Linee Commutate

1. Linee Commutate • Comunicazione telefonica: • Un utente compone il numero del destinatario (richiesta di connessione) • Il centralino (umano od elettronico), verifica se il numero desiderato esiste e se è libero, nel qual caso unisce fisicamente le linee in un circuito • Le comunicazioni dipendono al funzionamento di uno o più centralini • Questo modo per collegare di utenti si chiama commutazione di linea (circuit switching), in quanto una linea deve essere attivata e poi disattivata per instaurare/finire una comunicazione DEI - Univ. Padova (Italia)

2. Internet: un po’ di storia • All’inizio degli anni ’60 un gruppo di scienziati del MIT immaginarono di interconnettere tra loro computer • L’ARPA (Advanced Research Project Agency) era interessata a sviluppare dei sistemi di comunicazioni robusti a guasti • Nell’Ottobre del ’69 il primo messagio fu inviato tra un computer della UCLA ed uno dello Stanford Research Institute. DEI - Univ. Padova (Italia)

3. Internet: un po’ di storia • Nel ’72 fu sviluppata la posta elettronica • Si cominciano a creare reti scientifiche e proprietarie (HEPNet, CSNET, SNA di IBM e DECNet della DEC) • Nasce il problema di dover interfacciare tra loro reti differenti: necessità di regole condivise (protocolli) DEI - Univ. Padova (Italia)

4. Trasmissione: linee commutate • Nelle comunicazioni che utilizzano linee commutate, una volta che il circuito sia stabilito fra i due apparecchi (ad es. i telefoni), la linea è interamente ed esclusivamente dedicata a quella comunicazione, sia che ci sia un effettivo scambio di messaggi che non ci sia.Inefficienza nella gestione della occupazione delle risorse • Se parte del messaggio viene persa o distorta durante a comunicazione, l’intero messaggio deve essere ripetuto Scarsa robustezza • dove n è un numero intero non negativo DEI - Univ. Padova (Italia)

5. Trasmissione: commutazione di pacchetti • I messaggi digitali si prestano ad essere spezzettati in pacchetti, ognuno dei quali viene inviato al destinatario indipendentementeLa risorsa scarsa (possibilità di utilizzare il mezzo di trasmissione) viene utilizzata solo quando è necessario • Solo la parte del messaggio che non arriva al destinatario correttamente deve essere ritrasmessaMaggiore efficienza DEI - Univ. Padova (Italia)

6. Trasmissione • Per poter trasmettere i pacchetti di dati (binari) su una linea telefonica, è necessario convertirli • Il MODEM (MODulatore/DEModulatore) modula o altera un segnale standard, la portante, per codificare il messaggio in modo che possa essere trasmesso DEI - Univ. Padova (Italia)

7. Mezzi di trasmissione • Per creare una rete è necessario stabilire un collegamento fra (almeno) due dispositivi) • E’ possibile attuare il collegamento tramite: • Cavo telefonico • Fibra ottica • Cavo coassiale • Cavo Ethernet DEI - Univ. Padova (Italia)

8. Reti LAN • Quando i dispositivi che sono connessi a formar una rete sono vicini tra loro i parla di rete locale (Local Area Network). • In genere il proprietario dei dispositivi è anche proprietario dei mezzi (ad es. cavi) di comunicazione • Le strategie di connessione per le LAN sono: bus, anello, stella DEI - Univ. Padova (Italia)

9. Topologie della rete: bus, anello, stella • Nella topologia a bus tutti i dispositivi (nodi della rete) sono connessi ad una singola linea di comunicazione condivisa • L’anello connette i nodi della rete in modo circolare • Nella stella si ha un singolo nodo centrale a cui sono collegati tutti gli altri DEI - Univ. Padova (Italia)

10. Accesso alla trasmissione • Come è possibile regolare l’accesso alla trasmissione di messaggi senza che tutti i dispositivi cerchino di inviare messaggi contemporaneamente, rendendo impossibile ogni comunicazione?(Pensate a quado provate a parlare contemporaneamente durante una conversazione ...) • Strategie: • Round robin • Token ring • CSMA/CD DEI - Univ. Padova (Italia)

11. Round-robin • Ad ogni dispositivo è assegnato un turno durante il quale può inviare una messaggio • Al di fuori del proprio turno può solo ascoltare i messaggi che inviano gli altri dispositivi e leggere i messaggi indirizzati a sé stesso • Uno dei dispositivi presenti nella rete funge da “arbitro”, assegnando equamente i turni DEI - Univ. Padova (Italia)

12. Token ring • Un gettone (token), gira nella rete e deve essere catturato da un dispositivo che voglia trasmettere • Una volta che sia catturato, il dispositivo accoda a tale gettone il messaggio: questo rende il gettone non cattuabile se non dal destinatario del mesaggio • Il destinatario, dopo aver estratto dalla rete il token col messaggio, riniserisce nella rete il gettone, privato del messaggio. Questo lo rende disponibile alla cattura. DEI - Univ. Padova (Italia)

13. Token ring • Il token gira nella rete ad anello segnalando che l’invio di un messaggio è possibile 2 1 3 6 5 4 DEI - Univ. Padova (Italia)

14. Token ring • Il dispositivo 1 vuole inviare un messaggio a 4 , e cattura il token quando gli arriva senza un messaggio allegato 2 1 3 6 5 4 DEI - Univ. Padova (Italia)

15. Token ring • Allega al token un messaggio, rendendolo occupato, e quindi lo riimmette nella rete 2 1 Dati 3 6 5 4 DEI - Univ. Padova (Italia)

16. Token ring • Nessun dispositivo può catturare il token fino a che esso non raggiunga le destinazione 2 1 3 6 Dati 5 4 DEI - Univ. Padova (Italia)

17. Token ring • Il dispositivo 4 è il destinatario del messaggio, lo estrae dalla rete e poi riimmette il token pronto per una nuova comunicazione 2 1 3 6 5 4 Dati DEI - Univ. Padova (Italia)

18. CSMA/CD • Nel caso di bus condiviso, la strategia di accesso è basato sulla competizione • Sulla linea condivisa è presente un segnale di libero (carrier), che permette ai dispositivi di trasmettere • Il dispositivo più veloce inserisce il messaggio sulla linea, rendendola occupata: nessun altro può trasmettere fino a che la linea non sia di nuovo libera • Tutti i dispositivi sulla rete vedono il messaggio trasmesso, ma lo ignorano a meno di non esserne il destinatario DEI - Univ. Padova (Italia)

19. CSMA/CD • Se due dispositivi che sono in attesa di trasmettere sono ugualmente veloci nel percepire il segnale di libero e trasmettere il loro messaggio si genera una collisione • Tale evento deve essere identificato perchè rende entrambi i messaggi inintelleggibili • In caso di collisione, il segnale torna libero ed i dispositivi che l’hanno generata devono attendere un tempo casuale per provare a ri-trasmettere, in tal modo si cerca di minimizzare collisioni multiple successive DEI - Univ. Padova (Italia)

20. CSMA/CD • I dispositivi devono essere in grado di: • Percepire il segnale di libero (Carrier Sense - CS) • Accedere contemporaneamente alla linea (Multiple Access - MA) • Identificare le collisioni (Collision Detection - CD) • Il controllo è distribuito: • Ogni nodo decide quando ascoltare, quando inviare e quando attendere • Un problema ad un nodo non influenza le attività degli altri nodi DEI - Univ. Padova (Italia)

21. Ripetitori e bridge • Ogni segnale trasmesso in un mezzo si attenua, si distorce, ed è soggetto a rumore mano a mano che si propaga sempre più lontano • Limite fisico alla lunghezza massima dei cavi per avere trasmissioni affidabili • Più tratte devono essere interconnesse DEI - Univ. Padova (Italia)

22. Ripetitori • Un ripetitore inoltra un segnale (messaggio) tra due reti cercandi di ripristinare il segnale che presenta alla rete destinataria alla sua forma originale. Nel caso più semplice funziona da amplificatore Ripetitore DEI - Univ. Padova (Italia)

23. Bridge (o switch) • Un bridge è un dispositivo che conosce quali nodi si trovino in ciascuna delle sotto-reti connesse ad esso, e inoltra solo i messaggi che devono andare da una rete all’altra Messaggio dalla LAN1 per un nodo nella LAN1 LAN 2 LAN 1 Bridge Messaggio dalla LAN1 per un nodo nella LAN2 DEI - Univ. Padova (Italia)

24. Un primo protocollo: ARQ • Una volta che si abbia accesso ad un mezzo di trasmissione, con delle regole per accedervi, è necessario fare in modo che il messaggio trasmesso arrivi correttamente a destinazione • Non potendo eliminare gli errori, l’idea è di rilevarli e ritrasmettere i messaggi che sono andat perduti o distorti. • L’algoritmo ARQ (Automatic Repeat reQuest), è la base di tutte le procedure (protocolli) di controllo del collegamento DEI - Univ. Padova (Italia)

25. Un primo protocollo: ARQ • L’idea di base è che ogni volta che viene trasmesso un pacchetto, il destinatario deve inviare un avviso di ricezione (acknowlegement) al mittente una volta che l’abbia ricevuto • Per fare ciò è necessario che: • Ogni pacchetto sia univocamente identificato, e questo avviene tramite un numero sequenziale • Ogni pacchetto abbia un codice per controllarne la correttezza • L’inizio e la fine di ogni pacchetto sono delimitati da segnali speciali (Start of Packet - SOP, ed End of Packet - EOP) DEI - Univ. Padova (Italia)

26. Trasmissione con ARQ Destinatario Mittente Invia il pacchettocon numero sequenziale 1 X=1 Riceve correttamente il pacchetto 1 ed invia l’avviso di ricezione con numero sequenziale x+1 ACK X+1 Riceve l’ACK per il pacchetto 1 ed invia il pacchettocon numero sequenziale 2 che non raggiunge il destinatario X=2 Dopo un periodo di attesa (timeout) dell’ACK per il pacchetto 2, lo assume perso e lo ri-invia X=2 DEI - Univ. Padova (Italia)

27. Trasmissione con ARQ Destinatario Mittente Invia il pacchetto con numero sequenziale 2 è ri-inviato X=2 Invia l’avviso di ricezione con numero sequenziale x+1, ma l’avviso non arriva ACK X+1 Dopo un periodo di attesa (timeout) dell’ACK per il pacchetto 2, lo assume perso e lo ri-invia X=2 Riceve correttamente il pacchetto 2, ma si accorge di averlo già ricevuto.Lo scarta ed invia l’avviso di ricezione con numero sequenziale x+1 ACK X+1 Riceve l’avviso di ricezione per il pacchetto 2 e invia il pacchetto 3 X=3 DEI - Univ. Padova (Italia)

28. Dalle applicazioni alla trasmissione • La funzione fattoriale, molto usata nel calcolo combinatorio, è così definita • dove n è un numero intero non negativo DEI - Univ. Padova (Italia)

29. Reti diverse: la soluzione “nativa” • Quando si deve trasmettere un messaggio attraverso reti diverse, per il mezzo fisico, per il protocollo di accesso o altro, a che livello si colloca la procedura di traduzione da una regola (protocollo) all’altra? • Una strategia potrebbe essere quella di affidare alle singole applicazioni l’onere di capire attraverso quali reti stiano trasmettendo dati, e di far provvedere ad esse la compatibilità • Questo provocherebbe un inutile difficoltà nel gestire le compatibilità e nel mantenere il codice delle applicazioni aggiornato DEI - Univ. Padova (Italia)

30. Il modello a livelli • Si è scelto di organizzare i protocolli in una gerarchia a più livelli, in cui ciascun livello si occupa di un aspetto limitato delle comunicazioni complessive. • Ogni livello comunica solo con il livello sovrastante e quello sottostante • Questa organizzazione in livelli fa sì che una modifica ad un livello non influenzi gli altri, semplificando la gestione di Internet DEI - Univ. Padova (Italia)

31. Il modello OSI/ISO • Il modello Open System Interconnect, dell’ International Standard Organization, una gerarchia di 7 livelli, di cui a noi interessano solo 4: Applicazione Controllo di Trasporto Rete Fisico DEI - Univ. Padova (Italia)

32. Livello di Applicazione • I protocolli del livello di applicazione sono le regole per implementare i servizi all’utente forniti da una rete (browsing di pagine web, posta elettronica, trasferimento file) DEI - Univ. Padova (Italia)

33. Transmission contro protocol: TCP • Il livello del controllo del trasporto deve prendere i messaggi che il livello di applicazione richiede di inviare in rete e li deve preparare all’invio: • Divide il messaggio in pacchetti • Assegna un numero sequenziale ai pacchetti in modo da rendere possibile la ricostruzione del mesaggio originale • Gestisce il protocollo ARQ (invio, invio dell’avviso di ricezione, ri-invio di pacchetti perduti) • Individua l’applicazione (porta) che ha richiesto ed a cui è destinato il messaggio DEI - Univ. Padova (Italia)

34. Transmission contro protocol: TCP • Tutte quest informazioni vengono anteposte al pacchetto di dati in una intestazione (header) TCP Messaggio TCP Header Pacchetto TCP Header Pacchetto TCP Header Pacchetto TCP Header Pacchetto DEI - Univ. Padova (Italia)

35. Transmission contro protocol: TCP Porta mittente Porta destinazione Numero sequenziale del pacchetto Numero del ACK Altre informazioni opzionali Dati del pacchetto DEI - Univ. Padova (Italia)

36. TCP: three way handshake • Il protocollo TCP fornisce anche le regole per instaurare una connessione, mandando dei messaggi di richiesta si sincronozzazione (SYN) al destinatario Destinatario Mittente Riceve la richiesta di connessione (SYN), ed un pacchetto di dati con numero sequenzale SEQ=x. Manda l’avviso di ricezione del SYN, e del pacchetto SEQ=x+1, inoltre manda un pacchetto con numero SEQ=y Manda una richiesta di connessione (SYN), ed un pacchetto di dati con numero sequenzale SEQ=x SYN, SEQ=X SYN, ACK=x+1, SEQ=y Riceve l’ok alla connessione (SYN), ed un pacchetto di dati con numero sequenzale SEQ=y. Manda l’avviso di ricezione del pacchetto SEQ=y+1 SYN, ACK=y+1 Riceve l’avviso di ricezione del pacchetto SEQ=y, la connessione è stabilita DEI - Univ. Padova (Italia)

37. TCP: three way handshake • Stabilire la connessione con lo scambio di strette di mano triplice serve in modo che i due dispositivi possano stimare i tempi di attesa (timeout) del riinvio dei pacchetti, a seconda della situazione della rete. DEI - Univ. Padova (Italia)

38. Internet Protocol: IP • La funzione fattoriale, molto usata nel calcolo combinatorio, è così definita • dove n è un numero intero non negativo DEI - Univ. Padova (Italia)

39. Indirizzi IP • I livelli di applicazione e TCP della gerarchia di protocolli rendono possibile lo scambio di messaggi una volta che si sia in grado di identificare il destinatario • I protocolli del livello di rete (IP – Internet Protocol) hanno il compito di recapitare il messaggio dal mittente la destinatario • E’ necessario uno schema di indirizzamento valido per tutti i nodi della rete DEI - Univ. Padova (Italia)

40. Indirizzi IP • Un indirizzo IP identifica univocamente ogni nodo della rete tramite un numero di 32 bit, spesso scritto come quattro numeri a 8 bit (0-255):un indirizzo può essere:147.162.98.137 che rappresenta uno dei computer del Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione DEI - Univ. Padova (Italia)

41. DNS • Gli indirizzi IP a 32 bit non forniscono un sitema facile per associare un indirizzo ad una risorsa • Lo Internet Domain Name System (DNS) fornisce un sistema di corrispondenza tra un sistema di indirizzi orientato all’utente con quello utilizzato dal protocollo IPIn tal modo un indirizzo simbolico come ironbark.bandigo.latrobe.edu.au si traduce in 149.144.21.60 • Il DNS è un enorme database distribuito su migliaia di computer che contiene le corrispondenze fra nomi simbolici e indirizzi IP DEI - Univ. Padova (Italia)

42. DNS • La struttura del DNS è gerarchica ed organizzata in un albero. • Ogni nodo dell’albero si chiama dominio • Ogni dominio ha un server di nomi (nameserver) che fornisce la traduzione dominio-IP per i sottoalberi del suo dominio .gov radice .it .com .edu unipd.it repubblica.it amazon.com princeton.edu scienze.unipd.it google.com washington.edu dei.unipd.it jpl.washington.edu DEI - Univ. Padova (Italia)

43. DNS • Se dalla rete dei.unipd.it voglio accedere a repubblica.it, la richiesta viene prima inoltrata al nameserver del dominio dei.unipd.it. Se tale dominio non conosce la traduzione del dominio richiesto nel corripondente IP, passa la richiesta al nameserver del livello superiore (unipd.it), ed eventualmente a quello del dominio .it, che conosce sicuramente l’indirizzo IP di repubblica.it, essendo quest’ultimo un suo sottoalbero. .gov radice .it .com .edu unipd.it repubblica.it amazon.com princeton.edu scienze.unipd.it google.com washington.edu dei.unipd.it jpl.washington.edu DEI - Univ. Padova (Italia)

44. Protocollo IP • Una volta che sia noto l’inidirizzo IP del detinatario di un messaggio, ai vari pacchetti in arrivo dal livello del trasporto, il livello di rete aggiunge una intestazione (header) IP, contenete l’indirizzo del mittente, del destinatario, e quello di eventuali nodi di “scalo”. Messaggio IP Header TCP Header Pacchetto IP Header TCP Header Pacchetto IP Header TCP Header Pacchetto IP Header TCP Header Pacchetto DEI - Univ. Padova (Italia)

45. IP routing • In una rete spesso non si hanno tragitti diretti fra un nodo mittente ed il nodo destinatario, ma è necessario passare per nodi intermedi • Inoltre è possibile che vi siano più tragitti posibili: quale scegliere? • Il processo di scelta del percorso di ogni pacchetto è detto routing (da route = rotta) DEI - Univ. Padova (Italia)

46. IP routing: smistamento locale • Quando si richiede la consegna di un pacchetto IP, per prima cosa si controlla se il destinatario è sulla rete a cui la richiesta di consegna è arrivata. • In caso affermativo, il pacchetto è comsegnato alla rete fisica che gestisce la consegna diretta DEI - Univ. Padova (Italia)

47. IP routing: internet • Se la destinazione è in una rete differente da quella in cui si trova il pacchetto, esso è consegnato ad un “instradatore” (router) connesso alla rete e da questo è inoltrato di router in router fino a che non raggiunge la rete desiderata. • E’ la stessa cosa che avviene quando si compra un biglietto aereo per una destinazione per cui non è possibile avere un volo diretto. Ogni scalo è la sosta di un pacchetto in un router che lo indirizza verso la destinazione DEI - Univ. Padova (Italia)

48. Routing tables • Ogni router mantiene al suo interno un database di percorsi ottimali (routing tables) per raggiungere determinate destinazioni,cosicché può inoltrare nel modo migliore ogni pacchetto che gli giunga da smistare • La rete è dinamica, per cui la sua topologia si modifica continuamente. • Alto volume di traffico locale o guasti possono compromettere quello che sembrava il percorso migliore per un pacchetto • I router devono aggiornare continuamente le routing tables DEI - Univ. Padova (Italia)