Reti per trasmissione dati

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17.5 Reti per trasmissione dati↓

In questa sezione illustriamo le particolarità legate alle trasmissioni dati, e come queste possano essere vantaggiosamente sfruttate per conseguire la maggiore efficienza che i sistemi di servizio a coda presentano rispetto a quelli orientati alla perdita. Le particolari modalità e funzioni legate alle trasmissioni dati saranno classificate secondo uno schema che ne consente il confronto in termini di prestazioni e vincoli sulla realizzazione della rete. Infine, verranno formalizzate le esigenze legate alla soluzione dei problemi di trasmissione dati, introducendo i concetti legati alle architetture protocollari, assieme ad alcuni esempi reali.

Le trasmissioni dati si prestano bene a comunicazioni in cui siano possibili ritardi temporali variabili, attuando una filosofia di tipo ad immagazzinamento e rilancio (store and forward) basata sul suddividere il messaggio in unità informative elementari denominate pacchetti, che possono essere inoltrati sulla rete di comunicazione, assieme a quelli prodotti da altre trasmissioni. L’applicazione della stessa metodologia a trasmissioni (ad esempio) vocali non è per nulla semplice, in quanto la presenza di un ritardo variabile per la trasmissione dei pacchetti comporta problemi non trascurabili, a meno di attuare speciali meccanismi di priorità e prenotazione della banda, tuttora oggetto di ricerca.

17.5.1 Il pacchetto dati↓

Discutiamo brevemente, in termini generali, i possibili contenuti di un pacchetto dati; il suo formato effettivo dipenderà dal particolare protocollo di trasmissione adottato.

La prima osservazione da fare è che la suddivisione del messaggio in pacchetti comporta un aumento delle informazioni da trasmettere, in quanto ognuno di questi dovrà contenere informazioni addizionali per consentire un suo corretto recapito e la sua ricombinazione con gli altri pacchetti dello stesso messaggio. Occorre inoltre affrontare gli ulteriori problemi tipici di una comunicazione dati, ovvero come contrastare gli errori di trasmissione, e come gestire le risorse di rete.

In termini generali, un pacchetto è composto da una intestazione (header), dalla parte di messaggio che

trasporta (dati), e da un campo codice di parità (crc) necessario a rivelare l’occorrenza di errori di trasmissione [870] [870] La sigla CRC significa Cyclic Redundancy Check (controllo ciclico di ridondanza) ed indica una parola binaria i cui bit sono calcolati in base ad operazioni algebriche (vedi § 8.4.3.3↑) attuate sui bit di cui il resto del messaggio è composto. Dal lato ricevente sono eseguite le stesse operazioni, ed il risultato confrontato con quello presente nel CRC, in modo da controllare la presenza di errori di trasmissione. . L’header a sua volta può essere suddiviso in campi, in cui trovano posto (tra le altre cose) gli indirizzi del destinatario e della sorgente, un codice di controllo che causa in chi lo riceve l’esecuzione di una procedura specifica, un numero di sequenza che identifica il pacchetto all’interno del messaggio originale, ed un campo che indica la lunghezza del pacchetto. Nonostante la presenza delle informazioni aggiuntive [871] [871] L’entità delle informazioni aggiuntive rispetto a quelle del messaggio può variare molto per i diversi protocolli, da pochi bit a pacchetto fino ad un 10-20% dell’intero pacchetto (per lunghezze ridotte di quest’ultimo)., la trasmissione a pacchetto consegue una efficienza maggiore di quella a circuito, in quanto è attuata mediante sistemi a coda.

Può sembrare vantaggioso mantenere la dimensione dei pacchetti elevata, riducendo così la rilevanza delle informazioni aggiuntive, ma si verificano controindicazioni. Infatti, suddividere messaggi lunghi in pacchetti più piccoli garantisce l’inoltro di (altre) comunicazioni più brevi durante la trasmissione di messaggi lunghi, che altrimenti bloccherebbero i sistemi di coda se realizzate con un unico “pacchettone”: in figura è

mostrato un esempio in cui B, presentandosi in ingresso al multiplexer con lieve anticipo rispetto agli altri pacchetti più piccoli, ne impedisce l’inoltro, monopolizzando la linea di uscita per tutta la durata della sua trasmissione.

Infine, all’aumentare della lunghezza di un pacchetto aumenta proporzionalmente la probabilità di uno (o più) bit errati (vedi anche la formula (10.76↑) a pag. 1↑ e la discussione al § 8.5.2.3↑), e dunque l’uso di dimensioni contenute riduce le necessità di ritrasmissione.

17.5.2 Modo di trasferimento delle informazioni

È definito in base alla specificazione di 3 caratteristiche che lo contraddistinguono: lo schema di multiplazione, il principio di commutazione e l’architettura protocollare.

17.5.2.1 Schema di multiplazione↓

Al § 19.3.1↓ è descritto uno schema a divisione di tempo che prevede l’uso di una trama in cui trovano posto diverse comunicazioni vocali [872] [872] Come nel PCM telefonico, vedi § 19.3.1↓, e che necessita di un funzionamento sincronizzato (o quasi) dei nodi di rete. La trasmissione a pacchetto invece non prevede l’uso esclusivo di risorse da parte delle singole comunicazioni, e non fa uso di una struttura di trama e pertanto occorrono soluzioni particolari per permettere la delimitazione dei pacchetti.

Ad esempio, i protocolli hdlc ed x.25 [873] [873] A riguardo di questi due protocolli ormai fuori moda, si veda ad es.https://it.wikipedia.org/wiki/High-Level_Data_Link_Control e https://it.wikipedia.org/wiki/X.25

presentano pacchetti di dimensione variabile, e fanno uso di un byte di flag (vedi pag. 1↑) costituito dalla sequenza 01111110 in testa ed in coda, per separare tra loro i pacchetti di comunicazioni differenti. Per evitare che i dati “propri” del pacchetto possano simulare un flag, in trasmissione viene inserito un bit 0 dopo 5 uni di fila, che (se presente) viene rimosso al ricevitore. Se dopo 5 uni c’è ancora un 1 (e poi uno zero), allora è un flag.

Nel caso in cui il pacchetto invece abbia una dimensione fissa [874] [874] Un modo di trasferimento con pacchetti di dimensione fissa è l’ATM (Asynchronous Transfer Mode) che viene descritto al § 18.2↓., ci si trova ad

operare in una situazione simile a quella in presenza di trama, tranne che... la trama non c’è, e dunque l’ordine dei pacchetti è qualsiasi, ma viene meno l’esigenza dei flag di delimitazione.

In entrambi i casi (lunghezza di pacchetto fissa o variabile) i nodi della rete non necessitano di operare in sincronismo tra loro; lo schema

di multiplazione è quindi detto a divisione di tempo↓ senza organizzazione di trama, asincrono, con etichetta. Il termine etichetta (o label) indica che ogni pacchetto deve recare con sé le informazioni idonee a ricombinarlo assieme agli altri dello stesso messaggio.

17.5.2.2 Principio di commutazione↓

È definito in base a come sono realizzate le due funzioni di instradamento, ovvero come individuare un percorso nella rete, e di attraversamento, ossia come permettere l’inoltro del messaggio tra le porte di ingresso e di uscita del commutatore.

Se l’instradamento↓ (routing)↓ viene determinato una volta per tutte all’inizio del collegamento, il modo di trasferimento viene detto con connessione. Se al

contrario l’instradamento avviene in modo indipendente per ogni pacchetto, il collegamento è detto senza connessione ed ogni pacchetto di uno stesso messaggio può seguire percorsi differenti.

L’attraversamento di un nodo di rete consiste invece nel demultiplare le informazioni in ingresso e multiplarle di nuovo su uscite diverse: ciò può avvenire mediante un collegamento diretto o per immagazzinamento e rilancio.

Sulla base di queste considerazioni, definiamo:

Commutazione di circuito↓↓:

l’instradamento avviene una volta per tutte prima della comunicazione, e l’attraversamento impegna in modo permanente ed esclusivo le risorse fisiche dei nodi della rete; è il caso della telefonia, sia pots che pcm [875] [875] Nel caso del pots (vedi § 19.9.1↓) si creava un vero e proprio circuito elettrico (vedi anche pag. 1↓), e le risorse fisiche impegnate sono gli organi di centrale ed i collegamenti tra centrali, assegnati per tutta la durata della comunicazione in esclusiva alle due parti in colloquio. Nel caso del pcm (vedi § 19.3.1↓), le risorse allocate cambiano natura (ad esempio consistono anche nell’intervallo temporale assegnato al canale all’interno della trama) ma ciononostante vi si continua a far riferimento come ad una rete a commutazione di circuito..

Commutazione di pacchetto↓ a circuito virtuale↓:

L’instradamento è determinato una volta per tutte prima dell’inizio della trasmissione, durante una fase di setup delle risorse della rete ad essa necessarie, e conseguente ad una richiesta di connessione da parte del nodo sorgente. I pacchetti di uno stesso messaggio seguono quindi tutti uno stesso percorso, e l’attraversamento si basa sull’impegno di risorse logiche [876] [876] Le risorse impegnate sono dette logiche in quanto corrispondono ad entità concettuali (i canali virtuali descritti nel seguito). ed avviene per immagazzinamento e rilancio. La trasmissione ha luogo dopo aver contrassegnato ogni pacchetto con un identificativo di connessione (ic) che individua un canale virtuale↓ [877] [877] Il termine Canale Virtuale simboleggia il fatto che, nonostante i pacchetti di più comunicazioni viaggino “rimescolati” su di uno stesso mezzo, questi possono essere distinti in base alla comunicazione a cui appartengono, grazie ai differenti IC (numeri) con cui sono etichettati; pertanto, è come se i pacchetti di una stessa comunicazione seguissero un proprio canale virtuale indipendente dagli altri.tra coppie di nodi di rete, e che ne identifica l’appartenenza ad uno dei collegamenti in transito.

Figura 17.21 Commutazione di pacchetto a circuito virtuale

L’intestazione del pacchetto può essere ridotta, al limite, a contenere il solo ic del canale virtuale. L’attraversamento avviene consultando apposite tabelle (di routing), generate nella fase di setup che precede quella di trasmissione, in cui è indicata la porta di uscita per tutti i pacchetti appartenenti ad uno stesso messaggio. Facciamo un esempio, riferendoci allo schema di fig. 17.21↓: una sorgente, a seguito della fase di instradamento, invia i pacchetti con identificativo ic = 1 al primo nodo individuato dal routing. Consultando la propria tabella, il nodo trova che il canale virtuale 1 sulla porta di ingresso (p.i.) A si connette al c.v. 3 sulla porta di uscita (p.u.) C. Ora i pacchetti escono da C con ic = 3 ed una volta giunti al nodo seguente sulla p.i. A, escono dalla p.u. B con ic = 2 e giungono finalmente a destinazione. Notiamo che su di un collegamento tra due nodi, i numeri dei canali virtuali identificano in modo univoco il collegamento a cui appartengono i pacchetti, mentre uno stesso numero di canale virtuale può essere riutilizzato su porte differenti [878] [878] I numeri di c.v. sono negoziati tra ciascuna coppia di nodi durante la fase di instradamento, e scelti tra quelli non utilizzati da altre comunicazioni già in corso. Alcuni numeri di c.v. inoltre possono essere riservati, ed utilizzati per propagare messaggi di segnalazione inerenti il controllo di rete..

La concatenazione dei canali virtuali attraversati viene infine indicata con il termine Circuito Virtuale per similitudine con il caso di commutazione di circuito, con la differenza che ora il percorso individuato è definito solo in termini di tabelle e di etichette, e non di risorse fisiche (tranne che per la memoria della tabella).

Al termine della comunicazione, sul circuito virtuale viene inviato un apposito pacchetto di controllo, che provoca la rimozione del routing dalle tabelle.

Congestione↓ e controllo di flusso↓

Durante la fase di instradamento, il percorso nella rete è determinato in base alle condizioni di traffico del momento, ed eventualmente la connessione può essere rifiutata nel caso in cui la memoria di coda nei nodi coinvolti sia quasi esaurita, evento indicato con il termine di congestione.

D’altra parte, se alcune sorgenti origine dei Canali Virtuali già assegnati e che si incrociano in uno stesso nodo intermedio, iniziano ad emettere pacchetti a frequenza più elevata del previsto, il nodo intermedio si congestiona (ossia esaurisce la memoria di transito) ed inizia a perdere pacchetti, penalizzando tutti i Canali Virtuali che attraversano il nodo.

Per questo motivo, sono indispensabili strategie di controllo di flusso che permettano ai nodi di regolare l’emissione delle sorgenti. Il controllo di flusso è attuato anch’esso mediante pacchetti (di controllo), privi del campo di dati, ma contenenti un codice identificativo del comando che rappresentano. Ad esempio, un nodo non invia nuovi pacchetti di un circuito virtuale finché non riceve un pacchetto di riscontro relativo ai pacchetti precedenti. D’altra parte, nel caso di una rete congestionata, la perdita di pacchetti causa il mancato invio dei riscontri relativi, e dunque i nodi a monte cessano l’invio di nuovi pacchetti [879] [879] In realtà vengono prima fatti dei tentativi di inviare nuovamente i pacchetti “vecchi”. Questi ultimi infatti sono conservati da chi li invia (che può anche essere un nodo intermedio), finché non sono riscontrati dal ricevente. Quest’ultimo fatto può causare ulteriore congestione, in quanto restano impegnate risorse di memoria “a monte” della congestione che così si propaga.. Dopo un certo periodo di tempo (timeout) il collegamento è giudicato interrotto e viene generato un pacchetto di Reset da inviare sul canale virtuale, e che causa, nei nodi attraversati, il rilascio delle risorse logiche (tabelle) relative al Canale Virtuale.

Discutiamo ora invece di un ulteriore possibile principio di commutazione:

Commutazione di pacchetto↓ a datagramma↓

Anche in questo caso, l’attraversamento dei nodi avviene per immagazzinamento e rilancio↓, mentre la funzione di instradamento↓ è svolta in modo distribuito tra i nodi di rete per ogni pacchetto, il quale (chiamato ora datagramma) deve necessariamente contenere l’indirizzo completo della destinazione. Infatti, in questo caso manca del tutto la fase iniziale del collegamento, in cui prenotare l’impegno delle risorse (fisiche o logiche) che saranno utilizzate [880] [880] Per questo motivo, il collegamento è detto senza connessione.. Semplicemente, non è previsto alcun impegno a priori, ed ogni pacchetto costituisce un collegamento individuale che impegna i nodi di rete solo per la durata del proprio passaggio. L’instradamento avviene mediante tabelle presenti nei nodi, di tipo sia statico che dinamico (nel qual caso tengono conto delle condizioni di carico e di coda dei nodi limitrofi) che indicano le possibili porte di uscita per raggiungere la destinazione scritta sul pacchetto. Quest’ultimo quindi viene fatto uscire senza nessuna alterazione dalla porta di uscita.

Uno dei maggiori vantaggi dei datagrammi rispetto ai circuiti virtuali è una migliore resistenza ai guasti e malfunzionamenti: in questo caso infatti, a parte una eventuale necessità di ritrasmettere i pacchetti persi, il collegamento prosegue attraverso percorsi alternativi; inoltre l’elevato numero di percorsi alternativi, può permettere (in condizioni di carico leggero) di soddisfare brevi richieste di trasmissione a velocità elevate. Allo stesso tempo, in presenza di messaggi molto brevi, l’invio di un singolo datagramma è più che sufficiente, mentre nel caso a circuito virtuale le fasi di instaurazione ed abbattimento sarebbero state un lavoro in più da svolgere (tanto che ad es. l’X.25, che è nato a c.v., prevede anche il funzionamento a datagramma).

Consegna ordinata e congestione↓

Uno dei maggiori problemi legati all’uso di datagrammi è che l’ordine di arrivo dei pacchetti può essere diverso da quello di partenza, potendo questi seguire percorsi differenti. Per questo motivo, nei datagrammi è presente un numero di sequenza che si incrementa ad ogni pacchetto trasmesso, ed alla destinazione sono predisposti dei buffer↓ [881] [881] Il termine buffer ha traduzione letterale “respingente, paracolpi, cuscinetto” ed è a volte espresso in italiano dalla locuzione memoria tampone. di memoria nei quali ricostruire l’ordine esatto dei pacchetti.

Nel caso di un pacchetto mancante, il ricevente non sa se questo è semplicemente ritardato oppure è andato perso, rendendo problematico il controllo di flusso. In questo caso si produce un impegno anomalo dei buffer di ingresso, che non possono essere rilasciati perché incompleti, e ciò può causare il rifiuto dell’accettazione di nuovi pacchetti, provocando un impegno anomalo anche per i buffer di uscita di altri nodi, causando congestione [882] [882] La soluzione a questa “spirale negativa” si basa ancora sull’uso di un allarme a tempo (timeout), scaduto il quale si giudica interrotto il collegamento, e sono liberati i buffer..

Prima di effettuare un trasferimento a datagramma, è opportuno (a parte il caso di messaggi composti da un singolo datagramma) verificare la disponibilità del destinatario finale, e preavvisarlo di riservare una adeguata quantità di memoria. Ad esempio, in Internet avviene proprio questo (vedi pag. 1↓).

Proseguiamo la descrizione delle reti per dati con l’ultima caratteristica di un modo di trasferimento:

17.5.2.3 Architettura protocollare↓

Definisce la stratificazione delle funzioni di comunicazione, sia per gli apparati terminali che per i nodi di transito, e di come queste interagiscono reciprocamente sia tra nodi diversi, che nell’ambito di uno stesso nodo. Alcune di queste sono già state introdotte, e le citiamo per prime, seguite da quelle più rilevanti illustrate di seguito:

il controllo di flusso, che impedisce la saturazione dei buffer;
la consegna ordinata, per riassemblare messaggi frammentati su più datagrammi;
la segmentazione e riassemblaggio, che definisce le regole per frammentare un messaggio in pacchetti e ricomporli, ad esempio in corrispondenza dei “confini” tra sottoreti con differente lunghezza di pacchetto;
il controllo di connessione, che provvede ad instaurare la connessione, eseguire l’instradamento, impegnare le risorse, supervisionare il controllo di flusso, abbattere la connessione al suo termine;
il controllo di errore, che provvede a riscontrare le unità informative, a rilevare gli errori di trasmissione, a gestire le richieste di trasmissione;
l’incapsulamento, che aggiunge ai pacchetti di dati da trasmettere le informazioni di protocollo come l’header, gli indirizzi, il controllo di parità...

Stratificazione ISO-OSI↓

Per aiutare nella schematizzazione delle interazioni tra le funzioni illustrate, l’International Standard Organization (iso) ha formalizzato un modello concettuale per sistemi di comunicazione denominato Open System Interconnection (osi) [883] [883] In virtù dell’intreccio di sigle, il modello di riferimento prende il nome (palindromo) di modello ISO-OSI., che individua una relazione gerarchica tra i protocolli. In particolare sono definiti sette strati o livelli (layers) ognuno dei quali raggruppa un insieme di funzioni affini. Gli strati più elevati (4-7) sono indicati anche come strati di utente, in quanto legati a funzioni relative ai soli apparati terminali; gli strati di transito invece (1-3) riguardano funzioni che devono essere presenti anche nei nodi intermedi.

La relazione gerarchica individuata stabilisce tra due strati contigui un rapporto di tipo utente-servizio; ovvero lo svolgimento delle funzioni di strato superiore necessita dei servizi offerti dallo strato inferiore. A titolo di esempio, si pensi all’invio di un documento mediante un corriere espresso: ci si affida allora ad uno strato di trasporto che offre all’utente (strato di sessione) un servizio (appunto) di trasporto che ha il compito di “far apparire” il documento presso il destinatario. La sede locale del corriere si affida quindi alla propria divisione interna che gestisce la rete dei corrispondenti, la quale si affida a sua volta ai corrispondenti stessi, che hanno il compito di assistere alla consegna ed all’arrivo (collegamento) del documento. Il trasferimento fisico dello stesso può quindi avvenire mediante un ultimo strato funzionale (treno, nave, aereo, auto...) che provvede al recapito in base alle informazioni ricevute dallo strato di collegamento.

Per terminare l’esempio, facciamo notare come in ogni livello avvengano due tipi di colloqui (regolati da altrettanti protocolli): uno è orizzontale, detto anche tra pari (peer-to-peer), come è ad esempio il contenuto del documento che spediamo, od i rapporti tra corrispondenti locali (che nel caso di un sistema di comunicazione corrisponde allo strato di collegamento, relativo ai protocolli tra singole coppie di nodi di rete); il secondo tipo di colloquio avviene invece in forma verticale, o tra utente e servizio, in quanto per realizzare le funzioni di uno strato utente ci si affida ad un servizio di comunicazione offerto dallo strato inferiore (che a sua volta può avvalersi dei servizi degli altri strati ancora inferiori) [884] [884] Il modo di trasferimento è completamente definito dopo che sia stato specificato in quale strato siano svolte le funzioni di commutazione e multiplazione. In una rete a commutazione di circuito, queste sono realizzate dallo strato fisico che, esaurita la fase di instradamento ed impegno di risorse fisiche, collega in modo trasparente sorgente e destinazione. Nella commutazione di pacchetto, invece, le funzioni di multiplazione e commutazione coinvolgono (per tutti i pacchetti del messaggio) tutti i nodi di rete interessati; si dice pertanto che i protocolli di collegamento e di rete devono essere terminati (nel senso di gestiti) da tutti i nodi di rete.

Incapsulamento↓

La modalità con cui un protocollo tra pari di strato N affida i suoi dati ad un servizio di strato N − 1, si avvale (nella commutazione di pacchetto) della funzione di incapsulamento, di cui viene data una interpretazione grafica alla figura seguente.

I dati che lo strato N + 1 vuol trasmettere al suo pari, indicati anche come Service Data Unit (sdu↓), sono prefissi dalle informazioni di protocollo necessarie alla gestione del collegamento tra entità allo strato N. Questa nuova unità informativa prende il nome di Protocol Data Unit (pdu↓) per lo strato N, e viene passata in forma di sdu al servizio di collegamento offerto dallo strato N − 1, che ripete l’operazione di incapsulamento con le proprie informazioni di protocollo, generando una nuova pdu (di strato N − 1). Pertanto, lo strato fisico provvederà a trasmettere pacchetti contenenti tutte le informazioni di protocollo degli strati superiori.

Indipendenza dei servizi tra pari dal servizio di collegamento

Quando uno strato affida il collegamento con un suo pari allo strato inferiore, quest’ultimo può mascherare al superiore la modalità con cui viene realizzato il trasferimento.

In particolare, se ci riferiamo all’interfaccia tra gli strati di trasporto e di rete, lo strato di rete può realizzare con il suo pari collegamenti con o senza connessione, mentre quello di trasporto offre allo stesso tempo (ma in modo indipendente) agli strati superiori un servizio con o senza connessione, dando luogo alle seguenti 4 possibilità:

	Servizio di trasporto
Servizio di rete	Circuito Virtuale	Datagramma
Circuito Virtuale	SNA, X.25	Insolito
Datagramma	Arpanet, TCP/IP	Decnet

SNA (system network architecture) è una architettura proprietaria IBM, in cui il trasferimento avviene in modo ordinato, richiedendo al livello di trasporto un circuito virtuale, che è realizzato da una serie di canali virtuali tra i nodi di rete. La stessa architettura è adottata anche dall’X.25, che costituisce l’insieme di protocolli che descrivono il funzionamento di reti pubbliche a commutazione di pacchetto, presenti in tutto il mondo: quella italiana prende il nome di itapac.

Arpanet è l’architettura di Internet, in cui sebbene lo strato di rete operi con un principio di commutazione a datagramma, mediante il protocollo IP (internet protocol), lo strato di trasporto (TCP, transfer control program) offre a quelli superiori un servizio con connessione, attuato mediante circuiti virtuali, in modo da garantire il corretto sequenziamento delle unità informative, ed offrire canali di comunicazione formalmente simili ai files presenti localmente su disco. Il mascheramento del servizio di rete interna a datagramma in un servizio con connessione avviene a carico dello strato TCP di trasporto presente nei nodi terminali, che appunto affronta il riassemblaggio ordinato dei datagrammi ricevuti dallo strato di rete.

Decnet è (o meglio era) l’architettura Digital, in cui il controllo di errore, la sequenzializzazione, ed il controllo di flusso sono realizzati dal livello di trasporto.

Soluzione insolita non è praticata perché equivale a fornire alla rete pacchetti disordinati, farli consegnare nello stesso identico disordine a destinazione, dove poi sono riassemblati. Può avere un senso se la comunicazione è sporadica, ma sempre per la stessa destinazione, nel qual caso somiglia ad un circuito virtuale permanente.

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