Sistemi e servizi di telecomunicazione

Indice

• 1 Internet: introduzione al paradigma 4
• 2 Protocollo IP 5
• 2.1 Pacchetto IP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
• 2.2 Protocolli rilevanti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
• 2.2.1 ARP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
• 2.2.2 DHCP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
• 2.2.3 NAT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
• 3 Protocolli di trasporto: UDP e TCP 8
• 3.1 Protocollo UDP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
• 3.2 Protocollo TCP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
• 4 Teoria della comunicazione 10
• 4.1 Modulazione analogica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
• 4.2 Modulazione digitale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
• 4.3 Codifica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
• 5 Multiplazione 12
• 5.1 Frequency Division Multiplexing (FDM) . . . . . . . . . . . . . . 12
• 5.2 Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) . . . . . . 13
• 5.3 Synchronous Time Division Multiplexing (TDM) . . . . . . . . . 13
• 5.4 Asynchronous Time Division Multiplexing . . . . . . . . . . . . . 13
• 5.5 Statistical Multiplexing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
• 5.6 Code Division Multiplexing CDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
• 6 Mezzi di trasmissione 14
• 6.1 Trasmissione guidata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
• 6.1.1 Doppino di rame intrecciato . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
• 6.1.2 Fibra ottica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
• 6.2 Trasmissione radio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
• 6.2.1 Antenne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
• 6.2.2 Deterioramenti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
• 6.2.3 Multiplazione, accesso multiplo e duplazione . . . . . . . . 17
• 6.2.4 Multiple Input Multiple Output MIMO . . . . . . . . . . . 17
• 7 Reti di accesso a banda larga 17
• 7.1 Rete di accesso fissa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
• 7.1.1 Tecnologia xDSL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
• 7.1.2 Reti di accesso in rame FTTE . . . . . . . . . . . . . . . 19
• 7.1.3 Reti di accesso in fibra misto rame FTTC . . . . . . . . . 19
• 7.1.4 Reti di accesso in fibra misto rame FTTB . . . . . . . . . 19
• 7.1.5 Reti di accesso in fibra FTTH . . . . . . . . . . . . . . . . 20
• 7.2 Rete di accesso wireless a postazione fissa FWA . . . . . . . . . . 20
• 7.3 Rete satellitare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
• 8 Servizi di connettività WAN 22
• 8.1 Multiprotocol Label Switching MPLS . . . . . . . . . . . . . . . 23
• 8.2 Reti private virtuali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
• 9 Dispositivi di rete 28
• 9.1 Router . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
• 9.2 Switch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
• 9.3 Firewall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
• 9.4 Intrusion detection system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
• 9.5 Anti-DDoS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
• 9.6 Load balancer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
• 10 Software-Defined Networking (SDN) 32
• 10.1 OpenFlow Switch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
• 10.2 SD-WAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
• 10.3 Programmazione del piano dati . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
• 11 Network Function Virtualization (NFV) 35
• 12 Quality of Service (QoS) 36
• 12.1 Traffic regulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
• 12.1.1 Token Bucket (TB) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
• 12.1.2 Leaky Bucket (LB) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
• 12.1.3 Resource allocation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
• 12.2 Scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
• 12.2.1 Time Division Multiplexing . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
• 12.2.2 Round Robin (Fair Queuing) . . . . . . . . . . . . . . . . 42
• 12.2.3 Weighted Fair Queuing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
• 12.2.4 Service Priority . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
• 12.3 Call Admission Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
• 12.4 Integrated Services (IntServ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
• 12.5 DiffServ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
• 13 Voice-over-IP (VoIP) 49
• 13.1 Codifica della voce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
• 13.2 Degrado della voce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
• 13.3 Segnalazione VoIP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
• 13.3.1 Session Initiation Protocol (SIP) . . . . . . . . . . . . . . 53
• 14 Reti radiomobili 57
• 14.1 Infrastruttura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
• 14.2 Radio planning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
• 15 2G - GSM 61
• 15.1 2G - GPRS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
• 16 3G UMTS 69
• 17 4G - LTE 72
• 17.1 4G - virtualizzazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
• 18 5G 76
• 19 Content Delivery Network (CDN) 79
• 20 Riassunti 83
• 20.1 Multiplazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
• 20.2 Mezzi di trasmissione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
• 20.3 Reti di accesso a banda larga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
• 20.4 Servizi di connettività WAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
• 20.5 Dispositivi di rete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
• 20.6 Software-Defined Networking SDN . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
• 20.7 Network Function Virtualization NFV . . . . . . . . . . . . . . . 88
• 20.8 Quality of Service QoS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
• 20.9 Voice-over-IP VoIP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
• 20.10 Reti radiomobili . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
• 20.11 2G - GSM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
• 20.12 3G - UMTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
• 20.13 4G - LTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
• 20.14 5G . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
• 20.15 Content Delivery Network (CDN) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

1 Internet: introduzione al paradigma

Internet è un insieme di reti interconnesse, a comunicazione di pacchetto. La sua struttura è una struttura gerarchica ed è composta da reti raggruppate in sistemi autonomi (AS). Ciascun AS ha una propria amministrazione e una propria gestione.

Dal punto di vista dei servizi, Internet è:

• Una rete logica indipendente dalle tecniche di trasmissione utilizzate
• Una piattaforma a supporto di applicazioni distribuite, indipendente dalle tecnologie di rete

La rete logica è ottenuta interconnettendo reti fisiche in grado di comunicare a livello 3, grazie al protocollo IP.

Entità fondamentali:

• Router: nodi che interconnettono reti fisiche, instradando verso la destinazione l'informazione contenuta nel pacchetto IP
• Host: nodi terminali in grado di interpretare tutti i livelli dello stack OSI

Descrizione stack:

• Application e Presentation di OSI collassano in Application di Internet. I protocolli sono molteplici e ci troviamo al livello più alto
• Session e Transport di OSI collassano in Transport di Internet. I due protocolli usati sono TCP e UDP
• In Network si utilizza il solo protocollo IP, in questo livello si incapsula il pacchetto TCP/UDP
• In Data Link si incapsula il pacchetto IP
• In Physical si codificano i bit del pacchetto e si applica una modulazione, trasformando la sequenza di bit in un segnale elettrico (poi trasmissibile tramite fibra).

2 Protocollo IP

Caratteristiche principali:

• Assegna un indirizzo universale (indirizzo IP)
• Non garantisce integrità, consegna e la corretta sequenza dei pacchetti
• Consegna "best effort" dei pacchetti
• Frammenta i pacchetti se il livello 2 lo richiede
• Ricostruisce i frammenti solo in ricezione

Un indirizzo IP è composto da 32 bit, divisi in 8 bit, e riportati in notazione decimale puntata.

Si può poi ulteriormente dividere in:

• NetId: indirizzo di rete, identifica la rete. All'interno della stessa rete, questo id è uguale per tutti
• HostId: indirizzo dell'host, identifica l'host nella rete

Esistono due tipi di indirizzamento: Classful e Subnetting.

Per Classful esistono degli indirizzi speciali:

• Indirizzo di rete: indirizzo con HostId posto tutto a zero. Indica la rete il cui indirizzo è contenuto nel campo NetId. Sono usati solo nelle tabelle di routing
• Broadcast diretto: indirizzo con HostId di soli 1. Assume il significato di indirizzo broadcast della rete indicata nel NetId. Un pacchetto inviato a questo indirizzo verrà ricevuto da tutti gli host della rete
• Broadcast limitato: indirizzo composto da tutti 1 (255.255.255.255) e rappresenta l'indirizzo broadcast all'interno della stessa rete di chi invia il pacchetto. Il pacchetto inviato non potrà uscire dalla rete locale
• Loopback: indirizzi con il primo byte posto a 127

L'indirizzamento Subnetting aggiunge flessibilità ed elimina i limiti dell'indirizzamento Classful. Viene introdotta la SubNet Mask, la quale indica la porzione dell'indirizzo IP che interessa rete e sottorete. Tramite questo indirizzamento è possibile, partendo dagli indirizzi IP Classful, creare delle sottoreti private, togliendo bit dall'HostId e aggiungendoli al campo SubNetId.

2.1 Pacchetto IP

I componenti dell'header sono:

• Ver (4 bit): versione del protocollo
• HLEN (4 bit): lunghezza dell'header del pacchetto, espressa in parole di 32 bit. Minimo ci devono essere 5 parole
• TOS (8 bit): type of service, usato per la gestione delle priorità nelle code dei router
• Total length (16 bit): lunghezza totale del pacchetto, espressa in byte. Il Payload sarà dato da Total length - HLEN
• Fragment Identification (16 bit): identifica i frammenti di uno stesso pacchetto
• Flags (3 bit): il primo bit è posto a 0, il secondo bit è posto a 1 quando non si vuole che venga applicata la frammentazione (se necessaria si otterrà un messaggio di errore) e il terzo bit è posto a 0 solo nell'ultimo frammento e posto a 1 per gli altri
• Fragment Offset (13 bit): posizione del frammento nel datagramma IP originale
• TTL (8 bit): time to live, viene settato a un valore elevato dal generatore del pacchetto e viene decrementato da ogni router che attraversa. Se questo valore arriva a 0, il pacchetto viene scartato (per evitare loop infiniti)
• Protocol (8 bit): identifica il protocollo di livello superiore
• Header Checksum (16 bit): serve per individuare eventuali errori nell'header e viene calcolato ad ogni hop. L'header viene diviso in blocchi da 16 bit, viene calcolata la somma modulo 2 dei bit corrispondenti e il risultato viene complementato e inserito in questo campo. In ricezione si fa la somma modulo 2, incluso questo campo, e se il risultato è composto da tutti 1 allora l'header non è stato corrotto
• Source address (32 bit): indirizzo IP della sorgente
• Destination address (32 bit): indirizzo IP del destinatario.

2.2 Protocolli rilevanti

2.2.1 ARP

Per comunicare con un host nella propria LAN è necessario conoscere anche l'indirizzo MAC, ovvero l'indirizzo fisico di livello 2. Per conoscere tale indirizzo si deve interrogare la tabella di corrispondenza tra indirizzi IP e indirizzi MAC. Queste tabelle (ARP cache) sono create dinamicamente da ciascun host mediante il protocollo ARP. Quindi, il protocollo ARP permette di conoscere l'indirizzo MAC di un host conoscendo il suo indirizzo IP.

Il funzionamento è il seguente: l'host invia una ARP-request specificando i propri indirizzi, l'IP del destinatario e il MAC del destinatario (posto a 0), questa request viene inviata a tutti gli host appartenenti alla LAN. L'host destinatario risponderà con una ARP-reply dove verrà specificato il proprio indirizzo MAC. A questo punto l'host mittente può popolare la sua ARP cache.

2.2.2 DHCP

In molte reti non è necessario avere un'associazione stabile tra host e indirizzo IP, si può quindi usare un'associazione dinamica e temporanea. Per questo scopo si utilizza il protocollo DHCP, un protocollo di tipo client - server.

Il funzionamento è il seguente: il client DHCP invia in broadcast un messaggio contenente il proprio indirizzo MAC, il server DHCP risponde con un messaggio contenente l'indirizzo IP proposto. Il client, se accetta l'offerta, invia in broadcast un messaggio contenente l'identificativo del server. A questo punto il server salva l'associazione tra indirizzo IP e indirizzo MAC e invia un messaggio al client con le informazioni necessarie per la configurazione (indirizzo IP, subnet mask, default gateway e DNS server). Quando il client vuole rilasciare l'indirizzo IP, invia un messaggio di release al server (altrimenti, il rilascio può avvenire per timeout).

2.2.3 NAT

L'aumento degli host presenti su Internet, ha reso il problema della disponibilità di indirizzi IPv4 pressante. La soluzione che si sta adottando è di standardizzare l'indirizzamento IPv6, nel frattempo però si usando gli indirizzi privati, adottati nelle reti private. Non è però ammesso che dei pacchetti con indirizzi privati viaggino nella rete pubblica ed è quindi necessario uno strumento che permetta ad un host con indirizzi privati di interfacciarsi su Internet: NAT è un protocollo che permette di associare un ridotto numero di indirizzi pubblici agli indirizzi privati degli host. Affinché il colloquio sia bidirezionale, occorre mantenere l'associazione tra indirizzo privato e indirizzo pubblico tramite l'utilizzo di una tabella di NAT, questa corrispondenza può essere statica o dinamica (l'assegnamento ha la stessa durata della sessione). Un potenziamento di questo protocollo è il protocollo NAPT, che permette di associare un unico indirizzo IP pubblico a più indirizzi IP privati, e sfrutta le porte per differenziare e riconoscere da e verso quale indirizzo privato inoltrare il pacchetto ricevuto o inviato.

3 Protocolli di trasporto: UDP e TCP

Sono protocolli "end-to-end" che riguardano solo gli host.

3.1 Protocollo UDP

Offre un servizio "connectionless", ovvero l'invio dei dati non è preceduto da nessuna fase di apertura di connessione. Inoltre, è un protocollo privo di stato e ha un trasporto inaffidabile, non offre quindi il rilevamento di perdita o duplicazione dei dati, la ritrasmissione dei dati, la consegna in sequenza e il controllo di flusso. Offre però i seguenti servizi:

• Multiplazione di flussi di pacchetti da/verso più applicazioni contemporaneamente attive su un host
• Rilevamento d'errore
• Adatti per servizi che possono sopportare una perdita abbastanza elevata di dati ma sensibili al ritardo.

3.2 Protocollo TCP

Servizio orientato alla connessione che garantisce la consegna sequenziale, il recupero dei dati persi o errati, l'eliminazione dei dati duplicati e, come UDP, offre la multiplazione di più flussi contemporaneamente. Essendo un protocollo orientato alla connessione, viene creata un'associazione tra host sorgente e host destinatario.

Meccanismi fondamentali di TCP:

• Instaurazione della connessione
• Abbattimento della connessione graceful
• Esistenza dell'acknowledgment: usato per certificare la corretta ricezione del segmento
• Ritrasmissione di segmenti andati persi o con acknowledgment non ricevuto
• Controllo d'errore
• Ripristino sequenza e scarto duplicati
• Controllo di flusso: il ricevente regola la quantità di dati che il trasmettitore gli può inviare specificando una finestra di ricezione (nell'header del pacchetto), quindi la finestra di trasmissione potrà essere al più pari alla finestra di ricezione. Tali finestre possono essere modificate dinamicamente
• Controllo di congestione: viene usata una finestra di congestione che viene variata dinamicamente in base allo stato di congestione della rete (stimata sugli acknowledgment non ricevuti)

TCP viene utilizzato per servizi che possono tollerare ritardi ma non perdite.

4 Teoria della comunicazione

Nel 1948, Shannon propose un modello generale per la comunicazione.

Per eseguire la trasmissione su un mezzo di comunicazione, i bit di informazione devono essere codificati in segnali fisici adatti a propagarsi efficacemente attraverso il mezzo trasmissivo. Il canale di comunicazione è un'astrazione che modella il mezzo di comunicazione e le possibili fonti di rumore, distorsione e attenuazione (queste fonti alterano il trasferimento del segnale):

• n(t) Rumore: modellato con
• h(t) Distorsione: modellato con C
• h(t) Attenuazione: modellato con, causa un abbassamento della frequenza del segnale

La capacità di un canale è il bit rate massimo a cui si può trasferire l'informazione in modo affidabile (ovvero, il tasso di errore in bit può essere reso arbitrariamente piccolo). La capacità per un canale si può calcolare con la formula C = B log2 (1 + S/N) (1), dove S è la potenza del segnale, N è la potenza del rumore e B è la larghezza di banda del canale. Il rapporto S/N definisce un limite che non può essere superato; minore è il rapporto, minore è la capacità del canale. Mediante una opportuna modulazione e codifica, è possibile ottenere una trasmissione che si avvicina molto a questo limite.

4.1 Modulazione analogica

La modulazione analogica