Reti di calcolatori - Dipartimento di Informatica

Reti di calcolatori
Da leggere:
Cap.5
Sawyer, Williams (testo A)
Cap.6 (primi 3 paragrafi)
del Console Ribaudo
(testo B)
Viviana Patti
Informatica di base 13/12/04
Reti: una prospettiva storica
Once upon a time...tutti i calcolatori erano isolati l'uno
dall'altro e potevano essere utilizzati solo da chi aveva
accesso ad essi.
Oggi invece i calcolatori sono connessi a formare delle
reti
i dati sono fruibili in modo più semplice, anche a
distanza -> il loro valore informativo aumenta!
dall'interazione uomo-macchina si passa all'interazione
uomo-calcolatore remoto
Viviana Patti
Informatica di base 13/12/04
1
Reti di calcolatori: aree di applicazione
Comunicazione tra utenti in locazioni fisiche
differenti (scambio di messaggi e dati)
comunicazioni in ambito di ricerca
utilizzo di basi di dati in locazioni remote
lavoro cooperativo
possibilità di svolgere attività di lavoro a
casa (tele-lavoro)
accesso a informazioni di varia natura
Viviana Patti
Informatica di base 13/12/04
Reti di calcolatori: aree di applicazione
Condivisione di dispositivi periferici:
connettere una periferica costosa a una rete
che serva più utenti.
Es. non è economico comprare uno scanner,
o stampante per ogni PC del lab
Condivisione di programmi/applicazioni e
dati: più utenti usano lo stesso software e
devono accedere alle stesse informazioni
es. basi di dati a cui molti utenti (da diversi
computer) posso accedere
Comunicazione
Viviana Patti
Informatica di base 13/12/04
2
Reti di calcolatori
È possibile identificare due tipologie di reti di
computer
reti locali che collegano elaboratori vicini tra
di loro, ossia computer e dispositivi in
un’area geografica limitata, per esempio un
ufficio, un edificio o un gruppo di edifici a
breve distanza.
reti geografiche che collegano elaboratori in
località remote (paese, globo terrestre)
Viviana Patti
Informatica di base 13/12/04
Reti di calcolatori: hardware
Per avere una rete è indispensabile il collegamento
fisico tra diversi computer
Meccanismi in grado di trasmettere informazioni (canali
di comunicazione)
cavi elettrici
cavi a fibre ottiche
linee telefoniche
trasmissioni wireless via satellite
Diverse possibili topologie di collegamento
Meccanismi in grado connettere i computer con i vari
canali di comunicazione
modem
Viviana Patti
Informatica di base 13/12/04
3
Reti di calcolatori: software
Sono inoltre necessari meccanismi software per
permettere ai vari computer di dialogare e di gestire la
comunicazione
protocolli (convenzioni) di comunicazione
invio e ricezione di messaggi
meccanismi di indirizzamento
spedizione sulle connessioni opportune
verifica correttezza dei messaggi durante la
trasmissione
protezione dei messaggi (per evitare
intercettazione)
ottimizzazione della comunicazione
gestione del traffico sulla rete
Viviana Patti
Informatica di base 13/12/04
Sommario
Aspetti hardware:
nodo (host), arco (link), canali di comunicazione
Topologie di rete e tecnologie di trasmissione
reti lineari, ad anello, a stella
commutate
Trasmissione analogica e digitale
il modem
Cenni su aspetti software
scambio di messaggi e protocolli
esempio concreto di protocolli della rete Internet
nella prossima lezione
Reti LAN e WAN
Viviana Patti
Informatica di base 13/12/04
4
Reti di calcolatori
un sistema di nodi (calcolatori, telefoni o altri dispositivi
di comunicazione) collegati fra loro da una rete di
comunicazione, in grado di comunicare gli uni con gli
altri e di condividere applicazioni/dati
Rete di comunicazione: infrastruttura che rende
possibile la comunicazione fra un insieme di dispositivi
PC
Terminale
Server
Viviana Patti
PC
Informatica di base 13/12/04
Terminologia: componenti di una rete
Nodo: un nodo (host) è un qualsiasi dispositivo
hardware del sistema in grado di comunicare con gli
altri dispositivi che fanno parte della rete
Arco: i nodi sono collegati mediante archi (link) -> vari
tipi di canali di comunicazione
Canale di comunicazione: Percorso sul quale le
informazioni viaggiano in un sistema di
telecomunicazioni
Viviana Patti
Informatica di base 13/12/04
5
Hardware: canali di comunicazione
i canali possono essere realizzati via cavo
o mediante tecnologie di trasmissione senza filo
(wireless)
Tipi di canali via cavo:
Doppino telefonico – costituito da due sottili fili di
rame intrecciati
Fibra ottica: costituito da decine o centinaia di
sottili fibre di vetro o di materiale plastico che
trasmettono impulsi di luce (tecnologie di
trasmissione più sofisticate)
Wireless:
Trasmissioni a infrarossi
Collegamenti satellitari;
Viviana Patti
Informatica di base 13/12/04
Canali di comunicazione
Il tipo di cavo determina la capacità di trasmissione=
quantità di informazione che posso trasferire
nell'unità di tempo
Ampiezza di banda della rete: quantità di
informazioni che possono essere inviate in un
determinato periodo di tempo
unità di misura: bit al secondo: Kilobit (Kb), Megabit
(Mb) per secondo
Viviana Patti
Informatica di base 13/12/04
6
Comunicazione nelle reti
Scopo fondamentale di una rete di computer:
consentire la comunicazione tra i nodi
I nodi si scambiano dei dati sotto forma di messaggi
codificati in forma digitale
Ogni messaggio è caratterizzato da
un mittente (S = sender),
un destinatario (R= receiver),
un insieme di informazioni che
costituiscono il corpo del messaggio: tipo di
servizio richiesto da S a R e insieme di dati
S
Viviana Patti
R
Informatica di base 13/12/04
Comunicazione nelle reti
Affinché questa comunicazione possa avvenire in
modo corretto occorre definire un protocollo di
comunicazione
Come nella comunicazione umana si stabiliscono delle
convenzioni per il comportamento tra gli individui, nel
caso della comunicazione tra gli elaboratori un
protocollo di rete definisce quell’insieme di regole che il
nodo mittente e il nodo destinatario devono seguire per
interagire tra loro
Viviana Patti
Informatica di base 13/12/04
7
Comunicazione nelle reti
Un protocollo umano e un protocollo di reti di computer:
… messaggi specifici vengono
spediti
… azioni specifiche sono
compiute quando i
messaggi sono ricevuti
Viviana Patti
I protocolli definiscono formato e
ordine dei messaggi spediti e
ricevuti tra entità della rete, e le
azioni da compiere in seguito alla
ricezione e/o trasmissione dei
messaggi o di altri eventi
Informatica di base 13/12/04
Comunicazione nelle reti
In generale, un protocollo di rete fornisce delle
funzionalità per controllare la spedizione e la ricezione dei
messaggi
gestione dell'indirizzamento (addressing)
gestione dell'instradamento (routing)
gestione di eventuali errori di trasmissione (error
detection, error recovery, sequence control)
gestione della velocità di comunicazione (flow
control)
vedremo un esempio di protocollo di rete quando
parleremo di Internet
Viviana Patti
Informatica di base 13/12/04
8
Hardware: Topologie di reti
I nodi che formano una rete possono essere
collegati tra loro in vari modi che determinano
l’architettura o topologia della rete
La topologia della rete determina la modalità
di trasmissione dei dati all’interno della rete
reti punto-a-punto: connessioni individuali
fra coppie di calcolatori
reti multi-punto (broadcast): canale di
trasmissione condiviso da tutti i calcolatori
della rete
commutate -> reti geografiche
Viviana Patti
Informatica di base 13/12/04
Topologie di reti: esempi
multi-punto
punto-a-punto
Viviana Patti
Informatica di base 13/12/04
9
Cosa valutiamo?
costo: legato al numero e alla lunghezza delle
trasmissioni; domanda chiave: "dati N nodi
quanti collegamenti devo realizzare?"
velocità di trasmissione: il collegamento
diretto è il più veloce, se non è diretto devo
minimizzare il passaggio per nodi intermedi ->
calcolo del tempo di trasmissione sulla base
del numero di archi attraversati
comunicazione equamente distribuita fra i vari
nodi: no bottle neck!
affidabilità, tolleranza ai guasti -> ridondanza
Viviana Patti
Informatica di base 13/12/04
Reti punto-punto semplici
Ciascuna coppia di nodi è direttamente collegata
modalità di trasmissione: point-to-point, uno a uno
Qual'è
il numero dei
collegamenti
necessari dati
N nodi?
N*(N-1)/2
Viviana Patti
Informatica di base 13/12/04
10
Reti punto-punto semplice: valutazione
costo: alto! più alto è il numero di
collegamenti da realizzare -> più alto è il costo
difficoltà realizzativa/pratica
velocità di trasmissione: alta!
efficienza della comunicazione:
esiste un collegamento diretto
(dedicato) per ogni coppia di nodi
affidabilità: buona! Esistono molti cammini
alternativi per collegare ogni coppia di nodi
(ridondanza)
Viviana Patti
Informatica di base 13/12/04
Oltre le reti punto-punto semplici
Tutte le topologie attuali prevedono collegamenti in cui
solo alcune coppie di nodi sono effettivamente collegate
tramite cavi. I nodi non fisicamente collegati fra loro,
sono collegati
punto-a-punto a nodi intermedi (topologie anello, a
stella: connessioni )
attraverso canali condivisi (topologia lineare)
-> reti multi-punto
(o broadcast)
Viviana Patti
Informatica di base 13/12/04
11
Reti ad anello
i nodi sono connessi secondo una configurazione ad
anello, e non sono tutti direttamente collegati
connessione circolare punto-a-punto
Numero di
collegamenti
(se N > 2)
=
N
il segnale emesso da un nodo passa al nodo successivo; se
non è indirizzato a quel nodo, viene ritrasmesso al nodo
seguente, finché non raggiunge il destinatario
Viviana Patti
Informatica di base 13/12/04
Reti ad anello: valutazione
costo: minore rispetto al punto
a-punto semplice: minor n.
di collegamenti
velocità di trasmissione:
è meno efficiente rispetto alla rete
punto-a-punto semplice:
i messaggi devono attraversare dei nodi
intermedi -> assumiamo trasmissione in
una direzione, nel caso medio attraverso
metà dei nodi
affidabilità: scarsa, la rottura di un nodo causa
un'interruzione delle comunicazioni nella rete
Viviana Patti
Informatica di base 13/12/04
12
Reti a stella
i nodi sono tutti collegati mediante connessioni punto a
punto a un nodo centrale detto host
tutte le connessioni punto-a-punto fanno capo a un
unico nodo centrale
Numero di
collegamenti
=
N-1
le comunicazioni tra due nodi non sono dirette ma passano
attraverso il nodo host che provvede a smistarle verso il nodo
destinazione Informatica di base 13/12/04
Viviana Patti
Reti a stella: valutazione
costo: inferiore a quello delle
altre topologie viste
velocità di trasmissione:
buona! i messaggi da nodo a
nodo devono attraversare
solo il nodo centrale
affidabilità: cruciale il funzionamento del nodo
centrale: se si guasta ogni comunicazione
diventa impossibile
Problema: il nodo centrale può diventare il
collo di bottiglia della rete: tutto il traffico
passa di lì
Viviana Patti
Informatica di base 13/12/04
13
Esempio di architettura con hub
Per risolvere il problema del traffico sul nodo centrale si
usano dispositivi specializzati detti hub
Concentratore (hub): dispositivo di connessione che
semplifica il collegamento fisico tra i nodi e instrada i
segnali
Dorsale: cavo ad alta capacità di trasmissione dei dati
rete a
stella
Viviana Patti
Informatica di base 13/12/04
Reti lineari (a bus)
Tutti i nodi sono collegati allo stesso mezzo trasmissivo,
la dorsale della rete
modalità di trasmissione: broadcast, uno a molti ->
RETI MULTI-PUNTO
I dati trasmessi da un calcolatore sono visibili a tutti gli
altri
Problema principale: condivisione della linea
i messaggi inviati da un elaboratore vengono ricevuti da tutti ma
solo l’elaboratore destinatario elabora il messaggio, gli altri
elaboratori
Viviana Pattilo ignorano Informatica di base 13/12/04
14
Trasmissione in broadcast
Broadcast: Modalità di trasmissione che prevede l'invio
di un messaggio a tutti i computer collegati in rete
In generale si dice che in una rete la modalità di
trasmissione è broadcast quando la rete ha queste
caratteristiche:
canali di trasmissione condivisi da tutti i calcolatori
della rete
a ogni calcolatore deve essere associato un
identificatore univoco (indirizzo di rete); nome
logico/indirizzo fisico
un messaggio inviato sulla rete raggiunge tutti
calcolatori della rete ma soltanto il calcolatore il cui
indirizzo corrisponde all'indirizzo indicato nel
messaggio lo tratterrà per elaborarlo
Viviana Patti
Informatica di base 13/12/04
Trasmissione broadcast: una metafora
Un’analogia con questo tipo di comunicazione è quella
di una classe in cui docenti e studenti condividono lo
stesso mezzo di comunicazione (l’aria). Diventa cruciale
decidere chi deve parlare e quando, e gli esseri umani
hanno stabilito una serie di regole (un protocollo) per
usare questo "canale di comunicazione condiviso"
Si deve dare a ciascuno l’opportunità di parlare
Non si deve parlare fino a quando non si è
interrogati
Non si deve monopolizzare la comunicazione
Si deve alzare la mano quando si ha una domanda
Non si deve interrompere chi sta parlando
Anche le reti di calcolatori hanno dei protocolli di rete,
detti multiple access protocol, con i quali i nodi
regolano le loro trasmissioni sul canale di broadcast
Viviana Patti
Informatica di base 13/12/04
15
Reti lineari: valutazione
costo: ho 1 solo arco,
da realizzare:
la dorsale della rete
facilità di realizzazione
velocità di trasmissione:
la comunicazione è veloce! un messaggio deve
attraversare solo 1 arco, la dorsale
la dorsale può diventare il collo di bottiglia
affidabilità: buona! un nodo fuori uso rimane
isolato -> l'unico punto debole è la dorsale
Viviana Patti
Informatica di base 13/12/04
LAN
Le topologie di reti che abbiamo visto hanno di
solito un'elevata capacità di trasmissione
(100-1000 Mbit/sec.)
ma
Ridotta scala geografica: (10m - 2-3 KM)
Reti di questo tipo sono dette Reti Locali o LAN
(Local Area Networks)
-> quando devo connettere computer a una
distanza maggiore...
Viviana Patti
Informatica di base 13/12/04
16
Reti commutate
poiché è impossibile collegare fisicamente
tutte le macchine, si utilizza una infrastruttura
condivisa
meno veloci:
100Mbit/sec
estensione enorme:
migliaia
di Km
Rete
composta
da commutatori:
ognuno dei quali
ha il
compito
di
smistare i dati
a un altro
commutatore
etc.
Viviana Patti
Informatica di base 13/12/04
ne riparliamo
nella lezione
su Internet
Tipi di reti: scala
...criterio per classificare le reti legato alla loro
scala, che si determina in base alla dimensione
dei processori e alla loro distanza
Viviana Patti
Informatica di base 13/12/04
17
LAN - Local Area Network
Reti private per la condivisione di risorse all’interno
di un edificio o in edifici vicini
elaboratori
stampanti
dati
Sono generalmente di dimensioni ridotte
Si possono distinguere a seconda della topologia
(punto-a-punto semplice, ad anello, a stella, lineare)
Viviana Patti
Informatica di base 13/12/04
LAN – Scheda di rete
Per collegare un computer ad una rete locale si
usa una scheda di rete che permette di
instaurare una connessione fisica
consente al computer di inviare e ricevere messaggi
tramite la rete: es.converte i dati da trasmettere nel
formato opportuno, fa in modo che il protocollo di
comunicazione sia rispettato
Viviana Patti
Informatica di base 13/12/04
18
Reti LAN Client/Server
Gli elaboratori in una LAN possono avere ruoli
diversi
Server: elaboratore che può essere condiviso
dagli altri computer collegati in rete
server gestore dei dati (file server): gestisce la
memorizzazione e la condivisione di dati
server di stampa (printer server): gestisce le
stampanti disponibili in una rete locale
server di comunicazione: permette l’accesso ad altre
reti locali o ad Internet
Client: elaboratore che usa delle risorse
condivise, messe a disposizione dal server
Viviana Patti
Informatica di base 13/12/04
Reti LAN Client/Server
Viviana Patti
Informatica di base 13/12/04
19
LAN - Software di rete
In una LAN si vogliono condividere delle risorse
Il sistema operativo (locale) non è in grado di gestire
le risorse che non appartengono all’elaboratore e si
introduce un nuovo livello nella “struttura a cipolla”: il
sistema operativo di rete
Viviana Patti
Informatica di base 13/12/04
LAN - Software di rete
Supporta l'accesso di più utenti offrendo le funzionalità
di riconoscimento tramite password
Gestisce l'accesso alle risorse condivise (es. stampante,
o disco di memoria secondaria)
...
Windows NT/2000 (tecnologia su cui si basa anche XP,
in laboratorio)
Viviana Patti
Informatica di base 13/12/04
20
LAN - Ethernet
Ethernet è il tipo di rete locale più diffuso
Sviluppata dalla Xerox negli anni ’70 (1976)
Qualsiasi computer di qualsiasi tipo prevede la
possibilità di usare una scheda Ethernet per
connettersi alla rete locale
Usa prevalentemente la topologia lineare e una modalità
di trasmissione broadcast
Velocità di trasmissione: 10, 100, 1000 Mb/sec.
Viviana Patti
Informatica di base 13/12/04
LAN - Modalità di accesso al canale condiviso:
CSMA/CD
Non è previsto nessun controllo centralizzato (vigile):
tutti i computer sono collegati e potenzialmente possono
trasmettere e ogni nodo si preoccupa di trasmettere il
messaggio cercando di evitare le collisioni
Schema di funzionamento
Quando un computer vuole trasmettere
un'informazione...
prima verifica che il canale sia libero, poi invia il
messaggio in broadcast
Se si accorge che un altro computer sta
trasmettendo, aspetta
Viviana Patti
Informatica di base 13/12/04
21
LAN - Modalità di accesso CSMA/CD
Se si verifica un conflitto (due o più computer hanno
inviato i loro messaggi contemporaneamente) i
computer coinvolti si fermano, aspettano per un tempo
T casuale, e poi riprovano la trasmissione
-> CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access / Collision
Detection
Viviana Patti
Informatica di base 13/12/04
LAN aperte - interconnessione
Oggi raramente una LAN è chiusa, ossia non connessa
ad altre reti
Lab: rete locale connessa a Internet
Esistono dei dispositivi appositi che fanno da interfaccia
e creano queste connessioni
Router: computer che dirige lo scambio di
comunicazione fra più reti (es. connessione fra una LAN
e Internet); in particolare instradano i pacchetti di dati
da una rete all'altra
Bridge: interfaccia di comunicazione per reti dello
stesso tipo (es. 2 Ethernet)
Gateway: interfaccia per reti con ambienti applicativi
diversi (es. 2 LAN basate su sistemi op. diversi)
Viviana Patti
Informatica di base 13/12/04
22
LAN aperte - interconnessione
Viviana Patti
Informatica di base 13/12/04
WAN - Wide Area Network
Una rete WAN copre una grande area geografica
esempio, la rete GARR collega tutte le Università
italiane
Nella maggior parte delle reti WAN la sottorete di
comunicazione è formata da
linee di trasmissione (che spostano i dati fra i vari
nodi)
elementi di commutazione, ossia calcolatori
specializzati usati per collegare due o più linee di
trasmissione
Viviana Patti
Informatica di base 13/12/04
23
Reti Internet Private
Intranet: rete privata interna di un'azienda;
condivisione di informazioni utili per condurre il proprio
lavoro: informazioni sui prodotti, indirizzi, numeri di
telefono
I dati riservati di un'azienda devono essere mantenuti
privati
Firewall: sistema hardware e software che blocca gli
utenti non autorizzati (sia interni che esterni)
impedendo loro l’accesso alla intranet
costringe tutti i pacchetti di dati in passaggio fra
Internet e la intranet a passare attraverso una
porta che identifica gli utenti autorizzati, controlla
la presenza di virus etc.
Viviana Patti
Informatica di base 13/12/04
Trasmissione: analogico e digitale
Nelle reti locali, la comunicazione tra due
computer passa di solito su cavi dedicati,
installati esplicitamente per la rete, e adatti
per la trasmissione digitale delle informazioni
Semplificando un po’: su questi cavi si ha una
variazione del livello di tensione fra due valori,
che corrisponde alla trasmissione di bit di
valore 0 oppure 1
Viviana Patti
Informatica di base 13/12/04
24
Trasmissione: analogico e digitale
Per le comunicazioni su lunga distanza, si cerca di
sfruttare le reti di comunicazione esistenti, come ad
esempio la rete telefonica
La rete telefonica è adatta a comunicare la voce, cioè un
segnale analogico che varia in maniera continua in una
banda di frequenze
Sono necessari dei dispositivi per poter usare la rete
telefonica come mezzo di comunicazione tra computer
Meccanismi in grado connettere i computer con i vari
canali di comunicazione
Viviana Patti
Informatica di base 13/12/04
Analogico e digitale
In generale l'informazione trasmessa in una rete può
essere portata da un segnale analogico o digitale
Digitale
Rappresentazione dell'informazione tipica dei
computer: 2 cifre 0 1 rappresentati da due impulsi
elettrici “acceso” e “spento”
Un mezzo di trasmissione per dati digitali trasmette i
segnali elettrici corrispondenti ai due valori in modo
discontinuo -> il segnale è costituito da una serie di
impulsi discreti
Viviana Patti
Informatica di base 13/12/04
25
Analogico e digitale
Analogico
i dati analogici vengono trasmessi come segnali
elettrici sotto forma di onda continua
Mezzi di trasmissione analogici: telefono, radio,
televisione e TV via cavo
Viviana Patti
Informatica di base 13/12/04
La rete telefonica
E' stata creata per trasmettere la voce (onda sonora)
L’apparato fonico di un uomo (polmoni, corde
vocali,bocca,…) produce nell’aria un’onda di pressione
acustica
Il microfono della cornetta converte quel segnale in un
segnale elettrico che ha esattamente la stessa forma
Il segnale elettrico viaggia sul doppino telefonico ed
arriva all’apparecchio del ricevente
L’altoparlante della cornetta del ricevente esegue
l’inverso del microfono del trasmettente convertendo
ilsegnale elettrico in un’onda acustica ANALOGA a
quellache aveva colpito il microfono.
Viviana Patti
Informatica di base 13/12/04
26
Funzione del modem
La rete telefonica trasmette suoni
Un calcolatore vuole trasmettere informazioni codificate
usando un opportuno numero di bit
Ci vuole un dispositivo che esegue la conversione da bit
a “fischio”
MOdulatore-DEModulatore
Converte i segnali da analogici a digitali e viceversa
Modem significa modulatore - demodulatore; il nome
stesso suggerisce le due funzioni di questo dispositivo
hardware:
Modula i segnali digitali trasformandoli
in segnali analogici
Demodula i segnali analogici riconvertendoli in
segnali digitali
Viviana Patti
Informatica di base 13/12/04
Funzione del modem
Viviana Patti
Informatica di base 13/12/04
27
Il modem
Se si deve trasmettere un bit che vale 1 allora
il modem fischia una certa nota lungo la linea
telefonica altrimenti se deve trasmettere uno
0 fischia una nota differente
Chiaramente, il ricevitore deve avere un
modem che esegue il lavoro opposto:
se sente un fischio con una la nota
associata al bit uguale a 0 allora trasmette
al computer un bit 0 altrimenti nell’altro
caso trasmette un 1
Viviana Patti
Informatica di base 13/12/04
Il modem: caratteristiche
I modem attuali per trasmissione su rete telefonica
standard hanno velocità di trasmissione di 14.400,
28.800, 38.400, 56.600 bit/sec. Ossia una velocità
massima di
non più di 56 Kbit/sec
Se due computer comunicano tramite un modem, la
velocità di comunicazione è sempre quella del modem
più lento
Il modem è usato soprattutto per le comunicazioni
private (ad esempio un utente che si collega ad Internet
tramite il suo Internet Provider)
Viviana Patti
Informatica di base 13/12/04
28
Il modem nel computer
modem esterno: deve essere collegato alla
porta seriale del calcolatore)
modem interno: (alloggiato in un apposito slot
di espansione della scheda madre)
Viviana Patti
Informatica di base 13/12/04
29