Introduzione a Internet e alle reti

Riassunto

Il corso è diviso tra i fondamenti di Internet e quelli delle comunicazioni: la prima parte tratta l'architettura e il funzionamento della rete, la seconda la trasformazione dei segnali per trasmetterli su un mezzo. Internet è un'infrastruttura che consegna messaggi da una sorgente a una destinazione tramite sistemi terminali, reti di accesso, router e collegamenti. I router inoltrano i messaggi salto dopo salto e scelgono il percorso. La comunicazione su ogni collegamento richiede di convertire l'informazione in un segnale adatto al mezzo. I protocolli descrivono le procedure, gli attori e i messaggi necessari a erogare servizi di rete e devono seguire standard condivisi. Si descrive la struttura dell'accesso residenziale e la rete core, distinguendo tra le tecnologie cablate come DSL e fibra ottica.

Concetti chiave

• Sistema terminale (host) — Dispositivo attraverso cui l'utente scambia informazioni con destinazioni remote; ospita le applicazioni utilizzate dall'utente.
• Rete di accesso — Parte dell'infrastruttura che collega un sistema terminale al resto di Internet, in particolare alla rete core.
• Router — Dispositivo interconnesso tramite link che riceve messaggi, li inoltra verso il salto successivo e partecipa all'instradamento.
• Link (collegamento) — Mezzo di comunicazione che connette dispositivi e consente la propagazione di un segnale; può essere cablato o radio.
• Consegna hop by hop — Trasferimento di un messaggio da un router al successivo fino alla destinazione.
• Instradamento — Determinazione del percorso che un messaggio deve seguire per andare dalla sorgente alla destinazione.
• Trasduttore — Dispositivo che converte un segnale in ingresso in una forma adatta al mezzo di comunicazione; in ricezione compie la conversione inversa.
• Protocollo — Procedura per raggiungere un obiettivo, che specifica gli attori coinvolti e i messaggi che si scambiano.
• Client — Attore che richiede o utilizza un servizio.
• Server — Attore che fornisce il servizio richiesto dal client.
• Standard di rete — Specifica condivisa che consente a dispositivi diversi di implementare nello stesso modo una procedura di comunicazione.
• RFC — Documento che descrive il funzionamento di protocolli Internet e ne specifica le procedure.
• IETF (Internet Engineering Task Force) — Organizzazione che si occupa della standardizzazione dei protocolli Internet.
• Rete core (backbone) — Parte centrale dell'infrastruttura che collega reti e città e trasporta traffico tra utenti raggiunti da reti di accesso diverse.
• DSL (Digital Subscriber Line) — Famiglia di tecnologie per l'accesso residenziale su collegamento in rame.

Sviluppo

Sistemi terminali e domanda centrale del corso

Dispositivi d'uso quotidiano come computer portatili, telefoni, automobili, workstation e server sono esempi di sistemi terminali. Un problema fondamentale è come un messaggio generato in un punto della rete, per esempio un'email scritta dal proprio computer, venga consegnato a un dispositivo lontano.

Rispondere semplicemente «Internet» non basta: Internet è un'infrastruttura complessa, formata da dispositivi e tecnologie che cooperano per offrire la consegna di messaggi end-to-end.

Reti di accesso e infrastruttura

Le stazioni radio base forniscono copertura agli utenti di un'area geografica e permettono l'accesso mobile. Un access point Wi-Fi offre un ulteriore collegamento locale; il collegamento via cavo costituisce un'altra modalità d'accesso.

La rete di accesso collega i sistemi terminali al resto dell'infrastruttura. Tolti dalla figura i sistemi terminali e gli elementi d'accesso, rimangono i router, interconnessi mediante link di comunicazione.

Messaggio su un collegamento diretto e trasduttori

Nel caso semplice di una sorgente collegata direttamente a una destinazione, la sorgente genera un messaggio $M$, lo trasmette sul link e il destinatario lo riceve ed elabora. Il messaggio può rappresentare un'email, un messaggio istantaneo, una pagina web, un video o una foto.

Il messaggio deve essere trasformato in un segnale adatto al mezzo di comunicazione, per mezzo di un trasduttore. Nel telefono fatto con due bicchieri uniti da uno spago, la voce fa vibrare il bicchiere e la vibrazione si propaga lungo lo spago: il bicchiere dalla parte di chi parla è il trasduttore. Analogamente, un microfono converte l'onda acustica della voce in un segnale elettrico che viaggia nel cavo. In ricezione, un altoparlante o un trasduttore equivalente riconverte il segnale in suono.

Router, inoltro e instradamento

Quando sorgente e destinazione non sono collegate direttamente, il messaggio passa attraverso più router. Ogni router riceve il messaggio e lo rilancia in uscita verso il router successivo: è la consegna salto dopo salto, o hop by hop.

Il semplice inoltro non risolve però quale direzione scegliere. Un router può trovarsi a dover decidere se mandare un messaggio verso un ramo della rete o un altro; deve quindi essere individuato il percorso verso la destinazione. Questa funzione è chiamata instradamento.

Percorso end-to-end e livello delle comunicazioni

Un sistema terminale invia il messaggio tramite una rete di accesso al router d'accesso. L'instradamento determina il percorso; i router lungo quel percorso inoltrano il messaggio fino alla destinazione. A ogni salto il messaggio viene rappresentato da un segnale elettromagnetico che si propaga sul collegamento e viene ricevuto dal router successivo.

Lo studio dei segnali riguarda come trasformare contenuti come immagini, voce e video in segnali trasmissibili su rame, fibra ottica o canale radio. In questo modo si distingue la consegna del messaggio attraverso la rete dalla trasmissione del segnale sul singolo mezzo.

Protocolli e servizi Internet

Internet può essere descritta attraverso i protocolli e i servizi che offre. Tra gli esempi citati ci sono HTTP per la navigazione web, FTP (File Transfer Protocol) per il trasferimento di file e i protocolli usati per trasferire email. Navigazione web, telefonia e videoconferenza sono esempi di servizi.

Un protocollo è una procedura per raggiungere un obiettivo e deve specificare gli attori che la eseguono e i messaggi che si scambiano. Un esempio di protocollo umano è la richiesta dell'ora e la relativa risposta.

Paradigma client-server

Per ottenere una pagina web, un client contatta un server. Nel paradigma illustrato si stabilisce prima una comunicazione iniziale, poi il client invia una request e il server restituisce una risposta; segue infine una fase di terminazione. La fase iniziale permette di verificare che l'altro interlocutore sia raggiungibile e supporti il protocollo richiesto; può anche servire a negoziare parametri.

Standard, RFC e IETF

I protocolli devono essere standardizzati affinché dispositivi diversi interpretino allo stesso modo la procedura e i messaggi. Gli RFC (Request for Comments) sono documenti che specificano il funzionamento di protocolli importanti, tra cui IP, TCP e UDP. Chi realizza un software o un servizio che deve interoperare con altri dispositivi deve seguire la specifica.

L'IETF (Internet Engineering Task Force) è l'organizzazione che si occupa della standardizzazione dei protocolli Internet.

Esistono anche protocolli proprietari, la cui diffusione può essere limitata ai dispositivi di un determinato vendor, cioè un'azienda che produce apparati di telecomunicazione. Una soluzione proprietaria può incentivare i clienti a comprare apparati dello stesso produttore quando ampliano la propria infrastruttura.

Periferia, accesso e core di Internet

L'architettura di Internet si distingue in tre parti:

• Periferia: gli host, o sistemi terminali, ospitano le applicazioni. Esempi sono computer portatili, smartphone, tablet e smart TV.
• Rete di accesso: collega i sistemi terminali ai router e al resto della rete. I tipi includono stazioni radio base per reti mobili come il 5G, access point Wi-Fi, fibra ottica FTTH, DSL su rame, e operatori locali che usano tecnologie Wi-Fi o WiMAX.
• Rete core (backbone): trasporta il traffico tra città e reti d'accesso differenti, connettendo infrastrutture più ampie; un operatore nazionale ne gestisce una porzione. Un servizio satellitare come Starlink è una modalità di accesso alla rete, non una rete core.

Mezzi trasmissivi e accesso residenziale

La rete di accesso è la parte dell'infrastruttura che consente ai terminali di collegarsi alla rete core. I collegamenti possono essere cablati (rame, fibra ottica) o wireless (aria, onde radio).

Nell'accesso residenziale punto-punto, ciascuna abitazione di un quartiere è collegata tramite un proprio cavo al central office, l'edificio della centrale, a sua volta connesso al resto di Internet.

Rame e DSL

Se il collegamento residenziale è in rame, si parla di una rete d'accesso basata sulla famiglia DSL (Digital Subscriber Line).