3 H2 N Parte1

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PARTE 3

LIVELLO HOST-TO-NETWORK(H2N)

Protocolli e Architetture di Rete 2009/2010 – Livello H2N 3.2

Supporti SO

Host-to-network

IP

TCP / UDP

Protocolli applicativiApplicazione di rete: WWW

Livello h2n

Application

Network

Transport

Host-to-network

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Scopo del livello h2n

• Il livello host-to-network affronta le problematiche di:– interconnessione tra due o più host– trasmissione dati tra host direttamente connessi

• Modalità di interconnessione e protocolli per la trasmissione dati tra host interconnessi sono strettamente dipendenti tra loro la scelta dell’uno implica la scelta dell’altro


Esempi

• LAN Wired – Ethernet (standard de facto)– Token-ring– FDDI– Frame relay

• LAN Wireless– 802.11x (x = a, b, g, n)

• Mediante modem– SLIP– PPP

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Premessa importante per protocolli h2n

• I servizi offerti da differenti protocolli h2n possono essere diversi– Un protocollo può garantire l’affidabilità della consegna

del pacchetto e un altro no – Lo strato di rete deve essere in grado di compiere il suo

lavoro end-to-end in presenza di differenti insiemi di servizi forniti da specifici protocolli h2n


Possibili servizi h2n

• Livello 1 (“fisico”)– Connessione di host secondo diversi mezzi trasmissivi

(doppino, cavo coassiale, fibra ottica, trasmissione radio)

• Livello 2 (“data link”)– Framing (incapsulamento in frame)– Accesso al link (es., CSMA/CD)– Recapito affidabile (acknowledgement e ritrasmissione)– Controllo di flusso– Ricerca di errori – Correzione degli errori– Half-duplex o Full-duplex

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Differenze con il livello trasporto

• La similitudine con alcuni servizi del protocollo di trasporto (soprattutto TCP) non deve trarre in inganno:

Il livello h2n opera a livello di singolo link(host interconnessi)

Il livello trasporto opera a livello di hostend-to-end


Differenze con il livello IP

Host A

Router di collegamento

Host B

IPIP IP IP

LAN LAN LAN LAN

Router 1 Router 2

Il livello data link consegna pacchetti solo all’internodi una stessa LAN

Il livello network (IP) consegna pacchetti ovunque su Internet

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Collegamenti del livello h2n

• Due dispositivi connessi fisicamente: host-router, router-router, host-host

• Unità di dato trasmesso: frame

applicationtransportnetworkhost-to-network

networkhost-to-network

MMMM

Ht

HtHn

HtHnHl MHtHnHl

frameLink fisico

protocollodata link

adattatori

HOST

ROUTER


Funzionamento del livello h2nSi collegano:- host con host- host con router- router con router

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Definizioni: Modalità di trasmissione

• Unicast: comunicazione fra un singolo mittente ed un singolo ricevente

• Multicast: comunicazione fra un singolo mittente ed un gruppo di riceventi

• Anycast: comunicazione fra un singolo mittente ed almeno un ricevente in un gruppo

• Broadcast: comunicazione fra un singolo mittente e tutti gli altri nodi


Definizioni: Tipi di collegamento• Collegamento broadcast

– Molti host connessi ad uno stesso canale di comunicazione

– E’ necessario un protocollo di accesso al mezzo per coordinare le trasmissioni e per evitare le collisioni

– Sono comuni nelle LAN, WirelessLAN, reti satellitari

• Collegamento punto-punto– Costituito da un unico trasmittente a un’estremità del

collegamento e da un unico ricevente all’altra estremità– E’ il tipico collegamento fra due router o fra un modem di

un accesso residenziale e il router dell’Internet Service Provider (ISP o Provider)

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Sommario (Livello h2n)

• Tecnologie per interconnessioni (livello 1)

• Modalità di accesso e relativi protocolli (livello 2)– Accessi residenziali– Accessi wireless– Accessi istituzionali wired (Ethernet LAN)

Modulo 2:Tecnologie per interconnessioni

Parte 3

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Tecnologie per interconnessioni

• La stesura dell'infrastruttura fisica viene detta cablaggio della rete

• Mezzo trasmissivo: mezzo fisico utilizzato per la propagazione dei bit da un host all’altro

• Mezzi guidati– Doppini intrecciati– Cavi coassiali– Fibre ottiche

• Mezzi a onda libera– Canali radio terrestri– Canali radio satellitari


Doppino intrecciato

• Il più diffuso ed economico• Usato per le reti telefoniche da più di 100 anni• Consiste di due fili di rame isolati singolarmente, con

diametro ciascuno di circa 1 mm, avvolti a spirale regolare

• I fili sono avvolti insieme per ridurre le interferenze elettromagnetiche con doppini simili posti nelle vicinanze

• Usato in sistemi 10/100/1000 base T (T=twisted pair)

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Cavo di rete

UTP (Unshielded Twisted Pair) non schermato

Un cavo è formato da più doppiniriuniti e avvolti in uno schermo protettivo


Formato da due conduttori di rame concentrici Esistono due tipi di cavo coassiale:

- cavo coassiale spesso (thick Ethernet)

- cavo coassiale sottile (thin Ethernet)

Cavo coassiale

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Cavo coassiale thick (“spesso”)

• Costo elevato; difficoltà di posare il cavo perché è molto rigido e deve essere posato senza interruzioni; buon isolamento dal mondo esterno e dal rumore elettromagnetico

• Gli host si collegano al cavo attraverso transceiver (Transmitter/ReCeiver), dispositivi in grado di trasmettere e ricevere dati interfacciandosi da un lato con l’host e dall’altro con il cavo di trasmissione

• Permette una distanza massima di 500 metri tra i ripetitori di segnale


Cavo coassiale thin (“sottile”)

• Maggiore flessibilità che aumenta la facilità di posa

• Isolamento inferiore al coassiale thick

• Distanza massima tra i ripetitori pari a 185 m

• I transceiver vengono connessi tagliando il cavo e connettendo i due spezzoni tramite un connettore a T

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Fibra ottica• Realizzata in materiale trasparente, tipicamente

vetro, ma oggi anche plastica (più economica)• Trasporta i dati sotto forma di impulsi di luce• Struttura a sezione cilindrica costituita da materiali

con diverso indice di rifrazione. La differenza fra gli indici di rifrazione permette di piegare il raggio luminoso mantenendolo all’interno della fibra con minima dispersione di luce verso l’esterno


Fibra ottica (2)

• Le fibre ottiche presentano:– elevata insensibilità al rumore elettromagnetico– bassa attenuazione di segnale– elevata sicurezza (maggiore difficoltà di intercettazione) Ideali per collegamenti a lungo raggio e intercontinentali

– alto costo per trasmettitori, ricevitori e commutatori Meno utilizzate per il trasporto a corto raggio

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Mezzi fisici “wireless”

• Segnale trasportato nello spettro elettromagnetico

• Non ci sono cavi “fisici”

• Bidirezionale

• Problemi di propagazione dovuti all’ambiente


Tipologie di connessione “wireless”

• Micro-onde– es., fino a canali a 45 Mbps

• Wireless LAN o WLAN (es., WiFi)– 11Mbps, 54Mbps

• Wide-area (es., GSM, UMTS, WiMAX)

• Satellite– fino a 50Mbps (o canali multipli più piccoli)– circa 250 msec di ritardo end-to-end– geosincroni vs. LEOS

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Canali radio terrestri• I canali radio trasportano segnali per mezzo di onde

elettromagnetiche• Non necessitano di cavi e potenzialmente possono

trasportare il segnale su lunghe distanze• Le caratteristiche di un canale radio dipendono

dall’ambiente di propagazione e dalla distanza a cui il segnale deve essere trasportato– Indebolimento ed attenuazione del segnale a causa delle zone

d’ombra (intensità diminuisce con la distanza e quando passa intorno o attraverso un ostacolo)

– Indebolimento del segnale dovuto alla molteplicità dei percorsi (riflessioni sugli oggetti che si trovano sul percorso)

– Interferenze dovute ad altri canali radio o segnali elettromagnetici


Canali radio satellitari

• Un satellite per comunicazioni collega due o più trasmettitori/ricevitori a microonde situati sulla Terra (ground station)

• I satelliti possono fornire larghezze di banda dell’ordine di centinaia di Mbit/s

• L’enorme distanza dalla Terra introduce un ritardo di propagazione del segnale di circa 250 millisecondi

• Sono utilizzati per realizzare le reti telefoniche intercontinentali e alcune dorsali di Internet

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Apparati per Wireless LAN

Scheda di retewireless

Access point





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Modulo 3:Accessi residenziali

Parte 3


Accessi residenziali

• Gli accessi residenziali sono prevalentemente di tipo point-to-point

• Modalità di accesso– Dial-up– ISDN– xDSL

ADSL HDSL VHDSL

– Cavo (solo per Stati Uniti)– Fibra ottica (es., FastWeb)

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Modulo 3a:Modalità di accesso residenziale

Parte 3


Collegamento ad Internet in dialup

• Linee telefoniche– fisse: ISDN, ADSL– wireless: GSM, GPRS, UMTS

• Modem dialup

• Internet Service Provider (ISP)

• Protocolli– Serial Line Internet Protocol (SLIP): assegnazione statica

di indirizzi IP ad ogni computer che si collega (desueto)– Point-to-Point Protocol (PPP): assegnazione dinamica

degli indirizzi IP, per il solo tempo della connessione

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Accesso dial-up• L’accesso dial-up non richiede infrastrutture addizionali in

quanto utilizza la rete telefonica. Modalità di accesso:– Qualche secondo per stabilire una connessione telefonica con

un modem dell’ISP– Handshaking tra i modem– Avvio del trasferimento dati– L’accesso dial-up è una connessione transiente, lenta e

soggetta a frequenti interruzioni

• Poiché i punti di accesso telefonici sono distribuiti capillarmente in tutto il mondo, rimane una modalità di accesso utile soprattutto a chi viaggia o agli abitanti delle aree rurali o remote dove è poco conveniente investire in nuove infrastrutture di reti a larga banda– Una volta si pagava l’accesso al modem degli ISP– Attualmente, l’unico costo rimane quello degli scatti telefonici


Modem dial-up• Per l’accesso dial-up è necessario disporre di un modem

dial-up (MODulatore/DEModulatore segnale analogico-digitale)

• Tutti i modem dial-up attuali hanno una banda teorica massima di 56 Kbps (non ci sono stati ulteriori investimenti per migliorare la banda dopo l’avvento dell’ADSL)

Modem anni ’70Novation CAT - 300 bps

Modem anni ’9056 Kbps

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Accessi residenziali: com’era(in emulazione terminale ad una macchine dell’ISP)

Internet Service Provider (ISP)

Utente Internet(in emulazione

terminale)

Switch(Operatore

telefonico K)

Switch(Operatore

telefonico W)

Public Switched Telecommunication Network(PSTN)

Modem Pool

Router

Server

INTERNETPrima: Plain Old Telephone Service (POTS)Ora anche: Traffico Internet

Modem

Segnale analogico

Segnale digitale


Accessi residenziali: com’èInternet Service Provider

(ISP)

Utente Internet(in emulazione

terminale)

Switch(Operatore

telefonico K)

Switch(Operatore

telefonico W)

Rete digitale della compagnia telefonica

Modem Pool

Router

Server

INTERNET

Modem

Segnale analogico

Segnale digitale

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ISDN

• Integrated Services Digital Network

• Evoluzione della telefonia analogica• Sostituisce la linea telefonica analogica

commutata con una linea digitale commutata

• Di conseguenza, non c’è bisogno di un modem(in senso letterale) in quanto la linea ISDN è già di tipo digitale

• Banda ISDN: 128 Kbps (due canali a 64 kbps)


Accessi residenziali: ISDN


Macchina conIndirizzo IP

Modem Pool

Router

Server

INTERNET

ISDN

Borchia utente

Rete digitale dellacompagnia telefonica

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xDSL• In generale: x Digital Subscriber Line• Eliminano le apparecchiature in banda fonica per

utilizzare al meglio il doppino telefonico– Questa tecnologia fa viaggiare contemporaneamente

sul doppino telefonico in rame sia i dati digitali sia il segnale telefonico analogico, grazie alla banda differente usata per i due segnali

• Richiede– installazione di apposite apparecchiature nelle centrali

telefoniche (ecco perché non tutte le case possono utilizzare questa tecnologia)

– utilizzo di modem xDSL


Vari tipi di xDSL• ADSL: Asymmetric Digital Subscriber Line

– Tipica tecnologia domestica e small office: fa viaggiare contemporaneamente voce e traffico dati

– La banda è multiplexata tra diversi utenti– Banda maggiore in downloading (fino a 20 Mbps) che in uploading

• HDSL: High-Bit-Rate Digital Subscriber Line– Tipica tecnologia aziendale– Banda simmetrica (tipicamente, 8 Mbps)– Banda dedicata tra utente e provider

• VHDSL: Very High Speed DSL– Nuovissima tecnologia: banda larga a distanza breve (max 300m)– Consente collegamenti fino a 26 Mbps simmetrici oppure 52 Mbps

in ricezione e 12 Mbps in trasmissione

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Accessi residenziali: ADSL


Macchina conIndirizzo IP

Router

Server

INTERNET

Centraletelefonica

Rete digitale dellacompagnia telefonica


Accesso residenziale: cable modem

• HFC: hybrid fiber coax– asimmetrico: fino a 10Mbps

upstream, 1 Mbps downstream• Rete di cavi coassiali e fibra

collegano le case ai router dell’ISP – Accesso condiviso al router

dalle case– Problemi: congestione,

dimensionamento • Disponibile solo in Paesi

con TV via cavo (es., USA) e cable companies (es., MediaOne)

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Bande trasmissive per accessi comuni• Dialup via modem

– Fino a 56 Kbps di accesso diretto ad un router in forma digitale-analogica-digitale

• ISDN– 128 Kbps di accesso diretto ad un router in forma

digitale

• ADSL: Asymmetric Digital Subscriber Line– Fino a 4 Mbps home-to-router (uploading)– Fino a 20 Mbps router-to-home (downloading)


Internet Service Provider

• Il provider possiede– uno o più server attivi e collegati ad Internet in modo permanente– una batteria di modem collegati a numeri di telefono

• Servizi offerti– Base: accesso ad Internet (mediante telefonata ai suoi numeri)– Accessori: email, sito Web, chat-line, blog, ...

• Costi– Telefonata a scatti– Abbonamento all’ISP per diritto di connessione (NON PIU’)– Abbonamento all’ISP per servizi a valore aggiunto

Prima: email, hosting sito Web, … Oggi cambia il valore aggiunto: si offre l’email e si fanno pagare i servizi

aggiuntivi (antispam, antivirus, mailbox più capiente, ecc.)

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Modulo 3b:Protocollo Data Link: PPP

Parte 3


Point-to-Point Data Link Control

• Tipico collegamento punto-punto: un mittente, un destinatario, un link. Es., dialup link, linea ISDN

• Più semplice di un link broadcast, come si vedrà per le reti Ethernet LAN:– non c’è Media Access Control– non c’è necessità per indirizzamento MAC esplicito

• Esempio di protocollo punto-punto molto usato per connessioni telefoniche tra utenti privati ed il loro ISP:– PPP (point-to-point protocol)

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Point-to-Point Protocol (PPP)

• E’ un protocollo di livello 2 (datalink)

• E’ stato (ed è) ampiamente utilizzato dagli ISP per connettere gli utenti ad Internet con una connessione dialup, rimpiazzando il più vecchio protocollo SLIP

• Attualmente viene utilizzato anche per connessioni DSL


Caratteristiche del PPP

• Supporto multiprotocollo• Supporto all’autenticazione• Riconoscimento errori• Supporto all’indirizzamento IP dinamico• Componenti principali:

– Un metodo di incapsulazione per i datagrammi di diversi protocolli (gestisce eterogeneità hw diversi vendor)

– LCP (Link Control Protocol) per stabilire, configurare e mantenere sotto controllo la connessione PPP

– NCP (Network Control Protocol) per configurare i diversi protocolli a livello network che vengono trasportati

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Principi del PPP [RFC 1661]

• Packet framing: incapsulamento di un datagramma di livello rete in un pacchetto PPP a livello data link

• Bit transparency: PPP non deve porre alcuna restrizione ai dati che appaiono nel datagramma a livello di rete (intestazioni o dati)

• Error detection: il ricevente deve poter rilevare errori (ma non c’è correzione!)

• Connection liveness: individua problemi o guasti a livello di link e segnala la condizione di errore al livello di rete

• Network layer address negotiation: PPP deve fornire un meccanismo ai livelli di rete comunicanti (es., IP) per apprendere o configurare gli indirizzi di rete


Principi del PPP (cont.)

• Network layer multiple protocols: supporto ai vari protocolli di rete in funzione sul collegamento fisico (multiplexare diversi protocolli)

• Multiple connection links: supporto per una vasta tipologia di collegamenti:– seriali (1 bit alla volta in una direzione)– paralleli (più bit in parallelo)– sincroni (segnale di temporizzazione assieme ai dati) o asincroni

• Simplicity: si definisce come primo e più importante requisito la semplicità. Tuttavia, esistono più di 50 RFC per definire i molteplici aspetti di questo “semplice” protocollo

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Funzionalità che il PPP nondeve implementare

• Error correction: rileva gli errori ma non li corregge

• Flow control: un ricevente PPP deve essere in grado di ottenere pacchetti al tasso nominale del sottostante livello fisico

• Sequence: accetta la consegna di pacchetti out-of-order

• Non ha necessità di supportare link multipoint poichè opera su collegamenti punto-punto che hanno un solo trasmittente e un solo ricevente

Funzioni delegate ai

protocolli di più alto livello


Fasi principali di una connessione

• FASE 1: Definizione della connessione (Link Establishment Phase)

• FASE 2: Autenticazione (Authentication Phase)

• FASE 3: Configurazione Protocollo di rete (Network-Layer Protocol Phase)

• FASE 4: Terminazione della connessione (Link Termination Phase)

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PPP Data Control Protocol

Prima di scambiarsi dati del livello network, i peer di livello data link devono stabilire la connessione:– Configurare il link PPP

(massima lunghezza del frame, autenticazione)

– Apprendere/configurare le informazioni del livello network Per es., nel caso di IP: usare

messaggi IP Control Protocol (IPCP) per configurare/apprendere l’indirizzo IP del peer


PPP: interfaccia di rete• PPP crea un’interfaccia di rete a tutti gli effetti• Differenza principale con l’interfaccia di rete Ethernet:

non è legata ad un dispositvo fisicoEsempio# ifconfig ppp0

ppp0 Link encap: Point-to-Point Protocolinet addr:151.30.166.243 P-t-P:151.6.143.246 Mask:255.255.255.255UP POINTOPOINT RUNNING NOARP MULTICAST MTU:1500 Metric:1RX packets:8 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0TX packets:7 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0collisions:0 txqueuelen:3

# ifconfig eth0eth0 Link encap: Ethernet HWaddr 00:10:5A:9D:88:AF

inet addr:192.168.1.3 Bcast:192.168.1.255 Mask:255.255.255.0UP BROADCAST RUNNING MULTICAST MTU:1500 Metric:1[...]Interrupt:9 Base address:0xfc00

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Data Frame del PPP

• Flag: delimitatori (framing)• Address: non ha ruolo (in quanto l’opzione è unica)• Control: non ha ruolo; previsto per futuri campi di controllo

multipli• Protocol: protocollo di livello superiore a cui il frame viene

passato (es., IP, IPCP)• Info: messaggio di livello superiore (es., datagrama IP)• Check: byte di controllo correttezza, usa un codice a

ridondanza ciclica


Byte stuffing per framing

• Il requisito di “data transparency” prevede che un qualsiasi dato possa essere trasmesso, compreso il byte <01111110> che è utilizzato come flag per il framing– Come è possibile distinguere se un byte <01111110> è

un “dato” o un “flag”?

MITTENTE:: aggiunge (“stuffs”) un byte extra <01111110> prima di ogni byte < 01111110> di tipo “dato”

DESTINATARIO::– Se trova due byte <01111110> consecutivi: scarta il primo

byte, lo considera “dato” e continua la ricezione– Se trova un solo byte <01111110> è un byte “flag”

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Byte stuffing

Byte <01111110>tra i dati da inviare

Sequenza di byte con stuffed byte tra i dati trasmessi

01111110





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Modulo 4:Modalità di accesso wireless

Parte 3


Molteplici modalità di accesso

• Bluetooth• Wi-Fi• UMTS-TDD• WiMAX• High Speed Packet Access (HSPA), migliora UMTS• Evolution-Data Optimized (EV-DO o solo EV) per

accesso Internet a banda larga• Satellite• …

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Modalità di accesso wireless• Un accesso condiviso wireless, mediante una stazione

base, connette gli host mobili ad un router di Internet• Wireless LAN (WLAN):

– i cavi sono rimpiazzati da interfacce e ricevitore operanti in un campo radio (es., famiglia IEEE 802.11)

• Accesso wireless su di un’area “aperta”– accesso wireless ad un router dell’ISP mediante una rete cellulare

INTERNET StazioneBase host

mobilirouter


Wireless LAN (WLAN)

• Il blocco costitutivo dell’architettura WLAN è formato da:– uno o più host con scheda wireless– una stazione base che in questo caso è detta access point

• Gli host wireless “associati” all’access point– sono nell’area di copertura dell’access point– utilizzano l’access point per trasmettere dati verso il resto della rete

• Gli access point sono fisicamente collegati alla rete cablata• Se un host si sposta dall’area di copertura di un access

point a un’altra, cambia il suo punto di collegamento alla rete cablata (processo di handoff)

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3.63

BSS 1 BSS 2

Rete cablata

Handoff • Ciascun access point copre un’area• Nel momento in cui un host mobile passa da un’area

coperta da un access point ad un’area coperta da un altro access point si verifica un handoff

• Un buon protocollo deve gestire l’handoff senza causare un’interruzione del collegamento dell’host alla rete


Standard IEEE 802.11

• IEEE 802 è un Comitato di standardizzazione per le reti locali (LAN) e metropolitane (MAN) che ha definito vari standard importanti, tra cui:– 802.3 Ethernet– 802.5 Token Ring– 802.11 Wireless LAN– 802.16 WiMAX

• Ci sono molti sottogruppi all’interno di IEEE 802.11• Ciascun sottogruppo è identificato da una lettera

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Standard 802.11 (in ordine cronologico)

• 802.11 legacy: prima versione standard 802.11 (1997)• 802.11b: massima banda disponibile pari a 11 Mbps con

uso di frequenze a 2.4 Ghz• 802.11a: banda teorica pari a 54 Mbps (reale 20 Mbps)

con uso di frequenze a 5 Ghz• 802.11g: banda teorica pari a 54 Mbps (reale 24.7 Mbps)

con uso di frequenze a 2.4 Ghz• 802.11i: usa protocolli di autenticazione e di cifratura più

sicuri• 802.11n: aumento della banda disponibile (100 Mbps) su

distanze maggiori per realizzare reti wireless metropolitane [nel 2007: ancora a livello di proposta]


Wireless Fidelity (Wi-Fi)• E’ un’organizzazione internazionale

senza fini di lucro che si occupa di marketing e interoperabilità dei prodotti WLAN 802.11

• La Wi-Fi Alliance persegue tre macro obiettivi:– Promuovere in tutto il mondo la certificazione

Wi-Fi– Commercializzare prodotti certificati Wi-Fi– Sottoporre a test e certificare la interoperabilità

dei suoi prodotti

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Chiarire la terminologia

• Wireless LAN (o WLAN): è un termine generico che si usa per indicare short range high-speed radio network (qualsiasi rete a trasmissione radio su scala ridotta per comunicazioni ad alta velocità)

• IEEE 802.11 è lo standard tecnico formale che definisce come i sistemi WLAN devono operare

• Wi-Fi è lo standard industriale basato sullo standard IEEE 802.11 così come definito dalla Wi-Fi Alliance che certifica prodotti rispondenti allo standard


Tipica architettura LAN 802.11

AccessPoint

NetworkServer

Stampantedi rete

Client

Rete Wired

Rete Wireless

AdminHost

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Alternativa: Small Office – Home Office

MURO

Portatile

Access Point

PCConnessionea Internet

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