Le reti di calcolatori - Prof. Andrea Borghesan SISTEMI DI ELABORAZIONE DELLE INFORMAZIONI
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SISTEMI DI ELABORAZIONE DELLE INFORMAZIONI Le reti di calcolatori Prof. Andrea Borghesan http://venus.unive.it/borg borg@unive.it Ricevimento: martedì, 12.00-13.30. Dipartimento di Matematica Modalità esame: scritto + tesina facoltativa 1
TERMINOLOGIA Account Sistema operativo di rete Amministratore di rete Gruppo Amministrazione centralizzata Local Area Network (LAN: rete locale) Server Metropolitan Area Network (MAN: Risorse di rete rete metropolitana) Rete paritetica Wide Area Network (WAN: rete Client geografica) Client/Server Network Interface Card (NIC: scheda Richiesta-risposta di interfaccia con la rete) Condivisione Protocollo di rete Condivisione di dispositivi Rete basata su server Controller di dominio Rete ibrida Dispositivo collegato localmente Dispositivo periferico Dispositivo periferico Tcp/ip Ftp Http Dns 2
Le Reti di calcolatori La rete è un collegamento tra due o più computer (detti nodi) che condividono delle risorse. I nodi sono: Interconnessi: in grado di scambiare informazioni attraverso svariati mezzi di trasmissione (cavi di rame, canali radio, ecc ..) Autonomi: nessun calcolatore dipende totalmente da un altro calcolatore Nella rete, i computer comunicano utilizzando dei protocolli di comunicazione: insieme di regole e convenzioni (linguaggio) . 3
SISTEMI OPERATIVI DI RETE I primi sistemi operativi non erano pensati per comunicare/scambiare dati in rete. Bisognava dunque installare dei pacchetti/software aggiuntivi, tali funzionalità aggiuntive (LAN Manager–Microsoft) “espandevano/potenziavano” il sistema operativo (OS) e lo faceva diventare un sistema operativo di rete (NOS) In ogni computer doveva essere installato il software per la comunicazione in rete I veri NOS riescono a gestire sia le attività dei singoli calcolatori sia le comunicazioni in rete (NetWare, dalla famigliaWindows NT a windows7). I sistemi operativi di rete richiedono molta potenza di elaborazione, tale potenza si ottiene da una configurazione HW/SW, chiamata processo di multitasking 4
MULTITASKING Consente al SO di avviare numerosi processi, quindi può controllare contemporaneamente più attività. Il multitasking è in grado di supportare tanti processi quante sono le CPU, ma nei computer che ne hanno una sola ciò viene effettuato con una tecnica detta partizione di tempo. La partizione di tempo è una divisione dei cicli macchina della CPU tra molteplici attività o task; questo si fa assegnando a ciascuna attività una parte dei cicli di elaborazione, e successivamente interrompendo quell’attività per attivare la successiva. Ciò si ripete finché tutte le attività sono terminate. Esistono 2 tipi di multitasking: •A sospensione: il SO controlla quali processi possono accedere alla CPU e per quanto tempo. Quando la partizione di tempo assegnata si è esaurita, il processo in corso viene fermato e il task successivo ottiene il suo tempo per l’elaborazione. Un NOS ad alte prestazioni si serve di questo tipo di multitasking. •Cooperativo: il SO non può fermare il processo. Quando il processo ha il controllo della CPU, lo tiene fino a quando non è terminato. 5
Funzioni di una Rete Condivisione di risorse: dati, programmi, hardware utilizzati dagli utenti a prescindere dalla collocazione fisica Accesso ad informazioni e servizi remoti: permette la consultazioni di giornali in rete, sportelli bancari elettronici, ecc.. Mezzo di comunicazione: permette di spedire e ricevere messaggi di posta elettronica, partecipare a video conferenze, ecc.. Supporto all’affidabilità del sistema: duplicare informazioni su più calcolatori, distribuire l’elaborazione di dati su più calcolatori, ecc.. 6
Classificazione delle reti Esistono numerose tipologie di rete, si caratterizzano per: Modalità di collegamento Modalità di gestione dei pacchetti (informazioni) Estensione geografica Canale trasmissivo 7
Classificazione delle reti Modalità di collegamento Reti Broadcast: unico mezzo di comunicazione condiviso tra tutti i nodi della rete N1 N2 N3 N4 Mezzo di comunicazione Si accede al mezzo di comunicazione tramite un protocollo che coordina la gestione dei conflitti Il mittente invia un messaggio contenente l’indirizzo del destinatario Il messaggio raggiunge tutti i nodi che leggono l’indirizzo del destinatario Il destinatario recepisce il messaggio e gli altri nodi lo ignorano 8
Classificazione delle reti Modalità di collegamento Reti punto-a-punto (point-to-point): costituite da molte linee di comunicazione, ognuna delle quali connette 2 nodi Idealmente si vorrebbe connettere ogni coppia di nodi In pratica si connettono solo alcune coppie di nodi N1 N3 N4 N2 N5 I messaggi seguono un determinato percorso per giungere a 9 destinazione
Classificazione delle reti Modalità di gestione dei percorsi Reti punto-a-punto (point-to-point) si suddividono in: Commutazione di circuito, le risorse fisiche rimangono impegnate durante tutta la comunicazione Si stabilisce un percorso mittente-destinatario detto circuito I dati seguono sempre lo stesso percorso Commutazione a pacchetto, non richiede di impegnare la risorsa fisica durante tutta la comunicazione Il mittente suddivide il messaggio in pacchetti I pacchetti sono inoltrati in modi indipendente (possono seguire percorsi differenti, arrivare in ordine sparso) 10
Classificazione delle reti Estensione geografica Distanza Luogo fisico Tipologia di rete computer 1 Mt scrivania PAN, Personal Area Netwok 10 Mt stanza LAN, Local Area Network 100 Mt Edificio LAN, Local Area Network 1 Km campus CAN, Campus Area Network 10 Km città MAN, Metropolitan Area Network 100 Km nazione WAN, Wide Area Network 1000 Km continente WAN, Wide Area Network 10000 Km pianeta Internet 11
Classificazione delle reti Canale trasmissivo Doppino telefonico (Modem, ADSL): coppia di fili di rame utilizzato per scambiare informazioni Wireless (reti senza fili): utilizza principalmente onde radio a bassa potenza, in taluni casi radiazione infrarossa o laser Fibre ottiche: filamenti di materiali vetrosi o polimerici. I filamenti conducono la luce Parabola (rete satellitare): utilizza connessioni satellitari bidirezionali (non stiamo parlando del segnale televisivo proveniente dal satellite, monodirezionale) 12
Doppino telefonico non schermato 1/2 CARATTERISTICHE: Definito in 5 categorie (con più coppie di fili e torsioni) CAT1 è adatto per le comunicazioni vocali CAT3 ha velocità di trasferimento fino a 10Mbps (minimo per le reti moderne) CAT4: 16 Mbps CAT5 ha velocità fino a 100 Mbps Connesso tra la NIC di ogni host e il pannello di raccordo della rete, che a sua volta connesso a un hub, per mezzo di connettori RJ-45 RJ45, connettore per supporti a 8 fili; collega una linea telefonica da una presa al modem o al telefono 13
Doppino telefonico non schermato 2/2 IL SUO UTILIZZO IN UNA ETHERNET 10BaseT: Si usano cavi da CAT3 a CAT5 e connettori RJ-45 Questa topologia di rete supporta velocità da 10 a 100Mbps Può trasmettere fino a una distanza 100 metri Questa topologia è molto diffusa, perché supportata da molte piattaforme Supporti poco costosi, pochi problemi per il cablaggio della rete DIFETTI: Interferenze elettromagnetiche (diafonia) È privo di schermatura, allora è facile alle intercettazioni. Abbassamento dell’intensità del segnale sulla distanza 14
Cavo coassiale IL SUO UTILIZZO IN UNA ETHERNET 10BaseT: Primo tipo di cavo per connettere i calcolatori a una rete, ancora utilizzato Dentro ha un filo centrale conduttore di rame. Il conduttore centrale è ricoperto da un isolante, attorniato da un altro conduttore messo a terra, che isola da interferenze. Può trasmettere a 10 Mbps La distanza va da 185 a 500 metri Le specifiche che separano i cavi coassiali sono l’impedenza (Ώ) e lo spessore del cavo Le due categorie principali di cavi coassiali sono: • Thinnet o RG-58 (da Thin Ethernet); • Thicknet (da Thick Ethernet). 15
Fibra Ottica Copre lunghe distanze circa 2 km Immune da interferenze e intercettazioni Conduttore centrale in vetro rivestito, più un’altra guaina protettiva esterna. I dati sono inviati da un LED, che manda impulsi luminosi al centro della fibra; un fotodiodo riceve il segnale e converte gli impulsi luminosi in segnale elettrico. Velocità va da 100 Mbps a 2Gbps DIFETTI: Rigido, allora difficile da installare Costoso, per ridurre i costi lo si usa in dorsali di rete o in aree con interferenze 16
Reti Paritetiche VANTAGGI SVANTAGGI Relazione di pari importanza tra Gli utenti potrebbero ritrovarsi a computer ricordare tante password quante Ciascun utente è amministratore di sono le risorse condivise rete Si blocca se ci sono troppi utenti Facili da installare e configurare Bisogna effettuare backup individuali Non è costosa su ciascuna macchina, per proteggere tutti i dati condivisi Non serve alcuna attrezzatura o server Quando qualcuno accede alle risorse condivise, la macchina su cui tali Non è necessario avere un impiegato risorse risiedono subisce un calo di con mansioni da system prestazioni administrator 17
Reti Client/Server PREGI DIFETTI I server sono progettati per Costi aggiuntivi gestire velocemente più richieste Serve un system administrator (a di risorse condivise volte anche uno staff di esperti) Sicurezza fisica: verifica account per gestire il complesso software utente e password per i/il server Gli utenti sono tenuti a ricordare Se il server si blocca gli utenti non una sola password di accesso alla possono neppure accedere alla rete rete, rendendo quindi la rete Più semplice esecuzione di inutilizzabile operazione di backup e manutenzione di risorse dati 18
Esempio tipico di una LAN Rete cablata, utilizza modalità broadcast Topologia a stella (tra le più diffuse) N3 N1 SWITCH N4 N2 Switch: dispositivo che inoltra i messaggi dal mittente al destinatario Reti wireless: utilizzano le modalità broadcast Access point gestisce la comunicazione tra i nodi della rete e successivamente li connette alla rete principale 19
Esempio tipico di una WAN Rete cablata, utilizza modalità broadcast Topologia a stella (tra le più diffuse) N4 N1 R S N4 S G G N2 N4 N3 R G S N4 Router: nodi della rete che smistano pacchetti verso altre reti N1, N2.., Nodi o Host: sono destinati ad eseguire applicazioni degli utenti Gateway: router di confine che collegano una rete locale ad una rete geografica e assicurano compatibilità/validità dei pacchetti 20
Componenti di una rete Tra i dispositivi che possono servire a creare, segmentare, unire e migliorare una rete troviamo: Adattatori Ripetitori Amplificatori Bridge Router Gateway 21
Adattatori o Network Interface Card La scheda adattatrice o NIC ( Network Interface Card ) è l’elemento che connette fisicamente un computer alla rete. Gli adattatori Plug and Play possono: configurarsi da sé Oppure se non si possiede un adattatore Plug and Play: occorre configurare il livello di Interrupt Request Line ( IRQ) e l’indirizzo Input/Output ( I/O ). Sia l’IRQ che l’indirizzo I/O devono essere configurati in modo appropriato, perché la scheda di rete possa funzionare correttamente 22
RIPETITORI E AMPLIFICATORI Per neutralizzare il deterioramento del segnale su una rete si possono utilizzare ripetitori o amplificatori, che identificano il segnale che vi passa attraverso. RIPETITORI, usati nelle reti insieme a schemi di segnalazione digitale per combattere l’attenuazione di segnale. Quando un ripetitore riceve una trasmissione in entrata in banda base attenuata, ripulisce il segnale, lo rinforza e lo passa al segmento successivo. AMPLIFICATORI, servono ad aumentare le distanze di trasmissione su reti che utilizzano segnali analogici, ovvero per la trasmissione di banda larga. I segnali analogici possono trasferire contemporaneamente sia la voce sia i dati, il filo è diviso in molteplici canali, per poter trasmettere diverse frequenze nello stesso momento. 23
HUB o SWITCH Esistono tre tipi di hub: PASSIVI, non hanno bisogno di alimentazione elettrica e si comportano solo come punto di collegamento fisico ATTIVI, richiedono alimentazione elettrica, che serve per rinforzare i segnali che vi passano attraverso INTELLIGENTI, possono fornire servizi come ad esempio l’instradamento del traffico 24
BRIDGE (o ponte) Leggono l’indirizzo MAC della destinazione assegnata da ciascun pacchetto dati in entrata e esaminano le “bridging tables” per determinare dove devono inoltrare/spedire il pacchetto. VANTAGGI: Possono connettere segmenti che usano vari tipi di supporto SVANTAGGI: Non possono connettere reti che usano differenti schemi di accesso ai supporti 25
ROUTER (o instradatore) Confronta l’indirizzo di rete del pacchetto con le voci della tabella di instradamento se trova una corrispondenza, invia il pacchetto sul percorso individuato. Si tratta di terminali con più schede di rete ciascuna collegata ad una rete differente. Quindi, nella configurazione più semplice, il router deve solo "guardare" su quale rete si trova un computer per fargli arrivare i datagrammi da parte del mittente Esistono due tipi di dispositivi di instradamento: •Router statici, la tabella di routing è inserita manualmente dall'amministratore (utilizzabile per piccole reti) •Router dinamici, costruisce da solo la tabella di routing in funzione delle informazioni ricevute (attraverso i protocolli di routing) 26
VANTAGGI ROUTER SVANTAGGI ROUTER Aiutano a diminuire la congestione in Più costosi rete Più difficili da gestire rispetto ai Rendono più affidabile il recapito dei ripetitori dati Router dinamici possono Sono in grado di selezionare un percorso alternativo per il pacchetto, aggiungere un traffico eccessivo se quello predefinito è fuori uso alla rete Sono superiori ai bridge per quanto riguarda la capacità di filtrare e dirigere i pacchetti di dati attraverso la rete Può collegare molte reti piccole posto che i protocolli impiegati siano instradabili (siano in grado di operare al di fuori della sua stessa sottorete) 27
GATEWAY Termine generico che indica il servizio di inoltro dei pacchetti verso l'esterno, permette la comunicazione tra due o più segmenti di rete. Funzionamento: Funzionamento: un computer connesso alla rete locale confronta, i primi bit dell'indirizzo di destinazione dei dati da inviare, con quelli del proprio indirizzo: se corrispondono, significa che il computer di destinazione è sulla stessa rete locale; se invece non corrispondono, il computer d'origine invia i dati al gateway predefinito, il quale si occuperà del loro successivo instradamento verso la rete remota di destinazione SVANTAGGI Difficili da installare e configurare Più costosi rispetto agli altri dispositivi di connessione A causa del processo di traduzione possono essere più lenti dei router 28
TOPOLOGIE DI RETE Una topologia di rete è la rappresentazione più intuitiva di una rete di telecomunicazioni. Una topologia di rete rappresenta un modello geometrico (grafo) i cui elementi costitutivi sono i nodi e i rami. Esistono varie topologie: Bus Anello Stella Maglia Ibridi: Stella-bus Maglia ibrida 29
BUS VANTAGGI SVANTAGGI • Sistema più rapido e semplice per • Un difetto di funzionamento nella installare una rete dorsale del bus può compromettere • Più facile da configurare l’operatività di tutta la rete • Buon sistema per mettere in piedi una rete provvisoria in poco tempo • È la scelta migliore per reti di piccole 30 dimensioni
ANELLO VANTAGGI SVANTAGGI • Il gettone garantisce equa opportunità di • Un computer può inviare i propri dati accedere al supporto e quindi di trasmettere solamente quando è in possesso del i propri dati gettone • Ciascun computer è in grado di • Un difetto di funzionamento su una ritrasmettere qualunque pacchetto di dati stazione può compromettere l’intera rete che ha ricevuto e che è indirizzato ad altre • Bisogna disattivare temporaneamente stazioni sull’anello tutta la rete se in una qualsiasi parte della • Elimina la necessità di ripetitori rete sono necessarie operazioni di • È facile da installare e configurare e richiede manutenzione o riconfigurazione 31 pochissimo hardware
STELLA VANTAGGI SVANTAGGI • un difetto nel funzionamento di una • Se due stazioni emettono segnali in direzione stazione non compromette l’intera rete dello hub contemporaneamente nessuna delle • È più semplice localizzare cavi rotti e due trasmissioni avrà successo e ciascuno dei altri guasti due computer dovrà aspettare un periodo casuale di tempo prima di tentare • L’hub centralizzato rende più semplice nuovamente l’accesso al supporto l’aggiunta di nuovi computer o la riconfigurazione della rete • Utilizza molti cavi • L’hub centrale gestisce la maggior parte delle funzioni per questo un suo guasto fa cessare 32 l’attività di tutta la rete
MAGLIA VANTAGGI SVANTAGGI • Il sistema è abile nello “schivare” i guasti, • Quantità di cavi in rete maggiore ridondante nelle connessioni • Più costoso • Un singolo cavo rotto non interrompe le • Molto difficile da installare comunicazioni in rete perché ogni computer dispone di diversi percorsi possibili 33
STELLA-BUS VANTAGGI • Non basta un guasto in un singolo computer o segmento per inattivare l’intera rete • Se si rompe un singolo hub, solo i computer connessi a tale hub non possono comunicare sulla rete 34
MAGLIA IBRIDA VANTAGGI SVANTAGGI • Maglie esistono solo su una parte della • Non è a prova di guasto (anche se in rete verità nessuna rete lo è…) • Assicura una certa tolleranza ai guasti tra i server • Costa meno di una rete a maglia completa 35
Stratificazione protocollare (Protocol “Layering”) Le reti sono complesse! Molti elementi: Domanda: host Come organizzare la struttura router della rete? link fisici dalle caratteristiche diverse applicazioni protocolli hardware, software 36
Modello a livelli Le reti di calcolatori sono organizzate secondo una pila di livelli (detta anche strati), tali livelli semplificano il compito ai programmatori delle applicazioni Ciascun livello offre servizi per il livello soprastante Ciascun livello utilizza servizi offerti dal livello sottostante Ogni livello dialoga con un pari livello (detto anche peer) ma su nodi differenti per realizzare i servizi di competenza Il protocollo di comunicazione fornisce le regole per lo scambio di informazioni tra peer dello stesso livello Unità dati del livello N: formato pacchetti utilizzato dai peer di livello N 37
Servizio postale: una prospettiva diversa Sorgente Destinazione Lettera (mittente) Lettera (cons. a dest.) Controllo destinazione Controllo destinazione (consegna a corriere) (riceve da corriere) Corriere Corriere (consegna) Trasporto (aereo, treno...) Strati: ogni strato implementa un servizio Mediante funzionalità interne Usando i servizi messi a disposizione dagli strati inferiori 38
Perché la stratificazione? I sistemi sono complessi: La stratificazione permette una più facile organizzazione e individuazione delle funzionalità La modularità facilita la manutenzione e la modifica dei sistemi La modifica dell’implementazione dei servizi resi da uno strato è trasparente (non si modifica l’interfaccia) Esempio, cambiare il corriere non altera il funzionamento complessivo del servizio postale 39
La stratificazione di Internet application: scambio messaggi nelle applicazioni di rete application ftp, smtp, http transport: trasferimento segmento dati end-to-end transport tcp, udp network: trasferimento di datagrammi da sorgente a network destinazione (host-to-host) ip, routing protocols link: trasferimento di frame tra elementi di rete link adiacenti ppp, ethernet physical physical: bit “sul cavo” 40
Protocollo TCP/IP Livello Physical Trasmette e riceve un flusso di bit attraverso una determinata linea di comunicazione Il principale problema affrontato a questo livello riguarda la codifica dei bit per la trasmissione su: Doppino telefonico Fibra ottica Canale radio Trasmissione caratterizzata da 3 parametri: Velocità di trasmissione Tasso di errore Ritardo di propagazione 41
Protocollo TCP/IP Livello Data-link Trasferisce un frame tra due nodi direttamente collegati da una linea di comunicazione Scheda di rete è identificata da un indirizzo MAC (Media Access Control), ovvero un identificativo di 48 bit scritto permanentemente sulla ROM (ad es. 01:23:45:67:89:ab) Quando il livello di rete deve spedire un datagramma: il livello data-link crea un pacchetto (frame) definito dal datagramma e dall’indirizzo MAC di destinazione invia il frame a livello fisico Quando un frame arriva al livello di data-link: Confronta il proprio indirizzo MAC con quello contenuto nel frame Estrae dal frame il datagramma originario e lo invia al livello di rete Si occupa dei problemi riguardanti il mezzo fisico e il coordinamento dell’accesso al mezzo condiviso 42
Protocollo TCP/IP Livello di Network Trasferisce un datagramma tra due nodi della rete connessi da un percorso (problema dell’instradamento) Nodi della rete identificati mediante gli indirizzi IP (Internet Protocol), ovvero un identificativo di 32 bit scritto in un file di configurazione del sistema operativo (ad es. 127.0.0.1, localhost) Quando il livello di trasporto deve spedire un segmento: il livello rete crea un datagramma con il segmento, l’indirizzo IP del mittente e l’indirizzo IP del destinatario Se l’indirizzo IP appartiene alla rete locale, il pacchetto è spedito al nodo di destinazione, altrimenti è spedito al router della rete. Le spedizioni avvengono passando il datagramma al livello data-link. Quando il datagramma arriva al livello di rete: Il router utilizza una tabella di instradamento Il nodo di destinazione riconosce il proprio indirizzo IP Estrae il segmento originario e lo recapita al livello di trasporto 43
Protocollo TCP/IP Livello diTrasport Trasferisce un segmento tra due processi applicativi in esecuzioni su due nodi della rete (problema dello smistamento) Il processo applicativo è identificato mediante un numero di porta, ovvero un identificativo di 16 bit Affinché un processo possa accedere alla rete deve richiedere la creazione di un canale di comunicazione (detto anche socket) al quale è associata una porta UDP (User Datagram Protocol): non garantisce che i dati arrivino al destinatario TCP (Trasfer Control Protocol): garantisce la consegna dei dati nell’ordine di spedizione 44
Protocollo TCP/IP Livello di Application Ciascuna applicazione si avvale di specifici protocolli per: la struttura e il significato dei messaggi scambiati le regole secondo cui il processo invia e riceve messaggi Comprende le applicazioni che fanno uso della rete attraverso i servizi offerti dal livello di trasporto (ad es. i browser) Protocolli di comunicazione più diffusi: HTTP (servizio web) FTP (servizio per il trasferimento di file) TELNET/SSH (servizio per l’uso di terminali remoti) SMTP (servizio di posta elettronica) 45
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