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Lo scopo principale di una rete di calcolatori è la condivisione di informazioni e risorse (sia hardware che software). In altre parole è un sistema che fornisce servizi relativi al trasferimento di informazioni ad una popolazione di utenti distribuiti geograficamente.
Le reti di calcolatori generano traffico di tipo fortemente impulsivo, a differenza del telefono, e per questo hanno dato origine - e usano tuttora - la tecnologia delle commutazione di pacchetto.
La comunicazione di reti di calcolatori può essere fatta risalire alla necessità di condividere le risorse di calcolatori potenti e molto costosi (mainframe). La tecnologia delle reti, insieme all'emergere dei computer personali a basso costo, ha poi permesso rivoluzionari sviluppi nell'organizzazione delle risorse di calcolo.
Si possono indicare almeno tre punti di forza di una rete di calcolatori rispetto al mainframe tradizionale:
1. fault tolerance (resistenza ai guasti): il guasto di una macchina non blocca tutta la rete, ed è possibile sostituire il computer guasto facilmente (la componentistica costa poco e un'azienda può permettersi di tenere i pezzi di ricambio a magazzino);
2. economicità: come accennato sopra, hardware e software per computer costano meno di quelli per i mainframe;
3. gradualità della crescita e flessibilità: l'aggiunta di nuove potenzialità a una rete già esistente e la sua espansione sono semplici e poco costose.
Tuttavia una rete ha alcuni punti deboli rispetto a un mainframe:
1. scarsa sicurezza: un malintenzionato può avere accesso più facilmente ad una rete di computer che ad un mainframe: al limite gli basta poter accedere fisicamente ai cablaggi della rete. Inoltre, una volta che un virus o, peggio, un worm abbiano infettato un sistema della rete, questo si propaga rapidamente a tutti gli altri e l'opera di disinfezione è molto lunga, difficile e non offre certezze di essere completa;
2. alti costi di manutenzione: con il passare del tempo e degli aggiornamenti, e con l'aggiunta di nuove funzioni e servizi, la struttura di rete tende ad espandersi e a diventare sempre più complessa, e i computer che ne fanno parte sono sempre più eterogenei, rendendo la manutenzione sempre più costosa in termini di ore lavorative. Oltre un certo limite di grandezza della rete (circa 50 computer) diventa necessario eseguire gli aggiornamenti hardware e software su interi gruppi di computer invece che su singole macchine, vanificando in parte il vantaggio dei bassi costi dell'hardware.
A seconda dell'estensione geografica, si distinguono diversi tipi di reti:
si parla di rete personale o PAN (Personal area network) se la rete si estende intorno all'utilizzattore con una estensione di alcuni metri
si parla di rete locale o LAN (Local area network) se la rete si estende all'interno di un edificio o di un comprensorio, con una estensione entro alcuni chilometri
si parla di rete senza fili o WLAN (wireless local area network), se la rete locale è basata su una tecnologia in radio frequenza (RF), permettendo la mobilità all'interno dell'area di copertura, solitamente intorno al centinaio di metri all'aperto
si parla di rete metropolitana o MAN (metropolitan area network) se la rete si estende all'interno di una città
si parla di rete geografica o WAN (wide area network) se la rete si estende oltre i limiti indicati precedentemente
Talvolta si parla anche di CAN (campus area network), intendendo la rete interna ad un campus universitario, o comunque ad un insieme di edifici adiacenti, separati tipicamente da terreno di proprietà dello stesso ente, che possono essere collegati con cavi propri senza far ricorso ai servizi di operatori di TLC. Tale condizione facilita la realizzazione di una rete di interconnessione ad alte prestazioni ed a costi contenuti.
Sulle classiche reti su doppino telefonico (dette anche POTS, Plain Old Telephone System) è possibile realizzare reti con diverse tecnologie:
·
Usare
modem per
codificare segnali digitali sopra le comuni linee telefoniche analogiche.
la velocità è limitata a circa 56 Kbit/secondo, con l'adozione di modem
client e server che supportano la versione V92 dei protocolli di
comunicazione per modem. Questo protocollo incorpora funzioni di
compressione del flusso di bit trasmesso, quindi la velocità effettiva
dipende dalla comprimibilità dei dati trasmessi. Il grande vantaggio di
questa tecnologia è che non richiede modifiche alla rete distributiva
esistente.
Le
reti ISDN
portano tipicamente a casa dell'utente due canali telefonici in tecnologia
digitale. La tecnologia ISDN è ormai molto diffusa nei paesi sviluppati.
Usandola per la trasmissione dati, arrivano ad una velocità massima di
128 Kbit/secondo, senza compressione, sfruttando in pratica due
connessioni dial-up in parallelo, possibili solo con determinati provider.
La velocità su un singolo canale è invece limitata a 64 Kbit/secondo.
Le linee ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) richiedono l'installazione di nuovi apparati di commutazione nelle centrali telefoniche, chiamati DSLAM, e l'utilizzo di filtri negli impianti telefonici domestici per separare le frequenze utilizzate per la trasmissione dati da quelle per la comunicazione vocale. La loro diffusione sul territorio è limitata dai costi, che la rendono conveniente solo nelle aree maggiormente sviluppate. ADSL è l'ultimo sviluppo sull'infrastruttura esistente di doppino telefonico. Durante la connessione tramite ADSL è possibile continuare a utilizzare il telefono in quanto le frequenze della voce e dei dati non si sovrappongono. Questa tecnologia è inoltre chiamata Asimmetric in quanto le velocità di download e di upload non sono uguali: in Italia sono tipicamente pari a 4 Mbit/secondo in download e 512 Kbit/secondo in upload, ma per certi abbonamenti la velocità di download può arrivare anche a 12 Mbit/secondo, o anche di più usando tecnologie di punta e reti di distribuzione di ottima qualità. Il doppino di rame presenta l'inconveniente di attenuare i segnali, e non permette il funzionamento di questa tecnologia per distanze superiori ai 5 Km circa. In alcuni casi è anche possibile un'ulteriore riduzione della distanza massima dovuta a interferenze esterne che riducono il rapporto segnale/rumore. Un'altra limitazione importante è data dall'interferenza "interna", che si verifica quando molte utenze telefoniche sullo stesso cavo di distribuzione utilizzano il servizio ADSL. Questo fa si che non si possa attivare il servizio ADSL su più di circa il 50% delle linee di un cavo di distribuzione
Per superare queste velocità, l'infrastruttura di distribuzione basata sul doppino dovrà essere sostituita da supporti fisici più performanti.
Tra i candidati a sostituire il doppino per la distribuzione domestica dei servizi di telecomunicazioni, si possono citare:
le
fibre
ottiche:
le
infrastrutture della TV
via cavo (diffusa soprattutto negli USA)
il
trasporto di dati sulla rete
elettrica
le
reti wireless
le
reti satellitari
(che però sono tipicamente unidirezionali, dal satellite alla casa
dell'utente, mentre il canale di ritorno deve essere realizzato con altre
tecnologie, spesso su doppino telefonico.
Le LAN supportano invece velocità di 10/100 Mbit/s, o anche 1 Gbit/s, su cavi in rame dalle caratteristiche adeguate (CAT5 o superiore), o su fibra ottica.
Con tecnologie più costose, tipicamente utilizzate dai providers, si raggiungono velocità di 40 Gbit/s per il singolo link su fibra ottica.
Su una singola fibra è poi possibile inviare molteplici segnali attraverso una tecnica di multiplazione chiamata (Dense) Wave Division Multiplexing ((D)WDM), o Multiplazione di Lunghezza d'Onda, che invia segnali ottici differenti a diverse lunghezze d'onda (in gergo, colori). Il numero di segnali indipendenti trasportabile va dai 4 o 16 dei relativamente economici impianti (Coarse)WDM alle centinaia degli impianti DWDM più avanzati.
La più veloce rete in Europa è la rete che raggiunge l'ordine di 2 Gigabit/secondo ed ha allo studio velocità maggiori di 100 gigabit/secondo propri di una rete fotonica, semplicemente "colorando" le cariche elettriche in transito per codificare più bit con la stessa carica.
In America il progetto Internet 2 cui collaborano la Nasa, la difesa e le università americane connette già molti campus alla velocità di 2 gigabit/secondo (disponibili anche per studenti), con miglioramenti di TCP/IP per poter sfruttare alte velocità di trasmissione, e permetterà di far transitare in rete il controllo dei satelliti civili, dello scudo spaziale, aerei comandati a distanza, testate nucleari e l'intera infrastruttura militare.
Due sono le topologie principali, in base alla tecnologia assunta come modalità per il trasferimento dei dati: reti punto a punto e reti broadcast.
Le reti punto a punto (point-to-point) consistono in un insieme di coppie di elaboratori connessi tra loro in vario modo (stella, anello, albero, grafo completo, anelli secanti ecc.). Per passare da una sorgente ad una destinazione, l'informazione deve attraversare diversi elaboratori intermedi. La strada che i dati devono seguire per arrivare correttamente a destinazione, è data dagli algoritmi di routing. Il routing è l'insieme delle problematiche relative al corretto ed efficace instradamento sulla rete dei dati.
Le reti broadcast invece sono formate da un unico mezzo fisico condiviso da più elaboratori, dove i messaggi inviati da un elaboratore vengono ricevuti da tutti gli altri. Ovviamente all'interno del messaggio vi è una parte relativa all'indirizzo del destinatario, in modo che tutte le altre macchine in ascolto possano scartare il messaggio in arrivo. Alcune reti prevedono indirizzi speciali di tipo broadcast e multicast. Il broadcast permette di inviare messaggi a tutte le stazioni collegate al mezzo fisico, mentre il multicast permette di farlo solo ad un gruppo di stazioni, ma non a tutte. Un esempio di una tale rete è la comunissima Ethernet.
Le moderne reti broadcast sono realizzate con una topologia fisica a stella (point-to-point), in cui tutti gli elaboratori sono connessi ad un punto di concentrazione, dove un apparato attivo (switch) o passivo (hub) crea l'illusione che siano tutti connessi allo stesso mezzo fisico.
Come sappiamo, le reti di calcolatori si basano su una multiplazione dinamica a commutazione di pacchetto, a differenza delle reti telefoniche che invece utilizzano una multiplazione statica a commutazione di circuito. Tra le reti a commutazione di pacchetto però è fondamentale operare una distrinzione tra:
Reti orientate alla connessione (dette anche Reti con comm. di etichetta);
Nelle reti con connessione, i percorsi che il pacchetto seguirà attraverso la rete sono prestabili e sono sempre gli stessi (si veda la vicinanza, sotto questo punto di vista, alle reti a commutazione di circuito), e si basano su un canale, stavolta non fisico (come nelle reti telefoniche) ma "virtuale". Per comprendere meglio il concetto di canale virtuale si pensi a due elaboratori A e B che devono cominicare tra loro. A e B all'interno della rete non sono collegati tra loro, quindi è necessario che i pacchetti attraversino degli elaboratori intermedi. Prima dell'effetivo scambio dei dati però tra A e B viene creato un percorso prestabilito chiamato canale virtuale. Esempi particolarmente calzanti di reti orientate alla connessione sono le reti a commutazione di cella Asynchronous_Transfer_Mode o le reti Frame Relay e Frame Relay SE (Switch). I vantaggi di una rete siffatta stanno ovviamente nella qualità del servizio.
Nelle reti a commutazione senza connessione, i percorsi che i pacchetti tenderanno a seguire non sono (e non possono) essere prestabiliti a priori, ma dipendono da una serie di fattori. Un esempio classico di rete a commutazione di pachetto senza connessione è l'IP. Come sappiamo nelle reti TCP/IP il TCP dell'elaboratore A si collega direttamente al corrispondente servizio dell'elaboratore B. Quindi a livello di trasporto c'è connessione e quindi controllo sulla qualità del servizio e sulla congestione della rete. Cosa che non accade a livello network. Il router dell'elaboratore A affida i pacchetti al router succesivo indicato nella sua tabella di routing. Dopodichè, si disinteressa totalmente dell'ulteriore percorso che il pacchetto dovrà seguire all'interno della rete. Questo potrebbe sembrare un male, ma così non è, proprio per via di questa divisione di compiti tra il layer di trasporto e quello network.
In ogni rete di grandi dimensioni (WAN), è individuabile una sezione di accesso e una sezione di trasporto.
La sezione di accesso ha lo scopo di consentire l'accesso alla rete da parte dell'utente, e quindi di solito rappresenta una sede di risorse indivise (Si pensi ai collegamenti ADSL commerciali: La porzione di cavo che ci collega alla centrale è un doppino telefonico, utilizzato esclusivamente dall'abbonato). La sezione di accesso altresì comprende tutti quegli strumenti idonei a consentire l'accesso alla rete. Quindi possiamo distinguere vari tipi di accesso: "Residenziale" (Classica linea a 56Kbit/s, linea ISDN/ADSL), "Business" (Rete Locale dell'azienda e Gateway o Proxy che consente l'accesso all'esterno), "Mobile" (si pensi ad esempio al GSM, che consente un acesso basato su una rete a radiofrequenza con copertura "cellulare"), o "Wireless".
La sezione di trasporto è quella che ha il compito di trasferire l'informazione tra vari nodi di accesso, utilizzando se è necessario anche nodi di transito. E' sede quindi di risorse condivise sia di trasporto dati che di elaborazione. Dal punto di vista strutturale, una rete di trasporto è costruita quasi esclusivamente attraverso fibre ottiche (es. Backbone).
Gli standard de iure e de facto aiutano a gestire le reti aziendali multiprotocollo. I più importanti enti di standardizzazione per le reti di computer sono: CCITT, ITU, ISO, ANSI e IEEE.
Di particolare impatto è l'OSI (Open System Interconnection), un progetto ISO risalente alla fine degli anni '70, che si propone come modello di riferimento per le reti. Esso presenta un approccio a 7 livelli (layers), con una serie di protocolli che si inseriscono ai vari livelli. I livelli 1 (Livello fisico) e 2 (Livello Data Link) sono ormai standard, mentre per gli altri 5 ci sono protocolli che esistono da tempo e gli standard faticano imporsi.
I componenti software di una rete sono detti protocolli di rete