1.4) La realtà nel mondo delle reti

Iniziamo ad esaminare due importanti realtà nel mondo delle reti:

1. OSI Reference Model;
2. Internet Protocol Suite (detta anche architettura TCP/IP o, piuttosto impropriamente, TCP/IP reference model).

Un modello di riferimento è cosa diversa da un'architettura di rete:

1.4.1) Modello OSI

L'OSI (Open Systems Interconnection) Reference Model è il frutto del lavoro della ISO (International Standard Organization), ed ha lo scopo di:

• fornire uno standard per la connessione di sistemi aperti, cioé in grado di colloquiare gli uni con gli altri;
• fornire una base comune per lo sviluppo di standard per l'interconnessione di sistemi;
• fornire un modello rispetto a cui confrontare le varie architetture di rete.

Esso non include di per se la definizione di protocolli specifici (che sono stati definiti successivamente, in documenti separati).

Principi di progetto seguiti durante lo sviluppo del modello OSI:

• ogni livello deve avere un diverso livello di astrazione;
• ogni livello deve avere una funzione ben definita;
• la scelta dei livelli deve:
  • minimizzare il passaggio delle informazioni fra livelli;
  • evitare:
    • troppe funzioni in un livello;
    • troppi livelli.

Il modello OSI consiste di 7 livelli (i maligni dicono che ciò fu dettato dal desiderio di rendere il modello compatibile con l'architettura SNA dell'IBM).

Spesso, per visualizzare le competenze (in termini di livelli gestiti) dei vari elaboratori sul cammino, si usano diagrammi simili al seguente:

Si noti che il modello OSI non è un'architettura di rete, perché dice solo cosa devono fare i livelli, ma non definisce né i servizi né i protocolli. Per questo ci sono separati documenti di definizione degli standard.

Livello fisico

Ha a che fare con la trasmissione di bit "grezzi" su un canale di comunicazione.

Gli aspetti di progetto sono:

• volti a garantire che se parte un 1, arrivi effettivamente un 1 e non uno zero;
• largamente riguardanti le caratteristiche meccaniche, elettriche e procedurali delle interfacce di rete (componenti che connettono l'elaboratore al mezzo fisico) e le caratteristiche del mezzo fisico.

Si caratterizzano, tra gli altri:

• tensioni scelte per rappresentare 0 ed 1;
• durata (in microsecondi) di un bit;
• trasmissione simultanea in due direzioni oppure no;
• forma dei connettori.

Livello Data Link

Lo scopo di questo livello è far si che un mezzo fisico trasmissivo appaia, al livello superiore, come una linea di trasmissione esente da errori di trasmissione non rilevati.

Normalmente funziona così:

• spezzetta i dati provenienti dal livello superiore in frame (da qualche centinaia a qualche migliaia di byte);
• invia i frame in sequenza;
• aspetta un acknowledgement frame (ack) per ogni frame inviato.

Incombenze:

• aggiunta di delimitatori (framing) all'inizio ed alla fine del frame (che succede se il delimitatore è presente dentro il frame ?);
• gestione di errori di trasmissione causati da:
  • errori in ricezione;
  • perdita di frame;
  • duplicazione di frame (da perdita di ack);
• regolazione del traffico (per impedire che il ricevente sia "sommerso" di dati);
• meccanismi per l'invio degli ack:
  • frame separati (che però competono col regolare traffico nella stessa direzione);
  • piggybacking (da pickaback, cioé trasportare sulle spalle).

Le reti broadcast hanno un'ulteriore problema: il controllo dell'accesso al canale trasmissivo, che è condiviso. Per questo hanno uno speciale sottolivello del livello data link, il sottolivello MAC (Medium Access Control).

Livello Network

Lo scopo del livello è controllare il funzionamento della subnet di comunicazione.

Inizialmente tale livello offriva solamente servizi connection oriented; successivamente fu aggiunta la modalità connectionless.

Incombenze:

• routing, cioé scelta del cammino da utilizzare. Può essere:
  • statico (fissato ogni tanto e raramente variabile);
  • dinamico (continuamente aggiornato, anche da un pacchetto all'altro);
• gestione della congestione: a volte troppi pacchetti arrivano ad un router (es.: da molte linee in ingresso ad un unica linea di uscita);
• accounting: gli operatori della rete possono far pagare l'uso agli utenti sulla base del traffico generato;
• conversione di dati nel passaggio fra una rete ed un'altra (diversa):
  • indirizzi da rimappare;
  • pacchetti da frammentare;
  • protocolli diversi da gestire.

Livello Transport

Lo scopo di questo livello è accettare dati dal livello superiore, spezzettarli in pacchetti, passarli al livello network ed assicurarsi che arrivino alla peer entity che si trova all'altra estremità della connessione. In più, fare ciò efficientemente, isolando i livelli superiori dai cambiamenti della tecnologia di rete sottostante.

Il livello transport è il primo livello realmente end-to-end, cioé da host sorgente a host destinatario: le peer entity di questo livello portano avanti una conversazione senza intermediari.

Si noterà che certe problematiche sono, in ambito end-to-end, le stesse che il livello data link ha nell'ambito di una singola linea di comunicazione; le soluzioni però sono alquanto diverse per la presenza della subnet di comunicazione.

Incombenze:

• creazione di connessioni di livello network (attraverso i servizi del livello network) per ogni connessione di livello transport richiesta:
  • normalmente, una connessione network per ciascuna connessione transport;
  • per ottenere un alto throughput: molte connessioni network per una singola connessione transport;
  • se è alto il costo di una connessione network: una singola connessione network viene usata per molte connessioni transport, con meccanismi di multiplexing;
• offerta di vari servizi al livello superiore:
  • canale punto a punto affidabile, che consegna i dati in ordine e senza errori (il servizio più diffuso, connection oriented);
  • invio di messaggi isolati, con o senza garanzia di consegna (connectionless);
  • broadcasting di messaggi a molti destinatari (connectionless).

Livello Session

Ha a che fare con servizi più raffinati che non quelli del transport layer, come ad es.:

• token management: autorizza le due parti, a turno, alla trasmissione.

Come vedremo nel seguito, questo livello non ha avuto un grande successo.

Livello Presentation

E' interessato alla sintassi ed alla semantica delle informazioni da trasferire. Ad esempio, si occupa di convertire tipi di dati standard (caratteri, interi) da rappresentazioni specifiche della piattaforma HW di partenza in una rappresentazione "on the wire" e poi in quella specifica dell' HW di arrivo.

Anche questo livello non ha avuto molto successo.

Livello Application

Prevede che qui risieda tutta la varietà di protocolli che sono necessari per offrire i vari servizi agli utenti, quali ad esempio:

• terminale virtuale;
• transferimento file;
• posta elettronica.

Attraverso l'uso di questi protocolli si possono scrivere applicazioni che offrono i suddetti servizi agli utenti finali.

1.4.2) Internet Protocol Suite

La "madre di tutte le reti" fu Arpanet, originata da un progetto di ricerca finanziato dal DoD (Department of Defense) americano. Lo scopo era creare una rete estremamente affidabile anche in caso di catastrofi (o eventi bellici) che ne eliminassero una parte. Arpanet, attraverso varie evoluzioni, ha dato origine alla attuale Internet.

Nel corso dello sviluppo, per integrare via via tipi diversi di reti, si vide la necessità di una nuova architettura, mirata fin dall'inizio a consentire l'interconnessione di molteplici reti (internetwork).

L'architettura divenne, più tardi, nota coi nomi di Internet Protocol Suite, architettura TCP/IP e TCP/IP reference model, dal nome dei suoi due protocolli principali. Essa non è un modello nel senso stretto del termine, in quanto include i protocolli effettivi, che sono specificati per mezzo di documenti detti RFC (Request For Comments).

I livelli TCP/IP hanno questa relazione con quelli OSI:

I requisiti di progetto stabiliti fin dall'inizio (estrema affidabilità e tolleranza ai guasti, possibilità di interconnessione di più reti) portarono alla scelta di una rete:

• packet-switched;
• basata su un livello connectionless di internetwork.

Livello host-to-network

Il livello più basso non è specificato nell'architettura, che prevede di utilizzare quelli disponibili per le varie piattaforme HW e conformi agli standard.

Tutto ciò che si assume è la capacità dell'host di inviare pacchetti IP sulla rete.

Livello Internet

E' il livello che tiene insieme l'intera architettura. Il suo ruolo è permettere ad un host di iniettare pacchetti in una qualunque rete e fare il possibile per farli viaggiare, indipendentemente gli uni dagli altri e magari per strade diverse, fino alla destinazione, che può essere situata anche in un'altra rete. Dunque è connectionless. E' un servizio best-effort datagram. E' definito un formato ufficiale dei pacchetti ed un protocollo, IP (Internet Protocol).

Incombenze:

• routing;
• controllo congestione.

Livello Transport

E' progettato per consentire la conversazione delle peer entity sugli host sorgente e destinazione (end-to-end). Sono definiti due protocolli in questo livello:

• TCP (Transmission Control Protocol): è un protocollo connesso ed affidabile (ossia tutti i pacchetti arrivano, e nell'ordine giusto). Frammenta il flusso in arrivo dal livello superiore in messaggi separati che vengono passati al livello Internet. In arrivo, i pacchetti vengono riassemblati in un flusso di output per il livello superiore.
• UDP (User Datagram Protocol): è un protocollo non connesso e non affidabile, i pacchetti possono arrivare in ordine diverso o non arrivare affatto.

Livello Application

Nell'architettura TCP/IP non ci sono i livelli session e presentation (non furono ritenuti necessari; l'esperienza col modello OSI ha mostrato che questa visione è condivisibile).

Sopra il livello transport c'è direttamente il livello application, che contiene tutti i protocolli di alto livello vengono usati dalle applicazioni reali.

I primi protocolli furono:

• Telnet: terminale virtuale;
• FTP (File Transfer Protocol): file transfer;
• SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) e POP (Post Office Protocol): posta elettronica.

Successivamente se ne sono aggiunti altri, fra cui:

DNS (Domain Name Service): mapping fra nomi di host e indirizzi IP numerici;

NNTP (Network News Transfer Protocol): trasferimento di articoli per i newsgroup;

HTTP (HyperText Transfer Protocol): alla base del Word Wide Web.

I vari protocolli nell'architettura TCP/IP si collocano come segue:

1.4.3) Confronto fra modello di riferimento OSI e architettura TCP/IP

Somiglianze:

• basati entrambi sul concetto di pila di protocolli indipendenti;
• funzionalità simili in entrambi per i vari livelli.

Differenze di fondo:

• OSI nasce come modello di riferimento (utilissimo per le discussioni generali), i protocolli vengono solo successivamente;
• TCP/IP nasce coi protocolli, il modello di riferimento viene a posteriori.

Conseguenze:

essendo il modello OSI nato prima dei relativi protocolli, successe che:

• il modello era, ed è tuttora, molto generale (punto a favore);
• vi era insufficiente esperienza nella progettazione dei livelli (punto a sfavore). Ad esempio:
  • il livello data-link (pensato all'origine per linee punto-punto) ha dovuto essere sdoppiato per gestire reti broadcast;
  • mancò del tutto l'idea di internetworking: si pensava ad una rete separata, gestita dallo stato, per ogni nazione.

I protocolli dell'architettura TCP/IP sono invece il punto di partenza del progetto, per cui:

• l'architettura è molto efficiente (punto a favore);
• il reference model non è generale, in quanto descrive solo questa particolare architettura (punto a sfavore);
• è difficile rimpiazzare i protocolli se necessario (punto a sfavore).

Confronto fra pile di protocolli OSI e TCP/IP

I protocolli OSI non sono riusciti ad affermarsi sul mercato per una serie di ragioni:

• infelice scelta di tempo: la definizione dei protocolli è arrivata troppo tardi, quando cioé quelli TCP/IP si erano già considerevolmente diffusi. Le aziende non se la sono sentite di investire risorse nello sviluppo di una ulteriore architettura di rete;
• infelici scelte tecnologiche: i sette livelli (e i relativi protocolli) sono stati dettati in realtà dalla architettura SNA dell' IBM, più che da considerazioni di progetto. Per cui il progetto soffre di vari difetti:
  • grande complessità e conseguente difficoltà di implementazione;
  • inutili i livelli session e presentation;
  • non ottimali attribuzioni di funzioni ai vari livelli:
    • alcune funzioni appaiono in molti livelli (es. controllo errore e flusso in tutti i livelli);
    • altre funzioni mancano del tutto (ad es. sicurezza e gestione rete);
• infelice implementazione: le prime realizzazioni erano lente ed inefficienti, mentre contemporaneamente TCP/IP era molto ben implementato (e per di più gratis!). In effetti i protocolli dell'architettura TCP/IP invece sono stati implementati efficientemente fin dall'inizio, per cui si sono affermati sempre più, e quindi hanno goduto di un crescente supporto che li ha resi ancora migliori.

Ad ogni modo, neanche l'architettura TCP/IP è priva di problemi:

• l'architettura TCP/IP non ha utilità come modello (non serve ad altro che a descrivere se stessa);
• non c'è una chiara distinzione fra protocolli, servizi e interfacce, il che rende più difficile l'evoluzione dell'architettura;
• alcune scelte di progetto cominciano a pesare (ad es., indirizzi IP a soli 16 bit).

In conclusione:

• OSI è ottimo come modello, mentre i suoi protocolli hanno avuto poco successo;
• TCP/IP è ottima (per ora) come architettura di rete, ma inutile come modello.

Nel resto del corso ci concentreremo su un modello di riferimento OSI modificato:

1.4.4) Esempi di architetture di rete

Netware (Novell)

E' l'architettura di rete più diffusa nel mondo PC. E' precedente a OSI, e assomiglia molto a TCP/IP.

• IPX: best-effort datagram (connectionless);
• NCP: reliable connection oriented;
• SPX: unreliable connectionless

Nota: la pratica di avere un livello network best-effort e connectionless, e sopra esso un livello transport reliable e connected, è molto diffusa. Sono così anche:

• Appletalk;
• TCP/IP.

Arpanet

Ncque a metà degli anni '60 (ai tempi della guerra fredda); il DoD volle una rete robustissima anche in caso di catastrofi, in grado di non interrompere le connessioni in atto anche se alcune sue componenti fossero state distrutte.

Si scelse quindi una rete packed-switched, formata dagli host e da una subnet di comunicazione costituita da vari IMP (Interface Message Processor) collegati da linee di trasmissione.

Il software venne diviso in due parti:

• SW per gli host
• SW per la subnet (ossia per gli IMP)

e furono definiti alcuni protocolli:

• Host-IMP protocol;
• IMP-IMP protocol;
• Source IMP-destination IMP protocol.

Successivamente Arpanet si sviluppò incorporando altre reti, il che mostrò l'inadeguatezza dei protocolli originari rispetto alle problematiche di internetworking.

Nacque di conseguenza, verso la metà degli anni '70, l'architettura TCP/IP, che il giorno 1/1/1983 divenne lo standard di Arpanet. TCP/IP fu poi mantenuta anche per l'evoluzione di Arpanet, NSFNET (metà degli anni '80), basata su linee da 56Kbps all'inizio e poi più veloci (1.5 Mbps nel 1990, 34 Mbps sulle linee principali oggi).

Il continuo aggiungersi di reti, ad Arpanet prima e ad NSFNET poi, ha creato quella che oggi viene comunemente chiamata Internet, costituita da milioni di host e utilizzata da decine di milioni di utenti. Internet si raddoppia all'incirca ogni anno, ed ha suscitato grande interesse sia per i privati cittadini che per le aziende.

Decnet Phase V (Digital)

Come già detto, Decnet Phase V è un'architettura di rete totalmente conforme al modello OSI. Decnet ha costruito una piattaforma comprendente i livelli 1, 2 e 3 del modello OSI, sulla quale possono appoggiarsi due diverse pile di protocolli:

• pila OSI;
• pila Decnet Phase IV (proprietaria).

SNA (IBM)

SNA (System Network Architecture) è un'architettura di rete ancora molto diffusa, sopratutto nelle grandi aziende dotate di sistemi informativi IBM. Nacque a metà degli anni '70, periodo in cui i sistemi informativi erano basati sull'uso di mainframe e terminali.

Fu pensata per connettere fra loro più mainframe, ai quali dovevano poter essere connessi moltissimi terminali, anche geograficamente lontani.

E' un'architettura estremamente complessa e poco adatta all'attuale impostazione dei sistemi di calcolo (reti locali e applicazioni tipo client-server) per cui IBM sta migrando verso una strategia di networking più ampia, nella quale viene fornito il supporto ad SNA, APPN (successore di SNA: architettura proprietaria ma di dominio pubblico), OSI, TCP/IP ed altri (fra cui Novell IPX).

L'architettura SNA è la seguente:

1.4.5) Autorità nel mondo degli standard

Queste sono le principali autorità nel mondo degli standard:

• PTT (Post, Telephone and Telegraph): amministrazione statale che gestisce i servizi trasmissivi (in Italia è il Ministero delle Poste);
• CCITT (Comité Consultatif International de Telegraphie et Telephonie): organismo internazionale che emette le specifiche tecniche che devono essere adottate dalle PTT. E' entrato da poco a far parte dell'ITU (International Telecomunication Union);
• ISO (International Standard Organization): il principale ente di standardizzazione internazionale, che si occupa fra l'altro anche di reti;
• ANSI (American National Standards Institution): rappresentante USA nell' ISO;
• UNINFO: rappresentante italiano, per le reti, nell'ISO;
• IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers): organizzazione professionale mondiale degli ingegneri elettrici ed elettronici; ha gruppi di standardizzazione sulle reti;
• IRTF (Internet Research Task Force): comitato rivolto agli aspetti di ricerca a lungo termine in merito alla rete Internet;
• IETF (Internet Engineering Task Force): comitato rivolto agli aspetti di ingegnerizzazione a breve termine della rete Internet;
• IAF (Internet Architecture Board): comitato che prende le decisioni finali su nuovi standard da adottare per Internet, di solito proposti da IETF o IRTF.