Reti di calcolatori e protocolli di rete

Introduzione a Internet

• Internet è una rete di calcolatori che interconnette miliardi di dispositivi di calcolo in tutto il mondo
• I dispositivi di calcolo sono chiamati host o sistemi periferici connessi fra loro tramite una rete di collegamenti e commutatori di pacchetti
• La velocità di trasmissione dei dati viene misurata in bit/secondo (bps)

Struttura di Internet

• I pacchetti di dati sono suddivisi in sottoparti e aggregati in un'intestazione
• I commutatori di pacchetto (router e commutatori a livello di collegamento) instradano i pacchetti verso la destinazione
• La sequenza di collegamenti che attraversa un singolo pacchetto è nota come route

Protocolli di Internet

• I protocolli di Internet sono transmission control protocol (TCP) e Internet protocol (IP)
• Gli standard di Internet sono chiamati request for comment (RFC)
• I protocolli definiscono il formato e l'ordine dei messaggi scambiati tra due o più entità di comunicazione

Stratificazione dei protocolli

• I protocolli di rete sono organizzati in livelli:
  • Livello di applicazione: include molti protocolli tra cui HTTP, SMTP, FTP e DNS
  • Livello di trasporto: comprende TCP e UDP
  • Livello di rete: comprende IP e protocolli di instradamento
  • Livello di collegamento: comprende protocolli di trasferimento di pacchetti come Ethernet e WiFi
  • Livello fisico: comprende protocolli di trasmissione di bit

Modello OSI

• Il modello OSI è un modello di protocolli proposto dall'International Organization for Standardization (ISO)
• I sette livelli OSI sono: application, presentation, session, transport, network, data link e physical

Comunicazione

• La comunicazione può essere di vario tipo:
  • Connection-oriented: stabilisce una connessione fra le due parti
  • Connection-less: non stabilisce una connessione fra le due parti
  • Comunicazione affidabile: utilizza protocolli per trasportare i dati senza errori e nel giusto ordine
  • Comunicazione non affidabile: non utilizza protocolli per trasportare i dati senza errori e nel giusto ordine

Tipologie di rete

• Le reti possono essere classificate in:
  • Punto a punto: un collegamento mette in comunicazione solo due nodi
  • Broadcast: il canale trasmissivo è condiviso da tutti i nodi
  • PAN (Personal Area Network): rete con raggio pari alle dimensioni di una stanza
  • LAN (Local Area Network): rete con raggio pari ad una casa, scuola, campus
  • MAN (Metropolitan Area Network): rete con raggio pari ad una città
  • WAN (Wide Area Network): rete con raggio pari a una o più nazioni
  • GAN (Global Area Network): rete con raggio universale, ovvero Internet

Commutazione di circuito e Commutazione di pacchetto

• La commutazione di circuito riserva le risorse richieste lungo un percorso per l'intera durata della sessione di comunicazione
• La commutazione di pacchetto suddivide i messaggi lunghi in più parti e li instrada attraverso collegamenti e commutatori di pacchetto

Ritardi

• I ritardi possono essere classificati in:
  • Ritardo di elaborazione
  • Ritardo di accodamento
  • Ritardo di trasmissione
  • Ritardo di propagazione
  • Ritardo end-to-end### Applicazioni e Servizi di Rete
• Le applicazioni richiedono servizi di rete differenti, come throughput, timing, sicurezza
• Alcune applicazioni sono sensibili alla banda (ad es. applicazioni multimediali), mentre altre sono più elastiche

Protocolli di Trasporto

• TCP (Transmission Control Protocol) e UDP (User Datagram Protocol) sono i due protocolli di trasporto Internet
• TCP:
  • Orientato alla connessione: richiede l'invio di messaggi di riconoscimento (handshaking)
  • Trasporto affidabile: garantisce l'ordine di arrivo dei pacchetti e la mancanza di perdita
  • Meccanismo di controllo del flusso e della congestione
  • Non fornisce sicurezza, sensibilità al tempo e throughput minimo
• UDP:
  • Non orientato alla connessione: i messaggi vengono inviati semplicemente al destinatario senza handshaking
  • Trasporto inaffidabile: i pacchetti potrebbero non arrivare in ordine e alcuni potrebbero essere persi
  • Non fornisce controllo del flusso, della congestione, sicurezza e throughput minimo

HTTP (Hyper Text Transfer Protocol)

• Utilizzato per la trasmissione di dati sul Web
• Architettura client-server
• Porta di sistema: 80
• Il protocollo definisce la struttura dei messaggi e la modalità di scambio tra client e server
• Componenti di una pagina web:
  • File HTML base
  • Oggetti (ad es. immagini, file audio)
• Metodo di richiesta:
  • GET: richiede una pagina web dal server
  • POST: utilizzato per l'input nei form
  • HEAD: richiede solo l'header di una pagina web
  • PUT: carica un nuovo file nel server
  • DELETE: cancella una pagina web nel server
• Risposta del server:
  • 200 OK: la richiesta ha avuto successo
  • 301 Moved Permanently: l'oggetto richiesto è stato trasferito permanentemente
  • 400 Bad Request: codice di errore generico
  • 404 Not Found: il documento richiesto non esiste sul server
  • 505 HTTP Version Not Supported: il server non dispone della versione HTTP richiesta

Versioni di HTTP

• HTTP/1.0: ogni connessione TCP viene chiusa dopo che l'oggetto è stato trasferito
• HTTP/1.1: utilizza una connessione TCP persistente
• HTTP/2.0: utilizza la suddivisione di oggetti in frames per mitigare il problema dell'HOL blocking
• HTTP/3.0: utilizza il protocollo QUIC, molto più veloce, per il trasferimento di oggetti

Cookies

• Utilizzati per mantenere lo stato tra le interazioni dell'utente e del server web
• Componenti:
  • Riga di intestazione nel messaggio di risposta HTTP
  • Riga di intestazione nel messaggio di richiesta HTTP
  • File mantenuto sul sistema dell'utente e gestito dal browser
  • Database che conserva i cookie nel server del sito web

Proxy Server

• Funziona come una cache impostabile manualmente dall'utente
• Ogni volta che viene richiesto un oggetto, esso viene caricato sul server proxy, che controlla se l'oggetto è presente all'interno della sua cache

FTP (File Transfer Protocol)

• Utilizzato per trasferire file da o verso un host remoto
• Composto da:
  • Host locale (client)
  • Host remoto (server)
• Utilizza due connessioni TCP parallele:
  • Connessione di controllo
  • Connessione dati
• Funzionamento:
  • Il client inizia una sessione FTP con un host remoto
  • Il client FTP inizializza una connessione di controllo TCP con il server FTP
  • Il client invia comandi FTP sulla connessione di controllo
  • Il server FTP inizializza una connessione dati TCP verso il client per l'invio di file
• Comandi FTP:
  • USER username
  • PASS password
  • LIST
  • RETR filename
  • STOR filename

SMTP, POP3, IMAP

• SMTP (Simple Mail Transfer Protocol):
  • Utilizzato per la posta elettronica su Internet
  • Composto da:
    • Agente utente (client)
    • Mail server
    • Simple Mail Transfer Protocol
  • Funzionamento:
    • Il client SMTP stabilisce una connessione TCP con il server SMTP
    • Il client invia il messaggio al server
    • Il server SMTP sposta il messaggio nella casella di posta
  • Comandi SMTP:
    • HELO
    • MAIL FROM
    • RCPT TO
    • DATA
    • QUIT
• POP3 (Post Office Protocol 3):
  • Utilizzato per l'accesso alla posta
  • Funzionamento:
    • Autorizzazione
    • Transazione
    • Aggiornamento
  • Comandi POP3:
    • LIST
    • RETR
    • DELE
• IMAP (Internet Message Access Protocol):
  • Utilizzato per l'accesso alla posta con più funzionalità
  • Fornisce comandi per effettuare ricerche nelle cartelle remote sulla base di criteri specifici
  • Conserva informazioni di stato sull'utente da una sessione all'altra

DNS (Domain Name System)

• Utilizzato per tradurre i nomi degli host in indirizzi IP
• Composto da:
  • Un database distribuito e implementato in una gerarchia di DNS servers
  • Un protocollo a livello applicativo che permette agli host di interrogare il database
• Funzionamento:
  • Il client invia una richiesta al DNS server
  • Il DNS server traduce il nome dell'host in indirizzo IP
  • Il client utilizza l'indirizzo IP per stabilire una connessione con il server
• Servizi DNS:
  • Traduzione da hostname a IP
  • Host aliasing
  • Mail server aliasing
  • Load distribution### DNS
• Il database DNS è distribuito e gerarchico, sviluppato su 3 classi:
  • Root server: circa 400 in tutto il mondo, contengono gli indirizzi dei server TLD
  • Top-level domain (TLD) server: gestiscono i domini di primo livello (ad es. com, org, net, etc.) e contengono gli indirizzi dei server DNS autoritativi
  • Authoritative server: ogni organizzazione accessibile su internet deve averli, contengono i record per associare l'indirizzo IP ad ogni host dell'organizzazione
• DNS Caching: tecnica per ridurre il numero di record DNS inviati per internet, utilizzando un DNS server locale o default name server
  • Il DNS server locale riceve l'indirizzo IP per un hostname dal database DNS e lo memorizza nella cache
  • Successive richieste per lo stesso hostname possono essere risolte più velocemente e senza eseguire il procedimento completo
  • Le associazioni tra hostname e IP non sono permanenti, quindi le informazioni nella cache vengono eliminate ogni 2 giorni

Query DNS

• Esistono due tipologie di query per la traduzione di hostname:
  • Iterativa: il client effettua la richiesta al DNS server locale, che se non possiede la risposta nella cache, invia al client una lista di indirizzi root DNS server
  • Ricorsiva: il client effettua la richiesta al DNS server locale, che se non possiede la risposta nella cache, esegue lui stesso le richieste successive

Record DNS

• I server che implementano il database distribuito di DNS memorizzano i record di risorsa (RR) che contengono le informazioni per correlare un hostname ad un indirizzo IP e altro
• I record contengono i seguenti campi: NAME, VALUE, TYPE, TTL
  • TYPE = A: NAME corrisponde al nome dell'host e VALUE corrisponde all'indirizzo IP associato
  • TYPE = NS: NAME corrisponde al nome dell'host e VALUE corrisponde all'hostname del server DNS autoritativo per quel dominio
  • TYPE = CNAME: NAME corrisponde al sinonimo dell'host e VALUE corrisponde al nome canonico dell'host
  • TYPE = MX: NAME corrisponde al sinonimo del mail server e VALUE corrisponde al nome canonico del mail server

Formato dei messaggi DNS

• La semantica dei campi dei messaggi DNS è:
  • Sezione di intestazione: 12 byte divisi in campi
  • Sezione delle domande: contiene informazioni sulle richieste che stanno per essere effettuate
  • Sezione delle risposte: contiene i record di risorsa relativi al nome originariamente richiesto
  • Sezione autoritativa: contiene i record di altri server autoritativi

Trasporto di dati

• Un protocollo a livello di trasporto mette a disposizione una comunicazione logica tra processi applicativi di host differenti
• Esistono due protocolli di trasporto:
  • UDP (User Datagram Protocol): fornisce alle applicazioni un servizio non affidabile e non orientato alla connessione
  • TCP (Transmission Control Protocol): offre un servizio affidabile e orientato alla connessione

UDP

• Il segmento UDP è formato da 4 campi di intestazione di 8 byte totali e il campo dati
• I campi di intestazione sono:
  • Numero di porta di origine
  • Numero di porta di destinazione
  • Lunghezza: specifica il numero di byte del segmento UDP
  • Checksum: per verificare se sono avvenuti errori nel segmento
• Il checksum UDP è utilizzato per determinare se i bit del segmento UDP sono stati alterati durante il trasferimento

Multiplexing e demultiplexing

• Il multiplexing è il compito dell'host mittente che consiste nel radunare i dati e incapsularli in segmenti ognuno con intestazioni a livello di trasporto
• Il demultiplexing è il compito dell'host ricevente che si occupa di trasportare i dati dei segmenti dal livello di trasporto verso la socket corretta del processo
• Una socket UDP viene identificata completamente da una coppia composta da un indirizzo IP e un numero di porta di destinazione
• Una socket TCP è identificata da quattro parametri: indirizzo IP di origine, numero di porta di origine, indirizzo IP di destinazione e numero di porta di destinazione