Modello a strati e protocolli di rete

L'idea

Computer, telefoni, router e access point Wi-Fi sono sistemi interconnessi che devono comunicare. Le loro funzioni si organizzano in strati: funzioni simili per il compito che svolgono stanno nello stesso strato, e fra gli strati c'è una gerarchia.

• Ogni strato offre un servizio allo strato superiore e si basa sul servizio dello strato inferiore.
• Il più basso è lo strato fisico: parte dal mezzo trasmissivo e offre la trasmissione di bit.
• Il modello OSI ha sette strati. Il modello Internet ne ha cinque: gli strati OSI 5, 6 e 7 si fondono nello strato applicativo. Numerando dal basso: 1 fisico, 2 collegamento (data link), 3 rete, 4 trasporto, 5 applicazione.
• Le entità di alcuni strati, come le applicazioni, comunicano da estremo a estremo; in altri strati le entità presenti nei diversi sistemi interagiscono sezione per sezione.

PDU, SDU e PCI

Le entità dello strato $n$ in sistemi diversi, dette alla pari, cooperano secondo il protocollo di strato $n$: il formato dell'unità di dati e le regole da applicare. Si scambiano $n$-PDU (Protocol Data Unit). La comunicazione avviene solo fra strati adiacenti.

Una PDU ha due parti:

• la SDU (Service Data Unit), i dati che lo strato riceve da quello superiore e che sono l'oggetto del suo servizio;
• la PCI (Protocol Control Information), le informazioni di controllo che servono al protocollo. È l'header, detto anche overhead.

$$n\text{-PDU}=\underbrace{n\text{-PCI}}_{\text{header}}+\underbrace{n\text{-SDU}}_{\text{dati}}$$

La PDU di uno strato diventa la SDU di quello sotto: $(n+1)\text{-PDU}=n\text{-SDU}$. Lo strato lavora sulla PCI senza leggere la SDU, salvo operazioni che ne hanno bisogno, come il controllo d'errore. La SDU può anche essere cifrata: lo strato continua a trovare ciò che gli serve nella PCI.

Incapsulamento e decapsulamento

Scendendo dall'applicazione al mezzo, ogni strato aggiunge il proprio header all'unità ricevuta. Questa ripetizione è l'incapsulamento. L'unità cambia nome a ogni strato:

$$\begin{aligned} \text{messaggio (applicazione)}&:\ M\\ \text{segmento (trasporto)}&:\ H_t\,M\\ \text{pacchetto (rete)}&:\ H_n\,H_t\,M\\ \text{frame (collegamento)}&:\ H_l\,H_n\,H_t\,M \end{aligned}$$

$M$ è il messaggio applicativo, per esempio una mail con oggetto, destinatario, testo e allegati. Gli header portano le regole del protocollo di strato: nel collegamento servono per esempio al controllo d'errore, nella rete c'è l'indirizzo di rete. Il contenuto applicativo resta dentro, via via incapsulato; sullo strato fisico viaggia un flusso di bit.

In ricezione avviene il decapsulamento: lo strato elabora e toglie il proprio header, poi passa la PDU a quello sopra. Un nodo intermedio sale solo fino allo strato che gli serve per inoltrare, poi ridiscende incapsulando di nuovo. La destinazione sale fino all'applicazione. Incapsulare e decapsulare richiedono tempo, oltre ad aggiungere e togliere informazioni.

Incapsulamento lungo il percorso

Perché gli strati

• Ogni strato interagisce solo con quelli adiacenti, anche se il sistema è complesso, e gestisce le informazioni e l'overhead che gli competono. Chi vende il biglietto aereo non è chi pilota l'aeroplano.
• Il protocollo di uno strato si cambia senza toccare gli altri. Da HTTP a HTTPS si aggiungono autenticazione e cifratura nell'applicazione; da IPv4 a IPv6 cambia lo strato di rete. Gli altri strati restano uguali.
• Nei nodi intermedi non si attraversano tutti e cinque gli strati: si risparmiano lavoro e tempo di elaborazione. Alcune funzioni devono invece stare agli estremi.

Segmentazione e riassemblaggio

La SDU ha una lunghezza limitata: fissa, oppure variabile fino a un massimo. Un messaggio più lungo viene segmentato: o in segmenti tutti uguali, o in più segmenti con l'ultimo più corto.

Per ricomporre il messaggio serve l'ordine dei segmenti. Il numero di segmento sta nella PCI, e il riassemblaggio lo usa per rimettere le parti al loro posto.

Servizi con e senza connessione

Due entità alla pari possono accordarsi per comunicare. L'accordo è una connessione, e si stabilisce con quattro passi:

1. una entità invia una richiesta;
2. all'altra arriva come indicazione, e questa decide se accettare;
3. se accetta, invia una risposta;
4. la prima riceve la conferma.

Poi le due entità si scambiano i dati secondo l'accordo. È un servizio connection-oriented: TCP, a strato 4. Nel servizio connectionless l'entità invia i dati senza accordo preventivo: IP a strato 3, UDP a strato 4.

• Con connessione ci sono riscontri durante lo scambio. In TCP c'è il controllo di flusso: il ricevente può chiedere al mittente di rallentare. Lo usano applicazioni come lo streaming e il trasferimento di file.
• Senza connessione non c'è negoziazione iniziale, né garanzia di consegna né di sequenza delle unità di dati: ognuna è autonoma. Si evita il tempo dell'accordo, che può anche fallire se l'altra parte non vuole parlare, e il servizio è più versatile.

Tempo di ricezione di quattro pacchetti

Il tempo di trasmissione di un pacchetto di $L$ bit su un collegamento di bitrate $C$ è $L/C$. Il ritardo di propagazione $\tau_i$ dipende dal collegamento. Un nodo ritrasmette un pacchetto solo dopo averlo ricevuto per intero (store and forward), quindi i due contributi si sommano a ogni collegamento.

Due router, R1 e R2, sono collegati fra loro. Da R2 partono due rami, verso le destinazioni A e B. I pacchetti sono lunghi $L=512$ bit.

Collegamento	Bitrate	Propagazione	Trasmissione di $L=512$ bit
R1–R2	$C_1=256$ kbit/s	$\tau_1=1$ ms	$L/C_1=2$ ms
R2–A	$C_2=512$ kbit/s	$\tau_2=2$ ms	$L/C_2=1$ ms
R2–B	$C_3=64$ kbit/s	$\tau_3=4$ ms	$L/C_3=8$ ms

R1R2AB$C_1$, ${\tau }_1$$C_2$, ${\tau }_2$$C_3$, ${\tau }_3$

All'istante 0 la coda di uscita di R1 contiene quattro pacchetti, che partono uno dopo l'altro. I pacchetti 1 e 2 vanno ad A, i pacchetti 3 e 4 a B. Si cerca l'istante $t_k$ in cui il pacchetto $k$ è ricevuto per intero. Conviene disegnare il diagramma spazio-tempo: la lunghezza di un pacchetto sull'asse dei tempi è $L/C$, e la propagazione è l'inclinazione dei segmenti.

$$\begin{aligned} t_1&=\frac{L}{C_1}+\tau_1+\frac{L}{C_2}+\tau_2\\ &=2+1+1+2=6\ \text{ms}\\[0.6em] t_2&=2\frac{L}{C_1}+\tau_1+\frac{L}{C_2}+\tau_2\\ &=4+1+1+2=8\ \text{ms}\\[0.6em] t_3&=3\frac{L}{C_1}+\tau_1+\frac{L}{C_3}+\tau_3\\ &=6+1+8+4=19\ \text{ms} \end{aligned}$$

Il pacchetto 2 parte da R1 quando il primo è stato trasmesso per intero, all'istante 2. A R2 non attende, perché il ramo verso A è libero: arriva ad A 2 ms dopo il primo.

Pacchetti 1 e 2 verso A, tempi in ms

tempoR1R2A$t_2$

Il pacchetto 3 parte da R1 all'istante 4, quando i primi due sono passati, e finisce di essere trasmesso all'istante 6.

Il pacchetto 4 arriva a R2 all'istante $4\cdot 2+1=9$ ms. Il ramo verso B è però occupato dal pacchetto 3, che lo trasmette dall'istante 7 all'istante 15. Il pacchetto 4 aspetta $15-9=6$ ms, poi si trasmette per 8 ms:

$$\begin{aligned} t_4&=\underbrace{3\frac{L}{C_1}+\tau_1+\frac{L}{C_3}}_{15\ \text{ms}}\\ &\quad+\frac{L}{C_3}+\tau_3\\ &=15+8+4=27\ \text{ms} \end{aligned}$$

Il pacchetto 4 parte appena il 3 ha finito, quindi $t_4=t_3+L/C_3$. Se il pacchetto 4 andasse ad A non aspetterebbe: il ramo verso A è libero, perché il pacchetto 2 l'ha già lasciato. Arriverebbe in $4\cdot 2+1+1+2=12$ ms.

Il pacchetto 4 attende solo se il ramo verso B è ancora occupato quando arriva: il pacchetto 3 impiega a uscire $L/C_3$, il 4 arriva a R2 $L/C_1$ dopo il 3. Quindi c'è attesa quando $L/C_3>L/C_1$, cioè $C_3<C_1$, come qui. Altrimenti il ramo è già libero e il pacchetto 4 prosegue senza fermarsi.

Pacchetti 3 e 4 verso B, tempi in ms

tempoR1R2B$t_4$

$C_3$ (kbit/s)

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