Appunti Reti di Telecomunicazioni

Capitolo 1 – Introduzione alle reti di telecomunicazioni

Sommario

• Generalità sulle reti ................................................................................................................................................. 2
• Topologia delle reti ................................................................................................................................................. 4
• Catena (chain o line)............................................................................................................................................ 4
• Anello (ring) ........................................................................................................................................................ 4
• Albero (tree) ....................................................................................................................................................... 4
• Maglia (mesh) ..................................................................................................................................................... 4
• Maglia completa (full mesh) ................................................................................................................................ 5
• Stella (star) .......................................................................................................................................................... 5
• Bus ...................................................................................................................................................................... 5
• Schema generale di una rete ............................................................................................................................... 5
• Tassonomia delle reti .............................................................................................................................................. 6
• Doppini ............................................................................................................................................................... 6
• Fibre ottiche ........................................................................................................................................................ 6
• Spazio libero........................................................................................................................................................ 6
• Trasferimento dell’informazione ............................................................................................................................. 7
• Tecnica di multiplazione ...................................................................................................................................... 7
• Modalità di commutazione .................................................................................................................................. 7
• Architettura di protocolli ......................................................................................................................................... 9
• Modello ibrido .................................................................................................................................................. 10
• Livello Applicazione (5) ...................................................................................................................................... 11
• Livello Trasporto (4) .......................................................................................................................................... 11
• Livello Rete (3) .................................................................................................................................................. 11
• Livello Data Link (2) ........................................................................................................................................... 11
• Livello Fisico (1) ................................................................................................................................................. 11
• Schema di trasporto delle informazioni ............................................................................................................. 12
• Modello ISO – OSI ............................................................................................................................................. 12
• Modello TCP/IP ................................................................................................................................................. 12

1

Generalità sulle reti

Una rete di telecomunicazioni costituisce l’insieme di apparati che intervengono nell’erogazione di un certo servizio.

Per servizio si intende tutto l’insieme delle procedure che permette di trasportare le informazioni tra due o più parti attraverso un certo percorso; le reti di telecomunicazione possono essere classificate secondo diversi aspetti:

• Tipologia di informazione: schematizzazione in base al tipo di dato che viene scambiato (voce, video, dati);
• Configurazione: divisione sulla base del numero di destinatari e mittenti interessati dalla comunicazione (punto-punto o unicast, multipunto o multicast, broadcast);
• Direzione: unidirezionale (simplex) se la comunicazione avviene in una sola direzione (TV), bidirezionale (duplex) se la comunicazione prevede due canali (chiamate telefoniche); quest’ultima modalità prevede a sua volta due modalità per la gestione dei canali: full duplex se i dati possono viaggiare in entrambe le direzioni di comunicazione contemporaneamente (chiamate), e half duplex se la trasmissione dati si alterna, “simulando” la bidirezionalità (walkie talkie, wireless LAN);
• Inizializzazione: classificazione in base alla disponibilità del servizio; su base chiamata se il servizio deve essere richiesto (tariffa a consumo ISP) e la fornitura del servizio è articolato in tre step: richiesta, utilizzo, rilascio; su base contrattuale se il servizio è sempre disponibile e pronto all’uso (tariffa flat ISP).

I servizi di telecomunicazioni possono essere divisi in relazione alla loro tipologia:

• Interattivi: consentono l’interazione tra la sorgente e il destinatario (conversazione, messaggistica, consultazione);
• Distributivi: la sorgente agisce in maniera indipendente rispetto al destinatario, e può permettere o meno il controllo sulla presentazione del contenuto.

Le sorgenti vengono caratterizzate in relazione alla quantità di bit che trasmettono:

• CBR: Constant Bit Rate (chiamate telefoniche, emissione di dati di controllo da macchine);
• VBR: Variable Bit Rate (video on-demand).

Queste caratteristiche dipendono dalla natura dalla sorgente.

2

I requisiti in grado di fornire un quadro generale della qualità del servizio (QoS, Quality of Service) principali sono:

• Probabilità di blocco: probabilità che la fruizione del servizio sia interrotta;
• Tempo di ritardo: tempo necessario per trasportare le informazioni tra la sorgente e il destinatario (si considera il valore di picco e/o il valore medio);
• Jitter: variabilità del ritardo medio; considerando, per esempio, un flusso video, si vuole il jitter più piccolo possibile in modo che il ritardo con cui i pacchetti arrivano a destinazione è più o meno costante, così che il buffer sarà in grado di garantire una visione senza interruzioni;
• Velocità media: frequenza di cifra (quantità di dati che possono essere trasferiti su un canale di comunicazione in un dato intervallo di tempo) media con cui la rete trasporta le informazioni; dipende dalla banda dei singoli tratti attraversati dell’informazione;
• Probabilità di perdita ed errore: parte di unità informative che viene persa durante il trasporto o che viene consegnata con errore (queste probabilità permettono di descrivere l’affidabilità di una rete).

Spesso questi parametri non sono controllabili tutti insieme, perciò quello che va fatto è cercare il migliore compromesso tra i vari parametri.

3

Topologia delle reti

• Nodo: punto da cui partono, a cui arrivano e in cui vengono smistate le unità informative.
• Ramo: consente il trasporto dell’informazione da nodo a nodo secondo le diverse modalità di direzione.

Catena (chain o line)

Un nuovo nodo può essere aggiunto o eliminato solo in testa o in coda alla struttura e il percorso delle informazioni è predefinito, cioè le informazioni viaggiano solo su un unico percorso, che è la catena stessa; il numero di link è pari a N-1, con N numero di nodi e la distanza massima tra due nodi (testa-coda) è N-1; nel caso di guasto di un link, la catena si spezza in due parti in corrispondenza del danno, e le due parti risultano isolate.

La catena si usa nel caso non ci siano altri modi di connettere mittente e destinatario, oppure quando si ha la necessità di realizzare un collegamento il più semplice possibile.

Anello (ring)

Le informazioni viaggiano nell’unico percorso possibile in senso orario o antiorario (alternativamente o contemporaneamente); la distanza massima tra due nodi è N/2 (o al suo intero superiore se N dispari); nel caso di guasto di un collegamento l’anello si interrompe ma si conserva comunque un percorso che collega tutti i nodi, andando di fatto a costituire una catena.

Il problema legato alla topologia ad anello è che le informazioni potrebbero trovarsi a circolare in maniera indefinita e l’aggiunta o l’eliminazione di un nuovo nodo comporta l’interruzione dell’anello, operazione che potrebbe risultare complessa da effettuare in situazioni reali.

Albero (tree)

È presente un nodo radice da cui si sviluppa tutta la struttura dell’albero costituita da nodi foglie da cui si diramano a loro volta altri nodi foglia; l’aggiunta e l’eliminazione di un nodo è semplice in quanto è sufficiente collegarsi ad uno dei nodi del grafo, mentre il percorso delle informazioni dipende dalla struttura dell’albero; il numero di link è pari a N-1 e la distanza massima tra due nodi può variare da 1 a N-1 (in quest’ultimo caso si parla di albero degenere che è di fatto una catena); in caso di guasti l’albero si spezza e la comunicazione viene interrotta tra le parti in cui si è diviso.

Un aspetto importante è che l’albero non presenta anelli al suo interno (caratteristica intrinseca) e ciò permette di evitare la circolazione indefinita di informazioni.

Maglia (mesh)

I nodi presentano più collegamenti tra di loro, senza un ordine preciso, permettendo il trasporto delle informazioni su molteplici percorsi alternativi e facendo sì che la lunghezza del percorso tra due nodi (e il numero link) sia variabile; l’aggiunta e la rimozione è semplice in quanto è sufficiente collegarsi ad un qualsiasi nodo del grafo.

Questa topologia garantisce elevata affidabilità, ma introduce lo svantaggio di una più complessa valutazione del percorso migliore tra due nodi, oltre ad un maggiore costo.

4

Maglia completa (full mesh)

Variante della maglia tradizionale, in cui ogni nodo presenta un collegamento a tutti gli altri nodi del grafo per cui ci saranno N(N-1)/2 link e la lunghezza massima del percorso tra due nodi sarà pari a 1.

È il grafo che garantisce la massima affidabilità, ma al contempo è costoso da realizzare e complesso da gestire.

Stella (star)

È presente un nodo centrale (centro stella) a cui sono collegati tutti gli altri nodi, per cui il numero dei link sarà pari al numero dei nodi e il massimo numero di link da attraversare per passare da un nodo ad un altro è 2 (ogni comunicazione passa dal centro stella); è semplice aggiungere o rimuovere un nodo in quanto l’interazione avviene direttamente con il centro stella.

È molto semplice da realizzare e per questo molto diffuso, soprattutto in ambienti domestici, ma è allo stesso tempo particolarmente vulnerabile, in quanto se è presente un danno al centro stella, l’intera comunicazione nella rete viene interrotta.

Bus

Non è presente un nodo centrale a cui sono collegati tutti gli altri nodi, bensì un mezzo condiviso tra tutti i nodi della rete sui cui viaggiano tutte le informazioni, per cui la distanza massima tra due nodi è 2; è molto semplice da realizzare, per le stesse ragioni della stella, ma ci possono essere problemi nel caso di comunicazioni simultanee se più di una coppia di nodi prova a comunicare; un esempio di bus è la rete wireless; se il mezzo condiviso subisce dei danni la comunicazione si interrompe tra tutti i nodi.

Schema generale di una rete

La rete di accesso permette di accedere (nel caso di un client) o fornire (nel caso di un server) un servizio (rete di dimensione locale).

La rete di trasporto permette di collegare diverse reti di accesso tra di loro e permetterne la comunicazione (estensione geografica molto ampia).

5

Tassonomia delle reti

• WAN – Wide Area Network: nessun limite di estensione (rete mondiale);
• MAN – Metropolitan Area Network: estensione metropolitana (100 Km);
• LAN – Local Area Network: estensione locale limitata (max 2 Km), di gestione più semplice;
• PAN – Personal Area Network: estensione a corto raggio (max 30 m), per esempio il Bluetooth;
• BAN – Body Area Network: collegano dispositivi indossabili.

Doppini

Cavi costituiti di coppie di filamenti di rame intrecciati, divisi per schermatura:

• UTP: Unshielded Twister Pair, coppia di conduttori intrecciata non schermata, ogni cavo è in genere costituito da almeno 4 coppie UTP; i cavi vengono divisi per categoria in base alla banda passante massima;
• S-UTP: Shielded UTP, cavi UTP avvolta da una schermatura globale metallica;
• STP: Shielded Twisted Pair, cavi S-UTP con schermatura per ciascuna coppia UTP.

Fibre ottiche

Sono costituite di due strati concentrici di materiale vetroso (nucleo e mantello) in cui viaggia l’onda luminosa che si propaga solo se l’angolo di incidenza ad una estremità è sufficientemente piccolo; la lunghezza d’onda utilizzata influenza l’attenuazione del segnale, maggiore è la prima, meno si attenua il segnale con la distanza.

• Fibre multimodo: le onde si propagano seguendo molteplici percorsi, per cui si verifica una dispersione temporale degli impulsi luminosi, che porta ad una minore frequenza di cifra; relativamente economica.
• Fibre monomodo: è ammesso un solo modo di propagazione, per cui la frequenza di cifra è maggiore, ma il costo delle apparecchiature è maggiore.

Spazio libero

È possibile classificare le trasmissioni in spazio libero secondo il tipo di propagazione delle onde, che può essere:

• Terrestre: la propagazione avviene nella zona più bassa dell’atmosfera, per cui le onde seguono la curvatura terrestre, propagandosi in ogni direzione (frequenze < 2 MHz);
• Ionosferica: si sfrutta la riflessione nella ionosfera per mettere in comunicazione antenne in assenza di linea visiva diretta (frequenze = 2 - 30 MHz);
• LOS (Line Of Sight): le antenne devono essere in linea visiva diretta (frequenze > 30 MHz).

6

Trasferimento dell’informazione

Tecnica di multiplazione

Descrive come la banda disponibile su uno specifico canale di comunicazione possa essere condivisa tra le diverse unità informative che lo devono attraversare:

• Frequency Division Multiplexing;
• Wavelength Division Multiplexing;
• Time Division Multiplexing (solo per trasmissioni digitali);
• Code Division Multiplexing (solo per trasmissioni digitali).

Modalità di commutazione

Specifica come le unità informative ricevute da un generico nodo sui suoi canali entranti sono trasferite attraverso il nodo sui canali uscenti.

Commutazione di circuito

È un servizio che si articola in 3 fasi:

• Instaurazione (setup): si chiede alla rete di riservare delle risorse per raggiungere un destinatario;
• Dati (data): scambio di informazioni;
• Rilascio (teardown): le risorse richieste vengono rilasciate in seguito al termine della comunicazione.

Durante la fase di setup viene deciso il percorso migliore per “raggiungere” il destinatario, e solo allora la comunicazione può effettivamente avvenire: non sono quindi necessari meccanismi di bufferizzazione ai nodi di commutazione.

Dato che la banda viene riservata all’inizio del collegamento, si verifica un utilizzo inefficiente delle risorse in quanto, in presenza di sorgenti a rate fortemente variabile, la banda (che potrebbe invece essere allocata per altre comunicazioni) risulta non utilizzata per gran parte del tempo.

Commutazione di pacchetto

L’informazione trasmessa viene divisa in pacchetti divisi in payload, che contiene l’effettiva informazione, e l’header, necessario al trasporto del pacchetto stesso. Sfruttando le informazioni del pacchetto la rete decide che percorso far fare al pacchetto stesso una volta giunto a ogni nodo della rete: si ha una elevata utilizzazione delle risorse, in funzione del traffico. Questa strategia porta però alla presenza di ritardi variabili e difficilmente predicibili. Si parla di logica store & forward, cioè il pacchetto viene ricevuto, letto e poi se ne decide la sorte: è facile capire come si possa quindi andare a creare una coda di pacchetti in attesa.

La commutazione di pacchetto prevede due servizi differenti:

• Datagramma: i nodi intermedi, detti router, per ogni pacchetto che giunge decidono la strada che questi seguiranno fino al prossimo nodo (switching); è possibile che i pacchetti appartenenti ad uno stesso flusso informativo giungano a destinazione usando strade diverse, con ritardi imprevedibili.
• Circuito Virtuale: sfrutta lo stesso principio della commutazione di circuito ma con i pacchetti, per cui le risorse vengono riservate e i router intermedi effettuano solo lo switching dei pacchetti e non il routing; tutti i pacchetti seguiranno lo stesso percorso dalla sorgente alla destinazione.

7

Ritardo end-to-end (e2e)

Tempo che intercorre tra l’invio di un’unità informativa da parte del mittente e il ricevimento della stessa da parte del destinatario. Componenti del ritardo:

• Ri