Introduzione
Physical e Data Link Layer (Ethernet e Token Ring)
Protocolli Network Layer
Protocolli Transport Layer (TCP, UDP)
 

Questo modello definisce 7 livelli (logici). Ogni livello e' rappresentato da un modulo software in ogni host del network. Il piu' basso e' il livello di comunicazione fisica, il piu' alto e' il programma applicativo. Non tutti sono effettivamente necessari, spesso ne sono implementati solo 4 o 5, ma comunque servono da riferimento.

Si tratta in pratica di una macchina astratta in cui ogni livello mette a disposizione del livello precende un insieme di funzionalita'. Ogni livello rielabora il messaggio inziale aggiungendo un header contenente informazioni per il livello successivo corrispondente del ricevente. Un messaggio puo' essere diviso in pacchetti piu' corti, che sono poi ricostruiti dal destinatario.
Ogni livello ha anche un indirizzo per il destinatario, che completa quelli contenuti negli altri livelli.

• Application layer: login remoto, file transfer, posta elettronica ...
• Presentation Layer: conversione di dati in forma standard. Macchine diverse possono avere infatti rappresentazioni diverse. Molto usato l'XDR (eXtended Data Representation). Vengono anche svolti altri servizi quali Data Encription (per la protezione dei dati trasmessi) e Data Compression.
• Session Layer: vari meccanismi di sincronizzazione. Possibilita' di inserire punti di controllo per evitare di ritrasmettere tutto da capo in caso di errore. Presente essenzialmente su WAN.
• Transport Layer: trasporta (in modo logico) un messaggio in pacchetti e ne gestisce l'invio. Il trasporto avviene fra 2 porte logiche, una che identifica il mittente, l'altra il destinatario. L'indirizzo logico e' formato in questo livello dall'identificatore delle porte.

Due protocolli molto usati:
• TCP (Transmission Control Protocol)
• UDP (Universal Datagram Protocol)
Il primo (detto con connessione) si assicura che tutti i pacchetti in cui si e' diviso il messaggio siano assemblati nell'ordine corretto e non ne vadano persi. Viene anche mantenuto l'ordine di invio dei messaggi fra due porte. Nel secondo /(detto senza connessione) non si fanno controlli (sono lasciati ad esempio al livello applicativo). Nelle LAN, se piccole, e' usato di piu' il secondo.
• Network Layer: sceglie il cammino per il messaggio (routing). Due protocolli noti:
• X.25 Stabilisce una connessione fra sender e receiver, effettuando prima una Call Request (simile al TCP del livello superiore). I pacchetti del messaggio arrivano in ordine.
• IP (internet Protocol). Senza connessione. Ogni pacchetto puo'0 essere instradato senza richiesta e in modo indipendente.
L'accoppiamento TCP/IP e' molto usato nelle connessioni di reti come Internet.
• Data Layer: controlla la correttezza delle sequenze di bit trasmesse (ad esempio checksum) e ne richiede eventualmente la ritrasmisisone.
• Physical Layer: Hardware per la trasmissione di sequenza di bit.

Due modelli standard di protocolli per il physical layer e parte del data layer sono:

• CSMA/CD (Carrier Sensing Multiple Acess with Collision Detection(IEEE Standerad 802.3, per topologie branching bus.
• Token Passing Ring Network. IEEE Standard 802.5, applicato nel Token Ring IBM.

Topologia Branching Bus

Singolo cavo o insieme di cavi connessi con ripetitori (semplici unita' di connessione per ricostruire e rafforzare il segnale) Il cavo e' un elemento passivo a differenza del bus per il collegamento della CPU con le memorie.
 

L'uso del cavo e' schedulato in modo distribuito dai vari host. Possono avvenire delle contese d'accesso, non essendoci un arbitro.

Protocollo sviluppato da Xerox nel 1970. Standard DIX (Digital Intel, Xerox) dal 1980.
Metcalfe e' stato il primo progettista di Ethernet. Nel 1973 gli diede questo nome, scegliendo come base la parola "ether" per descrivere la caratteristica principale del sistema: il mezzo fisico (cavo) porta i bit alle varie W.S. come il vecchio "etere" (inesistente) supportavano la propagazione delle onde elettromagnetiche.

Consiste in 3 livelli:

• Application layer: livello superiore indefinito,
• Data link Layer:
• il controllo dei link e' distribuito su tutti gli host, con risoluzione della contesa di tipo "statistico"
• protocollo dei messaggi: i frame (pacchetti in cui ethernet divide i messaggi ) di lunghezza variabile da 64 a 1518 byte.
• Physical Layer
• velocita' di trasmissione 10 Mbps (100Mbps con Fast Ethernet)
• massima lunghezza bus 2.5 Km.
• cavo coassiale
• topologia branching bus

Meccanismo carrier sensing: ogni host ascolta il bus e preleva solo i messaggi a lui destinati.
Le collisioni non sono prevenute, vanno controllate dagli host.

Velocita' di trasmissione.

Il cavo oscilla fra 2 tensioni limite, formando onde quadre, con un intervallo di temporizzazione per la trasmissione. Un fronte di discesa identifica il bit 0, un fronte di salita il bit 1.

C'e' poi anche da considerare la velocita' di diffusione del campo elettrico nel cavo (velocita' della luce in quel mezzo, circa 3 * 10**8 m/sec, ). Una tensione applicata in un punto del cavo impieghera' un certo tempo a distribuirsi su tutto il cavo. Indichiamo con T il tempo per la formazione sul bus del segnale. Per un cavo lungo 1 Km avremo ad esempio T circa = 5 microsec.

ESEMPIO
L'host A vuole trasmettere un messaggio ad un altro host. Anche B vuole fare altrettanto. Entrambi ascoltano il bus finche' sentono il "silenzio". A questo punto ciascuno comincia a inviare il messaggio. A causa del tempoT di ritardo nfatti, e' possibile che i due host sentano il silenzio anche se un altro host ha in effetti gia' iniziato a spedire un messaggio. A inizia a trasmettere al tempo t0 e B al tempo t1. C'e' una collisione se |t1-t0| <= T.

Riconoscimento della collisione: ogni'host che invia legge quanto invia. Se non e' la stessa cosa che ha inviato, vuol dire che c'e' stata una collisione. In questo caso c'e' un jamming signal e i riceventi scartano il messaggio. I frame collisi sono ritrasmessi dopo un tempo random = n*T. Vengono ripetuti al massimo 10 volte, poi il messaggio e' scartato. Per poter capire che c'e' stata collisione occorre che la durata del messaggio trasmesso sia sufficientemente lunga, per questo c'e' una dimensione minima del messaggio.
 

Efficienza di Ethernet
L'utilizzazione del bus arriva all'80-95%, ma oltre al 50% aumentano i problemi dovuti a collisioni.

Topologia Ring

Il link e' fatto per ogni 2 host. Un host passa i messaggi che riceve (se non sono destinati a lui) all'host successivo. In alcuni ring il messaggio completa comunque l'anello ed e' poi rimosso dal sender anziche' dal receiver.

Nella rete configurata a ring un host assume il compito di monitor station: il suo compito e' di eliminare dati che non sono stati cancellati (perche' magari l'indirizzo era sbagliato o perche' il processo sender o il receiver sono falliti).

E' stato uno dei primi protocolli. IBM l'ha usato nella forma IEEE 802.5 standard. Trasmette messaggi di lunghezza qualunque come singolo pacchetto. La trasmissione e' fatta utilizzando un token packet che ha diverso formato. Lo schema e' quello di una locomotiva (il token) he trascina un treno (il messaggio). Se il token e' libero, l'host che lo riceve puo' attaccarci un messaggio, assegnando al token un indirizzo di destinazione. Il ricevente libera il token e legge il messaggio. Il token circola continuamente, anche se vuoto. La monitor station controlla che il token non vada perso, e nel caso lo rigenera.

Questo protocollo non e' fair, qualche host potrebbe non riuscire a spedire un messaggio. in questo caso possono essere assegnate priorita' e prenotazioni. Oppure il token viene bloccato dal sender (che spedisce ugualmente il suo messaggo) e rilasciato all'host successiovo solo quando il messaggio inviato ha compiuto tutto il giro.

Il meccanismo di ring puo' essere anche utilizzato in qltro modo, ad esempio come e' stato fatto nel protocollo Cambridge Ring, detto anche lotted ring (sempre 10Mhz). Il circuito e' formato da due doppini telefonici, ed e' stato usato in Inghilterra dal 1970.

Sul ring circola uno slot ("treno") di 3 o 4 pacchetti. Quando ce n'e' uno vuoto si puo' riempire (1 control bit se "empty"). Quando il bit di controllo e' "full", si controlla il destination address. Se e' ricevuto, i response bit sono alternati di conseguenza, per indicare al sender che il pacchetto e' stato letto. Il sender azzera allora il pacchetto quando lo riceve nuovamente, mettendo il bit a "empty". Se c'e' stato un problema, ritrasmette.

Confronto fra i vari protocolli.

C'e' una certa similitudine con metodi di schedulazione della CPU: ethernet e token ring fanno passare un messaggio alla volta senza interruzioni, a meno di "deadlock" per ethernet (risolto con la detection e il recovery), mentre Cambbridge ring assomiglia alla schedulazione RR. La performance e' comunque simile. E. e' migliore per le trasmissioni lunghe a basso carico di rete. L'uso di token sui ring richiede la circolazione continua del token.

NOTA: Si possono fare comunicare anche LAN diverse fra loro. In questo caso e' necessario avere dell W.S. che funzionino da bridge per consentire la conversione fra protocolli. Poiche' gli indirizzi del livello fisico dipendono dal protocollo, un bridge avra' un indirizzo diverso per ogni rete a cui appartiene.

Glossario

• Open System Un sistema che puo' connettersi e comunicare con qualunque altro Open System che usa OSI standard.
• Repeater Un device usato per estendere la lunghezza, topologia e interconnettivita' del mezzo fisico oltre i limiti possibili con un solo segmento (passivo).
• Router Un device che effettua il routing forwardando pacchetti di informazioni per altri nodi (attivo).
• Bridge Un device usato per estendere una LAN forwardando frames fra Data Link Layer associati a due diversi tipi di link fisici (attivo, cambia anche il formato dei dati). Chiamato anche data link relay o level 2 relay.
• Bandwidth Il rango di frequenze assegnate ad un canale, espresso in Hertz, come differenza fra le frequenza piu' alta e quella piu' bassa. In genere, piu' alto e' il bandwith, maggiore e' il throuput dei dati.

I protocolli di rete e di trasporto coprono i livelli 3 e 4 del modello OSI. I protocolli piu' noti sono:

• TCP/IP - Internet Protocol
• XNS - Xerox Networking System
• NetBIOS - IBM
• Unix-toUnix Copy - UUCP

• Protocollo orientato alla connessione
• Protocollo privo di connessione

Orientato alla connessione, utilizzato soprattutto su WAN, reti pubbliche telefoniche e poste elettroniche europee.

In effetti la tipologia di collegamento e' quella classica del telefono.

• Prima si manda una call request al destinatario (che puo' rifiutare)
• Se accetta, restituisce un identificatore da usarsi nelle successive comunicazioni. Corrisponde alla selezione di un instradamento, che rimane memorizzato nei punti intermedi.
• Non e' necessario etichettare i messaggi con l'indirizzo completo del destinatario, basta il codice della connessione.
• Ogni messaggio diviso in pacchetti viene poi ricostruito correttamente.

E' connectionless, ed assomiglia al sistema delle poste.

• Un pacchetto (parte di un messaggio) e' spedito senza richiesta preliminare o autorizzazione da parte del destinatario
• L'instradamento puo' essere ogni volta diversa perche' non e' memorizzata
• Ogni pacchetto deve portare l'indirizzo del destinatario.
• Non sono fatti controlli sull'ordine di ricevimento dei pacchetti (viene solo fatto il controllo sul checksum in caso di errore di trasmissione fisica).

L'indirizzo di network po' essere decomposto in indirizzi di subnetwork in modo gerarchico. Per rendere piu' leggibile all'utente umano un indirizzo IP, si utilizza la dotted notation: una serie di numeri decimali separati dal punto ad esempio 251.30.0.3. Si legge da sinistra a destra: il primo campo indica la rete, poi la sottorete, la sottosottorete e infine l'identificatore dell'host.

Ci sono 4 classi di indirizzi, indicate con una lettera da A a D, con diverso numero di bit per i vari identificatore. Le reti o sottoreti vengono assegnate dal NIC (Network Information Center) della SRI International, a cui bisogna fare richiesta. Ad esempio, all'Ateneo di Genova e' stato assegnato un identificatore di rete, poi la responsabilita' di suddividere le sottoreti e' stata affidata ad un gestore, infine ogni Dipartimento decide ulteriori suddivisioni e assegna gli identificatori dei singoli host.

Infine, per rendere ancora piu' leggibile l'indirizzo IP si ricorre al Domain Name Service (DNS). Informazioni sul DNS e un esempio sulla conversione DNS -> IP -> ethernet  degli indirizzi si trova nella Sezione 11.

I protocoli ISO/OSI prevedono per questo livello 5 varianti, da TP0 a TP4. TCP e' simile a TP4. E' usato normalmente in associazione a IP in quanto fornisce la comunicazione connection oriented, con controllo dell'ordinamento dei messaggi e degli eventuali errori.

• Non e' gestito da un venditore specifico
• E' implementato su un alto numero di computer, dai piu' piccoli ai piu' grandi
• E' usato sia per LAN che per WAN.

Indirizzo TCP/UDP
I protocolli a livello di trasporto devono specificare a quale porta (dell'host individuato dall'indirizzo IP) va rilasciato il messaggio e a chi deve essere riportato. L'indirizzamento e' unico per TCP e UDP (cioe' lo stesso numero puo' essere utilizzato da entrambi i protocolli, perche' e' "associato" al protocollo stesso), ed e' un 16 bit unsigned integer. Alcune porte sono dette well-known (numeri da 1 a 255) e sono state assegnate da un apposito ente ad uno specifico servizio. Gli host che attivano un certo servizio lo devono quindi rendere disponibile a quella porta. Ad esempio FTP  ha la porta 21, mentre TFTP ha il 69. Vedere  Sezione 11. In questo modo e' sempre possinbile concoscere la porta di un servizio "standard" su qualunque host.

Gli altri port number (superiori a 255, ma di solito il S.O. se ne riserva una parte per uso proprio) sono detti effimeri, e durano solo per il tempo di sopravvivenza del processo che li ha richiesti. Un processo puo' quindi avere piu' porte di input e/o di output, su diversi protocolli.

Un canale di comunicazione fra due porte e' allora identificato da una quintupla:

       ( transport-protocol, source-host-addr, source-port-number, 
         dest-host-addr, dest-port-number )

Gli header del protocollo TCP sono dello stesso tipo, ma l'header del livello TCP e' di 20 byte.
 

L'altro processo (client) stabilisce una connessione effettuando una "connect" (bloccante). Se accettata, si inizia lo scambio di messaggi, usando lo stesso canale virtuale, in entrambi le direzioni.

Questo sistema e' come la comunicazione telefonica: una volta stabilita la comunicazione, non occorre ripetere il numeroogni volta che si parla. Si possono quindi usare le normalifunzioni read e write oppure, per ragioni di efficienza, send e receive

Il protocollo IP divide, se il caso, i messaggi in frame. Se un messaggio e frammentato, utti i suoi header sono replicati su ogni frame.
Ogni gestore di un layer OSI accetta un messaggio da quello precedente e gli aggiunge un header (in qualche caso anche una coda) che sara' tolto dal gestore corrispondente del receiver.

Un server puo' generare un figlio per gestire una richiesta di servizio. In questo modo e' libero di accettare altre richieste (vedere implementazioni server ditribuiti modello cluster.

Vediamo una connessione TCP:

Il server e' sull'host orange e risponde alla well-known port number 21. La notazione {TCP, *, 21} dice al S.O.di orange che sta aspettando alla porta 21 una richiesta di collegamento con protocollo TCP. Il server e' presente su tutti gli host del network.

Ovviamente apple e orange sono nomi che corrispondono a indirizzi Internet.Il server crea un figlio che gestira' la richiesta di apple:

Lo stesso viene fatto se arrivano altre richieste. Nell'esempio sopra ci sono 2 associazioni per la richiesta di connessione, cioe' due quintuple:

Le comunicazioni possono quindi essere distinte.

Demultiplexing di richieste in arrivo

In funzione del tipo di protocollo indicato dall'header del pacchetto