Sistemi telematici (reti TLC), Appunti di Reti Telematiche

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Pagina I

Sistemi telematici

Slides, appunti e libro

Gaido Marco

II

Indice

• Introduzione. Definizioni e concetti di base Indice II
• 1 Rappresentazione dell’informazione
  • 1.1 Cos’è l’informazione?........................................................................................................
  • 1.2 Il segnale analogico
    • 1.2.1 Cos’è il segnale analogico?
    • 1.2.2 Analisi spettrale
  • 1.3 I mezzi trasmissivi
  • 1.4 L’informazione audio
  • 1.5 L’informazione video
  • 1.6 L’informazione numerica
    • 1.6.1 La conversione analogico/numerica
    • 1.6.2 La numerizzazione del segnale vocale
    • 1.6.3 I codificatori audio
    • 1.6.4 I codificatori video
  • 1.7 La misura dell’informazione
• 2 Le reti di telecomunicazione
  • 2.1 La trasmissione dei dati
  • 2.2 La tassonomia delle reti
  • 2.3 La topologia delle reti di telecomunicazione
    • 2.3.1 Le possibili topologie
    • 2.3.2 Topologia logica e topologia fisica
    • 2.3.3 Topologie e prestazioni
  • 2.4 I servizi nelle reti di telecomunicazioni
  • 2.5 Tecniche di gestione
  • 2.6 Qualità di servizio
• 3 Modi di trasferimento nelle reti di telecomunicazioni
  • 3.1 La condivisione di canale
  • 3.2 La condivisione di un nodo
    • 3.2.1 La commutazione a circuito
    • 3.2.2 La commutazione di pacchetto
  • 3.3 Tecniche di segnalazione
    • 3.3.1 Segnalazione associata al canale
    • 3.3.2 Segnalazione a canale comune
• 4 Le reti telefoniche
  • 4.1 Telefonia fissa tradizionale.............................................................................................. III
  • 4.2 Sistemi di trasmissione nelle reti telefoniche
    • 4.2.1 La gerarchia PDH
    • 4.2.2 Gli standard SDH e SONET
  • 4.3 La segnalazione..............................................................................................................
• 5 Le reti cellulari........................................................................................................................
  • 5.1 Principi generali
  • 5.2 La copertura cellulare
    • 5.2.1 Le celle
    • 5.2.2 Le tecniche di accesso multiplo
    • 5.2.3 Teorema di Shannon- Hartley
    • 5.2.4 Il riutilizzo delle frequenze
    • 5.2.5 Splitting
    • 5.2.6 Sectoring
    • 5.2.7 Tilting
    • 5.2.8 Tecniche di copertura cellulare
  • 5.3 Mobilità nelle reti cellulari
  • 5.4 Evoluzione della telefonia cellulare
• 6 Accesso a larga banda
• 7 Architetture di protocolli
  • 7.1 Introduzione
  • 7.2 Il modello OSI
  • 7.3 Introduzione alla rete Internet
  • 7.4 Lo strato fisico.................................................................................................................
  • 7.5 Tecniche di trasferimento affidabile.................................................................................
    • 7.5.1 Introduzione
    • 7.5.2 I protocolli a finestra: Stop and wait (S&W)
    • 7.5.3 I protocolli a finestra: Go Back N
    • 7.5.4 i protocolli a finestra: Selecitve Repeat
  • 7.6 Protocolli di accesso per reti locali: i protocolli di collegamento
    • 7.6.1 Introduzione
    • 7.6.2 I protocolli ad accesso casuale
    • 7.6.3 I protocolli ad accesso ordinato................................................................................
• 8 Gli standard e le reti locali
  • 8.1 IEEE
  • 8.2 Ethernet e IEEE 802.3
  • 8.3 L’interconnessione di reti locali IV
  • 8.4 Reti locali di nuova generazione
  • 8.5 Le reti locali wireless (Wi-Fi)
  • 8.6 Connessioni punto-punto
• 9 Lo strato rete in Internet
  • 9.1 Il protocollo IP
  • 9.2 ICMP
  • 9.3 Indirizzi IP
  • 9.4 Instradamento nelle reti IP
  • 9.5 Network Address Translation
  • 9.6 Come si ottengono gli indirizzi IP?
  • 9.7 IPv6
  • 9.8 La configurazione di host IP
  • 9.9 Instradamento
    • 9.9.1 Introduzione
    • 9.9.2 Gli algoritmi di instradamento...................................................................................
    • 9.9.3 I protocolli di instradamento in reti IP

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Introduzione. Definizioni e concetti di base

La comunicazione è il trasferimento di informazioni secondo convenzioni prestabilite. La telecomunicazione è una qualsiasi trasmissione e ricezione di segnali che rappresentano segni, scrittura, immagini e suono, informazioni di qualsiasi natura, attraverso cavi, radio o altri sistemi ottici ed elettromagnetici.

Un servizio di telecomunicazione è ciò che viene offerto da un gestore pubblico o privato ai propri clienti al fine di soddisfare una specifica esigenza di telecomunicazione. Ad esempio, gli apparecchi telefonici sono terminali di utenza collegati a una rete che fornisce servizi di telecomunicazione.

Le funzioni in una rete di telecomunicazioni sono le operazioni svolte all’interno della rete al fine di offrire i servizi. Le funzioni in una rete di telecomunicazione sono: la segnalazione, la commutazione, la trasmissione e la gestione.

Ad esempio, si esegue una funzione quando si alza la cornetta del telefono: si indica ala rete l’inizi di una procedura di chiamata. Così come il ritorno di centrale informa che l’operazione è avvenuta correttamente. Quindi, l’utente compone il numero e indica alla rete l’interlocutore desiderato alla rete. Questo trasferimento delle informazioni di controllo tra utente e rete si chiama segnalazione di utente. La segnalazione è lo scambio di informazioni che riguardano l’apertura, il controllo e la chiusura di connessioni e la gestione di una rete di telecomunicazione.

Un’altra funzione è la commutazione: la rete individua le risorse necessarie per collegare i due utenti e stabilisce un circuito. La commutazione è il processo di interconnessione di unità funzionali, canali di trasmissione o circuiti di telecomunicazione per il tempo necessario per il trasferimento di segnali. La costruzione di un circuito richiede scambio di informazioni di controllo internamente alla rete, ovvero una segnalazione di rete. Agli albori della telefonia, la segnalazione avveniva via voce tra un utente e la centralinista e la commutazione era manuale da parte della centralinista stessa.

Tutte queste operazioni sono funzionali a far sì che due utenti possano comunicare. Questo costituisce la trasmissione. La trasmissione è il trasferimento di segnali da un punto a uno o più altri punti.

Infine, ci sono le operazioni di gestione. Tra di esse rientrano l’allacciamento di nuovi utenti (modifica o aggiunta di apparati e/o canali), l’evoluzione tecnologica (sostituzione di apparati), la riconfigurazione per guasti, il monitoraggio delle prestazioni e il controllo degli apparati.

1 Rappresentazione dell’informazione

1.1 Cos’è l’informazione?

L’informazione è legata all’aumento di conoscenza. In natura, si trovano molti tipi di informazione. In particolare, si può distinguere tra le informazioni di tipo analogico e quelle di tipo digitale. Le sorgenti di informazioni analogiche generano segnali continui nel tempo e con infiniti valori possibili, compresi tra una massimo e un minimo. Al contrario, sorgenti di informazioni numeriche generano segnali discontinui nel tempo e discreti nei valori: possono assumere solo un numero finito di valori possibili.

frequenza minima, detta frequenza fondamentale, f 0 =1/T. Le altre frequenze sono dette armoniche del segnale. Quindi, trasformando secondo Fourier la funzione di autocorrelazione del segnale si ottiene la densità spettrale di potenza del segnale.

La densità spettrale di potenza (DSP) di un segnale è la distribuzione della potenza del segnale in funzione della frequenza f e viene comunemente chiamata spettro del segnale. L’unità di misura è il Watt/Hertz [W/Hz] e la potenza del segnale si ottiene facendo l’integrale dello spettro nella frequenza.

La DSP è particolarmente importante perché permette di capire quale campo di frequenze è necessario per trasmettere un segnale analogico. Questo intervallo di frequenze occupato dal segnale si dice banda del segnale. Nel caso in cui questo intervallo vada da 0 a un generico valore B Hz, si dice che il segnale è in banda base. Se, invece, l’intervallo di frequenza è compreso tra la frequenza F 1 e la frequenza F 2 , il segnale si dice in banda traslata. Posto F 2 -F 1 =B, si ha che in entrambi i casi la banda è pari a B Hz. Solo se la potenza ha valore medio nullo, il segnale è in banda traslata.

In ogni caso, la larghezza di banda utilizzabile per trasferire un segnale è sempre limitata: ciò è dovuto o alle caratteristiche del mezzo trasmissivo, o alla scelta di usare solo una parte della banda disponibile per poter effettuare più trasmissioni contemporanee di segnali utilizzanti bande diverse.

Un canale di larghezza di banda limitata può trasmettere solo le componenti spettrali del segnale che cadono all’interno della banda. Se il segnale è composto anche di altre componenti, queste saranno filtrate: in tal caso il segnale trasmesso differirà dal segnale originario.

1.3 I mezzi trasmissivi

I mezzi trasmissivi principalmente utilizzati nelle telecomunicazioni sono: i cavi di rame, le fibre ottiche e l’etere. Uno dei principali parametri di un mezzo trasmissivo è la sua attenuazione, che è sempre funzione della frequenza del segnale: l’attenuazione è minima a frequenze basse e cresce all’aumentare delle frequenze.

La banda occupata dal segnale permette di identificare quale sia il mezzo trasmissivo da utilizzare. La Figura 1. mostra le bande di interesse dei principali mezzi trasmissivi.

1.4 L’informazione audio

La voce è il più antico mezzo di comunicazione usato dall’uomo. Nella sua forma originaria, però, la voce permette di scambiare informazioni solo a distanza limitata.

Per poter trasmettere la voce (in generale un’informazione audio) a distanze maggiori, bisogna convertirla in forma elettrica. Questo è il compito dei trasduttori: i trasduttori convertono un segnale audio in un segnale elettrico (e viceversa). Quest’ultimo può essere quindi portato a notevoli distanza attraverso un cavo di rame. Il segnale audio è una variazione di pressione. Dopo la trasduzione, il segnale diventa una variazione di una grandezza elettrica (corrente o tensione).

Il trasduttore acusto-elettrico è il microfono, mentre il trasduttore elettro-acustico è l’altoparlante. Il microfono è costruito in maniera tale che il segnale acustico cambi una resistenza o una capacità. Così, il segnale audio modula la corrente o la tensione in uscita dal trasduttore. Nel’’altoparlante, invece, la conversione avviene facendo muovere una membrana per mezzo di un

Figura 1.1 Spettro elettromagnetico

solenoide attraversato dalla corrente modulata dall’informazione audio precedentemente convertita in segnale elettrico.

Il segnale elettrico ottenuto grazie ad un microfono è contiene la stessa informazione del segnale audio da cui è stato generato. Bisogna eseguire l’analisi spettrale per capire quali siano le sue caratteristiche. La banda del segnale e la densità spettrale di potenza variano a seconda del parlante. Tuttavia, nella banda da 300 Hz a 3400 Hz si concentra la maggior parte dell’informazione e della potenza del segnale. Perciò, il segnale telefonico trasmette per mezzo di un doppino in rame un segnale elettrico avente la banda citata. Anzi, in realtà il trasferimento avviene su banda lorda, ovvero viene trasmesso un segnale di banda 4 kHz.

L’informazione del segnale audio al di fuori della banda telefonica caratterizza meglio il parlante ed è indispensabile per percepire correttamente in canto. Per questo motivo, i dischi vinilici e i nastri magnetici permettono di registrare e riprodurre un segnale analogico di banda compresa tra i 20 Hz e i 14 kHz. Questa trasmissione è denominata Hi-Fi, acronimo di High Fidelity, a testimonianza della maggiore vicinanza al segnale audio originale.

Ciò nonostante, gli strumenti musicali emettono suoni a frequenze superiori ai 14 kHz. Perciò, i sistemi CD-audio consentono di riprodurre fedelmente segnali fra pochi Hz e 20 kHz, ben oltre la capacità di percezione dell’orecchio umano.

1.5 L’informazione video

Il trasduttore video è la telecamera. Deve convertire in forma elettrica un’immagine o una sequenza di immagini. Oggi esistono due tecniche: il tubo a scansione elettronica e il CCD (Charge Coupled Device).

Il tubo a scansione elettronica converte un’immagine in forma elettronica, scandendola con un fascio di elettroni. E’ sensibile solo alla luminosità dell’immagine e non al colore. L’immagine così ottenuta è in bianco e nero. L’informazione cromatica è rilevata, invece, scomponendo l’immagine in un certo numero di immagini con la gradazione dei colori fondamentali e poi ricomponendo le immagini così ottenute. Nel caso della luce, i colori primari sono tre e sono il rosso, il verde e il blu. E’ un sistema additivo: i colori secondari si ottengono dalla somma dei colori primari con varie intensità, secondo l modalità in Figura 1.2.

Diverso discorso si deve fare per la stampa su carta. Infatti, la stampa su carta bianca si basa su un sistema sottrattivo, in cui ogni pigmento assorbe una parte dello spettro visibile della luce. In questo caso si usano tre pigmenti trasparenti (il ciano, il magenta e il giallo) più il nero, dando vita alla quadricromia CMYK di Figura 1.3. Per la stampa di alta qualità (come nel caso delle fotografie) si usa un metodo analogo, ma con esacromia: oltre ai quattro elementi della quadricromia CMYK, si aggiungono il ciano chiaro e il magenta chiaro.

Qualunque sia il metodo utilizzato, la gamma di colori riprodotti è sempre notevolmente inferiore a quella dei colori percepiti dall’occhio umano.

Figura 1.2 Tricromia RGB

Figura 1.3 Quadricromia Cyan, Magenta, Yellow, blacK

di cui 15 sono cancellate per il ritorno del pennello. Quindi in totale ci sono 525 righe per semiquadro. In realtà, come si nota nella Figura 1.6 Caratteristiche dell'immagine , le immagini sono codificate su un numero inferiore di righe: infatti le restanti vengono usate per trasmettere altre informazioni.

Ormai la televisione analogica è stata superata e si è giunti al Digital Video Broadcasting (DVB) via satellite o terrestre, ovvero alla televisione digitale. Inoltre, si sono affermati l’alta definizione e la trasmissione a pacchetto via rete (IP television): c’è sempre una maggiore convergenza di PC e TV.

1.6 L’informazione numerica

1.6.1 La conversione analogico/numerica La conversione analogico/numerica è eseguita dal convertitore analogico/numerico. Il convertitore A/D esegue due operazioni in sequenza: il campionamento e la quantizzazione.

Il campionamento permette di estrarre da un segnale analogico a banda limitata tutta l’informazione in esso contenuta: i campioni del segnale prelevati a frequenza pari ad almeno il doppio della banda contengono tutta l’informazione. Per questo motivo, il campionamento avviene a frequenza. La minima frequenza a cui si deve campionare un segnale analogico è detta frequenza di Nyquist.

I campioni così ottenuti devono poi essere convertiti in forma numerica. Questo processo si chiama quantizzazione. Infatti, la quantizzazione trasforma dei campioni con illimitati valori su un campo limitato in campioni con finiti valori su un campo limitato. Prima di tutto, bisogna dividere l’intervallo del segnale in un insieme finito di fasce, alle quali è associato un valore di riferimento. Infine, si assegna un unico codice numerico a ciascuno dei valori così ottenuti. Di solito, il valore rappresentativo di un intervallo è il valore medio dell’intervallo stesso. Quindi, la quantizzazione consiste nel sostituire a ogni campione un valore di ampiezza convenzionale dell’intervallo di appartenenza, ottenendo così un nuovo segnale ad ampiezze discrete. A differenza del campionamento, la quantizzazione introduce una distorsione del segnale: questa degradazione si chiama rumore di quantizzazione.

1.6.2 La numerizzazione del segnale vocale Il primo segnale analogico a essere digitalizzato per il suo trasporto in una rete numerica di telecomunicazione è stato quello vocale. Un microfono trasforma la voce in un segnale elettrico analogico. Però, i sistemi di comunicazione sono numerici: serve una codifica. Le tecniche di codifica si dividono tra quelle che usano la sola conoscenza del segnale elettrico istantaneo e quelle che sfruttano le caratteristiche dell’apparato fonetico e uditivo.

La tecnica di codifica più diffusa per la trasmissione di segnali vocali in forma numerica è la Pulse Cose Modulation (PCM, modulazione a codice di impulsi). Nella centrale telefonica di origine, il segnale analogico è numerizzato. Poi si trasmettono i campioni numerici alla centrale di destinazione. Qui il segnale è riconvertito in forma analogica e inviato al destinatario.

La qualità del segnale audio dipende dal numero di bit di quantizzazione (rumore di quantizzazione) impiegati e dalla probabilità di errore sul canale di trasmissione. Questa non sarà mai pari a 0 ed è Figura 1.7 Qualità del segnale - PCM

dovuta al cosiddetto rumore di trasmissione. Esso è dovuto ad eventuali difetti nei componenti fisici e alla loro dipendenza dalla temperatura, oltre ai disturbi legati alle interferenze elettromagnetiche e al fatto che la banda non è perfettamente limitata. Bisogna notare che una maggiore precisione nella quantizzazione va a scapito della banda e della probabilità di errore: non è necessariamente un “bene” aumentare la precisione di quantizzazione.

Inoltre, la qualità del segnale non dipende significativamente dalla probabilità di errore, se questa si mantiene sufficientemente bassa, ovvero sotto una certa soglia (Figura 1.7). Se ciò accade si dice che il sistema opera sopra soglia e la qualità è determinata sola dal numero di bit di quantizzazione. Se si rimane in queste condizioni, l’utente non percepisce alcuna variazione nella qualità anche in presenza di forti variazioni della probabilità d’errore.

La qualità del segnale è misurata tramite l’indice MOS (Mean Opinion Score). Il MOS ha un range che va da un punteggio massimo di 5, che significa una qualità paragonabile a quella che si avrebbe parlando direttamente nell'orecchio di una persona, a un valore di 1, ovvero una qualità della voce inaccettabile per chiunque. Il MOS è calcolato presentando dei segnali vocali a una serie di persone. Queste daranno uno valutazione della qualità del segnale e la media delle loro valutazioni diventa il MOS.

Esistono due tipi di PCM, in base al metodo di quantizzazione. La quantizzazione può essere lineare (cioè l’ampiezza del segnale viene divisa in intervalli uguali) o non lineare, ovvero companding (gli intervalli hanno un’estensione diversa a seconda dei valori di ampiezza).

Il PCM lineare è usato per creare i CD audio e ha una qualità eccellente (MOS 5). Il campionamento è eseguito a una frequenza pari a circa 44 kHz (in tal modo si può riprodurre fedelmente l’intera banda vocale che è dell’ordine dei 20 kHz) e il numero di bit di quantizzazione è 16 bit/campione.

Il PCM companding, invece, nasce dall’osservazione delle caratteristiche del segnale vocale. Infatti, una peculiarità del segnale vocale è che le diverse ampiezze del segnale hanno probabilità di occorrenza diverse. Le intensità più piccole hanno maggiore probabilità di occorrenza rispetto alle intensità più grandi: perciò, per minimizzare il rumore di quantizzazione, si è definita una caratteristica di quantizzazione con intervalli di diversa ampiezza.

Il PCM companding è usato per la telefonia. La sua qualità è buona (MOS 4+). Il campionamento avviene a 8 kHz (che consente di non avere perdita di informazione per un segnale di banda pari a 4 kHz e corrisponde a un campione ogni 125 μs) e il numero di bit per campione è 8. Perciò, si ha un flusso di informazione di 64 kbit/s, che è il riferimento per i canali di comunicazione numerici messi a disposizione della rete a commutazione di circuito di tipo fisso. Il PCM companding è diventato uno standard: ITU-T G.711.

Esistono due sistemi di compressione e decompressione del segnale PCM companding: la legge A e la legge μ. La legge A è uno standard ITU/EU ed è adottata in Europa. La legge μ, invece, è lo standard per il Giappone e per gli USA.

Inoltre, è possibile modificare nel tempo l’ampiezza degli intervalli di quantizzazione in funzione della dinamica del segnale. Questa proprietà si chiama adattamento. E’ anche possibile codificare la differenza tra un campione e il precedente. In tal modo, se c’è correlazione tra i due campioni, la dinamica della differenza è minore di quella dei campioni. Al posto della differenza, si possono usare anche tecniche più sofisticate di predizione.

1.7 La misura dell’informazione

Una sorgente numerica emette delle informazioni in forma di simboli di sorgente. L’insieme dei simboli è detta alfabeto di sorgente. A ciascun simbolo è associata una propria probabilità di emissione. Detta p (^) i la probabilità che il simbolo x (^) i sia emesso dalla sorgente, il contenuto di

informazione di un simbolo è [bit]. Ciò significa che un simbolo molto raro ha un

contenuto informativo molto elevato. Viceversa, un simbolo frequente ha un’informazione bassa.

Il contenuto medio di informazione emesso da una sorgente numerica è chiamato entropia.

L’entropia si calcola come [bit/simbolo], dove M è il numero dei possibili simboli

che la sorgente può emettere. L’entropia della sorgente indica il numero medio di bit di informazione che la sorgente emette. Se la sorgente emette più bit della sua entropia, significa che parte di questa emissione è priva di contenuto informativo: si ha il fenomeno della ridondanza. Il codificatore di sorgente ha il compito di eliminare (o almeno ridurre) la ridondanza. Così, la sequenza trasmessa dalla sorgente viene compressa in maniera lossless.

Se ad esempio abbiamo un alfabeto di 3 simboli (A, B e C) con rispettive probabilità 0,5, 0,25 e 0,25, l’entropia della sorgente sarà pari a 1,5 bit/simbolo. Ciò significa che si può codificare l’informazione emessa dalla sorgente con una media di 1,5 bit/simbolo. La codifica ottima sarebbe infatti A→0, B→10 e C→11. In media si ha 1∙0,5+2∙0,25+2∙0.25=1,5 bit/simbolo.

2 Le reti di telecomunicazione

2.1 La trasmissione dei dati

La trasmissione dei dati può essere analogica o numerica. La trasmissione analogica prevede che l’informazione – che assume valori continui in un insieme limitato – sia rappresentata come una variazione continua di un parametro elettrico. La trasmissione numerica prevede che l’informazione, seppur discreta e appartenente a un insieme finito e numerabile di valori, sia trasmessa tramite segnali comunque continui. Il ricevitore ricostruisce l’informazione discreta attraverso un processo di decisione in base al segnale che giunge (il quale risulta inevitabilmente leggermente distorto dal rumore): si pone una soglia e si osserva se il segnale assume un valore superiore o inferiore ad essa.

Inoltre, la trasmissione può essere distinta in parallela e seriale. La trasmissione in parallelo prevede che l’informazione (tipicamente 8 bit, cioè 1 byte, alla volta) sia trasferita su un bus di comunicazione. Il trasferimento parallelo è tipico dei PC. Il sincronismo tra trasmettitore è ricevitore può essere ottenuto in due modi. O entrambi usano lo stesso orologio sincronizzato, ma ciò è difficile. O si trasmette in parallelo anche un’informazione di temporizzazione (clock). Il clock è un segnale con brevi impulsi che indicano quando valutare i valori dei dati. Lo svantaggio della trasmissione in parallelo è il fatto che bisogna avere a disposizione più conduttori. Inoltre, all’aumentare della velocità di trasmissione ci sono problemi di interferenze tra i vari cavi.

La trasmissione seriale prevede che l’informazione sia prima serializzata e quindi trasmessa un bit alla volta. Esitono meccanismi di temporizzazione che evitano l’uso di segnali aggiuntivi di temporizzazione. La trasmissione seriale può essere sincrona o asincrona.

Nella trasmissione seriale asincrona ogni byte viene trasmesso separatamente dagli altri. Perciò, bisogna avere Figura 2.1 Trasmissione asincrona.

sincronismo di trama e di bit. I problemi legati alla trasmissione seriale asincrona sono lo spreco di spazio e la velocità di trasmissione non elevata. Infatti, oltre ai dati bisogna inviare anche un bit di parità (per cercare di verificarne l’integrità), un bit di start e uno o più bit di stop per ogni trama che è composta da 5-8 bit di informazione). Inoltre, tra una trama e la seguente c’è un tempo in cui la linea idle. In caso di trasmissione asincrona la ricezione è “burst mode” (ovvero a pacchetti) su canali multipunto^1 o broadcast 1.

La trasmissione seriale sincrona, invece, prevede che ci sia sincronismo di trama. Per ottenerlo, si usano come clock oscillatori al quarzo che hanno una frequenza nominale f 0 =1/T: essi producono un segnale di comando impulsivo a frequenza f 0. I problemi di questo tipo di soluzione sono che la frequenza non è mai esattamente quella nominale, ma c’è un margine di errore, e che c’è il problema dello sfasamento: c’è un certo ritardo tra sorgente e ricevitore. Per porre rimedio al problema dello sfasamento, si usa un Phase-Locked Loop (PLL), un circuito elettrico che cerca di fare in modo che la fase del ricevitore sia uguale a quella del trasmettitore. Per la sincronizzazione, si può usare anche un sistema GPS. Il GPS, infatti, è formato da un insieme di satelliti sincronizzati che forniscono la loro posizione e l’ora. Possono essere utilizzati per calcolare la distanza da ciascuno di essi (e quindi la posizione) se si ottengono i dati da almeno quattro satelliti, ma anche per la sincronizzazione. La ricezione è continua e avviene su canali punto-punto 1.

2.2 La tassonomia delle reti

La modalità principale di classificazione delle reti di telecomunicazione si basa sull’estensione della rete stessa, ovvero sull’ampiezza dell’area geografica che la rete copre. In tal modo, si distinguono LAN, MAN e WAN.

La LAN (Local Area Network) è una rete adatta a connettere utenti di singoli edifici o di un insieme di edifici limitrofi.

La MAN (Metropolitan Area Network) è una rete che fornisce connettività in aree ben più ampie delle LAN, ma tipicamente limitate ad ambiti metropolitani.

La WAN (Wide Area Network)è un qualsiasi tipo di rete dati che non sia limitata ad ambito locale. Il suo obiettivo è l’interconnessione senza limiti di distanza. Le WAN hanno ormai sostituito l MAN.

2.3 La topologia delle reti di telecomunicazione

2.3.1 Le possibili topologie Una rete di telecomunicazione è un insieme di nodi e canali che fornisce un collegamento tra due o più punti per permettere la telecomunicazione. Si definisce nodo un punto in cui avviene la commutazione. Si chiama canale un mezzo di trasmissione. Il canale può essere unidirezionale o bidirezionale.

Esistono tre tipi di canale. Il canale punto-punto è un canale ai cui estremi sono collegati due soli nodi, che lo utilizzano in modo paritetico. Poi c’è il canale multipunto: più nodi sono collegati a un unico canale. C’è un nodo master, che può trasmettere informazioni a tutti gli altri nodi, e

(^1) Vedere il capitolo 2.3 per la definizione.

Figura 2.2 Trasmissione sincrona.

particolarmente interessante, se si considera che molti mezzi fisici sono per loro natura unidirezionali, come – ad esempio – le fibre ottiche. Il numero degli archi è pari ad N per l’anello bidirezionale ed è pari a N/2 (poiché 1 corrisponde a un canale bidirezionale) per l’anello unidirezionale. Nel primo caso esistono due percorsi alternativi, mentre ne secondo se ne ha solo uno. E’ una topologia molto usata in LAN e MAN e per costruire topologie magliate (sovrapponendo più anelli), come le SDH.

L’anello bidirezionale è la più semplice topologia che consente un instradamento alternativo in caso di guasto: la rete sopravvive a capacità dimezzata. Infatti, i nodi ai capi del guasto possono riconfigurarsi in tempo brevissimo e in maniera semiautomatica per mantenere la connettività: rimandano l’informazione in senso opposto: l’anello si trasforma in un unico anello unidirezionale. Proprio per questo motivo la dorsale telefonica internazionale – il cui funzionamento deve essere garantito – è strutturata mediante questa topologia.

Infine, c’è la topologia a bus. Anche in questo caso bisogna distinguere tra il bus attivo e il bus passivo. Il bus attivo è un particolare caso di albero ed è formato da N-1 archi. Il bus passivo, invece, è composto da un solo arco che connette tutti i nodi. Il bus passivo è più resistente ai guasti: se si guasta un nodo non si interrompe tutta la connettività. In ogni caso, esiste un solo percorso possibile tra ogni coppia di nodi. La topologia a bus è usata soprattutto nelle LAN e nelle MAN.

2.3.2 Topologia logica e topologia fisica E’ necessario effettuare una distinzione tra topologia logica e topologia fisica. Infatti, la topologia logica definisce l’interconnessione tra nodi mediante canali, mentre la topologia fisica tiene conto del percorso dei mezzi trasmissivi.

Topologia logica e topologia fisica non coincidono in generale, anzi possono essere molto diverse. Infatti, la topologia logica dipende dalla configurazione della rete: su un mezzo fisico si possono avere molte configurazioni logiche diverse, soprattutto se si possono isolare diverse bande per trasferire i dati. Ad esempio, una delle prime reti locali sfruttava una topologia a bus dal punto di vista fisico, ma la rete era configurata perché funzionasse logicamente come una topologia ad anello.

2.3.3 Topologie e prestazioni La quantità di traffico smaltibile da una rete dipende – a pari capacità disponibile sui canali – in modo inversamente proporzionale dalla media della distanza tra ogni coppia di nodi della rete pesata per la quantità di traffico scambiata tra i due nodi. Nel caso in cui la quantità di traffico prodotta da ogni nodo verso ciascun altro nodo sia costante, si dice che il traffico è uniforme. In queste condizioni, non esiste una sorgente o un ricevitore privilegiato di traffico. La quantità di traffico misura in bit/s.

Per definire le prestazioni di una topologia, è necessario calcolare: la distanza media, la capacità di rete, il carico massimo su canale e il carico massimo su nodo.

La media della distanza pesata per la quantità di traffico si calcola come

Figura 2.3 Reindirizzamento in caso di guasto in una topologia ad anello bidirezionale.

in cui è la distanza tra il nodo i e il nodo j, è la quantità di traffico tra il nodo i e il nodo j e è la quantità di traffico totale ottenuta come.

La capacità della rete, invece, è il limite superiore della quantità di informazione che può essere trasmessa dai canali della rete stessa. Essa è data dal numero di canali moltiplicato per la banda di ciascuno di essi (se i canali sono unidirezionali) o per il doppio della loro banda (se sono bidirezionali). In pratica, nel caso di una rete con canali bidirezionali di banda , la capacità della rete è.

Il carico massimo su canale, invece, è la quantità massima di traffico passante per un canale unidirezionale. Cioè, il carico massimo su canale è il ∀ ,in cui è la quantità di traffico passante per il canale unidirezionale. Definito il carico massimo su canale, si può definire quale è il limite di traffico in relazione alla banda. In particolare, detto il traffico massimo su canale, si ottiene che , in cui è la larghezza della banda.

Infine, il massimo carico su un nodo è la massima quantità di traffico entrante in un nodo e che un nodo deve gestire. Questa è solitamente espressa in funzione della quantità di traffico. Confrontando quest’espressione con la disuguaglianza relativa al massimo traffico su un canale, si ottiene il limite massimo di traffico che il nodo deve gestire in funzione della banda.

Il tutto risulta più semplice con un esempio. Si prenda la rete in Figura 2.4 Esempio di prestazioni su una topologia a linea.. La capacità è pari a , in cui è la banda del singolo canale unidirezionale, poiché ci sono 3 canali bidirezionali. La distanza media è

Il traffico massimo su un singolo canale (unidirezionale) è 4x. Per cui si ha da cui

. Infine, il nodo 2 e il nodo 3 hanno un traffico entrante massimo pari a 7x. Per cui,

riprendendo la disequazione precedente, si ha che devono gestire fino a.

Nella determinazione del traffico passante per i vari canali è essenziale conoscere il percorso seguita dal flusso di informazione diretto da ciascun nodo verso ogni altro. Per fare ciò bisogna introdurre il concetto di costo. In prima approssimazione, si può dire che il costo di una trasmissione è proporzionale al numero di canali attraversati. Per cui se si può scegliere tra più percorsi, bisogna seguire quello con la distanza minore. Qualora due o più percorsi siano indifferenti, o si fa passare tutto il traffico in un solo canale o si fa passare una frazione uguale per ciascun canale.

Si può notare che a parità di nodi e canali ci sono topologie che hanno distanze medie minori e quindi prestazioni migliori. Ad esempio, detto N il numero di nodi, si ha che la distanza media in una topologia ad anello è O(N); invece, per una topologia Manhattan (Figura 2.5 Topologia Manhattan (a sinistra) e Shuffle (a destra).) la distanza media è O( ); infine per una topologia Shuffle (Figura 2.5) la distanza media è O(logN). Quindi, in generale la distanza media di

Figura 2.4 Esempio di prestazioni su una topologia a linea.

Figura 2.5 Topologia Manhattan (a sinistra) e Shuffle (a destra).

I teleservizi possono essere realizzati secondo due modelli: il modello client-server e il modello peer-to-peer. I due modelli si differenziano per le modalità di comportamento degli applicativi utente. Il modello client-server prevede due ruoli ben distinti: il client inizia l’interazione con il server, tipicamente chiedendo un servizio; il server fornisce al client il servizio richiesto. L’informazione è contenuta prevalentemente nel server. I server sono avviati al momento dell’accensione dell’elaboratore su cui sono stati installati e si pongono in attesa di richieste da parte dei client: sono sempre disponibili. I client sono attivati nel momento in cui l’utente richiede un servizio e si disattivano quando tale servizio è terminato. Le comunicazioni sono asimmetriche.

Il modello peer-to-peer è stato introdotto di recente nel mondo Internet. E’ pensato principalmente per l’interazione tra gruppi di utenti e tutti gli applicativi utenti sono paritetici: mettono a disposizione informazioni condivise. Tutti sono contemporaneamente client e server, in quanto tutti forniscono richieste e risposte.

2.5 Tecniche di gestione

Il termine gestione della rete (o network management) include l’insieme di procedure necessarie a mantenere in funzione la rete.

Quindi, il network management consiste di diverse funzioni. La gestione della configurazione (Configuration Management): la configurazione può essere modificata per allocare in maniera diversa le risorse in base ai risultati della monitoraggio delle prestazioni (che possono essere anche molto diverse da quelle previste). La gestione delle prestazioni (Performance Management): comprende la loro monitoraggio. La gestione dei guasti (Fault Management): occorrono dei meccanismi per rilevare i guasti in modo tale che siano riparati e/o sia configurata in maniera opportuna la rete. Uno strumento utile per rilevare i guasti è la monitoraggio delle prestazioni. La gestione della sicurezza (Security Management): comprende sia il mantenimento dell’integrità fisica della rete sia la salvaguardia del funzionamento della rete da utenti esterni e interni alla rete. Infine, la gestione della tariffazione (Accounting Management): si registra l’utilizzo della rete da parte dell’utente.

2.6 Qualità di servizio

Per il progetto di una rete si devono definire le caratteristiche secondo cui le informazioni sono emesse dalle sorgenti nell’ambito di un servizio di telecomunicazione. La disponibilità di risorse nella rete e le tecniche di allocazione delle risorse alle comunicazioni determinano la qualità del servizio fornito all’utente.

L’analisi e il progetto di una rete di telecomunicazioni si basano su modelli quantitativi che permettono di stimare la qualità del servizio fornito a partire da ipotesi relative alle risorse e alle attività. Infatti, dati certi paramenti di qualità, si costruisce la rete in modo tale che li soddisfi: la rete è progettata per garantire un certo livello di qualità. In seguito, si controllano i parametri di qualità sulla rete esistente per verificare se sono conformi o meno ai parametri desiderati.

Quindi, una volta definite le richieste del servizio e il livello di qualità del servizio, bisogna determinare le risorse necessarie in fase di progetto. Viceversa, l’analisi richiede che si determini la qualità del servizio, a partire dalla conoscenza delle richieste del servizio e delle risorse disponibili. Servono, cioè, dei modelli matematici che caratterizzino le richieste del servizio, descrivano l’iterazione tra attività e risorse e calcolino la qualità del servizio.

A seconda del tipo di sorgenti, sono diverse le caratteristiche che descrivono le risorse necessarie. Nel caso di sorgenti analogiche, le caratteristiche principali sono la banda occupata e

la correlazione tra i flussi di informazione. Invece, per le sorgenti numeriche, sono fondamentali la velocità di cifra (o bitrate) e l’impulsività (o burstiness) che è la frequenza di attività di una sorgente. Questi sono anche i parametri che la rete controlla.

Le sorgenti numeriche si distinguono in sorgenti a velocità costante - CBR (Constant Bit Rate) – e sorgenti a velocità variabile – VBR (Variable Bit Rate). Le sorgenti CBR sono caratterizzate dalla velocità (misurata in bit/s), dalla durata delle trasmissioni (misurata in s) – che è una distribuzione stocastica descritta da una funzione di densità di probabilità – e dal processo di generazione delle chiamate, ovvero dalla modalità con cui le comunicazioni si presentano al sistema (questo è utile per dimensionare e configurare al meglio il sistema onde evitare spreco di risorse).

Nelle sorgenti VBR la velocità varia nel tempo secondo modalità che dipendono dalla sorgente. Nelle sorgenti VBR, bisogna conoscere – oltre alla durata (in s) e al processo di generazione delle comunicazioni – la velocità di picco o peak rate (espressa in bit/s) e una tra la velocità media (bit/s) e il grado di intermittenza o burstiness. Infatti, noto uno dei due, si può ricavare l’altro dalla relazione. Queste informazioni sono essenziali per il dimensionamento: bisogna assicurare le risorse necessarie a sostenere la velocità media, tuttavia bisogna anche prevedere delle risorse aggiuntive che supportino la velocità di picco per brevi periodi. Questo può essere ottenuto imponendo dei vincoli: si può trasmettere alla banda massima solo per brevi lassi di tempo. Questo tipo di caratterizzazione è particolarmente adatto alla trasmissione dati, in cui si trasmette a velocità massima per brevi istanti e a velocità nulla per il resto del tempo. Nella valutazione della banda media è opportuno indicare anche l’intervallo temporale su cui è calcolata.

In realtà, tutte queste grandezze non sono continue nel tempo, ma discrete. Infatti, dire che una sorgente è CBR significa che in un certo intervallo predefinito di tempo viene trasmessa sempre la stessa quantità di dati. Se si usasse un intervallo estremamente piccolo, la sorgente non risulterebbe CBR, bensì VBR.

Il servizio è definito non solo dalle stime puntali di questi parametri ma anche dai margini di variabilità o tolleranza su di essi. Ad esempio, il peak rate deve essere generalmente rispettato, ma per brevi periodi di tempo può essere superiore. Lo stesso discorso vale per il bit rate medio. Queste misure sono effettuate con appropriati apparati di conteggio e controllo.

Uno di questi sistemi è il token bucket (Figura 2.6 Logica del token bucket.). Questo sistema funziona in maniera molto semplice dal punto di vista logico. C’è un token bucket, ovvero un contenitore di “gettoni”. Questo contenitore contiene un certo numero L di token (che rappresenta il grado di tolleranza sul parametro che si vuole misurare) e viene riempito regolarmente: con una certa frequenza definita è prodotto un token nel bucket. I dati utente arrivano al sistema di misure: ciascun pacchetto è considerato accettabile se e solo se c’è un token nel bucket che lo può “accompagnare” all’uscita. Se quando arriva il pacchetto non c’è alcun token, questo non può passare: o viene accodato nell’attesa che si produca un token, o soppresso. Quando si arriva a questo limite, la frequenza del traffico in uscita dal sistema di controllo ha la stessa frequenza della produzione di token. Quindi, questo sistema può essere utilizzato non solo per la valutazione della sorgente, ma anche come sistema di segmentazione per controllare il traffico. Come sistema i valutazione, però, consente di misurare solo una velocità per volta: o il bit rate medio e il peak rate. In realtà, il token bucket è realizzato

Figura 2.6 Logica del token bucket.