Appunti 2 lezioni Reti&sicurezza-unipd PDF

Preview

Summary

Appunti delle lezioni tenute dal docente Massimo Marchiori per l'insegnamento "reti e sicurezza" presso l'Università di Padova...

Description

Reti e Sicurezza

Rete

’Una collezione di computer ”autonomi” interconnessi da una singola tecnologia’ -Tanenbaum. Definizione di Marchiori: ”Qualunque cosa ove vi sia un grafo sottostante”.

• Internet • Ethernet • Computer con le proprie periferiche • Computer da solo (!) Esempi di rete

• Noi stessi

• Per tipo: Client-Server, Peer-to-peer, . . . • Per Tecnologia Di Trasmissione: – Broadcast: 1 canale condiviso fra tutte le macchine – Multicast – Point-to-point • Per taglia: PAN Personal Area Network LAN Local Area Network MAN Metropolitan Area Network WAN Wide Area Network • Per topologia (Forma) - 7 Tipi principali: – Point-to-point – Bus – Star (A stella) – Ring (Ad anello) – Mesh (Ad Intreccio) – Tree (Ad albero) Categorie di rete

– Reti ibride

• OSI (Open Systems Interconnection) • TCP/IP Livello Alto

Basso

Modelli di riferimento

OSI Application Presentation Session Transport Network Data Link Physical

TCP/IP Application

Transport Internet Host-to-network

5. Application Layer 4. Transport Layer 3. Network Layer 2. Data Link Layer Modello Ibrido usato nella pratica

1. Physical Layer

Cavi: • Coppia Annodata (Twisted Pair) • Cavo Coassiale Trasmissione Wired

UTP

• Fibra Ottica

”Unshielded Twisted Pair” Cavo Twisted Pair −→ Coppia di fili annodati tra loro

Il ”Twist” serve a limitare l’interferenza (elettrica) reciproca (detta crosstalk) a causa dei campi magnetici generati cal cavo

Crosstalk

UTP3 / UTP5

Pi`u alto `e il numero del cavo, pi`u tale cavo `e ”twisted”, cio`e le spire sono pi`u strette tra loro. Bandwith UTP3 = ˜250MHz Bandwith UTP5 = ˜600MHz

Schermatura migliore dei cavi UTP, usato per TV e MAN.

Cavo Coassiale

Per avere una banda maggiore, basta aumentare lo spessore del rame. Bandwith = ˜1GHz

Il cavo `e un ”pezzo di vetro” che trasmette luce invece di elettricit`a

Il vetro `e molto puro, e la luce viene emessa in modo da avere il minor numero di riflessioni

Il cladding serve per evitare di piegare troppo il cavo. I cavi pi`u spessi hanno molteplici cavi al loro interno

Fibra Ottica

• Nei connettori - Perdita ˜del 10-20% di Luce (Come nel rame) • Allineatori Meccanici - Perdita di ˜10% di Luce Connessione Tra fibre

Luce?

• Fusione - Perdita di ˜1% di Luce

La fibra trasporta vari tipi di luce (Lampadine, Laser, LED) ed ogni luce ha propriet`a e costi diversi

- La fibra Costa di pi`u - La fibra si piega meno facilmente - La fibra `e pi`u difficile da unire + La fibra ha pi`u bandwith + La fibra tiene meglio il segnale + La Fibra ha minor peso ed ingombro + La fibra `e dielettrica, quindi subisce pochissime interferenze elettriche + La fibra `e pi`u difficile da intercettare (vedi ”tap”) - Per coprire maggiori distanze, o ramificarsi, la fibra necessita di derivazioni specifiche e ripetitori attivi ` possibile ramificare un segnale tra fibre usando componenti passive + E (simili a prismi)

Fibra VS Rame

Spettro elettromagnetico:

Wireless

Politiche d’uso dello spettro elettromagnetico

• Le frequenze sono assegnate tramite un ”beauty contest”, cio`e a chi fa pi`u del bene • In alternativa si assegnano per asta/lotteria

Esiste per`o una banda libera - La cosiddetta banda ISM (Industrial, Scientific, Medical): • 902-928 MHz • 2.4 - 2.4835 GHz ISM

• 5.735 - 5.860 GHz

• Bluetooth • Alcune reti 802.11 (WiFi) • Telefoni cordless • Forni a microonde • Mouse / Tastiere Wireless • Telecomnadi Chi usa la banda ISM?

• ...

Radio

Omnidirezionale −→ Non servono allineamenti specifici tra trasmettitore e ricevente, ma vi possono essere interferenze

Radio a Bassa Frequenza

Esempio: AM (Che usa la banda MF). Le onde passano gli ostacoli, ma si disperdono facilmente.

Radio ad alta frequenza

Non passano bene gli ostacoli e vengono assorbite dalla pioggia, ma si disperdono meno.

Trasmissione

Nelle basse frequenze (VLF, LF, MF) le onde seguono la curvatura terrestre. Alle frequenze pi`u alte (FM) le onde non seguono la curvatura terrestre ma ”rimbalzano” sulla ionosfera. Questa caratteristica le rende meno intercettabili

Microonde

Sopra i 100MHz le onde viaggiano quasi in linea retta, rendendole meglio focalizzabili. Ma si dovranno allineare meglio trasmettitore e ricevitore. Per anni le microonde sono state l’asse portante per le comunicazioni a lunga distanza tramite telefonate. Vedi MCI (Microwave Communication Inc.) Usate anche per segnali televisivi.

Svantaggi

Come la radio ad alta frequenza, le microonde non passano bene gli edifici e sono soggette ad interferenze atmosferiche.

Vantaggi

Basso costo

Infrarossi e trasmissioni millimetriche

Usate per esempio nei telecomandi. Sono direzionali. Vi `e lo stesso problema delle microonde, amplificato. Molto economiche. Sicure - Il raggio `e molto limitato, difficili da intercettare

Trasmissioni luminose

Conosciute anche come ”Lightwave”. Usate per molto tempo (vedi le battaglie ai tempi dei romani), sono state reinterpretate nel 1880 con il Fotofono. Tornate in auge con il laser (poca dispersione, focalizzabile a buone distanze). Non funzionano bene con pioggia o nebbia e potrebbero funzionare male anche col sole (l’umidit`a del terreno evapora e potrebbe rifrangere il laser)

• Geostazionari (GEO) • Medio-Orbitali (MEO - Medium-Earth Orbit satellite) Satelliti

• Basso-Orbitali (LEO - Low-Earth Orbit satellite)

Pro/Contro

Pi`u basso `e il satellite, pi`u satelliti servono (a parit`a di superficie) per garantire copertura. Pi`u alto e` il satellite, maggiore `e la latenza. La potenza richiesta va col quadrato dell’altitudine, quindi un satellite MEO richiede Molta pi` u energia di un satellite LEO. Il lancio di satelliti bassi costa molto meno

MEO

Orbita Media. I primi satelliti sono stati MEO. Esempio famoso: Sputnik (1957), Esempio recente: Satelliti GPS (˜30 satelliti)

GPS

Di chi `e? Dipartimento della difesa USA (Satelliti NAVSTAR). Ronald Reagan nel 1983 rende il GPS un’applicazione civile (da militare). Perch`e? Il volo Korean Airlines KAL007 tra USA e Corea del sud sbaglia la rotta e finisce nello spazio aereo sovietico/giapponese e viene abbattuto: muoiono 269 persone (1/9/1983) −→ Subbuglio popolare −→ Liberazione del GPS. La versione rilasciata aveva una precisione di 100 metri, nel 2000 Bill Clinton aumenta la precisione del GPS pubblico a 20 metri. I satelliti GPS sono in orbita MEO. Il ”tempo di Fix” `e un problema dato dal fatto che i satelliti MEO ruotano rispetto alla terra.

GLONASS

”Il GPS dei Russi” Ha 24+4 Satelliti e funziona circa come il GPS

A-GPS

”Assisted GPS” Ha un Fix GPS pi`u rapido: vengono date informazioni aggiuntive sulla posizione approssimata del terminale (le informazioni sono solitamente fornite dal provider di telefonia)

Barometro + GPS?

Il barometro pu`o dare un’ulteriore assistenza nel Fix GPS, dato che l’altitudine cambia il calcolo della posizione dei satelliti

NAVSAT

”Navy Navigation Satellite System” Antenato del GPS (1964) Nato dallo Sputnik e dall’effetto doppler che si poteva sentire nello suono dello stesso quando passava. Ascoltando l’effetto doppler si era misurata la prima orbita dello Sputnik

GEO

Restano fermi rispetto alla terra, stanno sull’equatore in orbita circolare Limite massimo di 180 satelliti per evitare interferenze. Alti costi dovuti alla necessit`a di una collocazione precisa (sia tra i satelliti gi`a presenti che per l’altezza). Inventati dallo scrittore di fantascienza Arthur Clarke nel 1945.

Perch`e Equatore?

Perch`e la forza di gravit`a terrestre sfaserebbe qualunque altra orbita

• Satelliti Spia (Militari) • Meteo Usi

LEO

• DSB (Direct Broadcast Satellite) per televisione via satellite, trasmettendo in Banda Ku ad alta potenza.

Orbita Bassa

Iridium

Sistema di 77 satelliti. Nome deriva dell’elemento 77 della tavola periodica: Iridio Il progetto `e cambiato, ora vi sono 66 satelliti (Curiosit`a: si voleva cambiare il nome con il 66mo elemento della tavola periodica, ma Dysprosium suonava male, ed in pi`u deriva dal greco ”Difficile da accedere”) Copre tutta la superficie terrestre (poli inclusi), eccetto gli stati sotto l’embargo statunitense. Ogni satellite ha 48 celle −→ totale di 1628 celle mobili che coprono la terra. Sono usati per chiamate satellitari con trasmissione satellite-satellite

Fuochi di iridio

Effetto luminoso nel cielo, dato dalla riflessione della luce solare sui satelliti Iridium

Fallimento e rinascita di Iridium

Iridum fu lanciato nel 1/11/1998 e fall `ı nel 13/8/1999 a causa di costi troppo alti rispetto al GSM, telefoni troppo ingombranti e mercato troppo ampio. Nel 2001 viene riacquistato a basso costo e riattivato, all’oggi `e ancora in funzione. Fa parte dello Tsunami Warning System che usa boe a sensore con un telefono Iridium. Data rate da 2200 a 3800 baud (2k-4k) quindi per funzionare bene richiede tecniche di compressione avanzate.

Globalstar

Diverso da Iridium, una serie di satelliti che fungono da ripetitori bent-pipe che ”estendono” le reti telefoniche terrestri. Solo 52 satelliti, che costano meno rispetto alla controparte Iridium (sono solo dei ripetitori). Non copre tutta la terra. Avendo un accordo con i gestori di telefonia GSM, non richiede un telefono apposito. Primi lanci a Febbraio 1998 - A settembre 1998 un razzo vettore russo esplode, portando con s`e i 12 satelliti che trasportava. A Febbraio 2000 si completa la rete. 15/2/2002 Bancarotta Nel 2004 vi `e un riacquisto e ritorno in attivit`a. Anche se i satelliti costavano meno, questi duravano anche meno.

Morte dei satelliti

Se un satellite muore, viene lasciato in orbita −→ Rottami spaziali. I rottami hanno effetti di bombe sui satelliti vivi (Vedi E = mc 2 con c molto molto alto). La situazione peggiora ulteriormente quando nel Gennaio 2007 la Cina usa un cannone anti-satellite per distruggere un proprio satellite dismesso, risultando in ˜2 milioni di detriti impazziti.

Detriti in LEO

˜44 milioni di detriti 1-10cm ˜2 milioni di detriti di 10cm ˜34000 detriti >10cm Notare che per arrivare ad orbite GEO/MEO `e necessario attraversare l’orbita LEO, con i problemi che ne derivano, data la quantit`a di detriti presenti.

Sindrome di Kessler

Oltre una soglia critica si verifica un effetto a catena che porta alla distruzione dell’intera orbita, come conseguenza l’orbita LEO non `e pi` u attraversabile.

a) Deviare i satelliti verso l’atmosfera −→ Costoso b) Allontanamento verso una cosiddetta ”orbita cimitero” −→ Pi`u economico e sicuro

Soluzione

Per i detriti gi` a presenti −→ tracciamento dei detriti ≥ 10cm gestito da un comitato internazionale (L’ASI non ne fa parte!!)

• Previsioni meteo sballate

Problemi da Detriti

• Tracciamento dei detriti `e complesso (˜10 avvisi di collisione a settimana per satellite), il cambio di rotta `e costoso e complesso

• Distrugge monopoli, sblocca la libera concorrenza • Sblocca lo sviluppo ed il progresso delle comunicazione terrestri • La fibra prende il largo • Sviluppo di ottime tecnologie wireless (WiFi, Wi-Max) Satelliti sono ancora buoni per: • Broadcasting (tra cui GPS) Revised Telecommunications Act (USA-1984)

• Studi di fenomeni terrestri a mappe • Reti Passive (vedi ”Unidirezionalit`a”)

Satelliti Molniya

Orbita ellittica, con la terra all’estremo confine dell’orbita. Vista dall’interno, l’orbita si concentra su USA e Russia (ottimo per i satelliti spia). Allungando l’orbita ci si pu`o concentrare su un unico stato o continente. Usato anche per radio satellitari (3 satelliti)

Frequenza

(λ) distanza tra i picchi d’onda

Potenza

Ampiezza del picco

Bandwith

Misura fisica: Insieme di onde con una certa frequenza che posso far passare in un canale −→ Hz

Canale

Insieme di frequenze possibile

Quanta informazione passa al secondo: Bit Rate Bit al secondo trasmessi Baud Rate Simboli al secondo trasmessi Data Rate

Queste due misure sono Diverse!

Posso trasmettere su 4 frequenze: • Uso 4 simboli (00, 01, 10, 11), se mi arriva 1 frequenza al secondo il baud rate `e 1 Esempio

• Ogni simbolo porta un’informazione di 2 bit −→ il bit rate `e 2.

Da baud rate a bit rate

Qual’`e l’informazione in bit esprimibile con un alfabeto di V simboli? log2 (V )

Variabili

La quantit`a di informazione trasmissibile dipende dal materiale e dal segnale stesso. Pi`u frequenze (bandwith) = Pi`u Data Rate

Potenza

Per trasmettere ad alta frequenza `e richiesta una potenza maggiore, tipicamente la potenza richiesta cresce col quadrato della frequenza.

Limite di banda

Per questo che viene sempre fissato un limite di banda

Attenzione

Ogni impulso energetico trasmesso in un mezzo subisce un’attenuazione di potenza. rasmessa ) L’attenuazione si misura in deciBel: 10 · log10 ( pot.T pot.Ricevuta L’attenuazione dipende dalla frequenza (cio`e dalle componenti della sua trasformata di Fourier) e quindi con la distanza cambia la forma d’onda Per cui la bandwith `e limitata e dipende fortemente dal mezzo di trasmissione. Quindi le lunghezze d’onda ideali sono quelle in cui vi ` e la minor differenza di attenuazione tra simboli a frequenze diverse

Data Rate Massimo

Fissata la bandwith del canale, qual’`e l’ammontare di informazione massima che possiamo trasmettere?

`e 2B · log2 (L) Dove: • B e` la banda massima • L sono i livelli del segnale usati

Teorema di Nyquist

Nel telegrafo si ha L=2, quindi il data rate massimo `e 2B. Ma il teorema di Nyquist vale per un canale ideale privo di interferenze (rumore)

Rumore

Segnale cio`e il rapporto Noise (rumore) S Solitamente si misura in deciBel, come 10 · log10 ( N ). Viene anche detto SNR (Signal-to-noise Ratio)

Teorema di Shannon(-Heartley)

Data Rate massimo = B · log2 (1 +

Approssimazione via SNR

Nel caso ottimo ( SN ≃ 1) Data Rate Massimo ≃ B3 · SN R Ovviamente sono limiti fisici, molto difficili da raggiungere

Altri Problemi

Non vi `e solo attenuazione, ma anche dispersione del segnale, cio` e cambio di forma d’onda, che `e pi`u grave dell’attenuazione. La dispersione varia a seconda della frequenza. molto grave per le lunghe distanze

Soluzione

Limitare la lunghezza dei tratti di trasmissione ed usare ripetitori che riaggiustano e ritrasmettono il segnale.

Solitoni

Scoperti da Russel Scott nel 1834 (Prima misura sperimentale dell’effetto doppler) Russell descrive un’onda anomala che chiama ”The wave of Translation” all’interno dello Union Canal di Edinburgo, la insegue per chilometri fino a che il suo cavallo non si stanca e non riesce pi`u a seguirla. −→ Solitone. Russel ricrea il solitone in casa e lo descrive, ed all’epoca era in contrasto con le leggi dell’idrodinamica. Nel 1895 si capisce il motivo dell’esistenza di tale onda: I solitoni hanno dispersione quasi nulla −→ funzionerebbero alla grande nelle fibre ottiche (fanno anche 10000Km senza dispersione)

Solitamente si misura il rapporto

S N

S ) N

Morse: Primo a creare un ripetitore funzionale. Successivamente il telegrafo ha rotto i vincoli territoriali tramite cavi sottomarini. 1850 Collegate Dover (UK) e Calais (FR) 1851 Fredrick Newton Gisborne fonda una compagnia per le telecomunicazioni in Canada 1853 Fallisce ed ha 50000 $di debito e scappa a New York ed incontra Cyrus Field Reti Mondiali

1854 Idea di far passare un cavo sotto l’atlantico (Europa ←→ USA)

Filed trova 3 problemi: • Cavo abbastanza robusto? • Si pu`o mandare un segnale elettrico sott’acqua? • Il fondo oceanico `e un posto sicuro? Per le prime due domande, Field interroga Morse e la risposta `e SI Per la terza, richiede informazioni a Maury (Capitano di nave dell’epoca) che risponde che tra Terranova (Canada) e Irlanda vi `e un plateau (Plateau del Telegrafo).

Analisi di Field

Per un voto, i governi finanziano l’impresa. 1855 Primi collegamenti, a met`a strada la barca deve abbandonare 64km di cavi per colpa di una burrasca Primo collegamento Canada

USA-

1856 Altro tentativo: New York e St.John sono collegate (1600Km di distanza)

1857 Usate 2 navi da guerra riadattate per stendere il cavo (Nomi: Niagra e Agamennone), con 2092km di cavo per nave 1mo Giorno Il cavo si rompe e viene riannodato, la spedizione continua

Primo Tentativo

10mo Giorno Un ingegnere pensa che il cavo si stia srotolando troppo in fretta e tira il freno della bobina −→ Il cavo si spezza e viene perso.

1858 Questa volta le navi partono dal centro dell’oceano. 5km Cavo Rotto −→ Si ricomincia daccapo 100km Cavo rotto −→ Si ricomincia nuovamente 370km Il cavo si rompe ulteriormente

Secondo E Terzo Tentativo

Collegamento e fallimento della societ`a di Field

Un mese dopo vi `e un terzo tentativo ma si scopre che la Niagra `e fuori rotta −→ Il cavo stava disturbando la bussola. Alla Agamennone viene comunicata la novit`a.

Il 5/8/1858 La Niagra raggiunge l’America, poco dopo La Agamennone approda in Irlanda, il cavo `e collegato. Il primo messaggio ha una durata di 17 ore di trasmissione alla velocit`a di 1 carattere ogni 2 minuti. Wildman Whitehouse pensa che aumentando il voltaggio del cavo si possa aumentare la velocit`a di trasmissione. Questo provoca un sovraccarico di tensione nel cavo, che si rompe. La societ`a fallisce.

1864 (6 anni dopo) Field ritrova i finanziamenti per una nuova societ`a e licenzia Whitehouse. Il progresso inoltre porta un nuovo cavo: pi`u robusto ma pesa il doppio. −→ Field decide di usare la Great Eastern, la nave pi`u grande che esistesse all’epoca per portare tutti i 4260km di cavo. Quarto Tentativo

Dopo 1968km il cavo si rompe e viene perso, la societ`a di Field Fallisce.

1866 Inizia il 5o Tentativo 27/7/1866 Il cavo `e srotolato con successo 12 giorni dopo La Great Eastern `e in missione per recuperare il cavo perso al 4o tentativo. 2 settimane dopo Il cavo `e agganciato, ma per l’eccessiva fretta il cavo viene perso e si inabissa nuovamente Altre 2 settimane Il cavo `e riagganciato e dopo 26 ore il cavo `e recuperato, annodato e la missione prosegue 7/9/1866 Il secondo cavo `e steso con successo. Quinto mento

Tentativo

e

collega-

Il data Rate del nuovo cavo `e di 8 parole al minuto (contro le 0.1 del 1858)

Solo nel 20mo secolo il cavo `e cambiato ed il data rate `e aumentato a 120 parole al minuto. Per evitare che l’incidente di Whitehouse si ripetesse sono stati introdotti ripetitori sul fondo dell’oceano. 1891 La rete si estende a livello mondiale 1892 Thomas Edison inventa il telegrafo Duplex (a due vie) 1902 Un cavo `e steso sotto il Pacifico −→ la rete diventa veramente Mondiale 1956 Installazione del...