Enrichetta Paoletti
1 Che cosa serve per collegare emettereincomunicazioni diversi esecutori automatici Le reti di calcolatori Una rete di calcolatori è un sistema o un particolare tipo di rete di telecomunicazioni che permette lo scambio o condivisione di dati informativi e risorse (sia hardware sia software) tra diversi calcolatori. Il sistema fornisce un servizio di trasferimento di informazioni, attraverso comuni funzionalità di trasmissione e ricezione, ad una popolazione di utenti distribuiti su un area più o meno ampiaedoffrela possibilità anche di usufruire di calcolo distribuito attraverso il sistema distribuito in cui la rete, o parte di essa, può configurarsi. L esempio più classicodiretedi calcolatori è la rete Internet. Funzione e struttura di una rete di calcolatori scambio di informazioni condivisione delle risorse Le reti di calcolatori vengono implementate per diversi scopi. Una di queste è la possibilità di scambiare dati tra diversi calcolatori. Se icalcolatorinonsonoin qualche modo collegati risulterà impossibile condividere dati con gli altri utenti a meno di non ricorrere a qualche altro tipo di supporto che possa essere spostato da un elaboratore all altro (CD, memoria flash). Le reti permettono anche di condividere risorse, quali potenza di elaborazione, memoria, unità di memorizzazione e periferiche. Ad esempio: consideriamoilcaso di un ufficio con una dozzina di dipendenti che utilizzano il pc per redigere relazioni tecniche. Piuttosto che installare una stampante per ognuno deipcdell azienda, èsicuramentepreferibileacquistareunpaiodistampantiper l intero ufficio, più costose ma veloci e di alta qualità, e configurarle in modo che tutti possano utilizzarle per stampare i propri documenti. In questo modo l amministratore riesce a ottimizzare i costi di acquisto e di gestione dell hardware econtemporaneamentegli utenti hanno la possibilità di produrre stampati di qualità superiore. Esse consentono anche una gestione centralizzata delle risorse. Dati, applica- zioni e periferiche possono essere gestiti in maniera centralizzata semplificando le operazioni di amministrazione e utilizzando le performance dell interosistema. Inoltre le reti permettono di aumentare la sicurezza dell interosistema. In questo modo le informazioni confidenziali e i dati riservati possono venirememorizzatisu di un server protetto a cui gli utenti possono avere accesso con permessi più o meno limitati a seconda del ruolo rivestito dall utente stesso in azienda. Risulta evidente che l implementazione di una rete di calcolatori presenta un gran numero di vantaggi che permottono da un lato di ottimizzare in termini di costi e di semplicità di gestione delle risorse, e dall altrounincrementodell efficienza produttiva determinato dall elevata velocità con cui gli utenti possono attingere alle informazioni necessarie per lo svolgimento della propria attività lavorativa. Ne consegue che se da un lato lo sviluppo delle reti di calcolatori fornisce un mezzo sempre più potente per aumentare la competitività e la produttività delle gestione centralizzata sicurezza 46
2 Le reti di calcolatori 47 aziende, dall altra genera una domanda sempre crescente di personale tecnico qualificato in grado di progettare, implementare e amministrare leretidicalcolatori. Nonché di fornire il supporto tecnico per una realtà che è in continua evoluzione come quella del networking. Classificazione in base alla dimensione L importanza del computer risulta evidente soprattutto nel mondodegliaffari quando ci si rende conto che per aumentare la potenzialità delle aziende diventa indispensabile disporre di strumenti che agevolino la condivisione delle informazioni. In un primo periodo lo scambio di dati fra gli utenti avviene o stampando il documento utilizzando floppy disk o consentendo a più utenti di accedere allo stesso calcolatore. Poiché le soluzioni non si dimostrano efficienti si rende necessario un approccio diverso al problema: nascono le LAN. Le prime LAN (Local Area Network) si sviluppano negli anni 70, ma si diffondono su larga scala solo nell intervallo temporale acavallotraglianni 80e 90.LeLANsonocostituitedagruppi di calcolatori distribuiti su un area limitata, collegati tra loro mediante cavi e schede di rete. Grazie all introduzione delle LAN, i calcolatori sono in grado non solo di comunicare, ma anche di condividere risorse come spazio di memoria o stampanti. In maniera graduale, le reti utilizzate dalle aziende per condividere e scambiare informazioni cominciano ad espandersi arrivando a coprire aree di dimensioni sempre maggiori con calcolatori distribuiti tra vari uffici in filiali distanti centinaia ci chilometri. La Metropolitan Area Network (MAN) (spesso detta in italiano reteinarea metropolitana o più semplicemente rete metropolitana) è una tipologiadiretedi telecomunicazioni con un estensione limitata a perimetro metropolitano. Si tratta di una rete di trasporto storicamente nata per fornire servizi di tv via cavo alle città dove c era una cattiva ricezione terrestre. In pratica un antennapostasuuna posizione favorevole, distribuiva poi il segnale alle case mediante cavo. Prima la cosa èavvenutaalivellolocale,successivamentesisonocreategrosse aziende che hanno richiesto di cablare intere città, soprattutto negli Stati Uniti. Quando il fenomeno Internet è esploso, queste società hanno ben pensato di diffondere la comunicazione via Internet anche attraverso il cavo TV utilizzando la struttura preesistente. Grazie allo sviluppo delle tecnologie informatiche pian piano risulta possibile realizzare reti di calcolatori che si estendono su aree di grandi dimensioni: le cosiddette WAN. Attraverso le WAN, costituite da più MAN collegate traloroinvario modo, le aziende riescono a condividere informazioni con i propri collaboratori a livello globale e scambiare dati in tempo reale tra filiali che sitrovanodauncapo all altro del pianeta. Con il passare del tempo le tecnologie WAN si sono sempre più evolute e consolidate permettendo la creazione di reti a livello globale. Nelmondomodernocon il termine Internet Work ci si riferisce solitamente ad una WAN costituita da un insieme di LAN fisicamente distinte collegate fra loro in vario modo. LAN MAN WAN
3 48 Le reti di calcolatori Classificazione in base all organizzazione reti centralizzate In base alla loro architettura le reti si dividono in reti centralizzate e reti Peerto-Peer e reti client server. Le reti centralizzate sono costituite da uno o più unità centrali chiamate main- frame e da una serie di terminali collegati direttamente al computer principale. L elaborazione dei dati avviene totalmente (o quasi) all interno dell unità centrale. Inoltre le reti centralizzate utilizzano tipicamente hardware dedicato e piuttosto costoso e non sono molto flessibili e scalabili. Le reti Peer-to-Peer sono costituite da un gruppo ridotto di calcolatori (tipica- mente non più di 10) generalmente non molto potenti che devono condivideredati eperiferiche. Inunaretediquestotipononc èunelaboratore centrale che funge da riferimento per gli altri ma tutti i calcolatori sono sullo stessopianoedoperano sia come client che come server. Dal punto di vista amministrativo non esiste una figura amministrativa centralizzata che gestisca gli utenti, le password e le impostazioni di sicurezza dell intera rete ma ogni calcolatore ha un amministratore locale che decide quali sono le risorse da mettere a disposizione degli altri e con quali permessi. IvantaggidellaretePeer-to-Peersonocollegatiessenzialmente alla riduzione dei costi di installazione: non si ha la necessità di acquistare un sistema operativo di tipo server per la gestione della rete ma si può lavorare con sistemioperativinon particolarmente costosi come ad esempio Windows 98 o Windows 2000Professional. Inoltre la gestione di un sistema operativo di tipo server risulta sicuramente più complessa e richiede quasi sempre competenze specifiche epersonaletecnico appositamente preparato. Gli svantaggi sono legati al fatto che il sistema Peer-to-Peer non è adatto per reti di grandi dimensioni. Le reti client server sono costituite da una o più macchine server che fungono da punto di riferimento per gli altri calcolatori della rete: iclient. Un server è un computer che mette a disposizione le proprie risorse (memoria, potenza di elaborazione,periferiche) a disposizione per gli altri Pc della rete. I client sono computer dotati di memoria e capacità elaborativi locale che utilizzano le risorse che i server mettono a loro disposizione. Dal punto di vista amministrativo, le reti client server, tipicamente basano il oro funzionamento sul concetto di dominio. Un dominio è un insieme di calcolatori che viene amministrato inmaniera centralizzata in cuoi un utente superpartes ha il controllo completo sull intera rete. Questo utente, detto amministratore del dominio, è in grado di creare account per gli altri utenti, gestirne le password, configurarne l ambiente di lavoro, distribuire software ed impostare permessi. Di solito l architettura client server rappresenta la soluzione migliore quando il numero di Pc che devono essere collegati in rete è elevato. Ivantaggidiquestotipodimodelloconsistononellascalabilità del sistema, nella possibilità di gestire le impostazione di sicurezza in manieracentralizzatae nella possibilità di ottimizzare l utilizzo delle risorse con conseguente incremento delle prestazioni generali della rete. Lo svantaggio principale deriva dal fatto che reti peer-to-peer reti client server dominio
4 Le reti di calcolatori 49 l implementazione e l amministrazione del sistema richiedono maggiori competenze tecniche e personale specializzato. Inoltre la gestione di un server di questo tipo richiede necessariamente l implementazione di un sistema operativo di tipo server. Classificazione in base alla topologia Per quanto riguarda la comunicazione tra i diversi calcolatori presenti all interno della rete, queste si dividono in reti a bus, reti a stella, reti ad anello e reti miste. La topologia a bus, detta anche topologia lineare, rappresenta la struttura più semplice da implementare. È costituita da un singolo cavo cui sonocollegatida tutti i Pc che costituiscono i nodi della rete. Quando un calcolatore deve inviare dati a un altro computer trasmette le informazioni sul cavo servendosi della propria scheda di rete. Leinformazioniviag- giano sul supporto fisico fino a raggiungere tutti i computer della rete ma solo il destinatario o i destinatari del messaggio processano e leggono i messaggi inviati. La trasmissione dei dati in una struttura di questo tipo è limitata a un solo Pc alla volta mentre tutti gli altri restano semplicemente in ascolto. Quandopiù calcolatori inviano dati contemporaneamente sul supporto fisico si generano conflitti che vengono risolti in modo diverso a seconda della modalità con cui viene gestito l accesso alla rete. In una rete di questo tipo i dati viaggiano sul supporto fisico in entrambe le direzioni fino a raggiungere l estremità del cavo dove vengono posizionati degli oggetti chiamati terminatori. Iterminatoriassorbonoilsegnaleinarrivoeneimpedisconolariflessioneche impedirebbe l utilizzo del supporto da parte degli altri calcolatori in quanto il cavo risulterebbe impegnato proprio dal segnale riflesso. Lo svantaggio principale di questo tipo di struttura deriva dal fatto che se il cavo viene danneggiato o interrotto in un punto qualsiasi, nel punto di interruzione viene generata una riflessione che spesso impedisce l utilizzo del mezzoperlatrasmissione dei dati mettendo di fatto fuori uso l intera rete. In una rete a Stella i calcolatori sono tutti collegati ad un componente centrale chiamato HUB. Quando un calcolatore deve inviare un messaggio sulla rete, il messaggio giunge all HUB centrale e quindi tutti gli altri Pc direttamente collegati. Il principale vantaggio della tipologia a stella consiste nel fatto che quando si interrompe il collegamento tra uno dei Pc e l HUB centrale, solo il Pc in questione non riesce più a inviare e ricevere dati, tutti gli altri continuano a lavorare senza problemi. In una rete che utilizza la topologia ad anello tutti i Pc sono collegati tramite un unico cavo che rappresenta un anello logico. Il segnale viaggia attraverso l anello in una sola direzione attraverso i computer che costituiscono i nodi della rete fino araggiungereilpcdidestinazione. Ogninodofungedaripetitore del segnale che viene amplificato di passaggio in passaggio. Nelle reti ad anello il metodo utilizzato per la trasmissione dei dati è basato sul concetto di TOKEN. Un TOKENèun insieme di BIT che viaggia sull anello contenente informazioni di controllo. reti a bus reti a stella reti ad anello
5 50 Le reti di calcolatori Quando un Pc deve inviare dati si impossessa del TOKEN, lo modifica e lo invia insieme al messaggio. I dati viaggiano fino a che non arrivano al computer di destinazione, che, una volta confrontato il proprio indirizzo con quello contenuto nel messaggio, elabora i dati ricevuti, e se necessario, crea unnuovotokenper ritrasmettere dati sulla rete. Il processo di trasmissione dei dati Le tipologie di trasmissione si dividono in unicast, broadcast e multicast. In una trasmissione unicast i dati vengono inviati dal computer di origine di- rettamente a quello di destinazione. Quando più Pc devono ricevere gli stessi dati questo tipo di trasmissione non risulta efficiente perché vengono inviate sulla rete copie multiple ognuna diretta a uno specifico destinatario. In una trasmissione di tipo Broadcast una singola copia dei dati viene inviata atuttiipccheappartengonoallastessasottoretedelcomputer di origine. Questo tipo di trasmissione non fornisce buone performance perché ogni pacchetto inviato sulla rete deve essere processato su tutti i calcolatori presenti indipendentemente dai reali destinatari delle informazioni. In una trasmissione di tipo Multicast una unica copia dei dati vieneinviataa tutti i Pc che ne fanno richiesta. Poiché non vengono inviate copie multiple dello stesso dato, questo tipo di trasmissione risulta particolarmente efficace quando le informazioni devono essere inviate a più destinatari. unicast broadcast multicast Mezzi di trasmissione mezzi di trasmissione modulazione Un sistema di trasmissione è un insieme di elementi mezzi fisici trasmissivi tipicamente impiegato per il trasporto dell informazione tra duepuntidistintidiuna rete di telecomunicazioni (nodi di scambio, centrali, singoli utenti). Imezzitrasmissivisonodi3tipi,mezzielettrici(doppini,cavicoassiali),mezzi ottici (fibre ottiche) e mezzi wireless (aeree). In ogni caso il fenomeno fisico utilizzato è l onda elettromagnetica. Tale onda si propaga da sorgente a destinazione in modi diversi a seconda del mezzo utilizzato; Nel caso dei mezzi wireless, le onde radio si propagano liberamente, mentre nei mezzi elettrici, comeinquelliottici, la propagazione del segnale è guidata. Tutti questi mezzi introducono alterazioni del segnale (attenuazione, distorsione, rumore), dovute alleproprietàfisichedei materiali. Con il termine modulazione si indica l insieme delle tecniche di trasmissione finalizzate ad imprimere un segnale elettrico o elettromagnetico detto modulante su di un altro segnale elettrico o elettromagnetico detto portante che ha invece lo scopo di trasmettere le informazioni del modulante ad alta frequenza. La portante con il segnale informativo modulante agganciato sarà detto quindi segnalemodulato. L operazione inversa di ripristino del segnale informativo originarioinbanda base è detta demodulazione. Il dispositivo in trasmissione che attua l operazione di modulazione sul segnale informativo è detto modulatore, mentre il dispositivo in ricezione attua l operazione di demodulazione è detto demodulatore, compresi
6 Le reti di calcolatori 51 rispettivamente nel trasmettitore e nel ricevitore. In un sistema di ricetrasmissione tali sistemi vengono riuniti entrambi sotto la dizione di modem (dalla composizione di modulazione e demodulazione). Isegnalimodulantipossonorappresentareleinformazionipiù diverse: audio, video, dati. L onda portante è un onda elettromagnetica o un segnaleelettricoa frequenza ben determinata (molto maggiore della frequenza del segnale Modulante), che può essere trasmessa in aria, nel vuoto (radio) o tramite un mezzo materiale opportuno. In caso di trasmissioni laser in fibra ottica o in aria libera, invece della frequenza portante, viene tipicamente indicata la lunghezza d onda della portante. Ogni mezzo trasmissivo oppone una resistenza al passaggio del segnale, dovuta proprietà fisiche alle proprietà fisiche dei materiali che lo compongono. Si può avereun attenuazioattenuazione ne del segnale, cioè la perdita di energia subita dal segnale durante la propagazione. Nei cavi e nell aere il segnale decade in rapporto con la distanza. Si può avere una distorsione distorsione da ritardo, un alterazione è causata dal fatto che armoniche a frequenze diverse viaggiano a velocità diverse, quindi alcune armoniche arriveranno prima di altre. Si può avere l aggiunta di rumore, un segnale indesiderato che disturba la rumore trasmissione ed è dovuto all azione della temperatura che fa muovereglielettroni nel mezzo. Inoltre si possono osservare anche effetti di diafonia, causata dall im- diafonia pedenza induttiva, cioè dal fatto che un segnale elettrico che attraversa una spira genera un campo elettrico che disturba le trasmissioni vicine. Il doppino telefonico originariamente fu usato per le trasmissioni telefoniche, doppino telefonico oggi è il mezzo di trasmissione più semplice e diffuso per la trasmissione dei dati nelle reti. Il grande vantaggio offerto da questo mezzo è quello di permettere di usare delle tecnologie e degli strumenti di installazione tipici della telefonia e quindi ampiamente collaudati e diffusi. Il doppino telefonico è formato da due fili di rame. normalmente intrecciati tra loro, collocati all interno di unaguainadiplastica. I fili vengono intrecciati per ridurre i disturbi legati ai campi elettromagnetici che si creano quando le coppie adiacenti di fili vengono combinati in cavimulticoppia.il problema maggiore di questi cavi è proprio quello di essere sensibili alle interferenze elettriche dovute alle sorgenti esterne che generano rumore sullalinea,cioèinterferenze. Questa vulnerabilità costringe ad utilizzare basse velocità di trasmissione (dai 240 bit al secondo ai bit al secondo) poiché maggiore è la velocità e più facilmente si possono perdere informazioni. Il doppino telefonico viene comunemente impiegato per collegare apparecchiature che non necessitano di grosse velocità. Inoltre, poiché agiscecomeun antenna (maggiore è la lunghezza e maggiori sono i disturbi che accumula), spesso si è obbligati a ridurre la distanza tra un nodo e l altro (in genere non superiore a 4 km) e autilizzaredeiripetitoridisegnale.questiproblemivengono parzialmente superati con l uso di cavi schermati che permettono di ridurre i disturbi. Il doppino telefonico (noto anche con l acronimo di UTP) viene unito al computer in genere con dei connettori RJ-11 (fig. 4), gli stessi utilizzati dai telefoni. Per ridurre i disturbi e aumentare la velocità e la quantità di datitrasportabili viene utilizzato il cavo coassiale. Si tratta di un cavo formato da una coppia di conduttori concentrici separati da materiale isolante e rivestititi di plastica. In particolare vi è un filo portante centrale circondato da una calza metallica (una maglia di filo di rame o un manicotto di alluminio). Anche il cavo coassiale è uno strumento cavo coassiale
7 52 Le reti di calcolatori ampiamente utilizzato nella rete telefonica per convogliare molte chiamate su un solo cavo, specialmente quando si tratta di chiamate a lunga distanza, in modo da ridurre la necessità di posare migliaia di chilometri di singolo fili. Tale mezzo di trasmissione si è sviluppato notevolmente in vari settori (comunicazioni telefoniche, TV via cavo) e la grande varietà di connettori a disposizione permettono di creare linee e ramificazioni molto diffuse. Nella figura 6 si nota un tipico connettore BNC per collegare un cavo coassiale al computer. Il cavo coassiale consente alte velocità di trasmissione (10-12 Mbit per secondo) con disturbi molto ridotti, anche se il costo risulta superiore rispetto al doppino. Grazie a queste caratteristiche il cavo coassiale si è molto diffuso come mezzo di trasmissione nelle reti, diventando un eccellente sostituto del doppino telefonico per soddisfare esigenze di massima funzionalità nelle trasmissioni e nella sicurezza. Dal punto di vista fisico ci sono due tipi di cavi coassiali: Thick, ampliamente usato come spina dorsale di grosse reti, e Thin, viene usato soprattutto per le diramazioni. Inoltre, in base al tipo di trasmissione permessa, il cavo coassiale si distingue in Banda base e Larga banda Banda base (baseband), con cui tutti gli utenti tra- smettono sulla stessa frequenza, e quindi sul cavo può transitare un solo messaggio per volta (chi vuole trasmettere deve attendere quindi il proprio turno) e si possono trasmettere solo dati. Si ha poi il Larga banda (broadband). In questo caso il canale fisico viene suddiviso in più canali logici con differenti frequenze. Questi sottocanali possono quindi trasmettere simultaneamente segnali di diversi utilizzatori anche con formati diversi (voce, immagini, dati...). è possibile raggiungere velocità anche di 150 Megabits al secondo. Le fibre ottiche sono un mezzo trasmissivo lungo il quale il messaggio viene trasportato in forma digitale (0 e 1) sotto forma di impulsi luminosi. Una fibra ottica ha un diametro inferiore al decimo di millimetro ed è formata da un nucleo di silice (vetro) o quarzo rivestito di altro materiale vetroso, ma con indice di rifrazione inferiore, in modo che la luce venga riflessa totalmente. Le velocità di trasmissione raggiungibili con le fibre ottiche sono molte alte, fino amilionidibitpersecondo,grazieallalarghissimabandaeall immunità dai disturbi elettrici e magnetici. Le fibre ottiche hanno una larghezza di bandachearrivafinoa 3,3 Ghz (Gia hertz, cioè miliardi di hertz) mentre con i cavi coassiali si può arrivare al massimo di 500 milioni di hertz. Usando le fibre ottiche la velocità di trasmissione può arrivare a un Gbit al secondo con un tasso di errore quasi nullo (1 bit di errore per ogni miliardo di bit). Nella trasmissione in fibra ottica isegnalielettricivengono convertiti in impulsi luminosi tramite un apparecchio detto modulatore,convogliati sulla fibra ottica tramite una sorgente di luce (LED Light Emitting Diode), ricevuti ericonvertitiinsegnalielettricitramitediodifotoelettrici. Anche con le fibre ottiche il segnale si attenua con l aumentare della distanza dalla fonte emittente, ma in questo caso l attenuazione del segnale e quindi la necessità di amplificarlo, avviene dopo circa 10 Km, cioè a distanza quasi tre volte più grande rispetto a un segnale trasmesso su un collegamento viacavodirame. Il problema maggiore che esiste con le fibre ottiche è quello relativo alle giunzioni, ossia icollegamentistabiliditrattedifibreottiche,nonchéquelli relativi alle connessioni, cioè ai collegamenti mobili tra fibre ottiche e apparecchiature terminali. Nel primo caso si tratta si allacciare tra loro le estremità in modo che la potenza ottica in uscita baseband broadband fibre ottiche
8 Le reti di calcolatori 53 dalla prima fibra entri nella seconda senza perdite. Bisognerà fare in modo che le due superfici a contatto siano perfettamente allineate e, visto il tipo di materiale e lo spessore, i problemi non sono pochi. Nel secondo caso si tratta di strumenti di riconversione da impulsi luminosi a impulsi elettrici, e quindi costosi. Isegnali,oltrecheviacavo,possonoesseretrasmessiancheviaeteregrazie alle onde elettromagnetiche. I principali tipi di segnali trasmessi via etere sono i segnali radio, le microonde e i segnali infrarossi. Il canale radiosfruttalospazio libero per comunicare utilizzando le onde radio e i satelliti. A differenza degli altri mezzi la velocità di trasmissione è quella della luce ( Km/sec) e quindi è particolarmente indipendente dalla distanza. Questi mezzi possono essere utilizzati per comunicazioni più ampie, sfruttando tecniche di radiodiffusione (broadcast) o utilizzando ponti radiomultitratta(uno ogni 25 miglia). Il problema delle trasmissioni via radio è che necessitano di apposite licenze per poter trasmettere e inoltre si tratta di trasmissioni a vista, sensibili quindi ad ostacoli fisici e meteorologici. Il primo esempio di questotipodireteè stato Alohanet, rete locale basata sulla comunicazione via etere che permetteva il collegamento tra i vari elaboratori dislocati nelle varie isole delle Hawaii. Isistemiradioamicroondeutilizzanolabandadifrequenzadella gamma dell infrarosso (la stessa dei telecomandi televisivi) e si usano essenzialmente per la comunicazione tra terminali (tastiera, mouse..) senza l uso di fili. onde elettromagnetiche infrarossi La trasmissione dei dati In una comunicazione dati la multiplazione permette di risparmiare sul cablaggio (riducendo il numero di linee di segnale) e sul numero di componenti. Ad esempio in elettronica il multiplexing permette a diversi segnali analogici di essere elaborati da un unico convertitore analogico-digitale (ADC) e in telecomunicazioni a chiamate differenti di essere trasmesse usando un solo cavo. Non è possibile infatti implementare una rete di telecomunicazioni a grande scala completamente magliata, in cui ogni coppia di utenti è collegata cioè in modo diretto, dato l enorme numero di collegamenti point to point, ed è quindi necessario pensare adeimeccanismiper far convivere su uno stesso cavo di collegamento o mezzo trasmissivo più segnali portanti informativi. Il dispositivo elettronico preposto allamultiplazioneèdetto multiplexer. Con il termine commutazione si indica l insieme delle funzionalità e relative tecniche su cui è basato il funzionamento logico dei nodi di una rete di telecomunicazione, ovvero un operazione all interno di un nodo che tratta l informazione da trasmettere sotto forma di segnale, affinché sia indirizzata verso la destinazione desiderata. In altre parole essa associa un ramo d ingresso ad uno d uscita al segnale in transito ed è attuata per mezzo delle funzioni d indirizzamento (decisionale) e di attraversamento o instradamento (attuativa). Il sistema fisico preposto alla funzione di instradamento è il Commutatore.Un Commutatore a livello logico è composto da un interfaccia o porta di ingresso per ogni linea di ingresso connessa, una o più interfacce o porte di uscita, una struttura intelligente ovvero un sistema di comando che esplica una funzione decisionale cioè decide la strada da far seguire al pacchetto associando la porta di ingresso con multiplazione commutzione commutatore
9 54 Le reti di calcolatori commutazione di circuito una porta di uscita (indirizzamento) ed una struttura effettiva di commutazione che esplica la funzione attuativa dell instradamento cioè crea il circuito fisico di connessione ingresso-uscita portando fisicamente il segnale dalla porta di ingresso x alla porta di uscita y per l attraversamento. Un commutatore dovrà essere in grado di gestire il traffico offerto in ingresso eperquestodovràessereopportunamentedimensionato. Essoinoltreperlefunzionalità di elaborazione di cui sopra introdurrà un ritardo (delay)aggiuntivosulla linea di uscita variabile a seconda delle capacità di elaborazione del commutatore stesso. La commutazione di circuito comporta una reale connessione fisica tra due stazioni comunicanti realizzata attraverso la connessione dinodiintermedisulla rete. Ogni comunicazione effettuata tramite la commutazionedicircuitocoinvolge tre fasi: la prima è l apertura della connessione, prima che idatipossanoessere trasferiti deve essere stabilito un cammino che collegherà il mittente ed il destinatario per tutto il tempo necessario a trasmettere i dati. L uso del cammino è esclusivo e continuo. Segue poi il trasferimento dei dati, ed infine la chiusura della connessione. L esempio più comune di rete a commutazione di circuito è la rete telefonica. Quando un utente fa una chiamata telefonica viene stabilito un collegamento dedicato tra il mittente e il ricevente. Una volta che questo circuito è stato stabilito ne viene garantito l accesso esclusivo all utente e l unico ritardo nella comunicazione è il tempo richiesto per la propagazione del segnale elettromagnetico. Una rete telefonica riservata, che è comune per le WAN, è un caso speciale di rete a commutazione di circuito. La commutazione di circuito in certi casi può rivelarsi inefficiente dato che, per tutta la durata della connessione, la capacità del canale trasmissivo è interamente dedicata anche se non viene trasferito alcun dato; nel caso diconnessionidicomputer il mezzo trasmissivo può anche essere non utilizzato per la maggior parte della durata della connessione. Mentre in una rete a commutazione di circuito la capacità del canale trasmis- sivo è interamente dedicata ad una specifica comunicazione, la commutazione di pacchetto si rivela molto più efficiente nonostante la maggior quantitàdidatiinviata, in quanto i canali fisici sono utilizzati solo per il tempo strettamente necessario. Inoltre, poiché ogni pacchetto porta con sé la sua identificazione, una rete può trasportare nello stesso tempo pacchetti provenienti da sorgenti differenti. La commutazione di pacchetto permette quindi a più utenti di inviare informazioni attraverso la rete in modo efficiente e simultaneo, risparmiando tempo e costi mediante la condivisione di uno stesso canale trasmissivo (cavo elettrico, etere, fibra ottica ecc.). Storicamente la commutazione di pacchetto poneva qualche problema nel caso fosse necessaria una disponibilità garantita di banda o nelle trasmissioni real time: si pensi a una trasmissione video, dove le immagini arrivano con un flusso costante. Al giorno d oggi è però possibile aggiungere una priorità ai pacchetti garantendo la cosiddetta qualità di servizio ovvero che un numero sufficiente di essi venga inviato, ascapitodialtripacchettichenonabbianoun urgenzaspecifica - ad esempio, un file da trasferire. commutazione di pacchetto
10 Le reti di calcolatori 55 La commutazione di pacchetto è uno dei possibili metodi di multiplazione, ovvero è una tecnica per suddividere la capacità trasmissiva di un canale tra diversi utilizzatori Dispositivi di rete Idispositividiretesononodichenelleretiinformatichehanno funzionalità esclusivamente orientate a garantire il funzionamento, l efficienza, l affidabilità e la scalabilità della rete stessa. Non sono di norma dei calcolatori, anche se un calcolatore può fornire alcune di queste funzionalità, soprattutto ai livelli superiori del modello ISO/OSI. con il termine modem si indica un dispositivo di ricetrasmissione che ha funzionalità logiche di modulazione/demodulazione (analogica o numerica) in trasmissioni analogiche e digitali. Nell accezione più comune il modem è un dispositivo elettronico che rende possibile la comunicazione di più sistemi informatici (ad esempio dei computer) utilizzando un canale di comunicazione composto tipicamente da un doppino telefonico. Questo dispositivo permette la MOdulazione e la DEModulazione dei segnali contenenti informazione; dal nome di queste due funzioni principali il dispositivo prende appunto il nome di MODEM. In altre parole, sequenze di bit vengono ricodificate come segnali elettrici. Il modem è anche unacomponente fondamentale del Fax. Un hub (letteralmente in inglese fulcro, mozzo, elemento centrale) rappresenta un concentratore, ovvero un dispositivo di rete che funge da nodo di smistamento dati di una rete di comunicazione dati organizzata prevalentemente con una topologia a stella. Nel caso diffuso delle reti Ethernet, un hub è un dispositivo che inoltra idatiinarrivodaunaqualsiasidellesueportesututtelealtre, cioè in maniera diffusiva (broadcasting). Come con un hub, due nodi possono comunicare attraverso uno switch come se questo non ci fosse, ovvero il suo comportamento è trasparente. A differenza però di quanto farebbe un hub, uno switch normalmente inoltra iframeinarrivoda una qualsiasi delle sue porte soltanto a quella cui è collegato il nodo destinatario del frame. Uno switch possiede quindi l intelligenza necessaria a riconoscere i confini dei frame nel flusso di bit, immagazzinarli, decidere su quale porta inoltrarli, trasferirli verso una porta in uscita, trasmetterli. Normalmente uno switch opera al livello datalink del modello di riferimento ISO/OSI. Un router (dall inglese instradatore) è un dispositivo elettronico che, in una rete informatica a commutazione di pacchetto, si occupa di instradare i dati, suddivisi in pacchetti, fra reti diverse. È quindi, a livello logico, un nodointernodirete deputato alla commutazione di livello 3 del modello OSI o del livello internet nel modello TCP/IP. L instradamento può avvenire verso reti direttamente connesse, su interfacce fisiche distinte, oppure verso altre sottoreti non limitrofe che, grazie alle informazioni contenute nelle tabelle di instradamento, siano raggiungibili attraverso altri nodi della rete. Il tipo di indirizzamento operato è detto indiretto contrapposto invece all indirizzamento diretto tipico del trasporto all interno delle sottoreti. Esso può essere visto dunque come un dispositivo di interfacciamento tra diverse sottoreti modem hub switch router
11 56 Le reti di calcolatori access point eterogenee e non, permettendone la interoperabilità (internetworking) a livello di indirizzamento. Un Access Point è un dispositivo elettronico di telecomunicazioni che permette all utente mobile di collegarsi ad una rete wireless direttamente tramite il suo terminale se dotato di scheda wireless. Se esso viene collegato fisicamente ad una rete cablata (oppure via radio ad un altro access point), può ricevere ed inviare un segnale radio all utente grazie ad antenne e apparati di ricetrasmissione, permettendo così la connessione sotto forma di accesso radio. Il protocollo TCP/IP TCP/IP indirizzo IP per protocollo di rete (o anche protocollo di comunicazione) siintendeladefinizione formale a priori delle modalità di interazione che, due o più apparecchiature elettroniche collegate tra loro, devono rispettare per operare particolari funzionalità di elaborazione necessarie all espletamento di un certo servizio di rete. In termini equivalenti si tratta dunque della descrizione a livello logico del processo di comunicazione (meccanismi, regole o schema di comunicazione) tra terminali e apparati preposto al funzionamento efficace della comunicazione in rete. Queste apparecchiature possono essere host, computer clienti, telefoni intelligenti, Personal Digital Assistant (PDA), monitor, stampanti, sensori ecc. Il protocollo TCP/IP è il protocollo di rete per eccellenza. Il tcp/ip detta le regole per instradamento dei pacchetti che contengono i dati lungotuttalarete; permette cioè che le informazioni partano da un mittente e giungano al destinatario attraversando a volte anche decine di computer e migliaia di chilometri senza che l utente se ne debba fare problema. I dati vengono suddivisi in gruppi elementari chiamati pacchetti che viaggiano autonomamente nella rete. Inrealtàbisognerebbe riferirsi ai protocolli internet in senso piùgenerale essendoil TCP e l IP due protocolli di questo insieme più ampio. TCP (Transport Control Protocol) assicura che tutti i pacchetti inviati a un computer remoto siano realmente arrivati a destinazione. IP (Internet Protocol) detta le regole base per organizzare ipacchettididati che viaggiano in una rete. Il TCP lavora al di sopra di IP. Il primo concetto importante e l indirizzo IP. Dato che questi protocolli sono utilizzati da molti computer differenti tra loro, e necessario utilizzare un sistema di indirizzamento in grado di lavorare con tutti, che fornisca adeguate informazioni per instradamento e che non impegni troppo spazio. La risposta e la definizione di indirizzi costituiti da sequenze di quattro numeri interi di unbyteognuno(numeri da 0 a 255) con ogni numero che fornisce informazioni sulla rete e sottoreti alle quali in computer appartiene. L indirizzo IP e gerarchico perche i quatto numeri hanno significato decrescente da sinistra a destra. Osservando il numero piu a sinistra possiamo imparare come instradare una trasmissione al computer rappresentato dalnumeroadestra. Normalmente questo indirizzo viene rappresentato separando i numeri da un punto come ad esempio: Questa e chiamata notazione puntata. Senza andare nei dettagli della semantica dell indirizzamento gerarchico l esempio sopra riportato si suddivide in: 44. la rete assegnata ai radio amatori 134. designa la rete
12 Le reti di calcolatori 57 italiana 60. designa la rete a cui appartiene la Lombardia 2 designa il computer connesso al ricetrasmettitore radio di uno specifico radiamatore Gli indirizzi IP vengono assegnati da un coordinatore che deriva la propria autorita da un ente certificatore centrale. Il secondo concetto importante e l HOSTNAME. Ovviamente l indirizzo IP non e molto intuitivo. Nomi di computer piu vicini alla lingua di uso corrente permettono di ricordarsi i nomi dei computer in modo piu facile e quasi tutti i programmi di comunicazione hanno la possibilita di mappare trahostnamee indirizzo IP. E cosi che il numero 2 dell esempio puo essere descritto da I2KFX che e il nominativo della stazione radioamatoriale corrispondente. In forte relazione con l HOSTNAME e il DOMAIN NAME. Un dominio e un gruppo di macchine che sono logicamente connesse tra loro. Il nome del dominio e come l indirizzo IP; dei punti separano parti del nome e ciascuna parte rappresenta un diverso livello della gerarchia del dominio. Ma il nome del dominioe ordinatoin modo inverso (la parte piu significativa e alla destra del nome). Il dominio dei radioamatori a cui stiamo facevamo riferimento e ampr.org; org (abbreviazione di organizzazione) e il dominio di primo livello, ampr (per AMateur Packet Radio) e il dominio di secondo livello contenente tutti i computer dei radioamatori. Quando combini un HOSTNAME con un DOMAIN NAME ottieni qualcosa simile a i2kfx.ampr.org; questoe chiamatounnome di dominio pienamente qualificato. Seilcomputerhapiu diunutente,possiamoaggiungereilnome dell utente all inizio dell indirizzo separandolo con il Questa combinazione e comunemente chiamata indirizzo internet ed e la forma che viene utilizzata per la maggior parte della posta elettronica nel mondo. URL (Uniform Resource Locator) rappresenta una sintassi unificata per l espressione di nomi e indirizzi di oggetti sulla rete. E cosi possibile specificare in modo univoco una informazione o un indirizzo presente ovunque sulla rete e raggiungibile con un qualsiasi protocollo Normalmente si assume un computer sia in grado di inviare pacchetti a tutti i computer sulla stessa rete. I problemi cominciano quando a un sistemavienechiesto di inviare pacchetti a un sistema appartenente ad una rete differente. Questa funzione viene gestita dai gateways. Un gateway e un sistema che connetteunnetwork con altri network. Gateway sono normalmente dei normali computer che dispongono piu di una interfaccia di rete. Spesso esiste una tabella per l instradamento dei pacchetti, che assegna ad ogni indirizzo IP un eventuale gateway. Frequentemente esiste un solo gateways; questo gateway puo connettere la rete locale ad una molto piu ampia rete internet. In questo caso non e necessario costruire una tabella contenente tutti i network del mondo. Possiamo semplicemente definire il gateway come default ed in questo caso tutti i pacchetti che non conoscono la strada gli verranno inviati. Ricordarsi gli indirizzi IP non e sempre facile ed inoltre a volte la configurazione delle reti si modifica costringendo a modicare gli indirizzi. Molti programmi permetto di costruire tabelle dove vengono abbinati gli indirizzi IP all HOSTNA- ME, ma questo significherebbe dover conoscere tutti gli indirizzi delle macchine che vogliamo contattare. Alternativamente un computer puo rendersi disponibile per hostname dominio URL gateway DNS
13 58 Le reti di calcolatori FTP SMTP POP3 ping un servizio di risoluzione dei nomi (domain name service). Il nostrocomputerpotra quindi interrogarlo quando dovra conoscere l indirizzo di uncomputerchevogliamo contattare. FTP è il protocollo che permette il traferimento di file da e per unamacchina remota. L accesso viene solitamente effettuato premettendo unafasediautentica- zione tramite username e password: spesso però viene messo a disposizione quello che viene chiamato anonymous ftp e cioè un area pubblica a cui siaccedefornendo come username la parola anonymous. Esistono una serie di comandi per poter poi effettuare i trasferimenti. Questi sono i protocolli che a noi interessano di più in quanto relativialla posta elettronica. SMTP è il protocollo che permette di inviare posta tra due computer; specifica cioè come un messaggio presente su una macchina può essere inviato a un qualsiasi utente di un altra macchina in rete. Il protocolloèdiperse abbastanza semplice, ma una serie di accorgimenti ne rende in realtàlagestione molto complessa. Una prima complicazione viene dall esegenza di inviare posta non solo con SMTP, ma anche con altri protocolli, UUCP ad esempio. Un altro fattore è la necessita di SMTP di avere le macchine immediatamente raggiungibili: avolteperguastiomanutenzioniquestononsiverifica. Lafrequente richiesta di chi invia la posta è che il messaggio raggiunga il destinatario in un lasso di tempo tollerabile per il contenuto del messaggio. E così che normalmenteun programma che invia la posta effettua una serie di tentativi ad intervalliregolarifino aquandoilmessaggiorisultainviatoosièraggiuntountempomassimoaccettabile per l invio. La frequenza dei tentativi ed il tempo massimo per l invio sono a volte parametrizzati con alcune segnalazioni presenti nel messaggio da inviare (la specifica urgente ad esempio). I ritardi nell invio o gli eventuali fallimenti vengono solitamente comunicati al mittente. La macchina che effettua questolavoroviene comunemente denominata server di posta o smtp server. Un personal computer che rimane connesso alla rete solo per brevi periodi solitamenteèmegliocheincarichi un server per svolgere questo lavoro (relay). Al tempo stesso lo stesso PC non è in grado di ricevere la posta sia perche solitamente si connette con un indirizzo IP dinamico, sia perchè la sua connesssione alla rete è solitamente così saltuaria che le macchine che tentano l invio di posta non lo troverebbero quasi mai raggiungibile. E così che si rendenecessariounpop(post office protocol) ossia un ufficio postale che riceva per noi la posta depositandola in una cassetta postale. Il protocollo più diffuso con cui è possibile leggere la posta dalla propria cassetta postale è il POP3 che richiede solitamente una fase di autenticazione con una username e password; i messaggi possone essere così listati, letti (cioè scaricati sulla propria macchina) ed eventualmente cancellati dalla cassetta postale. Frequente è l uso di alias, dipseudominiconcuièpossibilericeverelapostae che in realtà reindirizzano al nostro vero e unico nome utente. La nostra casella postale potrà avere una dimensione massima per contenere i messaggi ricevuti; inoltre bisogna evidenziare che a un mittente può risultare inviato un messaggio quando questo è stato depositato nella casella postale e non quando il destinatario lo ha scaricato ed effettivamente letto. E un protocollo di diagnostica che invia un pacchetto a un computer; se il
14 Le reti di calcolatori 59 computer e disponibile e raggiungibile ripondera con un altro pacchetto di dati. PING ti comunichera quindi quanto e durato il viaggio di andata e ritorno. Il protocollo http nasce al CERN di Ginevra all inizio degli anni 90, quando l espansione delle reti telematiche a livello inter- e intra-universitario è arrivata al punto da renderle non solo uno strumento tecnico-informatico ma anche uno strumento adatto allo scambio di informazioni di qualsiasi tipo; presto l insieme di queste informazioni accessibili da tutto il mondo sulla rete internetprendeilnome di World Wide Web. Tecnicamente l http non differisce molto dal protocollo ftp in quanto permette il trasferimento di file da un nodo TCP/IP centrale server contenente un archivio, ad un altro nodo TCP/IP client, epiùraramenteviceversa;inaggiuntaaltrasferimento dei file il protocollo prevede lo scambio di informazioni di controllo tra client eserver;ilcollegamentoavvienespessosenzabisognodipassword, come per l ftp anonymous. La differenza rispetto all ftp sta nel fatto che il programmachelavora sulla macchina client, denominatospessobrowser, èdecisamentepiùcomplessoe, in base al tipo di file che riceve, desunto dalla parte terminale del suo nome o dalle informazioni di controllo, può prendere decisioni su come mostrare il file all utente. Il tipo di file più comune in cui ci si imbatte sui server http (detti anche siti web) èiltipohtml (hyper-text markup language): si tratta di file ipertestuali, contenenti cioè, oltre a semplice testo, collegamenti (link) che,seattivatidall utente del programma client, conducono ad altre parti del file stesso oppureadaltrifile situati sullo stesso server o anche su un server diverso da quello di partenza; i file html contengono anche delle informazioni per permettere al programma client di visualizzare il testo in maniera esteticamente curata, similmente ad un programma di word processing, epossonoanchecontenereimmagini(chealorovoltacostituiscono anche un tipo indipendente di file riconosciuti da un clienthttp). Altri tipi di file riconosciuti dai client http comprendono file sonori, immagini animate, programmi eseguibili immediatamente (Java) e molti altri, la cui lista è in continuo aggiornamento; bisogna comunque tenere presente che per i tipi di file più avanzati ènecessarioundisporrediunprogrammaclientediunhardware adatti per poterli visualizzare, ascoltare o eseguire. HTTP