Storia e struttura di Internet

Da dove viene

Internet (con la I maiuscola) è l'insieme mondiale di reti interconnesse che parlano la famiglia di protocolli TCP/IP. Per capire perché è fatta così conviene seguire le tappe in ordine, perché ogni scelta tecnica di oggi è la risposta a un problema incontrato allora.

L'idea chiave del 1972: l'intelligenza ai bordi

Prima di TCP, la rete si preoccupava di consegnare correttamente i dati: erano i nodi interni (gli IMP) a controllare gli errori e a ritrasmettere. TCP sposta questo onere dai nodi della rete ai calcolatori agli estremi (end host): chi trasmette e chi riceve controllano tra loro che i dati siano arrivati, e i router in mezzo si limitano a inoltrare pacchetti senza tenere memoria delle conversazioni (la prestazione di una trasmissione dipende allora anche dal ritardo di andata e ritorno tra i due estremi, l'RTT di Analisi delle prestazioni di reteLe prestazioni di una rete si misurano con tre famiglie di metriche: traffico (bitrate $R_0$ massimo del collegamento, throughput $S\le R_0$ dati consegnati con successo, goodput al livello applicazione), ritardo (end-to-end $d_{tot}=d_{proc}+d_{queue}+d_{trans}+d_{prop}$ con $d_{trans}=L/R$ e $d_{prop}=d/v$; jitter; RTT) e capacità del tubo (BDP $=R\cdot$ ritardo, bit che riempiono il collegamento), più l'affidabilità (PER, PDR, PLR). Il throughput di un percorso è quello del collegamento collo di bottiglia, $\min$ dei bitrate, ricordando che i collegamenti condivisi dividono la capacità.Analisi delle prestazioni di rete →, e dalla ritrasmissione end-to-end che fa TCP: TCP - connessione, affidabilità e controllo di flussoTCP (Transmission Control Protocol) è il protocollo di trasporto con connessione e affidabile: trasforma il servizio senza connessione e inaffidabile di IP in un flusso di byte ordinato, senza errori né duplicati. La connessione si apre con l'handshake a tre vie (SYN, SYN+ACK, ACK) e si chiude con tre o quattro segmenti (FIN). I byte sono numerati: il numero di sequenza è quello del primo byte del segmento, il numero di ACK (cumulativo) è il prossimo byte atteso. Il mittente può inviare $\min(\text{rwnd},\text{cwnd})$ byte non ancora confermati; rwnd (finestra del ricevitore, in un campo di 16 bit) è il controllo di flusso. L'errore si gestisce con checksum, ACK, timeout di ritrasmissione (RTO) e ritrasmissione rapida dopo tre ACK duplicati. Per usare tutto il canale la finestra deve valere almeno il prodotto banda-ritardo (BDP); il throughput massimo è $\text{MSS}\cdot W_{\max}/\text{RTT}$.TCP - connessione, affidabilità e controllo di flusso →). Questo è il motivo per cui Internet scala: aggiungere un router o una rete non obbliga nessuno a gestire più stato per ogni connessione, e reti di tecnologia diversa (cavo, fibra, radio) si possono collegare purché sappiano trasportare un pacchetto IP.

Definizione (internetworking). Interconnessione di reti eterogenee tramite dispositivi (gateway, oggi router) che instradano pacchetti con un formato comune (IP). Ogni rete interna può usare una propria tecnologia di collegamento.

Esempio. Un portatile collegato in Wi-Fi a casa (rete radio) apre una pagina web ospitata in un data center collegato in fibra: i pacchetti IP attraversano tecnologie diverse, e ognuna incapsula lo stesso pacchetto in un proprio frame (Livello di collegamento e framingIl livello di collegamento (DLL) consegna un frame da un nodo a un nodo adiacente su un collegamento. Servizi: framing, accesso al mezzo (MAC) con indirizzi MAC a 48 bit, controllo di flusso, rilevazione e correzione degli errori. Si divide in DLC (framing, controllo di errore e di flusso) e MAC (accesso al mezzo condiviso). Il framing delimita i frame con un flag: nei protocolli a byte (flag di 8 bit, ESC) si usa il byte stuffing, in quelli a bit (flag 01111110) il bit stuffing, che inserisce uno 0 dopo ogni cinque 1 consecutivi.Livello di collegamento e framing →).

Internet oggi e domani

Le slide (edizione 2024-25) riportano alcuni ordini di grandezza, da citare come ordini di grandezza e non come dati esatti:

• oltre $5{,}11$ miliardi di utenti mobili unici;
• oltre $4{,}39$ miliardi di utenti Internet;
• oltre $3{,}48$ miliardi di utenti dei social media (circa $+9\,\%$ all'anno), di cui oltre $3{,}26$ miliardi li usano dal telefono ($+10\,\%$);
• le dimensioni di Internet superano i $27\,821\,346$ petabyte, con $1$ PB $=10^{6}$ GB $=10^{15}$ B.

Esempio. $27\,821\,346$ PB $=2{,}78\cdot10^{7}\cdot10^{15}$ B $=2{,}78\cdot10^{22}$ B (si sommano gli esponenti: $7+15=22$); la slide scrive lo stesso numero come $27\,800\,000\,000\,000\,000\,000\,000$ byte, cioè $27{,}8\cdot10^{21}$ $=2{,}78\cdot10^{22}$ byte (uno stesso valore, scritto con un'altra potenza). Rapportato ai $4{,}39$ miliardi di utenti ($4{,}39\cdot10^{9}$): $2{,}78\cdot10^{22}/(4{,}39\cdot10^{9})=6{,}3\cdot10^{12}$ B, cioè $6{,}3$ TB a testa (con $1$ TB $=10^{12}$ B; nelle reti i prefissi sono potenze di $10$: Analisi delle prestazioni di reteLe prestazioni di una rete si misurano con tre famiglie di metriche: traffico (bitrate $R_0$ massimo del collegamento, throughput $S\le R_0$ dati consegnati con successo, goodput al livello applicazione), ritardo (end-to-end $d_{tot}=d_{proc}+d_{queue}+d_{trans}+d_{prop}$ con $d_{trans}=L/R$ e $d_{prop}=d/v$; jitter; RTT) e capacità del tubo (BDP $=R\cdot$ ritardo, bit che riempiono il collegamento), più l'affidabilità (PER, PDR, PLR). Il throughput di un percorso è quello del collegamento collo di bottiglia, $\min$ dei bitrate, ricordando che i collegamenti condivisi dividono la capacità.Analisi delle prestazioni di rete →).

Gli scenari futuri indicati a lezione (reti 5G/6G) sono: accesso a banda larga ovunque (almeno $50$ Mbit/s), accesso a banda larga in aree dense, Internet delle cose massiccio (reti di sensori), comunicazioni ultra affidabili (e-health), comunicazioni in tempo reale estremo (Tactile Internet), mobilità elevata (treni ad alta velocità), servizi di diffusione (broadcast), comunicazioni di emergenza (calamità naturali), video pervasivo.

Chi governa Internet

Nessun governo possiede Internet; gli organismi che la coordinano sono:

Gli indirizzi IP non sono assegnati da IANA ai singoli utenti: IANA distribuisce blocchi e gli utenti ricevono gli indirizzi dai loro ISP.

ISP, gerarchia e punti di interscambio

Definizione (ISP). Un Internet Service Provider è un'azienda di telecomunicazioni che interconnette altre reti (più piccole) e ne dà accesso a Internet.

All'interno di un ISP le reti sono collegate tramite gateway interni (IG, Interior Gateway); tra ISP diversi si usano gateway esterni (EG, Exterior Gateway). Gli ISP formano una gerarchia «quasi» ad albero:

• ISP nazionale (esempio: TIM, Fastweb, GARR per la rete della ricerca);
• ISP regionale, collegato a uno o più nazionali;
• ISP locale (esempio: l'Università di Padova), collegato a un regionale.

I collegamenti fisici non coincidono necessariamente con quelli logici: un ISP locale può avere un solo cavo fisico ma più relazioni logiche con altri ISP.

Definizione (NAP / IXP). Un Network Access Point (o Internet Exchange Point) è un'istituzione privata che fornisce un luogo in cui più ISP si interconnettono. Lo scambio di traffico diretto tra due reti si chiama peering; l'alternativa, in cui un ISP paga un altro per raggiungere il resto di Internet, si chiama transito (transit).

Esempio. Il MIX (Milan Internet eXchange) è il più grande NAP italiano e tra i primi in Europa: ISP, operatori e fornitori di contenuti vi collegano le proprie dorsali per scambiare traffico IP (peering) in modo efficiente e con costi vantaggiosi rispetto al transito. Il MIX non è un ISP: non fornisce accesso a utenti, non pubblica contenuti né vende spazio web.

Perché i NAP esistono: senza di essi il traffico tra due ISP italiani dovrebbe salire fino a un ISP di livello superiore (con costi e ritardi) anche quando origine e destinazione sono vicine; con il peering a Milano i due ISP si scambiano il traffico direttamente.

Il seguito del corso scende lungo la pila: Modello ISO-OSI e pila TCP-IPUna comunicazione tra due calcolatori è un problema troppo vario (segnali, errori, accesso al mezzo, instradamento, controllo di flusso, rappresentazione dei dati) per un solo protocollo, quindi si divide in strati (layer). Il modello ISO/OSI ha 7 livelli (fisico, collegamento, rete, trasporto, sessione, presentazione, applicazione); la pila TCP/IP riunisce gli ultimi tre in un solo livello applicazione, quindi ne ha 5. Ogni livello offre un servizio a quello sopra e parla solo con il livello pari dell'altro nodo tramite PDU; scendendo si aggiunge un'intestazione (PCI): incapsulamento. Indirizzi: MAC (collegamento, locale), IP (rete, globale).Modello ISO-OSI e pila TCP-IP → descrive i livelli, Elementi di rete - hub, switch e routerI dispositivi che interconnettono le reti si distinguono per il livello della pila che arrivano a leggere. Hub (livello 1): ripetitore, rigenera il segnale e lo manda su tutte le porte, tutte le stazioni condividono la capacità. Bridge e switch (livello 2): leggono l'indirizzo MAC e inoltrano solo verso la porta giusta, imparando la tabella (FDB) dagli indirizzi sorgente. Router (livello 3): leggono l'indirizzo IP e collegano reti indipendenti (internetwork). Switch e bridge isolano il traffico e sono plug and play; il router fa instradamento ottimo ma va configurato.Elementi di rete - hub, switch e router → i dispositivi.