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Giorgio Ventre » 1.Bit, Reti, Protocolli


Introduzione

L’economia del XXI secolo:

  • Produrre, distribuire e vendere atomi
  • …ma anche:
    • Editoria
    • Finanza
    • Produzione cinematografica…
  • Il maggiore “prodotto” è la creazione e la disseminazione delle informazioni (information economy).

L’economia del futuro sarà probabilmente dominata dall’informazione: per es. scarpe intelligenti, etichette elettroniche…

Informazione

  • Rappresentazione della conoscenza:
    • La conoscenza di una canzone vs rappresentazione
  • Può essere rappresentata in due modi:
    • analogico (atomi)
    • digitale (bit)
  • Il digitale è meglio:
    • I computer possono manipolare informazioni digitali.
    • È infinitamente replicabile.
    • Le reti posso spostare i bit in maniera efficiente.

Le informazioni come atomi

Comuni

  • Libri
  • CD

Vantaggi da una rappresentazione delle informazioni come bit

È il cuore della RIVOLUZIONE DIGITALE:

  • Convertire le informazioni come atomi in informazioni come bit.
  • Usare la rete per muovere i bit anziché gli atomi.

Di cosa abbiamo bisogno?

  • Rappresentare le informazioni come un insieme di bit.
  • Trasferire questi insiemi di bit ovunque, a costi contenuti, assicurando una qualità del servizio: necessità di progettare le reti di calcolatori in modo tale da venire in contro alle tali esigenze.

Uno scenario in rapida evoluzione

Reti differenti per servizi differenti

  • Rete Telefonica (Commutazione di circuito)
  • Rete Dati (Commutazione di pacchetti)
  • CATV (Broadcast via cavo)

Motivazioni

  • Le Reti di Comunicazione attuali:
    • sono basate su differenti modelli di “a commutazione” e differenti tecnologie.
  • Commutazione (switching):
    • può essere definita come la proprietà degli elementi della rete di “inoltrare” le informazioni.
  • Principale obiettivo delle reti:
    • implementare un meccanismo di switching coordinato tale che le informazioni possano essere inoltrate tra una o più sorgenti a una o più destinazioni.
  • Differenti modelli di switching

Comunicazione e Commutazione

Il modello più semplice di comunicazione è l’interconnessione diretta:

  • Le informazioni fluscono direttamente dalla sorgente alla destinazione senza alcun intermediario.
  • Necessità di un mezzo trasmissivo tra la sorgente e la destinazione che consenta il trasferimento delle informazioni.

Modello alternativo:

  • Entità intermedie che consentono di inoltrare i dati secondo un modello “a commutazione”.

Commutazione di Circuito

La rete telefonica tradizionale

  • È una rete basata sul modello “a commutazione di circuito”.
  • La voce, che rappresentano i dati trasferiti, è trasmessa attraverso l’uso esclusivo di un mezzo di comunicazione.
  • L’interconnessione tra sorgente e destinazione viene realizzata mediante un’opportuna configurazione degli elementi intermedi, gli “switch”, che realizzano un circuito dedicato.

Commutazione di Circuito

  • I terminali sono molto semplici:
    • hanno il solo compito di trasdurre la voce e, nella telefonia digitale, di convertirla in un segnale digitale.
  • Nessuna elaborazione sul segnale trasmesso è richiesta ai nodi intermedi:
    • il loro unico compito è configurare un percorso fisico tra la sorgente e la destinazione in modo tale che sia trasparente a entrambi i terminali e alle informazioni.

Commutazione di Pacchetto

  • Comunicazione mediante computer:
    • L’interazione avviene secondo il modello “question-thinking-answer-question”, nel quale il mezzo di comunicazione non è sempre occupato.
  • I computer si scambiano dati discreti e non continui:
    • È più conveniente usare le risorse secondo un modello di utilizzo condiviso e non esclusivo.
  • Modello di comunicazione “postale”:
    • I dati (lettere e pacchi) sono trasferiti utilizzando nodi di “smistamento” intermedi fino a raggiungere la destinazione finale.

Commutazione di Pacchetto

Ciò è possibile perché:

  • Le informazioni sono “atomiche” e discrete.
  • Ogni pezzo di informazione è identificabile.
  • L’inoltro delle informazione è fatto “per pezzi”.

Ciò richiede funzionalità complesse per i nodi:

  • Devo essere in grado di memorizzare i dati per inoltrarli poi in maniera asincrona.
  • Devo essere in grado di configurare il loro comportamento di inoltro secondo una decisione. autonoma nell’ottica di un approccio coordinato.

Commutazione di Flusso

  • Per alcune applicazioni i computer si scambiano “flussi” di informazioni.
  • Necessità di un nuovo modello di comunicazione: i dati scambiati non sono più singolo bit ma stream di bit.
  • Ogni elemento dello stream deve riceve lo stesso “trattamento” dai nodi della rete.

Commutazione di Flusso

Un tale modello di comunicazione è realizzabile perché:

  • Le informazioni sono sempre discrete.
  • È possibile applicare un meccanismo di per l’identificazione dei flussi o di aggregati di flussi.
  • L’inoltro è basato su flussi.

È necessario che i nodi realizzino funzioni più complesse:

  • Stringenti requisiti temporali.
  • Trattamento differenziato dei dati.
  • Ammissione dei flussi e definizione di percorsi specifici per l’invio dei dati.

Cos’altro?

Alcune applicazioni e servizi non si adattano ai modelli descritti:

  • Transcodifica e networking programmabile
  • Content delivery
  • Peer-2-peer
  • Accesso remoto ai dati
  • Non-terminated data flow
  • Applicazioni localizzate in rete e middle-box
  • Networking autonomico

Cos’altro?

Nuove innovazioni tecnologiche sono attualmente disponibili:

  • Grandi capacità di trasporto a livello di backbone della rete
  • Switching ottico
  • Architetture multi-computer con bus interno a velocità nell’ordine dei GByte
  • Riduzione di costi e aumento della velocità di memorie di massa e RAM
  • Processori di rete veloci, ri-configurabili e ri-programmabili

Uno scenario in rapida evoluzione

Un evoluzione della tecnologia o casa?

  • CPU più piccole, intelligenti ed economiche.
  • Terminali multi-servizio: PC+TV+Cellulare…
  • Più banda disponibile: Rete cellulare e wireless…
  • Fine dei monopoli: più competitor, mercato globale.
Tecnologia in casa

Tecnologia in casa


Perché quest’attenzione a questioni di carattere regolamentare?

Fin dall’inizio le telecomunicazioni hanno attratto l’attenzione dei governi.

1878, Bell vs West Union:

  • Prima separazione tra tecnologia e mercato (telegrafi e telefoni).

1890, Sherman Antitrust Act:

  • Prima legge antitrust per smembrare la Standard Oil.
  • Non fu applicata alla AT&T fino al 1984.

Perché quest’attenzione a questioni di carattere regolamentare?

1910, Universal Service and the Interconnection of competitors.

1977, MCI vs FCC:

  • Primo colpo al monopolio della AT&T.

1996, US Telecomunication Act:

  • Cambio drammatico nei regolamenti per le TLC.

1996, WTO Agreement:

  • Apertura globale del mercato delle TLC.

Nuove tecnologie per un infrastruttura globale

Un numero abbastanza ampio di scelte

  • Tecnologie wireline
    • xDSL
    • ATM
    • WDM
  • Tecnologie wireless
    • WLAN e WLL
    • Bluetooth
    • GPRS
    • UMTS

=> INTERNET as a Global Network

Nuove tecnologie per un infrastruttura globale

Perché Internet?

Diversi possibili candidati

  • B-ISDN e ATM
    • Teoricamente perfetti
    • Da un punto di vista pratico troppo complesso e costo
  • Internet
    • Teoricamente imperfetto
    • Semplice da realizzare

=> INTERNET as a Global Network

Una tassonomia dei Dati e dei Media

  • “Un bit è un bit”:
    • Si è soliti considerare esclusivamente aspetti tecnici del processi dei dati e della loro trasmissione.
  • Poca attenzione alle proprietà semantiche:
    • Differenti tipi di informazione e media presentano differenti caratteristiche e proprietà semantiche.
    • Queste proprietà influenzano pesantemente il modo con cui i dati dovrebbero essere scambiati.

Una tassonomia dei Dati e dei Media

Qualche esempio:

  • Un bit di un messaggio e-mail.
  • Un bit di una chiamata telefonica.
  • Un bit di video stream.
  • Un bit di un messaggio di controllo.

È possibile identificare proprietà semantiche?

Possiamo definire da queste delle caratteristiche utili per la progettazione di un sistema di comunicazione?

Una tassonomia dei Dati e dei Media

Proprietà che definiscono la Qualità dell’Informazione per ogni tipo di dati:

  • Correttezza
  • Ordine
  • Tempificazione
  • Consistenza
  • Privacy
  • Robustezza

Correttezza

È una misura del grado di accettabilità della corruzione dei dati, perché si possa ancora utilizzarli.

  • Correttezza stringente:
    • Transazioni commerciali
    • Dati computazionali
    • Controllo e segnalazione
    • Audio
  • Correttezza non stringente:
    • E-mail e testo
    • Video
    • Grafici

Ordine

È una proprietà relative all’accettabilità della sequenza di un gruppo di dati processati/scambiati.

  • Ordine assoluto:
    • Gaming distribuito
    • Network Stock Exchange
    • CIM
  • Ordine relativo:
    • Modello di interazione Domanda/Risposta

Tempificazione

È una misura relativa ai requisiti sul quando uno o più eventi devono verificarsi.

  • Asincrono:
    • Nessun requisito.
  • Tempo relativo:
    • Solo requisiti sul tempo relativo dell’occorrenza di una sequenza di eventi (isocrono).
  • Tempo reale:
    • Specifiche sul tempo assoluto, con e senza limiti, dell’occorrenza di eventi.

Tempificazione

Le applicazioni multimediali possono avere valori per questa proprietà anche molto differenti.

Tempificazione

Tempificazione


Consistenza, Privacy, Robustezza

Consistenza

  • È una misura del livello di coerenza tra differenti copie o istanze di una informazione.
  • È solitamente funzione del Tempo.

Privacy

  • È una proprietà relativa al grado di accessibilità nella condivisione delle informazioni.
  • È solitamente funzione dello Spazio.

Robustezza

  • È la capacità dei dati di resistere agli errori durante la loro elaborazione o lo scambio.
  • Può essere funzione del Tempo e dello Spazio.

Obiettivi della progettazione dei sistemi distribuiti

Evoluzione tecnologica da sistemi centralizzati a sistemi distribuiti

Distribuito: una soluzione a problemi complessi

  • Condivisione delle risorse
    • Dati, hardware, software
  • Affidabilità
  • Gestione e controllo delle risorse
  • Comunicazione
  • Modularità e Scalabilità
  • Parallelismo e Concorrenza

Obiettivi della progettazione dei sistemi distribuiti

  • Differenti applicazioni/dati possono richiedere differenti architetture.
  • I tre maggiori requisiti da considerare sono:
    • Le dimensioni
    • Le performance
    • La Quality of Service
  • Sia l’hardware che il software dei componenti può influire su come tali requisiti sono soddisfatti.

Componenti della Rete

  • Nodi: PC, hardware special-purpose, ecc…
    • Host
    • switch
  • Link: cavo coassiale, fibra ottica, ecc…
    • Punto-punto
    • Ad accesso condiviso
Tipi di link

Tipi di link


Rete a Commutazione

Una rete può essere definita in maniera ricorsiva come…

  • Due o più nodi connessi attraverso un link.
  • Due o più reti connesse attraverso uno o più nodi.
Due o più nodi connessi attraverso un link

Due o più nodi connessi attraverso un link

Due o più reti connesse attraverso uno o più nodi

Due o più reti connesse attraverso uno o più nodi


Indirizzamento e Routing

  • Indirizzo: una stringa di byte che identifica un nodo solitamente univoco.
  • Routing: processo di inoltro dei messaggi ad un nodo destinazione basato sul suo indirizzo.
  • Tipi di indirizzo:
    • Unicast: nodo specifico.
    • Broadcast: tutti i nodi della rete.
    • Multicast: un sottoinsieme di nodi.

Multiplexing

  • Time-Division Multiplexing (TDM)
  • Frequency-Division Multiplexing (FDM)
Multiplexing

Multiplexing


Multiplexing Statistico

  • Time-Division on-demand.
  • Scheduling dei link per pacchetto.
  • Pacchetti da differenti sorgenti interallacciati su link.
  • Buffer per pacchetti che si contendono il link.
  • Il buffer-overflow è detto congestione.
Buffer-overflow

Buffer-overflow


Comunicazione tra processi

Modello computazionale per la distribuzione dei processi: Client-Server

Client-Server

Client-Server


Comunicazione tra processi

Modello computazionale per la distribuzione dei processi: Comunicazione Multipeer/Gruppi

Comunicazione Multipeer/Gruppi

Comunicazione Multipeer/Gruppi


Le astrazioni della comunicazione tra processi

Request/Reply

  • File System distribuiti
  • Librerie digitali (web)

Stream-based

  • Video: sequenza di frame
    • ¼ NTSC = 352 x 240 pixel
    • (352 x 240 x 24)/8 = 247,5 KB
    • 30 fps = 7500 Bps = 60 Mbps

Applicazioni video

  • Video on-demand
  • Video conferencing

La comunicazione tra computer

La comunicazione tra computer richiede soluzioni tecniche complesse per:

  • Trasmissione fisica e Ricezione
  • Controllo di errore
  • Controllo di flusso
  • Conversione dei dati
  • Crittografia e Protezione della Privacy
  • Sincronizzazione

Un approccio logico dovrebbe essere quello di “Divide et Impera“.

La comunicazione tra computer

  • Gli esempi presentati sono mutuamente esclusivi:
    • In molti casi differenti soluzioni architetturali coesistono per risolvere differenti problemi in un unico sistema distribuito complesso.
  • Un esempio: la moderna Internet:
    • Gli utenti residenziali accedono via modem ad un ISP dove una LAN di nodi di accesso è connessa a Internet attraverso una linea “in fitto”.

Cosa non va in una rete?

  • Errori a livello dei bit
    • Interferenze elettriche
  • Errori a livello di pacchetto
    • Congestione
  • Problemi dei link e dei nodi
  • Ritardo nella consegna dei messaggi
  • Messaggi consegnati in ordine errato
  • Problemi legati alla sicurezza

Prossima lezione

Tecniche ed Architetture per la Quality of Service

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Progetto "Campus Virtuale" dell'Università degli Studi di Napoli Federico II, realizzato con il cofinanziamento dell'Unione europea. Asse V - Società dell'informazione - Obiettivo Operativo 5.1 e-Government ed e-Inclusion