Reti di calcolatori - di.unito.itpatti/teaching/Reti-0405.pdf · 3 Viviana Patti Informatica di base 13/12/04 È possibile identificare due tipologie di reti di computer reti locali

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Viviana Patti Informatica di base 13/12/04

Reti di calcolatori

Da leggere:Cap.5Sawyer, Williams (testo A)Cap.6 (primi 3 paragrafi)del Console Ribaudo(testo B)


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

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Reti di calcolatori: aree di applicazione

Comunicazione tra utenti in locazioni fisiche differenti (scambio di messaggi e dati)

comunicazioni in ambito di ricercautilizzo di basi di dati in locazioni remotelavoro cooperativopossibilità di svolgere attività di lavoro a casa (tele-lavoro)accesso a informazioni di varia natura


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 informazionies. basi di dati a cui molti utenti (da diversi computer) posso accedereComunicazione

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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)

Reti di calcolatori


Per avere una rete è indispensabile il collegamento fisico tra diversi computerMeccanismi in grado di trasmettere informazioni (canali di comunicazione)

cavi elettricicavi a fibre ottichelinee telefonichetrasmissioni wireless via satellite

Diverse possibili topologie di collegamentoMeccanismi in grado connettere i computer con i vari canali di comunicazione

modem

Reti di calcolatori: hardware

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Sono inoltre necessari meccanismi software per permettere ai vari computer di dialogare e di gestire la comunicazione

protocolli (convenzioni) di comunicazioneinvio e ricezione di messaggimeccanismi di indirizzamentospedizione sulle connessioni opportuneverifica correttezza dei messaggi durante la trasmissioneprotezione dei messaggi (per evitare intercettazione)ottimizzazione della comunicazionegestione del traffico sulla rete

Reti di calcolatori: software


Sommario

Aspetti hardware:nodo (host), arco (link), canali di comunicazioneTopologie di rete e tecnologie di trasmissione

reti lineari, ad anello, a stellacommutate

Trasmissione analogica e digitaleil modem

Cenni su aspetti software scambio di messaggi e protocolliesempio concreto di protocolli della rete Internet nella prossima lezione

Reti LAN e WAN

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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/datiRete di comunicazione: infrastruttura che rende possibile la comunicazione fra un insieme di dispositivi

Server

PC

PC

Terminale


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 reteArco: i nodi sono collegati mediante archi (link) -> vari tipi di canali di comunicazioneCanale di comunicazione: Percorso sul quale le informazioni viaggiano in un sistema di telecomunicazioni

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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 intrecciatiFibra 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 infrarossiCollegamenti satellitari;


Canali di comunicazione

Il tipo di cavo determina la capacità di trasmissione= quantità di informazione che posso trasferire nell'unità di tempoAmpiezza di banda della rete: quantità di informazioni che possono essere inviate in un determinato periodo di tempounità di misura: bit al secondo: Kilobit (Kb), Megabit (Mb) per secondo

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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 messaggicodificati in forma digitaleOgni messaggio è caratterizzato da

un mittente (S = sender),un destinatario (R= receiver), un insieme di informazioni checostituiscono il corpo del messaggio: tipo di

servizio richiesto da S a R e insieme di dati

S R



Affinché questa comunicazione possa avvenire in modo corretto occorre definire un protocollo di comunicazioneCome 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

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Un protocollo umano e un protocollo di reti di computer:


… messaggi specifici vengonospediti… azioni specifiche sonocompiute quando imessaggi sono ricevuti

I protocolli definiscono formato eordine dei messaggi spediti ericevuti tra entità della rete, e leazioni da compiere in seguito allaricezione e/o trasmissione deimessaggi o di altri eventi



In generale, un protocollo di rete fornisce dellefunzionalità per controllare la spedizione e la ricezione dei

messaggigestione dell'indirizzamento (addressing)gestione dell'instradamento (routing)gestione di eventuali errori di trasmissione (error detection, error recovery, sequence control)gestione della velocità di comunicazione (flowcontrol)

vedremo un esempio di protocollo di rete quando parleremo di Internet

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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 reteLa 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 retecommutate -> reti geografiche


Topologie di reti: esempi

multi-punto

punto-a-punto

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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 attraversaticomunicazione equamente distribuita fra i vari nodi: no bottle neck!affidabilità, tolleranza ai guasti -> ridondanza


Reti punto-punto semplici

Ciascuna coppia di nodi è direttamente collegatamodalità di trasmissione: point-to-point, uno a uno

Qual'èil numero dei collegamenti necessari dati

N nodi?

N*(N-1)/2

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costo: alto! più alto è il numero di collegamenti da realizzare -> più alto è il costo

difficoltà realizzativa/praticavelocità di trasmissione: alta!efficienza della comunicazione:esiste un collegamento diretto(dedicato) per ogni coppia di nodiaffidabilità: buona! Esistono molti cammini alternativi per collegare ogni coppia di nodi (ridondanza)

Reti punto-punto semplice: valutazione


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)

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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; senon è indirizzato a quel nodo, viene ritrasmesso al nodoseguente, finché non raggiunge il destinatario


costo: minore rispetto al puntoa-punto semplice: minor n.di collegamentivelocità 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

Reti ad anello: valutazione

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Reti a stella

i nodi sono tutti collegati mediante connessioni punto a punto a un nodo centrale detto hosttutte 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 passanoattraverso il nodo host che provvede a smistarle verso il nododestinazione


costo: inferiore a quello delle altre topologie viste

velocità di trasmissione: buona! i messaggi da nodo anodo devono attraversare solo il nodo centrale

affidabilità: cruciale il funzionamento del nodo centrale: se si guasta ogni comunicazione diventa impossibileProblema: il nodo centrale può diventare il collo di bottiglia della rete: tutto il traffico passa di lì

Reti a stella: valutazione

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Esempio di architettura con hub

Per risolvere il problema del traffico sul nodo centrale si usano dispositivi specializzati detti hubConcentratore (hub): dispositivo di connessione che semplifica il collegamento fisico tra i nodi e instrada i segnaliDorsale: cavo ad alta capacità di trasmissione dei dati

rete a stella


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-PUNTOI 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 lo ignorano

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Trasmissione in broadcast

Broadcast: Modalità di trasmissione che prevede l'invio di un messaggio a tutti i computer collegati in reteIn 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 retea ogni calcolatore deve essere associato un identificatore univoco (indirizzo di rete); nome logico/indirizzo fisicoun 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


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 parlareNon si deve parlare fino a quando non si è

interrogatiNon si deve monopolizzare la comunicazioneSi deve alzare la mano quando si ha una domandaNon 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

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costo: ho 1 solo arco, da realizzare:

la dorsale della retefacilità di realizzazione

velocità di trasmissione:la comunicazione è veloce! un messaggio deve

attraversare solo 1 arco, la dorsalela dorsale può diventare il collo di bottigliaaffidabilità: buona! un nodo fuori uso rimane isolato -> l'unico punto debole è la dorsale

Reti lineari: valutazione


LAN

Le topologie di reti che abbiamo visto hanno di solito un'elevata capacità di trasmissione (100-1000 Mbit/sec.)

maRidotta 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...

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Reti commutate

poiché è impossibile collegare fisicamente tutte le macchine, si utilizza una infrastruttura condivisa

Retecomposta

da commutatori:ognuno dei quali

ha il compito

di smistare i dati

a un altro commutatore

etc.

meno veloci:100Mbit/sec

estensione enorme:migliaia

di Km

ne riparliamonella 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

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LAN - Local Area Network

Reti private per la condivisione di risorse all’internodi un edificio o in edifici vicini

elaboratoristampantidati

Sono generalmente di dimensioni ridotteSi possono distinguere a seconda della topologia

(punto-a-punto semplice, ad anello, a stella, lineare)


LAN – Scheda di rete

Per collegare un computer ad una rete locale siusa 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

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Gli elaboratori in una LAN possono avere ruolidiversi

Server: elaboratore che può essere condivisodagli altri computer collegati in rete

server gestore dei dati (file server): gestisce la memorizzazione e la condivisione di datiserver 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 risorsecondivise, messe a disposizione dal server

Reti LAN Client/Server


Reti LAN Client/Server

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LAN - Software di rete

In una LAN si vogliono condividere delle risorseIl sistema operativo (locale) non è in grado di gestire

le risorse che non appartengono all’elaboratore e siintroduce un nuovo livello nella “struttura a cipolla”: ilsistema operativo di rete


LAN - Software di rete

Supporta l'accesso di più utenti offrendo le funzionalità di riconoscimento tramite passwordGestisce l'accesso alle risorse condivise (es. stampante, o disco di memoria secondaria)...

Windows NT/2000 (tecnologia su cui si basa anche XP, in laboratorio)

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LAN - Ethernet

Ethernet è il tipo di rete locale più diffuso

Sviluppata dalla Xerox negli anni ’70 (1976)Qualsiasi computer di qualsiasi tipo prevede lapossibilità di usare una scheda Ethernet perconnettersi alla rete locale

Usa prevalentemente la topologia lineare e una modalità di trasmissione broadcastVelocità di trasmissione: 10, 100, 1000 Mb/sec.


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 collisioniSchema di funzionamento

Quando un computer vuole trasmettere un'informazione...prima verifica che il canale sia libero, poi invia il messaggio in broadcastSe si accorge che un altro computer sta trasmettendo, aspetta

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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 / CollisionDetection


LAN aperte - interconnessione

Oggi raramente una LAN è chiusa, ossia non connessa ad altre reti

Lab: rete locale connessa a InternetEsistono dei dispositivi appositi che fanno da interfacciae creano queste connessioniRouter: 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)

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LAN aperte - interconnessione


WAN - Wide Area Network

Una rete WAN copre una grande area geograficaesempio, 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

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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.


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 informazioniSemplificando 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

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Per le comunicazioni su lunga distanza, si cerca di sfruttare le reti di comunicazione esistenti, come ad esempio la rete telefonicaLa rete telefonica è adatta a comunicare la voce, cioè un segnale analogico che varia in maniera continua in una banda di frequenzeSono necessari dei dispositivi per poter usare la rete telefonica come mezzo di comunicazione tra computerMeccanismi in grado connettere i computer con i vari canali di comunicazione

Trasmissione: analogico e digitale


Analogico e digitale

In generale l'informazione trasmessa in una rete può essere portata da un segnale analogico o digitaleDigitale

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

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Analogico e digitale

Analogicoi dati analogici vengono trasmessi come segnali elettrici sotto forma di onda continuaMezzi di trasmissione analogici: telefono, radio, televisione e TV via cavo


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 acusticaIl microfono della cornetta converte quel segnale in un segnale elettrico che ha esattamente la stessa formaIl segnale elettrico viaggia sul doppino telefonico ed arriva all’apparecchio del riceventeL’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.

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Funzione del modem

La rete telefonica trasmette suoniUn calcolatore vuole trasmettere informazioni codificate usando un opportuno numero di bitCi vuole un dispositivo che esegue la conversione da bit a “fischio”MOdulatore-DEModulatoreConverte i segnali da analogici a digitali e viceversaModem significa modulatore - demodulatore; il nome stesso suggerisce le due funzioni di questo dispositivo hardware:

Modula i segnali digitali trasformandoli in segnali analogiciDemodula i segnali analogici riconvertendoli in segnali digitali


Funzione del modem

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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 differenteChiaramente, 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


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/secSe 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)

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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)

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