Riassunto Sistemi e Servizi di Telecomunicazione

Riassunto sistemi e servizi di telecomunicazione

Marzo 2021

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Indice

1 Introduzione e fondamenti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.1 Modulazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.2 Codifica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.3 Mezzi di trasmissione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.4 Doppino - Coppie intrecciate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.5 Fibra ottica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.6 Multiplazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.6.1 Multiplexing a divisione di frequenza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.6.2 Multiplexing sincrono a divisione di tempo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.6.3 Multiplexing asincrono . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.7 Cose da ricordare - Recap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2 Reti pubbliche di Telecomunicazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.1 Reti di accesso a larga banda in rame . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.2 Vectoring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.3 Phantom mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.4 Strutture reti - FTTC/FTTB/FTTH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.5 Reti di accesso wireless . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.6 Multiple Input Multiple Output . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.7 Tecniche per ambienti radio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.7.1 Code division multiplexing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.7.2 Orthogonal Frequency Division Multiplexing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

2.8 Altre reti di accesso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2.8.1 Architettura satellitare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2.9 Servizi di connettività . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2.9.1 Connessione condivisa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2.9.2 Connessione dedicata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2.9.3 Reti private «fisiche» e virtuali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2.9.4 Network-based VPN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2.9.5 VLAN 802.1Q . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2.9.6 VLAN 802.1ad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

2.9.7 Rete Metro Ethernet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

2.9.8 Forwarding by destination address . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

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2.10 Forwarding by label switching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.11 MPLS - Multiprotocol label switching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.11.1 Il label MPLS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

2.11.2 Attraversamento di un Label Switched Path . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

2.11.3 Funzionamento dei nodi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

2.11.4 Label stacking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

2.11.5 Gestione dei Label Switched Path . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

2.11.6 MPLS Virtual Private LAN Service . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

2.12 Servizi di connettività 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

2.12.1 Tunneling IP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

2.12.2 IPSec . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

2.12.3 Routing nelle VPN «Network based» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

3 Voce e multimedia su IP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

3.1 Codifica della voce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

3.1.1 Pacchetto per trasmettere voce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

3.2 Codifica audio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

3.3 Codifica video . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

3.4 SIP (Session Initiation Protocol) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

4 Elementi di analisi dei sistemi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

4.1 Sistemi di servizio e code M/M/1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

4.2 Altri sistemi a coda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

4.3 Affidabilità e disponibilità . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

5 Apparati di Networking, Data Center ed SDN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

5.1 Router, switch e middleboxes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

5.2 Data Center . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

5.3 Software Defined Networking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

6 Gestione della rete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

6.1 Funzioni di gestione delle rete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

6.1.1 Parametri di qualità . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

6.2 Service Level Agreements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

6.3 Protocolli di gestione: SNMP (Simple Network Management Protocol) . . . . . . . . 83

6.4 Protocolli di gestione: Netconf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

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1 Introduzione e fondamenti

Il termine si riferisce ai mezzi tecnici impiegati per trasferire le informazioni attraverso un mezzo di comunicazione, come un filo di rame o un collegamento radio. Per eseguire la trasmissione, i bit di informazione, entità astratte, devono essere codificati in segnali fisici, come forme d’onda elettriche o ottiche, adatti a propagarsi efficacemente attraverso il mezzo.

Un canale di comunicazione è un’astrazione, modellando il mezzo di comunicazione grezzo e le varie possibili fonti di rumore, distorsione del segnale e attenuazione che influenzano il trasferimento dei segnali; il concetto di canale può essere utilizzato per modellare anche un’intera catena di trasmissione, inclusi trasmettitore, ricevitore, filtri e così via.

Le caratteristiche fondamentali di un canale che influenzano la trasmissione delle informazioni sono il rumore e la limitazione della larghezza di banda.

Nel 1924 Nyquist affermò un teorema sul campionamento, che dice che un segnale di larghezza di banda limitata B, cioè nessun componente che trasporta energia all’esterno, può essere esattamente ricostruito dai suoi campioni discreti, a condizione che questi campioni siano presi a una frequenza R≥2B.

Questo significa anche che un canale senza rumore di banda B può trasferire fino a 2B simboli al secondo; se questi simboli appartengono a un alfabeto di simboli V, il canale trasferisce: channel bit rate = 2Blog V bits/s2.

Poiché V può essere arbitrariamente grande, un canale senza rumore non ha limiti di capacità. In assenza di rumore, il bit rate di un canale potrebbe essere reso arbitrariamente grande, ad esempio aumentando il numero di livelli di un codice di trasmissione multilivello.

La capacità di un canale è il bit rate massimo al quale può trasferire le informazioni "in modo affidabile". Affidabile significa che il tasso di errore di bit può essere ridotto arbitrariamente, utilizzando un codice complesso corrispondente. Nel 1948 Shannon ha dimostrato che la capacità di un canale rumoroso è C=Blog (1+S/N) dove S e N sono la potenza del segnale e del rumore; B2 è la banda del canale.

Pertanto non è possibile utilizzare un insieme arbitrariamente grande di simboli per trasmettere a un bit rate molto elevato: il rapporto S/N definisce un limite che non può essere superato. I codici moderni, ad esempio i Turbo codes, mostrano livelli di prestazioni notevolmente vicini ai limiti di Shannon.

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1.1 Modulazione

Modulazione 1: la conversione in alta frequenza di un segnale in banda base, che viene utilizzata per modificare l’ampiezza, la fase o la frequenza di una portante sinusoidale; in questo modo si ottiene un segnale adatto alla larghezza di banda di trasmissione del mezzo; questa è talvolta chiamata modulazione analogica. Questa operazione viene eseguita anche per segnali analogici, es. Radio FM.

Modulazione 2, che studiamo noi: l’assegnazione di forme d’onda a gruppi di bit da trasmettere, in modo da ottenere un segnale robusto rispetto alla distorsione e al rumore; a volte viene chiamata modulazione digitale. Ciascuna forma d’onda è chiamata simbolo e dura per un periodo di segnalazione; il numero di simboli trasmessi al secondo è chiamato baud rate.

I vari schemi di modulazione digitale sono caratterizzati dal numero di bit trasmessi per simbolo. Gli schemi con molti, 4-12, bit per simbolo portano a velocità di trasmissione elevate, ma richiedono valori S/N elevati. Coppie di bit modulate utilizzando sinusoidi Quadrature Phase Shift Keying 2 bits/bauds fasate.

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I vari schemi di modulazione numerica rappresentati si distinguono SNR e BER realizzabile perché hanno diversi bit per simboli. Dato un certo SNR, rapporto segnale/rumore, ho un diverso BER, Bit Error Rate.

1.2 Codifica

La codifica viene utilizzata in due punti di un sistema di comunicazione:

• La codifica sorgente esegue una compressione delle informazioni riducendo la ridondanza del segnale originale; la compressione può essere senza perdite, ad esempio codifica Huffman, o con qualche perdita, ad esempio codifica MPEG.
• La codifica del canale protegge le informazioni dagli errori di bit introdotti dal canale di trasmissione utilizzando codici di correzione o rilevamento degli errori; i codici possono essere convoluzionali o a blocchi e possono essere combinati, concatenati, per ottenere codici più efficienti, es. codici Turbo.

La modulazione digitale e la codifica dei canali sono strettamente correlate, si può dire che la modulazione è una forma di codifica.

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Figura 1: Digital transmission chain

1.3 Mezzi di trasmissione

I mezzi di trasmissione guidata consentono la propagazione di un segnale lungo un supporto fisico:

• Guide d’onda.
• Cavi coassiali.
• Doppini intrecciati schermati e non schermati.
• Cablaggio elettrico.
• Fibre ottiche.

La trasmissione radio si basa sulla propagazione del segnale attraverso l’aria, ed eventualmente vari tipi di ostacoli.

1.4 Doppino - Coppie intrecciate

Un doppino intrecciato è costituito da fili di rame isolati, intrecciati insieme per evitare interferenze, in particolare diafonia. Una coppia di fili paralleli fungerebbe da antenna, trasmettendo sia il segnale che sta trasportando che ricevendo disturbi elettromagnetici. L’interferenza distruttiva da diverse torsioni risolve entrambi i problemi. In un fascio di coppie, vengono utilizzati diversi intervalli di torsione:

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Oltre alla torsione, sono possibili protezioni aggiuntive:

• Doppino ritorto non schermato (UTP): nessuna protezione, solo una copertura coibentata.
• Doppino ritorto sventato (FTP): foglio di alluminio attorno a un gruppo di fili.
• FTP schermato (ScFTP): con una treccia di rame esterna aggiuntiva.
• Doppino intrecciato schermato (STP): treccia esterna e doppini rivestiti singolarmente.

Negli standard di cablaggio strutturato, i cavi a doppino intrecciato sono classificati in base alla larghezza di banda supportata e alle relative caratteristiche di qualità: attenuazione, ritardo di propagazione, crosstalk near-end, crosstalk far-end. La categoria più alta è Cat 8: 1600-2000 MHz, support of 40GBASE-T (40 GB/s).

I doppini intrecciati costituiscono la base della telefonia e delle reti di accesso ADSL. Questo cablaggio, spesso molto vecchio, non può essere classificato secondo le categorie degli standard di cablaggio strutturato. La qualità dell’ambiente elettrico è molto variabile.

1.5 Fibra ottica

Una fibra ottica è una fibra molto sottile, generalmente costituita da silice, vetro, che può propagare la luce del vicino infrarosso con un’attenuazione eccezionalmente bassa. Il principio di propagazione si basa sulla rifrazione totale, ottenuta con l’utilizzo di un piccolo nucleo di vetro circondato da uno strato di vetro di rivestimento con un indice di rifrazione inferiore.

La larghezza di banda teorica del mezzo è pressoché illimitata: ciascuna delle tre bande di trasmissione possibili, “finestre”, offre 25-30 GHz. Le fibre ottiche dominano la comunicazione nelle dorsali, mentre la loro applicazione al desktop è ancora limitata dal costo del ricetrasmettitore e dal costo di installazione.

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Le fibre multimodali hanno un nucleo da 50 µm; sono possibili molteplici modalità di propagazione, con differenti velocità di propagazione: la dispersione risultante limita il prodotto larghezza di banda-distanza.

Le fibre monomodali hanno un nucleo da 8-10 µm; è possibile un’unica modalità di propagazione della luce, evitando la dispersione e portando a prodotti a distanza di larghezza di banda molto più elevata. Il picco di attenuazione è dovuto al fatto che nel processo di fabbricazione della fibra rimangono degli ioni OH- (water peak). Nelle fibre normali non si può usare questa area per le trasmissioni, si deve usare la prima o terza finestra. La categoria G.657, a differenza delle altre, permette di poter essere piegata con un arco di curvatura molto stretto. Il vantaggio è che si può far passare facilmente la fibra in un appartamento, negli angoli dove viene piegata.

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1.6 Multiplazione

Il multiplexing si riferisce alle tecniche utilizzate per condividere la capacità offerta da un mezzo trasmissivo. Le tecniche possono essere classificate in base alla risorsa, frequenza, tempo, codice, spazio, che viene suddivisa. Il multiplexing è spesso gerarchico.

1.6.1 Multiplexing a divisione di frequenza

Ogni segnale viene convertito dalla banda base a una portante diversa, quindi i contributori vengono combinati; il demultiplexing viene eseguito mediante filtraggio passabanda e conversione di frequenza: queste operazioni possono essere realizzate con una semplice elettronica analogica.

Il Dense Wavelength Division Multiplexing, DWDM, è una forma di FDM utilizzata nei sistemi di trasmissione in fibra ottica; permette di raggiungere portate aggregate molto elevate sulla fibra superando i limiti dell’elettronica.

1.6.2 Multiplexing sincrono a divisione di tempo

I campioni digitali di ciascuna sorgente sono intercalati nel tempo, ovvero vengono trasmessi in turni regolari, chiamati intervalli di tempo. La struttura periodica che trasporta uno slot da ciascuna sorgente è chiamata frame. I frame trasportano le informazioni di sincronizzazione, inizio del frame. È difficile ma possibile multiplexare sorgenti con bitrate differenti. Questo è il tipico schema multiplexing delle reti telefoniche, spesso chiamate reti TDM. SDH è un’infrastruttura di trasmissione ad

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alta velocità finalizzata al trasporto di qualsiasi tipo di segnale, compresa la banda larga; è basato su TDM.

1.6.3 Multiplexing asincrono

Le informazioni sono formattate in pacchetti, le etichette dei pacchetti contengono le informazioni necessarie per identificare il flusso di informazioni. I formati dei pacchetti forniscono i mezzi per la sincronizzazione, inizio del pacchetto. I pacchetti possono essere di lunghezza variabile o fissa: X.25, PPP, IP, 802.3 utilizzano tutti pacchetti di lunghezza variabile, ATM utilizza pacchetti di lunghezza fissa, celle. Le sorgenti a velocità di trasmissione diverse possono essere facilmente multiplexate.

Il multiplexing asincrono consente il multiplexing statistico. È possibile realizzare diversi gradi di multiplexing statistico, ottenendo diversi equilibri di ottimizzazione delle risorse e probabilità di perdita. Esempio:

• Sorgente X-type con velocità di picco di 2 Mbit/s e velocità media di 1 Mbit/s.
• Su un collegamento a 100 Mbit/s.
• 50 X-sources non corrispondono a nessun multiplexing statistico.
• 100 X-sources corrispondono ad un grado molto elevato di multiplexing statistico.

1.7 Cose da ricordare - Recap

• Il multiplexing asincrono non implica statistiche multiplexing.
• Nessun multiplexing statistico non significa nessuna perdita di pacchetti.
• Il "tasso di picco" è in realtà una media a breve termine. Le probabilità di perdita sono difficili da stimare.

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2 Reti pubbliche di Telecomunicazione

2.1 Reti di accesso a larga banda in rame

Spesso vi è un solo ripartitore nei collegamenti, in rari casi anche nessuno. Le centrali tradizionali a circuito sono collegate all’MDF, come i DSLAM; nel caso di accesso ADSL con utilizzo delle frequenza più basse per la telefonia a circuito, il collegamento in centrale utilizza un POTS splitter (S) per separare la fonia analogica dalla larga banda.

Le distanze del collegamento variano molto a seconda del paese: l’Italia ha una delle reti di accesso mediamente più corte, e quindi adatte alla larga banda xDSL. L’idea di base delle tecnologie xDSL è quella di sfruttare al massimo la banda disponibile sui doppini telefonici già installati. Nelle reti tradizionali questa banda era limitata a 3,4 KHz da filtr