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Progettare strutture di rete: dal cablaggio alla virtualizzazione

Topologie di rete La topologia definisce la struttura di una rete. Ci sono due topologie: • la topologia fisica, riguarda il collegamento dei cavi, ossia come i nodi sono interconnessi tramite canali; • la topologia logica, riguarda il modo in cui i dati fluiscono nella rete, ossia il percorso che compiono. 3

Topologia Fisica Ricadono sotto la topologia fisica: Topologia a bus Topologia ad anello Topologia a stella Topologia gerarchica Topologia a maglia completa Topologia a maglia parziale 4

Topologia a bus La topologia a bus usa un singolo backbone (linea principale), detto bus a cui si collegano tutti gli host, alle due estremità del cavo è collocata una resistenza terminale, detta terminatore: 5

Topologia a bus, C=1 La topologia a bus è definita da un grafo formato da un insieme di vertici, che rappresentano i nodi (N), e da un insieme di archi che rappresentano i canali trasmissivi (C). Dal punto di vista del grafo è una topologia a basso costo, esiste un solo canale che collega tutti i nodi: C = 1, infatti esiste un solo percorso possibile tra ogni coppia di nodi. I segnali passano lungo i cavi tra i due terminatori e vengono controllati da tutti gli host connessi al bus: SOLO se l’indirizzo di destinazione del messaggio coincide con quello dell’host, il messaggio viene ricevuto ed elaborato dall’host. Si tratta quindi di una trasmissione di tipo broadcast. 6

Il punto debole della topologia a bus Se un host non funziona la rete continua a funzionare. Il cavo è il punto debole di questa topologia in quanto un guasto su di esso provoca il malfunzionamento dell’intera rete. Inoltre, NON è possibile avere due trasmissioni in contemporanea. Questa topologia è tipica delle reti locali e metropolitane. È stata molto usata in passato, attualmente non è più realizzata fisicamente, ma resta valida come topologia logica. 7

Topologia ad anello Nella topologia ad anello (ring) un cavo collega un host al precedente e al successivo creando un circuito di rete continuo su cui sono trasmessi i dati. 8

Anello unidirezionale e bidirezionale La topologia ad anello può essere: • C = N/2 se l’anello è unidirezionale, infatti per ogni coppia di nodi esiste un solo percorso possibile; • C = N se l’anello è bidirezionale, infatti per ogni coppia di nodi esistono due percorsi possibili. In caso di guasto, l’anello bidirezionale consente alla rete di continuare a funzionare, anche se con una capacità dimezzata. Questa topologia è usata nelle reti locali e, soprattutto, in quelle metropolitane. 9

Topologia a stella Nella topologia a stella tutti gli host sono collegati a un punto centrale, detto centro stella, che di solito è un hub, uno switch o un elaboratore, e costituisce il punto di connessione comune in modo che i computer siano in comunicazione l’uno con l’altro. 10

Topologia a stella, C=N Il numero di canali è pari al numero di nodi: C = N, in quanto il centro stella non è considerato un nodo del grafo. 11

Vantaggi e svantaggi topologia a stella Anche se questa topologia porta a un aumento del numero dei cavi essa offre notevoli vantaggi in termini di: • fault-tolerance (tolleranza ai guasti): il guasto di un canale o nodo della rete NON ne compromette il funzionamento generale; • flessibilità ed espandibilità: infatti lo spostamento di un host da un punto a un altro della rete o l’inserimento di uno nuovo NON richiedono il fermo della rete; • semplicità di gestione. Per contro è vulnerabile nel centro della stella: se l’apparato che svolge questo ruolo si guasta, la rete smette di funzionare. È usata nelle reti locali, nelle reti satellitarie e in quelle radio. 12

Topologia gerarchica La topologia gerarchica collega più topologie a stella: È la più usata nelle moderne reti locali. 13

Topologia a maglia completa Nella topologia a maglia completa ogni nodo è collegato con tutti gli altri. Si usa quando si vuole che non ci siano assolutamente interruzioni. È completamente fault-tolerance, un guasto a un nodo o a un canale NON interrompe il funzionamento della rete, poiché esistono molti percorsi tra i nodi: 14

Topologia a maglia completa, C=N(N-1)/2 Dal punto di vista del grafo vale: C = N(N–1)/2. La topologia a maglia è tipicamente usata nelle reti geografiche per connettere pochi nodi, cruciali per la comunicazione a livello nazionale. L’elevato numero di canali richiesti la rende poco economica all’impiego nelle reti locali o metropolitane. 15

Topologia a maglia parziale La topologia a maglia parziale è simile a quella a maglia completa, ma con un numero inferiore di canali, infatti alcuni nodi NON sono connessi con tutti gli altri: 16

Caratteristiche maglia parziale La topologia a maglia parziale mantiene una buona tolleranza ai guasti e ha il vantaggio di lasciare libero il progettista nella scelta del numero di canali da usare. Dal punto di vista del grafo vale: (N–1) < C < N(N–1)/2, inoltre si dovrà operare una scelta del percorso “migliore” da seguire, tra tutti i possibili. Questa topologia di rete è la più usata nelle reti geografiche. 17

Topologia logica La topologia logica di una rete indica come gli host comunicano tra loro: I due tipi più comuni di topologia logica sono: • broadcast: significa che ogni PC manda i dati a tutti gli altri, non ci sono regole sull’ordine da seguire per usare la rete; • token passing: permette l’accesso passando un token (gettone) sequenzialmente da un PC all’altro. Quando un PC ha il token può trasmettere i dati. 18

Apparati di rete La necessità di segmentare la rete in subnet per migliorarne l’efficienza e aumentarne la flessibilità, comporta l’utilizzo di: • apparati per la parte cablata (scheda di rete, repeater, hub, bridge e switch); • apparati per il WiFi (access point e wireless terminal); • dispositivi per la connessione alla rete geografica (router e gateway). 19

Apparati della rete cablata, scheda di rete La scheda di rete (NIC, Network Interface Card) è un circuito stampato che collega l’host al cavo. È chiamata anche LAN adapter. Ogni scheda di rete è identificata da un codice univoco (il MAC address). Attualmente la NIC si trova integrata nella scheda madre del computer; nel caso in cui, per esempio, si volesse installare una seconda interfaccia di rete si può ricorrere a una NIC in formato PCIe, per i computer desktop, o in formato PC Card o USB, per i computer notebook 20

Apparati della rete cablata, repeater Un segnale che transita su un supporto fisico tende ad attenuarsi dopo una certa distanza, oltre a essere distorto a causa del rumore, è quindi necessario rigenerare il segnale tramite dei repeater. Il repeater serve quindi a estendere la lunghezza del canale trasmissivo su LAN omogenee. Per una rete LAN Fast Ethernet vale la regola dei 4 ripetitori: tra 2 host non possono esserci più di 4 ripetitori, questo per evitare la latenza, cioè il ritardo con cui un segnale arriva a destinazione. Una latenza troppo alta rende la rete meno efficiente. 21

Apparati della rete cablata, hub Gli hub sono dei repeater multiporta, e in genere possiedono da 4 a 24 porte. L’hub ha il compito di ricevere le informazioni dai vari nodi presenti sulla rete e di inoltrarle agli altri nodi collegati alle sue porte. L’hub non è in grado di verificare quale sia il reale destinatario di tali dati, per cui li invia su tutte le porte tranne a quella da cui sono arrivati (modalità broadcast). Saranno gli stessi dispositivi riceventi a valutare se i dati inviati dall’hub siano o meno di loro pertinenza. Tale operazione, oltre a provocare un traffico sulla rete, crea anche incertezze sulla sicurezza dei dati stessi. Infatti, tutte le informazioni potranno essere lette anche dai dispositivi a cui non sono destinate. 22

Apparati della rete cablata, tre tipi di hub Ci sono 3 tipi di hub: • passivi: servono solo come punto di connessione fisica, non vedono i dati che passano. Essendo passivi non necessitano di alimentazione elettrica; • attivi: hanno bisogno di alimentazione elettrica per amplificare e ripulire i segnali che arrivano e trasmetterli sulle altre porte; • intelligenti: chiamati anche smart hub, funzionano come gli hub attivi ma al loro interno hanno un microprocessore che fornisce informazioni di diagnostica. Sono più costosi degli hub attivi ma sono utili nelle situazioni di troubleshooting (ricerca del guasto). 23

Apparati della rete cablata, i bridge I bridge sono dispositivi che permettono di collegare tra loro reti differenti purché utilizzino lo stesso protocollo. Rendono possibile la suddivisione di grosse reti creando delle sottoreti in modo da facilitare la gestione e il controllo delle stesse. Possono anche permettere la creazione di macroreti partendo da reti locali già esistenti. È possibile in questo modo creare delle reti dipartimentali che verranno poi inglobate nell’unica rete aziendale. 24

Apparati della rete cablata, gli switch Uno switch si può definire come un bridge a 24, 32 o più porte. Dovendo decidere su più porte, uno switch è un bridge intelligente. Uno switch è in grado di analizzare il contenuto di un pacchetto di dati ricevuto e di inoltrarlo SOLO al reale destinatario. Uno switch permette più comunicazioni in parallelo, infatti durante la comunicazione collega solo le due porte interessate, per cui ci possono essere più colloqui contemporanei con conseguente aumento della bandwidth totale. Esistono modelli di switch di tipo “ibrido” ossia con porte che usano differenti velocità, per esempio porte 10/100 e porte 1000 Mbps. 25

Apparati per la parte wireless I dispositivi che costituiscono le reti wireless sono due: • Wireless Terminal (WT): dispositivi mobili (notebook, net-book, tablet, palmari, cellulari, smartphone ecc.) dotati di interfaccia 802.11 integrata o su schede PCMCIA o USB, oppure fissi (personal computer) con schede PCI o adattatori USB. • Access Point (AP): hanno un doppio scopo, da un lato sono bridge che collegano la parte cablata (wired) con la parte wireless, dall’altro consentono ai WT di collegarsi alla rete wireless (agiscono quindi da gateway). 26

Dispositivi connessione rete geografica, router Reti diverse parlano “linguaggi” diversi quindi, a livello di trasmissione fisica, di accesso e di controllo, per collegare tra loro due reti non è sufficiente metterle in comunicazione tramite un bridge o uno switch. È necessario, invece, che tra una rete e l’altra venga posto un apposito dispositivo, il router, che parli i protocolli di entrambe le reti e provveda a leggere, tradurre e rispedire (store and forward) i dati che lo attraversano. È il dispositivo utilizzato per permettere l’accesso di tutti i computer di una rete LAN a un’altra rete (per esempio a Internet). Le due attività principali di un router sono: • scegliere il percorso migliore; • mettere i pacchetti sull’interfaccia in uscita corretta. 27

Elementi di un router Il router è un computer dedicato all’instradamento dei pacchetti, necessita quindi di: • Sistema operativo • Almeno due schede di rete • CPU • RAM • Memoria Flash • NVRAM • Bus • ROM • Interfacce: sono le schede di rete del router usate per le connessioni verso l’esterno; generalmente sono di 3 tipi: LAN, WAN, gestionale. 28

Dispositivi connessione rete geografica, gateway I gateway lavorano sia a livello di rete sia a livello delle applicazioni che usano la rete. Sono sistemi che mettono in comunicazione due reti che usano differenti protocolli. Sono a tutti gli effetti dei router; la differenza è che nei gateway si aggiungono nuove funzionalità: • Per esempio si possono introdurre caratteristiche di sicurezza che rendono il router anche firewall. • Può essere implementato completamente in hardware o completamente in software o un misto di entrambe le soluzioni. • Spesso svolgono funzionalità per le applicazioni di rete, per esempio possono agire come proxy server per i servizi di connessione a Internet, oppure come traduttore per i servizi di posta elettronica. 29

Cablaggio strutturato Il progressivo aumento della complessità dei collegamenti ha reso necessaria la creazione di regole ben precise per la realizzazione dei collegamenti stessi, che devono quindi soddisfare diversi criteri: • affidabilità • semplicità realizzativa • contenimento dei costi • flessibilità • rispetto degli standard normativi L’insieme delle regole che portano a soddisfare i criteri sopra elencati è detto cablaggio strutturato. 30

Specifiche della rete ISO/IEC 11801 (International Organization for Standardization/International Electrotechnical Commission) è lo standard internazionale per il cablaggio per le telecomunicazioni che seguiremo nella realizzazione della rete. La topologia fisica utilizzata sarà quella a stella estesa di tipo gerarchico. La topologia logica è di tipo a bus. Il cablaggio si suddivide in due tipi: • verticale (VCC = Vertical Cross-Connect), anche detto cablaggio di dorsale; • orizzontale (HCC = Horizontal Cross-Connect). 31