Architettura di Internet

Facoltà di Ingegneria

Università di Roma “La Sapienza”

Gennaio 2001

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Obiettivi

• Fornire una panoramica

• Introdurre termini di uso corrente

• Illustrare gli scopi e le funzionalità dei principali componenti della Rete

• Approccio più descrittivo che tecnico

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Il successo di InternetHost collegati

Gennaio 1993 1.313.000Luglio 1993 1.776.000Gennaio 1994 2.217.000Luglio 1994 3.212.000Gennaio 1995 4.852.000Luglio 1995 6.642.000Gennaio 1996 9.472.000Luglio 1996 12.881.000Gennaio 1997 16.146.000Luglio 1997 19.540.000Gennaio 1998 29.670.000Luglio 1998 36.739.000Gennaio 1999 43.230.000Luglio 1999 56.218.000Gennaio 2000 72.340.000

Anni impiegatiper 50M utenti

Radio 38Televisione 13TV via cavo 10Internet 5

Fonte: www.isc.org

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Indice

• Architettura e modalità di accesso alla Rete

• Comunicazioni (suite di protocolli TCP/IP)

• Sistema di naming (DNS)

• Storia

Parte 1: Architettura e accessi

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“The Net”

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Internet: Cosa non è ...

• Non è una singola rete, ma un insieme di reti esteso in

tutto il mondo

• Non è governata da un gruppo né da un ente né da

un’azienda (anche se alcuni spot pubblicitari inducono a

ritenere il contrario ...)

• Non è gestita in modo centralizzato perché tutte le singole

reti che compongono Internet hanno una gestione

autonoma

• E soprattutto: Non è sinonimo di World Wide Web

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INTERNET: i Componenti

ISP locale

reteaziendale

ISP regionale

router PC/workstation

servermobile

Componenti principali:

• Milioni di dispositivi connessi detti nodi o host: PC, server, workstation, cellulari, PDA, TV, agende elettroniche, frigoriferi,...

• Link di comunicazione: cavi, fibra ottica, radio, satellitari,…

• Router: dispositivi che instradano i messaggi da un punto all’altro della Rete

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INTERNET: i Servizi

ISP locale

reteaziendale

ISP regionale

router PC/workstation

servermobile

Servizi principali:

• comunicazioni

• applicazioni distribuite: email, WWW, giochi, commercio elettronico, database,…

• cyberspazio: “un’allucinazione consensuale e collettiva sperimentata giornalmente da miliardi di utenti, in ogni nazione ...” [Gibson]

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INTERNET: i Confini

• Sistemi host: eseguono programmi applicativi (tipo e-mail, WWW, …) che forniscono servizi.

• Modello client/server: i client effettuano richieste, ricevendo servizi dai server: Per es., - Client WWW = browser - Server WWW = applicativo del sito

Client

Server

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Collegamenti ad Internet

• Accessi residenziali (=da casa)– punto-punto– cable modem

• Accessi istituzionali (=da Università, centri di ricerca, alcune aziende)

• Accessi wireless

“Come collegare gli host esterni ai router di confine?”

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Accessi residenziali: punto-punto

• Dialup mediante modem fino a router: 56 Kbps di banda ideale

• ISDN (Integrated Services Digital Network): 128 Kbps di connessione digitale fino al router

• ADSL (Asymmetric Digital Subscriver Line):

• fino a 1 Mbps da casa al router• fino a 8 Mbps dal router a casa

Internet ServiceProvider (ISP)

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Internet Service Provider

• Il provider possiede– uno o più server sempre attivi e collegati

permanentemente ad Internet– una batteria di modem collegati a numeri di telefono

• Servizi offerti– Accesso ad Internet (mediante telefonata ai suoi numeri)– Servizi accessori: email, sito Web, chat-line, mailing list,...

• Costi– Abbonamento all’ISP– Telefonata a scatti o abbonamento (tariffa fissa mensile)

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Accessi istituzionali

• La rete locale (LAN) dell’università o azienda viene collegata logicamente al router

• Ethernet• Un cavo dedicato o condiviso collega i computer della LAN e questi, mediante bridge e switch, al router• Bande di trasmissione:

10 Mbps (Ethernet) 100 Mbps (Fast Ethernet)

1 Gbps (Gigabit Ethernet)

LAN

LAN

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Internet Router

rete 1 rete 2

Due reti interconnesse da un router

Internet router: dispositivo che interconnette due reti

e passa le informazione da una rete all’altra

rete 1 rete 2 rete 3

Tre reti interconnesse da due router

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Indirizzi Internet (1)

Per fornire un servizio di comunicazione universale (ogni nodo della rete può comunicare con ciascun altro nodo) occorre un metodo che permette di identificare univocamente ciascun nodo o host.

Ad ogni nodo è assegnato un unico indirizzo Internet (indirizzo IP) formato

da 32 bit 232 4,3 miliardi di indirizzi diversi.

L’indirizzo IP è suddiviso in 4 campi, ciascuno dei quali è formato da 8 bit, separati da un punto (dotted notation): ad es. 160.80.15.72

Ogni indirizzo è formato dalla coppia (netid, hostid), dove netid identifica la rete e hostid identifica un host di quella rete.

Quindi, tutti i nodi appartenenti ad una stessa rete condividono lo stesso netid (prefisso di rete).

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Indirizzi Internet (2)

• 4 classi di indirizzi IP: classe A, classe B, classe C, classe D

0 netid hostid

10 netid hostid

110 netid hostid

1110 multicast address

A

B

C

D

Classeda 0.1.0.0 a 126.0.0.0

da 128.0.0.0 a 191.255.0.0

da 192.0.0.0a 239.255.255.0

da 240.0.0.0a 247.255.255.255

32 bit

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Assegnamento indirizzi classe C

MERLIN (multi-homed

host)

GUENEVERE(Ethernet

host)

LANCELOT (Ethernet

host)

200.10.2.3 200.10.2.8 200.10.2.26

ETHERNET 200.10.2.0

TOKEN RING

192.5.48.0

ARTHUR (token-ring

host)

192.5.48.1

192.5.48.3

192.5.48.7200.10.2.70

GLATISAN (router)

10.0.0.37192.5.48.6

ARPANET

TALIESYN (router)

Parte 2: Comunicazioni in Internet

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Protocolli

• Tutte le comunicazioni in Internet sono regolate mediante protocolli

• I protocolli definiscono:– formato dei messaggi

– ordine dei messaggi inviati e ricevuti tra i dispositivi di Internet

– azioni da effettuare al momento della trasmissione e della ricezione dei messaggi

• I protocolli utilizzati in Internet si basano sulla suite di protocolli TCP/IP ( ISO/OSI)

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Esempi di protocolli

tempo

Buongiorno

Sa l’ora?

Le 4

Prego

Grazie

Buongiorno

Tra persone

Richiesta di connessione

OK per laconnessione

Dammi un file

<file>Chiudi connessione

OK

Tra computer

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Packet Switching

A

B

C

D E

Coda di pacchettiin attesa del link

di uscita

“Analogia del ristorante”• Circuit switching = con prenotazione del tavolo• Packet switching = senza prenotazione

Invia messaggiocomposto da 4 pacchetti

Invia messaggiocomposto da 8 pacchetti

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Pila di protocolli Internet (TCP/IP)

• Applicativo: supporta le applicazioni di rete: FTP, HTTP, SMTP, ...

• Trasporto: supporta i trasferimenti da host a host: TCP, UDP

• Rete: trasferisce i pacchetti dal nodo mittente al destinatario: IP

• Link: effettua i trasferimenti dei dati tra componenti della rete confinanti: PPP, Ethernet, …

• Fisico: trasferisce bit “sul cavo”

applicativo

trasporto

rete

link

fisico

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Protocollo IP (livello rete)

• Protocollo per la consegna dei pacchetti da un host mittente ad un host destinatario.

• Caratteristiche– privo di connessione: ogni pacchetto è trattato in

modo indipendente da tutti gli altri;– non affidabile: la consegna non è garantita (i

pacchetti possono essere persi, duplicati, ritardati, o consegnati senza l’ordine di invio);

– consegna con impegno: tentativo di consegnare ogni pacchetto (l’inaffidabilità deriva dalle possibili congestioni della rete o guasti dei nodi/router)

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Protocollo TCP (livello trasporto)

• Protocollo che fornisce un livello di trasporto dell’informazione affidabile.

• Caratteristiche principali– orientato al flusso di dati: considera il flusso di dati dall’host

mittente fino al destinatario;– orientato alla connessione: comprende l’instaurazione, l’utilizzo e

la chiusura della connessione;– trasferimento con buffer: i dati sono memorizzati in un buffer e poi

inseriti in un pacchetto quando il buffer è pieno;– connessione full duplex (bidirezionale): è possibile il trasferimento

contemporaneo in entrambe le direzioni della connessione.

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Suite di protocolli TCP/IP

Prot. applicativo

TCP

IP

Interfaccia di rete

Prot. applicativo

TCP

IP

Interfaccia di reteIP

Interfaccia di rete

Rete 1 Rete 2

Router

Host BHost A

Principio di trasmissione messaggi: Packet-switching

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Comunicazione logica tra i livelli

applicationtransportnetwork

linkphysical

applicationtransportnetwork

linkphysical application

transportnetwork

linkphysical

applicationtransportnetwork

linkphysical

networklink

physical

data

data

Per es.: trasporto• prende i dati dalla

applicazione• aggiunge indirizzi, e

controlli di consistenza, formando un pacchetto (“datagram”)

• invia il pacchetto al nodo destinatario

• attende dal nodo destinatario un messaggio di ACK

data

transport

transport

ack

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Comunicazione fisica tra i livelli

applicationtransportnetwork

linkphysical

applicationtransportnetwork

linkphysical

applicationtransportnetwork

linkphysical

applicationtransportnetwork

linkphysical

networklink

physical

data

data Ogni livello prende i dati dal livellosuperiore, vi aggiunge delle informazioni

e passa il tutto al livello inferiore

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Flusso del traffico TCP: esempio

Host B

TCP SYN ACK

TCP ACK

Pacchetto 1

TCP ACK

TCP ACK

TCP SYN

Apertura connessione

Invio messaggio

Chiusura connessione

Host A

TCP ACK

TCP FIN ACK

Pacchetto 2

Pacchetto 3

Pacchetto 4

TCP ACK

TCP ACK

TCP ACK

1 2

3 4

1 2

3 41

2

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Messaggio

TCP FIN

Parte 3: Sistema DNS

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“Identificatori” in Internet

• Le persone hanno molteplici “identificatori”: nome, n° passaporto, codice fiscale, …

• I telefoni sono denotati da un unico numero

• I dispositivi collegati ad Internet (host, router) hanno due identificatori:– Indirizzo IP (numero di 32 bit): utilizzato per

indirizzare ed instradare i pacchetti nella rete– Hostname (stringa alfanumerica): nome

logico utilizzato dalle persone

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Hostname

• Dato lo scopo rivolto verso l’utente, all’hostname si preferiscono attribuire valori mnemonici. Es.: nome del computer e posizione:

Nome delcomputer

Dipartimento diInformatica e Sistemistica

UNIiversitàdi ROma

ITalia

sun11.dis .uniroma1 .it

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Domain Name System (DNS)

• Realizza uno spazio dei nomi gerarchico e permette la traduzione del nome mnemonico di un host in un indirizzo IP. Es.

Hostname: sun11.dsi.unimo.it

Indirizzo IP: 134.56.26.68 (10000110.00111000.00011010.01000100)• Implementa un meccanismo efficiente (mediante

name servers), distribuito su scala geografica, per convertire un hostname in un indirizzo IP e viceversa.

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Organizzazione gerarchica dei domini

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Domini di massimo livello

Nome del Dominio Significato

COM Organizzazioni commerciali

EDU Istituzioni USA per l’istruzione

GOV Istituzioni governative USA

MIL Istituzioni militari USA

NET Maggiori centri di supporto per la rete

ORG Organizzazioni senza scopo di lucro diverse dalle precedenti

ARPA Dominio temporaneo della rete ARPANET (obsoleto)

INT Organizzazioni internazionali (schema geografico)

Codice nazionale(it, ch, fr, jp, ... )

Nomi nazionali (schema geografico)

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Sistema DNS: Meccanismo di risoluzione

• Nessun name server ha tutte le corrispondenze tra Hostname e Indirizzo IP

• Esistono– Name server locali: ogni ISP e organizzazione

gestisce uno o più name server locali, che vengono invocati per primi dagli host dell’organizzazione stessa

– Name server autoritativi: relativamente ad un host, sono i name server che hanno la corrispondenza (hostname)(indirizzo IP) più aggiornata e corretta

– Name server radice (root name server): contattati dai name server locali quando non riescono a risolvere un indirizzo, contattano i name server autoritativi per quell’indirizzo o name server intermedi (di zona)

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Sistema DNS: Esempio di risoluzione

1) Contatta il suo DNS locale

2) Se necessario, il DNS locale contatta il root DNS

3) Se necessario, il root DNS contatta il DNS autoritativo per quell’indirizzo (o un DNS intermedio nel caso in cui non conosca un DNS autoritativo per quell’indirizzo)

Host richiedentesun11.dis.uniroma1.it

star.dis.uniroma2.it

root name server

name server autoritativodns.uniroma2.it

name server locale dns.uniroma1.it

1

23

4

5

6

L’host sun11.dis.uniroma1.it vuoleconoscere l’indirizzo IP dell’hoststar.dis.uniroma2.it

Parte 4: Storia

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Internet: storia e leggenda

• La leggenda

Un progetto finanziato dal Ministero della Difesa USA con lo scopo di realizzare una rete in grado di comunicare anche in seguito ad attacchi nucleari

• La realtà– Finanziata dal Ministero della Difesa USA

– Motivazione: successi spaziali dell’URSS

– Obiettivo: consentire l’accesso alle poche risorse di calcolo

potenti (e costose) da vari centri di ricerca e Università USA

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Internet 1961-1972: gli albori

• 1961: Kleinrock mediante la teoria delle reti di code dimostra l’efficacia delle comunicazioni packet- switching*

• 1964: Baran - Packet Switching in reti militari

• 1967: ARPAnet finanziato da Advanced Research Projects Agency

• 1969: Primo nodo ARPAnet funzionante

• 1972: – ARPAnet viene

presentata pubblicamente

– NCP (Network Control Protocol): primo protocollo host-to-host

– primo programma di posta elettronica (e-mail)

– ARPAnet ha 15 nodi (ovvero collega 15 host)

* Per tutti gli anni ’60, gli “esperti” di telecomunicazioni, sostenitori delle trasmissioni circuit-switching, sentenziavano “It will not work” [da “La storia di Internet scritta da coloro che l’hanno creata”, ]

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Internet 1972-1980: la ricerca

• 1970: ALOHAnet, satellite in rete alle Hawaii

• 1973: Nella tesi di PhD, Metcalfe propone Ethernet

• 1974: Cerf e Kahn definiscono i principi che tuttora regolano l’architettura di Internet (autonomia, minimalismo, best effort service model, controllo distribuito, router senza stato)

• fine anni ’70: architetture proprietarie : DECnet, SNA, XNA

• 1979: ARPAnet collega 200 nodi

schizzo originale

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Internet 1980-1990: la maturità

• 1983: protocollo TCP/IP• 1982: protocollo SMTP

per e-mail• 1983: sistema DNS per

la traduzione da hostname a indirizzo IP

• 1985: protocollo FTP• 1988: controllo di

congestione del TCP

• 1989: nuove reti nazionali: Csnet, BITnet, NSFnet, Minitel

• 1990: 100.000 nodi sono connessi a reti confederate

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Internet 1990-2000: l’esplosione

• Inizi ’90: si dismette ARPAnet

• 1991: NSF rimuove le restrizioni sull’uso commerciale di NSFnet (dismessa poi nel 1995)

• Inizi ’90: nascita del WWW– Ipertesti [Bush 1945,

Nelson 1960’s]– HTML, http: Berners-Lee– 1994: Mosaic, e poi

Netscape– fine anni ’90:

commercializazione del WWW

Inizi anni 2000:• si stimano circa 100

milioni di host connessi ad Internet

• si stimano più di 300 milioni di utenti

• le reti backbone hanno capacità di trasferimento di 1 Gbps

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Sintesi (parole chiave di Internet)

• host/nodo• link• router• dialup, ISDN, ADSL• Internet Service Provider• LAN, Ethernet• indirizzo IP• netid, hostid• classi di indirizzi IP• protocollo• packet switching

• suite di protocolli Internet• protocollo IP• protocollo TCP• datagram• comunicazione logica e

fisica• hostname• sistema DNS• name server (locali,

autoritativi, radice)• ARPAnet