Architettura Di Internet

Lezione 4 - L’architettura di Internet: gli ISP e i collegamenti.

Nella scorsa lezione abbiamo esplorato i modelli di riferimento ISO/OSI e TCP/IP. In questa sezione procediamo lungo il nostro percorso, accennando l'architettura di Internet.

ISP

Il pilastro portante della rete Internet sono gli Internet Service Provider (ISP), ossia quelle organizzazioni che offrono agli utenti un accesso ad Internet. In altre parole, sono aziende come:

  • WindTre
  • Tim
  • Vodafone
  • Fastweb
  • Linkem
  • Eolo E tanti altri; qui sono state nominate solo alcune dei più diffusi.

Per connettersi ad Internet un host deve connettersi ad ISP; questo gli permette di scambiare pacchetti con tutti gli altri computer connessi alla rete.

DSL

Il modo più comune per accedere ad Internet è attraverso la linea telefonica. Si usa la tecnologia Digital Subscriber Line (abbreviato in DSL 😉). Il computer si connette al modem DSL, che converte i pacchetti digitali in segnali analogici per inviarli sulla linea telefonica (e viceversa alla ricezione di dati).

Dall'altra parte c’è un Digital Subscriber Line Access Multiplexer (DSLAM), che converte i segnali elettrici in pacchetti digitali.

In realtà, come approfondiremo più avanti, la situazione, nella casa dell’utente, è leggermente diversa; per lo scopo di questo capitolo, tuttavia, è più che sufficiente considerarla composta come descritto sopra.

Dial-up

Quando si usa la linea telefonica in modo standard per trasmettere i dati si usa la tecnica dial-up. Per il momento non entriamo in dettagli tecnici.

Modem

Il dispositivo utilizzato per interfacciare il router con la linea fisica è il modem, parola che indica modulator demodulator. Un modem, infatti, modula e demodula segnali elettrici analogici per trasformarli in informazioni digitali.

CMTS

In alcuni Paesi, come negli USA, non si usa la linea telefonica per l’accesso ad Internet, bensì il cavo televisivo. Anche in questo caso, per ora, non ci addentriamo in ulteriori dettagli.

FTTH

Negli ultimi anni si sta diffondendo sempre di più la connettività via fibra ottica, che offre velocità di gran lunga superiori alle altre opzioni così come una latenza più bassa e una capacità maggiore.

Di contro, i costi di posa e aggiornamento delle apparecchiature ne hanno rallentato l’adozione che, ancora oggi, non è completata al 100%. Nei prossimi anni, comunque, dovrebbe arrivare a coprire la stragrande maggioranza del territorio e delle utenze.

POP

Il punto in cui l’utente entra nella rete dell’ISP si dice POP o Point Of Presence.

Backbone

Per muovere i dati tra punti geografici distinti si usano le cosiddette dorsali (backbone). Sono delle linee, tipicamente in fibra ottica, con capacità elevatissime: supportano lo scambio di dati tra interi continenti o parti di essi.

IXP

Così come gli utenti finali accedono ad Internet tramite gli ISP, gli ISP si interconnettono l’uno all’altro tramite gli IXP o Internet eXchange Point.

Livelli

Gli ISP si possono categorizzare sulla base di diversi parametri; +solitamente vengono suddivisi in più livelli* (da non confondere con quelli degli stack protocollari) in base alla copertura geografica e all’infrastruttura cui appartengono.

Vengono classificati in:

  • ISP di livello 1: sono internazionali;
  • ISP di livello 2: sono nazionali;
  • ISP di livello 3: sono locali.

Livelli degli ISP

Un ISP di livello 1 si può connettere ad un ISP di livello 3, ma solitamente non accade; al contrario, è frequente che un ISP di livello 2 si colleghi ad un ISP di livello 1 e che uno di livello 3 si connetta ad uno di livello 2.

Per far viaggiare i dati da un punto all’altro della rete si usano tecniche di routing (instradamento). L’instradamento può seguire più criteri, come, ad esempio:

  • distanza;
  • tempo;
  • accordi commerciali;
  • load balancing.

L’instradamento viene fatto in modo tale da non intasare la rete. Per il momento, però, non proseguiamo: lo esamineremo più dettagliatamente, insieme agli algoritmi e ai protocolli adoperati, in una prossima lezione.

L’informazione deve essere trasportata. Per farlo usiamo reti a commutazione:

  • di circuito;
  • di pacchetto.

Reti a commutazione di circuito

Nelle reti a commutazione di circuito il canale trasmissivo è interamente dedicato ad una singola e specifica comunicazione.

Reti a commutazione di circuito

Le risorse sono divise in n porzioni, ossia in n circuiti. Le risorse vengono quindi assegnati agli utenti che ne fanno richiesta per un quanto di tempo.

Questa tecnica è ottimale se la quantità di dati da trasmettere è costante. Tuttavia, l’utilizzo tipico di Internet è fatto di diversi picchi divisi da intervalli in cui l’attività è minima o nulla; questo, perciò, porta ad un grande spreco di risorse.

Utilizzo tipico di Internet

Reti a commutazione di pacchetto

La soluzione, almeno per questo tipo di utilizzo, è suddividere i dati in pacchetti indipendenti. Ognuno porta con sé l’indirizzo di destinazione, oltre al contenuto vero e proprio (che, come vedremo più avanti, si chiama payload).

Struttura base di un pacchetto

I vari dispositivi generano dei dati al livello applicazione dello stack protocollare; i dati, scendendo attraverso lo stack, vengono elaborati e spezzetati in pacchetti.

Ogni layer aggiunge un proprio header, ossia delle informazioni aggiuntive (rappresentate in blu nell’immagine qui sopra) che permettono al protocollo stesso di funzionare.

Un pacchetto di dimensioni troppo grandi (nuovamente, capiremo in futuro cosa significhi “troppo grandi”) viene spezzettato in pacchetti di dimensioni più piccoli.

Ogni host che voglia comunicare con l’esterno, quindi, invia questi pacchetti al router, che li accoda nel proprio buffer. Il buffer è una memoria limitata che serve ad accogliere i pacchetti finché non vengono processati e instradati.

Rete a commutazione di pacchetto

Il problema più grande è che si possono perdere i dati se il buffer del router è già pieno e arrivano nuovi pacchetti. Questa tecnica può causare dei ritardi, dovuti alle code e alla trasmissione.

Ritardi

In una rete a commutazione di circuito il ritardo è dovuto unicamente al tempo d’instaurazione del circuito stesso; una volta instaurato, la tramissione può avvenire alla massima velocità per tutto il quanto di tempo assegnato.

Ritardo nelle reti a commutazione di circuito

Nelle reti a commutazione di pacchetto, al contrario, il ritardo è decisamente maggiore. Oltre al tempo di propagazione del segnale nel mezzo fisico subentra anche il ritardo dovuto all’attraversamento di più apparati (router, switch, ecc.) e al tempo che ognuno di essi impiega per elaborare e inoltrare il pacchetto.

Ritardo nelle reti a commutazione di pacchetto

Non solo: il ritardo si ripete per ogni dispositivo intermedio attraversato. Insomma, per trasmettere una certa quantità di dati ci vuole più tempo.

Ciononostante, le reti moderne si basano su questa tecnica poiché, come abbiamo già visto, sfrutta al meglio le risorse disponibili.

Standardizzazione della rete

Un altro problema che sorge nel progettare reti di grandi dimensioni è la standardizzazione. In tutto il mondo ci sono molte aziende, ognuna delle quali ha la sua idea di come andrebbero fatte le cose. Senza organizzazione e standard ci sarebbe il caos: i dispositivi di produttori diversi non potrebbero cooperare.

Sono stati così definiti degli standard. Gli standard non definiscono come deve funzionare un protocollo. Definiscono, invece, ciò che serve per l’interoperabilità.

E qui nasce un’altra categorizzazione; gli standard si dividono in due categorie:

  • gli standard de facto: sono standard che sono tali solo per il loro ampio utilizzo;
  • gli standard de jure: sono imposti formalmente da un’organizzazione tramite delle regole.

Architettura di Internet

In questa quarta lezione del corso di reti abbiamo iniziato a grattare la superficie della rete Internet; abbiamo parlato delle tecnologie di trasmissione principali che ne permettono il funzionamento, così come delle entità che lo rendono qualcosa di tangibile (gli ISP).

Abbiamo esplorato, inoltre, il funzionamento delle reti a commutazione di circuito e a commutazione di pacchetto.

La precedente lezione, invece, abbiamo parlato dei modelli di riferimento. Tutte queste informazioni saranno di fondamentale importanza nella prossima lezione: inizieremo a descrivere il livello fisico 🤩.