Mi è capitato spesso di entrare in un laboratorio di informatica e trovare tanti bei computer, magari dell’ultima generazione, ma anche ragazzi vocianti per scambiarsi informazioni su errori di programmazione, mentre l’insegnante correva da una postazione all’altra per rispondere alle esigenze degli allievi. Per la verità mi sono trovata anch’io in alcune scuole in tale situazione ma, dove sono stata ascoltata, il problema è stato facilmente risolto: semplicemente connettendo i computer o, come si dice in gergo, installando una rete. Una rete semplifica il lavoro dell’insegnante che, in ogni momento, può controllare dalla propria postazione l’attività degli allievi e può inviare loro messaggi e riceverne. Una rete non è solo questo. Essa permette non solo lo scambio di informazioni, ma anche l’installazione di risorse (hardware o software) a cui potranno accedere più utenti. Questa condivisione di risorse è analoga a quanto accade in Internet: unica connessione al provider, ma accesso da parte di tutti gli utenti della rete, con notevole risparmio globale.

In anni recenti, mentre i sistemi operativi e l'hardware si evolvevano, per meglio soddisfare le esigenze dell'utente e renderne più semplice il lavoro, è nata l'esigenza di scambiare dati e informazioni sia all'interno di un'azienda, sia con filiali o più in generale con il mondo esterno.

L'evoluzione dell'elettronica ha permesso che sistemi di calcolo autonomi, attraverso linee di trasmissione, fossero collegati tra loro. E' nata così la TELEMATICA (il termine deriva dalla fusione di TELEcomunicazione e InforMATICA): l'elaborazione a distanza delle informazioni.

Il sistema di trasmissione dei dati prende il nome di NETWORK: rete di comunicazione.

Fisicamente, la rete è un grafo (vedi figura): gli archi rappresentano le linee di comunicazione e i nodi rappresentano i computer (le postazioni di lavoro) o altri dispositivi emittenti e riceventi.



L'architettura di una rete è costituita da tre sottosistemi:

• i calcolatori: collegati fra loro, gestiscono l'elaborazione dei dati

 

• la rete di comunicazione: realizzata, in base alle esigenze, con linea telefonica o telegrafica, ponti radio, satelliti per telecomunicazioni ecc.

 

• la periferia: costituita da terminali intelligenti, con capacità di elaborazione propria, o da unità di ingresso-uscita, che possono inviare programmi e dati e ricevere risultati.
   

In una rete, si possono avere uno o più elaboratori di maggiore potenza e un sistema in rete può essere:

• Centralizzato: se la potenza di elaborazione è fornita da un unico elaboratore
   
• Distribuito: se la potenza di elaborazione è data da più computer collegati tra loro

In un sistema centralizzato (quello che abitualmente si installa nelle scuole), tutte le periferiche e i terminali (intelligenti e non) sono collegati all’elaboratore principale, e mai tra loro: lo scambio di informazioni ha sempre come interlocutore intermedio l’elaboratore centrale. Il collegamento può essere effettuato in diversi modi: Punto a Punto, Multipunto, Concentrato, Multiplexato.

La connessione è Punto a punto quando ciascuna linea di trasmissione non è condivisa con altri terminali o periferiche.

In questo caso, il collegamento dei vari nodi (elaboratori, terminali ecc., che chiameremo slave) con l’elaboratore centrale può avvenire in 2 modi: su linea dedicata o su linea commutata. Nel collegamento su linea dedicata, gli slave sono collegati direttamente all’elaboratore centrale tramite un cavo; pertanto occorrono tante linee quanti sono i terminali. Se il numero di nodi è abbastanza elevato, per l’elaboratore centrale diventa pesante gestire le richieste di tutti. Viene perciò fornito di un governo multilinea che ha la funzione di gestire le chiamate dei vari slave.

Questo tipo di connessione ha lo svantaggio di comportare un limite al numero di collegamenti possibili, dovuto al numero di terminali che il governo multilinea riesce a gestire effettivamente.

Inoltre i nodi, se sono piuttosto distanti, possono interfacciarsi alla linea dedicata solo tramite un modem. A sua volta, l’elaboratore centrale deve disporre di un FEP (Front End Processor), un dispositivo che ha il compito di gestire le varie linee e che necessita anch’esso di un modem per ogni linea dedicata remota.

La connessione Punto a Punto richiede elevati costi di realizzazione, ma consente in ogni momento a qualsiasi slave di comunicare con l’elaboratore centrale, senza tempi di attesa, poiché la connessione è permanente.

Se viene effettuato su linea commutata, il collegamento non è più permanente, poiché viene a mancare la corrispondenza diretta tra i vari nodi e l’elaboratore. In genere, si realizza utilizzando la linea telefonica nazionale e creando i collegamenti opportuni con le centrali di commutazioni. A ogni nodo e’ ancora collegato un modem ed è assegnato un numero di telefono conosciuto dall’elaboratore centrale. Tutti gli slave (diciamo N) sono connessi al FEP, che a sua volta è collegato all’elaboratore centrale con M linee (M<N). A ognuna delle M linee, vengono assegnati uno o più numeri telefonici, poiché esse sono di numero inferiore alle N linee utilizzate dagli slave.

L’elaboratore centrale, in ogni momento, può pertanto gestire al massimo M linee. Se più di M nodi vogliono comunicare con l’elaboratore centrale nello stesso momento, solo M richieste potranno essere accolte, mentre gli nodi altri dovranno attendere che si liberi una linea che collega il FEP all’elaboratore centrale. In altri termini, il numero di PC che possono comunicare con l’elaboratore dipende dal numero di linee telefoniche che collega il FEP all’elaboratore centrale.

Questa metodologia è meno costosa di quella precedente, ma deve fare i conti con il traffico risultante sulla linea telefonica.

In un collegamento Multipunto, la linea di trasmissione è condivisa da più terminali che utilizzano il mezzo di trasmissione per intervalli ridotti di tempo. In particolare, c’è una linea principale collegata direttamente al computer centrale, alla quale si connettono tutti gli slave; questi possono colloquiare con l’elaboratore centrale uno alla volta.

Nel caso di connessione remota, occorrono un modem per ogni nodo e un modem per l’elaboratore centrale.

Il controllo della rete avviene mediante protocolli di comunicazione in cui il computer centrale o master ha il compito di gestire il traffico sulla linea. È cioè il master a decidere a quale slave dare via libera per la comunicazione.

Lo scambio dei messaggi può avvenire in Contesa oppure in Polling-Selecting.

In Contesa, ogni slave invia messaggi sulla linea, senza preoccuparsi di sapere se la linea è libera od occupata. Ne consegue che, se più messaggi vengono inviati contemporaneamente, essi si sovrappongono e pertanto occorre ritrasmetterli.

Il Polling-Selecting consiste in due procedure separate. Nella fase di Polling, l'elaboratore centrale si collega a turno con i vari terminali, per riceverne i messaggi. Se il terminale con cui è stabilita la connessione ha informazioni da inviare, le spedisce, altrimenti il collegamento viene abbattuto e il master stabilisce la connessione con lo slave successivo.

Nella fase di Selecting, è l'elaboratore a dover inviare informazioni; pertanto invia sulla linea l'indirizzo del terminale con cui vuole colloquiare, il quale, riconoscendosi, si dispone a ricevere il messaggio.

In un collegamento Concentrato, le periferiche sono collegate su linee di trasmissione a bassa o media velocità a un Concentratore, che gestisce le informazioni provenienti dai terminali e smista i messaggi che arrivano dall'elaboratore. Il Concentratore è collegato all'elaboratore centrale su una linea ad alta velocità. Esso è un vero è proprio computer che offre grande affidabilità nel trattamento dei dati e un controllo completo delle comunicazioni. Grazie alla sua "intelligenza", è possibile utilizzare terminali che operano con tempi e formati di messaggio differenti. Il Concentratore permette l’allacciamento di terminali remoti non compatibili con l’elaboratore centrale. Inoltre, esso è in grado di comportarsi come un FEP remoto nel caso in cui si connettano terminali a loro volta connessi su una linea Multipunto.

In un collegamento Multiplexato, un Multiplexer viene utilizzato come intermediario tra l’elaboratore centrale e i terminali, con il compito di farli dialogare tra loro. Il collegamento prevede una linea ad alta velocità tra l’elaboratore ed il Multiplexer, e linee meno veloci tra il Multiplexer e i vari terminali

Questo collegamento consente che su una stessa linea possano viaggiare contemporaneamente informazioni provenienti da terminali diversi, utilizzando una tecnica di divisione del tempo chiamata Multiplexing, che opera in maniera molto simile al time sharing (tempo condiviso). Il Multiplexer ha il compito di prelevare da ogni terminale, a intervalli di tempo regolari, i byte che questi inviano e di passarli all’elaboratore, che si occuperà di ricostruire il messaggio e di eseguire le operazioni richieste.

Vi sono principalmente 2 tecniche di Multiplexaggio: a divisione di frequenza (FDM) e a divisione di tempo (TDM).

Nel primo caso, lo spettro del canale viene suddiviso in vari canali (uno per ogni utente), a ciascuno dei quali è assegnata una frequenza differente. Tale connessione permette la suddivisione della banda in 12 canali da 4000 Hz (3000 Hz per dati e 2 canali da 500Hz per il controllo).

La tecnica TDM, invece, consiste nel suddividere il tempo di connessione (slot di tempo) tra tutti gli utenti collegati. Ogni utente rimane collegato per un certo lasso di tempo fino a quando non finisce il suo turno. In questo caso, i dati non viaggiano contemporaneamente.

Sulla linea di trasmissione le informazioni possono essere viaggiare in due modi:

• in seriale, se i bit che costituiscono il carattere vengono inviati uno alla volta
   
• in parallelo, se tutti i bit che costituiscono un carattere vengono inviati contemporaneamente.

Qualunque sia la linea di trasmissione, la velocità si misura sempre in BAUD, cioè in numero di bit al secondo. Sembra ovvio che la trasmissione in parallelo sia più veloce, tuttavia, a causa del maggior numero di errori che essa comporta, viene preferita la trasmissione seriale.

Inoltre, i due dispositivi riusciranno a scambiarsi più o meno velocemente le informazioni anche in base al tipo linea di trasmissione che li collega. La linea di trasmissione può essere:

• simplex: il trasmettitore e il ricevitore sono collegati con una sola linea di trasmissione; pertanto occorre definire a priori la funzione che ogni elaboratore deve avere. L’elaboratore può essere solo trasmettitore o solo ricevitore. La comunicazione avviene sempre in un solo verso, per esempio da un elaboratore a un terminale
   


• half-duplex: c’è ancora una sola linea di trasmissione, ma è bidirezionale, cioè le informazioni possono viaggiare in entrambi i sensi. Tuttavia, in ogni istante è abilitata la trasmissione in un solo senso: dal calcolatore al terminale, o viceversa. Ogni elaboratore può assumere sia la funzione di trasmettitore, sia quella di ricevitore, ma non contemporaneamente. La gestione della commutazione di direzione è realizzata da un pacchetto software che si avvale di un protocollo fisico che a sua volta si occupa di garantire la corretta trasmissione-ricezione di ogni dato. La funzione di ricevitore o trasmettitore viene invece definita dal software che l’utente sta utilizzando.
   


• full-duplex: il terminale e l'elaboratore possono inviare contemporaneamente messaggi, in quanto c’è una doppia linea che consente a entrambi di essere contemporaneamente ricevitore e trasmettitore.
  

Quando si parla di rete, possiamo pensare a elaboratori connessi all’interno di una stessa scuola o di una stessa azienda (rete locale); a elaboratori dislocati in zone diverse della medesima città, per esempio in diverse succursali di una scuola o di una banca (rete metropolitana); a elaboratori dislocati in città e stati diversi (rete geografica).

L’area geografica ricoperta dalla rete determina non solo il tipo di collegamento che è necessario effettuare, ma anche le tecniche di trasmissione dei dati.



Reti locali

Si parla di rete locale o LAN (Local Area Network) quando i vari elaboratori utilizzano collegamenti a breve distanza e tecniche di trasmissione digitale ad alta velocità.

Una rete locale è di solito installata nello stesso stabile o comunque su una superficie di dimensioni ridotte; la connessione avviene tramite cavi coassiali e a volte anche con fibre ottiche. Di solito tutti i circuiti sono dedicati e di proprietà dell'azienda; pertanto, non essendo esposti a interferenze con il mondo esterno, presentano un alto indice di affidabilità. Su una rete locale, oltre ai dati, è possibile trasmettere immagini e voce digitalizzata (in formato binario).

Alla rete possono essere collegati dispositivi molto diversi tra loro: minicomputer, personal computer, terminali video, stampanti, memorie di massa, fax, telex e altro. Pertanto questo tipo di rete è molto utile in tutti gli ambienti in cui è necessario condividere dati, risorse hardware e software. Una LAN infatti permette l’accesso in lettura e scrittura ai dischi di un altro computer, la condivisione di stampanti, l’invio di messaggi da un computer all’altro. Una rete migliora cioè la gestione delle informazioni, in quanto evita le duplicazioni, e la produttività, riducendone anche i costi. Il problema che sorge in una rete locale riguarda la condivisione del canale di trasmissione, che può essere utilizzato da un utente alla volta. La soluzione consiste nell'inibire la possibilità di accesso simultaneo al canale da parte di più nodi. Le caratteristiche salienti di una LAN sono il tipo di cavo utilizzato, la tipologia, l’utilizzo del me zzo di trasmissione e la tecnica di trasmissione.

La tipologia di una rete locale dipende dalle necessità dall'ambiente in cui viene realizzata e si differenzia in base al collegamento fisico tra i vari dispositivi:

• rete a stella
   
• rete ad anello
   
• rete a bus

In una rete con tipologia a stella, tutti i dispositivi sono connessi a un nodo centrale che ha la funzione di controllare che la trasmissione tra due dispositivi avvenga correttamente.

Le richieste di comunicazione di un dispositivo con un altro passano sempre attraverso il nodo centrale, che stabilisce un circuito, cioè una connessione dedicata tra i due dispositivi. Fin quando la connessione è attiva, le due stazioni lavorano come se fossero collegate punto a punto. Più reti con tipologia a stella, connesse tra loro, danno origine a una rete con tipologia a fiocco di neve.



L’accesso al mezzo di trasmissione, realizzato con il metodo dell’interrogazione ciclica, o con il metodo della commutazione di circuito, è sempre centralizzato, nel senso che il calcolatore centrale ha il compito di controllare l’intera rete, mentre tutte le altre stazioni devono chiedergli il permesso.

Con il metodo dell’interrogazione ciclica, o Polling, il calcolatore centrale interroga a turno le varie stazioni, per chiedere se hanno messaggi da inviare. Se la stazione interrogata ha informazioni da inviare, le spedisce, altrimenti il collegamento viene abbattuto e il master stabilisce la connessione con un’altra stazione. Invece, se ha ricevuto un messaggio, lo invia a tutte le stazioni, il cui indirizzo è contenuto nel messaggio stesso.

Con il metodo di commutazione di circuito, il calcolatore centrale crea un circuito tra la stazione che ha informazioni da inviare e la stazione che deve ricevere. Il collegamento viene abbattuto solo quando le due stazioni hanno completato il colloquio.

Come si può notare, entrambi i metodi impegnano notevolmente il master e pertanto, nel caso di sovraccarico, vi possono essere anche lunghi tempi di attesa. Inoltre, in caso di guasto del master, le varie stazioni non possono comunicare.

In una rete con tipologia ad anello, ogni stazione è connessa punto a punto la stazione più vicina. Per formare l’anello, la prima e l’ultima stazione sono collegate tra loro. Quando una stazione trasmette informazioni, queste arrivano alla stazione successiva, che le trattiene se sono indirizzate a essa, oppure le trasmette alla stazione successiva se il messaggio contiene un indirizzo diverso dal proprio. Più reti con tipologia ad anello, connesse tra loro, danno origine a una rete con tipologia ad anelli interconnessi. L’inconveniente fondamentale sta nel fatto che se un solo dispositivo non funziona, tutta la rete diventa inattiva.



Il metodo di accesso al mezzo di trasmissione più usato è il Token Ring, standardizzato dall’IEEE e usato nelle reti IBM. Esso prevede che un messaggio (token) circoli continuamente sull’anello. Il token può assumere lo stato ‘libero’ oppure ‘occupato’. Quando passa davanti a una stazione che deve trasmettere, e il suo stato è libero, la stazione lo preleva, lo contrassegna come occupato, aggiunge il messaggio e lo fa circolare nuovamente sull’anello. Le stazioni interessate prelevano il messaggio e il token. Aggiungono quindi al token delle informazioni che specificano se il messaggio è stato ricevuto correttamente o meno, e sempre con lo stato di occupato lo rimettono in linea. Quando il token arriva alla stazione trasmittente, questa preleva il messaggio, pone il token nello stato di libero e lo invia nuovamente sull’anello. Il metodo in realtà è più complesso di quanto descritto, in quanto bisogna considerare il caso in cui la stazione trasmittente, non riconoscendo il messaggio che ha inviato, non ponga il token nello stato di libero.

In una rete con tipologia a bus tutti i dispositivi sono connessi sul medesimo canale di comunicazione, detto appunto bus. Più reti con tipologia a bus, connesse tra loro, danno origine a una rete con tipologia ad albero.

Con queste tipologie di solito si utilizza un controllo casuale di trasmissione. Qualsiasi stazione, senza chiedere alcun permesso, può inviare un messaggio che sarà ricevuto da tutte le altre stazioni. Tuttavia, una stazione elabora il messaggio ricevuto solo nel caso in cui questo contenga il suo indirizzo; diversamente lo ignora. E’ ovvio che si possono generare collisioni, cioè messaggi che si sovrappongono poiché inviati contemporaneamente. Per ovviare a ciò, in una rete Ethernet viene utilizzato il metodo di accesso CSMA/CD, cioè accesso multiplo con rilevamento di portante con rilevazione della connessione. Il CSMA/CD prevede che una stazione che deve trasmettere un messaggio si accerti che sul mezzo di trasmissione non ne stia viaggiando già un altro. Il messaggio viene inviato solo se il mezzo risulta libero. Può tuttavia accadere che due stazioni inviino contemporaneamente il proprio messaggio, generando ugualmente una collisione. In tal caso, le altre stazioni ignorano i messaggi sovrapposti, mentre le stazioni che hanno generato la collisione restano in attesa di trasmettere per un periodo di tempo determinato da un numero casuale, generato da un algoritmo che tra l’altro ha lo scopo di ridurre il tempo di attesa per l’accesso al mezzo di trasmissione.

Un metodo di controllo distribuito, cioè tale che in ogni istante una sola stazione ha il diritto di trasmettere, è il Token Bus. Standard IEEE, è usato nelle reti a bus o ad albero basati sul protocollo MAP della General Motors. Con questo metodo, una stazione viene definita come master e invia sul canale una sequenza di bit, detta token. Quando una stazione vuole comunicare, deve prelevare il token, inviare le informazioni e, a trasmissione completata o a scadenza del tempo che le viene concesso, ripristinare il gettone. Se la stazione che riceve il messaggio non ha nulla da inviare, passa il token alla stazione successiva. A fronte di una gestione più complessa, entrambi i metodi evitano gli inconvenienti dovuti al master o a una stazione non funzionante, come accade rispettivamente nella tipologia a stella e ad anello.