Cos’è una rete Internet

Reti informatiche, device, host

La rete elettrica è una infrastruttura (piloni, sottostazioni, trasformatori, cavi elettrici) che permette il trasferimento di energia elettrica da una centrale di produzione agli edifici di una certa zona, ad esempio una città. Gli edifici raggiunti dalla rete elettrica possono essere di tipo diverso: abitazioni, negozi, uffici, fabbriche e così via.

Una rete informatica è l’insieme di apparati e di connessioni che permettono a dispositivi hardware (“device“) di comunicare tra loro per scambiarsi dati. Computer, stampanti di rete, smartphone, smart TV, console di gioco, sensori IoT e altri dispositivi domotici, smart speaker, Amazon echo, Google Home (ora Google Nest), router, modem sono tutti esempi di device collegati tra loro attraverso una rete informatica.

In questo post parleremo di una specifica rete informatica: internet. I device connessi ad una rete internet sono definiti “host“).

Topologia di rete: nodi, rami, topologia logica e fisica

La topologia di rete in informatica si riferisce al modo in cui i dispositivi hardware sono collegati tra loro per comunicare.

Nella topologia di rete, i termini nodi e rami descrivono la struttura della connessione tra i dispositivi:

• i nodi in una rete sono costituiti dai dispositivi connessi (quelli che abbiamo definito “host” per Internet). Ogni nodo può trasmettere, ricevere o instradare dati, in base al suo ruolo.
• I rami rappresentano le connessioni tra i nodi, formando la struttura della rete.

Esistono diverse topologie, ognuna con caratteristiche specifiche:

• Topologia a bus: Tutti i dispositivi sono collegati a un unico cavo principale (bus). È semplice ed economica, ma se il cavo principale si guasta, l’intera rete va in crisi.
• Topologia a stella: I dispositivi sono connessi a un nodo centrale (switch o hub). È molto diffusa perché, in caso di guasto di un dispositivo, la rete continua a funzionare.
• Topologia ad anello: I dispositivi sono collegati in un anello chiuso. I dati viaggiano in un’unica direzione, riducendo le collisioni, ma se un nodo si guasta, la rete può interrompersi.
• Topologia mesh: Ogni nodo è collegato a più nodi, garantendo alta affidabilità. È usata in reti complesse, ma può essere costosa e difficile da gestire.
• Topologia ad albero: è una combinazione tra la topologia a bus e la topologia a stella. È strutturata gerarchicamente, con un nodo principale (radice) che si dirama in sottoreti collegate a più dispositivi.

Topologia logica e fisica

• Topologia fisica (cablaggio e hardware): Rappresenta la disposizione materiale e il modo in cui i dispositivi sono collegati tra loro.
• Topologia logica (flusso dei dati): Si riferisce al modo in cui i dati si muovono attraverso la rete, indipendentemente da come sono fisicamente collegati i dispositivi. La topologia logica può essere diversa da quella fisica.

Esempi

Una rete ethernet in cui tutti i nodi sono collegati ad un hub è una rete fisica a stella, dove l’hub rappresenta il centro della stella, ma, poiché il router duplica il segnale su tutte le porte tranne quella da dove è provenuto, il comportamento logico è a bus.

Una rete Ethernet dove tutti i nodi sono collegati ad uno switch è una rete fisica a stella (come nel caso precedente) e -poiché lo switch trasmette il segnale solo al nodo destinatario – anche la topologia logica è a stella.

LAN e WAN

Le reti informatiche possono essere classificate in base alla loro estensione. Quelle più comuni sono la LAN e la WAN.

• LAN (Local Area Network): Reti locali utilizzate in uffici, scuole e abitazioni per connettere dispositivi tra loro e con internet (se sono collegate ad un modem). Una rete locale wireless è detta WLAN (Wireless Local Area Network).
• WAN (Wide Area Network): Reti che si estendono su un’ampia area geografica. Internet è la WAN più grande e conosciuta al mondo.

Altri tipi di rete, meno noti, sono:

• MAN (Metropolitan Area Network): Reti che coprono aree urbane, come quelle utilizzate per la gestione del traffico cittadino o la videosorveglianza.
• PAN (Personal Area Network): Reti personali che connettono dispositivi come smartphone, smartwatch e laptop tramite Bluetooth o Wi-Fi.
• CAN (Campus Area Network): Reti che collegano edifici di un campus universitario o aziendale.

Schede di rete, cavi e connettori RJ-45

Per connettere un host ad una rete esistono due modalità:

• Wired connection (connessione tramite cavo, o “cablata”), che utilizza lo standard di rete IEEE 802.3 (basato sulla tecnologia Ethernet);
• Wireless connection (connessione senza fili, o WI-FI), che utilizza lo standard IEEE 802.11.

Nel primo caso l’host viene connesso alla rete (ad esempio ad un router) con un cavo “di rete” chiamato anche cavo “ethernet”, nel secondo caso la connessione utilizza un segnale radio che utilizza principalmente le frequenze di 2,4 GHz e 5 GHz (e nelle versioni più recenti anche 6 GHz).

I cavi di rete ethernet hanno a ciascuna estremità un connettore RJ-45, Il nome deriva da Registered Jack tipo 45 e identifica un connettore con 8 posizioni e 8 contatti (8P8C), comunemente impiegato per la trasmissione dati.

In precedenza veniva utilizzato anche un altro tipo di cavo, detto “coassiale”, ma è stato completamente soppiantato dal cavo RJ-45. Di seguito uno schema che mette in relazione tipi di rete e corrispondenti tipi di cavo.

Tipo di rete	Velocità di trasmissione	Tipo di cavo	Connettore	Lunghezza massima
10Base2	10 megabit/secondo	RG-58 thinnet coassiale	BNC Connettore a T	185 metri
10 Base-T	10 megabit/secondo	UTP(1) Categoria 4 o 5	RJ-45	100 metri
100 Base TX (Fast Ethernet)	100 megabit/secondo	UTP / FTP(2) Categoria 5 a 4 doppini	RJ-45	100 metri

⁽¹⁾ UTP: Unshielded Twisted Pair – cavi a doppino intrecciato non schermato
⁽²⁾ FTP: Foiled Twisted Pair – cavi con doppino intrecciato con rivestimento in alluminio tra guaina e cavi

In entrambi i casi (connessione wired e wireless) l’host deve avere installata una “scheda di rete“. Nel primo caso la scheda avrà una porta fisica RJ-45 a cui collegare il cavo di rete, nel secondo caso avrà un’antenna interna.

E’ possibile installare più schede di rete su un singolo host (ad esempio quando un computer può connettersi sia ad una rete cablata che ad una rete wireless). In fase di produzione, ad ogni scheda di rete viene assegnato un identificativo univoco, il MAC address, che permette di identificare ciascuna scheda di rete.

Computer, dispositivi periferici, dispositivi di rete e oggetti intelligenti

Gli host connessi ad una rete internet possono essere suddivisi in quattro principali categorie:

1. computer e dispositivi “smart”;
2. dispositivi periferici;
3. dispositivi di rete
4. Oggetti intelligenti

1. Computer e dispositivi “smart”

Hanno uno schermo ed una tastiera e mettono a disposizione dei programmi (app) con cui la persona interagisce.
I computer e i dispositivi smart sono suddivisi in categorie in base alla grandezza dello schermo: smartphone, tablet, notebook, desktop e widescreen (che corrispondono agli smart TV). Spesso gli ultimi tre sono accomunati, per cui le categorie principali sono: smartphone, tablet e desktop.

Classificazione dei computer tra client e server

Gli edifici in una citta vengono classificati in base alle attività svolte al loro interno, un supermercato o un ufficio pubblico offrono dei servizi, le abitazioni ospitano i cittadini che fruiscono di tali servizi, ma le abitazioni non offrono servizi ad altri cittadini.

Anche nelle reti informatiche, i computer connessi sono classificati in base al ruolo che svolgono:

• un computer che utilizza servizi (chiede e riceve dati) viene definito client;
• un computer che fornisce servizi (accoglie ed evade le richieste di dati) viene definito server.

Quando ti siedi davanti al tuo computer e cerchi in rete che tempo farà oggi, il tuo computer svolge il ruolo di client all’interno della rete. Il computer del servizio meteo che riceve la tua richiesta e ti invia la previsione è un server della rete.

Per capire la differenza tra tra client e server utilizzo un esempio della vita quotidiana: la casa dove abiti ha la porta normalmente chiusa, nessuno può entrare se non gli apri tu; il negozio di alimentari invece ha la porta normalmente aperta, in modo che i clienti possano entrare con la loro lista della spesa in mano.

Un computer server è come il negozio di alimentari, ha una porta sempre aperta verso internet e rimane in attesa di essere contattato da un client che ha una richiesta da soddisfare. Al contrario i computer client aprono porte verso internet solo per formulare delle richieste alla rete e le mantengono aperte finché ricevono una risposta.

Quando senti dire a un tuo amico “mi hanno hackerato il computer” significa che un malintenzionato è riuscito a fargli installare (ad esempio con con una mail infettata da un virus) un programma che apre una porta verso internet da cui si può entrare dall’esterno (in pratica ha trasformato il suo computer client in un server).

2. Dispositivi periferici

i dispositivi hardware connessi ad un computer tramite porta USB sono definiti “periferiche”: mouse, tastiera, stampante, disco esterno, webcam, altoparlanti sono tutti esempi di periferica di un computer. Allo stesso modo, una stampante di rete, un disco di rete, un dispositivo di backup di rete, uno schermo wireless o uno speaker wireless sono definiti dispositivi periferici.

3. Dispositivi di rete: hub, router, access point, modem, ONT, Switch, Bridge

Esiste un terzo tipo di host che ha lo scopo non tanto di chiedere o fornire dati, quanto di permettere la connessione tra gli altri host. Se a casa tua hai internet, hai dovuto comprare e far installare un apparecchio che hai sentito chiamare a volte modem e a volte router. Può capitarti inoltre di sentir dire anche: “qual è l’indirizzo IP del gateway?”, oppure: “mi sono connesso all’hub”. Facciamo un po’ di ordine in tutti questi termini.

Hub

Un hub ethernet dispone di più porte RJ-45, permettendo così a più host di collegarsi assieme, formando una rete. E’ usato solo nelle reti domestiche (LAN). Le reti aziendali usano invece lo switch (descritto di seguito).

Router

Il router che hai acquistato per connetterti ad internet probabilmente dispone di più porte RJ-45 e svolge perciò la stessa funzione di un hub (di fatto, ha un hub integrato).

Inoltre ha una o più antenne (o nessuna visibile all’esterno negli ultimi modelli), perché svolge anche il ruolo di Access point o (hotspot) per permettere la connessione alla rete tramite WI-FI per i dispositivi che non possono essere raggiunti via cavo.

Infine ha una porta (porta di uplink) che viene connessa alla rete telefonica, attraverso la quale accede ad internet (in pratica ha un modem integrato) e svolge dunque anche il ruolo di gateway, ovvero un nodo della rete che permette di far comunicare due reti informatiche di tipo diverso (sarà più chiaro quando parleremo di indirizzi IP).

Se sei connesso a Internet con la fibra ottica, allora hai una borchia ottica attaccata al muro, laddove prima c’era la presa del telefono. Qui ci sono due possibilità: o dalla borchia esce un cavetto di fibra ottica che giunge a una scatolina (un ONT – Optical Network Termination, una specie di modem ottico) a cui va collegato il router tramite un cavo ethernet, oppure il cavetto di fibra ottica che esce dalla borchia entra direttamente nel router, in questo caso il dispositivo ONT è integrato nel router.

Il tuo router quindi svolge queste funzioni:

• collegamento di più dispositivi (host) ad una LAN (tramite l’hub integrato)
• supporto alle connessioni wireless (tramite access point integrato)
• connessione ad internet (tramite modem/ONT integrato)
• anche se non ne abbiamo trattato, contribuisce a proteggere la LAN da accessi esterni, tramite un firewall integrato

Ma il vero scopo del router non è niente di tutto ciò, quando parleremo di protocolli di rete, vedremo che il router:

• assegna a ciascun nodo della LAN un indirizzo IP (nel router è inserito un software, denominato server DHCP che ha esattamente questo scopo)
• determina il percorso migliore per inviare i dati tra reti diverse (instradamento dei pacchetti)

Switch

Quando un hub riceve un pacchetto di dati da un nodo della rete, lo replica verso tutti gli altri nodi, solo il nodo destinatario riconosce il pacchetto come proprio e lo elabora, gli altri nodi invece lo ignorano. Questa modalità di comunicazione introduce due problemi, che mi limito a citare, rimandando eventuali approfondimenti ai relativi link: il problema delle collisioni nell’ambito dello stesso dominio di collisione e il rischio di password sniffing.

Per evitare questi problemi è nato lo switch. Diversamente dall’hub, quando lo switch riceve un pacchetto da un nodo, ne esamina il contenuto (per essere precisi, esamina il MAC Header del frame Ethernet), individua il nodo destinatario e trasmette il pacchetto solo a quel nodo.

Bridge

Un bridge è un dispositivo di rete che permette di far comunicare due reti locali diverse o due segmenti della stessa rete.

Firewall hardware

E’ firewall hardware un dispositivo fisico dedicato alla protezione della rete. Funziona come un intermediario tra la rete interna e quella esterna (es. Internet), filtrando il traffico in base a regole predefinite. Il software che monitora ed eventualmente blocca il traffico di rete (firewall software) che è installato su un firewall hardware può essere anche installato su un router, senza necessità di utilizzare un hardware dedicato.

4. Oggetti intelligenti

Esiste infine un mondo, definito “Internet of Things” (IoT) in cui i dispositivi hardware connessi ad internet sono chiamati “oggetti intelligenti”: sono sensori IoT, citofoni, termostati, elettrodomestici, veicoli, dispositivi indossabili, macchinari industriali ed altro, che sono accomunati dalla caratteristica di poter comunicare attraverso internet. In questo post non ne parlerò.

I livelli di una rete informatica

Questo aspetto delle reti è poco intuitivo e piuttosto noioso, ma una conoscenza di base è necessaria per capire dove collocare i protocolli che riguardano le reti.

Il modello OSI (Open Systems Interconnection) è uno standard architetturale per reti di computer, sviluppato dall’ISO (International Organization for Standardization) nel 1984 (per questo motivo è noto anche con la sigla ISO/OSI). È composto da 7 livelli, ognuno con una funzione specifica nella comunicazione tra dispositivi:

1. Livello Fisico: Gestisce la trasmissione dei segnali elettrici o ottici.
2. Livello Collegamento Dati: Assicura la trasmissione affidabile tra due nodi.
3. Livello Rete: Instrada i pacchetti di dati tra dispositivi.
4. Livello Trasporto: Garantisce la corretta consegna dei dati.
5. Livello Sessione: Gestisce le connessioni tra applicazioni.
6. Livello Presentazione: Converte i dati in un formato comprensibile.
7. Livello Applicazione: Interagisce con le applicazioni utente.

Questo modello aiuta a standardizzare le comunicazioni, garantendo interoperabilità tra sistemi diversi.

Il modello TCP/IP rappresenta invece le reti internet, ovvero le reti di cui si occupa questo articolo, ed è logicamente ripartito su 4 livelli:

1. Accesso alla rete – Comunicazione fisica tra dispositivi.
2. Internet – indirizzamento e instradamento dei dati.
3. Trasporto – Gestione della trasmissione dati.
4. Applicazione – Servizi di rete.

E’ possibile stabilire una corrispondenza tra i due modelli:

Modello ISO/OSI (7 livelli)	Modello TCP/IP (4 livelli)
1. Livello Fisico	1. Livello Accesso alla rete
2. Livello Data Link	1. Livello Accesso alla rete
3. Livello Rete	2. Livello Internet (IP)
4. Livello Trasporto	3. Livello Trasporto (TCP / UDP)
5. Livello Sessione	4. Livello Applicazione (HTTP / FTP / SMTP)
6. Livello Presentazione	4. Livello Applicazione
7. Livello Applicazione	4. Livello Applicazione

Protocolli delle reti internet: IP, TCP, UDP, HTTP, FTP, SMTP e altri

Ti sarà capitato di vedere nelle partite di pallavolo che l’alzatore della squadra in battuta, dopo aver dato un’occhiata alla disposizione della squadra avversaria, mostra un certo numero di dita tenendo le mani dietro la schiena: sta “chiamando lo schema di gioco”, tutti nella squadra sanno che cosa significa quel numero, perciò sanno come devono predisporsi a giocare la palla.

La stessa cosa è il Protocollo nelle reti informatiche: uno standard che, essendo noto ed applicato tra tutti gli host della rete, permette la comunicazione tra gli stessi. Nelle sigle che riguardano le reti internet, la “P” finale significa sempre “Protocol”, ovvero lo standard applicato a quel particolare livello di rete.

Protocolli dei diversi livelli di una rete Internet (TCP/IP)

Va detto innanzitutto che nelle reti internet i dati viaggiano sotto forma di “pacchetti” che potremmo assimilare, per analogia alle lettere inviate tramite il servizio postale. Mantenendo questa analogia esaminiamo i protocolli dei 4 livelli della rete internet.

Quando scrivi una lettera ad un amico, la inserisci in una busta e nella busta scrivi delle informazioni che non sono destinate tanto al tuo amico, quanto agli uffici postali che ricevono la lettera e che la dovranno smistare e poi consegnare a destinazione. La lettera rappresenta il “contenuto” della spedizione, mentre la busta rappresenta il “contenitore”.

Livello 1 – accesso alla rete

Si tratta del livello hardware, in una rete domestica è costituito dalle schede di rete e dalle connessioni tramite cavi ethernet o tramite connessione wi-fi. A questo livello non sono definiti protocolli.

Livello 2 – indirizzamento e instradamento dei dati.

E’ il livello regolamentato dall’Internet Protocol (IP).

Indirizzamento

Si riferisce all’assegnazione di un identificativo univoco a ogni host nella rete, detto indirizzo IP. Questo permette ai router di capire dove devono essere inviati i pacchetti di dati, così come nelle lettere è indicato il mittente e il destinatario.

Nella versione IPv4, il protocollo IP prevede l’identificazione di ciascun host tramite un numero a 32 bit, solitamente espresso in notazione decimale puntata (ad esempio: 192.168.1.1) dove ogni cifra rappresenta 8 bit (ovvero 1 byte o 1 “ottetto”). Quando un computer viene connesso ad una LAN, il router che gestisce quella rete gli assegna un Indirizzo IP (IP address) univoco.

Se la tua LAN è connessa a Internet e vuoi conoscere:

• l’indirizzo IP pubblico assegnato al tuo router dal tuo ISP, apri un browser e inserisci nella barra degli indirizzi l’URL https://whatismyipaddress.com/;
• l’indirizzo IP privato assegnato al tuo computer dal router, devi aprire una finestra DOS e digitare il comando ipconfig, otterrai una risposta simile a questa:

   Indirizzo IPv4. . . . . . . . . . . . : 192.168.1.9
   Subnet mask . . . . . . . . . . . . . : 255.255.255.0
   Gateway predefinito . . . . . . . . . : 192.168.1.1

• Indirizzo IPv4 è l’indirizzo IP del tuo computer, nella notazione dell’Internet Protocol versione 4 (IPv4);
• Subnet mask specifica quale parte dell’indirizzo IP indica la rete e quale l’host;
• Gateway predefinito è l’indirizzo IP del router. Ciò significa che il tuo router ha sia un indirizzo privato (gateway) sia un indirizzo pubblico (quello mostrato da whatismyipaddress.com. Il compito del router è proprio quello di far comunicare le due reti.

Il numero di subnet mask viene utilizzato dal router per determinare se il destinatario di un pacchetto di dati è all’interno della LAN oppure no. Il valore di subnet mask 255.255.255.0 (predefinito sui router utilizzati nelle LAN domestiche) indica che la rete è identificata dai primi tre byte dell’IP address (facendo riferimento all’IP 192.168.1.9, gli indirizzi IP che iniziano con 192.186.1 fanno parte della LAN), mentre l’ultimo byte viene utilizzato per determinare l’host.

All’atto pratico: se un pacchetto di dati viene inviato all’indirizzo IP 192.168.1.10, il router lo invierà alla LAN, se un pacchetto dati viene inviato all’indirizzo IP 192.168.2.10, il router lo invierà fuori dalla LAN (alla porta di gateway). Le operazioni di inoltro al di fuori dalla LAN da parte di un router prendono il nome di Instradamento.

Una subnet mask 255.255.255.0 indica che l’ultimo byte è usato per individuare l’host. Poiché un byte corrisponde a 8 bit, può indirizzare 2⁸ host, ovvero 256 host. Di fatto, il primo e l’ultimo bit di ciascuna rete hanno un significato particolare e non sono quindi utilizzabili:

• l’indirizzo con tutti i bit della parte host a 0 identifica la rete stessa;
• l’indirizzo con tutti i bit della parte host a 1 indica il broadcast (messaggio inviato a tutte le macchine della rete).

Una rete potrà quindi indirizzare al massimo (2ⁿ – 2) host, dove n indica il numero di bit della subnet mask che si riferiscono agli host e non alla rete.

Range di IP privati

Per evitare il rischio che una rete privata (LAN) utilizzi gli stessi IP address di una rete pubblica (WAN), l’organizzazione che gestisce l’assegnazione degli indirizzi IP (Internet Assigned Numbers Authority – IANA) ha riservato i seguenti tre intervalli di indirizzi IP per le reti private:

Classe	subnet mask predefinita	Indirizzo minimo	indirizzo massimo	numero totale di host
A	255.0.0.0 /8 (i bit di rete sono i primi 8)	10.0.0.0	10.255.255.255	16.777.214 (224 -2)
B	255.255.0.0 /16	172.16.0.0	172.31.255.255	1.048.574 (220 -2)
C	255.255.255.0 /24	192.168.0.0	192.168.255.255	65.534 (28 -2)

Per approfondire la tematica delle classi di indirizzi IP privati, vedi RFC 1597 – Address Allocation for Private Internets, pubblicata sul sito di RFC Editor:

Instradamento

È il processo di selezione del percorso che i pacchetti devono seguire per raggiungere la destinazione. E’ gestito dai router della rete, che potremmo equiparare agli Uffici postali.

Un pacchetto dati che viaggia in una rete TCP/IP conterrà alcune informazioni specifiche di questo livello della rete. Queste informazioni sono molto simili a quelle che vengono scritte sulla busta della lettera: mittente, destinatario, posta prioritaria:

Versione: IPv4  
Indirizzo sorgente: 192.168.1.1  
Indirizzo destinazione: 8.8.8.8  
Protocollo: TCP  
Dati: [contenuto del messaggio]  

Livello 3 – Trasporto dei dati

Il TCP (Transmission Control Protocol) opera al livello di trasporto del modello TCP/IP. Al suo stesso livello esistono altri protocolli con funzioni simili o complementari, tra cui:

• UDP (User Datagram Protocol): Alternativa a TCP, più veloce ma meno affidabile, usata per streaming e giochi online.
• SCTP (Stream Control Transmission Protocol): Combina caratteristiche di TCP e UDP, ideale per applicazioni di segnalazione.
• DCCP (Datagram Congestion Control Protocol): Gestisce la congestione della rete per applicazioni in tempo reale.
• QUIC (Quick UDP Internet Connections): Protocollo sviluppato da Google, migliora la velocità e sicurezza rispetto a TCP.