Teoria Internet e multimedia

Informazioni e segnali

Informazione = insieme di dati, correlati tra loro, con cui un'idea prende forma ed è comunicata. In telecomunicazioni, con informazione si indica il contenuto di una comunicazione tra due entità, trasmesso o codificato attraverso un segnale. L'informazione diventa così una grandezza misurabile.

Es: cartello della strada → comunicazione: tra gli utenti della strada, e anche con gli enti normativi → segnale: il cartello stradale → informazione: il cartello indica una precisa possibilità, obbligo o pericolo (in base al cartello).

Osservazioni

Non tutte le notizie costituiscono informazione. La notizia comunicata deve essere per noi eclatante, cioè deve generare sorpresa, deve essere inattesa. Infatti, la ripetizione della stessa notizia non apporta informazione. Possiamo definire indirettamente l'informazione:

• Specificando la natura con cui si manifesta.
• Evidenziando il suo elemento caratteristico di sorpresa.
• Specificando gli effetti che essa produce nella persona o entità che la recepisce.

Risultati di Shannon

Claude E. Shannon, fondatore della Teoria Matematica dell'Informazione, è stato il primo a introdurre la distinzione tra forma e significato nel processo comunicativo. La Teoria dell'Informazione: un sistema di TLC viene studiato dal punto di vista del processo di trasferimento dell'informazione contenuta nei messaggi emessi dalla sorgente, indipendentemente dal segnale con cui questa informazione viene rappresentata.

Misurazione del contenuto informativo: non è possibile definire la quantità di informazione associata a un messaggio già ricevuto, ma piuttosto la quantità di informazione associata a un papabile messaggio. L'informazione è ciò che riduce l'incertezza sulla conoscenza di un evento. La quantità di informazione è una funzione della probabilità ed è tanto più alta quanto più un messaggio è inatteso.

• "Domani sorgerà il sole" → basso contenuto informativo (evento certo).
• "Domani scoppierà una pandemia" → alto contenuto informativo (evento inatteso).

I segnali

Sono grandezze fisiche variabili nel tempo a cui è associata un'informazione. L'informazione è associata a una variazione (aleatoria e non deterministica) della grandezza fisica. Aleatorio = è sinonimo di non predicibile a priori (opposto di deterministico).

Rappresentazione dell'informazione

Associazione tra caratteristiche (di valore e temporali) dei segnali e le informazioni che essi rappresentano. Le caratteristiche sono impresse dal dispositivo generatore del segnale. I ricevitori devono essere sensibili a tali caratteristiche. Caratteristiche = valore, andamento temporale ed eventi del segnale.

Osservazione

L'associazione informazione – segnale può essere arbitraria. Occorre, quindi, distinguere tra stati, andamenti ed eventi del segnale e del fenomeno (cioè dell'informazione) da esso descritto.

Classificazione di segnali

In base alla loro natura:

• Elettrici
• Acustici, ecc.

In base a come vengono rappresentati:

• Analogici
• Digitali

Grandezza fisica → Trasduttore → Segnale elettrico.

Segnali elettrici

Trasmissione di informazione tramite una variazione di corrente elettrica o di tensione all'interno di un conduttore o in un punto di un circuito elettrico o elettronico. Grazie ai trasduttori qualsiasi segnale fisico può diventare elettrico (es. segnale acustico).

Segnali analogici

Il valore dell'informazione rappresentata è una funzione continua della grandezza significativa. Rappresentazione attraverso un numero reale. Generati da sensori o trasduttori che creano una corrispondenza tra la grandezza fisica che è oggetto di informazione (es. temperatura) e il segnale (es. tensione elettrica).

Segnali digitali

Rappresentazione come sequenza di numeri presi da un insieme di valori discreti, ovvero appartenenti a uno stesso insieme ben definito e circoscritto. L'attributo "analogico" o "digitale" non si riferisce a caratteristiche intrinseche del segnale ma a caratteristiche dell'informazione da esso rappresentata. I segnali digitali nascono come analogici.

Segnali analogici

Pregi

• Sono più "naturali", le leggi della fisica classica operano tipicamente nel "continuo".
• Il rumore deforma ma non stravolge il segnale (errori proporzionali all'entità del disturbo).

Difetti

• Dispositivi di elaborazione relativamente poco precisi, poco stabili nel tempo e poco immuni alle perturbazioni.
• Le elaborazioni su di essi sono poco flessibili e producono degrado.

Segnali digitali

Pregi

• Rappresentazione esatta di simboli di un alfabeto finito.
• Semplicità e robustezza dei circuiti di generazione ed elaborazione.
• Elevata immunità ai disturbi.

Difetti

• Gli errori possono stravolgere l'informazione.
• Servono molti bit per rappresentare informazioni ricche.
• Le informazioni intrinsecamente continue vanno convertite.

Caso particolare: il binario

Due casi possibili:

• 1 = true = ON = high
• 0 = false = OFF = low

Logica positiva o negativa. Rappresentazione necessaria per un calcolatore.

Rappresentazione senza segno

Composto da: Base b e lunghezza n. Può essere convertito in base 10 e/o esadecimale. Con n bit rappresento qualsiasi decimale senza segno tra 0 e 2ⁿ − 1.

→ Per convertire da base 10 a base 2 bisogna dividere il numero in base 10 come somma di esponenti di 2. → Per convertire da base 2 a base 16, bisogna suddividere a 4 a 4 i numeri in base 2. Successivamente, se il numero è compreso tra 0 e 9, viene scritto come tale. Se il numero è compreso tra 10 e 15, viene scritta la lettera associata (es. 10 = A, ..., 15 = F).

Rappresentazione in modulo e segno

Il bit più significativo rappresenta il segno (0 = + , 1 = −), mentre i restanti rappresentano il modulo. Scomoda per operazioni aritmetiche, in quanto lo 0 può essere rappresentato 2 volte. Con n bit si rappresenta qualsiasi numero decimale intero senza segno tra −(2ⁿ − 1) e (2ⁿ − 1). La somma tra due numeri A e B si svolge come da tabella:

Rappresentazione in complemento a 1

Il bit più significativo rimane sempre il primo, ovvero il segno. Stesso intervallo di valori rappresentabili con modulo e segno. Un numero negativo si ottiene dal suo positivo, cambiando tutti i bit.

→ Esempio a 4 bit: 0110 corrisponde a 6, mentre 1001 corrisponde a − 6.

Nelle operazioni aritmetiche si utilizza l'eventuale riporto in fase di somma.

Rappresentazione in complemento a 2

È la più diffusa: somma e sottrazione si fanno con la stessa circuiteria. Il bit più significativo rimane il segno (primo bit da sx) - 0 = positivo, 1 = negativo. Un numero negativo si ottiene dal suo positivo e cambiando tutti i bit, compreso il segno, e aggiungendo 1. Vantaggio = unica rappresentazione per lo 0. Nelle operazioni aritmetiche può verificarsi overflow / underflow (il numero di bit non è sufficiente per rappresentare un numero rispettivamente più grande / più piccolo).

Con n bit rappresento numeri nell'intervallo: [ −2ⁿ−1, 2ⁿ−1 − 1 ]

Domande riassuntive

• Quali sono le differenze tra informazione e segnale?
• Fornire un esempio di informazione e segnale differente da quello del cartello stradale.
• Riepilogare la classificazione di segnali in base alla loro rappresentazione.
• Possiamo dire che un segnale digitale è più preciso di uno analogico? Perché?

Introduzione alle reti

Sistemi di comunicazione:

• Sistemi di comunicazione principali: telefonico, radiofonico, televisivo, telematico.

Classificazione di sistemi

Punto – punto

• 1 trasmettitore
• 1 o più ripetitori intermedi
• 1 ricevitore
• Ad ogni tratta vengono associati uno o più mezzi fisici di propagazione del segnale.
• Il canale è una risorsa dedicata al collegamento.

Multi – utente (Broadcast)

• 1 o più trasmettitori iniziali
• 1 o più ripetitori
• 1 o più ricevitori
• Il canale è una risorsa condivisa tra i diversi trasmettitori e/o ricevitori presenti nel sistema.
• Broadcast → se coinvolge tutti gli utenti come ricevitori.

Rete di telecomunicazioni

Piattaforma tecnologica per effettuare comunicazione a distanza tra due o più utenti. Scopo: consente di trasferire informazione (servizio di telecomunicazioni) caratterizzata da diversi parametri (durata, qualità, ecc.). Consente di gestire le sue parti componenti e i servizi supportati. Ci sono diverse modalità (e dunque topologie) per realizzare tale trasferimento, ognuna delle quali presenta propri vantaggi e svantaggi.

Esempi di rete

• Rete telefonica fissa
• Reti mobili (3G e 4G - LTE)
• Reti di distribuzione radio e TV digitale
• Reti dati in area locale (LAN) = WiFi / internet

Esempi di servizi

• Comunicazioni audio – video bidirezionale
• Comunicazione audio – video da uno a più
• Audio – video diffusione, come servizio radio, TV, streaming, web TV
• Messaggistica
• Posta elettronica
• Condivisione dati peer – to – peer
• Web browsing

Criteri di classificazione di reti

La classificazione può essere basata su:

• Gamma dei servizi supportati
• Grado di mobilità del terminale
• Estensione fisica
• Posizione

Classificazione per servizi

Rete dedicata ad un servizio

• Fornitura di un singolo servizio
• Possono essere utilizzate con alcune limitazioni anche per un insieme ristretto di altri servizi
• Es: rete telefonica fissa e le prime generazioni di reti mobili (GSM)

Rete multi – servizio

• Fornitura di una vasta gamma di servizi
• Prestazioni complessive di qualità e di costo decisamente migliori rispetto a quelle ottenibili con le reti dedicate
• Es: Internet e reti mobili di ultima generazione (3G, 4G e 5G)

Classificazione per mobilità

Rete fissa

• Gli utenti accedono alla rete da postazioni fisse, oppure si muovono in un intorno relativamente ristretto
• "Punto di accesso" fisso, terminale può essere mobile
• Es: terminali WiFi che accedono alla rete Internet

Rete mobile

• Gli utenti possono muoversi senza forti limitazioni ai loro spostamenti (anche tramite veicoli)
• Gli utenti possono cambiare "punto di accesso" alla rete che gestisce ciò rendendoli sempre raggiungibili (handover)
• Es: reti cellulari

Classificazione per estensione

Partendo dal più piccolo fino al più grande:

• PAN (Personal Area Network): area personale (circa 1m), principalmente usato tramite Bluetooth
• LAN (Local Area Network): Area locale (si estende per qualche km, ma rimane all'interno di un singolo edificio), principalmente usati reti Ethernet (cavo) e/o WiFi
• MAN (Metropolitan Area Network): area relativamente estesa (città, decine di km), utilizzano WiMAX
• WAN (Wide Area Network): Area molto estesa (nazione o continente, centinaia di km), utilizzano principalmente la fibra (Internet) e rete telefonica

Interconnessione di reti

Più reti possono essere interconnesse tra loro in modo da formare una rete più estesa. Questo è in generale possibile se:

• Le reti componenti sono di tipo omogeneo
• Si aggiungono opportuni meccanismi e protocolli comuni operanti sopra le varie reti componenti

Es: più PAN interconnesse tra loro possono formare una LAN.

Classificazione per posizione soggetti implicati

Teoria dei grafi

Grafo = oggetto discreto che permette di schematizzare una grande varietà di situazioni e di processi, e spesso consente delle analisi in termini quantitativi e algoritmici. Le reti e le loro topologie possono essere descritte attraverso i grafi. La teoria dei grafi è la scienza che si occupa di studiare i grafi. Connessioni con l'algebra.

Rami e nodi

Quando si parla di topologia, si fa riferimento a due elementi: rami e nodi. Rete = interconnessione di rami e nodi. Nodo = estremità comune di uno o più rami convergenti nello stesso punto. Ramo = elemento di connessione di due nodi.

Nodo

Mezzo di scambio tra due o più rami, o terminazione degli stessi. Terminazioni fisiche di rete, apparati di commutazione. I nodi possono essere intermedi e terminali.

• Intermedi (relay): nodo di scambio, multiplazione / demultiplazione a seconda dei casi viene chiamato router, switch, hub, repeater, ecc. Concetto simile a quello di parcheggio scambiatore (le informazioni vengono smistate).
• Terminali (end system): sorgente / destinazione della comunicazione. Mezzo attraverso cui un utente usufruisce di uno o più servizi di telecomunicazione (dispositivi utente) varia forma → TV, telefono, PC. A seconda del livello di astrazione, un nodo può assumere una funzione o l'altra.

Ramo

Percorso diretto che l'informazione segue per essere trasferita tra due nodi. Può rappresentare:

• Mezzo trasmissivo
• Giunzione fisica / logica tra due apparati di rete

Rappresentazione

N = nodi, R = rami (o archi). Grafo: G = (V, A) → V = vertici / A = archi.

• Insieme dei nodi: V con N = |V| → N: indica la cardinalità dei vertici.
• Insieme dei rami (archi): A con R = |A| → R: indica la cardinalità degli archi.

Grafo orientato: si fa distinzione sul verso di percorrenza dei rami.

Topologie

Scopo: rappresentare le relazioni di connettività (fisica o logica) tra nodi. Viene determinata soltanto dalla configurazione dei collegamenti tra i nodi. Si effettuano solo rappresentazioni sotto forma di astrazione rispetto a:

• Distanze tra nodi
• Tecnologie usate per le interconnessioni fisiche
• Velocità di trasmissione
• Tipo di segnale

Topologie elementari

Topologie lineari semplici

Ciascun nodo è collegato a due nodi adiacenti con un solo ramo. Possono essere di tre tipologie:

Topologia lineare aperta

Detta topologia a catena, la comunicazione tra due nodi non adiacenti deve attraversare tutti i nodi intermedi (collegati solo nodi adiacenti). I nodi intermedi effettuano un'operazione di instradamento = non ricevono i dati, ma li trasmettono al nodo successivo fino ad arrivare al nodo destinatario.

Vantaggio: molto semplice. Svantaggio: scarsa tolleranza ai guasti. Poco utilizzata. Scalabilità: cosa accade quando io vado ad aumentare il numero di nodi, qual è la relazione tra N e R (come cambia R in base a N) - scalabilità O(N) = scalabilità lineare → R cresce tanto quanto N.

Topologia punto – punto

Caso particolare di topologia lineare aperta, in quanto presenta solamente due nodi, mittente e destinatario.

Topologia lineare chiusa (anello)

Può essere unidirezionale o bidirezionale. Se bidirezionale, la distanza massima tra i due nodi è limitata. Distanza tra due nodi non adiacenti = lunghezza anello / 2. Più robusta della topologia lineare aperta, in quanto maggiore tolleranza ai guasti. Usata principalmente in reti locali e metropolitane.

Topologie lineari complesse (a struttura gerarchica)

Per ogni coppia di nodi esiste un solo percorso di collegamento. Però ogni nodo è collegato con uno o più rami ai nodi di gerarchia inferiore. Possono essere di due tipologie:

Topologia ad albero

Grafo connesso, ovvero c'è sempre un cammino per ogni coppia di nodi. Un solo percorso tra ogni coppia di nodi. Vantaggio: basso numero di rami. Svantaggio: vulnerabilità ai guasti. Utilizzata per ridurre i costi.

Topologia a stella

Caso particolare di albero, in quanto tutti i nodi sono connessi tramite un ramo ad un nodo centrale (centro stella). Vantaggio: basso numero di rami, semplicità di instradamento e dei nodi diversi dal centrale. Svantaggio: vulnerabilità ai guasti del nodo centrale. Topologia molto usata, soprattutto quando si usano reti di sensori.

Topologie a maglia

Ogni nodo è connesso direttamente agli altri nodi, usando per ciascun collegamento un ramo dedicato. Possono essere di due topologie:

Topologia a maglia completa

Ogni nodo è connesso direttamente con tutti gli altri. Vantaggio: tolleranza ai guasti. Svantaggio: elevato numero dei rami. Utilizzata quando i nodi sono pochi e/o "vicini" (basso costo di interconnessione).

Topologia a maglia parziale

Compromesso tra albero e rete a maglia completa. Vantaggio: tolleranza ai guasti e numero di rami selezionabile a piacere. Svantaggio: topologia non regolare. È la più utilizzata. Il costo è compreso tra un valore minimo (caso migliore) e un valore massimo (caso peggiore).

Topologie a bus

Tutti i nodi condividono lo stesso unico collegamento. Possono esserci due topologie:

Topologia a bus lineare broadcast

Il collegamento tra i nodi avviene tramite un unico mezzo diffusivo (fisico o virtuale) tipo broadcast. Bus passivo: i nodi che non trasmettono non compiono azioni, ascoltano passivamente. Soltanto la stazione che trasmette prova a occupare il bus e ad inviare i dati. La comunicazione avviene contemporaneamente da uno a tutti. Ma solo un dispositivo alla volta può inviare l'informazione (viene regolata tramite dei protocolli che evitano il problema che si verifica quando due nodi inviano l'informazione contemporaneamente). Utilizzata principalmente in LAN e MAN (con o senza fili).