Sistemi e Tecnologie della Comunicazione Lezione 2: architettura delle reti e modello OSI

Standardizzazione Una tecnologia di interesse prima o poi viene prodotta a livello industriale L’esistenza di diversi produttori con implementazioni indipendenti ed incompatibili genera caos La definizione di standard e’ indispensabile: per poter far cooperare oggetti di produttori diversi perche’ aumenta il mercato dei prodotti che aderiscono allo standard Esistono standard de jure e de facto

ITU International Telecommunication Union Nasce come esigenza di definire uno standard per le telecomunicazioni tra i diversi paesi gia’ nel 1865 (prima telegrafia, poi telefonia) Nel 1947 diviene organismo delle Nazioni Unite Diviso in tre settori: ITU-R (comunicazioni radio) ITU-T (telecomunicazioni, noto fino al 1993 come CCITT) ITU-D (ricerca e sviluppo)

ITU (2) Costituito essenzialmente da governi nazionali e membri di settore (societa’ telefoniche, produttori di hardware, produttori di servizi nel settore) Ministreo delle Comunicazioni, FastWeb, Alcatel, TIM, Telecom Italia, Vodafone Omnitel, Wind Produce delle raccomandazioni (suggerimenti che i governi possono adottare o meno) ma spesso diventano standard riconosciuti Esempi: V.24 (EIA RS-232): comunicazione via porta seriale CCITT X.25: standard per la comunicazione dati di tipo circuit switching V.90: standard per la comunicazione via modem a 56 Kbps

ISO International Standard Organization Organizzazione che produce e pubblica gli standard internazionali (su tutto) Membri: gli organismi di standardizzazione nazionali dei paesi membri (89 nel 2004) ANSI (per gli USA) uno dei membri principali UNI (Ente Nazionale Italiano di Unificazione) per l’Italia

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers La piu’ grossa organizzazione professionale del mondo Sviluppa ricerca e produce standards nei settori di ingegneria elettrica e computers I suoi standard spesso vengono adottati come standard internazionali. Ad es., sulle reti locali: IEEE (Ethernet) IEEE (Token ring) IEEE (Comunicazione wireless)

Modello OSI Nel 1977 l’ISO ha costituito un gruppo che producesse uno standard universale per le architetture di rete Il modello e’ stato pubblicato nel 1983 col nome OSI (Open System Interconnection) Lo scopo e’ quello di definire una architettura (strati, protocolli, interfacce) in modo sufficientemente preciso da consentire implementazioni indipendenti ma interoperanti

Architettura di rete Una rete e’ costituita da componenti hardware (cavi, interfacce, circuiti integrati, processori, RAM,…) e componenti software (per la implementazione di algoritmi finalizzati al trasferimento dei dati non realizzabili in hardware). L’architettura di una rete definisce le specifiche con cui si vuole realizzarla Per ridurre la complessita’ del problema lo si spezza in parti Si definisce l’insieme di compiti che ogni parte deve eseguire Si definiscono i meccanismi con cui le diverse parti interagiscono tra loro Si maschera la implementazione di ciascuna parte alle altre parti

Architettura stratificata Una strutturazione ritenuta idonea per una architettura di rete e’ la stratificazione La rete viene strutturata in livelli (strati, o layer), visti come una pila di oggetti (stack) Ciascuno strato ha come compito quello di fornire un servizio allo strato superiore. La definizione delle regole di accesso ai servizi offerti da uno strato costituisce la interfaccia tra quello strato e lo strato superiore, ed e’ l’unica cosa che lo strato superiore deve conoscere Ciascuno strato realizza i servizi per lo strato superiore comunicando logicamente con lo strato paritario del nodo remoto, attraverso un insieme di regole dette protocollo. Lo scambio di dati con lo strato paritario viene realizzato fisicamente utilizzando i servizi dello strato sottostante.

Schema del modello OSI

Livelli OSI: fisico (1) Lo strato fisico si occupa della trasmissione dei bit sul mezzo trasmissivo e comprende i dispositivi hardware necessari alla connessione Definisce le grandezze fisiche utilizzate e le regole di handshaking (controllo del flusso) Problemi tipici di questo livello sono: la codifica (i valori delle tensioni, la durata dei bit) proprieta’ meccaniche dei connettori specifiche elettriche dei circuiti dell’interfaccia Fanno parte di questo livello le tecnologie RS232, Ethernet, Token Ring e I protocolli dei modem.

Livelli OSI: fisico (1) Mezzo trasmissivo cavo: materiale (metallo, vetro), struttura (rivestimento, schermatura, numero di conduttori), lunghezza, sezione, attenuazione, impedenza, diafonia, connettori, raggi di curvatura, tecniche di posa, etc. etere: antenna (tipo, forma, guadagno), forma dei lobi, distanza da ostacoli, etc. Segnali frequenza, tensione, potenza, codifica, modulazione (in banda base, di fase, di frequenza, di ampiezza), etc.

Livelli OSI: data link (2) Lo strato di data link raggruppa i bit ricevuti dal livello superiore di rete in gruppi di bit detti Frame e viceversa in ricezione. Trasforma una trasmissione di bit grezzi tra nodi adiacenti in una linea di trasmissione con controllo di errore (analisi) Esegue funzioni quali divisione dei dati in frame controllo degli errori conferma della ricezione (acknowledge) controllo del flusso (handshacking) controllo di accesso al mezzo trasmissivo (indirizzo MAC: Medium Access Control della scheda di rete) Frame delimitazione, ordinamento dei bit, suddivisione in campi, indirizzi, etc. Rilevazione e correzione errori FCS (Frame Control Sequence), codici di correzione di errore, ritrasmissione, etc.

Livelli OSI: rete (3) Lo strato di rete (network) determina il modo in cui I framevengono instradati dal trasmettitore al ricevitore (routing o instradamento dei dati) ricercando I percorsi migliori Funzioni caratteristiche sono: suddivisione dei dati in pacchetti indirizzamento dei nodi della rete (Indirizzo IP) recapito a destinazione (su quale canale uscente inoltrare i dati provenienti da un canale), solitamente basandosi su tabelle modalita’ di definizione ed aggiornamento delle tabelle controllo della congestione, dei ritardi, dei tempi di transito Algoritmi di instradamento definizione della topologia della rete calcolo del percorso su base locale e/o globale, riconfigurazione in caso di guasti, etc.

Livelli OSI: trasporto (4) Lo strato di trasporto provvede al trasferimento dei messaggi senza che gli utenti, ovvero i livelli superiori, debbano essere a conoscenza della sua struttura. Procede in tre fasi: - realizzazione della connessione - trasferimento dei dati - rimozione della connessione E’ il primo protocollo end-to-end - Affidabilita' tutti I frame arrivano a destinazione, in copia unica e in ordine - Trasparenza: "forma" dell'informazione qual'era alla sorgente conservata a destinazione - Ottimizzazione: traffico riparito sui canali disponibili, prevenzione della congestione della rete

Livelli OSI: sessione (5) Lo strato di sessione si occupa di negoziare la connessione tra i due nodi (login session) e fissare i parametri del colloquio (velocità, controllo errori, tipo di trasferimento simplex, half-duplex o full-duplex, ecc.) controllo su quale delle due parti abbia diritto di trasmettere supervisione di una connessione lunga con eventuale ripristino della connessione in caso di fallimento del livello sottostante Dialogo e sincronizzazione tra programmi applicativi nell’utilizzo delle risorse condivise

Livelli OSI: presentazione (6) Il livello di presentazione determina il modo con cui le informazioni appaiono all’utente, controllandone la sintassi e la semantica, cioè eseguendo conversione di codici e di formati da un sistema operativo all’altro codifiche differenti dei dati (ASCII/EBCDIC, …) ASCII: American National Standard Code for Information Interchange EBCDIC: Extended Binary Coded Decimal Interchange Code compressione dei dati crittografia dei messaggi per ragioni di sicurezza

Livelli OSI: applicazione Il livello di applicazione si occupa di fornire agli utenti I mezzi per accedere alle reti funzionando da interfaccia tra il sistema di elaborazione dati e il mondo esterno Compiti: definire i servizi attraverso cui l'utente utilizza la rete, con tutte le relative interfacce di accesso - Servizi di utente terminale, trasferimento di file, posta elettronica, browser web, applicazioni Client-Server (Database), etc. - Servizi di sistema operativo localizzazione di risorse, sincronizzazione degli orologi tra sistemi diversi, controllo di diritti di accesso, etc.

L’interfaccia L’interfaccia tra due strati adiacenti definisce le modalita’ con cui lo strato superiore puo’ usufruire dei servizi offerti allo strato inferiore L’interfaccia e’ specificata dalla definizione di servizi, che istruiscono lo strato inferiore ad eseguire determinate azioni nel caso di implementazioni software, le primitive di servizio sono di fatto chiamate a funzione, ed i parametri sono gli argomenti delle funzioni

Flusso dei dati Ogni livello organizza la sua comunicazione come se avvenisse direttamente con il processo paritario, secondo il protocollo (flusso virtuale). I dati in realta’ scorrono dal livello superiore al livello inferiore nel nodo che trasmette, ed in senso inverso nel nodo che riceve Il livello N accede quindi ai servizi dello strato N-1 per inviare i dati al processo paritario N sul nodo remoto

Strato 1 Strato 2

Interfacce

Schema del modello OSI Pacchetto Frame Bit Messaggio

Dispositivi d’interconnessione e ISO/OSI Host AHost B

Protocollo ISO/OSI Dati da trasferire Livello 7 Livello 6 Livello 5 Livello 4 Livello 3 Livello 2 Livello 1 Al nodo destinazione

Fine

Architettura di rete Una rete e’ costituita da componenti hardware (cavi, interfacce, circuiti integrati, processori, RAM,…) e componenti software (per la implementazione di algoritmi finalizzati al trasferimento dei dati non realizzabili in hardware). L’architettura di una rete definisce le specifiche con cui si vuole realizzarla Per ridurre la complessita’ del problema lo si spezza in parti Si definisce l’insieme di compiti che ogni parte deve eseguire Si definiscono i meccanismi con cui le diverse parti interagiscono tra loro Si maschera la implementazione di ciascuna parte alle altre parti

Architettura stratificata Una strutturazione ritenuta idonea per una architettura di rete e’ la stratificazione La rete viene strutturata in livelli (strati, o layer), visti come una pila di oggetti (stack) Ciascuno strato ha come compito quello di fornire un servizio allo strato superiore. La definizione delle regole di accesso ai servizi offerti da uno strato costituisce la interfaccia tra quello strato e lo strato superiore, ed e’ l’unica cosa che lo strato superiore deve conoscere Ciascuno strato realizza i servizi per lo strato superiore comunicando logicamente con lo strato paritario del nodo remoto, attraverso un insieme di regole dette protocollo. Lo scambio di dati con lo strato paritario viene realizzato fisicamente utilizzando i servizi dello strato sottostante.

Definizione della architettura L’architettura della rete si realizza con la - definizione degli strati (partizionamento delle funzionalità) - dei protocolli (come comunicano i processi paritari) - delle interfacce tra gli strati (quali servizi offre uno strato allo strato superiore e come lo strato superiore accede allo strato inferiore)

Lo strato Uno strato e’ definito quando sono definite le sue funzioni Uno strato puo’ occuparsi dello scambio dei dati tra due applicazioni, senza occuparsi di questioni relative al modo in cui i dati debbano viaggiare sulla rete, o alla codifica dei dati Un altro strato puo’ occuparsi di come recapitare i dati attraverso i vari nodi della sottorete, senza occuparsi ne’ del significato dei dati, ne’ del modo in cui vanno codificati i bit sul mezzo trasmissivo Un terzo strato puo’ infine occuparsi della comunicazione tra nodi adiacenti, senza preoccuparsi di quale sia il destinatario finale dei dati, ne’ del significato dei dati stessi

Il protocollo Un protocollo e’ un insieme di regole che definiscono la comunicazione tra due (o piu’) entita’ (host, dispositivi, file, ecc.) Esempio: protocollo per trasferimento di file (FTP) il client comunica al server “voglio trasferire un file” ed attende la risposta dal server il server risponde “e tu chi sei?” ed attende la comunicazione dal client il client invia lo username il server risponde non sei autorizzato dammi la password nel primo caso il client chiude, nel secondo invia la password il client comunica il nome del file che vuole trasferire il server fornisce il file il client legge il file e lo copia localmente alla fine il server chiude la comunicazione

Protocol Data Unit (PDU) Il protocollo definisce quindi le modalita’ con cui due entita’ comunicano Generalmente un protocollo prevede lo scambio di dati e di informazioni di controllo per gestire la comunicazione; ad esempio: informazioni di controllo per negoziare le caratteristiche della comunicazione (la dimensione dei pacchetti, la velocita’, …) informazioni di riscontro (acknowledge) sulla ricezione dei dati Il pacchetto unitario (dati o informazioni di controllo) che si scambiano due strati pari e’ detto PDU

Il servizio Il servizio offerto da uno strato allo strato superiore definisce cosa lo strato superiore puo’ ottenere dallo strato inferiore; ad esempio: servizio di recapito dei dati (affidabile o non affidabile) servizio orientato alla connessione o connection less lo strato puo’ implementare il controllo di flusso servizi di comunicazione multicast o broadcast Il servizio e’ sostanzialmente la definizione di un rapporto client-server, dove il client e’ lo strato superiore ed il server e’ lo strato inferiore

Servizi orientati alla connessione La comunicazione si sviluppa in tre fasi: attivazione della connessione: in questa fase non ci si scambiano “dati”, ma si eseguono le operazioni necessarie al successivo scambio di dati (si allocano le risorse, ci si accorda sulle modalita’ di comunicazione, eventualmente si rifiuta la connessione, …) trasferimento dati: non e’ necessario che i dati siano indirizzati, in quanto la loro destinazione e’ determinata dall’appartenenza ad una connessione. rilascio della connessione: il rilascio lo si fa in modo che entrambi i lati della connessione siano consapevoli di cio’, e rilascino le risorse L’esempio classico di servizio connection oriented e’ la commutazione di circuito telefonica

Servizi non orientati alla connessione (connectionless) La comunicazione non prevede una fase iniziale, ne’ una fase finale: i dati vengono inviati alla controparte senza sapere se e’ pronta a riceverli. Ogni blocco di dati deve riportare l’indirizzo del destinatario e del mittente Esempio di servizio non orientato alla connessione: i pacchetti trasmessi su Internet identificati dall’indirizzo IP.

Qualita’ del servizio Servizio affidabile garantisce che i dati arrivino correttamente a destinazione, nell’ordine giusto il servizio connection less puo’ implementare un servizio affidabile utilizzando riscontri sulla ricezione (esempio: posta raccomandata). Il meccanismo dei riscontri (ed eventuale ritrasmissione dei dati) introduce ritardi nella ricezione dei dati Servizio inaffidabile non si occupa di garantire la riuscita del trasferimento dei dati, o dell’ordinamento degli stessi: qualora fosse necessario, si occuperanno della cosa gli strati superiori.

Qualita’ del servizio (2) I servizi orientati alla connessione si possono classificare: flusso affidabile di messaggi (servizio affidabile orientato al messaggio: una sequenza di pagine di un libro, fax) flusso affidabile di byte (servizio affidabile orientato al byte: trasferimento file) connessione inaffidabile (servizio non affidabile: telefonia) I servizi non orientati alla connessione si possono classificare: servizio di datagramma inaffidabile (servizio inaffidabile: accesso ad un database) servizio di datagramma affidabile (protocolli di data link layer)

Schema del modello OSI

Fine