4. Le reti di computer

4. Le reti di computer
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1. Architettura di un computer

Con il termine computer si intende una macchina costituita da dispositivi di diversa natura (meccanici, elettrici, ottici, ecc.) in grado di elaborare dati in modo automatico, veloce, sicuro ed efficiente.

Il termine architettura, che si riferisce a un computer, rappresenta l’organizzazione logica dei suoi componenti interni e il modo in cui questi componenti cooperano tra loro per eseguire operazioni più o meno complesse. La base di tutti i computer moderni è la cosiddetta architettura di Von Neumann. Le caratteristiche principali dei computer sono velocità affidabilità. Diciamo che un computer:

  • è una macchina, cioè un dispositivo senza intelligenza autonoma come un’auto;
  • è elettronico, ovvero il suo funzionamento si basa su componenti elettronici;
  • è un elaboratore di dati, ovvero, eseguendo le istruzioni di un programma, è in grado di ricevere dati dall’esterno, operare su di essi e fornire risultati di elaborazione, liberando così le persone da compiti noiosi, ripetitivi e complessi.

Quindi, un computer riceve informazioni di input, le elabora secondo una serie di regole (il programma) e restituisce le informazioni all’output. Si tratta quindi di una macchina programmabile, cioè di una macchina che può essere utilizzata per risolvere diversi problemi, in grado di interpretare ed eseguire una serie di comandi impartiti dall’esterno.

Hardware e software

Un computer utilizza le proprie risorse per svolgere i suoi compiti. Queste possono essere raggruppate in due grandi categorie:

  • le risorse hardware sono la parte fisica del computer;
  • le risorse software sono, invece, la parte logica del computer, ad esempio tutti i programmi che ci consentono di gestire il sistema.

Case e scheda madre

Un personal computer è costituito da più parti: uno schermo, una tastiera, un mouse, ecc., che sono tutte fissate a un dispositivo all’interno di un contenitore metallico chiamato case (pronunciato “cheis”). I case possono essere: desktop (scrivania orizzontale, sempre più rara) o tower (verticale).

Questi ultimi sono chiamati mini-towermid-tower e full-tower (dal più piccolo al più grande) a seconda della loro dimensione. Infine, c’è un formato chiamato All-In-One (“tutto in uno”), dove lo schermo e l’alloggiamento sono in un blocco (un tipico esempio è un MAC, ma ci sono altri PC simili).

All’interno del case, il primo componente che cattura la nostra attenzione è la scheda madre, il componente base di un computer. La scheda madre funge da piattaforma di comunicazione per tutti gli altri, ovvero tutte le parti del PC sono collegate ad essa in modo che possano comunicare tra loro.

2. Architettura di Von Neumann

le reti di computer
Schema di Von Neumann, immagine a cura di Alessandro Frasconi

Questo diagramma riassume le caratteristiche principali che secondo von Neumann deve avere un computer. Le frecce nella figura indicano la direzione del flusso di dati.

  • Sulla sinistra troviamo l’unità di input, il cui scopo è inserire dati e programmi dal mondo esterno nell’unità centrale (“Central Unit” in inglese). Esempi di dispositivi considerati unità di input sono: tastiera, mouse, webcam, ecc.
  • Spostandosi verso destra, troviamo l’unità centrale, che è la raccolta della memoria centrale (detta anche memoria principale o di lavoro) e la CPU. L’unità centrale nel suo insieme è il centro di elaborazione del computer perché contiene il meccanismo di archiviazione e il meccanismo di esecuzione.
  • La CPU è l’attuatore, la parte principale del computer, in grado di eseguire singole istruzioni di programma a velocità molto elevate, e il programma stesso in generale.
  • La memoria centrale (MC) è la memoria di lavoro del computer, ovvero l’organo di archiviazione principale del computer. È responsabile del contenimento temporaneo di tutti i programmi in esecuzione e dei dati elaborati da tali programmi. La CPU e l’MC comunicano costantemente tra loro mentre la CPU preleva le istruzioni del programma da eseguire dalla memoria centrale una alla volta, decodifica l’istruzione e quindi la esegue. A volte l’esecuzione di questa istruzione implica anche la memorizzazione del risultato in MC.
  • Spostandosi a destra, troviamo l’unità di output. Lo scopo di queste unità è di ricevere i dati elaborati dall’unità centrale. Questi dati vengono generalmente visualizzati al momento della ricezione, ma non necessariamente. I principali dispositivi fisici che possono essere considerati unità di output sono schermi di computer, stampanti, altoparlanti audio, cuffie audio.
  • L’ultimo elemento è l’archiviazione di massa, che era assente nello schema originale di von Neumann. La memoria di massa, nota anche come memoria secondaria, è un tipo di memoria che può contenere grandi quantità di dati ed è permanente o non volatile, ovvero in grado di memorizzare dati per lunghi periodi di tempo anche a computer spento. Nei personal computer di oggi, la memoria di massa è solitamente costituita da dischi rigidi magnetici, anche se negli ultimi anni sono stati introdotti Solid State Disks (SSD). Osserviamo inoltre che la memoria di massa è solitamente l’unità di input e output (come indicato dalle frecce in entrambe le direzioni).

Il funzionamento del computer può essere descritto come segue: I programmi e i dati vengono inseriti nell’unità centrale tramite l’unità di input.

L’unità centrale nel suo insieme elabora i dati secondo le istruzioni del programma, in particolare carica i programmi in esecuzione e i dati elaborati nella memoria principale. La CPU preleva ed esegue le singole istruzioni di questi programmi dalla memoria principale, elaborando i dati e memorizzando i risultati nell’MC. Infine, i dati elaborati possono essere visualizzati tramite l’unità di output o archiviati nella memoria di massa per la successiva visualizzazione o stampa o elaborazione di nuovo.

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Unità centrale di elaborazione

CPU, noto anche come Central Processing Unitmicroprocessore chip. Per la precisione, un microprocessore e una CPU non sono esattamente la stessa cosa: il termine microprocessore si riferisce a un oggetto fisico in un computer, mentre una CPU si riferisce alle funzioni svolte, da qui il concetto di funzioni logiche. La CPU è un’unità funzionale composta da un’unità di controllo (CU, Control Unit), un‘unità logica aritmetica (ALU, Arithmetie Logic Unit) e alcuni registri.

Il compito della CU (“Control Unit” in inglese) o unità di controllo è quello di gestire e supervisionare il funzionamento di tutte le unità del computer e tutti i passaggi necessari per eseguire i programmi residenti nella memoria centrale.
All’ALU o Unità Logica Aritmetica è invece delegato il compito di eseguire operazioni aritmetiche e logiche sui dati provenienti dalla memoria centrale

registri sono piccole e veloci memorie all’interno della CPU in grado di memorizzare temporaneamente informazioni utili e importanti durante determinate fasi dell’elaborazione dei dati (immagazzinano infatti istruzioni, indirizzi o istruzioni di dati, risultati intermedi o finali, ecc.). Gli attuali personal computer hanno registri a 64 bit, ma in precedenza c’erano microprocessori a 8, 16 e 32 bit (cioè con registri).

Caratteristiche dei microprocessori I vari tipi di CPU presenti sul mercato variano in base alla classe, alla frequenza di clock, al numero di “core” e alla dimensione del registro.

  • La classe è indicata da una sigla. Le classi di microprocessori più recenti sono generalmente più performanti dei microprocessori di classe precedente. I processori che sono all’avanguardia nella tecnologia informatica possono diventare obsoleti in meno di un anno e completamente obsoleti in un anno e mezzo.
  • La frequenza di clock misura il “battito cardiaco” del computer. La sua frequenza è di circa gigahertz (GHz) o miliardi di oscillazioni al secondo (1GHz = 1000 MHz). Questa frequenza è un indicatore molto importante della velocità del computer: maggiore è la frequenza, maggiore è la quantità di dati elaborati per unità di tempo.
  • Un’altra caratteristica che influisce sulla velocità di un microprocessore è la dimensione dei registri. Stiamo parlando di un processore a 32 o 64 bit.
  • L’ultimo parametro è il numero di “core“: indica che nei moderni microprocessori, un singolo chip o circuito integrato contiene non una sola CPU, ma più CPU: dual-core (2 CPU), quad-core (4 CPU), octa-core (8 CPU) e così via.

ROM

La memoria ROM (Read Only Memory), è una memoria che può essere solo letta ma non scritta. Viene scritta una sola volta in fabbrica e quindi non può essere modificato. Questo è quanto accadeva in passato, in realtà oggi è possibile scrivere in ROM, seppur con difficoltà. È una memoria permanente, ovvero è in grado di memorizzare informazioni anche a computer spento. La ROM svolge le sue funzioni di base quando il computer è acceso. Contiene una serie di routine software chiamate BIOS (Basic Input Output System), che vengono eseguite all’accensione del computer. Anche se svolge il suo ruolo solo all’accensione, la ROM è fondamentale perché deve avere una memoria da cui prelevare la prima istruzione da eseguire per il computer.

Memoria Cache

La cache è una piccola memoria (256 kB – 4 MB nei PC attuali) che si trova tra la CPU e la RAM per migliorare le prestazioni del computer. È una memoria molto veloce (più veloce della RAM) che contiene i dati e le istruzioni che il computer utilizza più spesso. Esistono diversi livelli di Cache nei computer di oggi, quelli che chiamiamo Cache L1, Cache L2 e Cache L3 stanno diminuendo in dimensioni e aumentando di velocità.

I bus 

I vari componenti di un computer o di un’unità devono comunicare continuamente tra loro e lo fanno attraverso i “cavi” elettrici che collegano la CPU, l’MC e le unità di input e output insieme. Nei computer troviamo tre autobus principali;

  • bus indirizzi: utilizzato per trasportare indirizzi relativi a unità di memoria o unità di input/output. L’unico dispositivo in grado di inviare informazioni su questo bus è la CPU; quindi, il bus è unidirezionale;
  • bus dati: utilizzato per scambiare dati effettivi tra le varie unità. È un bus bidirezionale perché tutti i dispositivi possono inserire informazioni su di esso;
  • bus di controllo: (bus di controllo): è il bus che trasmette le informazioni di controllo (lettura, scrittura, segnale di unità occupata) in modo sincrono tra ciascuna unità. Il suo scopo è coordinare e controllare il flusso di informazioni che viaggiano su altri autobus.

3. Il modello Client-Server e Peer to Peer

Client – Server

Una rete di client-server include molti client o workstation collegati ad almeno un server centrale. La maggior parte dei dati e delle applicazioni vengono installati sul server. Quando il client desidera accedere alle risorse, vi accede dal server. Il server ha principalmente una directory utente privata e molte directory pubbliche. La rete del server client ha un accesso più veloce perché questi sono progettati per supportare diversi client. Il client funziona come una workstation senza condividerenessuna delle risorse.

Semplifica l’aggiornamento delle applicazioni software e dei file poiché questi sono conservati su un solo computer. Il software del server fornisce servizi a livello di sistema. C’è una maggiore affidabilitànella rete del server client perché il server gestisce la sicurezza. Questo è un modello di rete ampiamente utilizzato. In una rete di client-server, il server centralizzato viene utilizzato per archiviare i dati. In questa rete, il server risponde ai servizi richiesti dal client.

Una rete client-server è un tipo di rete online che comprende un singolo computer centrale che si comporta come un server e che indirizza vari computer o client ad esso. Quando si accede al server, i client possono raggiungere le informazioni condivise ei file salvati sul computer che lo serve. Il World Wide Web (WWW) è un esempio di un’applicazione per computer che utilizza il modello del client-server.

La natura dell’applicazione è ciò che decide se nel modello di client-server il computer è un client, un server o agisce come entrambi.

Peer-to-peer

Una rete peer to peer è quella che coinvolge due o più di due computer che raggruppano risorse individuali come stampanti, lettori DVD e driver del disco. Queste sono le risorse condivise disponibili in ogni computer della rete. Ciascun computer si comporterà sia come client che come server e comunicherà direttamente con gli altri computer. Nella rete peer to peer la stampante, ad esempio, può essere utilizzata da qualsiasi computer presente nella particolare rete. È poco costoso configurare una rete peer to peer.

Tutto ciò che serve è un router Wi-Fi o un cavo Ethernet per configurarlo. Il modello non distingue tra server e client, e qui ogni nodo si comporta come un server e un client. Nella rete peer to peer ogni nodo può richiedere e rispondere ai servizi.

La rete peer to peer è un gruppo di computer o un gruppo di sistemi informatici collegati tramite Internet. Consente la condivisione diretta dei file tra i sistemi di rete senza la necessità di un server centrale. Il modulo di rete è comune nei piccoli uffici che non necessitano di un file server dedicato all’uso. Tutte le versioni client MAC, Windows e Linux funzionano come un nodo nella rete peer to peer che consente la condivisione dei file.

4. La tecnologia di trasmissione

La trasmissione è in realtà il processo di invio e propagazione di segnali analogici o digitali di informazioni. La tecnologia di trasmissione si riferisce generalmente a compiti del protocollo di livello fisico come modulazione, demodulazione, codifica di linea e molti altri. Potrebbe anche includere compiti di protocollo di livello superiore come la digitalizzazione di segnali analogici, la compressione dei dati, ecc. I mezzi di trasmissione sono sostanzialmente divisi in tre categorie: reti punto a punto, multicast e broadcast.

4.1. Punto-Punto (Unicast)

La rete punto a punto è un tipo di connessione dati privata che collega in modo sicuro due o più posizioni per servizi dati privati. Potrebbe anche essere configurato per trasportare solitamente voce, Internet e servizi dati insieme sulla stessa rete point-to-point. Si riferisce semplicemente al tipo di connessione di comunicazione tra due endpoint o nodi di comunicazione. 

È la connessione tra coppie di macchine. La trasmissione da punto a punto con un mittente e un destinatario è comunemente nota come unicasting.

Questa rete viene generalmente utilizzata per due posizioni necessarie per inviare in modo sicuro dati molto sensibili confidenziali tra ciascuna posizione. Un punto a punto o P2P (Data Link) fornisce o fornisce anche un percorso da un punto fissato a un altro punto fisso. È un servizio di trasporto dati di rete molto chiuso che non viaggia attraverso Internet pubblico. Questa rete include varie connessioni tra singole coppie di macchine. Potrebbe essere necessario un pacchetto presente su questi tipi di reti per passare attraverso i computer intermedi prima che raggiungano il computer desiderato o di destinazione. I pacchetti devono anche seguire più percorsi di diverse dimensioni.

Pertanto, gli algoritmi di routing sono molto essenziali e importanti nella connessione point-to-point. Questa rete è generalmente disponibile in una gamma di velocità di larghezza di banda insieme a T1 point-to-point, Ethernet point-to-point o molti altri.

Vantaggi:

  • aumenta la produttività;
  • in genere utilizza linee affittate in modo che le velocità siano garantite;
  • fornisce una migliore sicurezza in modo che i dati possano essere trasferiti in modo sicuro e sicuro.

Svantaggi:

  • con questa rete, possiamo collegare solo due nodi;
  • è molto costoso per località lontane.

4.2. Multi Punto (Multicast)

Il multicast è un protocollo di comunicazione uno-a-molti e molti-a-molti che riduce il traffico di rete durante la trasmissione di grandi quantità di dati. L’ottimizzazione della larghezza di banda si verifica perché fornisce un’unica versione di un file di dati, ad esempio un flusso video live, a centinaia o migliaia di utenti contemporaneamente.

In un’architettura multicast, mittenti e destinatari appartenenti a un gruppo utilizzano un unico indirizzo IP di destinazione per comunicare. La rete, con funzionalità multicast abilitate su router e switch, è responsabile della consegna simultanea dei pacchetti da qualsiasi mittente del gruppo a tutti i ricevitori.

4.3. Broadcast

Le trasmissioni in broadcast sono anche conosciute come reti terrestri. È fondamentalmente un gruppo di stazioni radio, stazioni televisive o qualsiasi altro media elettronico che genera semplicemente un accordo per trasmettere o trasmettere contenuti generalmente da una fonte centralizzata. La trasmissione è semplicemente un metodo per trasferire messaggi a tutti i destinatari contemporaneamente.

In questa rete, un messaggio inviato da un nodo viene ricevuto da tutti gli altri nodi collegati alla rete e condividono un mezzo di comunicazione comune. Le reti di trasmissione evitano inoltre procedure di instradamento complesso della rete commutata semplicemente confermando e assicurando che ogni trasmissione di nodi sia sostanzialmente ricevuta da tutti gli altri nodi della rete. Questo è il motivo per cui la rete di trasmissione ha un unico canale di comunicazione.

In questa rete, ogni stazione ricevente riceve solo tutti i segnali inviati dai trasmettitori. Anche l’instradamento dei segnali è fortemente influenzato passivamente. Queste reti hanno generalmente un’unica comunicazione condivisa da tutte le macchine presenti sulla rete. I messaggi brevi sono anche noti come pacchetti che vengono inviati da una qualsiasi delle macchine presenti e ricevuti da tutte le altre presenti laggiù. Alcuni dei sistemi di trasmissione supportano anche la trasmissione a un sottoinsieme di macchine noto anche come multicasting. Collega semplicemente, al contrario, il canale di comunicazione che è sostanzialmente condiviso da tutte le macchine in rete.

Vantaggi:

  • in questa rete, i pacchetti vengono generalmente trasmessi e ricevuti da tutti i computer;
  • consente il multicasting in rete;
  • non ha limiti. Anche gli eventi possono durare per tutto il tempo necessario;
  • garantisce un migliore utilizzo di tutte le risorse disponibili.

Svantaggi:

  • non può ospitare un numero enorme di dispositivi;
  • non consente la personalizzazione del messaggio.

5. Classificazione delle reti per estensione

È possibile classificare le reti a seconda del loro raggio d’azione:

5.1. BAN

Una BAN (Body Area Network) è l’interconnessione di più dispositivi informatici indossati, fissati o impiantati nel corpo di una persona. Un BAN in genere include uno smartphone in una tasca o in una borsa che funge da hub dati mobile, acquisendo i dati dell’utente e trasmettendoli a un database remoto o altro sistema.

Altri dispositivi in ​​un BAN potrebbero includere:

  • dispositivi informatici indossabili come cuffie da gioco, smartwatch, braccialetti, anelli intelligenti e display head-up;
  • dispositivi medici mobili, spesso sotto forma di sensori e attuatori, che monitorano dati sanitari come pressione sanguigna, frequenza cardiaca, livello di glucosio e conformità ai farmaci;
  • dispositivi per la salute e il fitness che tengono traccia dei dati relativi ad attività come attività fisica, qualità del sonno e segni vitali.

I BAN sono classificati in vari modi, ad esempio come BAN indossabili o BAN impiantati. Un Medical Body Area Network (MBAN) è un BAN speciale che fornisce servizi di telemedicina attraverso il monitoraggio remoto del paziente (RPM) e può avviare avvisi e persino cure, come la consegna di farmaci.

5.2. PAN

Una PAN (Personal Area Network) collega i dispositivi elettronici all’interno dell’area immediata di un utente. La dimensione di un PAN varia da pochi centimetri a pochi metri. Uno degli esempi reali più comuni di PAN è la connessione tra un auricolare Bluetooth e uno smartphone. I PAN possono anche collegare laptop, tablet, stampanti, tastiere e altri dispositivi computerizzati.

Le connessioni di rete PAN possono essere cablate o wireless. I metodi di connessione cablata includono USB e FireWire; i metodi di connessione wireless includono Bluetooth (il più comune), WiFi, IrDA e Zigbee.

I dispositivi all’interno di un PAN possono scambiare dati tra loro, i PAN in genere non includono un router e quindi non si connettono direttamente a Internet. Un dispositivo all’interno di una PAN, tuttavia, può essere connesso a una rete locale (LAN) che quindi si connette a Internet. Ad esempio, un computer desktop, un mouse wireless e cuffie wireless possono essere collegati tra loro, ma solo il computer può connettersi direttamente a Internet.

5.3. LAN

Una LAN (Local Area Network) comprende cavi, punti di accesso, switch, router e altri componenti che consentono ai dispositivi di connettersi a server interni, server Web e altre LAN tramite reti WAN.

L’ascesa della virtualizzazione ha anche alimentato lo sviluppo di LAN virtuali, che consentono agli amministratori di rete di raggruppare logicamente i nodi di rete e di partizionare le loro reti senza la necessità di importanti modifiche dell’infrastruttura.

Ad esempio, in un ufficio con più reparti, come contabilità, supporto IT e amministrazione, i computer di ciascun reparto potrebbero essere collegati logicamente allo stesso switch ma segmentati in modo da comportarsi come se fossero separati.

I vantaggi di una LAN sono gli stessi di qualsiasi gruppo di dispositivi collegati in rete insieme. I dispositivi possono utilizzare un’unica connessione Internet, condividere file tra loro, stampare su stampanti condivise ed essere accessibili e persino controllati l’uno dall’altro.

Le LAN sono state sviluppate negli anni ’60 per essere utilizzate da college, università e strutture di ricerca (come la NASA), principalmente per collegare computer ad altri computer. Fu solo con lo sviluppo della tecnologia Ethernet (1973, presso Xerox PARC), la sua commercializzazione (1980) e la sua standardizzazione (1983) che le LAN iniziarono ad essere ampiamente utilizzate.

Sebbene i vantaggi di avere dispositivi connessi a una rete siano sempre stati ben compresi, è stato solo con l’ampia diffusione della tecnologia Wi-Fi che le LAN sono diventate comuni in quasi ogni tipo di ambiente. Oggi, non solo le aziende e le scuole utilizzano le LAN, ma anche ristoranti, caffetterie, negozi e case.

La connettività wireless ha anche notevolmente ampliato i tipi di dispositivi che possono essere collegati a una LAN. Ora, quasi tutto l’immaginabile può essere “connesso”, da PC, stampanti e telefoni a smart TV, stereo, altoparlanti, illuminazione, termostati, tapparelle, serrature, telecamere di sicurezza e persino caffettiere, frigoriferi e giocattoli.

5.4. WLAN

In una rete LAN, senza l’impiego di cavi, si parla di WLAN (Wireless LAN) sfruttando le onde radio. Nel caso delle WLAN si utilizza soprattutto il Wi-Fi (standard IEEE 802.11). Con questo tipo di rete si possono collegare computer, stampanti e altri dispositivi. Quando i dispositivi da collegare ad una rete LAN sono più di due abbiamo bisogno di altri dispositivi di rete come hub, switch e bridge. Questi elementi servono ad unire i vari nodi tra loro. La rete LAN/WLAN consente una trasmissione veloce di grandi quantità di dati, in genere la velocità raggiunta va dai 10 ai 1000 Mbit/s.

5.5. MAN

MAN (Metropolitan Area Network): con questo termine intendiamo le reti che ricoprono aree metropolitane da 10 a 100 km. Quindi reti che hanno le dimensioni di una città. Possono essere wired e/o wireless. Nel caso di reti wireless si parla di WMAN e lo standard più utilizzato è il WiMAX (standard 802.16). Le MAN si utilizzano quando si devono raggiungere distanze più grandi. Si appoggiano alle reti telefoniche che raggiungono la quasi totalità degli edifici esistenti. Le MAN possono collegare diverse reti locali tra loro per questo sono diffuse nell’ambito della pubblica amministrazione come ospedali, biblioteche, ecc. 

5.6. WAN

WAN (Wide Area Network): con questo termine si intendono le reti che ricoprono una o più nazioni. Le WAN possono ricoprire una nazione, da circa 1000 km fino ad un continente 5000 km. Le reti WAN coprono dunque lunghe distanze geografiche e le connessioni possono avvenire tramite reti pubbliche o anche stazioni satellitari. Le reti WAN sono composte da tante sotto-reti LAN interconnesse attraverso i router.

5.7. GAN

GAN (Global Area Network): con questo termine si intende la rete universale come Internet. Le GAN possono ricoprire aree da 10000 km a tutto il pianeta.

6. Regole per il trasferimento dei dati

Esistono diverse modalità per il trasferimento dei dati all’interno di una rete: la modalità simplex supporta la trasmissione di dati unidirezionale, la modalità half-duplex è in grado di trasmettere i dati in due canali ma un facendoli viaggiare nei canali uno alla volta e il full-duplex è la trasmissione simultanea a due vie di dati. 

6.1. Trasmissione Simplex 

le reti di computer
Schema trasmissione Simplex, immagine a cura di Alessandro Frasconi

In modalità di trasmissione Simplex, la comunicazione è unidirezionale, come su una strada a senso unico. Solo uno dei due dispositivi su un collegamento può trasmettere, l’altro può solo ricevere. La modalità simplex può utilizzare l’intera capacità del canale per inviare dati in una direzione.

Esempio: Tastiera e monitor tradizionali. La tastiera può solo introdurre l’input, il monitor può solo dare l’output.

6.2. Trasmissione Half-Duplex

le reti di computer
Schema trasmissione Half-Duplex, immagine a cura di Alessandro Frasconi

In modalità half-duplex, ciascuna stazione può trasmettere e ricevere, ma non contemporaneamente. Quando un dispositivo sta inviando, l’altro può solo ricevere e viceversa. 

La modalità half-duplex viene utilizzata nei casi in cui non è necessaria la comunicazione in entrambe le direzioni contemporaneamente. L’intera capacità del canale può essere utilizzata per ciascuna direzione.

Esempio: Walkie-talkie in cui il messaggio viene inviato uno alla volta e i messaggi vengono inviati in entrambe le direzioni.

6.3. Trasmissione Full-Duplex

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Schema trasmissione Full-Duplex , immagine a cura di Alessandro Frasconi

In modalità full-duplex, entrambe le stazioni possono trasmettere e ricevere contemporaneamente. In modalità full-duplex, i segnali che vanno in una direzione condividono la capacità del collegamento con i segnali che vanno in un’altra direzione, questa condivisione può avvenire in due modi:

  • il collegamento deve contenere due percorsi di trasmissione fisicamente separati, uno per l’invio e l’altro per la ricezione,
  • oppure la capacità è divisa tra segnali che viaggiano in entrambe le direzioni.

La modalità full-duplex viene utilizzata quando è sempre necessaria la comunicazione in entrambe le direzioni. La capacità del canale, però, va divisa tra le due direzioni.

Esempio: Rete telefonica in cui c’è comunicazione tra due persone tramite una linea telefonica, attraverso la quale entrambi possono parlare e ascoltare contemporaneamente.

7. Topologie di rete

Quando si parla di topologie di rete si fa riferimento alla disposizione dei cosiddetti componenti di rete (gli elementi che compongono una rete informatica). Nell’ambito dell’informatica con la parola “rete” si intende un qualsivoglia numero di sistemi indipendenti collegati tra di loro, con l’obiettivo di consentire scambi di dati o la condivisione di risorse comuni. Per fare un esempio, si può definire rete la connessione tra due computer che, dal punto di vista fisico, può avvenire o via cavo o tramite onde radio.

Cosa si intende per topologie di rete

La parola “topologia” deriva dal greco “topos” ovvero “luogo” e indica quella disciplina che studia (dal greco “logos” ovvero “discorso”) le forme delle figure. 

In questo caso si fa riferimento alla disposizione dei cosiddetti componenti di rete. Il concetto di topologia si applica a qualsiasi tipo di rete di telecomunicazioni: telefonica, rete di computer, Internet. Innanzitutto, la prima distinzione è tra topologia logica e fisica: la topologia logica descrive il flusso dei dati attraverso una già nota dislocazione spaziale; la topologia fisica spiega come si configura tale dislocazione. Qui le opzioni sono diverse e prendono il nome solitamente dal grafo, il disegno e tecnicamente il modello geometrico, che si viene a creare. Abbiamo dunque topologie ad anello, a maglia, a bus, a stella, ad albero o miste dove cioè confluiscono più forme. Prima di procedere con la differenza tra queste topologie bisogna tener presente due concetti: il nodo, ovvero il singolo dispositivo connesso alla rete, che può essere un nodo-padre (o hub), o un nodo-figlio (o spoke); il pacchetto cioè il messaggio che passa da un nodo all’altro e che, oltre ai dati che contiene, include l’indirizzo del nodo di partenza e quello a cui viene inviato.

7.1. Reti a stella

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Schema rete a stella, immagine a cura di Alessandro Frasconi

Nella topologia di rete a stella ci sono tanti nodi figli, tutti connessi a un nodo padre che si trova appunto al centro della stella e che può essere:

  • un hub cioè un sistema hardware centrale che si limita a inviare lungo tutti i collegamenti un duplicato di ciascun pacchetto, in maniera indistinta. In questo caso si parla di pacchetti broadcast, espressione che può ricordare la lista broadcast di WhatsApp in cui lo stesso messaggio può essere inviato a un elenco predefinito di persone;
  • uno switch di rete, cioè un dispositivo che assicura la comunicazione tra i diversi nodi e conosce i collegamenti dei singoli computer. 

Il nodo centrale, che sia un hub o uno switch, gestisce le funzionalità della rete: ogni nodo figlio, prima di entrare in comunicazione con un altro, deve inviare il messaggio al nodo centrale che provvederà a smistarlo.

Il contesto di applicazione più diffuso sono le reti LAN. Una topologia a stella standard è adatta però solo a reti di piccole dimensioni che tendono però a espandersi creando topologie a stella estese.

vantaggi sono: una grande affidabilità dal momento che eventuali guasti non compromettono il funzionamento dell’intera rete; rimane isolato solo il nodo guasto, mentre gli altri continuano a funzionare attraverso la mediazione del nodo centrale; facile espandibilità, cioè si possono collegare più reti a stella tra loro andando a collegare solamente gli hub come se fossero due nodi della stessa stella. Rete sempre disponibile grazie a tale tipo di collegamento, per cui ogni computer può inviare dati in qualsiasi momento.

Gli svantaggi sono: il rischio di sovraccarico del nodo padre in casi di un intenso traffico di rete; possibile blocco della rete se l’hub o lo switch smette di funzionare; necessità di un componente supplementare (hub) che intervenga in caso di problemi. 

7.2. Reti ad anello

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Schema rete ad anello, immagine a cura di Alessandro Frasconi

La rete ad anello è un sistema dove i nodi sono disposti a forma di cerchio creando appunto un anello, senza quindi l’esistenza di nodi terminali. A connettere tra loro i computer è un cavo circolare. Questa topologia è usata per la rete WAN, che si avvale spesso della fibra ottica, mezzo di trasmissione unidirezionale. 
Ciascun nodo esamina il pacchetto che riceve per decidere se deve acquisirlo o passarlo al prossimo nodo. Passando da un computer all’altro, il segnale dei dati ricevuti e la trasmissione termina quando il pacchetto fa un intero giro e ritorna al nodo trasmittente. Il percorso può avvenire in maniera: unidirezionale, in senso orario o antiorario a seconda dei casi, in cui sussiste un alto rischio di guasti perché se un collegamento non funziona compromette l’intera rete; o bidirezionale, per cui ciascun nodo può inviare il messaggio sia al nodo precedente che a quello successivo. In questa modalità ad un eventuale guasto si può ovviare facilmente sfruttando la direzione ancora praticabile.

vantaggi sono: elevata estendibilità della rete, garantita dal potenziamento del segnale da parte di ogni nodo; sistema semplice da costruire e sufficientemente veloce.

Gli svantaggi sono: bassa tolleranza ai guasti per quanto riguarda l’anello unidirezionale perché se si verifica un problema a un singolo cavo o nodo l’intera rete si blocca; scarsa diffusione: oggi tale topologia è quasi sparita nelle aziende ma era usata nei primi sistemi a fibra ottica (FDDI) che ora si sono evoluti; difficoltà di espansione dovuta proprio al rischio di guasto, minore però nelle reti bidirezionali che sono le più diffuse tra quelle ad anello.

7.3. Reti a bus

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Schema rete a bus, immagine a cura di Alessandro Frasconi

Nella rete a bus tutti i computer sono collegati ad un unico cavo, un canale trasmissivo comune detto dorsale o bus. Questo sistema, che ha caratterizzato per anni le reti Ethernet, fa sì che i dati che “viaggiano” sul bus siano leggibili da tutti i nodi anche se non ne sono i destinatari.

Ciascun nodo “tocca” il bus per esaminare i pacchetti contenuti in esso. Se il nodo è destinatario di quel pacchetto lo acquisisce altrimenti lo ignora se destinato ad altri computer. A ciascuna delle estremità del cavo dorsale c’è un terminatore, un componente che assorbe i dati non ricevuti da nessun computer, liberando così il cavo principale che è pronto per inviarne di nuovi.

vantaggi sono: bassi costi semplice da realizzare; facilmente espandibile e combinabile con le reti a stella: un bus può mettere in connessione gli hub o gli switch delle varie stelle, ad esempio negli edifici in cui lavorano due o più team diversi.

Gli svantaggi sono: stretta dipendenza dal cavo dorsale, che, in caso di guasto, compromette l’intera rete; velocità contenuta dovuta al fatto che si utilizza un unico cavo per la trasmissione dei dati, per cui può inviare i dati un solo computer alla volta e, se ne sono tanti, si allungano i tempi di trasmissione dei dati.

7.4. Reti ad albero

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Schema rete ad albero, immagine a cura di Alessandro Frasconi

La rete ad albero si può definire come una topologia dalla struttura gerarchica e multilivello, perché a ciascun nodo ne sono collegati altri due di livello inferiore. 
Il nodo padre o nodo radice (root) è collegato ai nodi figli qui detti anche foglie (leaves) che possono essere a loro volta padri, creando una nuova struttura gerarchica. Ogni nodo si raggiunge attraverso un solo percorso.

vantaggi sono: costi contenuti che garantiscono un ottimo rapporto tra prezzo e velocità e una minore complessità di realizzazione; facile espandibilità attraverso i nodi figli che possono diventare a loro volta radici come visto in precedenza.

Gli svantaggi sono: non c’è tolleranza ai guasti dal momento che se si interrompe un collegamento che porta a un nodo padre rimane isolata anche tutta la sua discendenza; rischio di blocco totale se si guasta il nodo radice principale.

7.5. Reti a maglia

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Schema rete a maglia, immagine a cura di Alessandro Frasconi

La topologia a maglia è nota anche come topologia mesh, unità di misura anglosassone per misurare il numero di maglie in alcuni materiali. 

Si tratta di una rete in cui tutti i nodi sono collegati tra loro e ciascuno di essi ne riesce a raggiungere un altro attraverso un solo passaggio. Nel caso in cui uno dei cavi dovesse rompersi sarebbe possibile, comunque, l’arrivo a destinazione dei pacchetti. Si viene dunque a formare una maglia con percorsi multipli tra i nodi. 

La topologia a maglia può essere a sua volta: 

  • parzialmente connessa se viene utilizzata solo una parte di tutti i collegamenti diretti esistenti tra i nodi; 
  • completamente connessa se ogni nodo è collegato direttamente con tutti i nodi attraverso rami dedicati.

In questo caso avviene una comunicazione a doppio senso, cioè sia in termini di trasmissione che di ricezione. Ad esempio, in una rete formata da 8 computer, ciascuno di essi dovrebbe avere sette collegamenti, per un totale di 28 cavi (7+6+5+4+3+2+1). Un’applicazione di questo sistema sono le reti metropolitane e geografiche.

vantaggi sono: massima velocitàmassima tolleranza per eventuali errori, perché esiste sempre un percorso alternativo per arrivare ad un determinato nodo, a meno che quest’ultimo non resti completamente isolato;

Gli svantaggi sono: complessa da realizzare difficile da espandere per l’alto numero di collegamenti; costo piuttosto elevato sia per la realizzazione sia per la gestione dei diversi rami necessari.

8. Tecniche di commutazione

Le connessioni alla rete avvengono essenzialmente attraverso due modalità tra loro distinte: la commutazione di circuito e la commutazione di pacchetto.

8.1. Commutazione di circuito

La commutazione di circuito comporta l’effettiva connessione fisica tra due stazioni di comunicazione stabilita attraverso il collegamento di nodi intermedi sulla rete. Qualsiasi comunicazione tramite commutazione di circuito prevede tre fasi: l’apertura della connessione, il trasferimento dei dati e la chiusura della connessione.

Prima che i dati possano essere trasferiti, è necessario stabilire un percorso che colleghi il mittente e il destinatario ogni volta che è necessario trasferire i dati. L’uso dei percorsi è esclusivo continuo. Ogni utente ha a disposizione un canale di trasporto dedicato, che garantisce che ogni richiesta di servizio abbia sempre la massima capacità. La capacità di una connessione può essere suddivisa in circuiti con diversi meccanismi di divisione: tempofrequenzalunghezza d’ondacodice.

Qualsiasi porzione di capacità trasmissiva non utilizzata (periodi in cui non vengono inviati dati) va persa, questo è uno dei principali limiti della commutazione di circuito.

Uno dei principali vantaggi è la garanzia che se viene stabilita una connessione, godrà del servizio desiderato per l’intera durata. Pertanto, il prezzo di tali connessioni si basa sulla durata effettiva della connessione, poiché il canale stabilito tra i dispositivi rimane occupato anche quando non viene trasferito traffico.

8.2. Commutazione di pacchetto

Nella commutazione di pacchetto, un circuito fisico viene utilizzato solo per il tempo necessario a trasmettere un singolo pacchetto e può essere immediatamente utilizzato per trasmettere un altro pacchetto appartenente a un segnale diverso. Ciò consente livelli più elevati di condivisione dei media. D’altra parte, nelle reti a commutazione di pacchetto, il ritardo di trasmissione complessivo non è fisso e, considerata la discontinuità della trasmissione e dell’uso condiviso, è anche necessario controllare la congestione in caso di contesa. Per le sue caratteristiche, la commutazione di pacchetto presenta quindi problemi se è richiesta disponibilità di banda garantita o trasmissione in tempo reale. I pacchetti di dimensioni limitate sono arricchiti da un’intestazione contenente informazioni sulla posizione del pacchetto nell’elenco inviato, priorità, destinatario e tipo di contenuto trasmesso e un campo coda contenente un codice di controllo errore, che verrà rieseguito dal destinatario per la verifica la correttezza dei pacchetti ricevuti. Quando un nodo intermedio (chiamato interruttore di pacchetto) riceve un pacchetto, determina il percorso migliore per quest’ultimo per raggiungere la sua destinazione in base alle informazioni nella tabella di instradamento e ai risultati dell’elaborazione del protocollo di instradamento. Questo percorso può cambiare tra i pacchetti a seconda delle condizioni della rete; quindi, i pacchetti appartenenti allo stesso messaggio possono prendere percorsi diversi. Il prezzo della tecnologia di commutazione di pacchetto si basa solitamente sul traffico generato durante l’invio e la ricezione, poiché il canale viene occupato solo nel momento in cui un pacchetto viene inviato e quindi rilasciato.

9. La struttura di una rete

9.1. Componenti attivi

I componenti attivi sono parti di una rete che si basa su una fonte di alimentazione esterna per controllare o modificare i segnali elettrici. Componenti attivi come transistor raddrizzatori controllati al silicio (SCR) utilizzano l’elettricità per controllare l’elettricità.

Esempi di componenti attivi: switch, router, hub, ecc.

9.2. Componenti passivi

Come i resistor, trasformatori e diodi non necessitano di una fonte di alimentazione esterna per funzionare. Questi componenti utilizzano altre proprietà per controllare il segnale elettrico. Di conseguenza, richiedono solo la corrente che viaggia attraverso il circuito collegato. I resistor impediscono il flusso di elettroni senza introdurre più elettricità nel sistema.

Esempi di componenti passivi: cavi, prese, ecc.

10. I mezzi fisici di trasmissione

I mezzi di trasmissione fisici utilizzati nelle comunicazioni includono il cavo a doppino telefonico intrecciato, il cavo coassiale e il cavo in fibra ottica. Questi cavi vengono in genere utilizzati all’interno o nel sottosuolo tra gli edifici.

10.1. Doppino telefonico

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Doppino telefonico, origine immagine: “fastweb.it”

Uno dei mezzi di trasmissione più comunemente utilizzati per il cablaggio di rete e i sistemi telefonici è il cavo a doppino intrecciato. Il cavo a doppino intrecciato è costituito da uno o più doppini intrecciati raggruppati insieme. Ogni cavo a doppino intrecciato è costituito da due fili di rame isolati separati che sono intrecciati insieme. I fili sono intrecciati insieme per ridurre il rumore. Il rumore è un disturbo elettrico che può degradare le comunicazioni.

Questo è composto, dal più esterno al più interno, da: guaina protettiva, schermatura da eventuali interferenze e una serie di cavi intrecciati (doppini).

10.2. Cavo coassiale

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Cavo coassiale, origine immagine: “01smartlife.it”

Il cavo coassiale, spesso indicato come coassiale, è costituito da un unico filo di rame circondato da almeno tre strati: un materiale isolante, un metallo intrecciato e una plastica rivestimento esterno.

Il cablaggio di rete della televisione via cavo (CATV) utilizza spesso un cavo coassiale perché può essere cablato su distanze maggiori rispetto al cavo a doppino intrecciato. La maggior parte delle odierne reti di computer, tuttavia, non utilizza il cavo coassiale perché altri mezzi di trasmissione come il cavo in fibra ottica trasmettono segnali a velocità maggiori.

10.3. Fibra ottica

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Fibra ottica, origine immagine: “aegelettro.it”

Il nucleo di un cavo in fibra ottica è costituito da decine o centinaia di sottili fili di vetro che utilizzano la luce per trasmettere i segnali. Ogni filo, chiamato fibra ottica, è sottile come un capello umano. All’interno del cavo in fibra ottica, un rivestimento in vetro isolante e un rivestimento protettivo circondano ciascuna fibra ottica.

I cavi in ​​fibra ottica presentano i seguenti vantaggi rispetto ai cavi che utilizzano fili, come i doppini intrecciati e i cavi coassiali:

  • capacità di trasportare molti più segnali rispetto ai cavi;
  • trasmissione dati più veloce;
  • meno suscettibile al rumore (interferenza) da altri dispositivi;
  • maggiore sicurezza per i segnali durante la trasmissione perché sono meno suscettibili al rumore;
  • dimensioni più piccole (molto più sottile e più leggero).

Gli svantaggi del cavo in fibra ottica sono che costa più del cavo a doppino intrecciato o coassiale e può essere difficile da installare e modificare. Nonostante queste limitazioni, molte compagnie telefoniche locali e interurbane stanno sostituendo le linee telefoniche esistenti con cavi in ​​fibra ottica, consentendo loro di offrire accesso a Internet in fibra a utenti domestici e aziendali.

10.4. Wireless

La trasmissione wireless è una forma di supporto non guidato. La comunicazione wireless non prevede alcun collegamento fisico stabilito tra due o più dispositivi, che comunicano in modalità wireless. I segnali wireless sono diffusi nell’aria e sono ricevuti e interpretati da antenne appropriate.

Quando un’antenna è collegata al circuito elettrico di un computer o di un dispositivo wireless, converte i dati digitali in segnali wireless e li diffonde all’interno della sua gamma di frequenza. Il recettore all’altra estremità riceve questi segnali e li converte in dati digitali.

La comunicazione wireless comporta il trasferimento di informazioni senza alcuna connessione fisica tra due o più punti. A causa di questa assenza di qualsiasi “infrastruttura fisica”, la comunicazione wireless presenta alcuni vantaggi. Ciò includerebbe spesso il collasso della distanza o dello spazio.

Vantaggi

  • efficacia dei costi: la comunicazione cablata comporta l’uso di cavi di collegamento. Nelle reti wireless, la comunicazione non richiede un’infrastruttura fisica elaborata o pratiche di manutenzione. Quindi il costo è ridotto;
  • flessibilità: la comunicazione wireless consente alle persone di comunicare indipendentemente dalla loro posizione. Non è necessario essere in un ufficio o in qualche cabina telefonica per passare e ricevere messaggi. Ad esempio, i minatori nell’entroterra possono fare affidamento sui telefoni satellitari per chiamare i loro cari e, quindi, contribuire a migliorare il loro benessere generale mantenendoli in contatto con le persone che significano di più per loro;
  • accessibilità: la tecnologia wireless consente una facile accessibilità poiché le aree remote in cui le linee di terra non possono essere posate correttamente vengono facilmente collegate alla rete. Nelle regioni rurali, l’istruzione online è ora possibile. Gli educatori non hanno più bisogno di viaggiare in aree lontane per insegnare le loro lezioni. Grazie al live streaming dei loro moduli didattici;
  • connettività costante: la connettività costante garantisce inoltre che le persone possano rispondere alle emergenze in tempi relativamente brevi. Un cellulare wireless può assicurarti una connettività costante anche se ti sposti da un luogo all’altro o mentre viaggi, mentre una linea fissa cablata non può.

Svantaggi:

  • poiché la comunicazione avviene attraverso lo spazio aperto, è meno sicura;
  • inaffidabilità;
  • più aperto alle interferenze;
  • maggiore possibilità di inceppamento;
  • la velocità di trasmissione è relativamente inferiore;
  • possono essere facilmente violate;
  • richiedono un’attenta frequenza radio al momento dell’installazione;
  • le reti wireless sono generalmente poco costose, ma il costo di installazione è molto elevato, la creazione di una rete wireless è molto costosa.

11. Hub, Switch e Router

Nelle reti, i termini switch, hub e router sono talvolta usati in modo intercambiabile, il che è sbagliato.

Nonostante siano simili, ci sono differenze nel modo in cui gestiscono i dati. Questi tre componenti possono essere integrati in un unico dispositivo rendendo difficile distinguerli.

Uno switch è un dispositivo di rete multicast che funziona al livello “collegamento dati” del modello ISO-OSI e collega un gruppo di computer o dispositivi in una rete. Viene utilizzato principalmente per inviare un messaggio privato e non spreca dati.

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Pila architettura ISO/OSI, origine immagine: “wikipedia.org”

Uno switch può identificare facilmente quale dispositivo è collegato a quale porta utilizzando un indirizzo MAC che gli dà la possibilità di consegnare il messaggio a una macchina particolare. Uno switch trasmette i dati sotto forma di frame.

Vantaggi dell’utilizzo di uno Switch:

  • è sicuro poiché fornisce i dati al nodo specificato;
  • aumenta la larghezza di banda in una rete;
  • aumenta il numero di porte per connettere i nodi disponibili in una rete;
  • funziona in Full-Duplex.

Svantaggi dell’utilizzo di Switch:

  • sono più costosi rispetto gli hub e ad altri dispositivi utilizzati in una rete;
  • per gestire i pacchetti multicast è necessaria una pianificazione adeguata;
  • possono sorgere problemi durante la trasmissione del traffico.

Un hub è un dispositivo di rete semplice ed economico che funziona al livello “fisico” del modello OSI e collega un gruppo di computer in una rete locale (LAN). È considerato meno intelligente perché non filtra i dati e non sa dove devono essere inviati i dati. Tutte le informazioni inviate a un hub vengono inviate automaticamente a tutti gli altri dispositivi ad esso collegati comportando uno spreco di larghezza di banda. Un hub trasmette i dati sotto forma di bit binari.

Vantaggi dell’utilizzo degli hub:

  • hanno la capacità di connettersi alla rete utilizzando diversi supporti fisici;
  • possono essere utilizzati per aumentare la distanza di rete;
  • gli hub sono relativamente economici rispetto agli switch e ad altri dispositivi nella rete.

Svantaggi dell’utilizzo di un hub:

  • aumenta le possibilità di collisione dei domini tra i pacchetti durante il trasferimento da un dispositivo all’altro;
  • gli hub funzionano in modalità Half-Duplex;
  • gli hub condividono i dati con tutti i dispositivi in ​​una rete rendendo la rete insicura;
  • gli hub sprecano molta larghezza di banda durante la trasmissione dei dati.

Riassumendo: un hub è un dispositivo di trasmissione che invia dati da un nodo a tutti i nodi, mentre uno switch è un dispositivo multicast in grado di inviare dati a un nodo particolare.

Un hub supporta Half-Duplex, ovvero solo un dispositivo può inviare o ricevere dati alla volta mentre uno switch supporta Full-Duplex, ovvero entrambi i dispositivi possono inviare e ricevere dati contemporaneamente.

Uno switch si trova sul secondo strato del modello OSI mentre un Hub si trova sul primo strato.

Un router è un dispositivo di rete che opera al livello “rete” del modello OSI e viene utilizzato percollegare due o più reti. È un dispositivo che stabilisce un collegamento comune tra le reti per consentire il flusso di dati tra di esse. Un router trasmette i dati sotto forma di pacchetti.

Vantaggi dei router:

  • con l’ausilio di algoritmi dinamici di routing, può scegliere il percorso migliore nella rete;
  • crea domini di collisione per ridurre il traffico di rete;
  • fornisce connessioni tra diverse architetture di rete.

Svantaggi dei router:

  • sono costosi rispetto a hub e switch;
  • hanno bisogno di analizzare i dati. Questo li rende più lenti;
  • hanno una larghezza di banda ridotta a causa della comunicazione dinamica del router.
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