Corso di Scienze Applicate, 5M - I.I.S. Majorana di Moncalieri - anno scolastico 2019 → 2020 BURZIO Paola, IENCO Sara, SURBONE Amare.
TIPOLOGIE , TOPOLOGIE DI RETE E LO SVILUPPO DI INTERNET.
(descrizione e esempi delle diverse tipologie e topologie di rete, ricostruzione degli eventi che hanno portato alla nascita di Internet)
ABSTRACT
La rete è un insieme di connessioni che può interessare un’area geografica più o meno ampia. Tra le più importanti tipologie di rete esistenti abbiamo:PAN, LAN, MAN, WAN, GAN
La topologia di rete è un modello geometrico che indica la relazione di connettività tra gli elementi costituenti la rete stessa. Tra le diverse topologie di rete abbiamo: f
Nello sviluppo di internet sono state utilizzate diverse tipologie e topologie di rete che si sono adattate di volta in volta alle esigenze del momento.
The network is a set of connections that can affect a more or less wide geographical area. Among the most important types of existing networks we have: PAN, LAN, MAN, WAN, GAN
The network topology is a geometric model that indicates the connectivity relationship between the elements making up the network itself. Among the different network topologies we have: f Different types and network topologies have been used in the development of the Internet, which are adapted from time to time to the needs of the moment.
TIPOLOGIE DI RETE.
Per rete si intende un qualsivoglia numero di sistemi indipendenti che sono collegati tra di loro in maniera tale da permettere uno scambio di dati. I sistemi collegati tra di loro devono presentare oltre ad una connessione fisica, anche una logica. Quest’ultima viene prodotta attraverso protocolli di rete specifici come quello TCP (Transmission Control Protocol).
La connessione di due computer è sufficiente per essere considerata una rete.
Le reti vengono configurate con uno scopo ben preciso, che può essere la trasmissione di dati da un sistema all’altro o quello di rendere disponibili nella rete risorse comuni quali server, database o stampanti. In base alla grandezza e al raggio d’azione del sistema dei computer è possibile distinguere diverse dimensioni di rete.
Tra i più importanti tipi di rete ci sono:
• Personal Area Network (PAN)
• Local Area Network (LAN)
• Metropolitan Area Network (MAN)
• Wide Area Network (WAN)
• Global Area Network (GAN) Tipologia PAN
Si definisce così una rete molto limitata, la cui estensione è nell’ordine di pochi metri e il cui titolare e responsabile è, come nella LAN, chi la genera. Ne è un esempio quella creata dal Bluetooth, un sistema radio relativamente debole e lento, ma che è ottimale per connessioni a distanze piccole e piccolissime.
Degli esempi tipici sono le cuffie senza fili, le console di gioco e le macchine fotografiche digitali.
vantaggi: è molto semplice da utilizzare.
svantaggi: raggio d’azione limitato ed un altrettanto basso tasso di trasmissione dei dati.
Tipologia LAN
Solitamente più computer sono collegati assieme in un’unica rete tramite una Local Area Network (LAN). Una rete locale di questo tipo può collegare due computer in una casa privata così come collegare mille apparecchi in un’azienda. Anche le reti delle istituzioni pubbliche come autorità, scuole o università sono realizzate tramite LAN. Uno standard ampiamente diffuso per le Local Area
Network collegate via cavo è l’Ethernet. La trasmissione dati avviene o per via elettronica tramite cavi in rame o tramite fibra ottica, ossia attraverso filamenti in fibra di vetro.
Vantaggi: rendere possibile una trasmissione veloce di grandi quantità di dati. A seconda della struttura della rete e del mezzo di trasmissione utilizzato, la trasmissione dati della LAN si aggira di norma dai 10 ai 1.000 Mbit/s. Le reti LAN consentono uno scambio di informazioni facile tra apparecchi diversi collegati tra loro in rete
Svantaggi: Per come è costruita non può essere molto estesa e solitamente poco sicura.
Tipologia MAN
La Metropolitan Area Network (MAN), che in italiano potrebbe essere tradotta come rete metropolitana senza fili, viene definita come una rete di telecomunicazione a banda larga, che collega più LAN geograficamente vicine. Di solito si tratta di singole filiali di un’azienda, che vengono connesse ad una MAN attraverso l’affitto di linee dedicate. Per questo utilizzo vengono utilizzati router efficienti e connessioni altamente performanti in fibra ottica, che consentono una trasmissione dati maggiore rispetto ad Internet. La velocità di trasferimento tra due nodi distanti è comparabile alla comunicazione interna di una LAN.
Con questo termine intendiamo le reti che ricoprono aree metropolitane da 10 a 100 km. Quindi reti che hanno le dimensioni di una città.
Vantaggi:
• E’ una rete molto sicura
• permette di ricoprire grandi aree Svantaggi:
• ha costi molto elevati
• è molto complicata da gestire Tipologia WAN
L’acronimo sta per Wide Area Network ed indica una rete di carattere geografico. La prima sostanziale differenza rispetto ad una rete LAN è la portata. Infatti la rete WAN può coprire anche interi territori. Di questa categoria fanno parte tutte quelle linee che permettono di collegare diversi dispositivi posti in aree differenti, come ad esempio i servizi offerti dai provider ISP (Internet Service Provider).
esempio: Internet è l’esempio di rete WAN più lampante. Internet è una gigantesca rete WAN dove chiunque nel mondo può comunicare con qualcun altro, anche a chilometri di distanza. Ovviamente Internet viene gestito in maniera differente in ogni parte del mondo, però ogni singola infrastruttura di rete è collegata tra loro, permettendo la comunicazione tra dispositivi anche lontanissimi.
Vantaggi:
• ha una portata di migliaia di chilometri, è in grado di collegare strutture situate in continenti diversi.
• è in grado di collegare più reti LAN e MAN contemporaneamente Svantaggi:
• ha dei costi elevatissimi
• la gestione di questa rete richiede molti esperti nel campo.
Tipologia GAN
Le reti GAN (Global Area Network) sono reti che collegano computer dislocati in tutti i continenti.
Le GAN utilizzano le infrastrutture a fibra ottica delle WAN e le congiungono attraverso cavi sottomarini internazionali o trasmissioni satellitari.
esempio: internet
Vantaggi: Collegano computer dislocati in tutto il Globo.
TOPOLOGIA DI RETE
In telecomunicazioni la topologia di rete è il modello geometrico finalizzato a rappresentare le relazioni di connettività fisica, quando fra due elementi è presente un canale fisico che li collega in modo diretto, o logica, quando la rete si estende per una grande distanza geografica, tra gli elementi costituenti la rete stessa (detti anche nodi).
Il concetto di topologia si applica a qualsiasi tipo di rete di telecomunicazioni: telefonica, rete di computer, Internet,...
Gli elementi fondamentali della topologia sono i nodi e i rami. Il nodo è un qualsiasi dispositivo hardware del sistema in grado di comunicare con gli altri dispositivi che fanno parte della rete, mentre il ramo indica la relazione di connettività tra i nodi. La topologia viene rappresentata quindi sotto forma di grafo in cui i nodi sono collegati tra loro tramite uno o più rami.
Topologie elementari
Una rete di complessità arbitraria può essere sempre scomposta in una combinazione di topologie elementari a loro volta interconnesse tra loro.
Le topologie elementari si possono ricondurre a quattro tipi fondamentali:
• le topologie lineari semplici
• le topologie lineari complesse
• la topologia punto a punto
• la topologia a maglia
• la topologia a bus
Le topologie lineari semplici si dividono in aperte e ad anello.
Nelle topologie lineari aperte ogni nodo è collegato con un ramo al nodo adiacente precedente e con l'altro ramo al nodo adiacente successivo. I nodi terminali sono invece adiacenti a un solo nodo. La comunicazione tra due nodi non adiacenti deve attraversare tutti i nodi intermedi, percorrendo i rami relativi:
ogni passaggio tra due nodi viene detto salto o hop. In una rete lineare aperta costituita da N nodi, il numero R di rami necessari
per il collegamento tra tutti i nodi è dato dalla relazione R = N-1.
Questa topologia possiede molti svantaggi, primo tra tutti la scarsissima affidabilità: se un nodo si guasta o un ramo si interrompe, la rete viene divisa in due sottoreti isolate. Anche per quanto riguarda la scalabilità, questa struttura è poco efficiente, dato che comporta un'interruzione dell'attività di rete per aggiungere o eliminare un nodo intermedio.
Una topologia ad anello è una topologia lineare di tipo chiuso, in cui a tutti i nodi fanno capo due rami. Tutti i nodi sono collegati con un ramo al nodo adiacente precedente e con l'altro ramo al nodo adiacente successivo.
In una rete ad anello costituita da N nodi, il numero di rami necessari per il collegamento tra tutti i nodi è dato dalla relazione: R = N.
Questa formula fornisce anche la relazione per determinare in modo
algoritmico il numero di hop necessari per percorrere l'intero anello e viene usata anche per evitare situazioni in cui un'informazione continua a percorrere l'anello indefinitamente senza mai arrivare a destinazione.
Le topologie ad anello sono molto diffuse per via dell'alta tolleranza/robustezza ai guasti dato che l'informazione trasmessa può viaggiare in entrambi i sensi dell'anello per raggiungere una certa destinazione, e non necessita di un nodo centrale per gestire la connessione tra i computer. Di contro, la scalabilità presenta dei problemi, dato che l'aggiunta o la rimozione di un nodo presuppone una variazione della velocità della rete e l'apertura dell'intero anello e inoltre, potrebbe esserci un limite al numero massimo di nodi utilizzabili, per esempio per vincoli legati all'eventuale numero massimo di hop consentiti o al ritardo di propagazione ammesso.
Le topologie lineari complesse si dividono in topologie ad albero ed a stella.
La topologia ad albero è caratterizzata dal fatto che da ciascun nodo possono dipartirsi più catene lineari distinte e non intersecantesi, realizzando così una struttura multilivello. Anche in questo tipo di topologia, per ogni coppia di nodi esiste un solo percorso di collegamento; ogni nodo è collegato a un solo nodo del livello superiore (nodo padre) tramite un solo ramo e a uno o più nodi del livello inferiore (nodi figli) tramite uno o più rami dedicati (diramazione). Il nodo da cui prende origine tutta la topologia viene denominato anche "nodo radice" (root) mentre i nodi terminali vengono denominati "foglie" (leaf). Una caratteristica di questa rete è che la comunicazione tra due nodi distinti dello stesso livello può avvenire solo risalendo la struttura fino al primo nodo padre comune, che deve quindi essere dotato di funzionalità di distribuzione più sofisticate per poter determinare la diramazione corretta verso cui instradare il segnale.
Essendo sostanzialmente un'estensione della topologia lineare semplice, anche per questa topologia la relazione tra nodi e rami è data da: R = N-1.
Le reti a stella sono le più comuni topologie di rete.
Questa topologia di rete consiste in un hub o switch che funge da punto centrale per la trasmissione delle informazioni e ogni host è connesso a tale punto (hub/switch).
I dati all'interno di una rete a stella attraversano l'hub prima di arrivare a destinazione. Inoltre l'hub gestisce e controlla tutte le funzionalità della rete (funziona anche come ripetitore per il flusso di dati).
Questa tipologia di rete riduce l'impatto di un guasto sulla linea trasmissiva collegando in modo indipendente ciascun host all'hub. Ogni host può comunicare con tutti gli altri e l'hub.
Il guasto di una linea trasmissiva che collega un host all'hub determinerà l'isolamento di tale host da tutti gli altri, ma il resto della rete continuerà a funzionare tranquillamente.
La topologia punto a punto è la più semplice con un collegamento dedicato tra due endpoint.
Il più semplice da comprendere, tra le variazioni della topologia punto-punto che appare, all'utente, in modo da essere associato permanentemente ai due endpoint.
Il telefono con i barattoli e il filo di stoffa che li collega è un esempio di canale fisico dedicato.
Le topologie a maglia si dividono in topologie completamente magliate e parzialmente magliate.
La topologia completamente magliata o a maglia completamente connessa è quella di complessità più elevata in quanto prevede che ogni nodo sia collegato direttamente con tutti gli altri nodi della rete con rami dedicati. La relazione tra
numero di nodi e rami è di tipo quadratico ed è data da:
R = N*(N-1)/2.
La caratteristica più importante di questa rete è che, dato un nodo qualsiasi, esiste sempre almeno un percorso che consente di collegarlo a un altro nodo qualsiasi della rete.
La topologia parzialmente magliata è una topologia che, dati N nodi, utilizza solo un sottoinsieme di tutti i collegamenti diretti definibili tra i nodi. Anche in questo caso la relazione tra numero di nodi e rami è non lineare, ma di tipo tendenzialmente quadratico, con una complessità inferiore rispetto al caso di rete completamente magliata e via via decrescente al decrescere dei rami utilizzati per i collegamenti tra i nodi, ed è espressa da una disuguaglianza: (N-1)<R<N*(N-1)/2.
Una topologia parzialmente magliata è data dalla combinazione di una o più sottoreti magliate con una o più sottoreti lineari.
Il vantaggio principale delle topologie magliate è la robustezza di fronte ai guasti nei collegamenti tra i nodi. In una topologia completamente magliata, fino a quando un nodo non rimane completamente isolato, esisterà sempre almeno un percorso in grado di collegare tale nodo con il resto della rete. Di contro, il rapporto quadratico tra numero di nodi e numero di rami costituisce un grosso ostacolo per la scalabilità: oltre un certo limite, aggiungere un nodo a una topologia completamente magliata richiede l'aggiunta di un numero sempre maggiore di rami, aumentando anche la complessità dell'intera rete.
Le topologie a bus si suddividono in lineare e distribuito.
Nella topologia a bus, tutti i nodi sono collegati tra di loro per mezzo di un unico ramo condiviso. In questo tipo di topologia, la presenza di un unico collegamento condiviso tra tutti i nodi richiede di utilizzare meccanismi di controllo dell'accesso che evitino le collisioni o le interferenze tra i nodi.
Un segnale proveniente dalla sorgente viaggia in entrambe le direzioni verso tutte le macchine collegate sul cavo bus fino a quando non trova il destinatario previsto. Se l'indirizzo della macchina non corrisponde all'indirizzo previsto per i dati, la macchina ignora i dati.
In alternativa, se i dati corrispondono all'indirizzo della macchina, i dati vengono accettati. Poiché la rete di tipo bus è costituita da un solo filo, è piuttosto economica da implementare rispetto ad altre topologie. Tuttavia, il basso costo di implementazione della tecnologia è compensato dall'elevato costo di gestione della rete. Inoltre, poiché viene utilizzato un solo cavo, può essere il single point of failure. In questa topologia, i dati trasferiti possono essere accessibili da qualsiasi workstation.
La topologia di rete a bus lineare è quella in cui tutti i nodi della rete che sono collegati a un mezzo di trasmissione comune che ha esattamente due endpoints, tutti i dati trasmessi tra i nodi della rete vengono trasmessi su questo mezzo di trasmissione comune e possono essere ricevuti contemporaneamente da tutti i nodi della rete.
La topologia di rete a bus distribuito è quella in cui tutti i nodi della rete, i quali sono connessi a un mezzo di trasmissione comune con più di due endpoint, creati aggiungendo rami alla sezione principale del mezzo di trasmissione, caratterizzano la topologia del bus distribuito, il quale funziona esattamente allo stesso modo della topologia del bus lineare (cioè, tutti i nodi condividono un mezzo di trasmissione comune).
SVILUPPO DI INTERNET.
L’evoluzione della rete può essere distinta in tre fasi:
- La rete come applicazione militare: Arpanet (anni ’60 – ’70)
- La rete come applicazione scientifica: Internet (anni ’70 primi anni ’90)
- La rete come applicazione commerciale e per il grande pubblico: il Web (seconda metà anni ’90)
Legenda:
• : tipologie/topologie di rete utilizzate
La rete come applicazione militare: Arpanet (anni ’60 – ’70)
La ‘madre di Internet’, Arpanet, viene concepita dall’agenzia governativa ARPA (Advanced Research Project Agency) negli anni Sessanta, in pieno clima di guerra fredda, per rispondere al primato che i sovietici parvero aver conquistato nella gara spaziale. La missione dell’ARPA era di stimolare il progresso militare con progetti di valenza strategica e, tra questi, lo sviluppo dell'interconnessione tra computer che allora stava diventando tecnicamente fattibile.
Gli esperti militari cercavano in particolare una soluzione che permettesse di superare i limiti delle tecnologie di comunicazione dell’epoca in caso di attacco nemico. Tra le varie idee che emersero vi era quella di connettere tra loro i grandi computer (mainframe) per rendere la condivisione di dati e risorse di calcolo più efficace di quanto possibile nelle rigide connessioni mainframe terminale, basate sulla tecnica time sharing che allora iniziava a diffondersi.
Nonostante gli obiettivi militari la tecnologia che alla fine venne sviluppata era frutto di una pluralità di contributi della vasta comunità scientifica internazionale che lavorava all’interconnessione tra computer. Nell’idea di rete che emerse furono adottate tre soluzioni che risultarono in seguito determinanti nella concezione della Internet attuale: l’impiego di una struttura ridondante a maglia sostanzialmente priva di livelli gerarchici (consentendo la comunicazione anche in caso di spegnimento
o guasto di un nodo), l’adozione della tecnica a commutazione di pacchetto (compatibile con la struttura a maglia e più efficiente nella comunicazione tra computer), e l’idea di connettere in rete non direttamente i singoli mainframe, ma piuttosto unità di interfaccia tra host e rete (ciò che facilita la soluzione di problemi di interoperability tra sistemi diversi).
Sulla base di queste specifiche, ARPA indisse nel 1968 una gara d’appalto per la realizzazione del progetto pilota. La gara venne vinta dalla BBN Corporation, media azienda di Cambridge (Mass.).
La progettazione e l’implementazione avvennero nel corso del 1969, la prima connessione sperimentale il 25 Ottobre 1969. Proprio in quel periodo, per effetto indiretto della guerra del Vietnam, ARPA subì un consistente taglio dei finanziamenti e si trovò costretta a focalizzare la propria attività sui progetti già in corso. I responsabili di ARPANET premettero per aggiungere nuovi nodi alla rete e già nel Luglio 1970 si connessero altri quattro nodi.
I primi nodi furono per lo più Università o imprese, pur se coinvolte in progetti militari (tanto che nel 1972 ARPA, come per ridare un nuovo impulso alla sua funzione istituzionale originaria, cambiò il suo nome in DARPA, ossia Defense ARPA). Tra le prime decisioni della nuova DARPA vi fu il progetto di estendere la commutazione di pacchetto a reti wireless dato l’interesse militare di questa tecnologia.
La possibilità di usare i satelliti per estendere ARPANET ad aree sempre più vaste pose anche il problema di rivedere il progetto iniziale per facilitare la connessione di ulteriori host e delle relative sottoreti. L’obiettivo non era più tanto di realizzare una rete di computer affidabile, quanto di realizzare l’internetworking (tipologia WAN), cioè di collegare qualsiasi rete di computer esistente (il termine Internet verrebbe coniato proprio in questi anni da Kahn, ricercatore ARPA, come contrazione del termine INTERconnected NETworks; Di Nardo, Zocchi Del Trecco, 1999). Questo richiese la riprogettazione del protocollo fino a quel momento utilizzato, in modo da disporre di un sistema capace di instradare pacchetti di dati indipendentemente dalla sottorete di transito e senza la necessità di nodi di controllo centrale. In quello stesso periodo si iniziò a discutere delle prospettive di DARPA, che dopo aver dimostrato la fattibilità tecnica della comunicazione a pacchetto e aver messo a punto la relativa tecnologia anche per gli apparati militari, ebbe in sostanza esaurito la sua missione.
La rete come applicazione scientifica: Internet (anni ’70 primi anni ’90)
L’idea di un protocollo standard per connettere qualsiasi rete interessò moltissimo il mondo scientifico e accademico, sicché un ruolo centrale nello sviluppo di Internet venne assunto dalla National Science Foundation (NSF).
Dagli anni ‘70 fino ai primi anni ’90 del 1900, sulla spinta del crescente successo della tecnologia, vennero sperimentate nella comunità accademica sistemi di rete indipendenti da Arpanet. Nel 1976 nacque presso gli AT&T Bell Labs il protocollo UUCP (UnixtoUnix Copy Protocol), che costituisce il mattone delle reti per computer Unix, le prime delle quali furono implementate proprio da università.
Nel 1981, nel tentativo di armonizzare le diverse iniziative nascenti evitando la proliferazione di reti indipendenti, la NSF in collaborazione con il DARPA e l’Università del Wisconsin finanziò la creazione di CSRNET, una rete agganciata a Internet per i dipartimenti di Computer Science che ebbe un grande successo nel mondo accademico. Il fine di NSF era quello di supportare la creazione di reti agganciate ad Arpanet per diffondere la tecnologia al maggior
numero di ricercatori, lasciando poi che fossero le singole università a finanziare i sistemi una volta che l’uso si fosse diffuso a sufficienza. La tecnologia di rete assunse importanza crescente nella comunità scientifica, non solo per la dimostrata facilità di condivisione di risorse di calcolo, ma anche per lo sviluppo dei nuovi sistemi di comunicazione come la posta elettronica e i sistemi di conferencing , che offrirono agli scienziati l’opportunità di scambiare informazioni e opinioni in modo rapido, snello ed efficiente, e assolutamente nuovo rispetto agli strumenti esistenti.
Queste applicazioni ebbero un successo vastissimo e una diffusione rapida all’interno della comunità scientifica, tanto da diventare una forza trainante del successivo sviluppo di Internet. Durante gli anni ’70 e ’80 un numero crescente di reti di università e centri di ricerca si agganciò ad Arpanet, anche al di fuori degli Stati Uniti ; alla fine degli anni ’80 la rete contò già ben 300.000 nodi.
L’utilizzo sempre più diffuso da parte della comunità scientifica sostituì quasi del tutto le comunicazioni militari.
La stessa Arpanet venne definitivamente dismessa nel 1990 e sostituita anche nelle funzioni di dorsale primaria dalla NSFNet creata nel 1986. Il passaggio da Arpanet a NSFNet, con l’istituzione di nuove regole di accesso che prevedevano esplicitamente il traffico destinato a ricerca e didattica, decretò formalmente quel che era già avvenuto di fatto.
La rete come applicazione commerciale e per il grande pubblico: il Web (seconda metà anni ’90)
Anche se i privati avevano partecipato fin dall’inizio al progetto ARPANET come fornitori di tecnologia e subsistemi, l’utenza business iniziò ad assumere un ruolo attivo nello sviluppo e nell’utilizzazione di Internet solo molto tempo dopo. I maggiori utenti business disponevano infatti (come anche oggi) di sistemi proprietari chiusi ad esclusivo uso interno: solo dai primi anni ’90 comparvero le prime reti commerciali basate su protocollo Internet offerte da provider privati.
Negli stessi anni maturò negli USA in diversi ambienti la convinzione dell’utilità di una rete di comunicazione globale che permettesse all’utenza-business diffusa di sfruttare le potenzialità dell'interconnessione elettronica. I primi utenti furono soprattutto i grandi Dipartimenti di imprese di elettronica e informatica, alcune delle quali avevano connesso fin dagli inizi i propri nodi ad ARPANET.
Parallelamente alla crescita di interesse per le potenzialità della rete, crebbe rapidamente il numero di utilizzatori, coinvolgendo gruppi sempre più vasti di imprese anche fuori dalle ‘aree privilegiate’.
La diffusione venne facilitata dai continui progressi delle tecnologie di interconnessione, fuori e dentro l’ambiente Internet. Fuori da Internet le novità tecnologiche più importanti furono lo sviluppo delle reti locali (LAN), e l’avvento del Personal Computer ad opera di piccole società come Apple e Commodore
dalla fine degli anni ’70.
All’interno dell’ambiente Internet l’innovazione più importante fu la nascita del World Wide Web (WWW), concepito nel 1989 dal fisico del CERN BernersLee.
WWW permise di collegare efficacemente tutti i file residenti in rete tramite la cosiddetta ‘struttura ipertestuale’ , che facilitò l’accesso e la navigazione tra documenti di tipo e formato diversi (inizialmente solo testi e immagini, e successivamente anche audio e video). Il nuovo servizio superò ben presto l’ambiente originario di applicazione, dato che si configurò come un vero e proprio ambiente multimediale globale, facilmente accessibile e utilizzabile anche da non specialisti.
È su WWW che vennero progressivamente introdotti i servizi e le applicazioni che costituiscono oggi l’ossatura della nascente economia digitale.
