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Appunti sulle reti di telecomunicazioni, modi di trasferimento dei dati, reti WAN, Protocolli ad accesso causale, standar 802.11 / 16, Mobile IP, segnalazione e commutazione, TDM, teoria delle code (cenni)
Tipologia: Appunti
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Premessa
Salve, mi chiamo Giancarlo è come si può immaginare sono uno studente di ingegneria che si diletta nello scrivere appunti relativi ai corsi tenuti dai professori di ingegneria presso l’università Roma Tre. Questa non è la prima volta che scrivo un elaborato ma tengo sempre a precisare che io sono uno studente e non un professore perciò le mie dispense, se così le vogliamo chiamare, sono da prendere con il beneficio del dubbio, ovvero la probabilità che all’interno di queste ci siano errori non è sicuramente nulla. Inoltre esse non rappresentano (e mai lo faranno) un libro di testo sul quale ci si può basare il proprio studio per superare l’esame della materia corrispondente, ma al contrario esse devono servire esclusivamente per avere un’idea generale degli argomenti trattati a lezione. Ricordatevi che un libro è sempre un libro, non solo perché è scritto da persone competenti, ma anche perché è scritto in maniera piu’ fluida soffermandosi anche su aspetti e esempi per rendere piu’ chiaro possibile l’argomento trattato, cosa che nelle mie dispense non capita spesso perché scrivo solo ciò che il professore spiega a lezione, cercando si di collegare tutto quello che è possibile ma con il risultato sempre approssimato perché la mia preparazione è ancora da affinare. Proprio per questo motivo che invito i lettori delle mie dispense ad integrare con un libro di testo o con altro materiale ritenuto adatto questi miei appunti. Grazie
Giancarlo.
Capitolo 1
Le Reti di telecomunicazioni
I protocolli di rete sono procedure o complessi di regole che consentono di gestire il trasferimento dei dati in modo corretto. Quelli esistenti sono di diverso livello, di conseguenza, secondo il tipo di collegamento che s’intende effettuare, si utilizzano uno o piu’ protocolli di natura differente. Si supponga di avere due utenti (che per semplicità saranno chiamati A e B) che hanno necessità di scambiare informazioni nella direzione da A a B (l’utente A trasferisce a B). L’utente A invia un segnale all’utente B tramite un canale di comunicazione qualsiasi, il quale introduce un rumore che rende il segnale ricevuto dall’utente B diverso da quello inviato da A. Come detto, l’utente destinatario non vede piu’ il segnale originario trasmesso all’inizio, ma vede un segnale che in qualche modo è molto simile a quello di partenza. La similitudine dei due segnali dipende da quanto rumore è stato aggiunto al segnale iniziale e, tanto piu’ questo è basso quanto piu’ si potrà affermare che l’utente B ha ricevuto il segnale contenente l’informazione giusta. Tra l’utente A e l’utente B si è dunque instaurata una comunicazione che ha permesso il trasferimento delle informazioni secondo delle convenzioni prestabilite. Una Telecomunicazione è una qualsiasi comunicazione di segnali che rappresentano segni, scritture, immagini, suoni o informazioni di qualsiasi tipo attraverso un mezzo di telecomunicazione come l’etere o un semplice cavo (coassiale, doppino, …, ecc). In particolare si presterà attenzione alle reti di telecomunicazioni come ad esempio le reti LAN, Wi-Fi, Internet, le quali offrono a chi le usa dei servizi notevoli come teleconferenze, diffusioni audio-video, scambi peer to peer e tanto altro. I principali attori di una rete di telecomunicazione sono tre, in particolare:
Intuitivamente, per fare comunicare due utenti generici, basterebbe che essi fossero collegati attraverso un mezzo di comunicazione e che i due avessero a disposizione un dispositivo in grado di trasformare la loro informazione in un segnale. La figura 1 mostra due utenti che si scambiano l’informazione “CIAO” tramite l’ausilio di due computer collegati attraverso un normale doppino telefonico. E’ evidente che quest’esempio è giusto perché i due utenti riescono a scambiare tra loro le informazioni necessarie ma, nello stesso tempo, ci mostra anche che una rete di telecomunicazione non è proprio fatta in questo modo perché ci sono molti punti che non quadrano, come ad esempio se si pensa alla rete Internet ci si accorge che:
Ognuno dei tre utenti ha la possibilità di comunicare con l’altro, ma visto che A parla molto spesso con B e a sua volta B è felice di conversare spesso con A, viene dedicato un percorso ridondante tra i due utenti in modo tale che, se si dovesse interrompere un collegamento ne esiste sempre un altro che permette di non fare isolare i due utenti. La ridondanza inserita nella rete permette dunque di far comunicare due utenti anche se un percorso non dovesse funzionare. Esiste però l’inconveniente di avere una rete piu’ pesante, cioè si presenta il problema di avere un numero maggiore di rami all’interno della rete stessa. D’altro canto se si avesse una struttura ad albero come quella in figura 4, la rete sarebbe sicuramente piu’ leggera perché composta da soli due rami, ma la rottura di uno di essi porterebbe all’isolamento di un utente, per la precisione se si rompesse il ramo 1 rimarrebbe isolato B, mentre se si rompesse il ramo 2 rimarrebbe isolato l’utente C.
In generale se risulta che il traffico tra due utenti generici X ed Y sia elevato, allora si ricorre all’uso di piu’ ridondanze tra i due, viceversa se tale traffico è limitato si elimina ogni ridondanza in modo tale da alleggerire il piu’ possibile la rete da rami inusati. Una rete è dunque composta da un certo numero di nodi (interni ed esterni) ed un certo numero di rami disposti entrambi in modo appropriato e in essa si può distinguere una sezione interna e una sezione di accesso. La prima riguarda la parte di rete costituita dai soli nodi interni e rami, mentre la seconda permette l’accesso alla sezione interna mediante l’utilizzo di tecnologie differenti (Wi-Fi, rame, fibre ottiche).
In una rete di telecomunicazione è possibile inviare 3 tipologie di informazioni:
Nel paragrafo precedente si è visto che una rete di telecomunicazione è formata da un numero m di nodi ed un numero n di rami posti in una certa maniera. Si supponga che la rete di cui si parla sia fatta come quella disegnata in figura 5.
L’utente A può comunicare con B attraverso 2 percorsi uno alternativo all’altro, indicati con i numeri 1,2. Quello che verrà fatto in questo paragrafo sarà valutare in termini di tempo cosa comporta la scelta di un percorso invece di un altro.
A prescindere dal percorso che il segnale è costretto a percorrere esiste sempre un tempo di ritardo dovuto alla propagazione del segnale all’interno del mezzo trasmissivo; questo tempo è tanto piu’ grande quanto piu’ è lungo il percorso e non è eliminabile in alcun modo. In una rete di telecomunicazione è assai improbabile che due nodi esterni siano collegati tra di loro in modo diretto da un mezzo trasmissivo ma, sicuramente, esiste una rete piu’ o meno complessa formata da un certo numero di nodi interni ed un certo numero di rami. Un esempio di rete può essere quello proposto in figura 6 dove i nodi interni, come detto in precedenza, hanno il compito di elaborare i segnali degli utenti, ma nel fare questo hanno bisogno di un certo tempo t che comporta l’arrivo ritardato del segnale verso il destinatario B. E’ chiaro che, piu’ è maggiore il numero di nodi presenti all’interno del percorso piu’ il tempo di ritardo dovuto all’elaborazione dei segnali da parte dei nodi è alto.
Oltre ai ritardi di elaborazione e di propagazione ne esiste un altro chiamato ritardo di coda che si manifesta quando un nodo è impegnato ad elaborare un segnale e nello stesso istante gliene arriva un altro. Ovviamente non è possibile elaborare contemporaneamente due segnali, così l’ultimo che è arrivato viene inserito in coda e poi elaborato quando il nodo è libero. Praticamente la coda non è altro che una memoria nella quale vengono memorizzati i nuovi dati in arrivo e, se per qualche motivo è intasata o piena, tutti i dati che arrivano successivamente vengono persi perché non è possibile salvarli. Ultimo tipo di
La modalità principale di classificazione delle reti di telecomunicazioni si basa sulla estensione della rete stessa, cioè sull’ampiezza dell’area geografica che la rete copre. Sulla base del parametro distanza tra due elementi appartenenti alla rete si possono distinguere tre tipologie di rete:
Oltre alla classificazione per distanza ne esistono altre secondarie che si basano su alcune proprietà che le reti hanno, ad esempio è possibile ancora dividere i vari tipi di rete in due categorie in base ai servizi che offrono:
Altra classificazione che viene fatta è quella in cui si distingue la rete in base al terminale con cui vi si accede e si inviano o ricevono flussi. In base a questa proprietà si classificano due reti:
Questo paragrafo sulla tassonomia è puramente illustrativo quindi per chi volesse ampliare le conoscenze su tale argomento si consiglia di adottare un testo ben piu’ fornito al riguardo.
Lo standard aiuta molto l’espansione di un prodotto nel mercato perché se un qualsiasi oggetto è costruito secondo un certo standard allora le sue interfacce di ingresso e uscita sono definite a priori. Uno standard dà informazioni sul servizio che l’oggetto deve offrire, dice come sono fatti ingresso e uscita ma non dà alcuna indicazione su come deve essere implementato internamente l’oggetto in questione. Il fatto che lo standard non dica niente riguardo l’implementazione interna di un componente è importante perché lascia libero chi costruisce l’oggetto di usare nuove tecnologie. Nel campo delle telecomunicazioni esiste un organismo denominato ITU (International Telecommunication Union) che ha il compito di produrre delle Raccomandazioni su come implementare un oggetto. Tali raccomandazioni però non sono dei vincoli restrittivi che impongono regole ferree ma, come dice la stessa parola, sono delle raccomandazioni, delle linee guida per le azienda che dicono cosa fare ma non come. Oltre all’ITU esiste un’altra organizzazione mondiale chiamata ISO, la quale produce anch’essa delle norme. Per quanto riguarda Internet lo standard che viene usato si chiama IETF (www.ietf.org) e funziona in modo libero, cioè chiunque può partecipare allo sviluppo delle rete Internet sottomettendo degli Internet-draft producendo degli standard denominati RFC. È grazie a questo tipo di standard che Internet si è evoluto in una maniera spaventosa nell’arco di 10-15 anni, proprio per il fatto che Internet è un sistema libero e tutti possono contribuire al suo miglioramento.
Capitolo 2
Modi di trasferimento
Nel capitolo 1 si è data una panoramica introduttiva delle reti di telecomunicazioni ed in particolare si è visto che una qualsiasi rete è costituita da due elementi essenziali, il ramo ed il nodo. In questo capitolo invece si cercherà di capire come sia possibile trasferire dati informativi grazie alle funzioni svolte da questi due componente, in particolare si vedranno quali sono le modalità di trasferimento dei dati e quali sono le tecniche piu’ usate. Per trasferire dati attraverso una rete bisogna tener conto di 2 fattori, elencati qui di seguito:
Nel caso di soli due utenti che utilizzano una rete dedicata ad un solo servizio i due problemi elencati non hanno alcun senso perché ognuno dei due è sempre pronto a inviare o ricevere il flusso di dati. Questa ipotesi è però poco logica perchè usare i servizi di rete per soli due utenti rende la validità del sistema rete nulla sia in termini di prestazioni che in termini economici e vantaggiosi. Quello che veramente ci si propone è cercare di usare al 100% la rete in ogni momento, quindi di attivare una certa strategia che permetta l’uso delle rete quando ad esempio c’è una pausa tra una comunicazione ed un’altra tra due utenti collegati alla rete. Per comprendere meglio il concetto si segua l’esempio seguente. Si hanno 4 utenti i cui nomi sono A,B,C,D e si ha a disposizione una rete di telecomunicazione. Gli utenti A e B, come gli utenti C e D, devono comunicare tra di loro nello stesso tempo e per farlo devono usare la stessa risorsa, il mezzo di trasmissione. I primi due (A-B) cominciano a scambiarsi dei flussi informativi e, tra un flusso ed un altro, intercorre un lasso di tempo in cui il mezzo di trasmissione rimane inusato. In questo arco di tempo in cui la rete è in disuso è possibile trasferire i flussi informativi relativi alla comunicazione tra gli utenti C e D, in questo modo si sfrutta la rete al 100% e tutti gli utenti possono comunicare tra di loro allo stesso tempo (vedi fig.7).
A meno che non sia specificato, nella descrizione che seguirà si supporrà che la condivisione del canale avvenga esclusivamente con tecnica a divisione di tempo TDM, la quale opera fondamentalmente mediante una delle due seguenti tecniche:
Il multiplatore ordina i flussi delle n sorgenti presenti all’ingresso e li mette insieme per poi immetterli sul canale che li trasporterà a destinazione. Solo se la trasmissione è resa ordinata è possibile capire se un pacchetto appartiene ad una sorgente o ad un’altra. Tra
informativi appartenenti a sorgenti diverse per non confonderli. Inoltre è presente anche
flusso informativo appartenente ad una certa sorgente (vedi figura 10).
La multiplazione sincrona TDM, o S-TDM, prevede l’assegnazione della banda in parti uguali ad ogni coppia sorgente-destinazione presente. Essendo l’asse dei tempi diviso in slot con struttura di trama, le unità informative sono trasmesse periodicamente da ogni sorgente. La banda garantita ad ogni coppia sorgente-destinazione, denominata canale base, assicura che il trasferimento delle U.I. per ogni coppia sorgente destinazione avvenga con un certo ritardo costante. Questa soluzione gode dunque di trasparenza temporale. La tecnica S-TDM è usata nella rete telefonica a commutazione di circuito. S’introduce ora la simbologia necessaria a descrivere i sistemi di multiplazione S-TDM, in particolare si indicano con:
Nella multiplazione asincrona (o dinamica) l’allocazione della banda viene solamente prenotata e non assegnata in modo esclusivo ai singoli utenti perché le sorgenti supportate da questo tipo di multiplazione sono sorgenti intermittenti con un fattore di burstiness B inferiore ad 1, cioè la frequenza media di emissione dei bit è inferiore di molto alla frequenza di cifra con cui le U.I. vengono emesse. Tale tecnica, visto che non prevede un’assegnazione della banda ma solo una prenotazione, implica la possibilità di contese di utilizzazione con la conseguenza che una U.I. sia trasmessa subito se il canale è libero oppure sia memorizzata se il canale è occupato. È proprio per questo motivo che sono previste all’interno dei nodi della rete delle unità di memorizzazione. Nel trasporto delle U.I. si può avere una degradazione dell’integrità informativa in quanto se una unità di memoria è satura, eventuali U.I. indirizzate alla stessa uscita di quelle che riempiono la memoria vengono perse. In questo caso i tempi di ritardo di una trasmissione sono variabili perché dipendono dal tempo di attesa delle unità informative all’interno dei nodi, di conseguenza questa tecnica manca di trasparenza temporale. La tecnica A-TDM consente di ottimizzare l’utilizzazione del canale trasmissivo in presenza di sorgenti bursty anche se ciò implica due limitazioni in termini di prestazioni: ritardo di trasferimento variabile e possibile perdita delle unità informative.
Nei paragrafi precedenti si sono studiate le modalità con le quali si possono condividere le risorse trasmissive, adesso invece si vedranno quali sono le modalità secondo cui le unità informative attraversano i nodi. La commutazione è una tecnica che si riferisce essenzialmente ai nodi interni di una rete ai quali possono accedere diversi rami su cui viaggiano le unità informative. Ogni unità informativa deve essere destinata ad un particolare destinatario, quindi, quando ad un nodo arriva una u.i. da un ramo, quest’ultimo si attiva e sceglie il percorso piu’ adatto da far percorrere alla U.I. in questione. La commutazione è pur sempre un’operazione che comporta un tempo di ritardo di elaborazione e che quindi deve avvenire velocemente in modo tale da rendere minimo il
Invece in una connessione non orientata (connectionless) ogni pacchetto è pensato come un’unità informativa a se stante, dunque ognuno di essi segue una strada differente all’interno della rete per poi arrivare a destinazione. Il fatto che ogni pacchetto segua una strada differente può voler dire che l’arrivo presso il destinatario non sia del tutto ordinato perché arriva per prima l’u.i. che ha percorso il tragitto piu’ breve. Ovviamente in ricezione è necessaria la presenza di un componente che sia in grado di riordinare i flussi informativi come erano stati inviati in partenza, ma per fare questo ogni pacchetto deve essere numerato.
La commutazione, che sia a circuito o a pacchetto, non fa altro che creare un canale tra la sorgente e la destinazione con l’unica differenza che in una commutazione a circuito il canale che si crea è un canale fisico formato da risorse fisiche, mentre in una commutazione a pacchetto il canale è formato da risorse virtuali.
La commutazione effettua due tipi di operazioni:
sia guasto o intasato, di conseguenza se il nodo legge la tabella di routing decide di non instradare il pacchetto verso il percorso rotto ma di scegliere una via alternativa che faccia comunque arrivare a destinazione l’informazione. L’instradamento può avvenire con connessione orientata e quindi tutti i pacchetti seguono un unico percorso, oppure senza connessione nella quale ogni pacchetto è indipendente e segue un suo percorso.
Una comunicazione tra due utenti che avviene mediante l’invio di dati attraverso una rete risulta essere affidabile se in qualche modo è garantita l’integrità dell’ordinamento dei pacchetti inviati. Affinché questo avvenga è necessario fare affidamento a dei protocolli, detti protocolli affidabili, i quali gestiscono appunto l’affidabilità della comunicazione. Alle volte però può anche capitare che tali protocolli non siano del tipo affidabili, ma in questo caso si creano dei meccanismi a livello superiore che garantiscono l’affidabilità ritrasmettendo i dati se questi vengono richiesti dall’utente in ricezione (refresh di una pagina web ad esempio). Di conseguenza la trasmissione dati può avvenire in tempo reale (real time), nella quale non è possibile richiedere la ritrasmissione dei dati, oppure in differita dove invece è possibile ritrasmettere le informazioni se necessario. Altra distinzione che viene fatta è vedere se la trasmissione è orientata al messaggio e quindi avviene a blocchi, oppure se è di tipo streaming nella quale i dati arrivano in modo continuo senza alcuna interruzione. In qualsiasi tipo di trasmissione è importante capire se i dati che sono stati ricevuti sono gli stessi che si sono inviati, quindi è importante verificare la qualità del sevizio. In ricezione si rende allora necessaria la presenza di una circuiteria in grado di controllare i dati che arrivano dalla rete e di inviare l’esito del controllo. La trasmissione sotto questo punto di vista risulta essere piu’ affidabile perché il controllo permette di essere sicuri che a destinazione siano arrivati i dati inviati ma, allo stesso tempo, si ha anche lo svantaggio di avere un tempo di ritardo piu’ lungo perché sia il controllo effettuato sui dati che l’invio dell’esito verso la sorgente fa aumentare il tempo di arrivo dell’informazione complessiva. Per rendere il piu’ possibile piccolo tale tempo, all’interno del protocollo viene inserita una regola nella quale viene scritto che se la sorgente non riceve nessun riscontro dal destinatario allora la trasmissione è andata a buon fine. In poche parole il riscontro dell’invio viene mandato indietro solo se veramente i dati ricevuti sono corrotti o errati.
Come definito al capitolo 1 un protocollo di comunicazione è un insieme di regole che definiscono le modalità d’interazione tra piu’ sistemi. Generalmente questi sistemi sono distinti tra di loro e, all’interno di una qualsiasi rete, si possono identificare come nodi di trasferimento o nodi d’accesso (terminali). Si parla invece di architettura protocollare facendo riferimento alla gerarchia che esiste tra i vari protocolli. Il modello funzionale base che si usa spesso per descrivere l’organizzazione tra i protocolli è quello definito dall’ISO, ma non è l’unico perché ad esempio per Internet viene usato un altro modello che prende il nome di TCP/IP. All’interno delle architetture protocollari si hanno un insieme di funzioni organizzate in strati (o livelli); quanti strato e quante funzioni sono presenti dipende dal
Poiché il mezzo trasmissivo è interfacciato solo con lo strato 1, l’entità del livello n del sistema A può comunicare con l’entità del sistema B del medesimo livello solo usufruendo delle funzioni fornite dagli n-1 livelli al di sotto di esso e delle funzioni fornite dagli n-1 livelli al di sotto del livello n del sistema B; ovviamente l’entità del sistema A dovrà anche servirsi del mezzo di comunicazione se vorrà comunicare con l’entità del sistema B. Quanto detto ci fa capire che l’informazione inviata, prima di arrivare all’entità del sistema B, viene elaborata da tutte le entità sottostanti. Nel modello definito OSI, che verrà descritto nel paragrafo successivo, l’interfacciamento tra strati è consentito solo se essi questi ultimi sono adiacenti e le modalità di interlavoro tra le entità sono indipendenti dalle tecniche d’implementazione delle funzioni associate ai livelli. Ogni strato usufruisce dei servizi resi dagli strati inferiori e aggiunge i suoi, ottenendo così per lo strato immediatamente superiore un valore aggiunto di servizi. È importante ricordare che lo strato superiore non conosce le modalità con le quali lo strato inferiore svolge le proprie funzioni, ma conosce solo l’interfaccia con la quale può interagire con il livello sottostante. Le modalità di scambio d’informazioni tra le n-entità sono gestite dal protocollo di strato n chiamato appunto n-protocollo e che contiene una:
La comunicazione tra due entità appartenenti a due strati adiacenti avviene grazie alla connessione virtuale N-SAP (Service Access Point) messa a disposizione dalle entità di livello inferiore. Le informazioni che due entità si scambiano sono chiamate primitive e possono essere di 4 tipi:
Ogni strato partecipante allo scambio di dati aggiunge ogni volta all’informazione base un indirizzo contenente nuove informazioni che man mano diventano sempre piu’ dettagliate ogni qualvolta che i dati passano da uno strato ad un altro. L’informazione di controllo viene data direttamente dal protocollo, quindi nello strato n si avrà la somma delle informazioni ricevute dallo strato precedente piu’ le informazioni di controllo aggiunte dallo strato stesso; l’informazione totale è detta informazione di strato e sarà diretta allo strato successivo. Man mano che si scende di livello verso il livello fisico le informazioni di controllo aumentano e di conseguenza anche le dimensioni dei dati. Vengono ora definiti tre tipo di servizi di cui una SAP:
In sintesi si può dire che:
Una prima classificazione che viene applicata ai diversi strati appartenenti ad una architettura protocollare consiste nel distinguerli in:
La differenza tra un protocollo d’accesso e uno di trasferimento sta nel fatto che il primo gestisce l’interazione tra entità localizzate nei terminali esterni e quelle risiedenti negli apparati di rete, il secondo invece regola i trasferimento tra entità appartenenti a strati di trasferimento, sia che essi siano nodi di accesso o nodi di transito. Occorre ulteriormente precisare che uno stesso strato può eseguire diverse funzioni a seconda del tipo di informazione che deve trattare. In base a quanto detto, in una rete di telecomunicazione si possono distinguere due tipologie di strati:
Il modello OSI dell’ISO è stato il primo a introdurre il concetto di architettura protocollare a strati. Esso è formato da 7 sette strati i cui nomi sono riportati di seguito: Partendo dallo strato piu’ basso si ha:
