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réte (informatica)

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Definizione

Sistema di apparecchiature di elaborazione dati (elaboratori) collegate tra loro per la trasmissione di informazioni a distanza. Con il crescere della varietà, complessità e potenzialità degli elaboratori è aumentata anche la richiesta di reti che trasferiscano l'informazione, ossia la richiesta di sistemi atti a consentire agli utenti un efficiente accesso alle informazioni indipendentemente da dove queste abbiano origine o siano memorizzate.

Reti di comunicazione tra elaboratori

Questi sistemi devono essere in grado di sostenere velocità di trasmissione variabili da pochi bit al secondo a miliardi di bit al secondo. La stragrande maggioranza delle reti di dati utilizza i servizi di trasporto dati offerti dalle società telefoniche, anche se questo non significa affatto che le reti e i servizi telefonici rappresentino la soluzione più adatta per la comunicazione tra elaboratori. Lo stesso si può affermare per i protocolli di comunicazione; questo tipo di protocollo consiste in una serie di comunicazioni destinate a stabilire come verranno scambiate le informazioni digitali tra i programmi. Talora sono stati sviluppati protocolli appositamente concepiti per nuovi tipi di reti non basati su linee telefoniche; in altre occasioni la definizione dei protocolli è stata condotta sulla base di nuovi requisiti di robustezza, sicurezza, funzionalità, ecc., indipendentemente dal tipo di rete di trasporto utilizzata. Per consentire la comunicazione tra elaboratori la condizione essenziale è che ci sia compatibilità di configurazione tra le loro porte seriali. La configurazione consiste nella definizione della velocità della connessione, del codice da utilizzare e dei dati di controllo necessari alla verifica della comunicazione. Una volta configurato nella forma opportuna, l'elaboratore è in grado di trasmettere caratteri su richiesta dell'utente. La trasmissione viene effettuata carattere per carattere. Per essere trasmesso, un carattere deve essere inviato all'hardware della porta seriale, dove il codice del carattere viene trasformato in una serie di zero e uno, preceduta dal cosiddetto bit di start e seguita dal corrispondente bit di parità e dal o dai bit di stop. Terminata la trasmissione della sequenza di bit, la porta seriale è pronta per trasmettere il carattere successivo. Il relativo protocollo di comunicazione è asincrono, perché non vi è nessun rapporto temporale tra l'invio di un carattere e quello successivo e si rende perciò necessario porre dei delimitatori all'inizio e alla fine di ciascuno (bit di start e di stop). Come detto, ogni carattere viene trasformato in una sequenza di zero e uno, ossia viene “serializzato”, il che giustifica il nome di porta seriale. La sequenza di bit viene trasformata in una sequenza di impulsi elettrici, di un determinato livello di tensione o di intensità di corrente e di durata corrispondente alla velocità definita dalla configurazione. Una volta giunto all'altro elaboratore, il segnale avrà naturalmente bisogno di essere ricostruito nella forma originaria. Le apparecchiature in grado di effettuare queste operazioni sono definite modem perché svolgono entrambe le funzioni di modulazione e di demodulazione. Le due porte seriali comunicano tra loro in base al proprio protocollo; questo non si limita a trasmettere i dati in base a quanto gli viene ordinato dagli elaboratori, ma aggiunge propri dati di controllo, destinati alcuni ad assicurare la corretta ricezione dei caratteri inviati, altri a facilitare il rilevamento di errori prodotti da disturbi sulle linee, dal malfunzionamento del modem, ecc. Nel sistema descritto si individuano due livelli, uno inferiore, costituito dai modem e dalla linea, e uno superiore, formato dagli elaboratori; per ogni elaboratore l'interfaccia tra i due livelli è formata dal connettore della porta seriale. In realtà l'architettura di un sistema di comunicazione presenta un numero maggiore di livelli del modello proposto: la comunicazione tra due elaboratori semplicemente collegati attraverso le rispettive porte seriali, infatti, non ha senso in se stessa, ma deve servire a soddisfare una qualche necessità degli utenti. Nei sistemi di comunicazione i protocolli definiscono le regole che devono essere seguite dagli elementi che li costituiscono; le regole vanno dai codici da utilizzare fino al modo di scambiare e interpretare le informazioni. Ogni livello del sistema di comunicazione ha propri protocolli, alcuni dei quali definiti da organismi internazionali. Scopo di ogni livello è la trasmissione di dati su richiesta del livello superiore; i livelli devono essere perciò collegati: le unioni (interfasi) fra essi devono essere definite precisando i servizi che ogni livello offre al rispettivo livello superiore e come li offre. Una rete di comunicazione deve offrire oltre alla capacità di trasportare le informazioni, anche i servizi per impostare, terminare e mantenere le connessioni tra elaboratori; la rete deve cioè offrire totale possibilità di connessione ai suoi utenti; al riguardo, la rete telefonica è esemplare. Per utilizzarla non occorre far altro che adattare il modo di trasmettere i dati da parte degli elaboratori alle caratteristiche del segnale che la rete telefonica è in grado di trasportare, ossia basta ricorrere al modem. È ovvio che quanto maggiore risulta la velocità offerta dalla rete, tanto minore sarà il tempo necessario per effettuare una trasmissione. La velocità della connessione è l'indice principale della qualità della rete nei confronti dell'utente. Quando si tratta di comunicazioni asincrone, la connessione fisica che si stabilisce tra gli elaboratori rimane invariata mentre avviene lo scambio delle informazioni, allo stesso modo in cui nella rete telefonica si stabilisce una linea fisica tra il microtelefono della persona che chiama e quello della persona chiamata. Questo circuito si stabilisce in un modo determinato ogni volta che gli utenti si mettono in comunicazione e non è necessariamente sempre lo stesso, dato che dipende dagli stati di occupazione delle centrali di commutazione e delle linee tra le centrali che collegano i due utenti nel momento in cui chi inizia la connessione effettua la chiamata. Questa tecnica è chiamata commutazione di circuito e ha il vantaggio di seguire lo stesso schema utilizzato dalla rete telefonica. Grazie al modem, le società telefoniche possono offrire le proprie reti come mezzo di trasporto per le comunicazioni di dati. La commutazione di circuito non è però un esempio di efficienza nell'uso delle risorse della rete. La connessione tra due elaboratori possibile al momento del collegamento non è detto che sia la più economica per l'utente (il costo della chiamata è proporzionale alla durata della stessa). Inoltre, il fatto che esista un circuito, implica che le risorse della rete utilizzate nel fornire questo circuito non si possono usare per un altro servizio. Per evitare questi inconvenienti si può ricorrere alla tecnica di comunicazione a messaggi. I messaggi preparati da un elaboratore vengono inviati attraverso la rete fino al destinatario, utilizzando per ciascuno le risorse disponibili della rete, senza però garantire che tali risorse siano sempre le stesse; la società che fornisce la rete può perciò ottimizzare l'uso delle sue linee e centrali. Questa tecnica implica però modificazioni nel protocollo: ogni messaggio deve contenere, oltre ai dati stessi, gli identificatori degli elaboratori di emissione e di ricezione, per consentire alla rete di realizzare il suo corretto istradamento. I protocolli orientati a carattere, quelli cioè in cui le informazioni si trasmettono carattere per carattere, come nel caso delle comunicazioni asincrone, non sono i più indicati in una rete di commutazione a messaggi. Infatti, se ciascun carattere trasmesso (pari in genere a 12 bit, contando i dati veri e propri e i bit di stop, start e parità) deve essere preceduto dagli identificatori di chi lo invia e di chi lo deve ricevere (due numeri formati da 7-9 cifre), appare evidente che il messaggio contiene molte più informazioni di controllo e di istradamento rispetto ai dati oggetto della trasmissione. Per risolvere questo inconveniente si ricorre ai protocolli orientati a bit; in essi i dati si accumulano in trame, ciascuna delle quali contiene le necessarie informazioni di istradamento e un numero determinato di bit di informazioni, che può arrivare ad alcune centinaia di caratteri. I protocolli orientati a bit sono sincroni: in essi il ritmo di trasmissione è fissato dal protocollo stesso. La rete presenta tempi di risposta fortemente dipendenti dal traffico e un comportamento assai poco prevedibile. Il problema viene risolto con la tecnica della commutazione a pacchetti: ogni messaggio inviato alla rete dall'emittitore viene disassemblato in pacchetti di lunghezza fissa, ciascuno dei quali viene trasmesso attraverso la rete proprio come detto in precedenza per i messaggi; infine, i pacchetti che fanno parte di un dato messaggio vengono ricomposti nello stesso, che viene consegnato al destinatario. Tutte queste operazioni devono essere effettuate dalla stessa rete di trasporto; la connessione degli utenti alla rete è attuata mediante apparecchiature speciali, incaricate di separare e assemblare i messaggi. Man mano che sono aumentate le necessità degli utenti delle reti di elaboratori, il modello di elementi descritto per le comunicazioni asincrone è divenuto sempre più complesso: moltissime operazioni non direttamente attinenti al trasporto delle informazioni, ma vitali per il mantenimento delle comunicazioni, sono state via via raggruppate a seconda della loro funzione, procedendo al contempo alla definizione dei protocolli relativi a ciascuno di questi elementi. Ciò ha portato alla comparsa di architetture di comunicazione tra elaboratori, in genere definite dai progettisti delle reti; la loro diffusione ha portato al collegamento con reti già esistenti o alla costruzione di reti con specifiche proprie e alla realizzazione di apparecchiature apposite per tali reti. I possessori delle architetture di comunicazione si sono resi conto della necessità di inserirle in diversi tipi di reti di trasporto e di costruire ponti logici per stabilire connessioni con reti di struttura differente. Il diagramma di una rete di comunicazione dati può essere estremamente complesso, non soltanto poiché di essa possono far parte diversi tipi di elaboratori, ciascuno con propri sistemi operativi, ma anche perché gli elaboratori stessi non sono altro che gli estremi della rete: di questa, infatti, fanno parte numerosi altri componenti, come controllori di comunicazione, ponti e concentratori. Ciascuno di tali elementi svolge una determinata funzione a un livello più o meno profondo e in un punto determinato della rete stessa.

L'architettura di una rete

Per definire l'architettura di una rete bisogna identificare tutti gli elementi di connessione con le reti di dati, indicare la funzione svolta nella rete da ciascuno di essi e specificare i rapporti che si stabiliscono tra loro. I modelli di reti risultanti dalla progettazione di queste architetture sono tutti strutturati in diversi elementi, alcuni dei quali si riferiscono agli aspetti fisici della rete, mentre altri riguardano gli aspetti funzionali. Tutte le reti di comunicazione dati vengono costruite su servizi o infrastrutture di trasmissione delle informazioni, ossia su reti di trasporto dati. I livelli inferiori delle architetture di rete si occupano principalmente della gestione di questi servizi. Nel caso di determinati tipi di reti locali può succedere che i progettisti siano anche i proprietari dell'architettura, ma in genere, le reti di trasporto utilizzate non appartengono ai proprietari delle architetture e nemmeno ai proprietari delle reti di dati. Ciò accade quasi sistematicamente quando le reti di dati hanno una portata superiore a un campus universitario. Bisogna allora ricorrere a reti di trasporto fornite da società telefoniche; la mancanza di un progetto globale tra architettura della rete di dati e struttura della rete di trasporto da utilizzare non comporta gravi problemi di collegamento, perché in genere la definizione delle reti di trasporto di uso pubblico non spetta in modo indipendente a ogni fornitore. Esistono, infatti, alcuni organismi internazionali, a cui prendono parte, fra gli altri, questi fornitori di servizi, in genere società telefoniche, che si preoccupano di definire e standardizzare tali servizi. Una volta risolti gli aspetti relativi alla costruzione di una rete di dati sulle esistenti infrastrutture di trasporto delle informazioni, bisogna definirne gli elementi funzionali, ossia gli elementi della rete necessari affinché questa raggiunga il suo scopo principale, quello di rendere possibile l'accesso alle informazioni da parte degli utenti. A questo scopo si definisce una serie di livelli, i cui compiti vanno dalla presentazione dei dati agli utenti al modo con cui vengono codificate le informazioni. Procedendo dal basso verso l'alto si incontrano i livelli fisico, di collegamento, di rete, di trasporto, di sessione, di presentazione e di applicazione.

I livelli delle architetture di rete

Il livello fisico concerne il mezzo reale di trasmissione, gli aspetti elettrici, meccanici e funzionali dei circuiti di telecomunicazione, le caratteristiche elettriche dei segnali, ecc. Il livello di collegamento dei dati specifica i protocolli connessi alle differenti reti di trasporto utilizzate per formare la rete di dati e le modalità per mantenere i collegamenti fisici tra gli elaboratori inseriti nella rete di dati, collegamenti che sono specifici del tipo di rete di trasporto utilizzata; consente di individuare e correggere eventuali errori di trasmissione. Il livello di rete è legato alla comunicazione di pacchetto; detta le regole da seguire nello scambio di dati tra gli elaboratori e realizza un criterio di circolazione all'interno di una singola rete e tra reti diverse collegate tra loro. Il livello di trasporto si occupa della gestione del flusso delle informazioni tra i due estremi collegati e del controllo del traffico. Provvede all'assemblaggio e disassemblaggio dei pacchetti in base alle informazioni provenienti dal livello superiore, quello di sessione. Questo provvede a specificare il controllo e il mantenimento del dialogo (sessione) fra i processi che prendono parte alla comunicazione. L'impostazione di una sessione è indispensabile perché due elaboratori possano scambiarsi informazioni. Il livello di presentazione si occupa delle convenzioni per la rappresentazione dei dati: definisce i formati dei dati, i codici e le trasformazioni per la loro rappresentazione, e i procedimenti di codifica dei dati. Questo livello riguarda tutti gli aspetti relativi all'interfaccia utente attraverso cui chi utilizza il terminale di rete entra in contatto con le informazioni (un esempio di tale livello è rappresentato dai servizi videotel e televideo offerti rispettivamente da Telecom e RAI). Infine, il livello di applicazione, corrisponde alle funzioni disponibili a richiesta (come la posta elettronica, la gestione di data base, ecc.) cui l'utente della rete può accedere attraverso il proprio terminale. L'architettura standard per i protocolli messa a punto dall'International Standardization Organization per fungere da modello di riferimento per i costruttori di apparecchiature elettroniche di sistemi telematici è appunto articolata sui precedenti sette livelli ed è nota come OSI (Open System Interconnection).

Interconnessione fra reti

La possibilità del collegamento in rete di più reti, ossia di realizzare l'interconnessione tra reti diverse, venne affrontata agli inizi degli anni Settanta dall'ARPA (vedi Internet), interessata a collegare tra loro diversi tipi di reti a pacchetti in modo che gli elaboratori-fruitori potessero comunicare senza preoccuparsi di quali e quante fossero le reti attraverso cui avvenivano i collegamenti. Vennero sviluppati particolari processori di accesso per collegare reti di diversa architettura, chiamati gateway (vie d'accesso, passaggi). Altre apparecchiature speciali presenti in una rete di comunicazione tra elaboratori sono i ripetitori, i ponti e gli instradatori. I ripetitori intervengono per aumentare la portata di una rete mediante l'amplificazione (rigenerazione) dei segnali elettrici che circolano nel mezzo di trasmissione. I ponti consentono di collegare diversi segmenti delle reti locali allo scopo di mantenere la massima possibilità di connessione tra le stazioni di lavoro. I ponti possono essere locali e remoti; i primi collegano segmenti di una rete vicini fisicamente, i secondi collegano, mediante circuito telefonico, segmenti lontani fra loro. Non è necessario che i segmenti collegati abbiano la stessa tipologia e perciò i ponti consentono di aumentare considerevolmente la potenza e la flessibilità delle reti locali. Al crescere della complessità di una rete di qualsiasi tipo, si rende necessario l'utilizzo di apparecchiature in grado di ottenere, ottimizzare e mantenere tabelle di percorso, per tempi e costi, fra gli elaboratori, per evitare a questi ultimi il compito di cercare un percorso quando si stabilisce un collegamento. Queste apparecchiature sono note come router (instradatori o indicatori di instradamento). Le reti di dati possono essere classificate in base alle dimensioni della loro area di copertura in locali, nazionali e internazionali.

Reti locali, nazionali e internazionali

Le reti locali, note genericamente con la sigla LAN, vengono utilizzate per collegare più elaboratori presenti in un ambito circoscritto; poiché non sono progettate a partire da reti già esistenti, sono definite e ottimizzate a livello di tutti i loro elementi. Data la portata molto limitata di queste reti, si possono utilizzare cablaggi di elevata ampiezza di banda a un costo ragionevole. La rete locale, che viene gestita e controllata mediante appositi programmi applicativi memorizzati su elaboratori di maggiore potenza, definiti “server” e incaricati di svolgere la supervisione sugli altri terminali, consente a chi opera da altri elaboratori della rete, definiti “client”, di sfruttare tutti gli strumenti di lavoro esistenti, di avere la completa possibilità di connessione con tutti gli altri utenti e di assicurare l'aggiornamento costante del lavoro dopo ogni modifica, anche parziale, e la sua conseguente trasmissione in tempo reale. I due principali tipi di reti locali sono la Ethernet e la Token Ring. Sempre più spesso si avverte oggi la necessità di collegare due o più LAN presenti su un'area geografica di dimensioni più o meno grandi: la soluzione è offerta dall'allacciamento a servizi di trasporto dati assicurati da società che quasi sempre sono quelle telefoniche operanti nell'area interessata. Queste reti, di portata nazionale o internazionale, possono essere distinte, più che altro in base alle tariffe riscosse dalle società fornitrici del servizio, in MAN (Metropolitan Area Network), che comprende le reti di area metropolitana, urbane dal punto di vista telefonico, e WAN (Wide Area Network), che raggruppa le reti di portata interurbana e internazionale. Per consentire un agevole collegamento con i servizi pubblici di telecomunicazione e per consentire di connettere dispositivi e terminali di costruttori diversi è stato necessario sviluppare sistemi standardizzati (protocolli) e appositi strumenti elettronici, gli analizzatori di protocolli, che consentono l'impiego di procedure e regole operative sempre più standardizzate tra le varie reti. Dall'inizio del sec. XXI si è assistito allo sviluppo di reti digitali senza fili, per consentire di integrare nella rete di comunicazioni globali anche stazioni di lavoro mobili. Questa componente senza fili consente, per esempio a elaboratori a bordo di veicoli di mantenere collegamenti e di inviare e ricevere dati ovunque i veicoli si spostino, o a utenti dotati di elaboratori portatili di connettersi a Internet da un qualsiasi punto, purché entro il campo di trasmissione di una centralina. La tecnologia impiegata è di tipo diverso rispetto a quella utilizzata dalla rete telefonica cellulare attuale basata su GSM, poiché questa non è adatta alla trasmissione di dati digitali, mentre può sfruttare l'integrazione con la tecnologia di terza generazione, che mette a disposizione dell'utenza di telefonia mobile una larga banda di comunicazione. Il rapido sviluppo delle tecnologie elettroniche fa prevedere per il prossimo futuro la realizzazione di un sistema di comunicazioni globali in grado di ridurre notevolmente i vincoli rappresentati dalle distanze e dai tempi. Queste reti di sistemi di comunicazione comprendenti linee telefoniche, cavi coassiali, cavi a fibre ottiche, elaboratori, video, sistemi elettronici di memorizzazione, satelliti e numerosi altri dispositivi, viene chiamato autostrada della comunicazione (Information Highway). Un'anticipazione di questa tendenza è offerta dalla cosiddetta rete delle reti, Internet, che con il suo uso frequente nella trasmissione di messaggi e nei collegamenti telefonici (VoIP - Voice over IP) ha indotto oltre 50 grandi compagnie telefoniche di tutto il mondo a investire nella realizzazione di un nuovo cavo transoceanico che, dalla fine del 2000, collega l'Europa agli Stati Uniti alla velocità di 640 miliardi di bit al secondo. Il nuovo cavo in fibra ottica ha la capacità di gestire contemporaneamente circa 7,7 milioni di telefonate; gran parte delle sue capacità sono dedicate a Internet e alla trasmissione di dati multimediali. Il cavo, che si chiama in codice TAT-14, è operativo dal 2000.