L'uso delle nuove tecnologie di networking
nella costruzione delle reti

1. Premessa

Lo sviluppo delle applicazioni informatiche legate ad Internet ha contribuito, in modo sempre più evidente, alla diffusione dei sistemi di rete di tipo informatico. Per comprendere meglio che cosa si debba intendere per sistema di rete in questo contesto, ripercorriamo brevemente i principali passaggi relativi agli sviluppi tecnologici nel settore.

Sino ad alcuni anni fa gli elaboratori venivano utilizzati fondamentalmente secondo due schemi di base:

• elaboratori stand-alone, ossia isolati; si trattava essenzialmente di personal computer, collegati a periferiche quali stampanti e modem (questi ultimi utilizzati per la connessione temporanea, via rete telefonica, ad altri elaboratori remoti);
• elaboratori in struttura client-server, nella quale più terminali, spesso privi di capacità elaborative locali di alto livello, accedevano tramite linee dedicate o temporanee ai programmi ed agli archivi residenti in pochi computer centrali.

Questa suddivisione, praticamente stabile sino alla metà degli anni '80, ha iniziato a subire delle modifiche con lo sviluppo di nuove tecnologie di rete; queste miravano all'integrazione degli elaboratori in sistemi complessi, in grado di mettere in comunicazione tra loro computer aventi pari caratteristiche (peer-to-peer). Perché ciò avvenisse, è stato necessario lo sviluppo di tre aree tecnologiche:

1. hardware degli apparati di rete, cioè dei dispositivi che, fisicamente, rendono possibile il collegamento dei computer tra loro;
2. software di rete, ossia sistemi operativi e programmi applicativi progettati per l'interconnessione degli elaboratori. Tra i primi si possono citare Unix/Linux, Novell NetWare e l'insieme dei sistemi operativi Microsoft (da NT a Windows 2000 e Windows XP), mentre il più diffuso applicativo di rete è sicuramente il browser, cioè il programma che permette la visualizzazione di pagine redatte in linguaggi derivati dall'HTML (in pratica, Explorer o Netscape), attività conosciuta come navigazione in Internet;
3. protocolli di rete, cioè quell'insieme di dimensioni fisiche normalizzate per le interfacce, standard elettronici e di segnale, e procedure che consentono lo scambio di dati tra apparati remoti. Questi standard, inizialmente definiti dai singoli costruttori per le proprie tecnologie, sono stati poi normati da organismi internazionali quali il CCITT (ora ITU) e l'ISO (International Standard Organization), che ha creato un apposito gruppo denominato OSI - Open System Interconnection. Standard di fatto, in questo settore, sono poi rappresentati dalle norme statunitensi raccolte nei fascicoli EIA/TIA e dalle raccomandazioni dell'istituto IEEE.

In definitiva, quando sono presenti le tre aree tecnologiche indicate, il sistema che le comprende è definibile come rete informatica, o rete di elaboratori.

L'AUTORE.
L'ingegnere Antonello Pellegrino
svolge attività di insegnamento,
consulenza e libera professione.
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a.pellegrino@tiscali.it

2. Tipologie di rete

Perché si abbia una rete di computer devono essere presenti almeno:

• due computer;
• su ogni computer, una scheda di rete, cioè un'interfaccia elettronica tra il computer e la rete; questa scheda viene spesso indicata con l'acronimo NIC - Network Interface Card;
• sempre su ogni computer, devono essere installati un software di rete e dei programmi applicativi di rete, definiti in precedenza;
• un mezzo di collegamento tra i computer: può essere costituito da un cavo coassiale (sempre meno utilizzato), da un cavo a quattro coppie non schermato (UTP) o schermato (FTP-STP), da un cavo in fibra ottica o da un collegamento radio (tecnologia quest'ultima in rapida diffusione, detta wireless ovvero senza fili);
• un apparato centrale cui fanno capo le linee provenienti dai vari elaboratori; come vedremo, a seconda del tipo di apparato utilizzato varieranno di molto le prestazioni della rete, in termini di affidabilità e velocità.

Secondo la dislocazione delle apparecchiature facenti parte della rete, si fa una importante distinzione tra:

1. reti locali o LAN (Local Area Network), quando i computer e le periferiche sono installati nell'ambito di uno stesso edificio o di edifici limitrofi; in questo caso, quindi, i computer fanno parte di una stessa rete, e sono raggiungibili con collegamenti diretti senza necessità di utilizzo di linee telefoniche o telematiche esterne;
2. reti geografiche o WAN (Wide Area Network), se i computer fanno capo a reti distanti geograficamente una dall'altra; si può pensare una WAN come un insieme di LAN interconnesse con linee private o fornite da gestori telefonici esterni (molto diffuse le linee ISDN (Integrated Service Digital Network), di tipo digitale, ovvero DSL (Digital Subscriber Line), che a dispetto del nome sono implementate sui tradizionali collegamenti telefonici di tipo analogico. Per le interconnessioni ad alta velocità (ovvero a larga banda) vengono utilizzati altri standard, ATM o FR, con tecnologie specifiche che consentono di suddividere un insieme di dati in pacchetti che viaggiano separatamente dall'apparato mittente al destinatario. Internet è un esempio di rete WAN su scala mondiale.

Le reti di tipo LAN possono essere realizzate, come già detto, con varie tecnologie (gli standard più diffusi sono riportati in figura 1).

A. Ethernet: nella sua implementazione iniziale, consentiva una velocità di trasferimento seriale dei dati pari a 10 Mbps (megabit per secondo) e veniva indicata con la sigla 10BaseT; corrisponde agli standard normativi, di matrice statunitense, indicati con le sigle IEEE 802.3 ed 802.2. Si è oramai evoluta nella tecnologia detta Fast Ethernet, che consente velocità sino a 100 Mbps, con sviluppo successivo rappresentato dalla tecnologia Gigabit Ethernet (1000 Mbps). È una rete topologicamente di tipo stellato, con un apparato centrale cui fanno capo le linee di connessione con i computer; esiste la possibilità di trasmissione contemporanea da parte di due o più stazioni (fenomeno detto collisione), problema che viene risolto con una procedura di riconoscimento della collisione e ritrasmissione dopo un intervallo di tempo casuale (procedura CSMA/CD - Carrier Sense Multiple Access - Collision Detection). La massima distanza tra un computer e l'apparato centro-stella arriva, salvo l'adozione di rigeneratori di segnale intermedi, a 100m.

B. Token Ring: è una tecnologia LAN nella quale i pacchetti di dati vengono trasferiti, tra i computer collegati, tramite un apposito pacchetto, un "gettone virtuale" (token) che si sposta ciclicamente all'interno di un anello chiuso (ring) che collega tutti i terminali. La stazione che in un dato momento è in possesso del gettone può trasmettere, con velocità dell'ordine di 4-16 Mbps;

C. FDDI (Fiber Distributed Data Interface) è uno standard LAN definito dalle norme ANSI X3T9.5, che specificano il funzionamento tramite lo scambio di un "gettone" (token) che circola in un anello in fibra ottica, raddoppiato per garantire una ridondanza al collegamento; le distanze consentite arrivano a circa 2 km.

All'interno di una rete, sia locale che geografica, gli apparati (ed i relativi protocolli di comunicazione tra di essi) sono suddivisi secondo un'architettura a più livelli; lo standard di riferimento internazionale è l'ISO/OSI, che prevede una struttura articolata su sette livelli gerarchici.

3. Struttura ISO/OSI

L'adozione di una struttura gerarchica nella definizione delle specifiche di rete (riguardanti apparati e protocolli) comporta svariati benefici. Innanzitutto, i costruttori possono focalizzare la progettazione su un insieme ben definito e normalizzato di procedure, senza preoccuparsi dell'interfacciabilità con gli altri apparati di livello superiore ed inferiore (essendo questa garantita dalla rispondenza allo standard di livello prescelto).

Le comunicazioni avvengono, da un punto di vista fisico, con il passaggio di informazioni dal livello più alto al livello più basso, con l'aggiunta, durante il transito nell'apparato o nel software di livello inferiore, di un ulteriore contenuto identificativo. Dal punto di vista logico, lo scambio di dati avviene tra apparati (fisicamente presenti in elaboratori differenti, se non in reti remote) appartenenti allo stesso livello gerarchico.

La progettazione esecutiva di una rete locale o geografica è semplificata, ed essendo in una certa misura modulare risulta essere facilmente scalabile. La gestione del sistema è più semplice, essendo suddivisibile in una serie di procedure (installazione, management, ricerca guasti ovvero troubleshooting) standardizzabili livello per livello.

Figura 2. Struttura gerarchica ISO/OSI

La struttura gerarchica per eccellenza, alla quale tutti i costruttori ed i progettisti fanno riferimento, è quella codificata dall'ISO e denominata ISO/OSI; essa comprende sette livelli, come indicato nella figura 2.

Al livello più basso (fisico) sono individuati gli standard per la trasmissione dell'informazione, comprendenti forma e dimensione delle interfacce (ad esempio la nota interfaccia seriale RS232), tipi di cavo, tensioni e correnti, codifica del segnale.

Al livello superiore (collegamento dati o data link) vengono codificate le strutture dei dati e l'indirizzamento degli stessi a livello fisico, ossia l'abbinamento di un insieme di bit (frame) al codice che identifica, in modo univoco, l'indirizzo della scheda di rete dell'apparato trasmittente e di quello di destinazione (indirizzo detto MAC, univocamente attribuito, a livello internazionale, ad ogni singola scheda NIC).

Figura 3. Flusso dei dati tra i livelli ISO/OSI

Al terzo livello avviene l'indirizzamento a livello di rete o logico (network), con l'abbinamento del contenuto di dati da trasmettere all'indirizzo logico di mittente e destinatario. In termini di protocollo Internet, è a questo livello che ad ogni pacchetto di dati viene abbinato l'indirizzo IP (Internet Protocol) dei nodi nei quali transita il flusso dei dati, in un campo dati detto network header; sempre al livello di rete viene definito il percorso che i dati seguiranno per giungere a destinazione attraverso i vari nodi.

Il livello di trasporto, o quarto livello, si occupa invece delle procedure per il controllo del flusso dei dati in rete, e della corretta ricezione dei dati stessi. I livelli superiori al quarto identificano vari livelli di codifica del segnale prima della sua trasmissione e ricezione da parte dei terminali di traffico, e sono meno influenti dal punto di vista del progettista di rete. Questi concetti, insieme con la rappresentazione del flusso dei dati tra i vari livelli (layer), sono schematizzati in figura 3.

Figura 4. Apparati di rete secondo la classificazione ISO/OSI

Il modello ISO/OSI è utile anche perché è possibile abbinargli, per tipologia e funzionalità, gli apparati che costituiscono una rete (come riportati in figura 4). In particolare:

1. a livello (layer) uno vengono identificati gli apparati "di transito" del segnale, che lo rigenerano e lo ritrasmettono senza rielaborarlo (ad esempio cavi, concentratori di segnale ed HUB: questi ultimi rappresentano la più semplice modalità per realizzare il centro stella di una rete Ethernet);
2. al livello due appartengono tutti gli apparati legati all'indirizzamento fisico dei segnali (tramite il MAC address), quali la scheda NIC, gli HUB intelligenti (ossia non meramente passivi) e gli SWITCH (commutatori): come vedremo questi ultimi giocano un ruolo sempre più importante nella progettazione delle reti;
3. al terzo livello si ritrovano gli apparati di rete che gestiscono il flusso del traffico tramite l'indirizzo logico attribuito ai pacchetti di dati, quali gli Switch con funzionalità avanzate ed i ROUTER (che rappresentano, in pratica, le "centrali" di smistamento del traffico tra LAN e WAN ed all'interno delle WAN).

4. Schemi di rete

Riprendendo quanto esposto sulle tipologie di rete, il più semplice schema di rete locale o LAN viene realizzato secondo la struttura, detta HUB-centrica, riportata in figura 5. In essa le linee provenienti dai computer fanno capo ad un apparato di mera ripetizione del segnale; in altri termini, il messaggio proveniente da una stazione viene ritrasmesso indistintamente a tutte le stazioni connesse all'HUB, con problemi di collisioni crescenti all'aumentare delle richieste di connessione.

Un'evoluzione di questa struttura è semplicemente ottenibile con la sola sostituzione, all'interno dell'armadio di cablaggio o rack, dell'HUB con un apparato di tipo SWITCH (figura 6); in questo caso si ottiene un netto miglioramento delle prestazioni di rete, dovuto al fatto che lo switch trasmette il messaggio solamente alla stazione cui è destinato, e non a tutte le altre connesse.

Un'opportunità offerta dagli switch più evoluti è, inoltre, legata alla possibilità di creare dei "gruppi logici" chiusi all'interno di un'unica rete, come se nella rete stessa esistessero più reti fisicamente collegate ma logicamente indipendenti una dall'altra; queste sottoreti logiche vengono dette VLAN (Virtual LAN), e la loro adozione comporta ulteriori benefici nella gestione del traffico (ad ogni VLAN può essere abbinato un gruppo particolare di utenti), al prezzo di un costo superiore dell'hardware e di una progettazione e gestione della rete più impegnativa e complessa. Il superiore costo dell'impianto è dovuto, oltre alle funzionalità più estese degli Switch, anche alla necessità di un Router che consenta l'inoltro del traffico tra VLAN create in Switch differenti.

Una schematizzazione di quanto esposto è riportata in figura 7: un esempio di struttura di rete con tre Switch, nei quali sono state implementate tre VLAN "trasversali" (nel senso che, ad esempio, utenti che fanno capo alla VLAN 1 possono essere fisicamente collegati ad uno qualunque dei tre switch); per quanto detto, è necessaria la presenza di un Router centrale per l'indirizzamento interno.

Figura 8. Struttura di rete gerarchica comprendente i primi tre livelli ISO/OSI

5. Conclusioni

La progettazione delle reti LAN e WAN di ultima generazione, in grado di gestire il crescente traffico dati sia interno che verso Internet, deve comprendere strutture articolate su tutti i primi tre livelli della scala ISO/OSI. Questo tipo di soluzione progettuale, semplificata in figura 8, rende la rete più robusta e capace di sopportare il crescente traffico legato ad applicazioni grafiche e multimediali sempre più diffuse; l'adozione di apparati di livello 2 e 3, inoltre, consente al progettista sia l'implementazione di procedure di sicurezza (policy) di tipo hardware, con router dedicabili alla filtrazione del traffico in ingresso ed in uscita (funzionalità firewall) oppure di tipo software, tramite la scrittura di appositi programmi; sia la realizzazione, all'interno di un'unica struttura fisica, di più strutture logiche flessibili e modulabili secondo le necessità del committente.

Antonello Pellegrino