizza un cerchio chiuso
 I nodi sono (fisicamente) collegati attraverso un
pannello di connessione in cui risiede l’anello
 Ogni nodo ha un contatto (logico) diretto solo
con il precedente e il successivo
 La comunicazione avviene a senso unico
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L’architettura ad anello (2/2)
 I computer sono connessi tramite un unico cavo
circolare privo di terminatori
 I segnali sono inviati in senso orario lungo il
circuito chiuso passando attraverso ciascun nodo
che funge da ripetitore e ritrasmette il segnale
potenziato al nodo successivo
 Il segnale passa così di nodo in nodo mediante
ritrasmissione fintanto che non giunge a quello di
destinazione
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Architettura a stella: schema
Nodo
Nodo
Nodo
Concentratore
Nodo
Nodo
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L’architettura a stella (1/2)
 In una topologia a stella ogni computer è
collegato con un cavo dedicato a un dispositivo
centrale o concentratore
 Il concentratore può essere un hub o uno switch
 Tutte le comunicazioni passano per il nodo
centrale
 Il nodo centrale gestisce tutte le comunicazioni
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L’architettura a stella (2/2)
 Richiede un’elevata quantità di cavi
 In caso di interruzione di uno dei cavi di
connessione tra un nodo e il concentratore, solo
quel nodo verrà isolato dalla rete
 In caso di mancato funzionamento del
concentratore, saranno interrotte tutte le attività
di rete
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Architettura a bus: schema
 A ogni estremità del cavo viene applicato un
terminatore che assorbe i segnali rendendolo
disponibile per l’invio da parte degli altri nodi
BUS
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L’architettura a bus (1/3)
 È il metodo più semplice di connettere in rete
dei computer
 Tutti i nodi sono collegati in serie lungo la stessa
linea di trasmissione
 Un singolo cavo (chiamato dorsale o segmento)
connette in modo lineare tutti i nodi
 I dati sono inviati a tutti i nodi come segnali
elettronici ma vengono accettati solo dal nodo il
cui indirizzo è contenuto nel segnale di origine
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L’architettura a bus (2/3)
 La trasmissione simultanea da parte di due nodi
genera un collisione e la perdita del messaggio
trasmesso
 Poiché un solo nodo alla volta può inviare dati,
maggiore è il numero di nodi connessi alla rete,
maggiore sarà il numero di nodi in attesa di
trasmettere dati, con conseguente decadimento
delle prestazioni dell’intera rete
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L’architettura a bus (3/3)
 La topologia è passiva: i nodi ascoltano i dati
trasmessi sulla rete, ma non intervengono nel
loro spostamento da un nodo al successivo
 I segnali trasmessi da un nodo viaggiano da
un capo all’altro del cavo, rimbalzando e
tornando indietro
 Il rimbalzo dei segnali impedisce agli altri nodi
di avviare nuove trasmissioni, fintanto che i
primi segnali non siano stati rimossi
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Architettura a bus: vulnerabilità
 La semplice rottura o il banale scollegamento di
un cavo fa si che il bus sia privo di terminatore
 In tal caso i segnali rimbalzano avanti e indietro
nel bus interrompendo l’attività su tutta la rete
 L’identificazione del guasto richiede l’ispezione
fisica di tutto il cablaggio di rete
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L’architettura di rete
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Il metodo di accesso
 Determina lo schema in base al quale si
stabilisce quando un nodo può trasmettere in
modo da evitare la sovrapposizione dei segnali
 Infatti, la sovrapposizione dei segnali determina
delle interferenze
 I più diffusi sono Ethernet e Token ring
 È determinato dalla scheda di interfaccia di rete
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Ethernet (1/2)
 Utilizza la modalità di accesso CSMA/CD
(Carrier Sense Multiple Access with Collision
Detection)
 Ogni nodo esamina lo stato della rete e se la
trovano libera prova a trasmettere
 In caso di tentativo di trasmissione simultanea, è
rilevata la collisione e ogni nodo coinvolto
rimane in attesa per un tempo casuale prima di
riprovare a trasmettere
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Ethernet (2/2)
 Chi effettua la trasmissione per primo acquisisce il
controllo della rete
 Vi sono varie implementazioni di Ethernet
• Legate al tipo di supporto (cavo coassiale, doppini
intrecciati, fibra ottica)
• Legate alla velocità di trasmissione (10 Mbps, 100 Mbps,
1 Gbps)
• Alla distanza massima percorribile (da 25 metri a 60 Km)
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Insegnamento di Informatica – a.a. 2016-17
Token ring
 I nodi non si contendono il controllo della rete
 I nodi ottengono il permesso di trasmettere
quando vengono in possesso di un gettone
elettronico (il token) che circola nella rete sotto
forma di segnale
 La topologia in uso è quella ad anello
Dipartimento di Scienze politiche, della comunicazione e delle relazioni internazionali - Corso di Laurea in Scienze della comunicazione
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I vantaggi di Token ring
 Il nodo mittente ha sempre la conferma che i
dati sono stati ricevuti
 Ogni volta che una trasmissione viene portata a
termine il nodo successivo ha sempre l’accesso
garantito
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Funzionamento di Token ring
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