Reti di Computer

Reti di Computer

Una rete può essere definita come un sistema interconnesso di elementi necessari per effettuare una connessione tra più risorse dislocate in sedi differenti.

Lo scopo di una rete è:

Consentire una intercomunicazione tra più utenti (rete di trasmissione dati).

Gestire la condivisione delle risorse (rete di elaboratori).

Parlando di reti, dobbiamo distinguere due aspetti:

La rete dal punto di vista fisico, vale a dire le linee di comunicazione (topologia della rete);

La rete dal punto di vista logico, ossia la modalità di utilizzo di tali linee (architettura della rete).

Per ridurre la complessità di progettazione e di gestione delle reti, è stato ideato il modello a strato OSI (Open System Interconnection), uno standard che si occupa dei problemi di standardizzazione di tutti i sistemi software. Si tratta di un procedimento modulare, vale a dire, si progetta la rete come un sistema di livelli che si sovrappongono e si studia ogni livello separatamente.

Possiamo suddividere le reti in tre grandi famiglie con caratteristiche, architettura e risorse fisiche diverse:

Reti geografiche (WAN): vengono utilizzate su aree geografiche molto estese, per le quali si parla di comunicazioni anche dell'ordine di migliaia di chilometri. Il tipo di canale di trasmissione utilizzato, per motivi di costo, diventa rilevante per cui si dovranno effettuare delle scelte  che garantiscono una trasmissione affidabile. Al problema delle lunghe distanze è collegata la presenza di dispositivi, che hanno lo scopo di rigenerare o ampliare il segnale che sta viaggiando lungo la rete.

Reti metropolitane (MAN): si estendono su distanze medio-piccole e utilizzano principi e tecnologie caratteristiche delle reti geografiche pur estendendosi in un'area limitata.

Reti locali (LAN): vengono utilizzate su distanze brevi tra luoghi in uno stesso edificio o edifici adiacenti. Il loro impiego richiede che esse vengano installate all'interno di una superficie privata, senza alcun'attraversamento di suolo pubblico, utilizzando esclusivamente apparecchiature e canali privati.

Le tecniche di trasmissione dati sono state sviluppate per consentire il trasferimento di informazioni, sotto forma codificata, tra terminali periferici ed elaboratori o tra elaboratori posti a notevole distanza tra loro. I tipi di canali disponibili per realizzare le connessioni  tra loro possono essere assai numerosi e molto diversi tra loro per natura fisica e costo.

Doppino

Il doppino è costituito da una coppia di fili di rame isolati e intrecciati dello spessore  di circa 1 mm ed è utilizzato nella rete telefonica. E' usato sia per trasmissioni analogiche sia digitali con una larghezza di banda che dipende dalla sezione del filo e dalla distanza da attraversare. Nel caso di trasmissioni a lunghe distanze possono essere usati dei ripetitori in grado di rigenerare le caratteristiche del messaggio originale.

Cavo coassiale

Il cavo coassiale è composto da un nucleo di rame, circondato da materiale isolante; un'ulteriore protezione è fornita da un involucro più esterno, costituito generalmente da un conduttore intrecciato e infine da un ultimo rivestimento protettivo di plastica. Questa struttura del cavo fornisce un'alta larghezza di banda e ottima resistenza al rumore.

Fibra ottica

I recenti sviluppi nella tecnologia ottica hanno reso possibile la trasmissione di dati mediante impulsi di luce. La presenza di un impulso di luce può servire per segnalare un bit a 1, mentre la sua assenza indicherebbe un bit a 0. Un sistema ottico di trasmissione ha tre componenti: il mezzo di trasmissione, la sorgente di luce e il rivelatore. 

Il mezzo di trasmissione è una fibra ultra sottile composta di vetro oppure di silicio fuso. La sorgente luminosa invece può essere un semplice led o comunque un dispositivo in grado di generare impulsi luminosi quando viene attraversato da corrente elettrica. Il rilevatore del segnale è un fotodiodo, (tubo elettronico semiconduttore la cui resistenza varia al variare della luce che lo colpisce), che emette un impulso elettrico quando viene attraversato da radiazione luminosa.

Se un solo raggio viene intrappolato, poiché qualunque raggio luminoso incidente sul confine al di sopra dell'angolo critico sarà riflesso internamente, saranno presenti molti raggi distinti che 'rimbalzano' ad angoli diversi. Una fibra ottica operante in questo modo è nota come fibra multimodale. Tuttavia, se il diametro della fibra viene ridotto ad una lunghezza d'onda della luce la fibra agirà come una guida d'onda e la luce si propagherà in linea retta,senza rimbalzare: in questo caso, si ha, la cosiddetta fibra monomodale. Le fibre monomodali richiedono (costosi) diodi laser per il loro pilotaggio, anziché (economici) led, ma sono più efficienti e possono coprire distanze maggiori.

Satellite

I satelliti di comunicazione possono essere considerati dei grossi ripetitori galleggianti nel cielo.Ogni satellite contiene dei trasponditori che, recepiscono i segnali provenienti da una porzione dello spettro e provvedono ad amplificarli e a rispedirli su un'altra frequenza.

Più semplicemente il satellite riceve il segnale trasmesso su una certa frequenza, da una stazione a terra, lo trasla su una frequenza diversa e lo ritrasmette verso altre stazioni a terra. L'uso di due diverse frequenze per le trasmissioni da e verso il satellite è necessario per evitare interferenze reciproche. Il segnale ritrasmesso verso terra può essere ricevuto da ogni stazione che si trovi all'interno del cono d'azione del satellite e che sia sintonizzata sulla frequenza usata. Il segnale può trasmettere voci  immagini, dati o segnali tivù. Oltre alla banda trasmissiva molto ampia, il satellite presenta altre caratteristiche vantaggiose: assicura un'ampia copertura geografica e permette di raggiungere luoghi isolati e difficilmente collegabili con altri mezzi. L'ampiezza della copertura geografica presenta anche l'inconveniente che ogni stazione di terra nell'area servita dal satellite può ricevere i segnali trasmessi, con grave rischio di intercettazioni di informazioni riservate.

I satelliti presentano degli enormi vantaggi rispetto agli altri mezzi trasmissivi in quanto il costo è indipendente dalla distanza di trasmissione e i segnali non sono soggetti alle normali barriere naturali o architettoniche.

La comunicazione tra due nodi può avere diversi versi di percorrenza, esse sono:

Canale simplex, i dati possono viaggiare in una sola direzione.

Canale half-duplex, la trasmissione può avvenire in ambedue direzioni ma non contemporaneamente.

Canale full-duplex, quando la comunicazione è bidirezionale e contemporanea.

Il segnale trasmesso può essere analogico o digitale.

Una trasmissione è analogica se utilizza una grandezza che può assumere infiniti valori compresi in un certo intervallo, nella trasmissione digitale, la grandezza utilizzata assume solo un numero finito di valori.

Il modem, (MODulatore DEModulatore), è il dispositivo che accetta in entrata una serie di bit seriali (il segnale digitale) e li trasforma in segnale analogico. Dopo la trasmissione, un dispositivo analogo ottiene l'effetto inverso.

Per modulare un segnale si fa variare l'onda portante sulla base dei bit presenti nel segnale ed esistono vari modi per fare ciò, esse sono:

a)     Modulazione in ampiezza: si azzera l'ampiezza dell'onda portane in corrispondenza dei bit uguali a zero.

b)     Modulazione di frequenza: si aumenta la frequenza in corrispondenza dei bit uguali a zero.

c)     Modulazione di fase: si effettua uno spostamento di un certo numero di fasi in prossimità dei bit nulli.

La trasmissione può essere parallela e consentire l'invio ti tutto un byte alla volta, e seriale, inviando un singolo bit alla volta sul canale.

La trasmissione seriale è composta da due tipi di trasmissione: trasmissione asincrona e trasmissione sincrona.

Nella trasmissione asincrona ciascun carattere è distinto dagli altri da opportuni bit di controllo, detti bit di start e bit di stop, inoltre esistono tra i caratteri, degli intervalli di tempo necessari perché non avvengano sovrapposizioni. Nella trasmissione sincrona più byte vengono inoltrati uno dopo l'altro, e alcuni segnali di sincronizzazione permetto di dare il tempo ad ogni nuovo blocco di tali byte.

La commutazione è una modalità di instradamento dei messaggi nelle comunicazioni, essa può essere circuitale e digitale.

Si parla di commutazione circuitale quando la scelta si basa sul collegamento da instaurare per effettuare la trasmissione, come nel caso del sistema telefonico. Essa è una connessione di tipo fisico.

Si parla di commutazione digitale quando la connessione si basa più sull'informazione da trasmettere che sul canale di trasmissione. In questo caso la componente software prevale sulla componente hardware. La commutazione nelle reti è una commutazione digitale ed formata da tre tipi:

Commutazione a messaggio.

Commutazione a pacchetto.

Commutazione a divisione di tempo.

La commutazione a messaggio prevede che il messaggio parta dal nodo sorgente e venga inviato verso il proprio nodo intermedio utile per arrivare a destinazione.

La commutazione a pacchetto si basa sulla possibilità di dividere il messaggio in parti, detti frame, da inviare verso la destinazione finale, ma non necessariamente lungo la stessa strada, ogni pacchetto deve essere corredato del numero d'ordine e dell'indirizzo del destinatario, solo così, a trasmissione avvenuta, il messaggio può essere correttamente ricostruito.

La commutazione a divisione di tempo sfrutta una condivisione delle linee non solo fisica ma temporali.

Le tecniche di commutazione sono applicabili ai collegamento tra nodi dello stesso tipo, invece quando si tratta di collegare terminali remoti ad un calcolatore centrale è preferibile sfruttare il multiplexer, in grado di raccogliere più richieste su un unico supporto fisico.

La condivisione può essere effettiva nel senso che il canale ha una larghezza di banda tale da portare segnali di ampiezza differenti, oppure può essere una condivisione a scansione temporale e, per questo canale, si parla del sistema TDM (Time Division Multiplexing), con questo sistema i segnali digitali originati dai vari terminali vengono inviati non in parallelo ma in serie.

Dalla commutazione, passiamo a vari tipi di connessione che sono:

Connessione Totale quando ogni nodo è collegato a tutti gli altri.

Connessione Parziale, quando esistono solo alcuni collegamenti diretti tra due o più nodi.

Inoltre troviamo la Connessione punto-punto e Connessione multipunto.

La connessione punto-punto prevede che solo i nodi contigui possono comunicare direttamente tra loro, in questo caso una caduta della linea causa il partizionamento della rete.

La connessione multipunto prevede che più nodi siano collegati tra loro sfruttando un unico canale fisico di comunicazione, essa presenta delle varianti e combinazioni di tale struttura che sono:

Rete a stella.

Rete a bus.

Rete ad anello.

Rete ad albero,

Rete a topologia libera, detta anche, Rete a maglia.

La rete a stella è caratterizzata dalla presenza di un solo nodo dal quale partono più linee punto-punto verso i nodi periferici.

La rete a bus è una combinazione di collegamenti multipunto che realizza la condivisione di un unico supporto trasmissivo.

La rete ad anello è una rete in cui ogni nodo comunica attraverso un bus a forma di anello, questi può essere unidirezionale o bidirezionale.

La rete ad albero prevede una disposizione gerarchica dei vari nodi, per cui il collegamento tra nodi dello stesso livello non può avvenire direttamente ma deve passare attraverso il livello superiore.

La rete a maglia è una rete che presenta sia connessioni di tipo punto-punto che multipunto.

Nodo fondamentale in una rete è il Nodo Server, ossia un elaboratore, con il suo software, destinato a fornire, agli altri nodi, detti Client, una funzione di condivisione delle risorse disponibili. Il server deve essere dotato di una buona capacità di calcolo e di una discreta quantità di memoria, sia centrale che periferica.

Nella progettazione di un sistema di comunicazione bisogna sempre considerare alcuni fattori:

Problemi tecnologici.

Gestione della comunicazione.

Il controllo della trasmissione è a carico del protocollo che si occupa della linea, detto protocollo di trasmissione. I protocolli si dividono in due gruppi:

I protocolli bit oriented o BOP nei quali i dati sono organizzati e gestiti a livello di singoli bit.

I protocolli byte oriented o BCP per i quali l'elemento unitario da trattare è il byte ossia il raggruppamento di bit.

Inoltre bisogna dire che il controllo della rete può essere centralizzato, nel qual caso compete ad un solo nodo la logica necessaria per svolgere le funzioni di arbitraggio, oppure può essere distribuito e quindi richiedere che ciascun nodo si regoli automaticamente durante la trasmissione.

Vediamo ora la tecnica di scansione.

Si parla di tecnica di scansione se i nodi della rete hanno tempi e modi di colloquio prefissati, tale scansione può a sua volta essere Centralizzata o Distribuita.

La scansione centralizzata è tipica dei collegamenti multipunto: un solo nodo dominante (master) interroga i nodi asserviti (slave), l'interrogazione può essere su base ciclica oppure seguire criteri di priorità.

La scansione distribuita non prevede un nodo master, ma ogni modo, a turno, acquisisce il diritto di accedere al canale. Tale accesso è regolato in due modalità differenti: l'accesso con Token Passing e l'accesso con Slot.

Nella token passing, un pacchetto di bit, denominato token ossia gettone, passa lungo la rete e viene trattenuto dal nodo che necessita di utilizzare il canale trasmissivo. Per evitare che un nodo non trattenga troppo a lungo la linea, si possono prevedere i tempi massimi oltre i quali il nodo prerilascia la risorsa e la ottiene solo quando è nuovamente il suo turno.

Nel sistema a Slot, l'accesso è sempre di tipo sequenziale nel senso che si ha sempre una scansione temporale dei vari nodi con eventuale comunicazione del messaggio da sorgente a destinatario. Per evitare che un nodo blocchi il canale, il sistema è progettato in modo che debba saltare uno slot prima di occuparne un altro.

Le tecniche a contesa sono basate sulla possibilità di richiedere l'accesso al canale nel momento in cui se ne ravveda la necessità. Esistono varie modalità di contesa. La più semplice è la CSMA (Carrier Sense Multiple Access). Essa si basa sull'idea dell'ascolta prima di parlare, ossia il nodo che deve trasmette attende un certo tempo per rendersi conto dello stato della linea, quindi se non rileva conversazioni in atto, trasmette. Tuttavia può capitare che due nodi inizino contemporaneamente a comunicare non rendendosi conto delle possibili collisioni.

Per ovviare a ciò i nodi restano in ascolto anche durante la trasmissione e non appena individuano una collisione la sospendono. Si parla, in questo caso, di tecnica CD (Collision Detection).

Il sistema è detto Fault Tolerant (indifferente ai guasti) se un guasto ad una sua parte non influenza la regolarità di funzionamento del sistema nel suo complesso.

Progettare una rete in modo che risulti indifferente ai guasti è particolarmente importante per tutti i settori critici..

Lo scopo di un protocollo di trasmissione è quello di regolare le caratteristiche fisiche, logiche e funzionali della rete, ossia fornire un'interfaccia software (logica) per sfruttare l'interfaccia (fisica) data dai mezzi di comunicazione.

L'architettura del modello stabilisce i livelli, le interfacce tra i livelli e i protocolli ovvero le relazioni che intercorrono tra gli stessi livelli appartenenti ai nodi trasmittente e ricevente.

I sette livelli o strati sono:

Strato fisico di linea.

Strato fisico di rete.

Strato fisico di trasporto.

Strato fisico di sessione.

Strato fisico di presentazione.

Strato fisico di applicazione.

Tra i sistemi operativi di rete, il primo posto tocca al sistema Netware. Esso permette la connessione tra personal computer, secondo lo schema client/server, e la condivisione di risorse.

La sua diffusione però si sta riducendo a favore della nuova soluzione Microsoft Windows NT. Però sono esistite anche vari tipi di reti come per esempio la rete Ethernet.

Esso è il primo esempio di rete locale del tipo CSMA/CD. Prevedeva l'utilizzo di un semplice cavo coassiale passivo che rappresentava il mezzo di comunicazione. Tale cavo è spesso individuato come cavo giallo. La sua efficienza è strettamente legata alla lunghezza dei pacchetti da inviare.

Il pacchetto di dati che viaggia nella rete è strutturato in:

Blocco intestazione, che contiene l'indirizzo del nodo sorgente e destinatario.

Blocco dati, che contiene gli elementi di controllo della rete.

Blocco finale, che serve a chiudere il pacchetto.

Poi si è avuta la diffusione della rete Token Ring che è un buon esempio di rete aperta.