Introduzione alle reti - DISI · Kurose, Ross, Internet e reti di calcolatori 20 Reti domestiche:...

Introduction Kurose, Ross, Internet e reti di calcolatori

1

Introduzione alle retiSommario:! cosa e’ Internet! cosa e’ un protocollo ! estremita’ della rete ! nucleo della rete! rete di accesso, mezzi fisici! performance: perdita, ritardo! livelli dei protocolli, modelli di

servizio! backbones, NAPs, ISPs! storia


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Internet: visione fisica! milioni di dispositivi di calcolo :

hosts, end-systems (terminali)! pc’s workstations, servers! PDA’s phones, toasterssu cui girano applicazioni di rete

! communication links (collegamenti)! fibra di vetro, rame, radio,

satellite! routers: spediscono pacchetti

(chunks) di dati attraverso la rete

local ISP

companynetwork

regional ISP

router workstationserver

mobile


3

Internet: visione fisica!protocolli: regole per

controllare lo scmabio di messaggi:! e.g., TCP, IP, HTTP, FTP, PPP

!Internet: “rete di reti”! debolmente gerarchica! Internet pubblica versus

intranet privata!Internet standards

! RFC: Request for comments! IETF: Internet Engineering

Task Force

local ISP

companynetwork

regional ISP

router workstationserver

mobile


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Internet: visione orientata ai servizi! Infrastruttura di

communicazione permette applicazioni distribuite:! WWW, email, giochi, e-

commerce, database, voto elettronico,

! more?! Servizi di comunicazione

forniti:! senza connessione! orientati alla connessione

! cyberspace [Gibson]:“a consensual hallucination experienced

daily by billions of operators, in every nation, ...."


5

Cosa e’ un protocollo?Protocolli umani:! “che ora e’?”! “I have a question”! introduzioni

… specifici msg spediti… specificche azioni

intraprese quando i msg sono ricevuti

Protocolli di rete:! macchine (invece che

umani)! tutta l’attivita’ di

communicazione in Internet regolata da protocolli

I protocolli definiscono il formato e l’ordine dei msg spediti fra entita’ di rete, e le azioni da fare alla trasmissione o al

ricevimento di msg


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Cosa e’ un protocollo?Un protocollo umano ed un protocollo di rete:

Q: Altri protocolli umani ?

Ciao

Che ora e’ ?

2:00

TCP connection req.TCP connectionreply.Get http://gaia.cs.umass.edu/index.htm

<file>time

Ciao


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La struttura della rete!Estremita’ della rete:

applicazioni e host!nucleo della rete:

! routers! rete di reti

! rete di accesso e mezzi fisici: communication links (collegamenti)


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Le estremita’ della rete:!end systems (hosts,

terminali):! ci ``girano’’ i programmi

applicativi! e.g., WWW, email! at “edge of network”

!modello client/server ! il client richiede e riceve servizi

dal server! e.g., WWW client (browser)/

server; email client/server!peer-peer model:

! interazioni simmetrica fra host ``pari’’

! e.g.: teleconferenza


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Servizio orientato alla connessioneScopo: trasferimento di dati

fra end-systems (terminali).

! handshaking: fase di preparazione prima del trasferimento dei dati:! Ciao -- Ciao! (protocollo umano)! prepara lo ``stato’’ in due

terminali che devono comunicare

! TCP - Transmission Control Protocol ! e’ il servizio orientato alla

connessione di Internet

Servizio fornito daTCP [RFC 793]

! traserimento di byte-stream affidabile e ordinato! perdita: segnali di ack

(riscontro) e ritrasmissione! controllo del flusso:

! il sender non sovraccarica il receiver

! controllo congestione: ! sender rallenta la velocita’ di

invio se la rete e’ congestionata


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Servizio senza connessione

Scopo: trasferimento di dati fra terminali (come prima)

! UDP - User Datagram Protocol [RFC 768]: e’ il servizio senza connessione di Internet! trasferimento dati

inaffidabile! no controllo flusso! no controllo congestione

Applicazioni che usano TCP:

!HTTP (WWW), FTP (file transfer), Telnet (remote login), SMTP (email)

Applicazioni che usanoUDP:

!app. multimediali, teleconferenze, telefonia via Internet ..


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Il nucleo della rete! mesh (maglia) di routers

interconessi! domanda di base: come sono

trasferiti idati attraverso la rete ?! Commutazione di circuito:

un circuito dedicato per chiamata (rete telefonica)

! commutazione di pacchetto: dati spediti attraverso la rete in pacchetti discreti


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Commutazione di circuitoRisorse riservate per

ogni ‘’chiamata’’! capacita’ del circuito = 1/n

banda del link! risorse mantenute per

tutto il collegamento (nessuna condivisione)

! performance (garantita) simile ad un circuito fisico

! richiesta fase di inizializzazione della chiamata (call-setup)


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Commutazione di pacchettoend-end data stream diviso a

pachetti! pacchetti di utenti diversi

condividono le risorse! ogni pacchetto usa tutta la

banda del link! risorse usate in base al bisogno

Competizione per risorse: ! la domanda totale puo’

eccedere la disponibilita’! congestione: pacchetti si

accodano aspettando di usare il link

! store and forward: packets si muovono un passo alla volta:! trasmetti sul link! aspetta il turno al

prossimo linkDivisione della banda in

partiallocazione dedicataprenotazione risorse


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Commutazione di pacchetto

Commutazione di pacchetto -- commutazione di circuito: analogia con il ristorante

!altre ?

A

B

C10 MbsEthernet

1.5 Mbs

45 Mbs

D E

statistical multiplexing

Coda di pacchettiin attesa per il link

di output


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Commutazione di pacchetto*Comportamento

store and forward (memorizza e trasmetti)

Perche’ non commutazione di messaggio ?


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Commutazione di pacchetto vs. commutazione di circuito*

! 1 Mbit link! ogni utente:

! 100Kbps se “attivo”! attivo 10% del tempo

! circuit-switching: ! 10 utenti

! packet switching: ! con 35 utenti, probabilita’ >

10 attivi ! minore di .0004

Commutazione di pacchetto permette l’utilizzo della rete a piu’ utenti

N users1 Mbps link


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Commutazione di pacchetto vs. commutazione di circuito*

!Ottima per dati ``a ondate’’!condivisione di risorse!no call setup

!Eccessiva congestione: ritardo e perdita di pacchetti!protocolli necessari per trasferimenti affidabili,

controllo della congestione!Come procurare un comportamento tipo circuito ?

!Garanzia di banda necessaria per applicazioni audio/video

(problema ancora aperto)

Commutazione pacchetto


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Reti a commutazione di pacchetto: routing!Goal: spostarei pacchetti attraverso i routers dalla

sorgente a destinazione

! rete datagram: ! l’indirizzo di destinazione determina il prossimo salto! il cammino puo’ cambiare durante la sessione ! analogia: guidare e chiedere indicazioni


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Reti di accesso e mezzi fisiciQ: Come connettere gli end

sytems al router ?! Reti di accesso domestiche! reti di accesso istituzionali

(scuola, azienda)! reti mobili

Nota: ! banda (bits per secondo)

della rete di accesso ?! Condivisa o dedicata?


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Reti domestiche: accesso punto a punto! Collegamento tramite modem

! fino a 56Kbps per l’accesso diretto al router (in principio)

! ISDN: intergrated services digital network: 128Kbps connessione interamente digitale al router

! ADSL: asymmetric digital subscriber line! fino a 1 Mbps home-to-router! fino a 8 Mbps router-to-home


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Reti domestiche: accesso condiviso(modem per cavi coassiali)! HFC: hybrid fiber coax

! asimmetric: fino a 10Mbps upstream, 1 Mbps downstream

! reti di cavi e fibra ottica collegano le case al router! trasmissione per broadcast! accesso condiviso al router

(anche con la televisione)! congestione (dimensionamento)

! disponibile mediante le compagnie che forniscono servizi via cavo


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Reti istituzionali: LAN

! La local area network (LAN) di una istituzione collega end-systems ad un edge router

! Ethernet: ! cavo condiviso o dedicato

connette end system e router

! 10 Mbs, 100Mbps, Gigabit Ethernet

! diffusa presso istituzioni, comunque esistono anche LAN domestiche


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Reti wireless

!Rete di acesso wireless condivisa connette end system al router

!wireless LANs:! radio invece del cavo! e.g., Lucent Wavelan 10

Mbps!accesso senza fili per

reti wide-area! CDPD: accesso wireless al

router dell’ ISP router via rete cellulare

basestation

mobilehosts

router


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Mezzi fisici

!Link fisico: i bit trasmessi si propagano attraverso il mezzo trasmissivo

!mezzi guidati: ! i segnali si propagano

attraverso mezzi solidi: rame, fibra

!mezzi non guidati:! i segnali si preparano

liberamente (radio)

Doppino (TP)!due fili di rame isolati

! Categoria 3: fili telefonici tradizionali, 10 Mbps ethernet

! Categoria : 100Mbps ethernet


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Mezzi fisici: cavo coassiale, fibra ottica

Cavo coassiale:!cavo (segnale) dentro un

altro cavo (shield)! banda base: canale

singolo sul cavo! banda larga: canali

multipli sul cavo!bidirezionale!use comune in 10Mbs

Ethernet

Cavo in fibra ottica:!fibra di vetro che

trasmette impulsi luminosi

!alta velocita’:! 100Mbps Ethernet! punto a punto veloce

(e.g., 5 Gps)!pochi errori


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Mezzi fisici: radio

!Segnale nello spettro elettromagnetico

!nessuno cavo!bidirezionale!effetti ambientali sulla

propagazione:! riflessi! ostacoli! interferenza

Tipi di collegamenti radio:! microwave

! canali fino a 45 Mbps channels

! LAN (e.g., waveLAN)! 2Mbps, 11Mbps

! wide-area (e.g., cellular)! e.g. CDPD, 10’s Kbps

! satellite! fino a 50Mbps channel

(ocanali multipli inferiori)! 270 Msec ritardo end-end! geosincroni o orbita fissa


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Ritardo nella reti a commutazione di pacchetto*

I pacchetti accumulano un ritado nel cammino end-to-end

!quattro sorgenti ritardo ad ogni salto

!Eleborazione del nodo: ! controllo bit di errore! determina l’ output link! Ordine microsecondi

!accodamento! tempo in attesa di un link

per la trasmissione! dipende dal livello di

congestione del router! Millisecondi-microsec.

A

B

propagation

transmission

nodalprocessing queueing


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Ritardo nella reti a commutazione di pacchetto *Ritardo di trasmissione:!R=banda del link (bps)!L=lunghezza pacchetto

(bits)! tempo per spedire bits

nel link = L/R

Ritardo di propagazione:!d = lunghezza fisica del

link! s = vel. di propagazione

(~2x108 m/sec)! ritardo di propagazione =

d/s

A

B

propagation

transmission

nodalprocessing queueing

Nota: s microsec. R millisec. Reti regionali


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Ritardo di accodamento*

!R=banda del link (bps)!L=lunghezza pacchetto

(bits)!a=velocita media di

arrivo dei pacchetti

Intensita’ del traffico =La/R

!La/R ~ 0: ritardo accodamento medio piccolo !La/R -> 1: ritardo grande!La/R > = 1: ritardo infinito (arrivano piu’

pacchetti di quanti possano essere serviti) !


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Protocolli organizzati a livelliLe resti sono complessemolti ``ingredienti’’

hostsrouterslinks di vari tipiapplicazioniprotocollihardware, software

Domanda: Come organizzare la struttura della rete ?

(O almeno la presentazione delle reti)


31

Organizzazione di una viaggio aereo

!Una serie di passi

biglietto (acquisto)

bagaglio (check)

gates (imbarco)

pista (decollo)

aero (rotta)

biglietto (reclamo)

bagaglio (recupero)

gates (sbarco)

pista (atterraggio)

aereo (rotta)

aero (routing)


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Organizzazione di un viaggio aereo: una vista diversa

Livelli: ogni livello implementa un servizio! attraverso le proprie azioni interne (al livello)! usando servizi offerti dai livelli sottostanti


bagaglio (check)

gates (imbarco)

pista (decollo)

aero (rotta)

biglietto (reclamo)

bagaglio (recupero)

gates (sbarco)

pista (atterraggio)

aereo (rotta)

Aereo routing


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Viaggio aereo a livelli: servizi

Sportello-Sportello: consegna persone+bagagli

cons.bagaglio-rec. bagaglio: consegna bagagli

gate partenza- gate arrivo: trasfer. persone:

pista-a-pista: consegna dell’aereo

aero routing dall’origine alla destinazione


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Implementazione distribuita delle funzionalita’ dei livelli


bagaglio (check)

gates (imbarco)

pista (decollo)

aero (rotta)

biglietto (reclamo)

bagaglio (recupero)

gates (sbarco)

pista (atterraggio)

aereo (rotta)

Rotta aereo

Aer

opor

to P

art.

Aer

opor

to a

rri.

Luoghi intermerdi del traffico aereoRotta aereo Rotta aereo


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Perche’ i livelliTrattamento sistemi complessi:! la struttura esplicita permette l’identificazione e

la relazione di parti di sistemi complessi!reference model a livelli per la discussione !la modularizzazione facilita il mantenimento, e

l’updating del sistema!cambiamenti nella implementazione dei servizi di

un livello sono trasparenti al resto del !per esempio, un cambio nelle procedure del gate

non modifica il resto del sistem. ! livelli considerati pericolosi ?


36

Pila dei protocolli di Internet! applicazione: supporta le applicazioni di rete

! ftp, smtp, http! trasporto: trasferimento dati host-host

! tcp, udp! rete: routing dei datagrams dal sorgente alla

destinazione ! ip, protocolli di routingh

! link: trasferimento dati fra elementi della rete vicini ! ppp, ethernet

! fisico: bits “sul cavo”

Applicazione

trasporto

rete

link

fisico


37

Livelli: comunicazione logica

applicazionetrasporto

retelink

fisico


retelink

fisicoapplicazionetrasporto

retelink

fisico


retelink

fisico

retelink

fisico

Ogni livello:!distribuito! “entita’ ”

implementano le funzioni del livello ad ogni nodo

!entita’ eseguono azioni, scambiano messaggi con pari


38

Livelli:comunicazione logica


retelink

fisico


retelink


retelink

fisico


retelink

fisico

retelink

fisico

dati

datiE.g.: trasporto! prende dati da app! aggiunge

indirizzamento, controlli per affidabilita’, informazioni per formare “segmenti”

! spedisce segmenti ad un ``pari’’

! aspetta la ricevuta (ack)

! analogia: ufficio postale

dati

trasporto

trasporto

ack


39

Livelli: comunicazione fisica


retelink

fisico


retelink


retelink

fisico


retelink

fisico

retelink

fisico

data

data


40

Livelli dei protocolli e dati

Ogni livello prende i dati da sopra!aggiunge intestazioni per formare nuove data unit!passa le nuove data unit al livello sottostante


retelink

fisico


retelink

fisico

sorgente destinazioneMMMM

HtHtHnHtHnHl

MMMM

HtHtHnHtHnHl

messaggiosegmentodatagramframe


41

Struttura di Internet: rete di reti! Piu’ o meno gerarchica! nazionali/internazonali backbone

providers (NBP)! e.g. BBN/GTE, Sprint, AT&T, IBM,

UUNet! si connettono (come pari)

privatamente oppure usando Network Access Point (NAP) pubblici

! ISP regionali! si connettono agli NBP

! ISP locali, azienda! si connettono agli ISP regionali NBP A

NBP B

NAP NAP

ISP regionale

ISP regionale

ISP locale

ISP locale


42

National Backbone Providere.g. BBN/GTE US backbone network


43

Storia di Internet

! 1961: Kleinrock - la teoria della coda mostra la fattibilita’ della commutazione di pacchetto

! 1964: Baran commutazione di pacchetto in reti militari

! 1967: ARPAnet concepita Advanced Reearch Projects Agency

! 1969: primo nodo ARPAnet operativo

! 1972: ! ARPAnet mostrata in

pubblico! NCP (Network Control

Protocol) primo protocollo

! primo proramma per e-mail

! ARPAnet ha 15 nodi

1961-1972: primi principi della commutazione di pacchetto


44

Storia di Internet

! 1970: ALOHAnet rete satellitare alle Hawaii

! 1973: Tesi PhD di Metcalfe propone Ethernet

! 1974: Cerf and Kahn - architetture per connettere reti

! fine anni 70: architetture proprietarie: DECnet, SNA, XNA

! fine anni 70 : commutazione di pacchetti a lunghezza fissa (precursore ATM)

! 1979: ARPAnet ha 200 nodi

I principi di interconnessione di Cerf and Kahn’s:! minimalismo, autonomia -

nessun cambiamento interno richiesto per connettere reti fra loro

! modello di servzio ``best effort’’ (miglior sforzo)

! routers senza stato! controllo decentralizzato

definiscono l’architettura di Internet di oggi!

1972-1980: Internetworking, reti nuove e proprietarie


45

Storia di Internet

! 1983: sviluppo di TCP/IP! 1982: definizione protocollo

smtp e-mail! 1983: definito DNS per

traduzione nome-indirizzo IP ! 1985: definizione protocollo

ftp ! 1988: controllo congestione

TCP

!Nuove reti nazionali: Csnet, BITnet, NSFnet, Minitel

! 100,000 host connessi a confederazioni di reti

1980-1990: nuovi protocolli, proliferazione di reti


46

Internet History

! Primi anni 90: ARPAnet chiusa! 1991: NSF impone restrizione

dull’uso commrciale di NSFnet (chiusa 1995)

! Primi anni 90: WWW! ipertesto [Bush 1945, Nelson

1960’s]! HTML, http: Berners-Lee! 1994: Mosaic, dopo Netscape! fine anni 90:

commercializazione del WWW

Fine anni 90:! stimati 50 milioni di

computer su Internet! stimati + di 100 millioni

di utenti! link di backbone a 1

Gbps

Anni 90: commercializazione, il WWW

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