Appunti dell'esame di Protocolli di rete

Lezione 128 febbraio 2023

Introduzione alla comunicazione e alla società digitale

La comunicazione, fin dall’origine dell’uomo, è sempre stata un elemento fondamentale per creare società. Avere strumenti che ci permettono di comunicare a distanza è un elemento rivoluzionario per la nostra epoca. Ogni secolo è stato segnato da un grande cambiamento: nel XVIII secolo c’è stata la rivoluzione industriale, nel XIV secolo sono state inventate le macchine a vapore, mentre il XX e il XVI secolo sono dominati dal fatto di poter raccogliere, elaborare e distribuire l’informazione.

Il fatto di poter trasferire e comunicare insieme a tutta la parte che riguarda l’elettronica e l’informatica (raccolta ed elaborazione) è sicuramente una delle conquiste più grandi degli ultimi secoli. Noi oggi viviamo in quella che si chiama "società dell’informazione" ed usiamo quotidianamente strumenti come Internet, social media… Ormai lavoriamo, studiamo e ci relazioniamo grazie agli strumenti digitali, tanto è vero che veniamo anche chiamati "società Networked" perché siamo in rete. Sono poche le persone che non vivono in rete. Il mondo digitale però è molto di più dei social network e del web, ormai è un prolungamento di noi stessi. Non c’è più tutta questa grande distinzione tra il virtuale e la nostra quotidianità: le due cose sono strettamente correlate. Il nostro modo di relazionarci con il mondo è strettamente collegato a tutto ciò che è digitale.

Reti di telecomunicazioni

Il mondo digitale è formato da tanti elementi ed uno tra questi sono le reti di telecomunicazioni. Le reti di telecomunicazioni sono un elemento fondamentale perché l’informazione può essere raccolta ed elaborata, ma se non viene trasferita non serve a niente. Le reti di telecomunicazioni sono uno dei sistemi più complessi al mondo perché, per esempio, Internet connette miliardi e miliardi di dispositivi.

La complessità sta nel fatto di riuscire a raggiungere qualsiasi tipo di dispositivo da qualsiasi parte del mondo e non solo (es: satellite). Le telecomunicazioni sono strumenti che hanno un grandissimo impatto sullo sviluppo dei paesi, non a caso uno dei grossi problemi dell’evoluzione digitale è quello che si chiama "digital divide": ci sono paesi ricchi e industrializzati che hanno grandissime capacità di sviluppare connessioni ed applicazioni legati alle reti di comunicazioni, ma ci sono anche paesi in via di sviluppo che hanno la possibilità di sviluppare reti di comunicazioni. I servizi digitali hanno un senso perché noi con i nostri dispositivi possiamo elaborare e comunicare le informazioni.

Impatto delle telecomunicazioni

Le comunicazioni ormai vengono considerati al pari dei sistemi di pubblica utilità (acqua, elettricità…). L’importanza del mondo digitale è stata vista ancora di più durante la pandemia. Sicuramente durante la pandemia c’è stata una crescita di tutti i servizi: basta pensare all’healthcare, che ha avuto un incremento del 490% di usi. Nell’healthcare rientrano tanti servizi che vanno banalmente dalla ricetta elettronica fino alla chirurgia a distanza. Questo ci ha dimostrato che la vita digitale è la nostra quotidianità: non c’è più una distinzione tra mondo digitale e mondo tradizionale.

Il ruolo delle telecomunicazioni

La prima cosa che viene in mente quando si parla di telecomunicazioni è il telefono. Già Internet è una cosa che quasi tutti pensano sia informatica, anche se Internet è prettamente una rete di telecomunicazioni mentre l’informatica è le applicazioni che ci stanno sopra. Le telecomunicazioni in origine erano il telefono e la televisione, ma oggi in realtà sono degli strumenti che permettono di abilitare tantissimi servizi.

• Veicoli a guida autonoma;
• Città intelligenti dotate di sensori in grado di gestire aspetti energetici, traffico, parcheggi;
• Agricoltura intelligente dove invece di usare fertilizzanti, si cerca di raccogliere dati dal terreno e dalle piante in base a quanto è piovuto;
• Industria 4.0: è la quarta rivoluzione industriale. Si parla di un’industria che teoricamente è capace di interconnettere tutti gli elementi che fanno parte dell’industria e gestire in maniera intelligente tutti i processi.

Senza le telecomunicazioni non potremmo usare i social network, e-mail, fare acquisti online, usare il GPS o banalmente aprire un cancello automatico, pagare con la carta di credito…

Il mondo digitale e la sua struttura

Il mondo digitale permette di tradurre la realtà in numeri, che poi possono essere organizzati in strutture dati, elaborati e trasferiti. Dietro il mondo digitale si lavora con dei numeri e questo permette di avere una rappresentazione della realtà molto più veloce, accessibile ovunque in termini di tempo e luogo.

Le telecomunicazioni si fondono insieme ad altre due componenti fondamentali che sono l’informatica e l’elettronica. Originariamente c’era una separazione netta tra questi tre settori, ma oggi la separazione è sempre meno evidente perché c’è una tale correlazione tra questi settori che è difficile dire dove inizia e dove finisce un settore rispetto ad un altro. L’elettronica riguarda i dispositivi fisici che permettono di raccogliere l’informazione. L’hardware è la parte elettronica. Una volta acquisiti l’informazione, se si lascia lì e non si trasferisce non serve a niente.

Funzionamento delle telecomunicazioni

Il trasferimento banalmente è quello tra la sonda che raccoglie l’informazione e il monitor che permette di visualizzare l’informazione. Le telecomunicazioni, quindi, sono quelle che stanno nel mezzo. Sono quelle che permettono di prendere l’informazione, di rappresentarla in numeri e poi trasmetterla. Dall’altro lato c’è l’informatica, che è quella che elabora l’informazione: crea le applicazioni, crea i database e organizza l’informazione rendendola accessibile all’utente finale.

Raccogliere informazioni può essere un radar che fa un monitoraggio di uno spazio aereo, può essere un sensore che misura una temperatura piuttosto che il battito cardiaco, il posizionamento. Elaborare da un punto di vista di reti di telecomunicazioni vuol dire prendere l’informazione, rappresentarla in numeri e poi rendere il più possibile fruibile ed efficiente l’informazione. Per esempio, sul nostro telefono ci sono tante foto, video e musica: riusciamo a memorizzarle perché si fanno delle operazioni che permettono di comprimere le informazioni e di renderle in una dimensione ragionevole. Se non si facesse l’operazione di compressione, di video non ce ne starebbe neanche uno anche se si prendesse un telefono con una memoria grande. Jpeg, Mpeg, Mp3 sono tutti standard di compressione che permettono di prendere un video o una foto e di renderli a una dimensione tale per cui noi possiamo vederlo e scaricarlo sul nostro telefono senza perdere qualità.

Elaborazione e trasferimento delle informazioni

Si possono anche fare elaborazioni per migliorare l’immagine: per esempio in un’ecografia ci possono essere tanti elementi di disturbo; quindi, si cerca di elaborare l’informazione per togliere il più possibile il rumore e rendere più nitida l’informazione. Il trasferimento dell’informazione è quello che fisicamente prende l’informazione da un punto e la trasferisce da un’altra parte. Degli esempi sono Internet, la televisione, i satelliti etc. Le operazioni che si fanno sono quelle di adottare delle tecnologie che permettono di trasmettere questi numeri da un posto ad un altro.

Come si fa a mandare un numero dall’altra parte? Gli indiani lo facevano con i segnali di fumo. La parte che rientra nelle comunicazioni digitali riguarda le tecniche che permettono di prendere i numeri e fisicamente trasferirli dall’altra parte. Poi c’è la parte di reti e Internet. Noi sappiamo fisicamente come mandare l’informazione: è come dire io ho la macchina per muovermi, ma se non ci metto la rete stradale sotto non esco dal mio garage. C’è bisogno di mettere una rete che ha le sue regole: per far arrivare i dati al destinatario si deve costruire una rete con le sue regole, gestita da dei protocolli che fanno sì che l’informazione arrivi dove deve arrivare.

Sicurezza nelle comunicazioni

In tutto ciò c’è anche la parte di sicurezza: non si ha solo bisogno di far arrivare l’informazione, ma deve anche arrivare inalterata (non deve essere modificata mentre passa nella rete) e non deve essere intercettata (se si hanno dei dati personali non si vuole che vengano presi da altri). Un altro aspetto di sicurezza è anche l’accesso al servizio: si fanno degli attacchi hacker per mandare in tilt il sistema in modo tale che nessuno riesca più a fare nulla. Questi attacchi in cui si nega il servizio si chiamano "attacchi DoS" (denial of service). Un altro aspetto della sicurezza è legato alla legge: quando si lavora in rete si lasciano delle impronte. Queste tracce sono diventate quello che si chiama il "nuovo petrolio".

Il petrolio dell’era moderna sono i dati: sono paragonati al petrolio perché i dati così da soli non dicono nulla, ma se vengono elaborati si possono estrarre informazioni molto utili. Anche il petrolio se non viene raffinato non serve a nulla. C’è una grandissima ricchezza perché per esempio Facebook o Amazon detengono tantissimi dati su di noi e se li vendono ci fanno tantissimi soldi. In questo caso la sicurezza non è tanto tecnologica quanto di regolamentazione.

Storia delle telecomunicazioni

Le prime comunicazioni a distanza ci sono state con il telegrafo a metà del 1800 e poi con il primo telefono, inventato da un italiano (Meucci) anche se è stato riconosciuto come autore solo post morte. Nel 1871 Meucci inventa il telefono. Marconi invece crea il telegrafo senza fili diventando il progenitore delle reti wireless. Poi nasce la televisione, sicuramente una rete di telecomunicazioni fondamentale.

Nel 1948 Shannon, ingegnere matematico americano e padre fondatore di tutto il settore dell’informazione, pubblica "A mathematical Theory of communication". È colui che ha reso l’informazione qualcosa di matematico: l’ha definita matematicamente e gli ha dato una misura. Da lì poi è stato possibile iniziare a sviluppare delle elaborazioni sull’informazione che prima non erano possibili.

Evoluzione delle reti e Internet

Dagli anni 60 iniziano a diffondersi i calcolatori, portando una grandissima trasformazione perché hanno introdotto il concetto e la necessità di trasmettere dati. Prima la comunicazione era attraverso la voce, la telefonia o la televisione, ma dopo si ha bisogno di trasferire i dati che vengono elaborati dal calcolatore. Si ha bisogno di mettere in rete i calcolatori, ovvero collegarli l’uno all’altro. Infatti, nel 1968 nasce la rete ARPANET, che è la progenitrice di Internet. È primo tentativo di creare un’interconnessione a livello globale tra calcolatori. Il protocollo che tutt’oggi sta alla base di Internet, detto "Internet Protocol", nasce nel 1982.

L’Italia è stata uno dei primi paesi a connettersi alla prima rete Internet (quarto paese al mondo). Non si deve immaginare Internet di oggi: la connessione del 1986 era una connessione avvenuta tramite una rete satellitare in cui venne mandata un numero piccolissimo (Ping) semplicemente per dire "ci sono". È come se questi due computer si fossero detti ciao. Questo oggi sembra ridicolo ma non lo è perché la potenza di Internet è quella che ha creato la rete di interconnessione di dispositivi che parlavano lingue diverse e che prima non avrebbero mai potuto comunicare. Quindi, il fatto di riuscirsi a scambiare anche un semplice ciao era la pietra su cui poi è stato costruito tutto. Si è dimostrato che si riuscivano a fare comunicare e da quel momento in poi sopra si poteva mettere quello che si voleva.

Nascita del World Wide Web

Internet come lo conosciamo oggi, inizia dal 1990. Prima Internet era una rete quasi esclusivamente ad uso militare e poi per i centri di ricerca e per l’università. Si inizia ad usare in pubblico quando al Cern di Ginevra inventano il www (World Wide Web). L’importanza di Internet è nata insieme al web, per questo molto spesso i due concetti vengono confusi: l’informazione si trova sul web, che è un’applicazione che si trova sopra Internet. Internet è una rete, quindi di per sé non ha contenuti Internet. Siccome il concetto di Internet è nato di pari passo al Web, per noi le due cose sono intercambiabili.

Reti wireless e cellulari

Insieme ad Internet, l’altro grande elemento che ha permesso la rivoluzione digitale e delle telecomunicazioni è la parte di comunicazioni wireless. La stragrande maggioranza delle cose che sfruttano la rete Internet, si fa accedendo dai nostri telefoni, tablet o computer non connessi via cavo. Quindi l’altro grande elemento delle reti di telecomunicazioni sono le reti wireless e in particolare le reti cellulari. Le reti cellulari digitali si iniziano a sviluppare negli anni 90, anche se c’è stato un precedente tentativo di reti analogiche negli anni 80. Quelle che hanno avuto veramente importanza partono dagli anni 90 con la seconda generazione (GSM), poi le reti di terza generazione (UMTS), poi quarta generazione (LTE) e oggi siamo alla quinta generazione.

Le reti cellulari e il loro impatto

Il GSM sembra ormai qualcosa di dimenticato, ma quando appare la E sul nostro telefono è uno step evolutivo del GSM (è una generazione 2.5): ci sono ancora delle reti che funzionano con la seconda generazione anche se da noi è sempre meno frequente a differenza dei paesi in via di sviluppo. Sono tecnologie che sono ancora sono in funzione: non ci si può fare le stesse cose che si fanno con le reti di quarta o quinta generazione ma a livello di copertura telefonica sono molto più robuste rispetto a quelle di oggi.

Internet e le reti wireless sono i due elementi fondamentali per la connettività e per le reti di comunicazioni, ma non sono contrapposte l’una all’altra: Internet è un modo di interconnettere reti e dispositivi, mentre le reti wireless sono il tipo di reti più diffuse che usa Internet per connettersi a tutto il mondo.

Successo dei telefoni cellulari

I telefoni cellulari hanno avuto un successo enorme perché portare la connessione è molto più facile e quindi distribuire un accesso di questo tipo è più facile: si ha bisogno di un’infrastruttura di rete, ma è molto meno costosa rispetto a quella in cavo. Poi si ha accesso ad Internet in qualsiasi posto ci si trova (anywhere) e in qualsiasi momento (anytime). Se non ci fosse il cavo si potrebbe comunicare lo stesso. Se invece si rimane ancorati alla necessità di avere un cavo ci si può connettere solo stando ferma e solo dove c’è un cavo (non da tutte le parti).

Reti wireless e l'economia

Le reti wireless hanno avuto un impatto enorme a livello economico, soprattutto con la seconda generazione. Il 5G, che è appena partito, ha già un contributo di circa 600 miliardi di dollari. Questo impatto è legato soprattutto all’Internet of Things (Internet delle cose). Da qui ai prossimi 5 anni, chi dominerà sarà la quarta generazione visto che è quella più consolidata, ma ci sarà una crescita enorme del 5G. Il 5G è ancora in fase embrionale sia da un punto di vista di reti (non tutti i territori sono coperti dal 5G) sia da un punto di vista di potenzialità (il 5G si è dato degli obiettivi che ancora non sono stati soddisfatti).

Evoluzione delle reti cellulari

C’è sempre più bisogno di avere connessioni più veloci perché il numero di dispositivi connessi cresce, il numero di servizi a cui si può accedere cresce e ormai il 70% del traffico è dominato da video (che sono molto pesanti) che occupano gran parte delle comunicazioni. Siccome si vogliono sempre in qualità migliore, i video occupano sempre più banda.

Per quanto riguarda l’evoluzione delle reti cellulari, si deve tenere presente che più o meno ogni dieci anni c’è un aggiornamento del sistema. Partendo dalla seconda generazione sono tutte reti digitali. Le prime reti cellulari nascono per telefonare, quindi il GSM nasce solo per mandare voce. Poi con un trucchetto ci hanno aggiunto gli SMS che sono una prima forma di dati: in sostanza hanno usato un canale che non era nato per mandare SMS. La velocità di trasmissione era molto bassa (9.6 kpbs). Con la terza generazione si iniziano ad introdurre un po' di dati nello scambio di informazioni: c’è sempre una rete dedicata alla voce, però si iniziano a introdurre un po’ si servizi dati anche se con una velocità limitata (2.6 Mpbs). L’LTE è la prima rete che effettivamente ci permette di fare quasi tutto. Intanto si ha una rete che è totalmente IP e ciò vuol dire che si basa totalmente sulle regole di Internet. Permette delle velocità che nella prima versione arrivano fino ai 400 Mpbs, poi c’è una versione che si chiama LTE advanced che arriva fino a 1 Gpbs. Nell’LTE c’è ancora una distinzione tra voce e dati. Il 5G è sempre una rete totalmente IP, però in questo caso non si ha più distinzione tra voce e dati: la voce diventa un dato qualsiasi e quindi si confonde con tutto il resto. Si arriva a delle velocità di 10 Gpbs.

Le aspettative e le sfide del 5G

La differenza del 5G rispetto agli altri step evolutivi è che mentre l’evoluzione della seconda, terza e quarta generazione è stata nell’ottica di aumentare la velocità, con il 5G si mantiene comunque questa cosa ma vengono introdotte altre aspettative. Il 5G nasce con tre grandi aspettative:

• eMBB (enhanced Mobile Broadband): si danno dei servizi a banda larga quindi veloci. L’obiettivo è quello di dare dei servizi con una velocità molto elevata. Questo permette per esempio di sfruttare la realtà virtuale;
• URLLC (ultra reliable low latency communication): si vogliono delle comunicazioni ultra-affidabili e a bassa latenza; si sta lavorando su questo aspetto per garantire maggiore efficienza nell'utilizzo delle risorse di rete.