Corso di Laurea in Fisica · Corso di Fisica dell’Informazione 5 Unità didattica: Reti...

Corso di Laurea inFisica

Fisica dell’Informazione

Docente: LucaLuca GammaitoniGammaitoni

Informazioni disponibili sul web:www.fisica.unipg.it/gammaitoni/fisinfo

Reti di Computer

aaasss 2Corso di Fisica dell’Informazione

Unità didattica: Reti

Riferimento al testo:Introduzione alla scienza dei computer, McGraw-Hill, 2004

capitolo 8: 8 . 1 Ubiquitus.8 . 2 Computer in rete8 . 3 La geografia delle reti

8 . 4 La topologia delle reti8 . 5 La logica delle reti

Reti di Computer

3Corso di Fisica dell’Informazione


A cosa servono?• Per comunicare (scambiare informazioni

tra i computer)• Condividere le risorse (stampanti,

scanner, masterizzatori … connessioniveloci ..)



Classificazione delle reti• In base alla loro “portata”

– LAN (Local Area Network) coprono aree limitate, ma sono molto veloci– MAN (Metropolitan Area Network) Rete ottenuta mediante l’interconnessione

di più reti locali nell’ambito metropolitano– WAN (Wide Area Network) coprono aree maggiori, ma sono più lente

La velocità di una rete o di una connessione tra computer è definita come lamassima quantità di informazione che può essere trasferita nell’unità ditempo e si misura in bit/s e i suoi multipli (kbit/s, Mbit/s)

La velocità di una connessione viene anche detta larghezza di banda

Shannon



Classificazione delle reti• In base allo hardware utilizzato per la connessione

– Ethernet (su cavo coassiale o su cavo a otto poli, 10 Mbit/s, 100 Mbit/s,1Gbit/s)

– Senza fili• Wifi (IEEE 802.11b 11Mbit/s, fino a 150 m)• Bluetooth (1 Mbit/s, fino a 10,20,100 m)

– Su fibra ottica• FDDI ( > 1 Gbit/s)

– Su doppino telefonico• PSTN (modem analogico fino a 56 kbit/s)• ISDN (fino a 128 kbit/s)• ADSL (fino a 640 kbit/s)• HDSL (fino a 8 Mbit/s)



Classificazione delle reti

• In base al protocollo software utilizzato per laconnessione– IPX/SPX (Microsoft)– AppleTalk (Apple)– X25 (Xerox)– TCP/IP (utilizzato per Internet)



Due tipi di relazioni:

• Peer to peer I computer della rete comunicano tra loro in modoparitario. Ognuno di essi è responsabile di renderedisponibili le proprie risorse al resto della rete e dellapropria sicurezza.

• Client/server Esiste una distinzione tra chi rende disponibile le risorsedi rete (server) e chi ne fa uso (client) In una reteclient/server pura nessun client condivide le proprie risorsecon gli altri.



Pro• Hardware meno

costoso;• Facile da amministrare;• Nessun NOS (network

operative system)richiesto;

• Maggiore ridondanzastrutturale;

Contro• Possono peggiorare le

performance dell’utente;• Non molto sicura;• Difficile da backuppare

Peer to peerPeer to peer



Client/server

ProMolto sicura;Migliore performance;Backup centralizzato;Molto affidabile e stabile;

ControRichiede un amministratore

professionale;Hardware più costoso e pesante;

Per reti con meno di 10-15 utenti generalmente conviene unarelazione del tipo peer to peer, per quelle più grandi client/server.



MEZZI TRASMISSIVI

MEZZI

RAME(DOPPINO)

COASSIALE

FIBRA OTTICA

MONOMODALE

MULTIMODALEWIRELESS



SISTEMI OPERATIVI DI RETE(LOCALE)

• In una LAN si vogliono condividere le risorse, disolito, come minimo, stampanti e hard disk.

• Il S.O. deve permettere anche l’uso di quelle risorseche non sono fisicamente collegate al computer sucui si sta lavorando.

• I S.O. dei computer in rete devono quindi dialogarefra loro per permettere la condivisione delle risorse.



FILE SYSTEM DISTRIBUITO

• Parliamo di file system distribuito quando l’utente del file systemvede un’unica struttura ad albero, e non si accorge che alcuneparti dell’albero (sub-tree) risiedono in realtà sull’hard disk di unaltro computer della rete.

• Il S.O. maschera completamente la situazione. (Unix… Windowsun po’ meno)

• E’ possibile configurare il file system distribuito in molti modidiversi, prendendone “pezzi” dalle varie macchine in rete



SISTEMI OPERATIVI DISTRIBUITI• Versione più sofisticata dei S.O. di rete• Quando l’utente di un computer esegue un programma,

non e’ detto che questo venga fatto girare sulla CPUlocale: il S.O. si occupa di selezionare il computer (equindi la CPU) più scarico su cui il processo deve girare.

• I S.O. distribuiti sono ancora in fase di studio. Non esistenulla a livello commerciale



TRASMISSIONEDIGITALE O ANALOGICA

• Nelle reti locali, la comunicazione tra due computer passadi solito su cavi dedicati, installati esplicitamente per la rete,e adatti per la trasmissione digitale delle informazioni.

• (Semplificando un po’) su questi cavi si ha una variazionedel livello di tensione fra due valori, che corrisponde allatrasmissione di bit di valore zero oppure 1.



TRASMISSIONEDIGITALE O ANALOGICA

• Per le comunicazioni su lunga distanza, si cerca di sfruttarele reti di comunicazione esistenti, come ad esempio la retetelefonica.

• La rete telefonica è però fatta per comunicare la voce, cioèun segnale analogico che varia in maniera continua in unabanda di frequenze.

• Sono necessari dei dispositivi per poter usare la retetelefonica come mezzo di comunicazione tra computer



IL MODEM

COMPUTER MODEMSegnaledigitale

MODEMCOMPUTER Segnaledigitale

Segnaleanalogicolinea telef.



IL MODEM

• I modem attuali hanno velocità di trasmissione che va da unminimo di 56.600 bit/sec (ossia una velocità massima di nonpiù di 8 kByte/sec) a 24 Mbs (ossia una velocità massima dicirca 3 MByte/sec)

• Se due computer comunicano con un modem, la velocità dicomunicazione e’ sempre quella del modem più lento.

• Il modem e’ usato soprattutto per le comunicazioni private (adesempio un utente che si collega ad internet tramite il suoprovider)



COMUNICAZIONE SU LINEA DEDICATAO COMMUTATA

• Quando due computer sono connessi direttamente da un cavo dicomunicazione, si parla di linea dedicata di trasmiss./comunic.

• Nel caso più generale, e soprattutto su internet, lacomunicazione tra due computer avviene attraverso computerintermedi, che fanno da tramite tra i due che devono comunicare,ritrasmettendo i loro messaggi. Si parla allora di comunicazionesu linea commutata



La Topologia delle Reti• Esistono diverse configurazioni possibili per il

collegamento di computer• Queste si differenziano per la configurazione logico-

geometrica.• Si sceglie una configurazione (Topologia) piuttosto che

un’altra basandosi su considerazioni di:1) efficienza della rete2) affidabilità della rete3) costi di realizzazione



Le diverse TopologieTopologia BUS

Vantaggi: economia e semplicitàSvantaggi: difficile amministrazione



Le diverse TopologieTopologia RING (ad anello)

Vantaggi: facilità amministrazione (IBM)Svantaggi: costi elevati



Le diverse TopologieTopologia a stella

Vantaggi: facilità amministrazione (concentratore)Svantaggi: costi, vulnerabilità



Le diverse TopologieTopologia ad albero

Vantaggi: facilità modifica ed evoluzioneSvantaggi: … OGGI AMPLIAMENTE USATA



NAMING

• Ogni computer di una rete deve avere un nome logico unico. Ilnome logico e’ usato dagli utenti della rete per comunicare conquel computer

• Il computer ha anche un indirizzo fisico: l’indirizzo con il quale ilsoftware che gestisce le comunicazioni in rete localizza e gestiscela comunicazione con quel computer.

• Deve essere gestita una corrispondenza tra il nome logico el’indirizzo fisico del computer



Serial numberCodice venditore

24 bits 24 bits

bd fa 0c 1a 34 5f

MAC ADDRESS

E’ l’indirizzo fisico di un qualsiasi apparato che si attacca alla rete. Per questomotivo e’ unico, ed e’ formato da 48 bits (6 byte) solitamente espressiin formato esadecimale.



Pacchetti• Esistono due modalità di connessione:• A pacchetti: l’informazione viene suddivisa in pacchetti,

ciascuno dei quali viaggia in modo indipendente econtiene l’indirizzo di partenza, quello di arrivo e leinformazioni necessarie per ricostruire l’interainformazione. Il compito di ricostruire correttamentel’informazione è compito del computer di destinazione.

• A rete commutata: si stabilisce una connessione tra duepunti, che verrà riservata per l’intera durata dellacomunicazione, indipendentemente dalla quantità di datieffettivamente scambiati



Protocolli• La comunicazione tra computer avviene seguendo delle precise

regole. L’insieme di tali regole viene chiamato protocollo.Esistono molti protocolli differenti ai vari livelli di comunicazione.Ciascun protocollo dovrà definire necessariamente:

• Il formato dei dati da trasferire• L’eventuale meccanismo di controllo e correzione degli errori• Il tipo di applicazione che dovrà gestire i dati• Il metodo per ricostruire l’informazione



La Logica delle Reti• Modello OSI(Open System Interconnection)

Il funzionamento di una rete è definito a strati.Lo strato di livello più basso definisce la

connessione fisica, lo strato di livello più altodefinisce i servizi.



La Logica delle Reti



7 Livello di Applicazione o Application Layer:

il livello 7 occupa lo strato piu’ alto e per questo motivo non fornisceservizi agli altri livelli, ma interagisce in modo diretto con leapplicazioni usate dall’utente, fornendo i servizi di rete. E’ fornito didue interfacce, una diretta e l’altra indiretta. Attraversol’interfaccia diretta con il livello sottostante, l’Application Layerserve le applicazioni tipiche di una rete, quali lo scambio di e-mail,il trasferimento dei file, l’accesso ai database, l’accesso ai siti Web,la gestione remota di applicazioni distribuite e lﾕemulazione diterminali.L’interfaccia indiretta gestisce le applicazioni stand alone (come gliword processors).



6 Livello di Presentazione o Presentation Layer:

si preoccupa di preparare le informazioni ricevute dal livelloApplicazione in un formato adatto alla trasmissione. In particolareeffettua la codifica dei dati, la conversione del set di caratteri el’espansione dei comandi grafici. Grazie a questo livello, leapplicazioni che girano su computer con sistemi diversi possonocomunicare tra loro in modo indipendente dalle applicazioni stesse.Al livello 6 vengono infatti definiti gli standard ASCII ed EBCDICper gestire i file di testo, gli standard GIF, JPEG e TIFF perrappresentare le immagini, … Si occupa infine della compressionedei dati (per ridurne la dimensione e velocizzare la trasmissione) edella crittografia.



5 Livello di Sessione o Session Layer:

il livello 5 si occupa di attivare la connessione tra duestazioni, di mantenerla per tutta la durata deltrasferimento dei dati e di abbatterla a finetrasmissione. L’intero processo è chiamato appuntosessione.Poichè i dati vengono trasmessi su una rete acommutazione di pacchetto, questo livello ha il compitofondamentale di definire la durata della trasmissione e ilcontrollo del dialogo decidendo quale delle duestazioni deve trasmettere



4 Livello di Trasporto o Transport Layer:

il livello 4 è il piu’ basso dei 4 livelli superiori end-to-end, cioè ingrado di stabilire una connessione logica con i livelli paritari.Questo livello incapsula i dati in segmenti in fase di trasmissionee li riassembla in fase di ricezione. I messaggi lunghi vengonosuddivisi in piu’messaggi e attraverso la tecnica di multiplazioneinviati su canali diversi. Il medesimo livello della stazione riceventericostruisce i pacchetti e invia un messaggio di conferma allastazione trasmittente. La funzione principale è quindi quella digarantire che lo scambio di informazioni sia affidabile e sicuro eche i pacchetti siano ricevuti in sequenza e senza duplicati.



3 Livello di Rete o Network Layer:

il livello 3 si occupa della traduzione del nome logicodell’host destinatario in indirizzo fisico. Definiscel’instradamento, determinando il percorso più breve,prima dellﾕinvio dei messaggi, attraverso laconsultazione di tabelle di instradamento statiche odinamiche. Si occupa di gestire la comunicazionecontrollando il flusso dei dati al fine di evitare lacongestione della rete. I dati ricevuti dal livello superioresono organizzati in pacchetti o datagramma, checontengono il network header con l’indirizzo logicodella sorgente e della destinazione.



2 Livello di Collegamento Dati o Data Link Layer:

il livello 2 provvede che la trasmissione sul mezzo fisicosia affidabile. Il Data Link si preoccupa inoltredell’indirizzamento fisico, di ordinare e incapsulare idati in una struttura logica detta trama o frame e ditrasmetterla correttamente al sottostante livello Fisico.Ogni frame da inviare viene delimitato aggiungendo deicaratteri di controllo, quali i caratteri di Start, End, Parity,oppure CRC. In questo modo è possibile riconoscereeventuali errori e ritrasmettere la trama errata, oeliminare le trame duplicate. Il livello 2 gestisce lasincronizzazione tra mittente e destinatario.



1 Livello Fisico, o Phisycal Layer:

il livello 1 si preoccupa della gestione del mezzo trasmissivo (cavocoassiale, cavi STP o UTP, fibre ottiche) su cui avviene lo scambiodi informazioni, occupandosi della conversione del frame in unasequenza di bit e della successiva trasmissione dei singoli bit.Esso definisce per questo le modalità di connessione tra il cavo ela scheda di rete e di conseguenza le caratteristiche cui i mezzi dicollegamento fisico devono sottostare, come il numero di piedini diun connettore; i valori di tensione per i livelli logici, il significato deipin di un componente.



Il protocollo di Internet: TCP/IP



Header di un pacchetto: 6 parole da 32 bit



IPv4: indirizzi da 32 bit

141.250.2.2

141.280.2.2

Indirizzo correttamente formato

Indirizzo NON correttamente formato

E’ l’indirizzo dell’interfaccia di rete del computer



IPv4: indirizzi da 32 bit

Reti di CLASSE A Primo byte tra 1 e 127Circa 16 milioni di nodi per rete

Reti di CLASSE B Primo byte tra 128 e 191Due byte per la rete e due per i nodi

Reti di CLASSE C Primo byte tra 192 e 223Tre byte per la rete e uno per i nodi

Classe D ed E per usi speciali


Unità didattica: RetiBreve storia di InternetBreve storia di Internet

Internet, la rete che origina dalla connessione di un elevato numero di retilocali in tutto il mondo nasce negli anni sessanta grazie a progetti diricerca finanziati dalla difesa degli Stati Uniti.

Lo scopo originario era quello di garantire un sistema di comunicazioniper le forze armate statunitensi che potesse resistere anche in condizioni diguerra. Perfino in seguito ad una guerra termonucleare.

Nel 1969 questi progetti vengono unificati in un’agenzia del Ministerodella Difesa chiamata ARPA (Advanced Research Projects Agency),ora DARPA. Sotto l’egida ARPA nasce il progetto ARPANET checoinvolse principalmente centri di ricerca militari e università americane.



Internet, la rete che origina dalla connessione di un elevato numero di retilocali in tutto il mondo nasce negli anni sessanta grazie a progetti diricerca finanziati dalla difesa degli Stati Uniti.

Lo scopo originario era quello di garantire un sistema di comunicazioniper le forze armate statunitensi che potesse resistere anche in condizioni diguerra. Perfino in seguito ad una guerra termonucleare.

Nel 1969 questi progetti vengono unificati in un’agenzia del Ministerodella Difesa chiamata ARPA (Advanced Research Projects Agency),ora DARPA. Sotto l’egida ARPA nasce il progetto ARPANET checoinvolse principalmente centri di ricerca militari e università americane.



Il primo spezzone di rete vide collegate quattro università:- Stanford Research Institute (associato a Stanford University)- UCLA (University of California Los Angeles),- UCSB (Univesity of California Santa Barbara) e la- University of Utah,

La rete fu inaugurata il 2 settembre 1969.La trasmissione dei dati venne divisa in blocchi di informazioni secondoun modello inventato in Europa dagli inglesi e francesi che stavanosperimentando a loro volta.Venne battezzato NCP (Network Control Protocol), il primo protocolloche utilizzava la commutazione di pacchetto su ARPANET.



Breve storia di InternetBreve storia di Internet

L’NCP si è poi evoluto fino a diventare ai giorni nostri il già citatoTCP/IP meglio identificato col nome di

Internet Protocol Suitestandardizzato definitivamente nel 1983.



Lo sviluppo di questo protocollo lo si deve soprattutto a duericercatori: Vinton Cerf di Stanford e Bob Kahn della DARPA chenel 1974 pubblicarono un articolo dal titolo A Protocol for PacketNetwork Intercommunication.

Vinton Cerf Bob Kahn



Il 1972 segna un importante risultato: l'Università dello Utahrealizza un sistema per controllare un computer in modo remotomediante ARPANET ed implementa il protocollo FTP (FileTransfer Protocol) per trasferire i file da un computer ad un altro.

In quegli anni nascono le prime applicazioni e i primi successi: laposta elettronica riscuote l’interesse unanime dei ricercatori.

All’inizio degli anni ottanta l’uso della rete è già diffuso tranumerose università americane. I militari americani decidono dicostruire una nuova rete dedicata solo agli scopi militari (MILNET)mentre ARPANET diventa sempre più controllata dalle soleuniversità.



Nel 1981 nasce BITNET (Because It's Time NETwork) ad opera dellaCity University di New York e dell’università di Yale:un po’ la risposta della costa Est ai californiani.

A metà degli anni ottanta circa 300 università sono collegate adARPANET ed utilizzano i servizi di email, FTP e calcolo remoto.

Nel 1989 si compie la transizione: nasce NSFNet e muore ARPANET.NSFNet prende il nome dalla National Science Foundation, la potenteorganizzazione del governo americano preposta al finanziamento dellaricerca scientifica che prende in gestione la rete che non gode così più delfinanziamento dei militari. Questo rende possibile l’apertura della reteanche ad altre istituzioni sia americane che soprattutto straniere.



Nel 1991 il governo degli Stati Uniti vara l'High PerformanceComputing Act, una legge che ha lo scopo di promuovere larealizzazione di connessioni ad alta velocità per le università e laricerca americana.

Nel 1994 NSFNet non è più la rete dominante e nasce di fattoInternet come interconnessioni di molte reti tra loro indipendenti. Sistima che nel 1992 sono oltre 1.000.000 i nodi connessi in rete.



In Europa nel 1990 presso il CERN di Ginevra ad opera di TimBerners-Lee viene creato il World Wide Web (abbreviato web), unservizio che permette di diffondere informazioni in modo intuitivoe semplice.



End 1990: Development begins for first browser (called"WorldWideWeb"), editor, server, and line-mode browser.Culminates in first Web client-server communication overInternet in December 1990.



Beeth> Girls are like Internet domain names, the ones I like are already taken. Honx> Well, you can still get one from a strange country :-P

Honx, IRC (bash.org)

Nomi di dominio

Problema:assegnare ad un computer un indirizzo mnemonico facile daricordare e poi chiedere ad un altro computer di associarel’indirizzo mnemonico a quello numerico.

Questo servizio si chiama Domain Name Service (DNS) e vienesvolto da computer collegati in rete che si chiamano DomainName Server.Grazie al servizio DNS ogni nodo di Internet può avere unindirizzo mnemonico composto da caratteri alfabetici e numericidi lunghezza arbitraria. Questo indirizzo prende il nome didomain name.


Unità didattica: RetiNomi di dominio

Esempio:

141.280.2.2 ------- www.fisica.unipg.it

Il domain name è anch’esso caratterizzato da parole separateda punti.

La parte più a destra, nel caso in esempio “.it” è ilcosiddetto nome di dominio di primo livello (top leveldomain). Identifica o il paese di origine del computer (nomegeografico) oppure la caratteristica del soggetto chepossiede quel computer.



I più comuni nomi di primo livello sono:

Nomi geografici:

it: Italia fr: Francia de: Germania uk: Regno Unito jp: Giappone …



C’è anche il nome “us ”per i siti americani ma questi ingenere usano nomi di primo livello organizzati percategorie:

com: aziende net: reti in genere gov: enti governativi mil: enti militari edu: università usa org: organizzazioni no profit

negli ultimi anni la ICANN (Internet Corporation ForAssigned Names and Numbers), l’ente che regola il servizioDNS ha introdotto sette nuovi nomi: .biz, .info, .name, .pro,.aero, .coop, .museum.



Oltre al dominio di primo livello, c’è il dominio di secondolivello: unipg.it

Nel nostro caso è unipg che sta per università di Perugia. Ildominio di secondo livello viene assegnato a chi ne farichiesta (dietro pagamento di una tassa annuale di pochedecine di €) da aziende dislocate su tutto il pianeta edautorizzate da ICANN a questo scopo.

I nomi di dominio di terzo e quarto livello, nel nostro casowww e fisica vengono assegnati dal Network Managerlocale.



Come abbiamo discusso sopra il DNS si occupa dellaassociazione di un nome a d un numero.

Come fa?

Semplice, il DNS ha un database nel quale questeassociazioni sono memorizzate. Se non lo trova nel propriodatabase lo chiede al prossimo DNS sulla rete e così via finoa che non trova qualche DNS che lo sa.In questo modo il servizio si mantiene aggiornato senzabisogno che ci sia un unico server centrale a cui tuttidebbono fare riferimento.


Unità didattica: RetiWWW

La struttura del servizio WWW

Server WWW esempio: ApacheClient WWW esempio: Interner Explorer

Dal server vengono forniti documenti ipertestuali corredatida file di immagini, suoni, filmati…

File ipertestuale: file di solo testo (.html, .htm, …)File immagine: file (.gif, .jpg)



Come funziona nel dettaglio il Web?

tre insiemi di regole:

ｷ Uniform Resource Locator (URL)ｷ Hyper Text Transfer Protocol (HTTP)ｷ Hyper Text Markup Language (HTML)

Vediamole in dettaglio



Lo Uniform Resource Locator (URL) è uno standard chedefinisce il modo in cui ogni pagina Web viene individuataall’interno del computer server.

Questo avviene assegnando alla pagina Web un indirizzo.Esempio: http://www.fisica.unipg.it:80/gammaitoni/infogen/index.html

http specifica il tipo di protocollo di servizio che stiamo utlizzando (vedi sotto)

//www.fisica.unipg.it specifica il domain name a cui è associato l’ind. IP

:80 specifica il num della porta, ovvero dell’interf. di rete (può essere omesso)

/gammaitoni/infogen/ indica il percorso dove è contenuto il documento

index.html indica il nome del file che costituisce il documento ipertestuale.



Lo Hyper Text Transfer Protocol (HTTP)

è invece il protocollo di comunicazione di alto livello(Application layer 7, secondo lo schema OSI) che specificacome le informazioni relative alla pagina Web debbonoessere trasmesse.

Questo protocollo è definito da un consorzio internazionale(di cui fa parte lo stesso Berners Lee) denominato WorldWide Web Consortium (W3C).

Date post:	23-Apr-2020
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