Fondamenti di Internet e Reti - Alberto Gatto, Martino de Marco Fondamenti di Internet e Reti - Polimi
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Fondamenti di Internet e Reti Alberto Gatto, Martino de Marco Fondamenti di Internet e Reti
1 – Introduzione e Architetture Alberto Gatto, Martino de Marco Fondamenti di Internet e Reti
1a – Introduzione al corso Scopo e finalità, testi e materiale, esami, contatti Fondamenti di Internet e Reti
Docente
• Prof. Alberto Gatto
• Ufficio:
– DEIB, ed. 20, via Ponzio 34/5 Milano, 3° piano
• Tel: 02 2399 8926
• E-mail: alberto.gatto@polimi.it
• Web page:
https://www.deib.polimi.it/eng/people/details/210678
• Home page del corso:
http://policom.deib.polimi.it/teaching/a-gatto-fondamenti-di-
internet-e-reti/
• Orario di ricevimento:
– Lunedì/venerdì (orario lezione, consigliato contattare il
docente in precedenza)
• Collaboratore per laboratori:
– Ing. Omran Ayoub
– E-mail: omran.ayoub@polimi.it
FIR: 1 - Introduzione e architetture 4
Materiale didattico
• Testo di riferimento:
James F. Kurose, Keith W. Ross
Reti di Calcolatori e Internet
Un approccio top-down
Settima Edizione (2017)
Pearson
• Disponibile anche in inglese
James F. Kurose, Keith W. Ross
Computer Networking
A top-down approach
Sixth Edition (2012)
Pearson
FIR: 1 - Introduzione e architetture 5
Materiale didattico
• Altro materiale
– Slides delle lezioni
– Appunti delle esercitazioni
– Materiale a supporto delle attività di laboratorio
– Letture suggerite (link, articoli)
– Tool per lezioni e laboratorio
• Tutto il materiale è disponibile sulla pagina web del
corso cui si accede dalla pagina personale del docente
FIR: 1 - Introduzione e architetture 6
Organizzazione del corso
• Mix didattico:
– Lezione: 56 ore (circa)
– Esercitazione: 26 ore (circa)
– Laboratorio: 18 ore
• Le esercitazioni sono inserite alla fine di ciascun
argomento (non c’è una programmazione settimanale
fissa)
• Il laboratorio si svolge in aula connessa senza PC, è
necessario portare il proprio laptop (BYOD)
FIR: 1 - Introduzione e architetture 7
Visita @ Policom (DEIB – Milano)
• Proposta di una visita ai laboratori Policom @ DEIB
(Milano) il 29/04/19 con dimostrazioni di veri collegamenti
internet con trasmissione dati in fibra ottica
FIR: 1 - Introduzione e architetture 8
Programma del corso
1. INTRODUZIONE E ARCHITETTURE
– Principi generali, architettura e componenti, meccanismi di base
2. SISTEMI DI COMUNICAZIONE & LIVELLO FISICO
– Come misuro le prestazioni di una rete: il concetto di throughput, i
ritardi nelle reti di telecomunicazioni (tempo di trasmissione, ritardo
di trasferimento, tempo di processing, tempo di accodamento).
– Come è gestita la comunicazione in rete: il concetto di protocollo di
comunicazione, modelli architetturali a livelli, commutazione di
pacchetto e commutazione di circuito
– Come viaggia in rete l’informazione: cenni sulla caratterizzazione
dei segnali (il concetto di banda del segnale, i segnali numerici)
– Dove viaggia l’informazione in rete: cenni sulla caratterizzazione dei
mezzi trasmissivi (la banda di canale, ritardo di trasferimento, il
concetto di capacità di canale)
FIR: 1 - Introduzione e architetture 9
Programma del corso
3. PROTOCOLLI APPLICATIVI
– architetture delle applicazioni di rete: approccio client-server ed
approccio peer-to-peer;
– esempi di protocolli applicativi client-server: HTTP, FTP, SMTP;
– architetture peer-to-peer: la rete Gnutella, BitTorrent
4. IL LIVELLO DI TRASPORTO
– caratterizzazione del servizio di comunicazione tra processi
applicativi; trasporto non affidabile: il protocollo UDP (formato del
segmenti);
– trasporto affidabile: il protocollo TCP (formato dei segmenti,
apertura della connessione, controllo di flusso, controllo di
congestione e controllo d’errore).
FIR: 1 - Introduzione e architetture 10Programma del corso
5. IL LIVELLO DI NETWORKING:
– l’Internet Protocol (IP): servizi offerti da IP, formato dei pacchetti
IPv4
– Gestione di indirizzi IP: formati e notazioni degli indirizzi IPv4, le
classi e gli indirizzi speciali, pianificazione di uno spazio di
indirizzamento IPv4, tecniche di subnetting e supernetting,
assegnamento automatico di indirizzi IP: il Dynamic Host Control
Protocol (DHCP)
– Corrispondenza tra indirizzi IP ed indirizzi simbolici (Il Domain
Name System);
– l’Internet Control Message Protocol (ICMP)
FIR: 1 - Introduzione e architetture 11Programma del corso
6. INOLTRO ED INSTRADAMENTO IN INTERNET:
– inoltro diretto ed indiretto
– uso delle tabelle di routing;
– instradamento su cammini minimi, la costruzione dell’albero dei
cammini minimi,
– Instradamento link state ed instradamento distance vector
– Esempi di protocolli: RIP, OSPF, BGP,
FIR: 1 - Introduzione e architetture 12Programma del corso
7. RETI LOCALI E LIVELLO DI LINEA:
– problema dell’accesso multiplo,
– indirizzamento nelle reti locali,
– l’Address Resolution Protocol (ARP),
– interconnessione di reti locali con bridge/switch,
– lo standard Ethernet/802.3: principi e funzionamento,
– lo standard IEEE 802.11 (WiFi): principi e funzionamento.
8. INTRANET
– Indirizzamento privato e traduzioni di indirizzi IP (NAT, NAPT)
– Interconnessione di reti private (IP Tunneling)
– IPv6 (cenni)
9. RETI MOBILI
– Caratteristiche dei collegamenti wireless
– Tecniche di copertura e gestione della mobilità
– Architetture di rete
– L'evoluzione delle reti mobili: 3G, 4G e 5G
FIR: 1 - Introduzione e architetture 13Programma del corso
LABORATORIO:
− Python e scripting per analisi di rete
− Programmazione socket in Python
− Configurazione e simulazione di rete (Packet Tracer)
− Attività sperimentali su reti wireless
FIR: 1 - Introduzione e architetture 141c – Ritardi e Throughput Tempo di trasmissione, Propagazione, Altri ritardi, Throughput Fondamenti di Internet e Reti
Velocità di trasmissione
• E’ la velocità (rate) R con la quale l’informazione
digitale viene trasmessa su una linea = numero di bit
trasmessi nell’unità di tempo
• E’ misurata in bit/s (bps)
0 0 1 0 1 0 1 0 … 1 0
t
• Unità di misura:
1 B = 8 bit
1 kbps (kb/s) = 103 bps 1 kB = 103 B
1 Mbps (kb/s) = 106 bps 1 MB = 106 B
1 Gbps (kb/s) = 109 bps 1 GB = 109 B
FIR: 1 - Introduzione e architetture 16Velocità di trasmissione: esempi
• Segnale nel tempo di
Ethernet con codifica
Manchester:
• Segnale modulato
in frequenza del
GSM:
NOTA: Il motivo per il quale la
durata del singolo bit non può
essere piccolissima (e quindi la
velocità grandissima) deriva a limiti
dei canali trasmissivi che saranno
trattati nel prossimo modulo
(livello fisico).
FIR: 1 - Introduzione e architetture 17Tempo di trasmissione
• Il tempo T per trasmettere L bits dipende dalla velocità
di trasmissione R
L [b]
0 0 1 0 1 0 1 0 … 1 0
t
T [s] R [bps]
Si ha:
L
T=
R
FIR: 1 - Introduzione e architetture 18Ritardo di propagazione
• Il tempo t affinché un impulso trasmesso dal
trasmettitore TX raggiunga il ricevitore RX dipende
dalla distanza D (in m) e dalla velocità di propagazione
v (in m/s, prossima alla velocità della luce)
0 0 1 0 1 0 1 0
TX
t
distanza
percorsa
D
RX
t
ritardo di
propagazione D
t=
t v
FIR: 1 - Introduzione e architetture 19Tempi di attraversamento del canale
T
0 0 1 0 1 0 1 0
t TX
D
RX
t
' T
Ritardo fra la trasmissione del primo bit e
la ricezione dell’ultimo !"#" = ! + τ
(singolo pacchetto, singolo collegamento)
FIR: 1 - Introduzione e architetture 20Tempi di attraversamento del canale
TX RX
t TX
RX
t
t0 t1 t2 t3
Tempo di trasmissione:
t0=inizio trasmissione
T=t2 - t0=t3 – t1=L/R L=lunghezza del pacchetto [bit]
t1=arrivo primo bit R=velocità di trasm. [bit/s]
t2=fine trasmissione Ritardo di propagazione:
t3=arrivo ultimo bit t = t1-t0=t3-t2=D/n D=lunghezza del coll. [m]
n=velocità di prop. [m/s]
FIR: 1 - Introduzione e architetture 21Tempi di attraversamento del canale
TX RX
t TX
RX
t
t0 t2 t1 t3
Tempo di trasmissione:
t0=inizio trasmissione
T=t2 - t0=t3 – t1=L/R L=lunghezza del pacchetto [bit]
t1=arrivo primo bit R=velocità di trasm. [bit/s]
t2=fine trasmissione Ritardo di propagazione:
t3=arrivo ultimo bit t = t1-t0=t3-t2=D/n D=lunghezza del coll. [m]
n=velocità di prop. [m/s]
FIR: 1 - Introduzione e architetture 22Primo “triangolo magico”
Propagazione dei segnali elettromagnetici
8
10
distanza Terra-Sole
~8 min
6
10 distanza Terra-Luna
d
Distanza percorsa (km)
collegamento satellite geostaz.
cx = 10
4
cavo transatlantico
circonf.
Equatore
t lunghezza Italia Terra
d = t × cx 10
2 Milano - Torino
d
t= centro città
cx 10
0
LAN
1 km min
stanza ms s
-2 accanto
10
1m vuoto
ns µs guida
-4
10
-10 -8 -6 -4 -2 0 2
10 10 10 10 10 10 10
• cx = Velocità di propagazione dei segnali Ritardo di propagazione (s)
elettromagnetici
– Propagazione libera (onde radio, vuoto, aria): co @ 300000 km/s
– Propagazione guidata (cavi in rame, fibra ottica, guide d’onda): cg @ 200000 km/s
• d = distanza percorsa [km]
• t = ritardo di propagazione [s]
FIR: 1 - Introduzione e architettureSecondo “triangolo magico”
Internet
(2007) 1017
Trasmissione dati
Tempo di trasmissione (min)
L
-11 -9 -7 -5 -3 -1 1 3
10 10 10 10 10 10 10 10
C=
14
10
14 tutti i libri del mondo (txt)
10
T 64 kbit/s
2 Mbit/s HD DVD 12
L = T ×C
10
Informazione trasmessa (bit)
12 10 Mbit/s br / layer
10
L 1 Gbit/s
T=
10
DVD (4h vid.) 10
Informazione trasmessa (byte)
10 Gbit/s
10 CD (74 min. audio)
10
C 8
10
8 5 min mp3
10
foto JPEG
libro pdf
6
10
6 trame
10 SDH/
PDH 4
pagina web 10
10 (txt) Lmax
4
e-mail
Ethernet g 2
Lmin 10
• C = Velocità di trasmissione della 10
2
min h
1 byte
sorgente [bit/s] 1 bit 0
ps ns µs ms s 0
10
10
• L = quantità d’informazione 10
-10
10
-8
10
-6
10
-4 -2
10
0
10 10
2
10
4
trasmessa [bit] Tempo di trasmissione (s)
• T = tempo di trasmissione [s]
FIR: 1 - Introduzione e architettureStore and forward
A B C
t A
B
t
% )"# % )#' t C
!"# = ("# = !#' = (#' =
&"# * &#' *
FIR: 1 - Introduzione e architetture 25Store and forward
A B C
A
TAB
B
tAB TBC
C
tBC
FIR: 1 - Introduzione e architetture 26Commutazione a Pacchetto Cut-Through
• Store-and-forward: il pacchetto deve essere
completamente ricevuto prima di essere ritrasmesso
)
!"#" = % (!& + ,& )
&'(
• Cut-Through: il pacchetto viene ritrasmesso alla completa
ricezione dell’header
)
H
!"#" = % (.& + ,& ) + (! − .)
&'(
FIR: 1 - Introduzione e architetture 27Architettura semplificata di un nodo
Packet switch su architettura hardware general purpose (soft-switch)
I/O Bus
CPU System
NIC Network interface 1
Bus
DMA
Ctrl
NIC Network interface 2
3 1 DMA
2 Xfer
Main NIC Network interface 3
Memory
1. Packet input
2. Header processing
Routing table lookup NIC = Network Interface Controller
DMA transaction DMA = Direct Memory Access
3. Packet output
FIR: 1 - Introduzione e architetture 28Architettura semplificata di un nodo
Packet switch su architettura hardware dedicata (hardware-switch)
Match Action
Output
port
Input
port
…
…
…
…
…
…
Match Action
Switch matrix
Collega fisicamente ingresso e uscita sulla
base del comando contenuto nell’uscita
Input della tabella Output
port port
…
…
Match table
Cerca ad esempio l’indirizzo di destinazione tra le righe della
tabella e legge la porta d’uscita corrispondente.
Restituisce il risultato in un tempo fisso (ciclo di clock)
indipendemente dal numero di righe.
FIR: 1 - Introduzione e architetture 29Modello di un nodo
Elaborazione
Arrivo pacchetti pacchetti e scelta
dalle interfacce dell’uscita
Attesa per analisi
pacchetto
Attesa per Trasmissione sulle
trasmissione interfacce d’uscita
pacchetto
FIR: 1 - Introduzione e architetture 30Tempo di elaborazione
A B C
Look up tabella di instradamento
!" Trasferimento porta d’uscita
A
TAB
Negli apparati ben
dimensionati: !" ≈ 0
B
tAB TBC
C
tBC
FIR: 1 - Introduzione e architetture 31Ritardo di accodamento
• Se la linea di uscita è occupata occorre aspettare in coda
Esempio 1
A 1 B 2 C
I pacchetti possono
a b attendere nella coda
d’uscita di un’interfaccia
A
!"#
attesa
B
t1 !$%
!$#
C
t2
FIR: 1 - Introduzione e architetture 32Ritardo di accodamento Interfacce diverse hanno
code d’uscita separate
Esempio 2
ed indipendenti
A B C
1 2
3 D
a b
Dest. C Dest. D
A
!"#
Dest. C
B
t1 !$#
C
t2
FIR: 1 - Introduzione e architetture 33Ritardo di accodamento
Esempio 2 (continua) Interfacce diverse hanno
A B code d’uscita separate
C
ed indipendenti
D
a b
Dest. C Dest. D
A
!"# !"$
Dest. D
B
t1 !%$
D
t3
FIR: 1 - Introduzione e architetture 34Ritardo di accodamento
Multiplazione statistica
Più in generale il ritardo di accodamento dipende dalla
multiplazione statistica dovuto all’arrivo asicrono dei pacchetti
alle code d’uscita (trasmissione)
elaborazione
elaborazione
elaborazione
FIR: 1 - Introduzione e architetture 35Ritardo di accodamento
Multiplazione statistica
Più in generale il ritardo di accodamento dipende dalla
multiplazione statistica dovuto all’arrivo asicrono dei pacchetti
alle code d’uscita (trasmissione)
FIR: 1 - Introduzione e architetture 36Ritardo di Accodamento
Del ritardo di accodamento medio Ta si possono fare dei
modelli statistici basati sulla teoria delle code:
Ta
R = velocità del link [b/s]
L = lunghezza pacchetto [bits]
l = frequenza di arrivo dei pacchetti [pack/s]
Intensità di traffico = !"/$
1 !"/$
%&/' > 1: i pacchetti arrivano con un rate maggiore della capacità
di trasmissione la coda cresce senza limiti, () → ∞
%&/', < 1: il ritardo dipende dalla statistica di arrive dei pacchetti
FIR: 1 - Introduzione e architetture 37Ritardo di Accodamento
Situazione realistica: il processo di arrivo in coda dei pacchetti è
completamente casuale
Ta
R = velocità del link [b/s]
L = lunghezza pacchetto [bits]
l = frequenza di arrivo dei pacchetti [pack/s]
Intensità di traffico = !"/$
1 !"/$
%&/'~): i pacchetti sono pochi e (in media) distanziati
nel tempo bassa probabilità di trovare altri pacchetti
in coda ritardo in coda piccolo, *+ → 0
FIR: 1 - Introduzione e architetture 38Ritardo di Accodamento
Situazione realistica: il processo di arrivo in coda dei pacchetti è
completamente casuale
Ta
R = velocità del link [b/s]
L = lunghezza pacchetto [bits]
l = frequenza di arrivo dei pacchetti [pack/s]
Intensità di traffico = !"/$
1 !"/$
%&/' → ): in alcuni istanti il rate di arrivo supera la
capacità di ritrasmissione, in altri è inferiore la coda
tende ad aumentare ritardo *+ → ∞
FIR: 1 - Introduzione e architetture 39Ritardo di Accodamento
Del ritardo di accodamento medio Ta si possono fare dei
modelli statistici basati sulla teoria delle code:
R = velocità del link [b/s] Ta
L = lunghezza pacchetto [bits]
l = frequenza di arrivo dei pacchetti [pack/s]
Definiamo:
µ = frequenza di trasmissione dei pacchetti [pack/s]
Si ha:
#
!=
$ 1 %/!
Si può mostrare che sotto alcuni condizioni sulla
statistica degli arrivi e la distribuzione delle
lunghezze dei pacchetti: 1 1
'( = −
!−% !
FIR: 1 - Introduzione e architetture 40Perdite di pacchetti in Internet
• Le code hanno dimensioni limitate
• In congestione (coda piena) i pacchetti che arrivano
vengono scartati
• I pacchetti persi possono essere ritrasmessi o meno a
seconda del livello/protocollo che gestisce l’evento di
perdita (vedremo esempi a livello di linea e di trasporto).
FIR: 1 - Introduzione e architetture 41Ritardi: riepilogo (pacchetto singolo)
• Ritardo totale di un singolo nodo:
!"#$# = !& + () + ! + *
• Ritardo end-to-end con + − - nodi:
!."$/0#/."$ = + () + ! + * + 1 !&
Ritardo
Ta Variabile da nodo a nodo, dipende dalla congestione, 23 ÷ 53
Pb ≈ 23
T 23 ÷ 53
t ≈ 5 83/5 (1 km = 5 µm, 100 km = 500 µs, 10000 km = 50 ms)
FIR: 1 - Introduzione e architetture 42Latenza
• Intervallo di tempo che intercorre tra un generico input (stimolo) e
il corrispondente output (reazione)
• È una misure dal tempo di risposta del sistema
• Associata spesso all’intervallo di tempo di round-trip a livello
applicativo (o superiore, quindi a livello «umano»)
• Può essere dovuta a
– Elaborazione dati
– Distanza di propagazione
– Congestione della rete
– …
FIR: 1 - Introduzione e architetture 43Tactile Internet
• “A network, or a network of networks, for remotely
accessing, perceiving, manipulating, or controlling real
and virtual objects or processes in perceived real time”
• Per mantenere un’interazione real-time “naturale” è
necessario che il feedback alle nostre azioni/richieste sia
adattato ai tempi di reazione dei sensi umani
Tempi di reazione umani in risposta a diversi stimoli
FIR: 1 - Introduzione e architetture 44Tactile Internet
• Bassissima end-to-end latency (< 1 ms)
• Affidabilità
• Sicurezza
FIR: 1 - Introduzione e architetture 45Tactile Internet: applicazioni
Robotics
&
Gaming and Automation
Virtual Reality
Road traffic & Augmented Reality
Telepresence
Telesurgery
FIR: 1 - Introduzione e architetture 46Throughput
• Throughput istantaneo: velocità di trasferimento
dell’informazione in un determinato istante di tempo
• Throughput medio: velocità di trasferimento media
!"#$%&"'%$ "% (") !$* #$&&+,,"'
definita come
)$#-' %$.$&&+/"' +* )/+&0$/"#$%)'
123(5& , 5. )
123(58 , 59 , … , 5; )
FIR: 1 - Introduzione e architetture 47Throughput: esempi
• La rete dorsale è un
collegamento a velocità
molto più elevata dei
collegamenti di accesso
• In caso di rete non
congestionata (pochi
collegamenti attivi), il limite
al throughput è
determinato dai tratti di
accesso alla rete
• In caso di rete
congestionata (molti
collegamenti attivi), il collo
di bottiglia può essere
invece la dorsale
FIR: 1 - Introduzione e architetture 481d – Modelli di servizio e livelli dei protocolli Servizio di comunicazione, protocolli, primitive di servizio, architetture a livelli, funzioni di rete Fondamenti di Internet e Reti
Il servizio di comunicazione
• Date due o più entità remote
• Possiamo descrivere il servizio di comunicazione
per scambio di messaggi come un
“fornitore del servizio di trasporto dell’informazione”
Nodo A Nodo B
colloquio
Ente Ente
A B
servizio di comunicazione
FIR: 1 - Introduzione e architetture 50Il servizio di comunicazione
• Gestisce lo scambio di informazione fra due
“entità”
• E’ in generale un servizio di trasferimento di unità
informative:
– Messaggi applicativi (richieste e risposte di browser e server
web, messaggi di email, file, ecc.)
– Flussi multimediali (flussi audio, video, ecc.)
– Gruppi di bit (pacchetti)
– Bit
Ente Ente
A B
FIR: 1 - Introduzione e architetture 51Primitive di servizio
• il servizio di comunicazione può essere descritto
mediante delle chiamate di servizio dette primitive
di servizio
• le primitive di servizio servono a descrivere il
servizio, a richiederlo e a ricevere informazioni sul
servizio dal fornitore
• le primitive di servizio sono caratterizzate da
parametri tra cui:
NOTA: le primitive di servizio
– informazione da trasferire dell’interfaccia socket in Python
– indicazione del destinatario saranno trattate in laboratorio,
– caratteristiche del servizio richiesto dove vedrete meccanismi per
creare le interfacce e passare i
– ecc. parametri tramite funzione.
FIR: 1 - Introduzione e architetture 52Primitive di servizio
Nodo A Nodo B
colloquio
Ente Ente
A B
primitive di servizio
canale bidirezionale
FIR: 1 - Introduzione e architetture 53Caratteristiche del servizio di comunicazione
• modalità a
connessione Apertura della connessione
– instaurazione della
Trasferimento informazione
connessione
– trasferimento
dell’informazione
Chiusura della connessione
– rilascio delle
connessione
• modalità senza
connessione Trasferimento informazione
– una sola fase
FIR: 1 - Introduzione e architetture 54Livelli
• Le entità che colloquiano in un servizio di
telecomunicazione possono anche offrire un
servizio di comunicazione a entità terze, dette di
livello superiore
Nodo A Nodo B
colloquio
Ente Ente
A2 B2
colloquio
Ente Ente
A1 header Dati PDU B1
canale bidirezionale
FIR: 1 - Introduzione e architetture 55Funzioni dei livelli
• Il servizio di comunicazione offerto al livello
superiore è più ricco e complesso grazie alle
funzioni implementate dal livello inferiore
Nodo A Nodo B
colloquio
Ente Ente
A2 B2
colloquio
Ente Ente
A1 header Dati PDU B1
canale bidirezionale
FIR: 1 - Introduzione e architetture 56Protocolli di comunicazione
• Le entità di un livello collaborano per fornire il servizio
di comunicazione al livello superiore e si scambiano
messaggi mediante il servizio offerto dal livello
inferiore
• Protocollo:
– Insieme delle regole che gestiscono il colloquio tra entità
dello stesso livello
o formato dei messaggi
o informazioni di servizio
o algoritmi di trasferimento
o ecc.
FIR: 1 - Introduzione e architetture 57Packet Data Units (PDU)
• Un protocollo utilizza per il colloquio tra entità dello
stesso livello delle unità di trasferimento dati dette
PDU o anche trame del protocollo
• Le PDU possono contenere:
informazione di servizio informazione vera e
necessaria al propria ricevuta dai
coordinamento tra le livelli superiori
entità
header dati
FIR: 1 - Introduzione e architetture 58Architettura a livelli
• I servizi di comunicazione complessi possono essere
articolati a livelli
– da un livello che garantisce solo il trasporto dei bit
– a un livello dove sono definite complessi servizi
caratterizzati da molti parametri e funzionalità
livello 5 livello 5
livello 4 livello 4
livello 3 livello 3
livello 2 livello 2
livello 1 livello 1
FIR: 1 - Introduzione e architetture 59Architettura completa
5 5
livello 5 livello 5
4 5 4 5 livello 4
livello 4
3 4 5 3 4 5 livello 3
livello 3
2 3 4 5 2 3 4 5 livello 2
livello 2
1 2 3 4 5 livello 1
livello 1
FIR: 1 - Introduzione e architetture 60Perchè un’architettura a livelli?
Sistemi complessi:
• Facile identificazione dei servizi (implementazione,
discussione)
• Facile gestione ed update
– Cambiamenti in un livello sono trasparenti agli altri
• Q: quando la suddivisione in livelli può essere
pericolosa?
FIR: 1 - Introduzione e architetture 61Modello a livelli di Internet (TCP/IP)
Messages Messaggi
Application Applicazione
Segments Segmenti
Transport Trasporto
Packets Pacchetti
Network Rete
Frames Trame
Data Link Linea
Bits Bit
Physical Fisico
FIR: 1 - Introduzione e architetture 62Livelli di Internet (descrizione veloce)
• Applicazione: sede delle
applicazioni di rete e dei relativi
protocolli (HTTP, SMTP, FTP,
DNS)
• Trasporto: trasferisce i messaggi
del livello di applicazione tra punti
periferici della rete gestiti dalle
applicazioni (TCP: orientato alla
connessione, consegna garantita,
controllo di flusso)
• Rete: trasferisce i pacchetti di
rete da un host a un altro (vari
protocolli di instradamento)
• Linea: instrada i datagrammi
attraverso una serie di router tra
sorgente e destinazione
(Ethernet, Wi-Fi, PPP)
• Fisico: trasferisce i singoli bit da
un nodo all’altro in funzione del
mezzo trasmissivo utilizzato
FIR: 1 - Introduzione e architetture 63Funzioni
• Molteplici sono le funzioni che possono essere svolte
da uno livello
• Vediamo alcuni esempi importanti concentrandoci sui
principi di base, poi i dettagli saranno ripresi più avanti
– Esempi:
o Funzione di Multiplazione e De-multiplazione
o Funzione di controllo d’errore
o Funzione di instradamento
FIR: 1 - Introduzione e architetture 64Esempio: Funzione Multiplazione
• Più livelli superiori possono condividere lo stesso
servizio di comunicazione
Per poter separare le
Liv. N informazioni devo poter Liv. N
mettere una qualche
etichetta che le distingua
tra di loro
FIR: 1 - Introduzione e architetture 65Esempio: Funzione Multiplazione
• Più applicazioni condividono la stessa interfaccia di rete
(identificata da un suo indirizzo di rete)
• Le applicazioni sono distinte in base a un numero di porta
L’etichetta che
mi consente di Porta:
Porta:
fare 25
80
multiplazione è il
numero di porta
Indirizzo Indirizzo
di rete: di rete:
131.175.21.2 92.35.47.58
FIR: 1 - Introduzione e architetture 66Esempio: Funzione Multiplazione
• Più applicazioni condividono la stessa interfaccia di rete
(identificata da un suo indirizzo di rete)
• Le applicazioni sono distinte in base a un numero di porta
L’etichetta che
mi consente di Porta:
Porta:
fare 25
80
multiplazione è il
numero di porta
Indirizzo Indirizzo
di rete: di rete:
131.175.21.2 92.35.47.58
La funzione di multiplazione può essere implementata in tutti i livelli
FIR: 1 - Introduzione e architetture 67Esempio: Funzione di controllo d’errore
• E’ possibile garantire affidabilità delle comunicazioni
anche in presenza di errori sul canale
Verifica
presenza
Se NON Ritrasmissione errori
arriva ACK
timeout
Controllo
pacchetto Controllo
pacchetto errore
errore
ACK
Se
Trasmissione nessun
errore
Timer attesa
ACK Ricezione
no
ACK?
La funzione di controllo Errore?
si
si
d’errore è di solito no
implementata a livello di Trasmissione ACK
end Linea (2) e Trasporto (4) end
FIR: 1 - Introduzione e architetture 68Esempio: Funzione di instradamento (routing)
Il pacchetto può
Entità livello
arrivare dal livello superiore
superiore passato col
parametro INDIRIZZO pacchetto
L’indirizzo viene scritto
nell’header perché
possa essere instradato Entità
instradante
da altri nodi
Il pacchetto può
arrivare da una
porta d’ingresso
pacchetto
FIR: 1 - Introduzione e architetture 69Esempio: Funzione di instradamento (routing)
L’entità instradante Indirizzo Uscita
decide dove inoltrare
(forwarding) il pacchetto
sulla base di una tabella
…
…
di instradamento che
Table lookup
viene consultato usando
l’indirizzo come Port
parametro di ricerca Entità selection
instradante
OSSERVAZIONE: Se il
pacchetto arriva da una porta
d’ingresso, non sale mai più in
alto nei livelli salvo che non sia
giunto alla destinazione finale
pacchetto
FIR: 1 - Introduzione e architetture 70Esempio: Funzione di instradamento (routing)
• I nodi di rete non implementano i livelli superiori a quello di
instradamento
• La funzione di instradamento può essere implementate in
vari livelli in base alle circostanze (vedremo in dettaglio)
• Esempio: Router IP
Terminale Router Esempio Application
Application Router IP:
Network Transport
Transport
Funzione di rete a
Data Link Network
livello 3!!!
Network Physical Data Link
Data Link Physical
Physical Network
Data Link
Physical
FIR: 1 - Introduzione e architetture 71Esempio: Funzione di instradamento (routing)
• Esempio: LAN Switch
Terminale Esempio Application
Application Switch Switch: Transport
Transport Data Link Funzione di rete a Network
Network Physical livello 2!!! Data Link
Data Link
Physical
Physical
Data Link
Physical
FIR: 1 - Introduzione e architetture 72Esempio: Funzione di instradamento (routing)
• Esempio: proxy
Proxy Esempio
Application Proxy:
Terminale Transport Funzione di rete a
Application livello 5!!! Application
Network
Transport Transport
Data Link
Network Network
Physical
Data Link Data Link
Physical Physical
FIR: 1 - Introduzione e architetture 73Esempio: Funzione di instradamento (routing)
• Scelta dell’uscita avviene sulla base delle
informazioni memorizzate in una tabella
tabella di routing
indirizzo uscita
Ma chi scrive le tabelle di
instradamento ?
FIR: 1 - Introduzione e architetture 74Esempio: Funzione di instradamento (routing)
“Human Defined Networking”
• Le tabelle di instradamento possono essere scritte a mano (faremo
molti esercizi sulle tabelle di instradamento)
• Nei router IP le rotte configurate manualmente sono dette rotte statiche
FIR: 1 - Introduzione e architetture 75Esempio: Funzione di instradamento (routing)
Protocolli di instradamento distribuiti
• L’approccio classico è però basato su uno scambio di informazioni
tra i router che consente di compilare le tabelle di instradamento in
modo automatico e distribuito
• Esempio:
– MAC learning (si veda livello di linea)
– Instradamento per cammini minimi (si veda livello IP)
FIR: 1 - Introduzione e architetture 76Esempio: Funzione di instradamento (routing)
Software Defined Networking
• L’approccio emergente denominato SDN consente di operare come
nell’approccio manuale, ma con un’applicazione software
centralizzata che compila e modifica le tabelle di instradamento
SDN
controller
FIR: 1 - Introduzione e architetture 77Puoi anche leggere
