Dispositivi di rete

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I dispositivi di rete, nelle telecomunicazioni e nell’informatica, sono dispositivi elettronici che nelle reti informatiche implementano a livello logico nodi di rete con funzionalità esclusivamente orientate a garantire il funzionamento, l’efficienza, l’affidabilità e la scalabilità della rete stessa.

Non sono di norma elaboratori general purpose ovvero programmabili, anche se un calcolatore può fornire alcune di queste funzionalità, soprattutto ai livelli superiori del modello ISO/OSI, ma dispositivi special purpose, spesso appositamente configurabili da parte di un amministratore.

Essendo apparati attivi, il loro funzionamento dipende da una fonte di energia, che normalmente è l’energia elettrica, attraverso apposita alimentazione. Questo ha un impatto sulla disponibilità dei servizi da loro erogati, e spesso obbliga a proteggerli da interruzioni di alimentazione elettrica mediante opportuni gruppi di continuità.

Alcuni dispositivi vengono alimentati in modi diversi, ad esempio alcuni amplificatori per segnali ottici, destinati ad essere installati lungo tratte transoceaniche (es. su cavo sottomarino), vengono alimentati mediante potenza ottica inviata su una fibra ottica.

Nell’elenco che segue sono indicati alcuni di questi dispositivi, organizzati sulla base del livello in cui normalmente operano:

 

RIPETITORE:

Un ripetitore (repeater) riceve un segnale debole (attenuato dalla lunghezza del collegamento o dai disturbi sulla linea), lo “rigenera” e lo ritrasmette in modo da garantire una percorrenza su distanze più lunghe. Esso opera al livello 1 dello standard ISO-OSI. I ripetitori sono fondamentali nell’estensione di reti locali in quanto consentono di
collegare fra loro cavi appartenenti a due distinte porzione di rete, aumentando di conseguenza la distanza raggiungibile dalle LAN. Sono dispositivi che sono ormai andati in disuso sostituiti dagli HUB.

HUB


L’Hub “converte” una topologia “a Bus” in una topologia “a Stella”. Non è niente altro che un “filo” che riesce ad amplificare i segnali in entrata per poi inviarli in “broadcast” a tutti i computer a lui connessi. L’hub crea un unico dominio di collisione per cui se due calcolatori connessi trasmettono contemporaneamente, si verifica una collisione

Le comunicazioni avvengono sempre in maniera Half-Duplex, ovvero si possono avere comunicazioni in entrambe le direzioni (in/out), ma non contemporaneamente. La topologia Ethernet che utilizza gli hub viene chiamata Ethernet condiviso poiché ogni messaggio emesso è inviato a tutti i nodi connessi e la banda passante è condivisa.

L’hub è noto anche con il nome multiport-repeater, ovvero si tratta di un
dispositivo che opera a livello fisico (il primo del modello ISO/OSI).

Si distinguono due categorie di hub :
Gli hub detti “attivi”: sono alimentati elettricamente e permettono di
rigenerare il segnale sulle differenti porte
Gli hub detti “passivi”: permettono solo di diffondere il segnale a tutti gli host connessi senza amplificazione

Un hub non ha idea di cosa sia un pacchetto o un frame. Un hub si occupa solo di bit. Quando arrivano dei bit su una delle sue porte l’hub li ritrasmette a tutte le altre. Un chiaro vantaggio di questo approccio è la bassissima latenza: non c’è infatti alcun tempo di elaborazione. Man mano che i bit arrivano, vengono ritrasmessi in automatico. Solo un computer può quindi parlare alla volta. Il messaggio viene inviato in broadcast a tutti i nodi della rete. Al crescere dei nodi crescono il numero di collisioni nella rete. E’ possibile connettere più hub. Si parla allora di connessione a cascata (talvolta detta daisy chains in inglese).

Per questo, basta connettere gli hub attraverso un cavo incrociato, cioè un cavo che collega i connettori di ricezione di un’estremità ai connettori di ricezione dell’altra. Una porta uplink ha la stessa funzionalità del cavo incrociato (crossover cable) per cui è essenzialmente un suo sostituto

SWITCH

Lo switch è noto come multiport-bridge. Si tratta di un dispositivo di livello data-link (livello 2 del modello ISO/OSI) . Uno switch non si ferma alla semplice conoscenza dei bit, ma è in grado di decifrare le informazioni di livello 2 rappresentate dai frame. Le reti Ethernet che utilizzano gli switch vengono chiamate Switched Ethernet. In questo modo si possono raggiungere velocità di trasmissione maggiori. Si consideri ad esempio una rete di 100Mbps costituita da uno switch con 4 porte. Se si creano due connessioni separate (ad esempio tra la porta 1 e 3 e la porta 2 e 4) si potranno raggiungere velocità di 200Mbps. 200Mbps


Gli switch possono operare in modalità Full-Duplex (trasmettere e ricevere
contemporaneamente aumentando ulteriormente il throughput).

Dal punto di vista visivo una semplice LAN basata su hub o su switch non presenta differenze: tutte le stazioni sono connesse con un proprio cavo al concentratore. A differenza però di quanto farebbe un hub, lo switch inoltra i frames ricevuti a una delle sue porte verso quella a cui è connesso il nodo destinatario. Un aspetto negativo degli switch è invece la latenza. Uno switch deve infatti analizzare alcune informazioni prima di inviare il pacchetto, naturalmente questo provoca un ritardo superiore dell’hub (dove i bit invece vengono inviati subito).

Uno switch non è in grado di connettere reti fisicamente diverse, ad esempio una rete Ethernet con una Token Ring mentre può interconnettere reti ethernet con velocità e tecnologie fisiche diverse.

Nel gergo delle reti locali, uno switch isola ogni PC (connesso alle sue porte) in un proprio dominio di collisione. Se due calcolatori collegati a porte diverse trasmettono contemporaneamente, non si verifica una collisione, e i due frame possono attraversare lo switch contemporaneamente.

Lo switch controlla gli indirizzi sorgente e di destinazione dei messaggi e crea in memoria una tabella che associa gli indirizzi MAC dei computer connessi alle sue porte (di solito questo processo avviene automaticamente, ma il gestore dello switch può procedere a delle configurazioni complementari) utilizzata per creare circuiti virtuali di connessione tra mittente e destinatario. Il risultato di questa modalità è quello che i dati inviati ad una porta non vengono più inviati a tutte le altre, ma solo a quelle dove si trova il destinatario. Quindi non si può più parlare di mezzo condiviso, inoltre le collisioni vengono molto ridimensionate. Conoscendo la porta del destinatario, lo switch trasmetterà il messaggio solo sulla porta indicata, e le altre porte resteranno libere per altre trasmissioni che potranno prodursi contemporaneamente. Ne risulta un aumento sensibile della banda della rete disponibile. Gli switch ethernet rilevano la velocità di trasmissione utilizzata da ogni terminale (autosensing) e si adeguano alla massima velocità consentita. Questo permette di avere un parco informatico connesso con performance differenti. Dato che il traffico emesso e ricevuto non è trasmesso su tutte le porte, diventa più difficile “controllare” (sniffing) quello che succede, contribuendo così alla sicurezza generale della rete, tema molto sensibile ai nostri giorni.

Gli switch non si limitano a replicare il segnale, ma agiscono sui frame ricevuti instradandoli verso la destinazione esatta. Mediante queste loro capacità essi tengono i domini di collisione separati, col vantaggio di occupare banda passante solo sulle porte effettivamente interessate dal traffico, lasciando libere le altre. Operano anche sulla gestione dei frame per cui se trovano la rete occupata utilizzano un buffer per immagazzinare i frame attendendo che la rete si liberi.

BRIDGE


Un bridge è un dispositivo simile allo switch che viene utilizzato per connettere diversi segmenti di rete mentre uno switch viene collegato direttamente ai singoli host. Un bridge (letteralmente ponte) si colloca al livello datalink (il secondo) del modello ISO/OSI

Quando un bridge riceve un frame su una porta, cerca di capire dall’indirizzo del destinatario se questi si trova nello stesso segmento del mittente oppure no. In questo caso evita di inoltrare il frame, in quanto presumibilmente il destinatario l’ha già ricevuto. Altrimenti il bridge inoltra la trama verso il segmento in cui si trova effettivamente il destinatario. Se non sa su quale segmento si trova il destinatario, il bridge inoltra il frame su tutte le porte tranne quella da cui l’ha ricevuta. Queste operazioni sono definite operazioni di filtraggio e inoltro.
Il comportamento del bridge è dunque simile a quello dello switch per via della capacità di indirizzamento ma il suo ruolo nell’architettura di una rete è anche simile a quello del repeater grazie alla capacità di inoltrare verso un altro segmento di rete. Nell’attraversare il bridge il pacchetto informativo
subisce un maggior ritardo, rispetto a quello consueto di propagazione, e questo per i tempi di elaborazione necessari al bridge per decidere su quale segmento inoltrarlo. Altra differenza rispetto allo switch è il numero di porte: un bridge possiede al massimo una decina di porte, mentre uno switch può arrivare fino ad alcune centinaia nei modelli
più complessi.

Il comportamento del bridge è dunque simile a quello dello switch per via della capacità di indirizzamento ma il suo ruolo nell’architettura di una rete è anche simile a quello del repeater grazie alla capacità di inoltrare verso un altro segmento di rete.

Il bridge riduce il volume di traffico in una lan poiché in effetti la divide in due domini di collisione distinti.

ROUTER

È un dispositivo di rete che si posiziona sul livello 3 del modello OSI. Pertanto un Router (dall’inglese instradatore) è un dispositivo che è in grado di instradare i dati fra reti fisicamente diverse.
Un router ha almeno due interfacce di rete, ciascuna connessa su una rete fisicamente differente (altrimenti si utilizza il termine di bridge/switch).

Quando il router riceve un pacchetto (per il quale il computer mittente non ha saputo identificare la posizione del destinatario) dobbiamo considerare due casi:

a Il router risolve l’indirizzo logico del destinatario traducendolo nell’indirizzo hardware di una macchina posta su una delle reti a cui esso è connesso. Esegue l’inoltro del pacchetto verso la rete di destinazione.
b Il router non sa eseguire la risoluzione. Crea un frame diretto verso il successivo router (next hop) posto su una delle reti cui è connesso.

L’instradamento dei pacchetti, attraverso le reti direttamente e indirettamente connesse, avviene sulla base di particolari tabelle di instradamento (caricate sul router). Alcuni router (detti dinamici) comunicano tra di loro per determinare qual sia il miglior tragitto
basandosi su parametri come il costo della tratta e la velocità trasmissiva dei vari collegamenti (generano quindi tabelle di routing dinamiche).

Per visualizzare l’elenco dei router attraversati da un pacchetto per raggiungere una determinata destinazione i sistemi operativi mettono a disposizione un comando che in windows è tracert (traceroute ovvero tracciamento dei router).

Per visualizzare le tabelle di routing caricate sul proprio PC in windows si utilizza il comando route:

A seconda di come vengono costruite le tabelle di routing distinguiamo due tipologie di
router: router statici e router dinamici.
I router statici hanno tabelle di instradamento che …
– sono invarianti nel tempo
– sono indipendenti dalle condizioni di traffico nella rete (non adottano algoritmi adattativi)

  • non comunicano con altri router per scambiare le informazioni contenute nelle proprie
    tabelle di instradamento Nei router statici le tabelle di instradamento vengono modificate con l’intervento di un operatore durante la fase di configurazione e successivamente, solo in caso di variazioni strutturali o topologiche della rete.

Gli unici modi con cui un router statico può inviare un pacchetto a un computer che si trova
su una rete a cui non è direttamente connesso sono:

  • inviare il pacchetto al suo “gateway” predefinito
  • consultare la sua tabella d’instradamento statica.
    L’instradamento statico è perfetto per le reti composte da due sole sottoreti. Le tabelle d’instradamento di ogni router statico elencano tutte le reti di destinazione e il router a cui dovrebbero essere inviati i pacchetti per iniziare il loro tragitto verso la destinazione.
    Si definisce inter-rete un gruppo di reti locali (segmenti) che sono collegate tra loro tramite router

Un router dinamico, invece, aggiorna la sua tabella d’instradamento automaticamente scoprendo e comunicando percorsi ad altri router dinamici sulla rete. Se si verifica un guasto lungo una connessione oppure ne viene attivata una nuova, gli aggiornamenti dei vari percorsi vengono automaticamente propagati a tutti i router. Lo scopo di un protocollo di routing (Routing Protocol) è quello di mantenere dinamicamente le routing table.

I router dinamici contengono informazioni costantemente aggiornate sui possibili percorsi attraverso la rete, nonché informazioni su colli di bottiglia ed interruzioni del collegamento. Alcuni protocolli per la costruzione e l’aggiornamento automatico delle tabelle di instradamento sono: RIP o OSPF. L’instradamento dinamico è adatto a inter-reti complesse come Internet.

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