Architetture a strati e modello OSI

Perché si usano gli strati

Una rete di telecomunicazione è un sistema complesso: host, router, server, mezzi trasmissivi, applicazioni, protocolli. Per descriverla si divide la comunicazione in strati. Ogni strato realizza un servizio: compie azioni proprie e usa il servizio dello strato immediatamente inferiore.

Il viaggio aereo mostra l'idea. Gli strati sono il biglietto (acquisto, lamentele), il bagaglio (check-in, ritiro), il gate (imbarco, uscita), il decollo e l'atterraggio, la rotta aerea. Nell'aeroporto di partenza e in quello di arrivo ci sono tutti e cinque. Nei centri intermedi di controllo del traffico c'è solo la rotta aerea: di norma il bagaglio non viene ritirato in uno scalo.

Una struttura a strati ha tre proprietà.

• Modularità: le funzioni e le loro interazioni sono identificate esplicitamente. Cambiare il modo in cui funziona uno strato non tocca il resto del sistema.
• Gerarchia: i servizi si realizzano in un ordine. Per decollare servono prima il biglietto e l'imbarco; il ritiro del bagaglio presuppone l'arrivo.
• Autonomia: uno strato ha bisogno del servizio degli altri, non di come è realizzato. Il check-in richiede un biglietto identificabile, cartaceo o elettronico.

Il modello OSI

Open Systems Interconnection nasce negli anni Settanta per definire in modo aperto l'architettura di interconnessione dei calcolatori. Computer, smartphone, access point Wi-Fi e router sono di produttori diversi, ma comunicano perché seguono lo stesso modello. Nel viaggio aereo le funzioni sono cinque; OSI ne individua sette.

Descrive come comunicano i sistemi, non come sono fatti dentro. Gli strati sono un'organizzazione logica delle funzioni: aprendo un calcolatore non si trovano sette componenti fisici. Tre concetti restano centrali: strato, protocollo, servizio.

Il modello ha sempre sette strati, ma le funzioni di uno strato non sono implementate in tutti i sistemi:

• uno strato end-to-end ha le sue funzioni solo agli estremi della comunicazione;
• uno strato sezione per sezione le ha in tutti i sistemi attraversati.

Lo strato 1 c'è sempre; gli strati 2 e 3 possono mancare, ma se ci sono stanno in ogni sistema del percorso. Gli strati 4, 5, 6 e 7 sono end-to-end.

Modello OSI a sette strati

Gli strati, dal basso

Strato	Nome	Unità di dati	Dove
1	Fisico (physical layer)	bit	sezione per sezione, sempre
2	Collegamento (data link layer)	trama (frame)	sezione per sezione, se presente
3	Rete (network layer)	pacchetto, datagramma	sezione per sezione, se presente
4	Trasporto (transport layer)	segmento	end-to-end
5	Sessione	–	end-to-end
6	Presentazione	–	end-to-end
7	Applicazione	messaggio	end-to-end

Ogni protocollo gestisce un'unità di dati con un formato noto: un insieme di bit organizzato in modo che lo strato sappia riconoscerne le parti e cosa farne.

Strato 1, fisico. È a contatto con il mezzo trasmissivo, cablato (rame, fibra ottica) o wireless. Svolge le funzioni fisiche, meccaniche, elettromagnetiche e procedurali che servono a trasferire bit informativi sul mezzo. Agli strati superiori interessa che il servizio ci sia, non come è realizzato: passando dalla fibra al wireless si sostituisce lo strato fisico e il resto dell'architettura non cambia.

Strato 2, collegamento. Oltre a trasferire bit, può offrire affidabilità sul collegamento: rivelare o correggere errori, gestire l'ordine delle informazioni. Se più utenti condividono il collegamento, come gli smartphone sullo stesso access point Wi-Fi, regola l'accesso per limitare le interferenze. Queste funzioni si chiamano medium access control (MAC). Su un cavo diretto, senza altri utenti sul mezzo, possono non servire.

Strato 3, rete. Gestisce la rete con due funzioni principali. L'indirizzamento usa indirizzi che permettono di mandare l'informazione da un sistema a un altro. L'instradamento trova il percorso dei pacchetti.

Strato 4, trasporto. Garantisce anch'esso affidabilità, ma per i flussi di dati. Uno streaming video ha due necessità: bit corretti su ogni collegamento, garantiti dallo strato 2, e l'intero flusso ordinato, garantito dal trasporto.

Strati 5, 6 e 7 in OSI. La sessione gestisce la sessione dati, cioè la comunicazione che dura nel tempo: sincronizza audio e video e permette di riprendere un flusso interrotto da dove si era fermato. La presentazione prepara l'informazione per lo strato superiore. L'applicazione offre i servizi che si usano: vedere un film, inviare una mail, usare WhatsApp. Sono rivolti a persone o ad altri sistemi.

Il modello Internet

Nel modello Internet le funzioni di sessione e presentazione non sono rimosse: confluiscono nello strato applicativo. Gli strati sono cinque, numerati dal basso: fisico (1), collegamento (2), rete (3), trasporto (4), applicazione (5).

I servizi sono gerarchici. L'applicazione (5) usa il servizio del trasporto (4), che usa quello della rete (3), poi del collegamento (2) e del fisico (1). Uno strato lavora solo se lo strato sopra gli chiede il suo servizio: senza gli strati sotto l'applicazione non può comunicare.

Pila di protocolli Internet

Protocolli

Ogni strato realizza le sue funzioni secondo regole, formati e linguaggi: i protocolli. Il codice aeroportuale di tre lettere fa parte di un protocollo: una regola uguale per tutti, senza la quale due parti non si capiscono.

In Internet ci sono molti protocolli applicativi, uno per ogni tipo di servizio. Nel trasporto i più noti sono TCP (Transmission Control Protocol) e UDP (User Datagram Protocol). Nella rete c'è IP (Internet Protocol). Collegamento e fisico ne hanno molti, perché dipendono dal mezzo e dal tipo di collegamento.

Un protocollo ha bisogno di una controparte, quindi deve esistere in tutti i sistemi che svolgono le funzioni dello strato:

• uno strato end-to-end ha il protocollo ai due estremi: se un'applicazione di messaggistica gira su un telefono, deve girare anche dall'altra parte, e lo stesso vale per TCP;
• uno strato sezione per sezione lo ha in ogni sistema attraversato: IP è presente negli host e nei nodi intermedi.

Intestazioni e overhead

I dati che viaggiano contengono l'informazione da trasferire e l'informazione di protocollo. In una mail il testo e l'oggetto fanno parte del messaggio; il formato e i campi servono al protocollo per riconoscere destinatario e contenuti. Scrivere l'indirizzo nel testo non lo farebbe arrivare. L'informazione di protocollo sta in un'intestazione (header), all'inizio dei dati.

Scendendo nell'architettura, ogni strato aggiunge la propria intestazione a ciò che riceve dallo strato superiore. Con $\mathrm{AH}$, $\mathrm{TH}$, $\mathrm{NH}$, $\mathrm{DH}$ le intestazioni di applicazione, trasporto, rete e collegamento:

$$\begin{aligned} \text{messaggio}&=\mathrm{AH}\,\text{dati}\\ \text{segmento}&=\mathrm{TH}\,\text{messaggio}\\ \text{pacchetto}&=\mathrm{NH}\,\text{segmento}\\ \text{trama}&=\mathrm{DH}\,\text{pacchetto} \end{aligned}$$

Lo strato fisico aggiunge a sua volta informazioni proprie. A destinazione il processo si inverte: ogni strato legge la propria intestazione, fa ciò che serve, la rimuove e passa il resto allo strato superiore, come fra le bambole russe. All'applicazione arriva solo il contenuto utile.

Le intestazioni sono overhead: informazione aggiuntiva senza la quale la comunicazione non funziona, ma che occupa spazio, banda ed energia. Chi guarda un video non la vede.

Perché l'architettura dura

L'organizzazione a strati è modulare e si adatta ai cambiamenti tecnologici. Si sostituisce il mezzo, dalla fibra al wireless, cambiando solo lo strato fisico. IP esiste in due versioni diverse, IPv4 e IPv6: lo strato di rete si aggiorna da una all'altra e la comunicazione continua a funzionare.