network.tex

   1 \chapter{Introduzione alla rete}
   2
   3 In questo capitolo sarà fatta un'introduzione ai contetti generali che
   4 servono come prerequisiti per capire ed
   5 esamineremo a grandi linee i protocolli di rete e come questi sono organizzati
   6 e interagiscono.
   7
   8
   9 \section{I protocolli di rete}
  10 \label{sec:layer}
  11
  12 Parlando di reti di computer si parla in genere di un insieme molto vasto ed
  13 eterogeneo di mezzi di comunicazione che vanno dal cavo telefonico, alla
  14 fibra ottica, alle comunicazioni via satellite; per rendere possibile la
  15 comunicazione attraverso un così variegato insieme di mezzi sono stati
  16 adottati una serie di protocolli, il più famoso dei quali, quello alla base
  17 del funzionamento di internet, é il cosiddetto TCP/IP.
  18
  19 \subsection{Il modello ISO/OSI}
  20 \label{sec:iso_osi}
  21
  22 Una caratteristica comune dei protocolli di rete è il loro essere strutturati
  23 in livelli sovrapposti; in questo modo un livello superiore esegue richieste
  24 al livello sottostante e da questo riceve responsi, mentre livelli uguali su
  25 macchine diverse conversano tramite lo stesso protocollo. Questo modello di
  26 funzionamento è stato stato standardizzato dalla International Standards
  27 Organization (ISO) che ha preparato fin dal 1984 il Modello di Riferimento
  28 Open Systems Interconnection (OSI), strutturato in a sette livelli, secondo la
  29 tabella in \ntab.
  30
  31 \begin{table}[htb]
  32   \centering
  33   \begin{tabular}{l c c l}
  34     \textbf{Livello} & \multicolumn{2}{c}{\textbf{Nome}} & \\
  35     \hline
  36     Livello 7&\textit{Application} &\textsl{Applicazione}& \\
  37     Livello 6&\textit{Presentation} &\textsl{Presentazione}& \\
  38     Livello 5&\textit{Session} &\textsl{Sessione}& \\
  39     Livello 4&\textit{Transport} &\textsl{Trasporto}& \\
  40     Livello 3&\textit{Network} &\textsl{Rete}&   \\
  41     Livello 2&\textit{DataLink} &\textsl{Collegamento Dati}& \\
  42     Livello 1&\textit{Connection} &\textsl{Connessione Fisica}& \\
  43     \hline
  44 \end{tabular}
  45 \caption{I sette livelli del protocollo ISO/OSI.}
  46 \label{tab:osilayers}
  47 \end{table}
  48
  49 Il modello ISO/OSI è stato sviluppato corrispondentemente alla definizione
  50 della serie di protocolli X.25 per la commutazione di pacchetto. Ma nonostante
  51 il lavoro dettagliato di standardizzazione il modello si è rivelato
  52 sostanzialmente troppo complesso e poco flessibile rispetto a quello,
  53 precedente, su cui si basa TCP/IP che è diventato uno standard de facto;
  54 quest'ultimo viene comunemente chiamato modello DoD (Department of Defense),
  55 dato che fu sviluppato dall'agenzia ARPA per il Dipartimento della Difesa
  56 Americano.
  57
  58 \subsection{Il protocollo TCP/IP}
  59 \label{sec:tcpip_overview}
  60
  61 Così come ISO/OSI anche TCP/IP è stato strutturato in livelli (riassunti in
  62 \ntab); un confronto fra i due è riportato in \nfig dove viene evidenziata
  63 anche la corrispondenza fra i rispettivi livelli (che comunque è
  64 approssimativa) e come essi vanno ad inserirsi all'interno del sistema
  65 operativo, riguardo alla divisione fra user space e kernel space spiegata in
  66 \ref{sec:unix_struct}.
  67
  68 % L'attuale Internent Protocol (IPv4) viene standardizzato nel 1981
  69 % dall'RFC~719; esso nasce per disaccoppiare le applicazioni della struttura
  70 % hardware delle reti di trasmissione, e creare una interfaccia di trasmissione
  71 % dei dati indipendente dal sottostante substrato di rete, che può essere
  72 % realizzato con le tecnologie più disparate (Ethernet, Token Ring, FDDI,
  73 % etc.).
  74
  75 % In realtà IP realizza solo una parte di tutto questo, e fa parte di un
  76 % sistema che va sotto il nome di TCP/IP che è,
  77 % uno di
  78 % questi, quello responsabile del trasporto dei pacchetti fra le varie reti che
  79 % compongono Internet, è appunto IP.
  80
  81 \begin{table}[htb]
  82   \centering
  83   \begin{tabular}{l c c l}
  84     \textbf{Livello} & \multicolumn{2}{c}{\textbf{Nome}} & \textbf{Esempi} \\
  85     \hline
  86     Livello 1&\textit{Application} &\textsl{Applicazione}&
  87     Telnet, FTP, etc. \\
  88     Livello 2&\textit{Transport} &\textsl{Trasporto}& TCP, UDP \\
  89     Livello 3&\textit{Network} &\textsl{Rete}& IP, (ICMP, IGMP)  \\
  90     Livello 4&\textit{Link} &\textsl{Connessione}&
  91     device driver \& scheda di interfaccia  \\
  92     \hline
  93 \end{tabular}
  94 \caption{I quattro livelli del protocollo TPC/IP.}
  95 \label{tab:layers}
  96 \end{table}
  97
  98
  99 Come si può notare TCP/IP è più semplice del modello ISO/OSI e strutturato in
 100 soli quattro livelli. Il suo nome deriva dai due principali protocolli che lo
 101 compongono, il TCP \textit{Trasmission Control Protocol} e l'IP
 102 \textit{Internet Protocol}. Le funzioni dei vari livelli sono le seguenti:
 103
 104 \begin{description}
 105 \item \textbf{Applicazione} É relativo ai programmi di interfaccia utente, in
 106   genere questi vengono realizzati secondo il modello Client-Server (vedi
 107   \ref{sec:cliserv}.
 108 \item \textbf{Trasporto} Fornisce la comunicazione tra le due stazioni
 109   terminali su cui girano gli applicativi, regola il flusso delle
 110   informazioni, e può fornire un trasporto affidabile, cioè con recupero
 111   errori. Il protocollo principale di questo livello è il TCP.
 112 \item \textbf{Rete} Si occupa dello smistamento dei singoli pacchetti su una
 113   rete complessa e interconnessa, a questo stesso livello operano i protocolli
 114   per il reperimento delle informazioni necessarie allo smistamento, per lo
 115   scambio di messaggi di controllo e per il monitoraggio della rete. Il
 116   protocollo su cui si basa questo livello è IP (sia nella attuale versione,
 117   IPv4 che nella nuova IPv6).
 118 \item \textbf{Connessione} È responsabile per l'interfacciamento al
 119   dispositivo elettronico che effettua la comunicazione fisica, gestendo
 120   l'invio e la ricezione dall'hardware dei pacchetti.
 121 \end{description}
 122
 123
 124 La comunicazione fra due stazioni avviene pertanto secondo le modalità
 125 illustrate in \nfig.
 126
 127 Le singole applicazioni si scambieranno i dati secondo un loro formato
 128 specifico, implementando un protocollo di applicazione (esempi possono essere
 129 HTTP, POP, telnet, SMTP, etc).
 130
 131 Questi dati vengono inviati al livello di trasporto usando un'interfaccia
 132 opportuna (i \textit{socket}, che esamineremo in dettaglio in seguito), i
 133 quali li spezzerà in pacchetti di dimensione opportuna e li incapsulerà
 134 all'interno del suo protocollo di trasporto aggiungendo ad ogni pacchetto le
 135 informazioni necessarie alla gestione di quest'ultimo. Questo processo viene
 136 svolto dirattamente nel kernel ad esempio dallo stack TCP nel caso il
 137 protocollo di trasporto sia questo.
 138
 139 Una volta composto il pacchetto nel formato adatto al protocollo di trasporto
 140 usato questo sarà passato al successivo livello, quello del collegamento che
 141 si occupa di inserire le opportune informazioni per poter effettuare
 142 l'instradamento nella rete ed il recapito alla destinazione finale. In genere
 143 questo è il livello di IP (Internet Protocol), a cui vengono inseriti i numeri
 144 IP che identificano i computer su internet.
 145
 146 L'ultimo passo è il trasferimento del pacchetto al driver della interfaccia di
 147 trasmissione che si incarica di incapsularlo nel relativo protocollo di
 148 trasmissione fisica usato dall'hardware usato per la comunicazione (ad esempio
 149 ethernet per una scheda di rete).
 150
 151
 152 \subsection{Criteri generali del design di TCP/IP}
 153
 154
 155 La filosofia architetturale di TCP/IP è semplice: costruire una rete che
 156 possa sopportare il carico in transito, ma permettere ai singoli nodi di
 157 scartare pacchetti se il carico è temporaneamente eccessivo, o se risultano
 158 errati o non recapitabili.
 159
 160 L'incarico di rendere il recapito pacchetti affidabile non spetta allo livello
 161 di collegamento, ma ai livelli superiori. Pertanto il protocollo IP è per sua
 162 natura inaffidabile, in quanto non è assicurata né una percentuale di
 163 successo né un limite sui tempi di consegna dei pacchetti.
 164
 165 È il livello di trasporto che si deve occupare (qualora necessiti) del
 166 controllo del flusso dei dati e del recupero degli errori; questo è realizzato
 167 dal protocollo TCP. La sede principale di "intelligenza" della rete è pertanto
 168 al livello di trasporto o superiore.
 169
 170 Infine le singole stazioni collegate alla rete non fungono soltanto da punti
 171 terminali di comunicazione, ma possono anche assumere il ruolo di router, per
 172 l'interscambio di pacchetti da una rete ad un'altra. Questo rende possibile la
 173 flessibilità della rete che è in grado di adattarsi ai mutamenti delle
 174 interconnessioni.
 175
 176 La caratteristica essenziale che rende tutto ciò possibile è la strutturazione
 177 a livelli tramite l'incapsulamento. Ogni pacchetto di dati viene incapsulato
 178 nel formato del livello successivo, fino al livello della connessione fisica.
 179 In questo modo il pacchetto ricevuto ad un livello $n$ dalla stazione di
 180 destinazione è esattamente lo stesso spedito dal livello $n$ dalla sorgente.
 181 Questo rende facile il progettare il software facendo riferimento unicamente a
 182 quanto necessario ad un singolo livello, con la confidenza che questo poi sarà
 183 trattato uniformemente da tutti i nodi della rete.
 184
 185
 186
 187 \section{Il modello client-server}
 188 \label{sec:cliserv}.
 189
 190 La differenza principale fra un'applicazione di rete e un programma normale
 191 è che quest'ultima per definizione concerne la comunicazione fra
 192 ``processi'' diversi (che in generale non girano neanche sulla stessa
 193 macchina). Questo già prefigura un cambiamento completo rispetto all'ottica
 194 del ``programma'' monolitico all'interno del quale vengono eseguite tutte le
 195 istruzioni, e presuppone un sistema operativo ``multitasking'' in grado di
 196 eseguire processi diversi.
 197
 198 Il concetto fondamentale si basa la programmazione di rete sotto Linux (e
 199 sotto Unix in generale) è il modello \textit{client-server} in cui un
 200 programma di servizio, il \textit{server} riceve un connessione e risponde a
 201 un programma di utilizzo, il \textit{client}, provvedendo a quest'ultimo un
 202 definito insieme di servizi.
 203
 204 Esempi di questo modello sono il WEB, ftp, telnet, ssh e praticamente ogni
 205 servizio che viene fornito tramite la rete, ma il modello è utilizzato in
 206 generale anche per programmi di uso locale.
 207
 208 Normalmente si dividono i server in due categorie principali,
 209 \textit{concorrenti} e \textit{iterativi}, sulla base del loro comportamento.
 210
 211 Un server iterativo risponde alla richiesta inviando i dati e resta occupato
 212 (non rispondendo ad ulteriori richieste) fintanto che non ha concluso la
 213 richiesta. Una volta completata la richiesta il server diventa di nuovo
 214 disponibile.
 215
 216 Un server concorrente al momento di trattare la richiesta crea un processo
 217 figlio incaricato di fornire i servizi richiesti, per poi porsi in attesa di
 218 ulteriori richieste. In questo modo più richieste possono essere soddisfatte
 219 contemporaneamente, una volta che il processo figlio ha concluso il suo lavoro
 220 viene terminato, mentre il server originale resta sempre attivo.
 221