Lezione 12.

SISTEMI DI ELABORAZIONE DELLE INFORMAZIONI
Le reti di calcolatori
Prof. Andrea Borghesan
http://venus.unive.it/borg
[email protected]
Ricevimento:
martedì, 12.00-13.30. Dipartimento di Matematica
Modalità esame: scritto + tesina facoltativa
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TERMINOLOGIA
 Account
 Sistema operativo di rete
 Amministratore di rete
 Gruppo
 Amministrazione centralizzata
 Local Area Network (LAN: rete locale)
 Server
 Risorse di rete
 Rete paritetica
 Client
 Client/Server
 Richiesta-risposta
rete metropolitana)
 Wide Area Network (WAN: rete
geografica)
 Network Interface Card (NIC: scheda
di interfaccia con la rete)
 Condivisione
 Protocollo di rete
 Condivisione di dispositivi
 Rete basata su server
 Controller di dominio
 Dispositivo collegato localmente
 Dispositivo periferico
 Ftp
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 Metropolitan Area Network (MAN:
 Dns
 Rete ibrida
 Dispositivo periferico
 Tcp/ip
 Http
Le Reti di calcolatori
La rete è un collegamento tra due o più computer (detti nodi) che
condividono delle risorse.
I nodi sono:
 Interconnessi: in grado di scambiare informazioni attraverso
svariati mezzi di trasmissione (cavi di rame, canali radio, ecc ..)
 Autonomi: nessun calcolatore dipende totalmente da un altro
calcolatore
Nella rete, i computer comunicano utilizzando dei protocolli di
comunicazione: insieme di regole e convenzioni (linguaggio) .
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SISTEMI OPERATIVI DI RETE
I primi sistemi operativi non erano pensati per comunicare/scambiare dati in
rete. Bisognava dunque installare dei pacchetti/software aggiuntivi, tali
funzionalità aggiuntive (LAN Manager–Microsoft) “espandevano/potenziavano”
il sistema operativo (OS) e lo faceva diventare un sistema operativo di rete
(NOS)
In ogni computer doveva essere installato il software per la comunicazione in
rete
I veri NOS riescono a gestire sia le attività dei singoli calcolatori sia le
comunicazioni in rete (NetWare, dalla famigliaWindows NT a windows7).
I sistemi operativi di rete richiedono molta potenza di elaborazione, tale potenza
si ottiene da una configurazione HW/SW, chiamata processo di multitasking
4
MULTITASKING
Consente al SO di avviare numerosi processi, quindi può controllare contemporaneamente
più attività. Il multitasking è in grado di supportare tanti processi quante sono le CPU, ma
nei computer che ne hanno una sola ciò viene effettuato con una tecnica detta partizione di
tempo.
La partizione di tempo è una divisione dei cicli macchina della CPU tra molteplici attività o
task; questo si fa assegnando a ciascuna attività una parte dei cicli di elaborazione, e
successivamente interrompendo quell’attività per attivare la successiva. Ciò si ripete finché
tutte le attività sono terminate.
Esistono 2 tipi di multitasking:
•A sospensione: il SO controlla quali processi possono accedere alla CPU e per quanto
tempo. Quando la partizione di tempo assegnata si è esaurita, il processo in corso viene
fermato e il task successivo ottiene il suo tempo per l’elaborazione. Un NOS ad alte
prestazioni si serve di questo tipo di multitasking.
•Cooperativo: il SO non può fermare il processo. Quando il processo ha il controllo della
CPU, lo tiene fino a quando non è terminato.
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Funzioni di una Rete
 Condivisione di risorse: dati, programmi, hardware utilizzati
dagli utenti a prescindere dalla collocazione fisica
 Accesso ad informazioni e servizi remoti: permette la
consultazioni di giornali in rete, sportelli bancari elettronici, ecc..
 Mezzo di comunicazione: permette di spedire e ricevere
messaggi di posta elettronica, partecipare a video conferenze, ecc..
 Supporto all’affidabilità del sistema: duplicare informazioni
su più calcolatori, distribuire l’elaborazione di dati su più
calcolatori, ecc..
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Classificazione delle reti
 Esistono numerose tipologie di rete, si caratterizzano per:
 Modalità di collegamento
 Modalità di gestione dei pacchetti (informazioni)
 Estensione geografica
 Canale trasmissivo
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Classificazione delle reti
Modalità di collegamento
 Reti Broadcast: unico mezzo di comunicazione condiviso tra tutti
i nodi della rete
N1
N2
N3
N4
Mezzo di comunicazione
 Si accede al mezzo di comunicazione tramite un protocollo che
coordina la gestione dei conflitti
 Il mittente invia un messaggio contenente l’indirizzo del destinatario
 Il messaggio raggiunge tutti i nodi che leggono l’indirizzo del
destinatario
 Il destinatario recepisce il messaggio e gli altri nodi lo ignorano
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Classificazione delle reti
Modalità di collegamento
 Reti punto-a-punto (point-to-point): costituite da molte
linee di comunicazione, ognuna delle quali connette 2 nodi
 Idealmente si vorrebbe connettere ogni coppia di nodi
 In pratica si connettono solo alcune coppie di nodi
N1
N3
N4
N2
N5
 I messaggi seguono un determinato percorso per giungere a
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destinazione
Classificazione delle reti
Modalità di gestione dei percorsi
 Reti punto-a-punto (point-to-point) si suddividono in:
 Commutazione di circuito, le risorse fisiche rimangono impegnate
durante tutta la comunicazione
 Si stabilisce un percorso mittente-destinatario detto circuito
 I dati seguono sempre lo stesso percorso
 Commutazione a pacchetto, non richiede di impegnare la risorsa
fisica durante tutta la comunicazione
 Il mittente suddivide il messaggio in pacchetti
 I pacchetti sono inoltrati in modi indipendente (possono seguire percorsi differenti,
arrivare in ordine sparso)
10
Classificazione delle reti
Estensione geografica
11
Distanza
computer
Luogo fisico
Tipologia di rete
1 Mt
scrivania
PAN, Personal Area Netwok
10 Mt
stanza
LAN, Local Area Network
100 Mt
Edificio
LAN, Local Area Network
1 Km
campus
CAN, Campus Area Network
10 Km
città
MAN, Metropolitan Area
Network
100 Km
nazione
WAN, Wide Area Network
1000 Km
continente
WAN, Wide Area Network
10000 Km
pianeta
Internet
Classificazione delle reti
Canale trasmissivo
 Doppino telefonico (Modem, ADSL): coppia di fili di rame
utilizzato per scambiare informazioni
 Wireless (reti senza fili): utilizza principalmente onde radio a
bassa potenza, in taluni casi radiazione infrarossa o laser
 Fibre ottiche: filamenti di materiali vetrosi o polimerici. I
filamenti conducono la luce
 Parabola (rete satellitare): utilizza connessioni satellitari
bidirezionali (non stiamo parlando del segnale televisivo
proveniente dal satellite, monodirezionale)
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Doppino telefonico
non schermato 1/2
CARATTERISTICHE:
 Definito in 5 categorie (con più coppie di fili e torsioni)
 CAT1 è adatto per le comunicazioni vocali
 CAT3 ha velocità di trasferimento fino a 10Mbps (minimo per le reti
moderne)
 CAT4: 16 Mbps
 CAT5 ha velocità fino a 100 Mbps
 Connesso tra la NIC di ogni host e il pannello di raccordo della rete, che
a sua volta connesso a un hub, per mezzo di connettori RJ-45
 RJ45, connettore per supporti a 8 fili; collega una linea telefonica da
una presa al modem o al telefono
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Doppino telefonico
non schermato 2/2
IL SUO UTILIZZO IN UNA ETHERNET 10BaseT:
 Si usano cavi da CAT3 a CAT5 e connettori RJ-45
 Questa topologia di rete supporta velocità da 10 a 100Mbps
 Può trasmettere fino a una distanza 100 metri
 Questa topologia è molto diffusa, perché supportata da molte piattaforme
 Supporti poco costosi, pochi problemi per il cablaggio della rete
DIFETTI:
14

Interferenze elettromagnetiche (diafonia)

È privo di schermatura, allora è facile alle intercettazioni.

Abbassamento dell’intensità del segnale sulla distanza
Cavo coassiale
IL SUO UTILIZZO IN UNA ETHERNET 10BaseT:
 Primo tipo di cavo per connettere i calcolatori a una rete, ancora utilizzato
 Dentro ha un filo centrale conduttore di rame. Il conduttore centrale è
ricoperto da un isolante, attorniato da un altro conduttore messo a terra, che
isola da interferenze.
 Può trasmettere a 10 Mbps
 La distanza va da 185 a 500 metri
 Le specifiche che separano i cavi coassiali sono l’impedenza (Ώ) e lo spessore
del cavo
 Le due categorie principali di cavi coassiali sono:
• Thinnet o RG-58 (da Thin Ethernet);
• Thicknet (da Thick Ethernet).
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Fibra Ottica
 Copre lunghe distanze circa 2 km
 Immune da interferenze e intercettazioni
 Conduttore centrale in vetro rivestito, più un’altra guaina protettiva
esterna.
 I dati sono inviati da un LED, che manda impulsi luminosi al centro della
fibra; un fotodiodo riceve il segnale e converte gli impulsi luminosi in
segnale elettrico.
 Velocità va da 100 Mbps a 2Gbps
DIFETTI:
 Rigido, allora difficile da installare
 Costoso, per ridurre i costi lo si usa in dorsali di rete o in aree con
interferenze
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Reti Paritetiche
VANTAGGI
SVANTAGGI
 Relazione di pari importanza tra
 Gli utenti potrebbero ritrovarsi a
computer
 Ciascun utente è amministratore di
rete
ricordare tante password quante
sono le risorse condivise
 Si blocca se ci sono troppi utenti
 Facili da installare e configurare
 Bisogna effettuare backup individuali
 Non è costosa
su
ciascuna
macchina,
per
proteggere tutti i dati condivisi
 Quando qualcuno accede alle risorse
condivise, la macchina su cui tali
risorse risiedono subisce un calo di
prestazioni
 Non serve alcuna attrezzatura o
server
 Non è necessario avere un impiegato
con
mansioni
administrator
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da
system
Reti Client/Server
PREGI
DIFETTI
 I server sono progettati
 Costi aggiuntivi
per
gestire velocemente più richieste
di risorse condivise
 Sicurezza fisica: verifica account
utente e password
 Gli utenti sono tenuti a ricordare
una sola password di accesso alla
rete
 Più semplice esecuzione di
operazione
di
backup
e
manutenzione di risorse dati
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 Serve un system administrator (a
volte anche uno staff di esperti)
per gestire il complesso software
per i/il server
 Se il server si blocca gli utenti non
possono neppure accedere alla
rete, rendendo quindi la rete
inutilizzabile
Esempio tipico di una LAN
 Rete cablata, utilizza modalità broadcast
 Topologia a stella (tra le più diffuse)
N3
N1
SWITCH
N4
N2
 Switch: dispositivo che inoltra i messaggi dal mittente al destinatario
 Reti wireless: utilizzano le modalità broadcast
 Access point gestisce la comunicazione tra i nodi della rete e
successivamente li connette alla rete principale
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Esempio tipico di una WAN
 Rete cablata, utilizza modalità broadcast
N4
 Topologia a stella (tra le più diffuse)
R
N1
S
N2
N3
G
S
N4
G
N4
R
G
S
N4
 Router: nodi della rete che smistano pacchetti verso altre reti
 N1, N2.., Nodi o Host: sono destinati ad eseguire applicazioni degli utenti
 Gateway: router di confine che collegano una rete locale ad una rete
geografica e assicurano compatibilità/validità dei pacchetti
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Componenti di una rete
Tra i dispositivi che possono servire a creare, segmentare, unire e
migliorare una rete troviamo:
 Adattatori
 Ripetitori
 Amplificatori
 Bridge
 Router
 Gateway
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Adattatori o Network Interface Card
La scheda adattatrice o NIC ( Network Interface Card ) è l’elemento che
connette fisicamente un computer alla rete.
Gli adattatori Plug and Play possono:
 configurarsi da sé
Oppure se non si possiede un adattatore Plug and Play:
 occorre configurare il livello di Interrupt Request Line ( IRQ) e l’indirizzo
Input/Output ( I/O ).
Sia l’IRQ che l’indirizzo I/O devono essere configurati in modo appropriato,
perché la scheda di rete possa funzionare correttamente
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RIPETITORI E AMPLIFICATORI
Per neutralizzare il deterioramento del segnale su una rete si possono utilizzare
ripetitori o amplificatori, che identificano il segnale che vi passa attraverso.
 RIPETITORI, usati nelle reti insieme a schemi di segnalazione digitale per
combattere l’attenuazione di segnale. Quando un ripetitore riceve una
trasmissione in entrata in banda base attenuata, ripulisce il segnale, lo
rinforza e lo passa al segmento successivo.
 AMPLIFICATORI, servono ad aumentare le distanze di
trasmissione su reti che utilizzano segnali analogici, ovvero per la
trasmissione di banda larga. I segnali analogici possono trasferire
contemporaneamente sia la voce sia i dati, il filo è diviso in molteplici
canali, per poter trasmettere diverse frequenze nello stesso momento.
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HUB o SWITCH
Esistono tre tipi di hub:
 PASSIVI, non hanno bisogno di alimentazione elettrica e si comportano
solo come punto di collegamento fisico
 ATTIVI, richiedono alimentazione elettrica, che serve per rinforzare i
segnali che vi passano attraverso
 INTELLIGENTI,
possono
l’instradamento del traffico
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fornire
servizi
come
ad
esempio
BRIDGE (o ponte)
Leggono l’indirizzo MAC della destinazione assegnata da ciascun pacchetto dati
in entrata e esaminano le “bridging tables” per determinare dove devono
inoltrare/spedire il pacchetto.
VANTAGGI:
 Possono connettere segmenti che usano vari tipi di supporto
SVANTAGGI:
 Non possono connettere reti che usano differenti schemi di accesso ai
supporti
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ROUTER (o instradatore)
Confronta l’indirizzo di rete del pacchetto con le voci della tabella di instradamento se
trova una corrispondenza, invia il pacchetto sul percorso individuato. Si tratta di
terminali con più schede di rete ciascuna collegata ad una rete differente. Quindi, nella
configurazione più semplice, il router deve solo "guardare" su quale rete si trova un
computer per fargli arrivare i datagrammi da parte del mittente
Esistono due tipi di dispositivi di instradamento:
•Router statici, la tabella di routing è inserita
manualmente dall'amministratore (utilizzabile
per piccole reti)
•Router dinamici, costruisce da solo la tabella
di routing in funzione delle informazioni ricevute
(attraverso i protocolli di routing)
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VANTAGGI ROUTER
SVANTAGGI ROUTER
 Aiutano a diminuire la congestione in
 Più costosi




27
rete
Rendono più affidabile il recapito dei
dati
Sono in grado di selezionare un
percorso alternativo per il pacchetto,
se quello predefinito è fuori uso
Sono superiori ai bridge per quanto
riguarda la capacità di filtrare e
dirigere i pacchetti di dati attraverso
la rete
Può collegare molte reti piccole
posto che i protocolli impiegati siano
instradabili (siano in grado di operare
al di fuori della sua stessa sottorete)
 Più difficili da gestire rispetto ai
ripetitori
 Router
dinamici
possono
aggiungere un traffico eccessivo
alla rete
GATEWAY
Termine generico che indica il servizio di inoltro dei pacchetti verso l'esterno,
permette la comunicazione tra due o più segmenti di rete. Funzionamento:
Funzionamento: un computer connesso alla rete locale confronta, i primi bit
dell'indirizzo di destinazione dei dati da inviare, con quelli del proprio
indirizzo:
 se corrispondono, significa che il computer di destinazione è sulla stessa rete
locale;
 se invece non corrispondono, il computer d'origine invia i dati
al gateway predefinito, il quale si occuperà del loro successivo instradamento
verso la rete remota di destinazione
SVANTAGGI
 Difficili da installare e configurare
 Più costosi rispetto agli altri dispositivi di connessione
 A causa del processo di traduzione possono essere più lenti dei router
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TOPOLOGIE DI RETE
Una topologia di rete è la rappresentazione più intuitiva di una rete di
telecomunicazioni. Una topologia di rete rappresenta un modello
geometrico (grafo) i cui elementi costitutivi sono i nodi e i rami.
Esistono varie topologie:
 Bus
 Anello
 Stella
 Maglia
 Ibridi:
 Stella-bus
 Maglia ibrida
29
BUS
VANTAGGI
30
•
Sistema più rapido e semplice per
installare una rete
•
Più facile da configurare
•
Buon sistema per mettere in piedi una
rete provvisoria in poco tempo
•
È la scelta migliore per reti di piccole
dimensioni
SVANTAGGI
•
Un difetto di funzionamento nella
dorsale del bus può compromettere
l’operatività di tutta la rete
ANELLO
VANTAGGI
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SVANTAGGI
•
Il gettone garantisce equa opportunità di
accedere al supporto e quindi di trasmettere
i propri dati
•
Un computer può inviare i propri dati
solamente quando è in possesso del
gettone
•
Ciascun computer è in grado di
ritrasmettere qualunque pacchetto di dati
che ha ricevuto e che è indirizzato ad altre
stazioni sull’anello
•
Un difetto di funzionamento su una
stazione può compromettere l’intera rete
•
Bisogna disattivare temporaneamente
tutta la rete se in una qualsiasi parte della
rete sono necessarie operazioni di
manutenzione o riconfigurazione
•
Elimina la necessità di ripetitori
•
È facile da installare e configurare e richiede
pochissimo hardware
STELLA
VANTAGGI
32
•
un difetto nel funzionamento di una
stazione non compromette l’intera rete
•
È più semplice localizzare cavi rotti e
altri guasti
•
L’hub centralizzato rende più semplice
l’aggiunta di nuovi computer o la
riconfigurazione della rete
SVANTAGGI
•
Se due stazioni emettono segnali in direzione
dello hub contemporaneamente nessuna delle
due trasmissioni avrà successo e ciascuno dei
due computer dovrà aspettare un periodo
casuale di tempo prima di tentare
nuovamente l’accesso al supporto
•
Utilizza molti cavi
•
L’hub centrale gestisce la maggior parte delle
funzioni per questo un suo guasto fa cessare
l’attività di tutta la rete
MAGLIA
VANTAGGI
•
•
33
SVANTAGGI
Il sistema è abile nello “schivare” i guasti,
ridondante nelle connessioni
•
Quantità di cavi in rete maggiore
•
Più costoso
Un singolo cavo rotto non interrompe le
comunicazioni in rete perché ogni
computer dispone di diversi percorsi
possibili
•
Molto difficile da installare
STELLA-BUS
VANTAGGI
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•
Non basta un guasto in un singolo
computer o segmento per inattivare
l’intera rete
•
Se si rompe un singolo hub, solo i
computer connessi a tale hub non
possono comunicare sulla rete
MAGLIA IBRIDA
VANTAGGI
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•
Maglie esistono solo su una parte della
rete
•
Assicura una certa tolleranza ai guasti
tra i server
•
Costa meno di una rete a maglia
completa
SVANTAGGI
•
Non è a prova di guasto (anche se in
verità nessuna rete lo è…)
Stratificazione protocollare
(Protocol “Layering”)
Le reti sono complesse!
 Molti elementi:
 host
 router
 link fisici dalle
caratteristiche diverse
 applicazioni
 protocolli
 hardware, software
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Domanda:
Come organizzare la struttura
della rete?
Modello a livelli
 Le reti di calcolatori sono organizzate secondo una pila di livelli





37
(detta anche strati), tali livelli semplificano il compito ai
programmatori delle applicazioni
Ciascun livello offre servizi per il livello soprastante
Ciascun livello utilizza servizi offerti dal livello sottostante
Ogni livello dialoga con un pari livello (detto anche peer) ma su
nodi differenti per realizzare i servizi di competenza
Il protocollo di comunicazione fornisce le regole per lo
scambio di informazioni tra peer dello stesso livello
Unità dati del livello N: formato pacchetti utilizzato dai peer di
livello N
Servizio postale: una prospettiva diversa
Sorgente
Destinazione
Lettera (mittente)
Lettera (cons. a dest.)
Controllo destinazione
(consegna a corriere)
Controllo destinazione
(riceve da corriere)
Corriere
Corriere (consegna)
Trasporto (aereo, treno...)
Strati: ogni strato implementa un servizio
 Mediante funzionalità interne
 Usando i servizi messi a disposizione dagli strati inferiori
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Perché la stratificazione?
I sistemi sono complessi:
 La stratificazione permette una più facile organizzazione e
individuazione delle funzionalità
 La modularità facilita la manutenzione e la modifica dei
sistemi
 La modifica dell’implementazione dei servizi resi da uno strato
è trasparente (non si modifica l’interfaccia)
 Esempio, cambiare il corriere non altera il funzionamento
complessivo del servizio postale
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La stratificazione di Internet
 application: scambio messaggi nelle applicazioni di




40
application
rete
 ftp, smtp, http
transport
transport: trasferimento segmento dati end-to-end
 tcp, udp
network: trasferimento di datagrammi da sorgente a network
destinazione (host-to-host)
 ip, routing protocols
link
link: trasferimento di frame tra elementi di rete
adiacenti
 ppp, ethernet
physical
physical: bit “sul cavo”
Protocollo TCP/IP
Livello Physical
 Trasmette e riceve un flusso di bit attraverso una determinata
linea di comunicazione
 Il principale problema affrontato a questo livello riguarda la
codifica dei bit per la trasmissione su:
 Doppino telefonico
 Fibra ottica
 Canale radio
 Trasmissione caratterizzata da 3 parametri:
 Velocità di trasmissione
 Tasso di errore
 Ritardo di propagazione
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Protocollo TCP/IP
Livello Data-link
 Trasferisce un frame tra due nodi direttamente collegati da una linea di




42
comunicazione
Scheda di rete è identificata da un indirizzo MAC (Media Access Control),
ovvero un identificativo di 48 bit scritto permanentemente sulla ROM (ad es.
01:23:45:67:89:ab)
Quando il livello di rete deve spedire un datagramma:
 il livello data-link crea un pacchetto (frame) definito dal datagramma e
dall’indirizzo MAC di destinazione
 invia il frame a livello fisico
Quando un frame arriva al livello di data-link:
 Confronta il proprio indirizzo MAC con quello contenuto nel frame
 Estrae dal frame il datagramma originario e lo invia al livello di rete
Si occupa dei problemi riguardanti il mezzo fisico e il coordinamento
dell’accesso al mezzo condiviso
Protocollo TCP/IP
Livello di Network
 Trasferisce un datagramma tra due nodi della rete connessi da un percorso
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(problema dell’instradamento)
 Nodi della rete identificati mediante gli indirizzi IP (Internet Protocol),
ovvero un identificativo di 32 bit scritto in un file di configurazione del sistema
operativo (ad es. 127.0.0.1, localhost)
 Quando il livello di trasporto deve spedire un segmento:
 il livello rete crea un datagramma con il segmento, l’indirizzo IP del
mittente e l’indirizzo IP del destinatario
 Se l’indirizzo IP appartiene alla rete locale, il pacchetto è spedito al nodo di
destinazione, altrimenti è spedito al router della rete. Le spedizioni
avvengono passando il datagramma al livello data-link.
 Quando il datagramma arriva al livello di rete:
 Il router utilizza una tabella di instradamento
 Il nodo di destinazione riconosce il proprio indirizzo IP
 Estrae il segmento originario e lo recapita al livello di trasporto
Protocollo TCP/IP
Livello diTrasport
 Trasferisce un segmento tra due processi applicativi in esecuzioni
su due nodi della rete (problema dello smistamento)
 Il processo applicativo è identificato mediante un numero di porta,
ovvero un identificativo di 16 bit
 Affinché un processo possa accedere alla rete deve richiedere la
creazione di un canale di comunicazione (detto anche socket) al
quale è associata una porta
 UDP (User Datagram Protocol): non garantisce che i dati
arrivino al destinatario
 TCP (Trasfer Control Protocol): garantisce la consegna dei
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dati nell’ordine di spedizione
Protocollo TCP/IP
Livello di Application
 Ciascuna applicazione si avvale di specifici protocolli per:
 la struttura e il significato dei messaggi scambiati
 le regole secondo cui il processo invia e riceve messaggi
 Comprende le applicazioni che fanno uso della rete attraverso i
servizi offerti dal livello di trasporto (ad es. i browser)
 Protocolli di comunicazione più diffusi:
 HTTP (servizio web)
 FTP (servizio per il trasferimento di file)
 TELNET/SSH (servizio per l’uso di terminali remoti)
 SMTP (servizio di posta elettronica)
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