Tipi di rete e topologie

Tipi di rete per estensione

Mezzo trasmissivo

• Aria (canale radio, wireless): onde radio, microonde, satelliti, infrarossi. Soffre di rumore, interferenze e collisioni.
• Fibra ottica: segnali puliti, bassa potenza e alta velocità (Gbit/s).
• Cavo di rame: interfacce più economiche ma velocità limitata; bidirezionale.
• VLC (Visible Light Communication): frequenze tra $400$ e $800$ THz (luce visibile), per esempio auto a guida autonoma o comunicazioni al chiuso. In lunghezza d'onda, $\lambda=c/f$: $3\cdot10^{8}/(4\cdot10^{14})=750$ nm a $400$ THz e $3\cdot10^{8}/(8\cdot10^{14})=375$ nm a $800$ THz (Mezzi di trasmissione - cavi, fibre e collegamenti radioIl mezzo di trasmissione fissa l'attenuazione $a_{ch}$ nel link budget. Nei cavi $H_{ch}=e^{-\gamma d}$ e l'attenuazione in dB cresce con la distanza ($a=\tilde a,d$, dB/km) e con $\sqrt f$. Le fibre ottiche hanno banda larghissima (10¹⁴-10¹⁵ Hz), attenuazione bassa in tre finestre di lunghezza d'onda e limitazione dalla dispersione. Nei collegamenti radio vale la formula di Friis, $g_{ch}=g_{tx}g_{rx}\left(\frac\lambda{4\pi d}\right)^2$, cioè $a_{ch}=32{,}4+20\log_{10}d_{km}+20\log_{10}f_{MHz}-G_{tx}-G_{rx}$ dB.Mezzi di trasmissione - cavi, fibre e collegamenti radio →). Con lampade fluorescenti ordinarie $\approx10$ kbit/s, con LED $\approx500$ Mbit/s.

Topologie di rete

La topologia è il modo in cui i nodi sono collegati tra loro. Si distingue la topologia fisica (come sono stesi i cavi) da quella logica (come i dati circolano davvero).

Bus

Tutti i nodi si agganciano a un mezzo comune.

• I segnali possono collidere: serve decidere chi usa il bus (protocolli MAC, Protocolli di accesso multiplo - ALOHA e CSMAQuando più stazioni condividono lo stesso mezzo serve un protocollo di accesso (MAC) che decida chi trasmette. Accesso casuale: ALOHA puro (si trasmette subito, tempo vulnerabile $2t_F$), slotted ALOHA (si parte solo a inizio slot, vulnerabile $t_F$), CSMA (si ascolta prima di parlare, vulnerabile $\tau_p$) con le varianti 1-persistent, non persistent e p-persistent, CSMA/CD (rileva la collisione mentre trasmette: serve $t_F\ge2\tau_p$, quindi un frame minimo) e CSMA/CA del Wi-Fi (IFS, finestra di contesa con backoff esponenziale, ACK, RTS/CTS e NAV). Accesso controllato: prenotazione, polling, token. Canalizzazione: FDMA, TDMA, OFDMA, CDMA, SDMA.Protocolli di accesso multiplo - ALOHA e CSMA →).
• È naturalmente capace di diffusione (broadcasting): uno trasmette e tutti ascoltano.
• Il mezzo comune è il collo di bottiglia (va condiviso).
• Il guasto di un nodo non spegne la rete; il guasto del mezzo sì.
• Esempio: le vecchie Ethernet 10BASE2 e 10BASE5.

Stella (star)

Un nodo al centro è il master, gli altri sono slave collegati al master.

• Gli slave comunicano tramite il master; è facile arbitrare tra gli slave (decide il master).
• Non scala: il master è il collo di bottiglia. Normale per reti piccole o che richiedono prestazioni prevedibili.
• Il guasto del master spegne tutta la rete.
• Esempi: Ethernet moderna (con hub o switch al centro, 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 →), DSL.

Anello (ring)

I nodi sono disposti in un anello; ciascuno riceve dal predecessore e invia al successore; sono presenti ripetitori su ogni collegamento. Occorre arbitrare quale nodo può accedere all'anello: i messaggi sono inoltrati da ogni nodo e l'accesso è regolato da gettoni (token, Protocolli di accesso multiplo - ALOHA e CSMAQuando più stazioni condividono lo stesso mezzo serve un protocollo di accesso (MAC) che decida chi trasmette. Accesso casuale: ALOHA puro (si trasmette subito, tempo vulnerabile $2t_F$), slotted ALOHA (si parte solo a inizio slot, vulnerabile $t_F$), CSMA (si ascolta prima di parlare, vulnerabile $\tau_p$) con le varianti 1-persistent, non persistent e p-persistent, CSMA/CD (rileva la collisione mentre trasmette: serve $t_F\ge2\tau_p$, quindi un frame minimo) e CSMA/CA del Wi-Fi (IFS, finestra di contesa con backoff esponenziale, ACK, RTS/CTS e NAV). Accesso controllato: prenotazione, polling, token. Canalizzazione: FDMA, TDMA, OFDMA, CDMA, SDMA.Protocolli di accesso multiplo - ALOHA e CSMA →). Il gettone evita le collisioni e impedisce a un nodo di impadronirsi di tutte le risorse, perché ha una scadenza. Era usato nelle reti industriali e ottiche, poi è caduto in disuso; il guasto di un terminale spegne la rete.

Maglia (mesh)

I nodi sono disposti secondo un grafo di connettività: ogni nodo ha un collegamento punto-punto dedicato verso ogni altro nodo.

Formula (collegamenti in una maglia completa). Con $n$ nodi servono $$\frac{n(n-1)}{2}$$ collegamenti fisici (se full-duplex).

Perché: ogni nodo ha $n-1$ collegamenti, ma ognuno è condiviso da due nodi, quindi si divide per $2$. Detto con i grafi (Grafi - definizioni e proprietàGrafo G=(V,E) diretto e non diretto, grafo semplice e pesato; incidenza, adiacenza, grado; cammini, cicli, sottografi, grafi connessi e componenti connesse; alberi liberi, foreste, spanning tree e spanning forest; proprietà con dimostrazioni (somma dei gradi = 2m, m <= n(n-1)/2, alberi m = n-1, connessi m >= n-1, foreste m <= n-1).Grafi - definizioni e proprietà →, lemma delle strette di mano): la somma dei gradi è $n(n-1)$ e vale il doppio del numero di archi $m$, da cui $m=n(n-1)/2$. Equivale a contare le coppie non ordinate di nodi, $\binom n2=\frac{n(n-1)}{2}$ (Fattoriale e coefficienti binomialiFattoriale, permutazioni, disposizioni, combinazioni e coefficiente binomiale n su k, con il triangolo di Tartaglia.Fattoriale e coefficienti binomiali →): il primo nodo si può scegliere in $n$ modi, il secondo in $n-1$, e ogni coppia è stata contata due volte (prima A poi B, e prima B poi A).

Esempio. $n=5$: $5\cdot4/2=10$ collegamenti (come in figura); $n=10$: $45$; $n=100$: $4950$. Il numero cresce col quadrato di $n$: la maglia completa è robusta ma costosa e si usa solo per pochi nodi. Per confronto, con $n$ nodi: un bus usa un mezzo condiviso, una stella $n-1$ collegamenti (uno per ogni slave), un anello $n$, una maglia $n(n-1)/2$. Per $n=5$: $1$, $4$, $5$, $10$.

Vantaggi: nessuna collisione per mezzo condiviso, meno problemi di inoltro del traffico, rete robusta e privata/sicura.

Quale topologia scegliere

Dipende da:

• tipo di rete (LAN $\to$ stella; WAN $\to$ maglia o albero);
• affidabilità (maglia contro bus);
• scalabilità;
• protocollo usato (mezzo condiviso o no);
• mezzo fisico (cavo in rame, fibra, ...).

Per i dispositivi che realizzano questi collegamenti vedi 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 →; per come i pacchetti attraversano i nodi, Commutazione di circuito e di pacchettoUn nodo di commutazione (switch) può collegare ingresso e uscita in tre modi. Commutazione di circuito: si stabilisce prima un collegamento fisico dedicato (rete telefonica), tempo di consegna $T=3Nt_p+Nt_s+M/R$. Commutazione di pacchetto a datagramma: il messaggio è diviso in $K$ pacchetti con intestazione, ognuno è instradato indipendentemente con store-and-forward, $T=Nt_p+(N+K-1)\frac{M/K+H}{R}$, con $K_{ott}=\sqrt{(N-1)M/H}$. A circuito virtuale: tre fasi (setup, dati, chiusura), connessione logica dedicata ma senza risorse dedicate, identificatore locale che cambia a ogni salto.Commutazione di circuito e di pacchetto →.