Topologie ed architetture di rete

Tecniche della comunicazione telematica - Dispensa n. 5
Topologie ed architetture di rete
Topologia
Per topologia di una rete si intende la struttura geometrica dei collegamenti che interconnettono i
punti nei quali è presente della capacità elaborativa (nodi).
Il principale problema nello scegliere una topologia di rete piuttosto che un'altra è quello di
quantificare i collegamenti necessari per connettere in modo efficiente i nodi presenti.
La tecnica più immediata sarebbe quella di connettere ogni punto terminale con tutti gli altri,
mesh topology, per la quale sono necessari, per una rete con N nodi, N*(N-1)/2 collegamenti ed
(N-1) porte presso ciascun nodo: da ogni nodo deve partire un collegamento per ciascuno degli
altri N-1 nodi, quindi N*(N-1); siccome ogni collegamento è "contato" per 2 nodi si deve
dividere il tutto per 2. E' evidente che questa topologia diventa onerosa e poco gestibile al
crescere del numero delle stazioni terminali.
In generale le reti si possono dividere in due topologie principali: point-to-point e broadcast.
Nel primo caso la rete contiene numerose linee, ciascuna che connette due nodi e i nodi che non
condividono una linea, per comunicare, devono farlo attraverso altri nodi. Nelle reti di tipo
broadcast, invece, c'è un singolo canale di comunicazione condiviso dai nodi. I messaggi spediti
da ciascun nodo sono ricevuti da tutti gli altri con qualcosa nel messaggio che specificare a chi è
diretto; ricevendo un messaggio non destinato ad esso, un nodo lo ignora.
Topologia point-to-point
Le topologie più note di reti point-to-point sono:
Stella
Sebbene si sia sviluppata più tardi rispetto ad altre, la topologia a stella è divenuta quella più
popolare. Tutti i computer sono connessi, tramite un tratto dedicato, ad un nodo centrale (hub)
che può essere un semplice rigeneratore di segnali o anche un apparecchio "intelligente".
I pacchetti inviati da una stazione ad un'altra sono ripetuti su tutte le porte dell'hub. Questo
permette a tutte le stazioni di vedere qualsiasi pacchetto inviato sulla rete, ma solo la stazione a
cui il pacchetto è indirizzato lo copierà (figura 1).
Figura 1.
Topologia di rete a stella.
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• Loop o anello
Le due estremità sono connesse a formare un anello: una struttura unidirezionale rinchiusa
su se stessa in cui le informazioni si propagano in una sola direzione.
L’informazione, organizzata in pacchetti ciascuno dei quali contiene l’indirizzo di
destinazione, gira all’interno di questo anello fino a raggiungere il nodo destinatario.
Il protocollo più importante attualmente utilizzato su reti locali con topologia ad anello, è
il Token Ring.
Con questa topologia sono necessarie alcune regole per arbitrare gli accessi simultanei
all’anello.
L’accesso al mezzo si basa sul passaggio di un token (gettone): un pacchetto speciale che
circola sull’anello.
Quando una stazione vuole trasmettere un pacchetto deve aspettare il token e rimuoverlo
dall’anello prima di trasmettere il proprio pacchetto (figura 2).
Figura 2.
Topologia di rete ad anello
• completa o a maglia
La topologia a maglia (mesh topology) prevede che tutti i computer della rete siano
direttamente connessi l' uno all' altro.
Come detto all' inizio, al crescere del numero di computer da collegare, cresce il costo del
sistema con il quadrato del numero dei nodi.
Topologia broadcast
Le topologie più note di reti broadcast sono:
• Bus
I computer sono direttamente connessi ad un mezzo trasmissivo lineare, il bus, le cui estremità
non sono tra loro collegate (figura 3).
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Figura 3.
Topologia di rete a bus.
Un grosso limite di questa topologia è rappresentato dal fatto che un' interruzione del cavo
interrompe il servizio per tutte le stazioni connesse al bus.
Poiché tutti i computer connessi tramite questo tipo di topologia condividono lo stesso mezzo
trasmissivo, essi utilizzano dei protocolli che garantiscono che in ogni istante una sola stazione stia
trasmettendo.
Questi sono denominati protocolli d' accesso al mezzo- MAC (Medium Access Control, protocol).
Quello più comunemente usato nelle reti con topologia a bus è il CSMA/CD (Carrier Sense
Multiple Access with Collision Detection).
Tale topologia non presenta commutatori o ripetitori ma tutte le stazioni sono connesse
direttamente, tramite interfacce, al mezzo trasmissivo e poiché quest' ultimo è condiviso, può
trasmettere una sola stazione alla volta.
I vantaggi di tale configurazione sono costituiti dal fatto che il mezzo trasmissivo è completamente
passivo e l' aggiunta di nuove stazioni in rete è semplificata, no
n dovendo procedere ad una
riconfigurazione dell' intero sistema.
• Satellite o radio
Ogni computer ha un' antenna con la quale può trasmettere o ricevere.
Ciascuno di essi può ricevere l' output del satellite e, in alcuni casi, anche quello di un
altro computer.
• Ring
Ogni messaggio è trasmesso sul ring; a differenza del loop non è ritrasmesso al nodo
successivo fino a che l' intero messaggio è stato ricevuto.
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Come gli altri broadcasting sono necessarie alcune regole per arbitrare accessi simultanei
al canale del ring.
• Topologie ibride
Le topologie ibride sono formate dalla combinazione delle topologie di rete descritte
sinora.
Un esempio è schematizzato in figura 4.
Figura 4.
Topologia di rete ibrida.
Per ragioni di banda di comunicazione, di affidabilità ed espandibilità è frequente la
situazione che una rete sia in realtà organizzata in topologie ibride.
Nelle reti locali il caso più frequente è quello di strutture irregolari in cui alcuni nodi
fungono da instradatori tra reti locali. Ad esempio molti hub, ognuno centro di una stella,
sono spesso connessi usando un segmento di bus; oppure si hanno strutture multibus o
multianello.
Nella realtà le reti sono spesso una miscela di varie topologie.
Le reti locali normalmente hanno una topologia simmetrica, mentre le topologie irregolari
sono spesso il risultato di connessioni di computer mediante la linea telefonica.
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Architetture delle reti
L' insieme dei protocolli di comunicazione e delle interfacce definisce un' architettura di
rete. Le architetture di rete più note sono:
a. SNA (System Network Architecture), architettura della rete IBM;
b. DNA (Digital Network Architecture), meglio nota come DECnet, la rete
della Digital Eq. Corp.;
c. Internet Protocol Suite, meglio nota con il nome TCP/IP, è la rete degli
elaboratori UNIX e rappresenta uno standard "de facto" attualmente
impiegato per Internet;
d. OSI (Open System Architecture), che è lo standard "de iure" in via di
completamento nell' ambito dell' ISO.
Le ultime due, OSI e TCP/IP, essendo rispettivamente, lo standard "de iure" e "de facto"
saranno dettagliatamente trattate nella sezione relativa ai protocolli di rete. In questo
paragrafo si dà, invece qualche cenno a SNA e DNA.
• SNA - System Network Architecture
Rappresenta la principale archittettura di rete dell' IBM Corporation.
System Network Architecture è una architettura di rete proprietaria,
anche se realizzata da altri costruttori di calcolatori e apparati di rete.
E' pensata per sistemi informativi basati su mainframe che devono
interconnettere un grandissimo numero di terminali distribuiti sul
territorio.
Questa struttura, concepita con uno o più mainframe al centro, ha reso
meno interessante SNA per le applicazioni odierne, concepite per
operare in modalità client-server, tipicamente tra elaboratori più piccoli
(mini e personal computer).
L' architettura di rete SNA è stata concepita da IBM per facilitare la
condivisione delle risorse e, in particolare, per:
o permettere ad ogni terminale di accedere ad ogni
applicativo,
o permettere un migliore utilizzo delle linee,
o permettere di raggruppare una o più linee in una
struttura detta transmission group o trunk,
o consentire la comunicazione tra applicativi diversi,
o decentrare le funzioni di rete all' esterno dell'h ost,
o garantire l' indipendenza della rete dai collegamenti
fisici e dai dispositivi
o avere una struttura hardware e software gerarchica.
• DNA - Digital Network Architecture
E' l' architettura di rete della DEC (Digital Equipment Corporation).
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Si tratta di un' architettura proprietaria, con aperture verso gli standard,
i cui protocolli sono realizzati sia da DEC sia da molti costruttori di
computer e apparati di rete.
La rete principale che utilizza DNA è DECnet, concepita sin dall' inizio
come una rete di calcolatori peer-to-peer che possono comunicare con
qualsiasi altro senza che i messaggi debbano transitare attraverso un
calcolatore centrale.
Visto il grande successo di mercato e la grande diffusione
dell' architettura TCP/IP e di Internet, anche DEC ha prodotto una
nuova versione di DECnet (DECnet fase IP) che appoggia gli
applicativi proprietari di DECNET fase IV sull' architettura TCP/IP.
Realizzazioni di DECnet sono oggi disponibili su moltissime
piattaforme, a partire dal personal computer sino al mainframe.
Dal punto di vista funzionale, l'Architettura di Rete può essere vista come i componenti
hardware di una rete (scheda di interfaccia di rete e cavo di collegamento), combinato con
i dettagli tecnici relativi all' effettivo modo di funzionamento.
Rete peer-to-peer
Se si devono collegare non più di cinque nodi, probabilmente converrà optare per la rete
peer-to-peer.
In questa configurazione, viene intercollegata una singola catena di computer: un' opzione
raccomandata è il dispositivo di controllo centrale, hub.
Un esempio di rete peer-to-peer è schematizzata in figura 5.
Figura 5.
Schema di rete peer-to-peer
Ciascun computer è sullo stesso livello degli altri e può condividere file e periferiche collegate
alla rete.
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Qualsiasi computer della rete che renda disponibili applicazioni, file, stampanti o spazi di
memorizzazione per gli altri computer è un server.
Le risorse non sono raggruppate su un computer centrale, ma sono condivise dal computer in cui
risiedono.
Rete client-server
Se si devono collegare almeno sei nodi, e lavorare con file di grandi dimensioni come database o
informazioni aggiornate di frequente, la scelta migliore è la rete client-server (figura 6).
Figura 6.
Schema di rete client-server
Contrariamente a quello che accade sugli elaboratori dotati di unità centrale (AS/400 o MainFrame), il server non ha capacità di elaborazione propria ma si limita a consentire il trasferimento
di dati ai vari client che quindi li elaborano in proprio.
Il client è il programma che costituisce l' interfaccia con l' utente e che si occupa di richiedere e
presentare i dati. Il server invece si occupa solo del mantenimento, del reperimento e dell' invio
dei dati al client che li ha richiesti.
Normalmente client e server sono installati su macchine diverse: il primo si trova sul computer
locale utilizzato dall' utente finale (che ha quindi bisogno di sapere solo come funziona il suo
programma client), il secondo si trova sul sistema remoto, e l' utente non ha alcun bisogno di
conoscerne il funzionamento.
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