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End Systems ES

Gli utenti della rete sono le entità mittenti o destinatarie dei dati, possono essere utenti umani o agenti software cioè programmi in esecuzione (detti processi) Gli utenti della rete stanno su macchine (hosts) dette End Systems o ES (sistemi finali o terminali) perché sono queste le macchine che stanno ai capi di una comunicazione. Gli End System possiedono la proprietà fondamentale di essere individuabili univocamente all’interno della rete tramite un indirizzo.

Gli End Systems possono essere:

• Computers
• Periferiche intelligenti (telecamere, stampanti di rete, sensori, ecc) :
  • dotate della logica necessaria a svolgere i protocolli di comunicazione
  • dotate di indirizzo.

Intermediate Systems IS

Sono i dispositivi interni della rete e sono in genere nodi di commutazione I nodi di commutazione sono dispositivi di smistamento dove l’informazione entra da una porta di ingress ed esce da una porta di uscita. Le porte di uscita e di ingresso tra un nodo e l’altro sono collegate da mezzi trasmissivi detti collegamenti o link La cascata di nodi e link tra un ES sorgente e il corrispondente ES di destinazione viene detto percorso del messaggio o path. L’operazione di smistamento da una porta di ingresso ad una di uscita viene detto inoltro o forwarding. Il processo di scelta del percorso migliore tra ES sorgente e ES di destinazione viene detto instradamento o routing.

La comunicazione diretta ES-ES è un collegamento logico (o virtuale) che appare dedicato ai due ES coinvolti nel dialogo. Il collegamento logico tra ES si scompone in più collegamenti fisici tenuti insieme da nodi IS I collegamenti tra nodi IS sono risorse comuni a molte comunicazioni.

I nodi di IS di commutazione (switch o router) partecipano attivamente nel realizzare la privacy dell’utente perchè, nell’ultimo smistamento, quello verso un ES, inoltrano i dati solo a quel nodo ES a cui sono destinati, questo perchè il link tra un nodo e il suo IS è sempre dedicato (punto-punto). La stessa cosa non accade quando il collegamento tra un nodo IS e un ES avviene con mezzi broadcast come i BUS dove un unico filo collega molti ES.

Nodi di smistamento

I sistemi intermedi sono dei nodi che in genere hanno funzione di smistamento dei pacchetti (PDU) che eseguono in base agli indirizzi (header) di un solo livello che è il loro livello di lavoro.

I sistemi che lavorano ad un livello N sono un argine invalicabile per le PDU dei livelli inferiori, queste non possono direttamente attraversarli.

le SDU dei livelli inferiori vengono sbustate all’ingresso del nodo fino a estrarre la N-PDU che viene esaminata, smistata e reimbustata all’uscita del nodo su nuove PDU di livello inferiore.

Il nodo legge l’indirizzo di livello N e in base a questo sceglie l’indirizzo di livello inferiore a cui inoltrare la N-1 - PDU

Dispositivi di inoltro di Livello 1

Non avendo un livello inferiore si limitano ad inoltrare bit da un ingresso a una o più uscite. Sono adoperati in reti geografiche commutate (WAN) e nelle reti locali (LAN). Possono essere:

• Repeater. Tutti i mezzi trasmissivi introducono una attenuazione e un degrado complessivo del segnale (elettrico o luminoso) proporzionale alla distanza da questo percorsa. Un ripetitore riceve un segnale debole (o deteriorato) e lo ritrasmette amplificato (o rigenerato), in modo tale da raggiungere lunghe distanze con una qualità sufficiente a renderlo intelleggibile. E’ usato talvolta in ambito wireless.
• Hub. Un HUB, come concentratore di host, è a tutti gli effetti un REPEATER a più porte che realizza, secondo una topologia fisica interna a stella, un collegamento logico a bus. Le schede di rete dei vari host collegati vedono l’hub come un unico mezzo trasmissivo comune a tutti e pertanto vi accedono usando il protocollo di condivisione del mezzo CSMA/CD. Gli hub a filo ormai sono obsoleti e introvabili commercialmente mentre sono molto comuni nelle reti wireless sotto forma di Access Point WiFi (AP) che interagiscono con i client WiFi mediante il protocollo CSMA/CA.

Rimane comune l’uso dei BUS a filo in ambito industriale e domotico, governati con protocolli a contesa o determnistici costituiti da un unico filo passante per tutti i dispositivi. Ma in questo caso non si tratta concettualmente di hub. Un hub è un dispositivo che a tutti gli effetti partecipa alla creazione di una LAN, insieme agli Switch e ai Bridge.

Gli hub soffrono del problema delle collisioni per cui si dice che un hub costituisce un unico “dominio di collisione” perche’ qualsiasi coppia di stazioni che provi a trasmettere contemporaneamente genera una collisione. Due o più hub connessi insieme sullo stesso canale creano un unico dominio di collisione: il traffico intenso tra due host congestiona sempre quello di tutti gli altri.

La migliore soluzione per evitare le collisioni è di patizionare gli Hub in segmenti isolati (per le collisioni). A tale scopo è possibile dividere i segmenti broadcast con BRIDGE oppure con SWITCH o con ROUTER. Infatti i dispositivi L2 e L3 bloccano i bit di livello 1 all’ingresso delle loro porte, pertanto:

• non propagano tra una Hub e l’altro le trame corrotte risultanti da una collisione.
• un tentativo di trasmissione su un hub non viene visto dagli altri hub e non può interferire con le loro trasmissioni. Questo processo è chiamato “SEGMENTAZIONE”.

Dispositivi di inoltro di Livello 2

I dispositivi di livello 2 sono un barriera per la propagazione del flusso di bit provenienti dai dispositivi di livello 1 che viene memorizzato ed osservato per isolare, di volta in volta, le trame in arrivo. Ogni trama viene, a questo punto, smistata su una porta di uscita in base al suo indirizzo di destinazione in modo da scegliere sempre una porta che conduce ad un link che stia nel percorso (path) verso la destinazione.

In sostanza, si fa una selezione delle trame per decidere dove inviarle.

Tradizionalmente, i link sulle porte di qualunque dispositivo di livello 2 (bridge o switch) non sono semplici collegamenti punto-punto ma BUS su cui è attivo il protocollo CSMA/CD, che realizzano dei dominii di collisione separati.

I bridge sono degli IS costruiti per lavorare in modalità store and forward, cioè tutti frame ethernet vengono :

• completamente memorizzati (store) per controllare la loro integrità e leggere l’indirizzo MAC di destinazione.
• Elaborati per determinare in base all’indirizzo di MAC la porta su cui inoltrarlo (commutazione). L’elaborazione consiste nella ricerca (lookup) del MAC di destinazione in una tabella di inoltro che contiene un elenco di righe con la corrispondenza [indirizzo MAC - porta di uscita].
• inoltrati (forward) in uscita sulla porta scelta. La multiplazione SDM di più trame su diverse porte di ingresso che, nello stesso istante, devono andare sulla stessa porta di uscita, si trasforma nella multiplazione statistica TDM, delle stesse trame, sulla coda posta davanti al canale di quella porta.

In pratica, i bridge hanno poche porte e sono oggigiorno per lo più utilizzati per connettere, a livello 2 e in modo software, reti di tipo differente (wireless con cablata, bluetoot con Ethenet, ecc..)

Scopo dei buffer (coda):

• Memorizzazione completa per permettere il controllo di integrità e la lettura dell’indirizzo di destinazione.
• Accodamento trame per adattare temporanee differenze di velocità dei pacchetti tra porte di arrivo e di uscita.
• Risoluzione di una eventuale contesa in uscita della linea da parte delle trame provenienti da più porte di ingresso (multiplazione statistica).

I link sulle porte di uno SW, pur essendo anch’essi dei BUS, raramente collegano molti host con uno stesso filo, piuttosto sono, similmente a degli hub, degli aggregatori di collegamenti punto-punto verso singoli host.

Mentre i bridge hanno poche porte e collegano a livello 2 reti, gli SW hanno molte porte e aggregano potenzialmente molti host (specialmente se hanno la funzione di Access Switch o AS). La loro funzione principale è proprio quella di permettere il collegamento di coppie di host, realizzando la cosidetta microsegmentazione dei dominii di collisione esistenti sulle loro porte.

Gli Switch sono dispositivi di commutazione che lavorano in HW, e quindi, mediamente a velocità molto più alte di un Bridge. Gli SW di migliore qualità posseggono una velocità di smistamento delle trame molto elevata. Questo processo potrebbe essere così veloce da apparire parallelo e contemporaneo per qualunque coppia di host che, collegata allo switch, desideri utilizzarlo per comunicare alla velocità massima consentita dai suoi link.

Dispositivi di inoltro di Livello 3

I dispositivi di livello 2 sono un barriera per la propagazione delle trame provenienti dai dispositivi di livello 2 che vengono, di volta in volta, aperte per recuperare il loro payload, cioè per sbustare i pacchetti di livello 3. Ogni pacchetto viene, a questo punto, smistato su una porta di uscita in base al suo indirizzo di destinazione IP in modo da scegliere sempre una porta che conduce ad un link che stia nel percorso (path) verso la destinazione.

In sostanza, si fa uno sbustamento e una una selezione dei pacchetti per decidere dove inviarli. Una volta scelta la porta nelle direzione giusta, i pacchetti vengono reimbustati in una nuova trama MAC da inviare sul link in uscita.

Anche i router sono degli IS costruiti per lavorare in modalità store and forward, cioè tutti i pacchetti vengono :

• completamente memorizzati (store) per controllare la loro integrità e leggere l’indirizzo IP di destinazione.
• Elaborati per determinare in base all’indirizzo di IP la porta su cui inoltrarlo (commutazione). L’elaborazione consiste nella ricerca (lookup) dell’IP di destinazione in una tabella di routing che contiene un elenco di righe con la corrispondenza [indirizzo IP - porta di uscita].
• inoltrati (forward) in uscita sulla porta scelta. La multiplazione SDM di più trame su diverse porte di ingresso che, nello stesso istante, devono andare sulla stessa porta di uscita, si trasforma nella multiplazione statistica TDM, delle stesse trame, sulla coda posta davanti al canale di quella porta.

Scopo dei buffer (coda):

• Memorizzazione completa per permettere il controllo di integrità e la lettura dell’indirizzo di destinazione.
• Accodamento trame per adattare temporanee differenze di velocità dei pacchetti tra porte di arrivo e di uscita.
• Risoluzione di una eventuale contesa in uscita della linea da parte delle trame provenienti da più porte di ingresso (multiplazione statistica).

Dispositivi di inoltro di Livello 7

Gateway

I dispositivi di livello 7 propriamente detti sono i gateway che sono un barriera per la propagazione dei pacchetti provenienti dai dispositivi di livello inferiore al 7 che vengono, di volta in volta, aperti per recuperare il loro payload, cioè per sbustare i pacchetti di tutti i livelli, fino ad arrivare al 7.

Lo scopo è evidentemente quello di inviarlo in una nuova rete che adesso possiede, per ogni livello della pila OSI, protocolli completamente diversi. La traduzione dell’indirizzo L3 della rete di arrivo nell’indirizzo L3 della rete di destinazione è una operazione non particolarmente semplice per cui questo tipo di operazione si fa raramente. Più comune è adoperare indirizzi di livello 7 come gli Id del dispositivo (o i topic MQTT) per individuare le sorgenti e indirizzi di gruppo L7, come i topic MQTT, per individuare i destinatari. La corrispondenza tra gli indirizzi delle due reti così non è più sotto la responabilità del gateway ma è gestita da un server a parte.

Oppure usare meccanismi di imbustamento fuori ordine come il tunnelling quando la destinazione finale risiede in una rete dello stesso tipo di quella della sorgente dei pacchetti, anche se si attraversa una rete di tipo diverso.

Commutazione L2 e ISO/OSI

La commutazione L2 in ISO/OSI semplicemente NON esiste. Si tratta di una funzione non prevista nello stack e presente solo all’interno delle LAN.

La topologia L2 si basa su una rete fisica a stella in cui uno switch centrale smista i pacchetti L3 tra i PC. Ciascun PC, lavorando ad L7, non vede il collegamento a stella con tutti gli altri PC mediato dallo switch, ma vede N link DIRETTI tra lui e tutti gli altri PC. Ma anche il router R1, lavorando ad L3, non vede il collegamento a stella con tutti gli altri PC mediato dallo switch, ma vede N link DIRETTI tra lui e tutti gli altri PC. Ciascuno degli N link però è soltanto logico (virtuale), non è fisico:

• Lo switch smista le trame L2 in maniera così veloce da far «percepire» al le connessioni tra se e tutti i PC come dirette e simultanee. Un vicino (lo switch) ad L2, diventa N vicini (i PC) ad L3.
• Di fatto, si realizza, grazie ad un TDM sufficientemente veloce dello switch in L2, un SDM virtuale che, apparentemente, realizza in L3 una rete magliata di PC collegati ad un router.

Quanto visto per gli Switch (e quindi i bridge) vale anche per gli Hub (sia wireless che cablati), per cui un collegamento a Bus qualsiasi con un mezzo broadcast (filo o onde radio) ha la proprietà di essere visto dai router come un collegamento virtuale diretto tra essi e ciascun Host collegato al mezzo a Bus. La stessa proprietà, su un mezzo a Bus, ce l’hanno i collegamenti reciproci tra gli host.

LAN

Switch, Bridge, Hub, Bus Ethernet, e qualunque loro combinazione topologica (stella, albero o maglia), realizzano una infrastruttura di rete che ha la prerogativa di potere essere considerata come un’unica LAN.

Una LAN (Local Area Network) è l’infrastruttura di rete interna ad edifici di natura residenziale, commerciale ed amministrativa per realizzare l’interconnessione tra PC e servizi interni e tra PC e Internet per la fruizione di quelli esterni. Una LAN ha le seguenti proprietà basilari:

• realizza a L3 un collegamento diretto tra tutti gli Host ad essa collegati fisicamente, cioè a L3 essa appare una maglia completa di collegamenti virtuali, a prescindere dalla topologia fisica formata dai dispositivi che la compongono.
• ha i suoi confini su ogni link fisico che essa realizza su un router. I router sono dei limiti invalicabili all’inoltro diretto dei messaggi IP tra gli host.
• all’interno della LAN le trame MAC vengono smistate attraverso i dispositivi L2 ed L1 senza essere modificate. I pacchetti IP vengono inoltrati direttamente ai loro destinatari senza necessità che siano sbustati.
• gli invii di pacchetti al di fuori della LAN, cioè quelli al di la di un router, possono avvenire solamente con lo sbustamento dei pacchetti IP dalla loro trama di sorgente e il loro successivo reimbustamento su nuove trame all’uscita dal router.
• si collega ad Internet proprio mediante un router di confine che realizza anch’esso (ad L3) dei collegamenti virtuali diretti tra lui e tutti gli Host della LAN.

Il router di confine o gateway diventa un elemento fondamentale della LAN perchè:

• può sempre inoltrare dei pacchetti che, provenienti dall’esterno (ad esempio, Internet), siano destinati ad un generico host della LAN.
• un host della LAN che invii pacchetti IP in direzione di un host esterno (ad esempio, Internet), può sempre inoltrare i propri pacchetti al router di confine della LAN, da dove verranno rilanciati da un router all’altro fino alla destinazione, che risiederà, presumibilmente, in un’altra LAN.

Normalmente, solo un router, tra tutti quelli collegati sul bordo di una LAN, è designato per smistare i pacchetti in ingresso o in uscita sulla stessa LAN. Il router designato diventa il primo router che un pacchetto uscente dalla LAN incontrerà nel suo percorso verso la destinazione ed assume, per ciascun host della LAN, il ruolo di next hop, detto anche router di confine, o anche default gateway della LAN.

Dettaglio protocolli

Dettaglio ISO/OSI

Sitografia:

• https://www.edutecnica.it/informatica/osi/osi.htm
• https://www.sciencedirect.com/topics/computer-science/transparent-bridge
• https://www.cbtnuggets.com/blog/technology/networking/what-is-network-bridge

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