Multicast e Commutazione di Pacchetto

Introduzione

• Multicast significa la distribuzione simultanea di informazioni a un gruppo specifico di destinatari in una rete di computer.
• Broadcast si riferisce a un pacchetto dati diretto a tutti i computer di una rete.
• Un collo di bottiglia è un fenomeno in cui le prestazioni o le capacità di una rete sono limitate da un singolo componente, che viene anche definito punto critico.
• Formalmente, un collo di bottiglia è il punto con le prestazioni più basse in una serie di punti di attraversamento della rete, essenziale da mitigare.
• La commutazione a pacchetto suddivide un messaggio in parti autonome con ID mittente, destinatario e numero di pacchetto, ognuna instradata indipendentemente.
• Utilizza la multiplazione statistica per ottimizzare le risorse, consentendo ad altri pacchetti di utilizzare un canale libero.
• Efficiente per trasmettere piccoli pacchetti, come le e-mail
• La commutazione di circuito impiega commutatori (nodi intermedi) per creare una connessione fisica diretta tra due stazioni per la durata della comunicazione.
• Il canale resta bloccato per la durata anche se non utilizzato.
• Efficiente per trasmettere grandi quantità di dati.
• La scelta tra commutazione di circuito e pacchetto dipende dall'applicazione.
• La commutazione a pacchetto è migliore per le trasmissioni a blocchi tipiche dell'uso di Internet, mentre la commutazione di circuito è superiore per i trasferimenti di grandi quantità di dati da una sorgente a una destinazione.
• La multiplazione statistica è un concetto di commutazione a pacchetto che ottimizza l'utilizzo delle linee di trasmissione, consentendo a diversi pacchetti di sfruttare il canale quando è libero.
• Le LAN broadcast possono utilizzare mezzi trasmissivi punto-punto, come reti ad anello, a stella o ad albero dotate di centri stella attivi per ripetere i frame a tutti i computer.

Livello Fisico

• La fibra ottica si basa sulla rifrazione dove è monomodale e multimodale.
• La fibra monomodale è migliore perchè è più diretta.
• La proprietà della luce di non rifrangersi se l'angolo di incidenza è inferiore ad un certo limite, variabile in base al mezzo fisico.
• Realizzata come un cavo coassiale, ma senza lo strato conduttivo, usando vetro trasparente.
• Trasmissione unidirezionale limitata dalla difficoltà di posizionare il ricevitore e il trasmettitore sulla stessa estremità.
• Le reti in fibra possono utilizzare strutture ad anello (attive o passive) o a stella passiva (fibre fuse in un cilindro di silicio), ma la connessione punto-punto unidirezionale è più comune.
• Esistono due principali tipi di fibre ottiche: multimodale e monomodale.
• Fibra multimodale: il raggio è di 50 micron e permette di viaggiare a più raggi luminosi
• Fibra monomodale: il core ha un raggio di circa 8 micron e la luce viaggia in linea retta, senza riflessioni; è più costosa ma migliore.
• Le tecniche di multiplexing includono FDM (divisione di frequenza per segnali analogici), WDM (divisione di lunghezza d'onda per segnali ottici) e TDM (divisione di tempo per segnali digitali).
• FDM: ogni canale logico genera un segnale sulle frequenze in fase di MUX, i segnali vengono poi modulati in un unico segnale, in fase di DEMUX viene scomposto tramite filtri.
• WDM: le operazioni di divisione dei segnali luminosi possono essere facilmente effettuate attraverso un prisma che devia i raggi in base alla frequenza e all'angolo di incidenza, vengono raggruppati e divisi in questo modo.
• TDM: ogni canale logico occupa un intervallo di tempo, il MUX divide il canale in intervalli temporali da assegnare.

TDM Sincrono e Statistico

• Nel TDM sincrono gli intervalli di tempo sono allocati in modo fisso, mentre nel TDM statistico sono allocati in base alla quantità di dati da trasmettere.
• Nel TDM sincrono la velocità è n volte quella dei canali, i dati vengono inviati nell'ordine stabilito, il tempo e il canale vengono sprecati se un canale non ha nulla da inviare.
• Nello TDM statistico i turni vengono assegnati dinamicamente ai canali, evitando sprechi, però la velocità è minore.
• La tecnica TDM più adatta per la trasmissione dati in una rete di computer è la STATISTICA, che evita di sprecare banda assegnando dinamicamente i turni in base alla necessità di invio di dati.
• La fibra ottica trasmette un output luminoso invece di un segnale elettrico.
• I vantaggi sono la alta velocità anche in proporzione alla distanza.
• I segnali luminosi trasmettono a velocità elevata, sono immuni ad interferenze garantendo maggiore affidabilità.
• La simmetria della connessione della fibra ottica permette di sfruttare la connessione sia per il download sia per l'upload.

Capacità di Shannon e Nyquist

• I canali trasmissivi si suddividono in ideali (nessuna distorsione), non distorcenti (ritardo e attenuazione costanti), e distorcenti (attenuazione e ritardi variabili in base alle frequenze).
• Shannon ed e Nyquist hanno enunciato teoremi che esprimono la massima velocità di trasmissione per ciascun tipo di canale.
• Il legame tra bit rate e larghezza della banda è dato dal Teorema di Nyquist
• Nei canali reali con rumore termico, dato dal Teorema di Shannon

Multiplazione e Demultiplazione

• Il multiplexer crea un segnale unico da spedire sul canale fisico.
• A destinazione, il demultiplexer(DEMUX) riconverte negli originali.
• Le tecniche sono:
  • A divisione di tempo (TDM)
  • modalità deterministica (banda dedicata e ritardo fisso)
  • modalità statistica (banda e delay variabili e migliore sfruttamento del mezzo)
  • A divisione di spazio (SDM)
  • Dati inviati su media fisicamente separati
  • A divisione di frequenza (FDM e WDM)
  • Usa differenti frequenze o lunghezze d'onda per differenziare i dati trasmessi
  • Per codifica (CDM)

Ampiezza, Fase e Frequenza dell'Onda Sinusoidale

• Ogni ciclo ha un arco sopra e sotto l'asse del tempo, rappresentabile tramite tre parametri: ampiezza massima, frequenza e fase.
• L'ampiezza massima di un segnale è il valore assoluto della sua intensità massima.
• La frequenza è il numero di periodi in un secondo (f=1/T dove T è il periodo).
• La frequenza è la velocità con cui un segnale cambia nel tempo, determinando la quantità di informazioni trasmesse.
• La fase descrive la posizione dell'onda rispetto al tempo 0, misurata in gradi o radianti.
• In conclusione, un'onda sinusoidale semplice non è adatta alle reti di comunicazione serve un segnale formato da onde sinusoidali.
• Le principali tecniche di modulazione sono: ASK, FSK e PSK.

Modulazione

• ASK (ampiezza) usa due elementi del segnale: uno con ampiezza nulla e l'altro con ampiezza massima, per rappresentare i bit 0 e 1.
• FSK (frequenza) usa frequenze differenti per rappresentare i bit 0 e 1.
• Richiede la continuità di fase nelle transizioni di frequenza.
• PSK (phase-shift keying) più utilizzata, dove il valore del bit è determinato dal cambio di fase.

Altre Modulazioni

• QPSK (quadratura PSK) rappresenta due bit per elemento usando quattro fasi diverse.
• QAM (quadrature amplitude modulation) combina ASK e PSK, ottenendo una modulazione più efficiente che varia ampiezza e fase contemporaneamente.
• La diafonia è un accoppiamento elettrico tra trasmissivi vicini non isolati adeguatamente, può esserci anche con mezzi non guidati, quando un segnale emesso da una antenna si disperde durante la propagazione.
• Nei doppini si usa una tecnica di trasmissione bilanciata, al fine di ridurre al minimo i disturbi elettromagnetici.
• Fisicamente il pc (o cellulare) ha bisogno di una antenna per la ricenzione e trasmissione.

Livello Datalink

• Gli errori di trasmissione sono causati da rumore termico, rumore impulsivo e diafonia.
• II controllo dell'errore si basa su:
  • Codici rilevatori
  • Codici correttori
• Codici rilevatori: in grado unicamente di rilevare la presenza o meno di errori e di chiedere poi la ritrasmissione del messaggio
• Codici correttori: in grado di rilevare una o più posizioni errate nel frame
• Vi sono 3 principali codici a rilevazione d'errore diversi tra loro: Codici di parità
• Codici di parità: usano la distanza minima è 2 e sono quindi in grado di rilevare un errore singolo
• Check-sum: Questa tecnica si basa sull'aggiunta di simboli calcolati non sui singoli codici delle parole ma su l blocco di parole
• Codici di ridondanza ciclica: viene diviso per un polinomio generatore fisso G(x)
• Per rilevare la presenza di un errore il ricevitore divide il messaggio ricevuto per G(x) e verifica che il resto sia nullo.

Piggy backing

• È la pratica di mandare l'ACK in un frame ricevuto insieme al prossimo frame da inviare.
• Funziona solo per i canali full-duplex e solo se il nuovo pacchetto da inviare non si fa attendere troppo
• Il Piggy backing permette di ridurre al minimo il riscorso all banda di rete.

Gestione della Contesa a Livello Datalink

• Con il CSMA/CD non ci possono essere collisioni.
• Le collisioni influenzano le prestazioni specialmente quanto il prodotto banda-ritardo è grande.
• A tal proposito i protocolli di tipo prenotazione risolvono la contesa.
• II Token Ring utilizza un insieme di collegamento punto-punto.
• Tale protocollo permette ad ogni stazione di trasmettere a turno in ordine predefinito.
• Le stazioni sono collegate in anello, passare il Token alla stazione successiva consiste nel riceverlo da una direzione e passarlo nell'altra.
• Il bit stuffing il livello data link di chi trasmette ogni volta che incontra cinque bit ad 1 consecutivi nei dati, automaticamente inserisce uno 0 nel flusso di bit in uscita.

Protocolli a Finestra Scorrevole: GO BACK-N e SELECTIVE REJECT

• Utilizza più frame prima di attendere il riscontro per sfruttare al max l'intero canale.
• Questo protocollo spedisce più di un frame prima di ricevere un riscontro cumulativo.
• I frame vengono numerati ad essere identificati dal destinatario.
• Il funzionamento di questo protocollo si basa sul concetto di finestra scorrevole.
• Questo protocollo necessità di maggiori risorse di buffer
• In trasmissione devono essere memorizzati i frame inviati in attesa di riscontro, per poterli ritrasmettere in caso di necessità.
• SELECTIVE REJECT prevede la recezione anche di frame fuori sequenza al fine di ridurre il numero di frame ritrasmessi. il frame perduto, ri verrà richiesto.

Ulteriori Temi nel Datalink Layer

• Dopo 16 trasmissioni ci si arresta.
• Nelle reti LAN vi è il CSMA/CD.
• I protocolli operano in tre fasi:
• Carrier sense: ogni stazione che deve trasmettere controlla la disponibilità del mezzo e trasmette solo quando è libero.
• Multiple-access: Due stazioni decidono contemporaneamente di trasmettere un segnale ma la ricezione può non essere garantita
• Collision detection: se si verifica la sovrapposizione di due trasmissioni, ogni stazione si astine dalla trasmissione e avvia il circuito di jamming.
• La stazione trasmittente ripete il tentativo dopo un periodo casuale
• I protocolli a mappa di bit elementare in una rete di N stazioni permettono di prenotare la trasmissione e funzionano bene solo senza troppo carico transmissivo.

Token Ring

• II Token ring non utilizza un mezzo broadcast ma un insieme di collegamento punto-punto.
• II Token rappresenta il permesso di avvio e viene ceduto dai soggetti interni quando hanno il mezzo inattivo.
• II MAC è uno specifico sottolivello di ogni LAN, che risolve il problema della condivisione del mezzo.
• Il MAC è indispensabile perchè le reti LAN utilizzano un broadcast.
• Le LAN implica due problemi.
  • in trasmissione, verificare che il canale sia libero prima di trasmettere
  • in ricezione, determinare a quali sistemi è effettivamente destinato il messaggio e quale sistema lo ha generato.
  • La soluzione del secondo problema implica la presenza di indirizzi
  • L' indirizzo è necessario per trasmissioni broadcast in: trasmissioni punto-a-punto trasmissioni punto-gruppo trasmissioni effettivamente broadcast
  • L'indirizzo MAC non ha validità sempre universale.
• LLC: si occupa di framing, del controllo del flusso e del controllo degli errori
• MAC: specifica un metodo di accesso multiplo per ogni LAN.

Data Link Layer e Switch

• Per decidere su quale porta inoltrare un frame ricevuto è necessario la funzione di instradamento detta BACKWARD LEARNING.
• Al boot le tabelle sono vuote.
• Se un pacchetto ha una destinazione sconosciuta allora viene inoltrato su tutte le porte tranne che su quella di provenienza.
• Switch livello(layer) 2 è un bridge mentre switch di livello 3 può esserlo o un gateway.
• I multilivello di ultima generazione inoltrano frame a velocità maggiori.
• Per superare i problemi causati dalla lentezza dei router vi è il link dei switch, per i quali vanno però definiti a appositi protocolli.
• Uno switch permette di connettere più LAN mantenendo però la suddivisione del link.
• Un router è una stazione intermedia che opera a livello 3
• Nello switching i collegamenti ridondanti che sono usati per assicurare una connettività causano il BROADCAST STORM se non gestiti con SPANNING THREE

Spanning Tree e Switch

• Lo spanning-tree si basa su algoritimi di Prim o Kruskal che tendono a coprire la copertura, Lavora a layer 2 per mantenere le reti LOOP
• Creare Spanning tree significa tagliare fisicamente certi collegamenti.
• La radice dell'albero sarà un root bridge.
• Lo spanning-tree è Plug-and-play.
• II VCI è un numero usato tra switch per identificare i pacchetti in una connessione tra due switch.
• Matrix e crossbar sono tecnologie di switching.
• Virtual LAN: Una rete virtuale che configura una parte del software.

Protocolli Data Link Layer per Wireless LAN

• Le WLAN riguardano il trasferimento di dati per computer e la mobilità.
• Le WLAN sono:
  • Modalità ad hoc o infrastructureless
  • Modalità AP o infrastructured
• La metrica definisce l'algoritmo si instradamento.
• Per la tavola di routing su può usare Dijkstra, ma su reti di gradi dimensione serve al routing gerarchico che però va gestito con OSPF
• La differenza tra il protocollo LINK STATE e quello DISTANCE VECTOR è che i LINK STATE mandano le informazioni riguardando i collegamenti a tutti i router mentre DISTANCE VECTOR solo a quelli adiacenti.
• A livello 3 vi è routing(instradamento) e forwarding(hardware)
• Data Link Layer: RIP, BGP, OSPF

Distanza Amministrativa, Tabelka di Routing, Grafo di Rete, IPv4 e IPv6

• La tabella di routing raccoglie le informazioni sul cammino più adatto verso una destinazione, si basa su indirizzo del prossimo router, interfaccia, il timer.
• In forma statica l'amministratore immette i dati
• Distanza amministrativa: quantifica l'attendibilità dell'informazione di instradamento. più valore è basso, più l'informazione è sicura. Distance vector :
  • L'idea è quella di partire dal nodo sorgente e cominciare a guardare i nodi adiacenti
  • Per risolvere i problemi dell'HOP COUNT si invano le informazioni di costo verso la destinazione in X sul link al quale vengono inviati i pacchetti per la destinazione
  • La tabella di routing si costruisci a partire dal grafo di rete
  • DISTANZE TRA ipv4 e ipv6 in primis deriva dall'aver maggior spazio negli indirizzi.

Protocolli

• Nel tempo RIP ha lasciato spazio a OSPF il protocollo originario
• Per evitare falsificazioni OSPF fornisce il supporto per l'autenticazione
• ICMP serve per identificare le notifiche degli errori
• ARP e RARP servono ad associare gli indirizzi con gli host per la rete interna
• In caso di livello 3 al posto di altri protocolli, in comunicazione posso utilizzare OSPF e IS-IS
• distance vector mi assicura meglio SPLIT HORIZON poi POISON REVERSE
• Vi è la propagazione di IG ed EGP
• Un protocollo BGP (Border Gateway Protocol