Come funziona la rete Internet

Internet è la rete globale che utilizziamo tutti i giorni, ed è realizzata grazie all’interconnessione di decine di migliaia di reti più piccole, che collegano a loro volta al loro interno un numero più o meno grande di computer¹.

Questo articolo prova a spiegare con un linguaggio semplice come funziona la rete Internet, e cioè quali sono gli elementi fondamentali che permettono lo straordinario risultato di far comunicare tra loro miliardi di dispositivi.

I protocolli TCP/IP

Internet è una rete a commutazione di pacchetto: significa che basa la trasmissione delle informazioni su un sistema di invio e ricezione di piccoli pacchetti di dati.

Qualsiasi operazione effettuata in rete genera la trasmissione di pacchetti, e questi pacchetti virtuali sono costruiti seguendo delle regole descritte dai protocolli di rete. Il funzionamento dei protocolli è definito in modo molto dettagliato da dei documenti di testo chiamati RFC, pubblicamente disponibili su Internet.

Quando si vogliono inviare dei dati in rete, questi devono prima essere imbustati (o incapsulati) in un pacchetto, in modo che gli altri computer della rete sappiano come comportarsi quando li ricevono.

L’imbustamento avviene in più livelli, e ciascun livello che effettua l’imbustamento aggiunge delle informazioni che ritiene importanti.

Per quanto riguarda Internet, la suite di protocolli di riferimento è TCP/IP, che prende il nome dei due protocolli fondamentali TCP (Transmission Control Protocol) e IP (Internet Protocol). Per quanto riguarda le reti locali cablate si aggiunge inoltre Ethernet, mentre per le reti wireless IEEE 802.11 (Wi-Fi).

Se una trasmissione usa i protocolli TCP + IP + Ethernet, sul “filo” vengono trasmessi pacchetti di tipo Ethernet (più precisamente trame, o frame), che contengono pacchetti del protocollo IP, che a loro volta contengono segmenti del protocollo TCP. Servono così tanti livelli perché ciascun livello svolge un ruolo diverso.

Ad esempio, il protocollo IP si occupa dell’indirizzamento, e cioè indica quali sono gli indirizzi IP pubblici del mittente e del destinatario della trasmissione, che sono unici a livello globale.

Il protocollo Ethernet si occupa invece della trasmissione su cavo, e utilizza gli indirizzi MAC per indirizzare i frame all’interno della rete locale.

I router, come quelli che tutti abbiamo in casa, sono dispositivi che operano (almeno) a livello Internet, e cioè riescono a “leggere” e interpretare pacchetti di tipo IP. Quando un router riceve un pacchetto, lo analizza per capire se e come è in grado di gestirlo. È cruciale che questa decisione avvenga in tempi rapidissimi, in modo da non introdurre latenza.

Nella maggior parte dei casi, un router non può gestire direttamente un pacchetto ma deve inoltrarlo verso un altro dispositivo (un computer, un altro router, uno switch, ecc.), e cioè ritrasmetterlo fisicamente su un’altra porta. Questa operazione fa parte del processo di instradamento, o routing, che è la funzione principale dei router.

Il router incapsula quindi nuovamente il pacchetto IP, ma non è detto che utilizzi sempre Ethernet. Ad esempio, nelle connessioni DSL residenziali per la trasmissione verso l’esterno si usa solitamente il protocollo PPPoE.

I sistemi autonomi (AS)

Un sistema autonomo, Autonomous System in inglese (AS), è definito come un insieme di indirizzi IP, e quindi come un insieme di destinazioni solitamente riconducibili alla stessa organizzazione (aziende, governi, istituti di ricerca, ecc.). Per esempio, l’AS più grande in Italia è l’AS3269 di Telecom Italia S.p.A, che comprende più di 19 milioni di indirizzi IP tra cui anche utenze di rete fissa e mobile (e di conseguenza i loro router di casa).²

Lo scopo degli AS è semplificare lo smistamento dei pacchetti sulla rete Internet, perché permette di avere un raggruppamento di un numero anche molto alto di dispositivi. Ai “bordi” di un autonomous system ci sono dei router, tramite i quali passa tutto il traffico IP in ingresso e in uscita dal sistema. Un sistema autonomo non è necessariamente delimitato da una specifica area geografica: l’importante è che i dispositivi di un AS siano in qualche modo connessi tra loro all’interno del sistema autonomo.

A questo punto dovrebbe essere più facile comprendere la definizione di Internet: un’interconnessione di sistemi autonomi che utilizza TCP/IP per la trasmissione dei dati.

L’interconnessione tra sistemi autonomi

Nel mondo ci sono decine di migliaia di sistemi autonomi³, e per fare in modo che Internet funzioni (e cioè che ogni destinazione sia raggiungibile da qualsiasi parte del mondo) hanno bisogno di comunicare tra loro.

Per farlo utilizzano un protocollo chiamato BGP (Border Gateway Protocol), tramite un’operazione che in gergo si chiama “annunciare”. Un AS annuncia ai suoi “vicini” l’insieme degli indirizzi IP che sono sotto il suo controllo, in modo che possano essere raggiunti dal resto della rete.⁴

Esistono dei sistemi autonomi molto grandi, corrispondenti a delle reti classificate come Tier 1 (di “primo livello”). Queste reti sono molto poche, ma sono in grado di raggiungere l’intera rete Internet: lo fanno esclusivamente tramite accordi di peering, e cioè con lo scambio reciproco di traffico.⁵

La parola peer in inglese significa “pari”, e infatti gli accordi di peering si hanno di solito tra operatori approssimativamente della stessa dimensione e che devono scambiarsi quantità simili di dati. Un accordo di peering prevede spesso lo scambio del traffico a costo zero (in questo caso viene chiamato settlement-free peering), perché permette ad entrambe le parti di accedere a una porzione di Internet a cui altrimenti potrebbero non avere accesso.

Tutti gli operatori di tipo Tier 1 sono quindi in peering tra loro, e fanno in questo modo da “collage” di Internet. Uno di questi operatori è italiano, si chiama Telecom Italia Sparkle e gestisce una vasta rete di dorsali in tutto il mondo. Altre reti Tier 1 note sono ad esempio quelle di Telia, Lumen (in passato CenturyLink), che comprende la rete Level 3, e GTT, nomi che si trovano spesso quando si eseguono traceroute.

Cos’è traceroute?

Traceroute è uno strumento che permette di tracciare il percorso di un pacchetto nella rete globale. Permette di elencare la lista dei router tramite cui un pacchetto passa, e di conseguenza di sapere tramite quali reti e sistemi autonomi il traffico verso una determina destinazione transita.

Il transito e il peering

Oltre alle reti di tipo Tier 1, esistono anche reti di secondo e terzo livello. Le reti Tier 3 corrispondono in genere ai piccoli operatori (ISP) o ad altre piccole organizzazioni che gestiscono un sistema autonomo. Per connettersi al resto di Internet, questi operatori siglano degli accordi di transito con almeno un altro operatore di livello superiore.

In questo modo tutto il traffico Internet generato dall’operatore Tier 3 viene inoltrato all’operatore di livello superiore, che si occuperà poi in modo trasparente di recapitarlo nel modo che preferisce.

Affidarsi a un operatore per il transito ha i suoi vantaggi, ma quando il traffico cresce può essere limitante. Entra quindi in gioco di nuovo il peering: oltre agli accordi di transito, l’operatore può decidere di fare peering con altri operatori e fornitori di contenuti, diventando un operatore Tier 2.⁵

Ad esempio, un operatore potrebbe voler siglare un accordo di peering con Netflix, in modo che tutto il traffico verso il servizio di streaming venga recapitato direttamente senza passare da altre reti. Questo si traduce tipicamente in una minore latenza e in generale migliori prestazioni, affidabilità e controllo.⁶

Dove avviene il peering

Il peering può essere di due tipi: pubblico o privato.

Nel primo caso si svolge fisicamente negli Internet Exchange Point (IXP) o Network Access Point (NAP), cioè dei luoghi in cui decine o centinaia di operatori si connettono a un’unica grande rete Ethernet che permette lo scambio facilitato dei dati tra tutti gli operatori presenti (comunque a seconda degli accordi di peering).⁷

In Italia ci sono diversi IXP, ma il più grande è il MIX di Milano, che ha una capacità totale di scambio di traffico di quasi 8 Tbps (in condizioni normali supera però di poco il singolo Tbps).⁸⁹ La lista degli operatori presenti al MIX, con la relativa capacità di rete, è pubblica e disponibile sul sito del MIX. Nella lista ci sono aziende come Netflix (200 Gbps), Google (400 Gbps), Microsoft (200 Gbps), ma anche operatori come Vodafone (200 Gbps), Fastweb (200 Gbps) e EOLO (300 Gbps).

In alternativa il peering può essere anche privato (anche detto Private Network Interconnection, PNI), e cioè due “operatori” possono accordarsi per lo scambio diretto del traffico tramite collegamenti dedicati ad alta capacità e senza passare tramite la rete di un IXP.⁵ Questi accordi sono riservati, lo scambio può avvenire in qualsiasi struttura/centrale e non è sempre facile capire quali operatori sono in peering tra loro.

Grazie a x_term, Emilio e Andrea per aver revisionato questo articolo.