1 Reti di calcolatori: vantaggi Reti: una prospettiva storica Reti

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Viviana Patti Informatica di base - 3/12/03

Reti

Da leggere:

Cap.5

Sawyer, Williams (testo A)

Reti: una prospettiva storica

Once upon a time...tutti i calcolatori erano isolati l'uno dall'altro e potevano essere utilizzati solo da chi aveva accesso ad essi.

Oggi invece i calcolatori sono connessi a formare delle reti

i dati sono fruibili in modo più semplice, anche a distanza-> il loro valore informativo aumenta!

dall'interazione uomo-macchina si passa all'interazione uomo-calcolatore remoto

Reti di calcolatori: vantaggi

Condivisione di dispositivi periferici:

connettere una periferica costosa (scanner, stampante...) a una rete che serva più utenti.

Condivisione di programmi e dati: più utenti usano lo stesso software e devono accedere alle stesse informazioni

Comunicazione

...

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Sommario

Cos'è una rete:

nodo (host), arco (link), canali di comunicazione

Comunicazione nelle reti

scambio di messaggi e protocolli

Topologie di rete e tecnologie di trasmissione

reti lineari, ad anello a stella

commutate

Reti LAN e WAN

Trasmissione analogica e digitale

il modem

Reti di calcolatori

insieme di nodi (calcolatori, periferiche, risorse) collegati fra loro da una rete di comunicazione, in grado di comunicare gli uni con gli altri e di condividere applicazioni/dati

Rete di comunicazione: infrastruttura che rende possibile la comunicazione fra un insieme di dispositivi

Server PC

PC Terminale

Terminologia: componenti di una rete

Nodo:un nodo (host) è un qualsiasi dispositivo hardware del sistema in grado di comunicare con gli altri dispositivi che fanno parte della rete

Arco:i nodi sono collegati mediante archi (link) -> vari tipi di canali di comunicazione:dai semplici cavi telefonicia tecnologie di trasmissione più sofisticate come le fibre ottiche, a tecnologie di trasmissione wireless: collegamenti satellitari;

Il tipo di cavodetermina la capacità di trasmissione=

quantità di informazione che posso trasferire nell'unità di tempo

Si parla di banda della rete; unità di misura: bit al secondo: Kilobit (Kb), Megabit (Mb) per secondo

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Comunicazione nelle reti

Scopo fondamentale di una rete di computer:

consentire la comunicazione tra i nodi I nodi si scambiano dei dati sotto forma di messaggicodificati in forma digitale

Ogni messaggio è caratterizzato da un mittente (S = sender), un destinatario (R= receiver), un insieme di informazioni che

costituiscono il corpo del messaggio: tipo di servizio richiesto da S a R e insieme di dati

S R

Comunicazione nelle reti Affinché questa comunicazione possa avvenire in modo corretto occorre definire un

protocollo di comunicazione

Come nella vita reale si stabiliscono delle convenzioni per il comportamento tra gli individui, nel caso della comunicazione tra gli elaboratori un protocollo definisce

quell’insieme di regole che il nodo mittente e il nodo destinatario devono seguire per

interagire

tra loro

Comunicazione nelle reti

In generale, un protocollo di rete fornisce delle funzionalità per

gestione dell'indirizzamento(addressing) gestione dell'instradamento(routing) gestione di eventuali errori di trasmissione (error detection, error recovery, sequence control)

gestione della velocità di comunicazione (flow control)

vedremo un esempio di protocollo di rete quando parliamo di Internet

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Tipi di reti: Topologie

I nodi che formano una rete possono essere collegati tra loro in vari modi che determinano l’architettura o topologia della rete

La topologia della rete determina la modalità di trasmissione dei dati all’interno della rete

reti punto-punto: più connessioni individuali fra coppie di calcolatori

reti multi-punto: canale di trasmissione condiviso da tutti i calcolatori della rete commutate -> reti geografiche

Tipi di reti: Topologie

multi-punto

punto-punto

Cosa valutiamo?

costo: legato al numero e alla lunghezza delle trasmissioni; domanda chiave: "dati N nodi quanti collegamenti devo realizzare?"

velocità di trasmissione: il collegamento diretto è il più veloce, se non è diretto devo minimizzare il passaggio per nodi intermedi ->

calcolo del tempo di trasmissione sulla base del numero di archi attraversati

comunicazione equamente distribuita fra i vari nodi: no bottle neck!

affidabilità, tolleranza ai guasti -> ridondanza

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Reti punto-punto

Ciascuna coppia di nodi è direttamentecollegata modalità di trasmissione: point-to-point, uno a uno

Qual'è il numero dei collegamenti necessari dati N nodi?

N*(N-1)/2

costo alto: più alto è il numero di collegamenti da realizzare -> più alto è il costo

difficoltà realizzativa/pratica efficienza della comunicazione:

esiste un collegamento diretto (dedicato per ogni coppia di nodi)

affidabilità: esistono molti cammini alternativi per collegare ogni coppia di nodi

(ridondanza)

Reti punto-punto

Tipi di reti

Tutte le topologie attuali prevedono collegamenti in cui solo alcune coppie di nodisono effettivamente collegate tramite cavi

I nodi non fisicamente collegati fra loro, sono collegati mediante nodi intermedi (topologie punto- punto ad anello, a stella)

o attraverso canali condivisi (topologia lineare) -> reti multi-punto

(o broadcast)

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Reti ad anello

i nodi sono connessi punto a punto secondo una configurazione ad anello, e non sono tutti direttamente

collegati Numero di

collegamenti N > 2

= N

il segnale emesso da un nodo passa al nodo successivo; se non è indirizzato a quel nodo, viene ritrasmesso al nodo seguente, finché non raggiunge il destinatario

efficienza della comunicazione:

la velocità di comunicazione è inferiore rispetto alla rete lineare,

i messaggi devono attraversare dei nodi intermedi -> trasmissione in una sola direzione, nel caso medio attraverso metà dei nodi

affidabilità: scarsa, la rottura di un nodo causa un'interruzione delle comunicazioni nella rete

Reti ad anello

Reti a stella

i nodi sono tutti collegati mediante connessioni punto a punto a un nodo centrale detto host

Numero di collegamenti

= N-1

le comunicazioni tra due nodi non sono dirette ma passano attraverso il nodo hostche provvede a smistarle verso il nodo destinazione

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la velocità di comunicazione buona, i messaggi da nodo a nodo devono attraversare solo attraverso il nodo centrale

affidabilità: cruciale il funzionamento del nodo centrale: se si guasta ogni comunicazione diventa impossibile

Problema: il nodo centrale può diventare il collo di bottiglia della rete: tutto il traffico passa di lì

Reti a stella

Esempio di architettura con hub

Per risolvere il problema del traffico sul nodo centrale si usano dispositivi specializzati detti hub

Concentratore (hub): dispositivo di connessione che semplifica il collegamento fisicotra i nodi e instrada i segnali

Dorsale: cavo ad alta capacità di trasmissione dei dati

rete a stella

Reti lineari (a bus)

Tutti i nodi sono collegati allo stesso mezzo trasmissivo, la dorsale della rete -> RETI MULTI-PUNTO

modalità di trasmissione: broadcast, uno a molti I dati trasmessi da un calcolatore sono visibili a tutti gli altri

Problema principale: condivisione della linea

i messaggi inviati da un elaboratore vengono ricevuti da tutti ma solo l’elaboratore destinatario elaborerà il messaggio, gli altri elaboratori lo ignoreranno

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Comunicazione broadcast: una metafora

DEF di Broadcast:Modalità di trasmissione che prevede l'invio di un messaggio a tutti i computer collegati in rete

In generale si dice che in una rete la modalità di trasmissione è broadcast quando la rete ha queste caratteristiche:

canali di trasmissione condivisi da tutti i calcolatori della rete

a ogni calcolatore deve essere associato un identificatore univoco (indirizzo di rete); nome logico/indirizzo fisico

un messaggio inviato sulla rete raggiunge tutti calcolatori della rete ma soltanto il calcolatore il cui indirizzo corrisponde all'indirizzo indicato nel messaggio lo tratterrà per elaborarlo

Comunicazione broadcast: una metafora

Un’analogia con questo tipo di comunicazione è quella di una classe in cui docenti e studenti condividono lo stesso mezzo di comunicazione (l’aria). Diventa cruciale decidere chi deve parlare e quando, e gli esseri umani hanno stabilito una serie di regole (un protocollo) per usare questo "canale di comunicazione condiviso"

Si deve dare a ciascuno l’opportunità di parlare Non si deve parlare fino a quando non si è interrogati Non si deve monopolizzare la comunicazione Si deve alzare la mano quando si ha una domanda Non si deve interrompere chi sta parlando

Anche le reti di calcolatori hanno dei protocolli, detti multiple access protocol, con i quali i nodi regolano le loro trasmissioni sul canale di broadcast

costi: ho 1 solo arco, la dorsale della rete

facilità di realizzazione efficienza della comunicazione:

la comunicazione è veloce, un messaggio deve attraversare solo 1 arco, la dorsale

la dorsale può diventare il collo di bottiglia affidabilità: un nodo fuori uso rimane isolato -

> l'unico punto debole è la dorsale

Reti lineari

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LAN

Le topologie di reti che abbiamo visto hanno di solito un'elevata capacità di trasmissione (100-1000 Mbit/sec.)

ma

Ridotta scala geografica: (10m - 2-3 KM) Reti di questo tipo sono dette Reti Locali o LAN (Local Area Networks)

-> quando devo connettere computer a una distanza maggiore...

Reti commutate

poiché è impossibile collegare fisicamente tutte le macchine, si utilizza una infrastruttura condivisa

Rete composta da commutatori:

ognuno dei quali ha il compito

di smistare i dati

a un altro commutatore

etc.

meno veloci:

100Mbit/sec estensione enorme:

migliaia di Km

ne riparliamo nella lezione su Internet

Tipi di reti: scala

...criterio per classificare le reti legato alla loro

scala, che si determina in base alla dimensione

dei processori e alla loro distanza

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LAN - Local Area Network

Reti private per la condivisione di risorse all’interno di un edificio o in edifici vicini

elaboratori stampanti dati

Sono generalmente di dimensioni ridotte Si possono distinguere a seconda della topologia (punto-a-punto, ad anello, a stella, lineare)

LAN – Scheda di rete

Per collegare un computer ad una rete locale si usa una scheda di reteche permette di

instaurare una connessione fisica

consente al computer di inviare e ricevere messaggi tramite la rete: es.converte i dati da trasmettere nel formato opportuno, fa in modo che il protocollo di comunicazione sia rispettato

una caratteristica importante è la velocitàcon cui i dati vengono trasmessi

Gli elaboratori in una LAN possono avere ruoli diversi

Server: elaboratore che può essere condiviso dagli altri computer collegati in rete

server gestore dei dati (file server): gestisce la memorizzazione e la condivisione di dati server di stampa (printer server): gestisce le

stampanti disponibili in una rete locale

server di comunicazione: permette l’accesso ad altre reti locali o ad Internet

Client: elaboratore che usa delle risorse condivise, messe a disposizione dal server

Reti LAN Client/Server

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Reti LAN Client/Server

Esempio di architettura client/server

Pensate alla rete in laboratorio:

server -> area dati del docente

vostri PC -> il server si preoccupa di gestire la condivisione dei dati sull'area di memoria del docente ai vostri PC collegati in rete

LAN - Software di rete

In una LAN si vogliono condividere delle risorse Il sistema operativo (locale) non è in grado di gestire le risorseche non appartengono all’elaboratore e si introduce un nuovo livello nella “struttura a cipolla”: il sistema operativo di rete

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LAN - Software di rete

Supporta l'accesso di più utenti offrendo le funzionalità di riconoscimento tramite password

Gestisce l'accesso alle risorse condivise (es. stampante, o disco di memoria secondaria)

...

Windows NT/2000 (tecnologia su cui si basa anche XP, in laboratorio)

LAN - Ethernet

Ethernetè il tipo di rete locale più diffuso Sviluppata dalla Xerox negli anni ’70 (1976) Qualsiasi computer di qualsiasi tipo prevede la possibilità di usare una scheda Ethernet per connettersi alla rete locale

Usa prevalentemente la topologia lineare e una modalità di trasmissione broadcast

Velocità di trasmissione: 10, 100, 1000 Mb/sec.

LAN - Modalità di accesso al canale condiviso: CSMA/CD

Non è previsto nessun controllo centralizzato (vigile):

tutti i computer sono collegati e potenzialmente possono trasmettere e ogni nodo si preoccupa di trasmettere il messaggio cercando di evitare le collisioni

Schema di funzionamento

Quando un computer vuole trasmettere un'informazione...

prima verificache il canale sia libero, poi invia il messaggio in broadcast

Se si accorge che un altro computer sta trasmettendo, aspetta

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LAN - Modalità di accesso CSMA/CD

Se si verifica un conflitto(due o più computer hanno inviato i loro messaggi contemporaneamente) i computer coinvolti si fermano, aspettano per un tempo T casuale, e poi riprovano la trasmissione

-> CSMA/CDCarrier Sense Multiple Access / Collision Detection

LAN aperte - interconnessione

Oggi raramente una LAN è chiusa, non connessa ad altre reti -> es. Internet

Esistono dei dispositivi appositi che fanno da interfaccia e creano queste connessioni

Bridge: interfaccia di comunicazione per reti dello stesso tipo (es. 2 Ethernet)

Gateway: interfaccia per reti con ambienti applicativi diversi (es. 2 LAN basate su sistemi op. diversi) Router: computer che dirige lo scambio di

comunicazione fra più reti (es. connessione fra una LAN e Internet); in particolare instradano i pacchetti di dati da una rete all'altra

LAN aperte - interconnessione

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WAN - Wide Area Network

Una rete WAN copre una grande area geografica -> esempio, la rete GARR collega tutte le Università

italiane

Nella maggior parte delle reti WAN la sottorete di comunicazione è formata da

linee di trasmissione(che spostano i dati fra i vari nodi)

elementi di commutazione, ossia calcolatori specializzati usati per collegare due o più linee di trasmissione

Reti Internet Private

Intranet: rete privata interna di un'azienda;

condivisione di informazioni utili per condurre il proprio lavoro: informazioni sui prodotti, indirizzi, numeri di telefono

Firewall:i dati riservati di un'azienda devono essere mantenuti privati -> firewall: tutti i pacchetti di dati che arrivano da Internet nella Intranet passano attraverso una determinata porta che identifica gli utenti autorizzati, controlla la presenza di virus etc.

Trasmissione: analogico e digitale

Nelle reti locali, la comunicazione tra due

computer passa di 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

variazione del livello di tensione fra due valori,

che corrisponde alla trasmissione di bit di

valore 0 oppure 1

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Per le comunicazioni su lunga distanza, si cerca di sfruttare le reti di comunicazione

esistenti, come ad esempio la rete telefonica

La rete telefonica è adatta a comunicare la voce, cioè un segnale analogico che varia in maniera continua in una banda di frequenze Sono necessari dei dispositivi per poter usare la rete telefonica come mezzo di

comunicazione tra computer

Trasmissione: analogico e digitale

Analogico e digitale

In generale l'informazione trasmessa in una rete può essere portata da un segnale analogico o digitale Digitale

Rappresentazione dell'informazione tipica dei computer: 2 cifre 0 1 rappresentati da due impulsi elettrici “acceso” e “spento”

Un mezzo di trasmissione per dati digitali trasmette i segnali elettrici corrispondenti ai due valori in modo discontinuo -> il segnale è costituito da una serie di impulsi discreti

Analogico e digitale

Analogico

i dati analogici sono rappresentati come variazioni continue della potenza e/o della quantità

vengono trasmessi come segnali elettrici sotto forma di onda continua

Mezzi di trasmissione analogici: telefono, radio, televisione e TV via cavo

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Funzione del modem

Converte i segnali da analogici a digitali e viceversa

Modem significa modulatore -

demodulatore; il

nome stesso suggerisce le due funzioni di questo dispositivo hardware:

Modula

i segnali digitali trasformandoli in segnali analogici

Demodula

i segnali analogici riconvertendoli in segnali digitali

Funzione del modem

Il modem

Se si deve trasmettere un bit che vale 1 allora il modem fischia una certa nota lungo la linea telefonica altrimenti se deve trasmettere uno 0 fischia una nota differente

Chiaramente, il ricevitore deve avere un modem che esegue il lavoro opposto:

se sente un fischio con una la nota

associata al bit uguale a 0 allora trasmette

al computer un bit 0 altrimenti nell’altro

caso trasmette un 1

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Il modem: caratteristiche

I modem attuali hanno velocità di trasmissionedi 14.400, 28.800, 38.400, 56.600 bit/sec. Ossia una velocità massima di

non più di 56 Kbit/sec

Se due computer comunicano tramite un modem, la velocità di comunicazione è sempre quella del modem più lento

Il modem è usato soprattutto per le comunicazioni private (ad esempio un utente che si collega ad Internet tramite il suo Internet Provider)