Classificazione delle reti

Classificazione delle reti di calcolatori

La classificazione riveste un ruolo fondamentale nello studio e nella progettazione delle reti in quanto, in base al tipo di rete, varieranno i protocolli e le tecnologie applicate per il loro corretto funzionamento.
I principali parametri che caratterizzano le reti sono:

topologia
tipologia di comunicazione
estensione
numero e tipologia di dispositivi connessi
livelli della pila ISO/OSI (e relativi protocolli) coinvolti

Topologia

La topologia è lo studio dei luoghi e delle forme che, nell’ambito delle reti telematiche descrive i collegamenti (fisici e logici) tra gli host appartenenti alla rete.
Le principali topologie sono:

a bus
ad anello
a stella
a stella estesa (o ad albero)
a maglia (mesh)

Nella topologia a bus tutti i terminali sono collegati ad un canale condiviso (chiamato dorsale o segmento) che connette in modo lineare tutti i computer. È il metodo più semplice di connettere in rete dei computer.
I dati sono inviati a tutti i computer come segnali elettronici e vengono accettati solo dal computer il cui indirizzo è contenuto nel segnale di origine. Se un cavo viene tagliato i dati rimbalzeranno interrompendo l’attività su tutta la rete (rete inattiva).
Una topologia ad anello è una topologia lineare di tipo chiuso, in cui a tutti i nodi fanno capo due rami. I computer sono connessi tramite un cavo circolare, per cui tutti i nodi sono collegati con un ramo al nodo adiacente precedente e con l’altro ramo al nodo adiacente successivo. Valgono le stesse sui guasti relative ai guasti relative al modello a bus.
Nella topologia a stella un nodo centrale collega tutti gli altri nodi della rete mediante collegamenti punto-punto. Nel caso di centro stella passivo, il nodo centrale (hub) può agire esclusivamente da ripetitore del segnale verso tutti i terminali collegati; nel caso di centro stella attivo, il nodo centrale (switch) agisce da terminale vero e proprio selezionando il terminale verso cui inoltrare il segnale.
Questa topologia richiede un’elevata quantità di cavi in una rete di grandi dimensioni. In caso di interruzione di uno dei cavi di connessione di un computer al nodo centrale, solo quel computer verrà isolato dalla rete, mentre in caso di mancato funzionamento del nodo centrale, saranno interrotte tutte le attività di rete.
I vantaggi di questa topologia sono l’espandibilità (basta collegare un altro “Hub” a quello iniziale) e il controllo centralizzato del traffico sulla rete in base a led luminosi che permettono di diagnosticare se quel ramo della rete è funzionante.
La topologia a stella estesa si ottiene dalla configurazione a stella, espandendo quest’ultima con l’aggiunta di un altro concentratore oltre a quello iniziale. È la topologia magliata con il minor numero dei canali per cui la tolleranza ai guasti è inesistente.
Nella topologia a maglia invece tutti i computer sono collegati tra di loro. Una delle caratteristiche principali di questa topologia è data dal fatto che aggiungendo un certo numero n di dispositivi di rete, vanno aggiunti un numero n-1 di cavi. Sono reti tipicamente geografiche in cui i nodi sono interconnessi tra loro per più di una volta, creando quindi percorsi alternativi per i dati nel caso di congestione o malfunzionamento di linea. Il numero di nodi può far aumentare fino a n^2 i collegamenti. La tolleranza ai guasti dipende dal numero dei canali implementati e naturalmente tale numero condiziona il costo della rete.
Per garantire il corretto funzionamento di ciascuna configurazione fisica, ad ogni specifica topologia fisica, va abbinata una specifica topologia logica. La topologia logica rappresenta il modo in cui gli host comunicano attraverso il mezzo trasmissivo. I due tipi più comuni di topologia logica sono i broadcast e il passaggio di token.
La topologia broadcast prevede che ciascun host invii i propri dati, mediante una scheda, sul mezzo trasmissivo condiviso.
La topologia a passaggio di token controlla invece l’accesso alla rete passando un token elettronico sequenzialmente a ciascun host; quando un host riceve il token, può inviare i dati sulla rete. Se l’host non ha dati da inviare, passa il token all’host successivo e il processo si ripete. Tale topologia, chiamata “token ring” era adottata nella configurazione ad anello che implementavano lo standard IEEE 802.5, ormai in disuso.
Per i motivi sinteticamente descritti in questo paragrafo, le configurazioni oggi utilizzate per le reti locali sono la stella e la stella estesa, mentre per le reti geografiche si adottano le topologie a maglia.

Estensione geografica

Basandoci sull’estensione geografica della rete, le reti vengono classificate come segue:

PAN: reti personali o Personal Area network
LAN: reti locali cablate o Wired Local Area Network
WLAN: reti locali Wireless o Wireless Local Area Network
MAN: reti metropolitane o Metropolitan Area Network
WAN: reti geografiche o Wide Area Network
GAN: reti globali o Global Area Network

Reti personali (PAN)

La rete personale è composta da
• dispositivi solitamente portatili, aventi copertura di rete limitata (alcuni metri), che comunicano prevalentemente attraverso segnali radio (nel caso di reti wireless) o, in alternativa attraverso segnali elettrici (nel caso di reti cablate)
• canale basato su collegamenti USB (se cablato) o senza fili (se Wireless); in quest’ultimo caso si basa su segnali di tipo elettromagnetico

Le reti personali sono utilizzate per mettere in collegamento dispositivi vicini al fine di scambiare dati o per accedere a reti geografiche, come Internet. Tali dispositivi (telefonini, palmari, ecc…) sono solitamente associati ad uno specifico utente utilizzatore, per questo motivo la rete viene denominata “personale”.
Il protocollo più utilizzato per realizzare reti personali nel contesto Wireless è Bluetooth (802.15).
Le reti personali sono solitamente di tipo master-slave: il dispositivo master temporizza e sincronizza la comunicazione, distribuendo il servizio ad intervalli di tempo prefissati per ciascuno slave in collegamento. In questo modo quando un dispositivo slave che vuole comunicare deve attendere il via libera dal master.
Le reti personali gestiscono un numero massimo di host e offrono meccanismi di sicurezza per garantire la privacy della comunicazione.

Reti locali (LAN e WLAN)

Le reti locali (LAN) hanno un’estensione maggiore rispetto alla rete personale, ma comunque limitata a qualche decina di km.
Una LAN è composta da terminali collegati da un canale condiviso.
Se il canale è
• cablato si parla di Wired LAN (cavi elettrici coassiali in rame o canali di fibra ottica)
• wireless si parla di Wireless LAN o WLAN (utilizza segnali elettromagnetici)
Reti LAN cablate e reti Wireless LAN sono pienamente integrabili tra loro ed interfacciabili a reti geografiche, come Internet.
La connessione dei terminali alla rete Wireless e l’interconnessione tra rete cablata e rete Wireless è resa possibile da terminali o apparati dedicati chiamati Access Point. Nel caso in cui la rete e l’Access Point siano pubblici, l’Access Point viene denominato Hot-spot.
I terminali che accedono alla rete locale devono essere provvisti di una scheda di rete (Wireless, nel caso delle WLAN) compatibile con il protocollo di comunicazione utilizzato.
I protocolli ISO/OSI definiti per le reti locali fanno riferimento ai livelli:

fisico (livello 1)
collegamento (livello 2)

Non sono presenti protocolli di livello rete (livello 3) per la gestione dell’invio dei dati da un punto ad un altro della rete.
Mittente e Destinatario appartenenti alla stessa rete, vengono identificati attraverso l’indirizzo MAC, lungo 48 bit ed associato univocamente a ciascuna schede di rete.
Affinché le trame (unità dati di livello 2) vengano trasmesse correttamente dal mittente al destinatario, l’indirizzo viene specificato nell’intestazione (header) della trama di secondo livello.
I protocolli standard più utilizzati nell’ambito delle reti locali sono:

Ethernet e 802.3 per le reti cablate
802.11 (802.11a, 802.11b, …) per le reti locali Wireless

Le reti locali cablate sono in grado di garantirne alte velocità di trasmissione; le velocità di trasmissione offerte dalle reti Wireless sono di gran lunga inferiori. In entrambi i casi dipendono dal protocollo utilizzato.
Dal momento che, nelle reti locali il canale di comunicazione è condiviso tra tutti i partecipanti, sono necessari dei protocolli di gestione degli accessi, di sincronizzazione in trasmissione e in ricezione e di gestione di eventuali accessi simultanei. Accessi simultanei potrebbero infatti generare collisioni tra traffico e generato da terminali diversi.
Le tecniche di gestione delle collisioni tra traffico generato da host differenti, rappresenta la principale differenza tra reti cablate e reti Wireless:

nel caso di reti cablate è possibile rilevare una collisione mettendosi in ascolto sul canale condiviso. Si parla di Collision Detection (CSMA/CD) e si utilizzano a tal fine protocolli che regolano e permettono l’accesso multiplo di più host al canale condiviso. Ciascun host che voglia comunicare, si mette in ascolto sul canale, prima di inviare il messaggio, per assicurarsi che il canale sia inizialmente libero e, durante l’invio, per rilevare eventuali collisioni con comunicazioni contemporanee sopraggiunte durante la trasmissione. In questo modo buona parte delle potenziali collisioni saranno evitate, mentre in caso si verifichino collisioni non prevedibili (a causa di invio contemporaneo o del ritardo di propagazione dovuto al canale), queste saranno tempestivamente rilevate e adeguatamente “trattate”. In caso di avvenuta collisione infatti, la stazione trasmittente invia a tutte le stazioni sul canale una sequenza di jamming il cui scopo è quello di permettere a tutte le altre stazioni presenti sul canale di rilevare la collisione in atto. La stazione trasmittente inoltre ripeterà il tentativo di trasmissione dopo un tempo pseudo-casuale al fine di evitare che le stesse stazioni che avevano generato la precedente collisione, ritrasmettano contemporaneamente.
nel caso di reti Wireless non è possibile trasmettere ed ascoltare sullo stesso canale radio, dunque non risulta utilizzabile il protocollo CSMA/CD che permetteva di rilevare una collisione ascoltando il canale e trasmettendo al contempo. Per l’accesso multiplo al canale condiviso si utilizzano quindi tecniche più conservative di prevenzione delle collisioni. Si parla di Collision Avoidance (CSMA/CA): prima di trasmettere si verifica per un certo tempo se il canale condiviso è libero; solo allora prenota il canale e trasmette i dati.

Reti metropolitane, geografiche e globali (MAN, WAN, GAN)

Le reti metropolitane hanno un’estensione delimitata ad un perimetro metropolitano. Esse estendono il modello di rete locale fornendo la connettività a reti geografiche, come Internet.
I protocolli di comunicazione usati in reti di questo calibro, si basano principalmente su collegamenti in fibra ottica (es. GigaBit, Ethernet, FDDI, SONET/SDH), che trovano ridotta applicazione nell’ambito delle reti locali a causa degli elevati costi di cablaggio e manutenzione.
Le reti geografiche coprono estensioni territoriali vaste per interconnettere reti metropolitane e locali situate anche a grande distanza, arrivando anche oltre i confini geografici di città e stati.
Le reti globali sono reti che collegano computer dislocati in tutti i continenti. Diverse sono le tecnologie impiegate per interconnettere le macchine: dal cavo in rame del comune doppino telefonico, ai ponti radio, agli avanzati sistemi satellitari. Internet, è il tipico esempio di rete di tipo GAN.

Gli apparati di rete

Gli host appartenenti ad una rete sono collegati tra di loro mediante apparati, le cui funzionalità corrispondono ad un determinato livello della pila ISO/OSI, a seconda dello scopo per cui stono installati.

Repeater e hub sono apparati di livello fisico, che “rigenerano” il segnale. I cavi coassiali infatti comportano un’attenuazione del segnale (molto più rilevante rispetto ai cavi in fibra ottica) aumentando la probabilità di errore di ricezione. Repeater e hub permettono di superare questo inconveniente, consentendo di estendere la dimensione della rete.
Mentre il repeater ha una sola porta d’ingresso e una sola porta di uscita, l’hub è in grado di ritrasmettere il segnale ricevuto su più porte.
Bridge e switch sono apparati di livello collegamento (data-link) in grado di interpretare le trame e quindi eseguire un inoltro selettivo delle stesse, quindi sono più intelligenti rispetto agli hub di livello 1 che inoltrano i segnali elettrici su tutte le porte tranne su quella da cui proviene il segnale. Inoltre, in una rete locale su cui convivono due differenti sistemi di arbitraggio del canale (es. token ring, ethernet,..), un bridge o uno switch può essere utilizzato per interconnettere e far cooperare queste differenti tecnologie. Essi immagazzinano e inoltrano le trame memorizzando gli indirizzi MAC delle destinazioni e scegliendo la porta da cui inoltrare la trama in modo “intelligente”. Per evitare cicli e sovraccarichi della rete utilizzano un algoritmo spanning tree per generare una struttura ad albero.
Il bridge opera su due porta, lo switch su più porte.
I router sono apparti di livello rete, indispensabili per la costruzione di reti metropolitane, geografiche e globali e per suddividere (“partizionare”) reti locali composte da un numero elevato di host in reti di dimensioni più limitate.
I router sono in grado di interconnettersi sia a reti locali che a reti geografiche e, avvalendosi di specifici protocolli di routing, riescono a scegliere il percorso da far seguire al pacchetto che, a partire da una determinata sorgente, dovrà raggiungere una specifica destinazione.
I gateway sono apparati di livello applicazione. Per assumere decisioni riguardo l’instradamento di un pacchetto, oltre ad analizzarne l’intestazione esattamente come i router, sono anche in grado di analizzarne il contenuto.
Ad esempio, i gateway di posta elettronica sono in grado di analizzare le caratteristiche di un messaggio e-mail per scegliere se instradarlo verso la destinazione o classificarlo come “spam”.

INTERNET

Internet è una rete geografica su scala mondiale ad acceso pubblico cioè accessibile a tutti gli utenti senza vincoli.
Offre vari servizi di tipo prevalentemente client-server, tra cui il World Wide Web e la posta elettronica.
I gestori privati che forniscono il servizio di connettività a Internet alle utenze private, si chiamano Internet Service Provider. La rete degli Internet Service Provider è organizzata gerarchicamente ed utilizza collegamenti veloci in fibra ottica per garantire la connettività a livello fisico.

La collezione di protocolli su cui si basa Internet è più versatile e funzionale rispetto alla pila ISO/OSI e si compone di solo 3 strati. L’Internet protocol Suite non specifica il livello fisico e il collegamento; prevede l’utilizzo dei protocolli IP per il livello rete (livello 3) e TCP come protocollo principale del livello trasporto (livello 4).

L’infrastruttura di Internet è quindi uno standard indipendente dagli specifici apparati fisici e software utilizzati ed è in grado di connettere reti nazionali e sovranazionali.

A livello rete, i pacchetti in viaggio da sorgente a destinazione attraversano un certo numero di nodi intermedi (denominati hop) ed utilizzando il metodo della commutazione di pacchetto, il quale per ogni hop compiuto nella rete, consente di scegliere l’hop successivo verso la destinazione in base alle condizioni della rete. La commutazione di pacchetto evita di riservare risorse dedicate ad una specifica comunicazione e di prevedere un percorso dedicato tra sorgente e destinatario, come accadeva, nella rete telefonica tradizionale. Il percorso del singolo pacchetto si adatta al reale stato della rete, associando eventualmente percorsi differenti a pacchetti per la medesima destinazione.

Dai un’occhiata anche alla pagina sulle Reti Wireless

Ritorna alla pagina principale

Torna alla Home