Capitolo 5. Reti di calcolatori. - Ingegneria elettrica ed elettronica

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Università degli Studi di Cagliari
Corso di Laurea in Ingegneria Biomedica (Industriale), Chimica, Meccanica, Elettrica
Sommario
FONDAMENTI DI INFORMATICA 1
Sistemi distribuiti e reti di calcolatori
Architettura client-server
Reti geografiche e reti locali
internet e Internet
http://www.diee.unica.it/~marcialis/FI1
A.A. 2010/2011
Principali Protocolli
Principali Servizi
Docente: Prof. Gian Luca Marcialis
RETI DI CALCOLATORI
INTERNET
Fondamenti di Informatica 1 - A.A. 2010/11 - Prof. Gian Luca Marcialis
Collegamento di elaboratori in rete
Sistema distribuito
singolo calcolatore multiprocessore, o più calcolatori connessi in rete
i processi sono suddivisi tra i diversi processori dal sistema operativo
(gestore dei processi), in modo trasparente all’utente
Reti di calcolatori
insieme di calcolatori connessi attraverso linee di comunicazione
esterne (ad es. modem e linea telefonica, o scheda di rete e cavo
coassiale)
l’utente è consapevole dell’esistenza di diversi calcolatori
il sistema operativo fornisce funzionalità di alto livello alle applicazioni
utente, per consentire la comunicazione tra diversi calcolatori
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Soluzione alternativa alla centralizzazione dei sistemi
informatici
Anni ’50: si parlava di “centro di calcolo”
la stanza di un’azienda, università ecc., dove si trovava il/i calcolatori
deputati a soddisfare tutte le esigenze di calcolo...
Difetto: scarsa capacità di adattarsi con rapidità alle esigenze
applicative
Oggi tutte le funzioni sono svolte da un gran numero di
calcolatori indipendenti e interconnessi
Si parla di reti di calcolatori
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Servizi di rete
Servizi di rete (cont.)
Reti per le aziende
Reti per le persone
Condivisione di risorse fra sedi lontane geograficamente e fra
diverse
divisioni
dell’azienda
(magazzino,
produzione,
amministrazione, ecc.)
Affidabilità: stessi dati presenti su più elaboratori per evitare che il
guasto ad un elaboratore renda quei dati indisponibili
Risparmio di denaro: molti piccoli elaboratori con risorse condivise in
rete hanno un rapporto costo/prestazioni migliore di un unico grosso
elaboratore
Mezzo di comunicazione fra diverse sedi
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Accesso a informazioni remote: servizi bancari, assicurativi,
commerciali, quotidiani personalizzati, informazioni varie, ecc.
disponibili sull’elaboratore di casa (accesso a basi di dati)
Comunicazione
uomo-a-uomo:
posta
elettronica,
chat,
videoconferenze, gruppi di discussione, blog, social network
Intrattenimento: video e/o musica a richiesta (film, programmi
televisivi, canzoni, ecc.), radio e giochi online
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Architettura client-server
Oggi le applicazioni informatiche sono “distribuite” su più
calcolatori collegati in rete
Suddivisione funzionale
server: calcolatori specializzati per un determinato tipo di servizi (ad es. basi
di dati, stampanti)
client: calcolatori che richiedono servizi di tipo diverso
– software dedicato prevalentemente all’interazione con l’utente
Vantaggi dell’architettura client-server
economicità: pochi calcolatori potenti e condivisi svolgono le funzioni di
server, i numerosi calcolatori individuali quelle di client
aumento di performance e funzionalità dei calcolatori individuali
A
B
C
Client-server: un esempio
Gli utenti di A e B richiedono la
stampa di un documento.
Il fatto che la stampante sia «condivisa»
attraverso un altro computer è trasparente
ad entrambi.
I client A e B richiedono il servizio di
stampa a C, e passano in stato di
attesa.
Il server C gestisce una coda di
richieste elaborate una per una in
sequenza di arrivo o per priorità.
Stampante
A
Richiesta di stampa 1
C
Richiesta di stampa 2
B
A riceve la risposta di C, e riprende
l’interazione con l’utente, mentre C
passa ad elaborare la richiesta di B.
Stampa tesi di laurea 7
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Una rete vista «dall’alto»
Reti geografiche e reti locali
Rete locale (LAN, Local Area Network): una rete privata
che collega elaboratori e periferiche appartenenti a uno
stesso ufficio, dipartimento, azienda
Rete metropolitana (MAN): versione della LAN
ingrandita
Esempio: rete locale del DIEE fa parte della rete di ateneo
Rete geografica (WAN, Wide Area Network): copre una
nazione o un continente
Connessione fra diverse reti: internetwork
abbreviazione: internet (con l’iniziale minuscola!)
la rete Internet (iniziale maiuscola) è una delle tante internet esistenti
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Mezzi di trasmissione dei dati
Caratteristiche delle reti locali
Sono i mezzi fisici entro i quali i bit “viaggiano” sotto
forma di segnale analogico o digitale
Mezzo di trasmissione utilizzato
In forma astratta, rappresentano il cosiddetto “canale di trasmissione”
Nel caso il segnale sia analogico, è necessario un
opportuno strumento di conversione del segnale a
monte ed a valle del mezzo
Doppino telefonico, fibra ottica
Topologia
A stella, irregolare
Da digitale ad analogico e viceversa
Le “prestazioni” di un mezzo di trasmissione sono
misurate in termini di velocità di trasmissione
Misurata in “bit per second” (bps): bit al secondo e multipli
Comunicazione attraverso messaggi
Instradamento, commutazione
Protocolli di comunicazione
– Kilobps (kbps) = 103 bps
– Megabps (Mbps) = 106 bps
– Gigabps (Gbps) = 109 bps
ISO/OSI, TCP/IP
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Mezzi di trasmissione dei dati
Mezzi di trasmissione (cont.)
Cavi in rame
Doppino telefonico
– coppia di fili in rame isolati e intrecciati
– segnale: differenza di potenziale elettrico in forma analogica
o digitale
– velocità di trasmissione:
• fino a 56 kbps in analogico (modem)
• fino a 4 Mbps in digitale (ADSL)
– Es. collegamenti telefonici con “provider”: organizzazione o
società che fornisce all’utente le infrastrutture tecniche per
permettergli di collegarsi
Cavo coassiale
– filo portante centrale contenuto in un isolante plastico,
circondato da una maglia di filo di rame; il tutto avvolto da un
rivestimento esterno
– segnale: onda elettromagnetica
– velocità: fino a 1 Gbps (su brevi distanze), 10-100 Kbps
(altrimenti)
– Es. comunicazioni televisive e reti locali
Fibra ottica
fasci di fibre ottiche all’interno di materiale riflettente
segnale: onda elettromagnetica nello spettro del visibile (luce),
emessa da dispositivi in grado di produrre segnali ottici (diodi
fotoelettrici)
velocità: fino a 40 Gbps (80 km senza perdita di segnale)
Es. collegamenti metropolitani, reti locali
Etere
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Sistemi wireless
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Modulazione e demodulazione
Infrarossi
Dispositivi visibili direttamente (cellulare-portatile)
Lente, in disuso
Laser
Microonde
Comunicazioni satellitari geostazionarie – 45 Mbps, banda venduta a “tagli” da 640
kbps
Onde radio
WiFi (Wireless Fidelity) – WLAN (reti locali): 35/100 m, 54 Mbps
WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access)
Le sequenze di bit devono essere convertite in segnali
analogici (continui) in trasmissione: modulazione
In ricezione, conversione opposta: demodulazione
Il dispositivo che effettua la conversione è detto modem
Si utilizzano segnali analogici periodici (sinusoidi) detti
portanti, e i bit vengono codificati variando l’ampiezza,
la frequenza o la fase dei segnali portanti
0010010
– Reti metropolitane, 70 Mbps
Calcolatore
Rete cellulare – GSM, GPRS (57.6 Kbps in download), UMTS (10 Mbps?)
Segnale: onda elettromagnetica
mezzo “non guidato”
brevi distanze: onde radio; lunghe distanze (satellite): microonde
Velocità: da 54 Mbps (WLAN – Wireless LAN)
Es. collegamento con PC portatili tramite raggi infrarossi, GSM, WiFi
Sequenza
di bit
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0010010
MOdulatore
DEModulatore
Segnale
analogico
Calcolatore
Sequenza
di bit
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Il modem ADSL (Asymmetrical Digital
Subscriber Line)
Esempio: modulazione in frequenza
Predisposto per trasmettere dati a frequenze portanti più elevate di quelle
usate dai normali Modem sul doppino telefonico
Sequenza di bit da trasmettere: 01011
tipicamente nelle linee telefoniche la portante è una sinusoide con
frequenza 1700 Hz; bit 1: 2100 Hz, bit 0: 1300 Hz
Vantaggio: il segnale può viaggiare direttamente in formato digitale,
realizzando una maggiore velocità di trasmissione (qualche centinaio di Mbps
contro qualche decina di kbps dei normali modem)
t
0
1
0
1
1
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Topologia delle reti di calcolatori
Topologia delle reti di calcolatori
Def. la struttura geometrica di una rete di
calcolatori
Si rappresenta graficamente:
Ogni calcolatore o periferica della rete è identificata da un
“punto” chiamato “nodo”
Se due calcolatori della rete sono fra loro collegati, si traccia
una linea (“arco”) congiungente i relativi nodi
Due nodi non congiunti da archi rappresentano due
calcolatori non collegati tra loro direttamente, ma l’uno può
comunicare con l’altro attraverso un opportuno percorso
lungo la rete
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Rete a stella
l’elaboratore centrale è il più potente
la gestione della comunicazione è semplice
vulnerabilità: se il nodo centrale non funziona, ogni
altro nodo è isolato
Rete ad anello
tutti i nodi hanno la stessa importanza
i messaggi viaggiano lungo l’anello, ogni nodo
trattiene quelli indirizzati a lui
se un nodo non funziona, si può invertire la direzione
dei messaggi
problema: lentezza
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Topologia delle reti di calcolatori (cont.)
Rete a bus
in ogni istante il bus è dedicato a due nodi della
rete, gli altri non possono trasmettere
Topologia irregolare
possono esistere più percorsi possibili tra due
nodi qualsiasi
affidabilità in caso di malfunzionamento di un
nodo
tipica di reti di grandi dimensioni (WAN), mentre
le topologie precedenti sono usate per MAN e
WAN
alcuni nodi svolgono la funzione di router, cioè
smistano i dati tra gli altri nodi
La comunicazione tra nodi avviene mediante lo scambio di messaggi,
secondo protocolli comuni
I messaggi vengono suddivisi in pacchetti
sequenze di byte, in genere di lunghezza fissa
struttura: byte di controllo all’inizio e alla fine, dati al centro
byte di controllo: inizio pacchetto, mittente, destinatario, controllo di correttezza,
termine del messaggio
Fine
Controllo
Parte utile
D M Inizio
Controllo di correttezza
meccanismi che consentono di rilevare se uno o più bit sono stati alterati durante la
trasmissione
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Reti commutate per l’instradamento dei
pacchetti
Instradamento o “routing”
Reti a topologia irregolare:
se il percorso dei pacchetti tra due nodi è predefinito : routing statico
se non è predefinito: routing dinamico
I pacchetti vengono trasferiti:
al nodo destinatario se è adiacente al nodo in cui si trovano
ad un nodo adiacente in un percorso verso il destinatario altrimenti
Routing dinamico: ogni nodo deve scegliere il percorso
migliore per i pacchetti in transito
algoritmi di routing: tengono conto della lunghezza del percorso, del
traffico, della possibile indisponibilità di alcuni nodi
più complesso, ma anche più affidabile e flessibile del routing statico
Messaggi e pacchetti
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Il collegamento tra due punti viene stabilito su richiesta attraverso
commutatori
esempio: digitando il numero di telefono
Commutazione di circuito
il collegamento fisico tra mittente e destinatario viene stabilito su richiesta, e dura per
tutto il tempo della connessione
è utilizzato per le comunicazioni telefoniche (voce)
Commutazione di pacchetto
le connessioni vengono stabilite e rilasciate per ogni singolo pacchetto
i pacchetti di uno stesso messaggio vengono spediti indipendentemente l’uno
dall’altro
– possono seguire percorsi diversi
– possono essere spediti in qualsiasi ordine
Tipi di collegamento
simplex: i dati fluiscono in un’unica direzione prefissata
half duplex: i dati fluiscono alternativamente nelle due direzioni
full duplex: i dati fluiscono contemporaneamente nelle due direzioni
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Protocolli di comunicazione
Il protocollo ISO/OSI
Regole di comunicazione tra due interlocutori
Nelle reti di calcolatori sono molto complessi
devono tener conto di diversi aspetti (comunicazione tra applicazioni,
routing, connessione fisica) e devono consentire la comunicazione tra
calcolatori anche molto diversi tra loro
Sono definiti come standard internazionali
Il più diffuso è il protocollo ISO/OSI
International Standard Organisation (ISO)
Open System Interconnection (OSI)
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E’ un modello di riferimento per protocolli reali
E’ organizzato in sette livelli: ognuno rappresenta una
macchina astratta con funzionalità ben definite
Applicazione: servizi come posta elettronica, trasferimento di file
Presentazione: conversione di codici e formati (es.: da ASCII a
UNICODE)
Sessione: apertura e chiusura del dialogo
Trasporto: suddivisione dei dati in pacchetti, ricostruzione dei dati
Rete: controlla il routing dei singoli pacchetti
Collegamento: controlla la trasmissione corretta di sequenze di bit
Fisico: controlla i dettagli hardware dei mezzi fisici utilizzati per la
trasmissione (doppino, fibra ottica ecc.)
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Esempio di trasferimento di file con il
protocollo ISO/OSI
Il protocollo ISO/OSI (cont.)
Applicazione
I livelli fisico e di collegamento sono realizzati in hardware, gli
altri in software
Ogni livello (eccetto quello fisico) ha l’impressione di
dialogare con il livello corrispondente del destinatario, tramite
l’interfaccia fornita dal livello sottostante (macchina astratta)
comunicazione end to end o peer to peer (da pari a pari)
Presentazione
tra processi del calcolatore mittente e del destinatario (dal livello applicazione
a trasporto)
tra processi o dispositivi fisici (come modem e interfacce di rete) di calcolatori
su nodi adiacenti della rete (dal livello rete al livello fisico)
Usa formato ASCII
Sessione
Apri dialogo
Trasporto
Segmenta il file
in pacchetti
Rete
I protocolli stabiliscono una comunicazione:
Invia file
Collegamento
Fisico
Instrada
un pacchetto
Spedisci un pacchetto
tra due nodi adiacenti
Invia una sequenza di bit
lungo la linea fisica
Ricevi file
Usa formato HTML
Applicazione
Presentazione
Chiudi dialogo
Sessione
Ricostruisci la
sequenza dei pacchetti
Trasporto
Ricevi
un pacchetto
Controlla gli errori
del pacchetto ricevuto
Ricevi una sequenza di
bit lungo la linea fisica
Rete
Collegamento
Fisico
Percorso reale dei dati
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Percorso virtuale dei dati
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internet e Internet
Breve storia di Internet
Come visto, una rete è caratterizzata da:
Infrastrutture hardware: collegamenti fisici tra calcolatori
Infrastrutture software: servizi per la diffusione, la gestione e il controllo
dell’informazione
Esistono numerose reti, pubbliche e private
La connessione di più reti è definita “internet”
La rete Internet è una particolare internet, estesa a livello
mondiale
20 milioni di calcolatori e 120 milioni di utenti nel 2000
servizi principali della rete Internet: scambio di file, posta elettronica,
World Wide Web (WWW)
si accede attraverso un provider
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I protocolli TCP/IP
Anni ’80: ARPANET si divise in MILNET (applicazioni
militari) e CSNET (ricerche in ambito informatico)
CSNET collegò tutte le facoltà universitarie USA
rete analoga in Italia: rete universitaria GARR
Alla fine degli anni ’80 CSNET si aprì ad applicazioni
commerciali, diventando Internet
primi provider: CompuServe e MCI
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Ogni nodo (elaboratore) di Internet ha un proprio
indirizzo IP
livello di trasporto (4): protocollo TCP (Transfer Control Protocol)
livello di rete (3): protocollo IP (Internet Protocol)
Tutti i calcolatori collegati a Internet utilizzano TCP/IP
TCP
4 byte (4 numeri, ciascuno fra 0 e 255, separati da un punto)
Ad es., il server web del DIEE ha indirizzo 192.167.131.7
i dati da trasmettere sono suddivisi in pacchetti di identica lunghezza
ogni pacchetto è inviato separatamente: i pacchetti di uno stesso messaggio
possono seguire percorsi diversi, ed essere inviati in qualsiasi ordine
IP
gestisce il routing dei singoli pacchetti (dinamico)
– Può modificare una route se una connessione viene interrotta o in
base alle condizioni di traffico
(ARPA = Advanced Research Projects Agency)
Il protocollo IP: indirizzi Internet
I protocolli principali corrispondono ai livelli 3 e 4 ISO/OSI
affidabilità: più del 99% dei pacchetti giunge a destinazione
velocità: pochi minuti al massimo
Anni ’70 ARPANET: rete nazionale USA dedicata alla
ricerca con una dozzina di nodi
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Internet è suddivisa in reti e sottoreti
I primi due numeri 192.167 dell’indirizzo IP indicano una rete
(nell’esempio la rete dell’Università di Cagliari)
il terzo numero 131 indica una sottorete (il DIEE)
il quarto numero 7 identifica l’elaboratore all’interno della sottorete
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I principali protocolli basati su TCP/IP
per i servizi Internet
Indirizzi IP simbolici
Normalmente a ciascun indirizzo numerico è associato un nome
simbolico
sequenze di caratteri separate da un punto
[email protected]
utente
dominio
l’ultima parte identifica la tipologia o la localizzazione geografica (it = italia, com =
commerciale, edu = istruzione, ecc.)
spostandoci più a sinistra l’indirizzo diventa più specifico per indicare la rete (es.
unica), la sottorete (es. diee), eventualmente l’elaboratore (es. newmail)
La trasformazione da simbolico a numerico e viceversa è eseguita
dai DNS (Domain Name Server), elaboratori che contengono le
tabelle di conversione
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Altri servizi
telnet
connessione ad un nodo generico alla rete attraverso l’interprete dei
comandi
permette di avviare l’esecuzione di processi sul nodo a cui si è
connessi
è necessario avere i permessi di accesso (ovvero essere utenti) di
entrambi i nodi
ftp (file transfer protocol)
trasferimento di file tra due nodi
approccio client (nodo locale, cioè il computer da cui si richiede il
servizio) – server (nodo remoto, cioè il computer su/da cui si intende
trasferire i file)
non è necessario essere utenti del nodo remoto grazie alla
connessione “anonymous”
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Il servizio di posta elettronica (e-mail)
Messaggio: insieme di caratteri di lunghezza e contenuto arbitrari
Streaming
Basato su protocollo Real-Time Protocol (RTP)
Riproduzione di file audio/video in tempo reale, senza necessità di
«scaricarli» prima sul client
Trasmesso da un mittente (from) a uno o più destinatari (to) espressi attraverso indirizzi e-mail
– Indirizzi e-mail nello stesso formato degli indirizzi IP
In copia (CC) oppure copia nascosta (BCC) ad altri destinatari
– Esistono mappature di più utenti destinatari attraverso un unico indirizzo e-mail
(mailing list)
Caratterizzato da un titolo (subject) che ne sintetizza il contenuto
Voice over IP (VOIP)
Tecniche per la comunicazione via voce su Internet
Protocolli pubblici (RTP o SIP) o proprietari (Skype)
Invio messaggi: smtp (simple mail transfer protocol)
Si basa sulla comunicazione di due processi (mailer) tra nodo mittente e destinatario
– Es. Outlook oppure Eudora
Non è necessario che l’utente destinatario sia connesso
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Ricezione messaggi: pop (post office protocol)
L’utente attiva il proprio mailer che si connette al nodo (server) dove sono
memorizzati i messaggi in arrivo, che li trasferisce nel computer dell’utente
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Il World Wide Web (WWW)
Il World Wide Web (cont.)
Sistema per la gestione di documenti ipertestuali e
multimediali su Internet
sviluppato al CERN, diventato poi standard di Internet
ipertesti: documenti in cui parole o frasi rimandano ad altre parti del
documento (navigazione)
documento multimediale: composto da testi, suoni, immagini
i documenti WWW possono essere localizzati su diversi nodi, e vengono
visualizzati da software (livello applicazione ISO/OSI) detti browser
i documenti WWW di ogni nodo sono gestiti da un server WWW (software),
che risponde alle richieste dei browser (client remoti)
Il WWW si basa su tre standard
sistema di indirizzi URL (Uniform Resource Locator): sistema di indirizzi che
individua ogni risorsa della rete (documenti WWW, file, ecc.), e specifica il
protocollo con cui accedervi (usato ad es. anche per file con ftp)
protocollo di comunicazione tra client WWW e server WWW HTTP (HyperText
Transfer Protocol) (livello trasporto ISO/OSI)
linguaggio per la realizzazione degli ipertesti HTML (HyperText Markup
Language): definisce la struttura, il contenuto e l’aspetto grafico di un
documento ipertestuale, e consente la definizione di link (collegamenti) ad
altri documenti
I browser (livello applicazione ISO/OSI) visualizzano i
documenti ipertestuali e consentono la navigazione
Netscape Navigator, MS Internet Explorer, ecc.
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Il sito di Fondamenti di Informatica
Il World Wide Web (cont.)
Siti web
un sito è un documento ipertestuale organizzato in un insieme gerarchico di
pagine collegate tra loro
nel server web le pagine sono memorizzate come file all’interno di directory
la pagina iniziale (al livello più alto della gerarchia) è detta home page
lo URL di ogni pagina è costituito dall’indirizzo IP del nodo su cui si trova il
server, seguito dal path name del file in cui è memorizzata la pagina
esempi:
sito dell’Università di Cagliari (URL: http://www.unica.it)
sito
del
corso
di
Laboratorio
di
Informatica
(http://www.diee.unica.it/~marcialis/LI)
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40
Esempio di codice HTML (dal sito di
informatica)
Per saperne di più…
Ceri, Mandriola, Sbattella, “Informatica – arte e mestiere”,
McGraw-Hill 1999, ISBN 88 386 0804-0, Capitolo 15
I servizi Internet
Ceri, Mandriola, Sbattella, “Informatica – arte e mestiere”,
McGraw-Hill 1999, ISBN 88 386 0804-0, Capitolo 16
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Capitolo 5. Reti di calcolatori. - Ingegneria elettrica ed elettronica

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