Fondamenti di Informatica - Prof. De Maio Carmen RETI DI COMPUTER (lucidi) - opcode

Fondamenti di
 Informatica
 RETI DI COMPUTER
       (lucidi)

 Prof. De Maio Carmen
    cdemaio@unisa.it

Introduzione

• I primi tempi dell'informatica furono caratterizzati da centri di
  calcolo con grossi computer centrali a cui ogni utente accedeva
  direttamente
• Successivamente, a tali sistemi furono connessi terminali
  conversazionali, che permisero di decentrare le operazioni di
  Input/Output.
• Con
     – la miniaturizzazione delle componenti elettroniche,
     – l'aumento delle capacità elaborative dei microprocessori
     – e il conseguente abbattimento dei prezzi,
• il computer fece la sua apparizione anche sulle scrivanie e iniziò la
  fase del personal computing

Introduzione

•   La fase successiva vide il collegamento in rete dei computer che
    così potevano scambiarsi messaggi e files e condividere banche
    dati. Nacque così l'informatica distribuita:
     – da un lato i computer erano collegati in rete a un server da cui
        potevano prendere applicativi e dati,
     – dall'altro erano in grado di effettuare elaborazioni in locale, cioè
        al loro interno, perché erano dotati di hw e sw adeguato.

Cos’è una rete

•   Una rete informatica è un insieme di dispositivi (detti di rete)
    collegati tra loro tramite sistemi di interconnessione (cablaggio
    o wireless).
     – Consente di comunicare e condividere informazioni e risorse.

     – È possibile ospitarle in una sede singola oppure dislocarle in
        vaste aree.

Componenti di una rete

Componenti di una rete sono:

• nodi: un nodo è un qualsiasi dispositivo hardware del sistema, in
  grado di comunicare con gli altri dispositivi che fanno parte della
  rete;

• collegamenti (links) tra i nodi.

Finalità di una rete

•   facilitare la comunicazione tra gli utenti
     – permettendo l'invio di messaggi di posta elettronica e lo
        scambio di file;
•   consentire la condivisione di risorse
     – quali dati e programmi, ma anche componenti hardware;
•   utilizzare razionalmente le risorse (Hw e Sw)
•   migliorare l'affidabilità del sistema
     – in quanto una rete è composta da più computer, che possono
        anche eventualmente sostituire le macchine non funzionanti.

Tipologie di rete

I tipi di rete che possiamo utilizzare coprono spazi diversi:

• possiamo utilizzare una semplice rete, collegando un computer a un
  portatile;

• collegarci via Internet per comunicare senza limiti di spazio.

ESTENSIONE: Rete Domestica

•   Collegamento punto punto
     – connessione diretta tra due nodi senza
       passare per un nodo intermedio

•   Struttura centralizzata
      – Risorse elaborative condivise HW-SW

      – Il computer centrale è chiamato Host

ESTENSIONE: Rete Locale (LAN)

•   reti locali o LAN (Local Area Network):
      – connette fisicamente apparecchiature su brevi distanze

          • Una LAN è solitamente interna a un edificio o ad edifici
            adiacenti.
          • Un esempio potrebbe essere una rete di un ufficio o di un
            istituto universitario;
      – utilizzando cavi dedicati o Wi-Fi

      – utilizzando hardware specifico.

ESTENSIONE: Rete Metropolitana (MAN)

•   reti metropolitane o MAN (Metropolitan Area Network): reti, che
    coprono l'estensione di un'area urbana.
     –   Per esempio:
          •   le reti civiche presenti in molte città italiane
          •   la connessione di tutti gli elaboratori di una Università
              distribuita in diversi plessi è una rete MAN

ESTENSIONE: Rete Geografica (WAN)

•   Reti geografiche o WAN (Wide Area Nerwork): reti di vaste
    dimensioni, che permettono di collegare dispositivi molto distanti
    tra di loro.
      – Ad esempio la rete GARR, che collega tutte le reti delle
        Università italiane;
      – la rete ARPANET rete americana per collegare centri di ricerca.
•   Una WAN particolare è Internet ("rete delle reti")
      – in questo caso si uniscono reti di diversa natura (sia dal punto
        di vista dell’ hardware che del software).
•   Una funzione fondamentale la svolgono i cosiddetti protocolli di
    comunicazione, che sono un insieme di regole comuni rispettate da
    tutti i sistemi che si affacciano sulla rete

Tecnologia di comunicazione: Peer-to-peer

•   In una rete peer-to-peer, o rete punto a punto, tutti i calcolatori
    sono collegati da una serie di connessioni dirette (dedicate) tra
    di loro.

•   Per passare da una sorgente ad una destinazione, l'informazione
    passa attraverso elaboratori intermedi che hanno l'unica funzione di
    inoltrare il messaggio

•   Nel suo viaggio, l'informazione può percorrere tragitti alternativi

Tecnologia di comunicazione: Broadcast

•   Sono costituite da canali condivisi tra tutti i calcolatori,
    ognuno dei quali ha un indirizzo distintivo, che è
    chiamato indirizzo di rete
•   Le macchine inviano i messaggi sui canali condivisi
    specificando l’indirizzo del destinatario
•   Il messaggio viene inviato contemporaneamente a tutti gli
    host: solo il destinatario legge il messaggio, gli altri lo
    ignorano
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RETI DI COMPUTER
    I protocolli
     (Sez. 9.9)

La rete telefonica ed i computer

•   Le linee di comunicazione usate per connettere i computer di una
    rete possono essere
      – Dedicate: connettono in modo perenne, i dispositivi di
        comunicazione che condividono tali linee
      – Commutate: realizzate su un'infrastruttura molto più generale (la
        linea telefonica), sulla quale si affacciano moltissimi dispositivi
        di comunicazione che usano tali linee solo per periodi limitati
        di tempo. Le linee commutate possono essere
           • a commutazione di circuito

           • a commutazione di pacchetto

Modem

•   Su una normale linea telefonica il segnale che viaggia è di tipo
    analogico
•   Il modem converte i dati digitali in segnali analogici e viceversa su
    linea telefonica.

Linea a Commutazione di Circuito

•   Nella linea a commutazione di circuito viene a crearsi, per tutta
    la durata della comunicazione, un canale tra la sorgente e il
    destinatario, che è di uso esclusivo di tale comunicazione

• Per tutta la durata della comunicazione i dati seguono sempre
  lo stesso percorso.
• E' tipico delle comunicazioni telefoniche        1

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Linea a Commutazione di Pacchetto

•   Le linee a commutazione di pacchetto sono utilizzate
    contemporaneamente da più utenti.
•   Il messaggio è scomposto in pacchetti tutti della stessa dimensione
    che vengono inviati sulla rete e che possono seguire tragitti
    diversi.
•   È la "logica" della rete che decide quale strada dovrà seguire ogni
    singolo pacchetto
•   A destinazione il messaggio si ricompone
    – I dati sono suddivisi in pacchetti, ognuno dei quali può seguire un
      percorso diverso.                                      1
    – Tipico delle trasmissioni dati
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Linea a Commutazione di Pacchetto

•   Si occupa la linea solo per il tempo strettamente necessario
     – quando si telefona, invece, la linea è dedicata alla connessione
•   Ogni router decide il percorso ottimale per ogni pacchetto.
     – Questo percorso può variare da pacchetto a pacchetto di uno
        stesso messaggio, perché, nel frattempo, le condizioni di traffico
        sulla rete possono essere mutate.
•   È, però, necessario che tutti i nodi della rete seguano una serie di
    regole comuni (i protocolli).
•   In Internet, i protocolli fondamentali sono TCP e IP

La rete telefonica ed i computer

•   In una LAN le componenti sono fisicamente molto vicina le
    une alle altre, per cui sono collegate mediante cavi dedicati
    (o in modo wireless, cioè senza cavi)

•   Nelle reti geografiche le componenti sono fisicamente
    lontane ed è molto costoso collegarle tramite cavi dedicati,
•   per cui una WAN utilizza quasi sempre una rete telefonica a
    commutazione di pacchetto.

Protocolli di comunicazione: Internet
                    Protocol (IP)
•   Per utilizzare linee a commutazione di pacchetto bisogna essere in
    grado di identificare il singolo dispositivo che si affaccia alla
    rete.
•   In Internet, ogni dispositivo collegato possiede un proprio indirizzo
    (detto IP, cioè Internet Protocol) che lo identifica univocamente
     – Ciascun dispositivo (router, computer, server di rete, stampanti,
        alcuni tipi di telefoni, ...) ha il suo indirizzo
•   All’interno di un indirizzo IP si distinguono:
     – l’indirizzo di rete;
     – l’indirizzo dell’host.

Protocolli di comunicazione: Internet
                      Protocol (IP)
•   Il meccanismo di interpretazione degli indirizzi IP è simile a quello
    dei numeri telefonici in cui:
       – il prefisso definisce il distretto telefonico;

       – il resto identifica l’apparecchio telefonico specifico in quel
         quartiere, zona, abitazione, interno

Protocolli di comunicazione: TCP

•   Il protocollo TCP (Transmission Control Protocol) si occupa
    di come “spezzettare” un messaggio in più parti.
•   Ogni “pacchetto” contiene una porzione di un file, e può
    seguire nella rete la strada che vuole.
•   Il protocollo TCP si occupa anche di ricomporre il messaggio
    con l'ordine esatto dei pacchetti, una volta che questi sono
    arrivati tutti a destinazione.

Funzionamento del protocollo TCP/IP

•   In partenza, TCP spezzetta il documento in pacchetti
•   Ogni pacchetto è strutturato in base al protocollo IP
•   I pacchetti viaggiano su rete, instradati dai vari router
•   A destinazione TCP ricompone il messaggio assemblando i
    vari pacchetti in un unico messaggio

RETI DI COMPUTER
       LAN
    (Sez. 9.5, 9.6, 9.7)

RETI LOCALI: INTRODUZIONE

•   Un rete locale
     – connette apparecchiature in un ambito fisico delimitato (una
       stanza o un edificio, o anche più edifici vicini)
     – Utilizzando

         • cavi dedicati (Doppini telefonici, Cavi coassiali, Fibra
           Ottica)
         • modalità WIFI

     – utilizzando hardware specifico

         • schede di rete

         • router, apparato in grado di gestire il
           traffico

Vantaggi di una LAN

•   Condivisione di archivi e di risorse fisiche tra più utenti che le
    vedono come se fossero collegate al proprio computer, con il
    vantaggio di
      – Limitare il numero delle risorse complessive, quali:

          • Dischi fissi, CD-ROM, e altri supporti di memoria

          • Stampanti, Plotter, scanner, ecc.

          • Interfacce di collegamento verso reti esterne (es.: Internet)

      – semplificare gestione e manutenzione del centro.

Vantaggi di una LAN

•   Condivisione di Software (applicazioni di rete)
     – Molti software possono essere installati su un unico computer
       (spesso il server) e utilizzati dagli altri computer della rete solo
       quando realmente servono, Vantaggi:
         • Economico. Una licena di rete normalmente costa molto
           meno di quanto costa una licenza per ogni postazione
         • Facilità di gestione e aggiornamento perché va aggiornata
           solo la copia presente sul server, invece che tutte le copie che
           altrimenti sarebbe necessario aggiornare su ogni computer

Vantaggi di una LAN

•   Affidabilità del sistema
     – un guasto a una risorsa (una stampante, ad esempio) non
       compromette il funzionamento della rete
     – in quanto gli utenti della rete possono utilizzare risorse
       alternative (un'altra stampante) presenti in rete.
•   Lavoro di gruppo; più utenti possono:
     – Lavorare sullo stesso documento, apportando correzioni pur
       non essendo fisicamente vicini
     – Trasmettersi pratiche in formato elettronico

     – Utilizzare archivi condivisi

     – Scambiarsi informazioni tramite posta elettronica.

     – Utilizzare risorse condivise quali calendari o altro.

Accesso alla rete

•   Per accedere a una rete, normalmente, un utente deve identificarsi
    (effettuare il log-in), inserendo
     – Codice-utente (fornito dall’amministratore e immutabile)

     – Password (scelto dall’utente e modificabile)
•   Ogni utente può essere abilitato
     – all’accesso a un sottoinsieme delle risorse (internet, stampanti,
        dischi, …)
     – Ad accedere limitatamente a una particolare risorsa
          • può stampare solo un numero massimo di fogli,
          • oppure accedere solo in lettura ad alcuni dati
          • oppure non essere abilitato ad accedere a internet

Utenti e Amministratori

•   L’amministratore è il gestore della rete. Egli decide
     – Chi accede alla rete

     – A quali risorse della rete accede ogni utente

     – Quale livello di accesso ha il singolo utente relativamente alla
       singola risorsa (solo lettura, modifica, …)

•   L’amministratore deve diagnosticare ed eliminare eventuali
    problemi del sistema

•   Assistere gli utenti in difficoltà

Componenti fondamentali di una rete

•   nodi: qualsiasi dispositivo hardware in grado di comunicare con gli
    altri dispositivi della rete;
       – Se il nodo è un elaboratore, esso viene chiamato host
•   collegamenti (links) tra i nodi, che si realizzano tramite mezzi di
    trasmissione dell’informazione:
       – Cablaggi, rete telefonica, satelliti, sistemi wireless.
•   Apparati per il coordinamento, la gestione della rete e
    l’instradamento delle informazioni
       – Hub (o concentratori), switch, bridge, router;
•   Dorsale: cavo ad alta velocità al quale si connettono singoli nodi o
    hub e che trasporta grandi quantità di dati

Componenti fondamentali di una rete

RETI LOCALI: ARCHITETTURA

•   La topologia (o architettura) di una rete è il modo in cui sono
    collegati i nodi fra di loro, che definisce la modalità di trasmissione
    dei dati.

•   Una rete può assumere le seguenti topologie
    – Client/server

       • Anello

       • Stella

       • Bus

    – Paritaria (Peer-to-peer)

Modello di rete CLIENT/SERVER

•   Nel Modello Client-Server un computer è il depositario di
    tutte le risorse “comuni”
    –   Esso è detto Server perché è di servizio agli altri nodi
    –   In una rete possono esserci più server

•   I nodi "utente" della rete sono detti "client" e accedono
    al/ai server per usufruire dei loro servizi.

Server

•   Un server è un computer al servizio degli altri nodi.
•   In una rete ci possono essere
     – server “dedicati” a vari servizi
         • Server di posta elettronica
         • gestore dei dati (file server), che gestisce dati e
           programmi condivisi, residenti su dischi di rete (NAS)
         • Server di stampa per l’accesso coniviso alle stampanti
         • Server di comunicazione che gestisce la trasmissione dei
           dati nella rete o tra la rete e l’esterno (es. Internet)
     – server “generali”, in grado di erogare più servizi.

Topologia ad ANELLO

•   I nodi sono connessi da un cavo continuo che, dal punto di vista
    logico, realizza un cerchio chiuso.
      – Ogni nodo è connesso solo con il precedente e con il
        successivo.
      – I messaggi sono inviati in senso orario lungo il circuito
        passando attraverso ciascun nodo
          • Topologia attiva: Ogni nodo ritrasmette
            il messaggio al nodo successivo,
            se non è destinato a sè
•   Adatta per reti di piccole dimensioni
•   Sensibile ai guasti: se un computer si guasta
    l’anello si “interrompe”

Topologia a STELLA
• una topologia a stella
    – ogni computer è collegato a un nodo centrale (server)

• tramite un concentratore (hub o switch).
    – Tutte le comunicazioni passano per il server e sono gestite da
      quest'ultimo;
         • Topologia passiva: gli altri nodi non intervengono nel
           passaggio dei dati
• Adatta per reti di grandi dimensione

    – Ogni nodo può essere un singolo computer,
      un concentratore di terminali o un altro
      server
    – Rientra in questa categoria il collegamento
      da punto a punto (point-to-point) in cui
      sono collegati solo due nodi.

Topologia a STELLA

•   Tra i vantaggi della topologia a Stella ci sono:
      – Espandibilità (collegando un altro Hub);

      – Controllo centralizzato del traffico sulla rete.

      – Resistenza ai guasti

          • In caso di guasto di un nodo, solo quel nodo verrà isolato dalla
            rete.

•   Tra gli svantaggi della topologia a stella ci sono:
      – Elevata quantità di cavi.

      – In caso di mancato funzionamento dell’Hub, saranno interrotte
        tutte le attività di rete.

Topologia a STELLA: Hub e Switch

•   Il concentratore di una rete a stella può anche essere uno switch, in
    alternativa all’hub
       – Un Hub inoltra i dati che gli arrivano da un qualsiasi nodo, e
         diretti ad un altro nodo, verso tutti gli altri nodi (che scarteranno
         i messaggi che non sono diretti a loro)
       – Uno switch inoltra selettivamente il messaggio solo al
         computer a cui è effettivamente destinato
       – Uno switch riduce, quindi, la quantità di traffico su rete.

Topologia a BUS

•   In una topologia a bus, o lineare
      – tutti i nodi sono collegati a un unico cavo (dorsale).

      – I messaggi sono inviati dal mittente sulla dorsale e vengono
        esaminato dagli altri nodi; solo il destinatario preleva il
        messaggio, mentre gli altri lo ignorano.
          • Topologia passiva: i nodi ascoltano i dati trasmessi sulla rete, ma
            non intervengono nel loro spostamento.
          • Quando la dorsale è occupata, bisogna attendere che il messaggio
            giunga a destinazione prima di inviarne un altro.

Topologia a BUS: Terminatori

•   A ciascuna estremità del cavo viene applicato un
    componente chiamato terminatore che assorbe i dati che
    non giungono a destinazione
•   che altrimenti continuerebbero a rimbalzare da una
    parte all’altra della dorsale all’infinito non permettendo
    l’invio di altri dati.

Topologia a BUS

•   Vantaggi
     – È il modo più semplice di connettere dei computer.

     – In caso di guasto ad un nodo la struttura non ne risente

•   Svantaggi
      – Supporta traffico meno elevato della topologia ad anello

      – Poiché un solo computer alla volta può inviare dati, maggiore è il
        numero di computer connessi alla rete, più saranno i computer
        in attesa di trasmettere dati, rallentando le prestazioni
        dell’intera rete.

RETI LOCALI: ARCHITETTURA

•   La topologia (o architettura) di una rete è il modo in cui sono
    collegati i nodi fra di loro, che definisce la modalità di trasmissione
    dei dati.

•   Una rete può assumere le seguenti topologie
    – Client/server

       • Anello

       • Stella

       • Bus

    – Paritaria (Peer-to-peer)

Modello di rete PEER-TO-PEER

•   Tutti i computer sono allo stesso “livello” (non ci sono computer
    più importanti, quali i server dedicati)
•   Ogni computer accede alle risorse presenti su ogni altro
    computer e mette a disposizione degli altri computer le sue risorse
    (tutte o in parte)
     – Ad esempio, mentre sta elaborando un documento, un computer
        può soddisfare una richiesta di stampa (sulla propria stampante)
        proveniente da un altro computer

RETI LOCALI: IL SISTEMA

•   Per creare una rete sono necessari
      – Cavi

      – Dispositivi per il collegamento dei nodi

Schede di rete

•   La scheda di rete è detta anche adattatore LAN.
      – Crea il ponte tra l’elaboratore e la rete

      – Converte i dati del computer in dati per la rete

      – Amplifica la potenza del segnale per rendere possibile la trasmissione
        attraverso i cavi

Mezzi di trasmissione guidati

•   Mezzi guidati: collegano fisicamente il
    trasmettitore al ricevitore. I più usati sono
      – il doppino telefonico, è poco costoso, molto
        usato, ma lento e con alte percentuali di errore

      –   il cavo coassiale, usato per TV via cavo e reti
          telefoniche a lunga distanza, dà maggiore
          affidabilità

      –   le fibre ottiche capaci di trasmettere quantità di
          dati molto maggiori, a una velocità e con
          un’affidabilità più elevata e per distanze più
          lunghe;

Mezzi di trasmissione non guidati

•   Mezzi non guidati: canali di trasmissione che si basano
    sull'irradiazione del segnale nello spazio. Qui possono essere
    annoverati
     – le antenne,

     – i satelliti,

     – i ripetitori televisivi o per cellulari, ecc.

Mezzi di trasmissione: velocità e qualità

•   Un fattore molto importante da considerare nei mezzi di
    trasmissione è la larghezza di banda che misura la portata del
    canale (capacità).
     – Nei mezzi digitali essa è infatti pari al numero di bit che il
        canale è in grado di trasportare nell'unità di tempo;

•   Altri fattori che influiscono sulla velocità e, soprattutto, sulla
    qualità dei segnale sono:
     – le interferenze tra i segnali
     – e il grado di attenuazione del segnale, ovvero il grado di
       riduzione dell'intensità dell'energia del segnale.

MEDIA ACCESS CONTROL (MAC)

•   Su un cavo di rete può viaggiare un solo messaggio a volta,
    Altrimenti si verificano interferenze.
     – A una conferenza stampa quando più persone parlano
       contemporaneamente c’è confusione

•   Una LAN ha quindi bisogno di una regola che impedisca la
    sovrapposizione dei segnali e che disciplini il traffico
     – Si adotta la regola che chi vuole intervenire alza la mano e
       aspetta il proprio turno

MEDIA ACCESS CONTROL (MAC)

•   Metodi comuni per disciplinare il traffico di una LAN:
    – Ethernet (CSMA/CD)
        • Ethernet è la tecnologia più utilizzata per LAN

        • CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect)
          è un protocollo di accesso multiplo a una LAN cablata (non
          wireless):
    – Token ring

Controllo degli accessi Ethernet: CSMA/CD

•   Un nodo comincia a trasmettere
•   Se, mentre il primo nodo sta trasmettendo, comincia a
    trasmettere un altro nodo, si crea “collisione” ed
    entrambi si interrompono
•   I due nodi inviano nuovamente il messaggio, dopo un
    tempo casuale (che varia da nodo a nodo)

Ethernet, Fast Ethernet e Giga Ethernet

•   Esistono diverse tecnologie Ethernet; le più comuni sono:
    Ethernet, Fast Ethernet e Giga Ethernet.
•   La differenza principale è data dalla velocità alla quale
    trasferiscono le informazioni.
     – Ethernet funziona a 10 Megabit al secondo (Mbps)

     – Fast Ethernet funziona a 100Mbps.

     – Giga Ethernet funziona a 1 Gigabit/s

•   Una rete può essere formata da una o più di queste tecnologie.

Comunicazione nelle reti ad anello: Token
                     Ring
•   Token Ring (adatto per reti ad anello).
     – Il Token (gettone) è un pacchetto di bit che viaggia sull’anello,
       e che contiene informazioni di controllo.
     – Il token viaggia sino a quando un computer che deve inviare dati
       se ne impossessa, lo modifica e lo invia insieme al messaggio.
     – Il token così modificato comincia a viaggiare lungo l’anello,
       passando da un computer al successivo
     – finché non raggiunge il computer di destinazione, che legge il
       messaggio,
     – e invia sulla rete un token “vuoto” che riprenderà a circolare sulla
       rete.

Comunicazione nelle reti ad anello: Token
                    Ring
•   Con questa modalità di accesso, i nodi non si contendono
    l’uso della rete, ma devono ottenere il permesso di
    trasmissione.
•   Nelle reti Token Ring, a differenza di altre, un computer
    malfunzionante viene automaticamente escluso
    dall’anello consentendo agli altri di continuare a
    funzionare regolarmente in rete.
•   Nelle reti ad anello che non utilizzano la tecnologia token
    ring, un computer che non funziona può provocare la
    caduta di tutta la rete.

Comunicazione nelle reti ad anello: Token
                Ring