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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
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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, ...."
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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)
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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
biglietto (acquisto)
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
biglietto (acquisto)
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 ?
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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
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Livelli: comunicazione logica
applicazionetrasporto
retelink
fisico
applicazionetrasporto
retelink
fisicoapplicazionetrasporto
retelink
fisico
applicazionetrasporto
retelink
fisico
retelink
fisico
Ogni livello:!distribuito! “entita’ ”
implementano le funzioni del livello ad ogni nodo
!entita’ eseguono azioni, scambiano messaggi con pari
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Livelli:comunicazione logica
applicazionetrasporto
retelink
fisico
applicazionetrasporto
retelink
fisicoapplicazionetrasporto
retelink
fisico
applicazionetrasporto
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
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Livelli: comunicazione fisica
applicazionetrasporto
retelink
fisico
applicazionetrasporto
retelink
fisicoapplicazionetrasporto
retelink
fisico
applicazionetrasporto
retelink
fisico
retelink
fisico
data
data
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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
applicazionetrasporto
retelink
fisico
applicazionetrasporto
retelink
fisico
sorgente destinazioneMMMM
HtHtHnHtHnHl
MMMM
HtHtHnHtHnHl
messaggiosegmentodatagramframe
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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
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National Backbone Providere.g. BBN/GTE US backbone network
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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
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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
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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
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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