Appunti di Reti

Reti e sicurezza

Esempi di reti

• Internet
• Ethernet
• ADSL
• Computer + periferiche

Classificazione delle reti

• Broadcast
• Multicast
• Point-to-Point

Tipi di trasmissione

Esistono due tipi di trasmissione, le trasmissioni wired e le trasmissioni wireless. Cominceremo dalle trasmissioni wired analizzando i tipi di cavi che consentono la comunicazione.

Wired

Coppia annodata (Twisted Pair)

• UTP: Unshielded Twisted Pair. Il twist serve a limitare le interferenze reciproche.
• UTP3 e UTP5
• Bandwidth UTP3: 250 MHz
• Bandwidth UTP5: 600 MHz

Cavo coassiale

Ha una schermatura decisamente migliore dei cavi UTP. Viene utilizzato per le reti MAN (Metropolitan Area Network).

• Bandwidth: 1 GHz

Fibra Ottica

Un raggio di luce dentro a una fibra con angoli differenti (luce intrappolata da riflessione totale). Può essere:

• A fibra singola
• A tre fibre

Connessioni tra fibre:

• Connettore: Si tende a perdere circa tra il 10% e il 20% del segnale
• Allineatore meccanico: 10% di perdita
• Fusione: Si perde "solo" l'1% del segnale

La fibra trasporta luce, ma di quale tipo? Esistono vari tipi di luce: "normale" (lampade a incandescenza), laser, led. Ogni tipo di luce ha le sue specifiche proprietà.

Fibra ottica vs filo di rame: La fibra è molto più costosa, non è flessibile e più laboriosa da unire ma offre molta più banda e regge in modo migliore la perdita di segnale. Inoltre è più piccola e costa di meno ed è dielettrica, quindi non interessata dalle interferenze elettriche.

Wireless

Anche qui esistono vari modi di trasmettere i dati, la differenza sta nel decidere quale frequenze usare.

Lo spettro elettromagnetico

Nello spettro elettromagnetico vengono definite tutte le frequenze possibili, tra cui radio, microonde, onde infrarosse ecc...

Politiche dello spettro elettromagnetico

Ovviamente c'è bisogno di qualcosa che regoli l'assegnazione delle frequenze. I metodi principali sono:

• Beauty contest: La frequenza viene assegnata a chi la utilizzerebbe meglio
• Lotteria/Asta: La frequenza viene assegnata a chi fa l'offerta migliore
• Banda ISM (Industrial, Scientific, Medical), è considerata zona libera

La banda ISM viene utilizzata per esempio dal Bluetooth, alcune reti 802.11, telefoni cordless, forni a microonde, telecomandi ecc...

La trasmissione radio

Le trasmissioni radio sono omnidirezionali, vantaggioso, non servono particolari allineamenti tra trasmettitore e ricevente.

Onde radio a bassa frequenza

Essendo a bassa frequenza passano gli ostacoli più facilmente, ma si disperdono più in fretta essendo a basso quantitativo energetico. Le radio AM utilizzano frequenze MF.

Onde radio ad alta frequenza

A differenza delle prime le onde radio ad alta frequenza hanno più difficoltà nel passare gli ostacoli e possono essere assorbite dalla pioggia.

MF vs HF

Le onde MF tendono a seguire meglio la curvatura terrestre mentre le onde HF tendono a rimbalzare sulla ionosfera, per questo vengono utilizzate nelle comunicazioni militari in quanto essendo direzionabili sono più difficili da intercettare.

RDS - Radio Data System

I dati RDS sono digitali e vengono trasmessi su frequenze ancora più alte, 57KHz (la terza armonica del segnale pilota stereo (19KHz)). Il data rate è di circa 1,12Kbps. Esiste già da tempo la radio digitale.

HD Radio (Hybrid Digital) in America. DAB (Digital Audio Broadcasting) e DAB+ in Europa.

Perché la radio digitale non ha preso piede?

Tre fattori principali:

• I costi: il costo di upgrade ma questa c'era anche per la tv analogica. Il vero problema è che non si può fare un upgrade. Nella tv l'apparato ricevente è esterno e quindi si può mettere un ricevitore in mezzo, ma non si può fare nella radio normale. Nelle autoradio si potrebbe, ma il problema è l'accessibilità della soluzione.
• Secondo fattore: Le distorsioni. Nella televisione, l'apparato ricevente non solo è esterno ma è lontano dalle interferenze domestiche, (forni a microonde, televisori, linee elettriche, luci a led...). Nell'autoradio ci sono problemi aggiunti creati dall'effetto Doppler.
• Terzo fattore: La qualità. Per risparmiare banda i canali audio sono compressi (mpeg2) - problema: qui non c'è video come media primario che cattura i nostri sensi, ma audio, quindi rispetto all'analogico la qualità peggiora in maniera percettibile.

La radio stereo

Nella stereofonia ci sono due canali che devono essere trasmessi. Il problema della stereofonia è che essendo state sviluppate molto tempo dopo l'invenzione della radio, dovevano essere compatibili. La banda mono va dai 30Hz ai 15KHz. Quindi si è reso necessario introdurre un segnale pilota (19KHz) che avverta l'apparecchio della presenza del segnale stereo. I due canali S e D vengono uniti in nuovo segnale che è la media dei due canali mono.

Microonde

Sopra i 100 MHz viaggiano quasi in linea retta e quindi possono essere meglio focalizzate e viaggiare a distanze più elevate, però trasmettitore e ricevente devono essere allineati. La rete a microonde è stata per anni uno dei migliori metodi utilizzati per le telecomunicazioni a grandi distanze. MCI = Microwave Communications Inc. Come per le onde radio ad alta frequenza le microonde non passano bene gli edifici e sono soggette a interferenze atmosferiche. Visto il relativo affollamento ci si spinge a frequenze sempre più alte che però sono sempre più soggette alle interferenze del mondo.

Trasmissioni millimetriche e ad infrarossi

Utilizzate nei telecomandi, direzionali. Non passano gli oggetti solidi, economiche, sicure.

Trasmissioni luminose

Sono state in uso per molto tempo (già al tempo dei romani). Sono state reinterpretate molto più tardi, nel 1880 con l'invenzione del fotofono. Con l'avvento del laser sono tornate in auge.

- Fascio di luce con poca dispersione, arrivo focalizzato a buona distanza

- Soggetta a problemi atmosferici

Comunicazioni satellitari

Tipi di satelliti

• Satelliti geostazionari (GEO) > 35k Km
• Satelliti medio-orbitali (MEO) 5k - 15k Km
• Satelliti basso-orbitali (LEO) < 5k Km

Più basso è il satellite più satelliti servono per coprire la superficie di interesse, ma il tempo di latenza è inferiore (1-7 ms). Ovviamente più è alto il satellite più la latenza aumenta, e aumenta anche la potenza richiesta per trasmettere (la potenza va circa al quadrato dell'altitudine). Attualmente sono in orbita circa 14,000 satelliti.

Bande principali

• D | VP 0,1 GHz | 1 GHz
• L 2 GHz | 4 GHz
• C 4 GHz | 8 GHz
• Ku 12 GHz | 18 GHz
• Ka 26,5 GHz | 40 GHz

Satelliti MEO: I primi satelliti dell'umanità sono MEO. 1957 - Sputnik (55 cm di diametro). Dal lancio dello Sputnik l'uso dei satelliti ha avuto un boom produttivo.

GPS

Il GPS usa satelliti MEO ed è costituito da circa 30 satelliti. Inizialmente in esclusiva al dipartimento della difesa statunitense, Ronald Reagan decide di donarlo al mondo dopo l'incidente del KAL007, un aereo delle linee aeree coreane che il 1/09/1983 sconfina nello spazio aereo russo e viene abbattuto dai caccia.

• GLONNASS (24+4 satelliti) - Controparte russa del sistema GPS
• A-GPS (GPS Assistito) - Barometri - Informazione sull'altitudine per regolare l'angolo di ricezione
• NAVSAT - Sistema di navigazione satellitare per le navi in uso dal '64 - Derivato dallo Sputnik

Satelliti GEO

Per molti aspetti i più appetibili. Stanno in orbita sopra l'equatore. Esiste un limite massimo di 180 satelliti oltre il quale si verrebbe a creare troppa interferenza.

• Satelliti spia
• Meteo
• Televisione via satellite
• Televisione analogica e digitale on demand
• Sky Television (1989)

Satelliti LEO

IRIDIUM - Sistema di 77 satelliti, (anche se dal progetto originale sono stati ridotti a 66). Copre tutta la terra e spesso sono scambiati per UFO. Formano 6 collane da 11 satelliti, un satellite genera 48 celle telefoniche.

Comunicazione Intra-Satellitare:

• 1 novembre 1998 viene lanciato in orbita il sistema IRIDIUM
• 13 agosto 1999, il sistema dichiara bancarotta - Costi troppo elevati rispetto al GSM, mercato troppo ampio e telefono troppo ingombrante
• 2001, IRIDIUM viene riattivato

Costo telefonata:

• 3-14 $ al minuto da fisso a IRIDIUM
• 1,50 $ al minuto da IRIDIUM a fisso
• 0,99 $ al minuto da IRIDIUM a IRIDIUM

Inoltre il sistema fa parte del Tsunami Warning System. Utilizza una banda compresa tra i 2 e i 4 Khz, richiede tecniche di compressione avanzate.

GLOBAL STAR

Sistema diverso da IRIDIUM - Utilizza una serie di ripetitori bent-pipe. Utilizza meno satelliti rispetto a IRIDIUM (52) e sono meno costosi. Non copre tutta la terra. Non necessita di un telefono apposito. I satelliti hanno una durata di 7,5 anni contro i 23 di IRIDIUM. I primi satelliti sono già stati rottamati. 2000, lancio dell'ultimo satellite. 2002, viene dichiarata bancarotta. 2004, viene riattivato.

I rottami spaziali

Più di 44 milioni di detriti nella fascia GEO di grandezza compresa tra 0,1 - 1 cm. Due milioni di detriti di grandezza compresa tra 1-10 cm. 34.000 > 10 cm. Siamo intrappolati dai detriti spaziali. Occorre rottamare "ecologicamente" i satelliti.

- Si potrebbe deviare l'orbita del satellite e farlo entrare nell'atmosfera, ma è costoso e pericoloso.

- La soluzione migliore è di allontanarlo nelle cosiddetta orbita cimitero - Richiede meno carburante ed è meno rischioso che qualcosa vada storto.

IASDCC - International Agency Space Debris Coordinations Committee - Composta da tutte le principali agenzie spaziali del mondo. Si occupa di tracciare tutti i rottami spaziali in grado di causare problemi. Il problema è che questi oggetti sono tantissimi e le misure non sono accurate.

Esempio: Abbiamo un satellite in orbita, quanti avvisi di possibile collisione riceviamo? - 10 avvisi a settimana. Cambiare rotta è impossibile in quanto altererebbe il sistema. Quindi si spera che non accada niente.

KOSMOS-2251

Satellite di comunicazione russo della rete Strela-2M. Lanciato nel 1993. Dismesso nel 1995. Una compagnia riceve nei suoi 400 avvisi settimanali, un avvertimento di bassissima probabilità di collisione (circa 586 metri di distanza). Il KOSMOS si schianta contro il satellite ad una velocità di 42.120 Km/h. Il satellite pienamente operativo viene distrutto. Il satellite faceva parte del sistema IRIDIUM 33.

Storicamente 30 anni fa la comunicazione satellitare sembrava il futuro

Motivo? Nessun progresso nella comunicazione terrestre, perché i grandi monopoli avevano bloccato tutto. 1984, gli USA introducono il Revised Telecomunication Act, frammentando le grandi aziende telefoniche incentivando la concorrenza. Ora però è la fibra a vincere sui satelliti. Il satellite è utile per reti strategiche/militari e/o impervie/poco popolate. Le reti broadcasting utilizzano un segnale unidirezionale.

Satelliti di tipo MOLNIVA e TUNDRA

Le basi della comunicazione:

• Fourier Analysis
• Segnali a banda limitata
• Data rate

Problema fondamentale: bisogna definire qual è la misura di informazione/trasmissione. Misura fisica: la banda | Misura informativa = (Data rate: bit rate, bps, Baud rate, Bauds).

La banda: L'insieme di frequenze che trasmettiamo sul canale, si misura in Hertz. Il data rate: Bit rate, e quanti bit trasmettiamo al secondo. Baud Rate: quanti simboli trasmettiamo al secondo. Baud rate vs bit rate. Esempio: Posso trasmettere un impulso usando frequenze diverse. Il mio alfabeto è composto da 4 simboli. Ognuno di questi simboli porta due bit di informazione. ^Log2(v) numero di informazione esprimibile in bit con un dato alfabeto V. Bit rate = baud rate * ^log2(v). La quantità di informazione dipende dal materiale e dal segnale. Più frequenze riusciamo a trasmettere più alto sarà il data rate. Per trasmettere più frequenze abbiamo bisogno di più potenza. La potenza richiesta è sempre il quadrato della frequenza. Si fissa sempre un certo limite di banda.

Trasformata di Fourier

Onda a dente di sega

| . /| . /| . /| . /| . /
0,2 | . / | . / | . / | . / | . / |
. / | ./ | ./ | ./ | ./ | ./ | ./ |0 |. ./. .|. ./. .|. ./. .|. ./. .|. ./. .|| /. | /. | /. | /. | /. |-0,2 | / . | / . | / . | / . | / . ||/__.___|/__.___|/__.___|/__.___|/__.___|| | | | |-2 -1 0 1 2

Onda triangolare

1 | ? | ? | ? || /.\ | /.\ | /.\ || / . \ | / . \ | / . \ |0 |. ./. . .\ . | . /. . .\ . | . /. . .\ . || / . \ | / . \ | / . \ || / . \ | / . \ | / . \ |-1 |/_____._____\|/_____._____\|/_____._____\|| | |-1 0 1

Onda quadra

____ ____ ____ ____ ____1 | | | | | | | | | | || | | | | | | | | | || | | | | | | | | | |0 |. . |. . |. . |. . |. . |. . |. . |. . |. . |. . || | | | | | | | | | || | | | | | | | | | |-1 |____| |____| |____| |____| |____| || | | | |-2 -1 0 1 2

Ogni impulso trasmesso in un mezzo che non sia il vuoto subisce una attenuazione in potenza. Attenuazione calcolata in decibel (Log10(Potenza trasmessa/Potenza ricevuta))*10. L'attenuazione dipende dalla frequenza, quindi una forma d'onda in generale subisce attenuazioni diverse a seconda delle sue componenti nella trasformata di Fourier.

La prima grande rete: Il telegrafo

Cyrus Field

Nel 1854 fu uno dei fondatori della New York, Newfoundland and London Telegraph Company, una società costituita per realizzare la posa di cavi sottomarini al di sotto dell'Oceano Atlantico. Due anni dopo contribuì a organizzare l'Atlantic Telegraph Company, una società britannica avente gli stessi obiettivi. Dopo essersi assicurato il finanziamento in Inghilterra e il sostegno da parte del governo americano e britannico, l'Atlantic Telegraph Company iniziò la posa del primo cavo telegrafico transatlantico, utilizzando un altopiano sottomarino poco profondo che correva tra l'Irlanda e Terranova. Il cavo è stato ufficialmente inaugurato il 16 agosto 1858, quando la regina Vittoria inviò al presidente James Buchanan un messaggio in codice Morse. Anche se l'esultanza alla prodezza era diffusa, il cavo stesso fu di breve durata: si è rotto tre settimane dopo. Nel 1866, Field posò un nuovo cavo transatlantico, più durevole del precedente, utilizzando la Brunel SS Great Eastern. La Great Eastern era, al momento, la più grande nave oceanica al mondo. Il suo nuovo cavo, era in grado di avviare una comunicazione quasi istantanea attraverso l'Atlantico. Al suo ritorno a Terranova, prese il cavo che aveva tentato di porre l'anno precedente e lo utilizzò come cavo di backup. Nel 1871, organizzò la posa del cavo fra San Francisco e le isole Hawaii. 1902, per la prima volta il telegrafo fa il giro del mondo. 1956, viene installato il TAT-1, che va a sostituire il cavo di Field - Supporto fino a 36 canali contemporaneamente - Il 36° canale viene utilizzato per portare 22 linee del telegrafo. 1988, viene installato TAT-8 - Primo cavo in fibra ottica.

SHR - Self Healing Ring

La seconda grande rete: Il sistema telefonico

Sviluppato inizialmente come un overlay sopra alla grande rete telegrafica. 1876, ogni linea era realizzata point to point fra coppie di telefoni. 1878, vengono creati i primi switch inserter (centralini). Con la crescita della rete telefonica vengono creati centralini di secondo livello in supporto ai primi. Con la crescita della rete si è arrivati fino a centralini di 5° livello.

PSTN - Public Switched Telephone Network

Il PSTN è gerarchico, più ci si allontana dalla fonte del segnale più si riduce la qualità del cavo.

• Fibra
• Cavo coassiale
• Cavi UTP

Switching

Ricordiamo la struttura gerarchica della rete telefonica PSTN. Abbiamo detto che ci sono gli switching center. Tre tecniche di switching:

1. Circuit switching
2. Message switching
3. Packet switching

1) Si crea un collegamento fisico tra i due che comunicano. Per creare un collegamento fisico serve del tempo - Delay iniziale - Collegamento fisico dedicato.

2) Message switching. Invece di creare il cammino e poi iniziare la trasmissione, lanciamo direttamente il messaggio. Quando arriviamo ad uno switch, aspettiamo che ci dicano dove andare, si chiama anche storage-and-forward. Problemi di storage, messaggi troppo "grossi" causano problemi alla rete.

3) Packet switching. Con il packet switching si divide il messaggio in tanti sottomessaggi di lunghezza massima prefissata.

xDSL - x Digital Subscriber Line

È una famiglia di tecnologie che fornisce trasmissione digitale di dati attraverso l'ultimo miglio della rete telefonica fissa, ovvero su doppino telefonico dalla prima centrale di commutazione fino all'utente finale e viceversa. Deve esserci multiplexing. Splitter, separa le frequenze. Il multiplexing in frequenza si chiama FDM - Frequency Division Multiplexing.