Appunti di Reti di telecomunicazioni

Appunti di Reti di telecomunicazioni

Ingegneria e Scienze Informatiche UniBo Andrea Zammarchi 000091465 23 gennaio 2022

Indice

1 Introduzione alle reti 4

1.1 Il canale e la rete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.2 Reti e servizi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.2.1 Tipologie di servizi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.2.2 Qualità dei servizi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.2.3 Servizio e canale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.3 Multiplazione, codifica e QoS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.3.1 Collegamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.3.2 Codifica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.3.3 Multiplazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.4 Reti di calcolatori . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.4.1 Sistemi chiusi e aperti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.4.2 Trasferimento dei dati . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.4.3 Strati ISO-OSI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.4.4 Interconnessione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

1.5 Funzioni di rete e commutazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

1.5.1 Tecniche di commutazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2 Mezzi trasmissivi 16

2.1 Mezzi trasmissivi in rame . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.1.1 Coppie intrecciate (Twisted Pair) . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.1.2 Cavi coassiali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.2 Mezzi radio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.2.1 Radiocomunicazioni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.2.2 Tecniche di copertura delle grandi distanze . . . . . . . . . . . 17

2.2.3 Sistemi cellulari . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.2.4 Osservazioni sulle reti radio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.3 Fibra ottica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.3.1 Struttura fisica e funzionamento . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.3.2 Fibra: dove e come . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

3 Controllo del canale e controllo dell’errore 22

3.1 Controllo del canale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

3.1.1 Canale di comunicazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

3.1.2 Controllo del canale: strato 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

3.1.3 Problematiche di sincronismo . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

3.1.4 Garantire affidabilità . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

3.2 Controllo dell’errore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

3.2.1 Codifica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

3.2.2 Uso del codice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

1

3.3 Metodi di rilevamento degli errori . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

3.3.1 Bit di parità . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

3.3.2 Internet checksum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

3.3.3 Algebra binaria e codici polinomiali . . . . . . . . . . . . . . . 27

3.3.4 Automatic Repeat Request (ARQ) . . . . . . . . . . . . . . . 27

3.3.5 Finestra scorrevole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

3.3.6 Controllo di flusso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

4 Efficienza 30

4.1 Prestazioni ed efficienza dei protocolli di strato 2 . . . . . . . . . . . 30

4.2 Prestazioni dei protocolli ARQ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

5 Internet ed IP 33

5.1 Indirizzamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

5.1.1 Standard di Internet: enti di gestione . . . . . . . . . . . . . . 33

5.1.2 Standard di Internet: indirizzamento . . . . . . . . . . . . . . 33

5.1.3 Indirizzamento nel Web . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

5.2 Protocolli ed interfacce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

5.2.1 Protocollo di rete: Internetworking Protocol (IP) . . . . . . . 36

5.2.2 Protocollo di trasporto: TCP, UDP, RTP . . . . . . . . . . . . 38

5.3 Instradamento IP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

5.3.1 Internet: rete di reti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

5.3.2 Interconnessione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

5.4 Address Resolution Protocol (ARP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

5.5 Classless VS Classfull . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

5.6 Configurazione dell’interfaccia IP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

5.7 Il protocollo ICMP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

5.7.1 Applicazioni di ICMP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

5.8 Dispositivi di rete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

5.8.1 DHCP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

5.8.2 Packet Filter e Firewall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

5.8.3 NAT (Network Address Translation) . . . . . . . . . . . . . . 47

5.8.4 VPN (Virtual Private Network) . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

5.8.5 IPv6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

6 Routing 49

6.1 Instradamento delle reti IP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

6.1.1 Metodi di instradamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

6.1.2 Routing Shortest Path nel mondo IP . . . . . . . . . . . . . . 50

6.2 Il router IP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

7 Protocolli di routing 53

7.1 Autonomous Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

7.2 Interior Gateway Protocol (IGP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

7.2.1 Routing Information Protocol (RIP) . . . . . . . . . . . . . . 54

7.2.2 Open Shortest Path First (OSPF) . . . . . . . . . . . . . . . . 55

7.3 Exterior Gateway Protocols (EGP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

7.3.1 Exterior Gateway Protocol - 1° versione . . . . . . . . . . . . 58

7.3.2 Border Gateway Protocol (BGP) . . . . . . . . . . . . . . . . 58

2

8 Local Area Network (LAN) 61

8.1 Caratteristiche generali della LAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

8.1.1 Scelte per la LAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

8.1.2 Scelte per MAC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

8.2 Ethernet e Progetto IEEE 802 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

8.3 Soluzioni per lo strato fisico dell’Ethernet . . . . . . . . . . . . . . . . 64

8.3.1 Ethernet classica: 10 Mbit/s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

8.3.2 Fast Ethernet: 100 Mbit/s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

8.3.3 Gigabit Ethernet: 1 GBit/s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

8.3.4 Multigigabit Ethernet: 10Gbit/s . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

8.4 Cablaggio delle LAN moderne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

8.5 Wireless LAN (Wi-Fi) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

8.6 Interconnessione di LAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

9 Virtualizzazione 73

9.1 Virtualizzazione di rete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

9.1.1 Virtual Local Area Network (VLAN) . . . . . . . . . . . . . . 74

9.1.2 Reti private e reti private virtuali . . . . . . . . . . . . . . . . 75

9.2 NFV e SDN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

9.2.1 SDN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

9.2.2 NFV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

9.2.3 SDN in sinergia con NFV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

3

Capitolo 1 Introduzione alle reti

1.1 Il canale e la rete

Le telecomunicazioni utilizzano canali di comunicazione: il mezzo di trasporto dei singoli flussi informativi fra nodi remoti nello spazio.

Tipologie di canale

• Monodirezionale → L’informazione può essere trasferita in una sola direzione (es. streaming).
• Bidirezionale → L’informazione può essere trasferita in entrambe le direzioni.
• Simmetrici → Uguale capacità per entrambe le direzioni (es. telefono).
• Asimmetrici → Diversa capacità per due le direzioni (es. ADSL).
• Punto-punto → L’informazione può essere trasferita da un punto a un altro, un nodo è collegato a un singolo nodo (es. posta elettronica).
• Punto-multipunto → L’informazione può essere trasferita da un punto a tanti.
• Broadcast → Un nodo trasmette a tutti i nodi.
• Multicast → Un nodo trasmette a tanti nodi.

Una grande popolazione di utenti vuole condividere un insieme di canali per comunicare a richiesta. È quindi necessario un sistema complesso che permetta il “riuso” dei canali: la rete di telecomunicazioni.

Componenti della rete

• Terminali → Fungono da interfaccia con l’utente. Codificano l’informazione in modo consono ad essere trasferita in rete.
• Mezzi trasmissivi → Insieme di canali che permettono il trasferimento di uno o più flussi di informazione fra punti remoti.
• Nodi di commutazione → Utilizzano i mezzi trasmissivi al fine di creare canali di comunicazione. 4

Tipologie di reti

• Maglia completa
• Stella
• Anello
• Bus
• Rete gerarchica

Figura 1.1: Rete gerarchica rappresentata tramite grafo.

Funzioni di rete

• Trasmissione → Trasferimento fisico del segnale.
• Commutazione → Instradamento delle informazioni all’interno della rete al fine di permettere la comunicazione fra punti terminali.
• Segnalazione → Scambio delle informazioni necessarie per la gestione della comunicazione e della rete stessa.
• Gestione → Tutto ciò che concerne il mantenimento e l’aggiornamento della rete.

1.2 Reti e servizi

1.2.1 Tipologie di servizi

ITU (International Telecommunication Union): un’organizzazione internazionale che si occupa di definire degli standard nelle telecomunicazioni e nell’uso delle onde radio.

Tassonomia dei servizi

• Servizi interattivi → Esiste interazione tra sorgente e destinazione.
• Servizi distributivi → La sorgente diffonde informazioni in modo indipendente, ad un numero imprecisato di destinazioni. 5

Medialità dei servizi

• Servizio monomediale → Trasporta informazioni di un solo tipo. Trasferisce più tipologie di informazione sotto forma di un unico segnale (es. televisore analogico).
• Servizio multimediale → Trasporta informazioni di almeno due tipologie diverse. Le diverse tipologie di informazione sono trasportate dalla medesima rete ma con modalità distinte, diversi protocolli e differenti qualità di servizio (es. videoconferenza: voce e video bidirezionale).

1.2.2 Qualità dei servizi

QoS (Quality of Service): la qualità della comunicazione percepita dall’utente.

Indicatori di QoS Forniscono una misura sintetica della QoS:

• Probabilità di errore o perdita di informazioni.
• Ritardo nella consegna di informazioni.
• Variazioni del ritardo nella consegna delle informazioni (Jitter).
• Uniformità delle prestazioni (Fairness).

Trasparenza della rete La rete può modificare l’informazione pertinente a un dialogo:

• Trasparenza semantica → Riguarda l’integrità delle informazioni trasportate.
• Trasparenza temporale → Riguarda la variabilità dei ritardi di transito.

Figura 1.2: Trasparenza semantica VS trasparenza temporale. 6

Figura 1.3: Requisiti di QoS per diversi servizi.

1.2.3 Servizio e canale

Non esiste una corrispondenza diretta tra tipologia di canale e tipologia di servizio. Ad esempio lo stesso servizio multicast può essere implementato sia con canali broadcast che con canali punto-punto.

Figura 1.4: Implementazioni differenti dello stesso servizio multicast.

1.3 Multiplazione, codifica e QoS

1.3.1 Collegamento

Il collegamento è caratterizzato principalmente dal mezzo trasmissivo: rame in coppia bifilare, rame in cavo coassiale, fibra ottica, radio collegamento, ecc.

Figura 1.5: I nodi di rete sono connessi tramite collegamenti. 7

1.3.2 Codifica

Figura 1.6: Operazioni di codifica/decodifica per passare dalla sorgente al mezzo fisico.

A ognuno di questi blocchi corrisponde una decodifica in ricezione. Le operazioni di codifica possono essere combinate in vari modi (canale-linea, sorgente-canale, ecc.). In diversi punti si può anche aggiungere la crittografia.

Tipi di codifica

• Codifica di sorgente → Elimina la ridondanza intrinseca delle sorgenti e diminuisce la velocità di emissione senza comprometterne la fruibilità dell’informazione.
• Codifica di canale → Aggiunge bit di ridondanza per il controllo dell’errore.
• Codifica di linea → Trasforma la sequenza di bit in una sequenza di simboli per adattare il segnale al mezzo trasmissivo.
• Codifica crittografica → Trasforma la sequenza di simboli rendendola incomprensibile a chi non possegga ulteriori specifiche informazioni (chiavi di decriptazione).

1.3.3 Multiplazione

La multiplazione consiste nel trasportare più canali nello stesso mezzo di trasmissione. Si può realizzare sfruttando le seguenti tecniche, che teoricamente sono equivalenti e differiscono per modalità di implementazione:

• Tempo → Time Division Multiplexing (TDM).
• Frequenza → Frequency Division Multiplexing (FDM).
• Codice → Code Division Multiplexing (CDM).
• Spazio.

TDM (Time Division Multiplexing) Nelle reti numeriche viene principalmente utilizzata questa modalità, che può essere:

• Slotted → Slot prefissati, le unità formative hanno tutte la stessa lunghezza commisurata al singolo slot.
• Unslotted → Unità informative a lunghezza temporale variabile, necessario un sistema esplicito di delimitazione di tali unità. 8
• Framed → Gli slot vengono strutturati in frame, si sincronizzano tali frame e non gli slot.
• Unframed → Gli slot si susseguono senza struttura, occorre un sistema di sincronizzazione degli slot.
• Assegnazione della banda statica → Flusso informativo = banda dedicata (bit/sec). La banda non può cambiare a comunicazione in corso. La richiesta complessiva della banda è ben controllabile.
• Assegnazione della banda dinamica → Molti flussi informativi condividono liberamente la banda in base alla necessità. La banda può cambiare a comunicazione in corso. La richiesta complessiva di banda può diventare intollerabile (congestione).

S-TDM (Synchronus Time Division Multiplexing) Le unità informative vengono trasferite periodicamente con un ritardo costante. Ogni periodo è uguale alla durata del frame.

A-TDM (Asynchronus Time Division Multiplexing) Con questa applicazione occorre definire le modalità di assegnazione della banda e le modalità di gestione delle situazioni di contesa.

Sistema TDM/PCM plesiocrono Un sistema PCM (Pulse Code Modulation) è un sistema in cui diversi componenti, ognuno con la propria frequenza di lavoro, sono sincronizzati temporalmente tra loro entro certe specifiche tolleranze temporali. Questi sistemi vengono utilizzati nelle reti telefoniche.

1.4 Reti di calcolatori

1.4.1 Sistemi chiusi e aperti

Sistemi chiusi Tutte le reti di calcolatori della prima generazione nascono e si evolvono come sistemi chiusi. Così come nel mondo dell’informatica tutti i componenti della rete devono essere dello stesso costruttore, nel mondo delle telecomunicazioni deve esistere una rete specializzata per ogni servizio. Questo approccio però crea incompatibilità, ponendo ostacoli alla comunicazione.

A partire dal 1976 la ISO ha dato il via a lavori per giungere ad una serie di standard unificati per la realizzazione di reti di calcolatori aperte. Viene così creato un modello di riferimento: lo Standard ISO-OSI.

Sistemi aperti Basati sul concetto centrale di un’architettura a strati. I vantaggi:

• Scompone il problema in sottoproblemi più semplici.
• Rende i vari livelli indipendenti.
• Livelli diversi possono essere sviluppati da enti diversi. 9

Obiettivo: realizzare una rete di calcolatori in cui qualunque terminale comunica con qualunque fornitore di servizi mediante qualunque rete. Le definizioni contenute nell’OSI coinvolgono 3 livelli di astrazione:

• Modelli di riferimento: schema concettuale, numero di strati coinvolti, definizione funzioni strati.
• Definizione dei servizi: determinati servizi forniti da determinati strati.
• Specifiche di protocolli e interfacce: come viene fornito un servizio da uno strato.

Modelli di riferimento Architettura a 7 strati, numerati dal basso verso l’alto da 1 a 7:

• 1, 2, 3 sono detti lower o network oriented layers → Si possono avere funzioni di ripetizione (relay) che si dice operano link-by-link.
• 4 fa da raccordo tra gli upper e i lower.
• 5, 6, 7 sono detti upper o application oriented layers → Operano solo end-to-end.

Figura 1.7: Architettura a 7 strati.

Entità, interfacce e protocolli

• Entità → Ogni elemento attivo in uno stato, identificato da un nome simbolico (title).
• Protocollo → Regole di dialogo fra entità dello stesso livello.
• Interfaccia → Regole di dialogo fra entità di livelli adiacenti.

1.4.2 Trasferimento dei dati

• N-Protocol Data Unit (PDU) → Dati trasferiti fra entità di strato N.
• N-Service Data Unit (SDU) → Dati passati dallo strato N allo strato N+1.
• N-Service Access Point (SAP) → Indirizzo di identificazione del flusso dati fra N+1 ed N. 10

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