Fondamenti di Informatica: reti di calcolatori, Internet e Cloud Computing

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Corso di Laurea: Ingegneria Informatica Insegnamento: Fondamenti di Informatica Numero lezione: 9 Titolo: Cenni sulle Reti e Futuro del Calcolatore Ingegneria Fondamenti di Informatica Cenni sulle Reti e Futuro del Calcolatore Trascrizione Prof. Giuseppe Tradigo giuseppe.tradigo@uniecampus.it

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Reti di calcolatori e Internet

Corso di Laurea: Ingegneria Informatica Insegnamento: Fondamenti di Informatica Numero lezione: 9 Titolo: Cenni sulle Reti e Futuro del Calcolatore Ingegneria Una delle evoluzioni più significative del mondo dell'informatica è costituita dalle reti di calcolatori e da Internet. Una rete di calcolatori è un sistema che consente lo scambio di messaggi fra computer.

Internet è la più grande rete di calcolatori ed ha una diffusione planetaria, soprattutto grazie ai servizi offerti dal World Wide Web (www), tradotto letteralmente come rete mondiale proprio per la sua diffusione planetaria.

Internet non è solo web, ed offre anche altri servizi, fra i quali: Email, per lo scambio di messaggi di posta elettronica, Motori di ricerca, per la ricerca di informazioni testuali, immagini e altre risorse digitali, Condivisione di file, per lo scambio di file fra calcolatori, Chat e messaggistica, per lo scambio di brevi messaggi, anche a supporto del lavoro di team aziendali distribuiti, VoIP (voice-over IP, telefonia vocale digitale), per la comunicazione vocale digitale fra persone (e macchine).

Quello che è importante ricordare è che Internet non è soltanto la navigazione sul web ma è un insieme di altri servizi, molti dei quali sono nati anche prima del web, come ad esempio il servizio di posta elettronica.

Reti di calcolatori

Una rete di calcolatori è un sistema hardware e software per la connessione di computer che consente lo scambio di messaggi e dati tra macchine.

Esistono diversi tipi di reti: Reti locali (LAN, Local Area Network), che consentono di connettere computer fisicamente vicini tra di loro, tipicamente all'interno di uno stesso edificio, Reti geografiche (WAN, Wide Area Network), che sono in grado di collegare i computer di città o nazioni diverse.

Le reti geografiche sono organizzate in modo gerarchico, ovvero sono costruite come reti di altre reti. Internet è la più grande e diffusa rete geografica al mondo.

Scambio di dati in Internet

Internet offre dei servizi che consentono lo scambio di dati/messaggi tra computer (la descrizione che segue è molto semplificata). Ogni computer è caratterizzato da un indirizzo univoco, chiamato indirizzo IP. Per inviare un messaggio a un altro computer, il mittente deve conoscere l'indirizzo del destinatario. I dati del messaggio vengono codificati in "pacchetti",

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Corso di Laurea: Ingegneria Informatica Insegnamento: Fondamenti di Informatica Numero lezione: 9 Titolo: Cenni sulle Reti e Futuro del Calcolatore Ingegneria che vengono trasmessi sotto forma di segnali elettrici. Se mittente e destinatario sono su LAN diverse, viene stabilito un percorso di instradamento dei pacchetti. Se si verificano degli errori di trasmissione, o se vengono persi dei pacchetti, avviene automaticamente una ritrasmissione dei pacchetti corrotti o persi.

World Wide Web

Il World Wide Web (WWW o web) è il servizio di Internet più diffuso e conosciuto. Permette la condivisione di pagine multimediali contenenti testo, immagini, suoni e numerosi altri servizi. Una macchina che fornisce servizi web può avere due ruoli principali: (i) fornire contenuti o servizi a terzi, ad esempio www.amazon.it o www.uniecampus.it e (ii) permettere la fruizione di servizi da parte di un utente, come ad esempio acquistare un libro, accedere al conto bancario, consultare contenuti multimediali.

WWW - Esempio

Vediamo ora un esempio tipico di servizio erogato da un fornitore di contenuti multimediali sul web. Nella prima fase, tramite il suo browser Mario invia una richiesta di visualizzazione di una pagina al server di Amazon. Nella seconda fase, il server di Amazon riceve la richiesta di Mario, trova i dati richiesti e li invia in risposta. Nella terza fase, il computer di Mario riceve la risposta e la visualizza tramite il browser web.

La Figura 1 illustra le fasi appena viste in termini di interazione fra il browser web, la macchina di Amazon e le pagine memorizzate sulla macchina di Amazon.

Breve storia di Internet

Il progetto nasce negli Stati Uniti nel 1969 da Arpanet (Advanced Research Projects Agency NETwork, o Rete dell'Agenzia per i progetti di ricerca avanzati), una rete militare di calcolatori che inizialmente collegava soltanto 4 computer.

L'idea sottostante il progetto del DARPA, agenzia del Dipartimento della Difesa americano, era quella di avere un sistema di computer in rete che continuasse a funzionare anche nel caso di distruzione di alcuni dei suoi nodi da parte di nemici. Durante la guerra fredda infatti, ci sono stati momenti in cui la possibilità di un attacco nucleare era molto reale.

Il sistema di coordinamento, detto protocollo, dei nodi della rete Arpanet è stato poi usato come base per il funzionamento della rete Internet. È un sistema non centralizzato in cui

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Corso di Laurea: Ingegneria Informatica Insegnamento: Fondamenti di Informatica Numero lezione: 9 Titolo: Cenni sulle Reti e Futuro del Calcolatore Ingegneria nuovi nodi (i computer) si possono connettere e disconnettere dalla rete senza che le sue funzionalità globali (le funzionalità della rete) vengano compromesse.

Questi alcuni degli eventi più rilevanti della storia della rete Internet:

• Nel 1982 viene coniato il nome Internet e venne definito il protocollo TCP/IP;
• Nel 1984 già 1000 computer sono collegati;
• Nel 1986 il primo computer italiano viene connesso ad Internet;
• Nel 1987 10.000 computer, nel 1989 100.000 i computer connessi (in 2 anni un ordine di grandezza in più);
• Nel 1991 Tim Berners Lee, un ricercatore del CERN di Ginevra annuncia la nascita del World Wide Web;
• Nel 1992 un milione, nel 1996 10 milioni di computer connessi (in 4 anni un ordine di grandezza in più);
• Nel 1998 viene fondata Google;
• Nel 2004 viene fondata Facebook;
• Nel 2009 un miliardo, nel 2011 due miliardi di computer connessi.

Riepilogo

Abbiamo visto come l'idea di poter effettuare calcoli automaticamente ha portato allo sviluppo di macchine sempre più complesse e performanti.

La legge di Moore ci da una misura di come tale potenza di calcolo sia cresciuta nel tempo.

Legge di Moore

Se guardiamo la Figura 2, ci accorgiamo come la Legge di Moore metta in relazione il numero dei transistor in funzione della data di fabbricazione (o di uscita del processore).

Inoltre la Legge di Moore ci da una regola empirica, ovvero che il numero di componenti (transistor) che formano un chip raddoppia ogni anno.

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Corso di Laurea: Ingegneria Informatica Insegnamento: Fondamenti di Informatica Numero lezione: 9 Titolo: Cenni sulle Reti e Futuro del Calcolatore Ingegneria Nota: Il numero di transistor riportato sull'asse y di Figura 2 è logaritmico, quindi la retta raffigurata in Figura (che assomiglia alla bisettrice del primo quadrante) in realtà corrisponde in realtà è una curva esponenziale che corrisponde a una crescita anch'essa esponenziale.

Limiti della legge di Moore

La legge di Moore ci dice che ogni due anni raddoppia la potenza di calcolo dei processori. La potenza di calcolo è misurata in FLOPS (Floating Point Operations Per Second, ovvero il numero di operazioni in virgola mobile al secondo).

Ci poniamo la seguente domanda: Esistono dei limiti a questo processo di crescita esponenziale?

Il livello di integrazione dei transistor è ormai arrivato a livello atomico, ovvero i transistor più vicini sono a distanza di pochi atomi uno dall'altro: non si può procedere oltre.

Siamo arrivati al limite: per la prima volta in 50 anni la legge di Moore non vale più.

Presente e futuro

Per ovviare a queste limitazioni, in questi anni è stata definita una quinta generazione di computer, basata sulla tecnologia Massive Parallel Computing, o elaborazione massicciamente parallela.

Grazie a questa tecnologia, basata sul lavoro coordinato di più macchine per risolvere un problema, migliaia di processori lavorano in modo concertato: prendono in carico una query (domanda) da parte di un utente, la analizzano e la scompongono in sottoproblemi, i sottoproblemi vengono smistati sui vari processori che si suddividono il carico di lavoro, i risultati parziali vengono collezionati ed assemblati per creare la risposta finale, la risposta viene poi ricostruita e restituita all'utente.

Tale sequenza di azioni è raffigurata in Figura 3, dove i processori facenti parte dell'architettura Massive Parallel Computing possono essere connessi tramite una rete locale, geografica o una combinazione delle due.

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Cloud Computing

Corso di Laurea: Ingegneria Informatica Insegnamento: Fondamenti di Informatica Numero lezione: 9 Titolo: Cenni sulle Reti e Futuro del Calcolatore Ingegneria Il cloud computing è un paradigma che sfrutta le potenzialità offerte dalla rete. È un insieme di tecnologie che permettono ad un utente di utilizzare risorse (di calcolo oppure di memorizzazione) distribuite e virtualizzate in rete scalando rapidamente le risorse, ove risulti necessario.

Un utente, tramite il suo computer, anche dalle risorse molto limitate, può memorizzare grandi quantità di dati ed elaborarli utilizzando un numero potenzialmente molto elevato di calcolatori presenti nel cloud.

Per usufruire di questo servizio, l'utente di solito paga un abbonamento, oppure una tariffa una tantum, in base al consumo effettivo delle risorse richieste o utilizzate.

Limiti attuali

Quando abbiamo introdotto il supercomputer più potente attualmente esistente, l'IBM Summit (le classifiche lasciano il tempo che trovano perchè in ogni momento possono risultare obsolete), abbiamo anche visto che esistono problemi che, per la loro complessità intrinseca, non sono risolvibili in tempi utili.

Cosa vuol dire in tempi utili?

Ci aspettiamo che, quando sottoponiamo un problema ad una macchina, la risposta ci venga data in un tempo comparabile con la vita media di un essere umano (diciamo meno di 100 anni).

Esistono, come abbiamo visto, le architetture massicciamente parallele, che ci aiutano ad accelerare certi tipi di calcoli. Ma esistono dei problemi che non sono parallelizzabili.

Che fare allora? Abbiamo raggiunto un limite invalicabile?

Per alcuni tipi di problemi possono aiutarci i Computer Quantistici.

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