Reti di Calcolatori

Laboratorio di Informatica (Chimica)
Lezione 03: Le Reti.
Walter Cazzola
Dipartimento di Informatica e Comunicazione
Università degli Studi di Milano.
e-mail: [email protected]
Walter Cazzola
Lezione 3: Reti di Computer
1
Le Reti Telematiche
Tra le tecnologie del XX secolo dominano
l’elaborazione e la distribuzione delle
informazioni
– Nascono le reti di telecomunicazioni
– Si sviluppano le componenti HW e SW dei
calcolatori
A partire dagli anni ‘70 informatica e
telecomunicazioni convergono nelle reti
telematiche
Walter Cazzola
Lezione 3: Reti di Computer
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Le Reti Telematiche
Una rete consiste in:
– un certo numero di dispositivi
– interconnessi, capaci di comunicare e di condividere le proprie
risorse con gli altri
– calcolatori (per l’elaborazione dei dati)
– event. con compiti differenziati
– dispositivi e canali di comunicazione (per il
trasferimento fisico dei dati)
– modem, ...
– cavi, onde, …
– software di gestione della rete
Walter Cazzola
Lezione 3: Reti di Computer
3
Le Reti Telematiche
Finalità:
Condivisione di risorse
–
–
–
dati (database remoti o distribuiti, …)
programmi
dispositivi (stampanti, elaboratori, dischi, …)
–
–
–
messaggi (email, chat, irc, news, bbs, …
file
ma anche videoconferenza, ...
Comunicazione tra utenti
Walter Cazzola
Lezione 3: Reti di Computer
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Le Reti Telematiche
Miglioramento dell’affidabiltà del sistema
– replicazione di file e di risorse
Risparmio
– condivisione (stampanti, …)
– realizzazione di grandi sistemi di calcolo a
partire da tanti piccoli elaboratori (downsizing)
Intrattenimento
– video on demand, musica on line, giochi di rete
Walter Cazzola
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Sistema di Comunicazione
Sorgente
Sistema di Trasmissione
sender
segnale
receiver
Canale di Trasmissione
Destinatario
Walter Cazzola
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Sistema di Comunicazione
Problemi da affrontare:
come mettere in comunicazione più sorgenti e più
destinatari
– schemi di connessione (topologia)
– tecnologie di trasmissione
come trasmettere i segnali in modo affidabile e
efficiente
– mezzi di trasmissione
– codifiche e protocolli
Walter Cazzola
Lezione 3: Reti di Computer
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Le Reti di Calcolatori
Per quanto riguarda come mettere in comunicazione più
sorgenti e più destinatari, le reti sono caratterizzate in
base a:
– Scala, cioè distanza tra i nodi
– Topologia, cioè lo schema di connessione tra i nodi
– Tecnologia di trasmissione: a diffusione (broadcast),
punto a punto
Walter Cazzola
Lezione 3: Reti di Computer
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Le Reti di Calcolatori
Rappresentate mediante grafi
vertici: nodi della rete
– computer (host) e terminali
– apparati di rete o elementi di commutazione (router,
gateway)
archi: connessioni tra i nodi
– cavi, collegamenti satellitari, micro-onde
Walter Cazzola
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Topologie di Rete
La topologia, cioè lo schema di connessione tra
i nodi, può essere
–
–
–
–
–
bus o lineare
anello
stella
albero
maglia
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Topologia a Bus
Topologia a bus o lineare: tutti i computer sono collegati
ad un cavo lineare condiviso sul quale trasmettono a
turno (secondo una predefinita regola di arbitraggio), e
ascoltano simultaneamente
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Topologia ad Anello
Topologia ad anello:
– i computer sono
collegati su un anello
– i computer trasmettono
a turno (secondo una
regola di arbitraggio
prestabilita)
– i dati inviati da un nodo
percorrono l’anello fino
a quando raggiungono il
destinatario
es: Token Ring
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Topologia a Stella
Topologia a stella: tutti i nodi sono collegati ad un
calcolatore centrale (host), che riceve i dati inviati dai
singoli e li smista ai destinatari.
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Topologia ad ALbero
Altri schemi di connessione dei nodi
di una rete sono varianti o
combinazione dei precedenti.
Walter Cazzola
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Topologia a Maglia
Walter Cazzola
Lezione 3: Reti di Computer
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Scala
Le reti sono classificate in base alla scala, cioè
alla distanza tra i nodi:
–
–
–
–
locale
metropolitana
geografica
internetwork
Walter Cazzola
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Scala - Sistemi Multiprocessore
Reti interne al computer: nei computer paralleli (cioè
dotati di più processori) i processori sono collegati
attraverso una rete.
– Hanno una estensione molto ridotta (da 1 cm. a 1 m.
massimo).
– Sono molto veloci
– Gli schemi di connessione dei nodi formano strutture
con particolari proprietà (alberi, maglie, ipercubi)
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Scala: Reti locali
Reti locali (LAN, Local Area Network)
– collegano i computer di una
stanza, un edificio, un quartiere
(si estendono al più per qualche
km)
– sono veloci (Gb/s)
– sono usate in modo esclusivo dal
proprietario
LAN Hub
LAN Server
Stampante
Non Condivisa
Stampante
Condivisa
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Lezione 3: Reti di Computer
Aula Computer
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Scala: Reti Metropolitane
Reti metropolitane (MAN, Metropolitan Area Network)
– collegano i computer di vari edifici a livello cittadino realizzate
spesso con la stessa tecnologia delle LAN
– possono trasportare dati e voce
– possono essere private o pubbliche
– sono mediamente veloci (Mb/s)
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Scala: Reti Geografiche
Reti geografiche (WAN, Wide Area Network)
– collegano i computer sul territorio nazionale
– usano linee di comunicazione pubbliche (telefoniche,
canali satellitari)
– hanno una topologia complessa
– velocità dell’ordine dei Kb/s - Mb/s
Walter Cazzola
Lezione 3: Reti di Computer
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Scala: Reti di Reti
Sono una aggregazione di varie reti
– più reti dello stesso tipo
– reti di tipo diverso
Îtecnologie
e scale diverse
Îhardware e software diversi
esempio: Internet - la rete delle reti
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Lezione 3: Reti di Computer
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Le Reti Telematiche
Per quanto riguarda come trasmettere i segnali in modo affidabile e
efficiente, possiamo vedere le reti come un insieme di:
– canali di comunicazione (dedicati/condivisi)
– trasportano fisicamente le informazioni codificate
– protocolli (proprietari/standard pubblici)
– definiscono le regole e il modo per trasferire le informazioni
– apparati di rete
– codificano l’informazione e la inviano sui cavi.
che collegano tra loro computer distinti
Walter Cazzola
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Canali di Comunicazione
Canali guidati
– doppino telefonico,
– cavo coassiale,
– fibre ottiche,
Canali non guidati
–
–
–
onde radio,
micro onde,
infra rossi.
Walter Cazzola
canali guidati
Lezione 3: Reti di Computer
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Canali di Comunicazione
tipo
doppino telefonico
velocità minima
300bps
velocità massima
10 mbps
micro onde
256kbps
100 mbps
satellite
256kbps
100 mbps
cavo coassiale
56 kbps
200 mbps
fibra ottica
500 kbps
10 gbps
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Lezione 3: Reti di Computer
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Canali di Comunicazione
Esempio di sistema a collegamento misto
Walter Cazzola
Lezione 3: Reti di Computer
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Dispositivi di Rete
I segnali trasmessi in rete devono essere:
–
–
–
amplificati per arrivare più lontano
convertiti per essere trasferiti ad una rete diversa
inviati nella giusta direzione
Ripetitori (repeater)
– rigenerano e amplificano i segnali
Ponti (bridge)
– connettono reti che utilizzano collegamenti fisici diversi.
Instradatori (router)
– instradano un messaggio da un nodo in una rete ad un nodo in
un’altra rete
Gateway
– collegano reti che utilizzano protocolli di comunicazione diversi
Walter Cazzola
Lezione 3: Reti di Computer
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Dispositivi di rete
LAN
repeater
LAN
router
Walter Cazzola
bridge
LAN
Lezione 3: Reti di Computer
LAN
gateway
internet
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Le Reti Telematiche
Per quanto riguarda i protocolli, che definiscono le regole e il
modo per trasferire le informazioni, possiamo distinguere le
reti in base a:
organizzazione
– gerarchica
– paritetica
tecnologia di trasmissione
– a diffusione (broadcast)
– punto a punto
software (standard di comunicazione)
– modello ISO-OSI
– architettura TCP/IP
Walter Cazzola
Lezione 3: Reti di Computer
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Organizzazioni
client/server.
– organizzazione gerarchica
– il server gestisce centralmente la condivisione delle
risorse, la sicurezza della rete e la sua gestione
– i client fanno le richieste al server.
peer-to-peer
– organizzazione paritetica
– ogni stazione si occupa dei propri problemi di gestione.
Walter Cazzola
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Tecnologie di Trasmissione
a diffusione (broadcast)
– tutti i nodi condividono un unico canale di
comunicazione
– l’informazione spedita dalla sorgente viene
ricevuta da tutti i nodi della rete
Îsolo
la destinazione la elabora
– tipica di reti locali e reti senza fili (wireless)
Walter Cazzola
Lezione 3: Reti di Computer
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Tecnologie di Trasmissione
punto a punto
– connessioni tra coppie di nodi
– l’informazione raggiunge la destinazione
attraversando i nodi intermedi sul cammino dalla
sorgente ad essa
Î ciascun
nodo intermedio deve sapere in quale direzione far
proseguire l’informazione
Î ricerca del cammino
Î tolleranza ai guasti grazie a cammini multipli
– dalle reti geografiche in sù
Walter Cazzola
Lezione 3: Reti di Computer
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Trasmissione punto a punto
Strategie di instradamento:
– commutazione di circuito
Î modello
dei collegamenti telefonici
Î crea un canale logico temporaneo dedicato, costituito da
una successione di connessioni tra nodi della rete.
– commutazione di pacchetto
Î modello
delle spedizioni postali
Î informazione suddivisa in pacchetti di dati di piccole
dimensioni (KByte)
Walter Cazzola
Lezione 3: Reti di Computer
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Commutazione di Pacchetto
I pacchetti, cioè le unità minime di trasmissione, sono
composti da intestazione (header) e dati (payload)
– sono instradabili indipendentemente
– contengono ciascuno mittente e destinatario e le
informazioni necessarie per ricomporre i
pacchetti nel formato originale dell’informazione
Walter Cazzola
Lezione 3: Reti di Computer
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Standard di Comunicazione
Per poter comunicare, due calcolatori devono concordare
delle convenzioni, o standard di comunicazione, relative
a:
– formato dei dati
– struttura dei pacchetti e informazioni di controllo
– velocità di trasmissione
– ...
Walter Cazzola
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Standard di Comunicazione
Modello ISO/OSI
Organizzato a livelli per ridurne la complessità e
aumentarne la flessibilità
– il numero dei livelli e le loro funzionalità dipendono dal
tipo di rete;
– ogni livello formalizza un particolare aspetto (livello di
astrazione) della comunicazione;
– ogni livello fornisce servizi per, e comunica fisicamente
solo con, i due livelli adiacenti, superiore e inferiore (se
esistono).
Walter Cazzola
Lezione 3: Reti di Computer
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Standard di Comunicazione
Esempio:
B
A
pacco
pacco
spedizioniere
spedizioniere
container
container
c. aerea
Walter Cazzola
aereo
Lezione 3: Reti di Computer
c. aerea
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Standard di Comunicazione
Livelli adiacenti comunicano mediante interfacce
– definiscono le operazioni primitive e i servizi che il livello
sottostante offre a quello soprastante
– sono strutturate in modo da ridurre al minimo gli scambi
di informazione.
Le regole per la comunicazione sui vari livelli si chiamano
protocolli
– stabiliscono come la comunicazione deve procedere e il
formato dei pacchetti
– ogni protocollo aggiunge un’instestazione al messaggio con
le informazioni che servono al livello omologo all’altro
capo della comunicazione per interpretare il messaggio.
Walter Cazzola
Lezione 3: Reti di Computer
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Standard di Comunicazione
L’insieme dei protocolli usati ai vari livelli di una
rete è detto pila dei protocolli.
L’insieme dei livelli e dei protocolli si chiama
architettura di rete.
Walter Cazzola
Lezione 3: Reti di Computer
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Standard di comunicazione
Il modello di riferimento ISO-OSI
Walter Cazzola
Lezione 3: Reti di Computer
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L’architettura TCP/IP
Transmission Control Protocol/Internet Protocol
– sviluppata per consentire l’interoperabilità tra reti
fisiche diverse negli anni ’70.
Composta da 5 livelli
(lo stack TCP/IP è una realizzazione del modello ISO/OSI)
–
–
–
–
–
applicazione
trasporto
internet
accesso alla rete
fisico
Walter Cazzola
Lezione 3: Reti di Computer
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L’architettura TCP/IP
Livello fisico
–
–
–
le
la
la
caratteristiche del mezzo di trasmissione
natura dei segnali
velocità di trasmissione
Livello di accesso alla rete
– organizzazione dei dati
– instradamento all’interno di una rete
Walter Cazzola
Lezione 3: Reti di Computer
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L’architettura TCP/IP
Livello internet
– definisce il formato dei messaggi
– sistema di tipo senza connessione
Î verifica
l’integrità dell’intestazione, ma non quella dei dati
Î non garantisce l’ordine di consegna né la consegna
Î i pacchetti possono seguire percorsi diversi
–
–
–
definisce lo schema di indirizzamento
gestisce l’attraversamento di reti diverse (router)
trasparente all’utente finale
Walter Cazzola
Lezione 3: Reti di Computer
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L’architettura TCP/IP
Livello Trasporto
– organizza in pacchetti la sequenza di byte da
trasmettere, la riorganizza all’arrivo
– usa il Transport Control Protocol, orientato alla
connessione
Î garantisce
l’ordine dei pacchetti
Î garantisce la consegna
Î garantisce la correttezza dei byte trasmessi
ritrasmette in caso di errore
Î controlla
il flusso perché
causa di un trasmittente
Walter Cazzola
un ricevente lento non soffochi a
veloce
Lezione 3: Reti di Computer
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L’architettura TCP/IP
Livello Trasporto (segue)
– può usare lo User Datagram Protocol
Î privo
di connessione
Î non garantisce l’ordine dei pacchetti
Î inaffidabile
Î veloce
Î non controlla la correttezza
Î adatto per servizi in cui il tempo di risposta è più
importante della correttezza. Es., video, audio
Walter Cazzola
Lezione 3: Reti di Computer
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L’architettura TCP/IP
Livello applicazione
– TCP/IP non è orientato ad alcuna specifica
applicazione.
– Livello applicazione di TCP/IP specifica come
un’applicazione può utilizzare l’insieme dei protocolli
TCP/IP, fornendo quindi la possibilità di comunicazione
tra applicazioni eseguite su calcolatori diversi
Protocolli applicativi: definiti al di sopra di TCP/IP
Walter Cazzola
Lezione 3: Reti di Computer
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L’architettura TCP/IP
È un’eccellente piattaforma per la realizzazione di
applicazioni client-server affidabili.
Permette di condividere informazioni tra organizzazioni
diverse connesse alla rete Internet.
È implementato nella gran parte dei sistemi operativi.
Walter Cazzola
Lezione 3: Reti di Computer
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Internet
Definizioni:
– Una rete di reti basate sui protocolli TCP/IP;
– un insieme di risorse informative che tale rete rende
disponibili;
– una comunità di individui che usa tale rete.
Walter Cazzola
Lezione 3: Reti di Computer
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Internet
Schema di indirizzamento
Definito da IP, a 32 bit (4 Byte)
Gli indirizzi IP (IP address) vengono rappresentati in forma decimale, un
numero per ogni Byte.
Ogni calcolatore sulla rete è identificato univocamente da un indirizzo
simbolico oltre che da uno numerico
– athena.cs.wm.edu = 128.239.26.67
Ogni indirizzo IP è concettulamente diviso in due parti
– la rete fisica a cui la stazione è collegata
– la singola stazione nell’ambito della rete fisica
Walter Cazzola
Lezione 3: Reti di Computer
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Internet
Schema di indirizzamento
I campi dell’indirizzo identificano gerarchicamente la macchina nella
rete
– da sin a dx nel simbolico
– da dx a sin nel numerico.
esempio
– athena.cs.wm.edu = 128.239.26.67
Î edu
(128): la rete della ricerca & istruzione USA
Î wm (239): l’istituzione
Î cs (26): il dipartimento
Î athena (67): la macchina
Walter Cazzola
Lezione 3: Reti di Computer
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Internet
Il suffisso simbolico è fisso.
Per gli USA
–
–
–
–
–
.edu: istituti universitari e simili
.gov: enti governativi
.org: enti non commerciali
.com: siti commerciali, ormai internazionale
.mil: siti militari
Per gli altri paesi è l‘indificativo del paese:
– .it (Italia), .de (Germania), .uk (Regno Unito),
.au (Australia), .ch (Svizzera), ecc.
Walter Cazzola
Lezione 3: Reti di Computer
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Internet
Protocolli applicativi
– i protocolli di alto livello che i prodotti software
usano per offrire servizi agli utenti finali
– offrono una comunicazione basata su
un’architettura di tipo client-server.
Walter Cazzola
Lezione 3: Reti di Computer
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Internet
Servizi e Protocolli applicativi
Connessione a calcolatori remoti: il proprio calcolatore è
impiegato come terminale a interfaccia alfanumerica.
–
–
–
telnet
rsh
ssh
Trasferimento di file tra calcolatori
– FTP: File Transfer Protocol
Posta elettronica: consente agli utenti di scambiarsi
messaggi.
– SMTP: Simple Mail Transfer Protocol - email
– POP: Post Office Protocol - lettura remota della posta
elettronica
Walter Cazzola
Lezione 3: Reti di Computer
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Internet
Servizi e Protocolli applicazione
News: messaggistica all’interno di gruppi di interesse
(newsgroups)
– NNTP: Network News Transport Protocol
World Wide Web: consultazione interattiva di ipermedia
con modalità point-and-click
– HTTP: HyperText Transfer Protocol
– accesso ad altri servizi
Î posta
elettronica
Î trasferimento file
Walter Cazzola
Lezione 3: Reti di Computer
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