Reti di computer e protocolli

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L'idea che rende possibili le reti moderne è la commutazione di pacchetto (packet switching), contrapposta alla commutazione di circuito (circuit switching) della vecchia telefonia. Nella commutazione di circuito si riserva un canale dedicato per l'intera durata della comunicazione: garantito ma inefficiente, perché il canale resta occupato anche nelle pause. Nella commutazione di pacchetto il messaggio è spezzato in pacchetti che viaggiano indipendentemente, condividendo i collegamenti con il traffico altrui (multiplazione statistica): nessuna risorsa resta riservata inutilmente e la rete sfrutta meglio la banda, al prezzo di ritardi variabili e di possibili congestioni. È il principio fondante di Internet. Le prestazioni di un collegamento si misurano con grandezze da tenere ben distinte: la larghezza di banda (bandwidth) è la capacità massima del canale (bit al secondo); la latenza è il ritardo perché un bit raggiunga la destinazione, somma di più componenti — il ritardo di propagazione (dipende dalla distanza e dalla velocità del segnale nel mezzo), il ritardo di trasmissione (tempo per «spingere» tutti i bit sul canale, pari a dimensione diviso banda) e i ritardi di accodamento nei nodi; il throughput è infine il tasso effettivamente ottenuto, di norma inferiore alla banda nominale. Banda alta non significa bassa latenza: un collegamento satellitare può avere grande capacità ma latenza elevata per la lunga distanza da percorrere.

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L'incapsulamento si comprende meglio seguendo un dato concreto lungo la pila. Un messaggio HTTP («GET /pagina») al livello applicazione viene passato al trasporto, che vi antepone l'intestazione TCP (con le porte sorgente e destinazione e i numeri di sequenza) formando un segmento; il livello rete vi antepone l'intestazione IP (con gli indirizzi IP sorgente e destinazione) formando un pacchetto; il livello collegamento vi antepone l'intestazione con gli indirizzi MAC, aggiunge in coda un codice di controllo e forma un frame, che il livello fisico trasmette come segnale. A ogni router lungo il cammino il frame viene decapsulato fino al livello rete, l'IP di destinazione è esaminato per decidere il prossimo salto e il pacchetto è reincapsulato in un nuovo frame per il collegamento successivo: gli indirizzi MAC cambiano a ogni salto, quelli IP restano invariati fino alla destinazione. È l'applicazione su grande scala dello stesso principio dell'astrazione a strati che governa i sistemi operativi: ogni livello è come una funzione con un'interfaccia stabile, che nasconde la propria implementazione a quelli sopra e sotto. A esso si affianca il principio end-to-end: le funzioni complesse e specifiche dell'applicazione (come l'affidabilità garantita da TCP) vanno collocate ai margini della rete, negli host, lasciando semplice e veloce il cuore della rete, i router — scelta di progetto che ha reso Internet straordinariamente scalabile ed estensibile.

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Il servizio affidabile di TCP poggia su meccanismi che vale la pena dettagliare. La connessione si apre con l'handshake a tre vie: il client invia un segmento SYN con un numero di sequenza iniziale x; il server risponde con SYN-ACK, riconoscendo x+1 e proponendo il proprio numero y; il client conferma con un ACK di y+1. Da qui i due lati sono sincronizzati e la trasmissione può cominciare. L'affidabilità si ottiene numerando i byte (numeri di sequenza) e facendo riscontrare al ricevente ciò che ha ricevuto (ACK): se un ACK non arriva entro un tempo massimo (timeout), il mittente ritrasmette il segmento presunto perduto. Per non attendere una conferma alla volta, TCP usa la finestra scorrevole (sliding window): può tenere più segmenti «in volo» contemporaneamente, fino alla dimensione della finestra, che il ricevente adatta per il controllo di flusso, evitando di sommergere un ricevitore lento. A ciò si aggiunge il controllo della congestione: TCP riduce il proprio ritmo quando rileva perdite, interpretandole come sintomo di una rete congestionata, per non aggravare l'intasamento. La chiusura avviene con uno scambio ordinato di segmenti FIN/ACK. UDP rinuncia a tutto questo: nessun handshake, nessuna ritrasmissione, solo un rapido invio «spara e dimentica», ideale dove la tempestività conta più della completezza, come nello streaming e nei giochi in tempo reale.

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Vale la pena svolgere un subnetting concreto. Con maschera /26 i primi 26 bit sono di rete e i restanti «32 − 26 = 6» sono di host, quindi gli host indirizzabili sono «2⁶ − 2 = 62». La maschera /26 sull'ultimo ottetto vale 255.255.255.192, e le sottoreti procedono di 64 in 64: 192.168.10.0, .64, .128, .192. Per la prima sottorete l'indirizzo di rete è 192.168.10.0 (bit di host tutti a 0), il broadcast è 192.168.10.63 (bit di host tutti a 1) e gli host validi vanno da .1 a .62. Quando un router riceve un pacchetto consulta la tabella di instradamento e applica la regola del prefisso più lungo (longest-prefix match): fra più rotte compatibili sceglie quella con la maschera più specifica, e in mancanza usa il gateway predefinito. Per consegnare fisicamente il pacchetto sull'ultimo segmento serve però l'indirizzo MAC del destinatario, che il protocollo ARP ricava dall'IP con una richiesta in broadcast «chi ha questo IP?». L'esaurimento degli indirizzi IPv4 è mitigato dalla traduzione degli indirizzi (NAT): un router fa condividere a molti dispositivi di una rete privata un unico IP pubblico, riscrivendo indirizzi e porte nei pacchetti in transito; è la ragione per cui, in casa, più dispositivi navigano dietro un solo indirizzo pubblico, in attesa dell'adozione piena di IPv6 a 128 bit.

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La crittografia a chiave pubblica poggia su funzioni a senso unico con «botola» (trapdoor): operazioni facili da calcolare ma difficilissime da invertire senza conoscere un segreto. L'algoritmo RSA, per esempio, sfrutta la facilità di moltiplicare due grandi numeri primi e l'estrema difficoltà di rifattorizzarne il prodotto: la chiave pubblica deriva dal prodotto, la privata dai fattori primi. Da qui discende la firma digitale, che garantisce integrità e autenticità: il mittente calcola un'impronta (hash) del messaggio con una funzione di hash crittografica — che comprime un testo qualunque in un valore di lunghezza fissa e per cui è impraticabile trovare due messaggi con lo stesso hash — e la cifra con la propria chiave privata; chiunque, con la chiave pubblica del mittente, può decifrare l'impronta e confrontarla con quella ricalcolata, verificando che il messaggio provenga davvero da lui e non sia stato alterato. Perché ci si possa fidare che una chiave pubblica appartenga a un dato soggetto interviene un'autorità di certificazione (CA), che firma certificati digitali legando identità e chiave (infrastruttura a chiave pubblica, PKI). HTTPS combina tutto in modo ingegnoso: nella fase iniziale (handshake TLS) usa la crittografia asimmetrica, più lenta, solo per autenticare il server tramite il suo certificato e concordare una chiave di sessione, poi passa alla crittografia simmetrica, più veloce, per cifrare l'intero traffico — unendo la sicurezza dello scambio delle chiavi all'efficienza della cifratura di grandi volumi di dati.