Appunti Reti dati

Appunti reti dati

L'informatica è la scienza della rappresentazione e dell'elaborazione dell'informazione. La telecomunicazione è la trasmissione rapida a distanza dell'informazione. L'informazione si può creare o distruggere, essa richiede un supporto fisico ma non coincide con esso. Si ottiene un'informazione quando, dato un sistema di alternative possibili, la lettura del supporto ne elimina alcune e ne seleziona altre.

Condizioni per il supporto dell'informazione

Le condizioni affinché un supporto possa portare informazioni sono:

• Possa assumere configurazioni differenti, a ognuna delle quali venga associata una differente entità di informazione.
• Sia condivisa una regola per attribuire un significato a ciascuna configurazione.

Quando si parla di regola facciamo riferimento al codice, il quale a ogni configurazione ammessa dal supporto associa un'entità di informazione. L'insieme delle possibili configurazioni del supporto e l'insieme delle possibili entità di informazione devono essere identificate in maniera non ambigua. Variando il codice è possibile riferirsi a entità di informazione differenti pur usando lo stesso supporto fisico.

Livelli di configurazione e informazione

Vengono identificati generalmente diversi livelli:

• Livello fisico -> configurazione supporto fisico
• Livello logico 1 -> es. linea punto
• Livello logico 2 -> es. 'n' 'o'
• Livello logico 3 -> frase con significato

Le relazioni tra questi livelli definiscono ognuna un codice per interpretare il significato delle entità che compaiono al livello precedente in termini delle entità del livello successivo: sono relazioni di significazione. Conosciamo tre diversi livelli di informazione:

1. Informazione sintattica -> relazione di segni linguistici tra loro
2. Informazione semantica -> relazione dei segni linguistici con qualcosa di esterno al linguaggio
3. Informazione pragmatica -> relazione dei segni linguistici con gli utenti del linguaggio

Quando si parla di teoria dell'informazione si fa riferimento al solo livello sintattico.

Tipi di segnale elettrico trasmissibile

Nella trasmissione di un segnale identifichiamo tre tipi di segnale elettrico trasmissibile:

• Analogico -> continuo nel tempo e in ampiezza
• Numerico -> discreto nel tempo e in ampiezza
• Digitale -> discreto nel tempo e in ampiezza e codificato in codice binario

Per far passare un segnale da analogico a digitale si hanno tre fasi nelle quali prima il segnale analogico diviene discreto nel tempo, poi diventa un segnale numerico e quindi discreto anche in ampiezza e infine un segnale digitale codificato in codice binario.

Teorema del campionamento

THM del campionamento: dimostra che è possibile ricostruire esattamente un segnale analogico in banda limitata, B, partendo dalla conoscenza dei valori assunti in corrispondenza di istanti di tempo specifici se:

• La frequenza di campionamento è f >= 2B
• Il tempo di campionamento è T <= 1/2B

Il segnale analogico viene trasformato in una sequenza di campioni (si acquisiscono soltanto alcuni valori presi a intervalli regolari). Dai campioni si ricostruisce un segnale analogico che è un'approssimazione del segnale di partenza.

Quantizzazione

Quantizzazione: il segnale discreto nel tempo qui viene trasformato in una sequenza di campioni discreti anche in ampiezza (si fissano dei valori discreti in ampiezza e a ogni campione viene associato il livello più vicino). Si commettono errori di quantizzazione che portano a un minor numero di livelli. Più sono i livelli più il segnale è accurato, ma ho più dati da trasmettere.

Rappresentazione binaria

Rappresentazione binaria: avendo a disposizione i cifre binarie è possibile rappresentare 2ⁱ numeri o simboli diversi tra loro. Posso trovare quanti bit mi servono per codificare n oggetti n <= 2^k -> k >= log₂(n).

Vantaggi dei segnali digitali

I segnali digitali non subiscono processi di invecchiamento, la trasmissione è più affidabile di quella analogica, possono essere compressi. Abbiamo due metodi di compressione principali:

1. Metodi con perdita o Lossy: sono quei metodi che per comprimere il massimo di dati scartano alcune informazioni del segnale originale, sono vantaggiosi per aumentare al massimo la velocità di scaricamento ma sono irreversibili, ossia vengono perse delle informazioni che non sono più recuperabili. Es. mp3, jpeg.
2. Metodi senza perdita o Lossless: sono quei metodi che comprimono ma non hanno perdita di informazioni, sono meno efficaci nell'ottimizzare lo scaricamento dei dati. Es. GIF, PNG, WAV.

Mezzi di trasmissione

I mezzi di trasmissione utilizzati si dividono in mezzi guidati e non guidati.

Mezzi guidati

• Doppino telefonico: è formato da due o più coppie di fili di rame, singolarmente ricoperti di materia isolante, intrecciati uno intorno all’altro per ridurre le interferenze elettromagnetiche e isolati da una guaina. È il mezzo di trasmissione meno costoso e più utilizzato per segnali sia analogici che digitali.
• Cavo coassiale: sono formati da un corpo centrale conduttore, in cui si propaga il segnale da trasmettere, una protezione isolante, una rete di fili sottili metallici che realizza una schermatura dalle interferenze esterne e una guaina protettiva esterna. Abbiamo due tipi di cavi coassiali il Thin (più piccolo) e il Thick. Sono utilizzati maggiormente per trasmissioni a lunga distanza, ma sono quasi stati sostituiti dalle fibre ottiche e dai doppini.
• Fibra ottica: è un cavo costituito da un conduttore centrale (core) di sottili dimensioni, un rivestimento (cladding) e una guaina opaca. La trasmissione avviene in base al principio di riflessione totale, la differenza degli indici di rifrazione tra il cladding e il core fa sì che la luce rimanga confinata all’interno del core. Le fibre ottiche hanno una larghezza di banda molto elevata, una ridotta attenuazione del segnale e immunità alle interferenze elettromagnetiche. Hanno come svantaggi un raggio di curvatura limitato e la necessità di conversione ottica/elettrica nei punti di collegamento.

I mezzi guidati sono quindi delle linee fisiche che portano il segnale fino al ricevitore e supportano la trasmissione di segnali elettrici o ottici.

Mezzi non guidati

Nei mezzi non guidati i segnali vengono trasmessi e ricevuti mediante antenne. L’antenna del trasmettitore irradia nello spazio onde elettromagnetiche che l’antenna ricevente capta, può essere direzionale (punto a punto) o non direzionale (multipunto). Lo spettro di frequenze utilizzato nelle trasmissioni non guidate può essere suddiviso in tre intervalli:

• 30 MHz, 1 GHz adatto alle trasmissioni non direzionali
• 2 GHz 40 GHz (microonde) trasmissioni direzionali
• 300 GHz, 200 THz (infrarossi) trasmettitore e ricevitore devono essere visibili l’uno all’altro

Fattori che influenzano la trasmissione

Cosa influenza la trasmissione? La capacità del canale e larghezza di banda: la prima indica il limite superiore alla quantità di informazione che può essere trasmessa in maniera affidabile su un canale, ed è direttamente proporzionale alla larghezza di banda.

• Dove S è la potenza del segnale e N la potenza del rumore raccolto dal segnale.
• Grado di attenuazione del segnale.
• Interferenze tra segnali, sono segnali non utili che irradiano nella stessa banda nello stesso momento.
• Numero di ricevitori.

ICT e tecnologia dell'informazione

ICT -> Information and Communication Technology. Con questa sigla si intende l’insieme di studio, progettazione, sviluppo, implementazione, supporto e gestione dei sistemi informativi computerizzati, con particolare attenzione alle applicazioni software ed i componenti hardware che le ospitano. Lo scopo dell’ICT è la manipolazione dei dati tramite conversione, immagazzinamento, protezione, trasmissione e recupero sicuro delle informazioni. I professionisti ICT sono caratterizzati da molteplici capacità di intervento, installazione e gestione di basi di dati di progettazione nella telematica e per i nuovi metodi di trasmissione dell’informazione. La scienza che regola e propone lo sviluppo delle applicazioni basate sulle tecnologie di rete, che vengono implementate nella attuale rete e che prospettano un’evoluzione verso la rete globale, è la tecnologia dell’informazione.

Reti di telecomunicazione

Si definisce con rete di telecomunicazione l’insieme delle infrastrutture che rendono possibile lo scambio di informazioni a distanza. Per comunicare i due dispositivi devono far parte di una rete di telecomunicazioni. Le reti TLC hanno cambiato il modo di vivere, permettono di scambiare dati di qualsiasi natura in qualsiasi parte del mondo.

Tipi di rete

• Aziendali -> hanno al loro interno una grande quantità di risorse che è naturale mettere in condivisione per ottimizzare il lavoro. Tali risorse possono andare dalle periferiche fisiche a quelle informative. La condivisione delle risorse si basa su un modello client-server, il server resta sempre connesso e tiene in memoria tutti i file, il client non sono sempre accesi e fanno richiesta di un file. Tali reti offrono strumenti di comunicazione es e-mail. In questo contesto rientra anche l’e-commerce, nella quale si racchiudono tutte le fasi di compra-vendita di beni effettuata tramite internet.
• Domestiche -> fanno uso di una grande quantità di risorse, collegandosi alla rete internet, la condivisione all’interno della rete è limitata.
• Professionali -> vengono usate per istruzioni e aziende o per applicazioni specifiche.
• Mobili -> l’avvento delle tecnologie wireless ha svincolato l’accesso alla rete dalle postazioni fisse.

Altre reti

• Storage area networks (SAN) è una rete ad alta velocità di dispositivi di memorizzazioni di massa condivisi.
• Server farms si indica una serie di server collocati in un ambiente unico in modo da poterne centralizzare la gestione, la manutenzione e la sicurezza.
• Process control networks (PNC) è una rete usata per trasmettere istruzioni e dati fra unità di controllo e di misura e l’apparecchio di supervisione all’acquisizione di controllo dei dati.
• SOHO è una rete locale small office/home office.

Classificazione delle reti

Le reti vengono classificate secondo diverse caratteristiche: abbiamo reti fisse o mobili, le prime prevedono l’accesso solo da parte di utenti che non variano la propria posizione durante la comunicazione, nelle seconde l’accesso è consentito a utenti che non hanno alcun vincolo alla possibilità di movimento. Secondo l’estensione geografica abbiamo:

• Wide area network (WAN): gli utenti sono distribuiti in un’area estesa. Es. nazione.
• Metropolitan area network (MAN): forniscono servizi agli utenti che risiedono in una città o in una provincia.
• Local area network (LAN): area limitata a un singolo edificio.
• Personal area network (PAN): la copertura della rete è limitata a una stanza.
• Body area network (BAN): le comunicazioni avvengono in prossimità del corpo umano.

Le reti possono avere utenza pubblica o privata, mezzo di comunicazione wireless o wired. Le tipologie di connessione sono:

• Unidirezionale (simplex)
• Bidirezionale: B A-halfduplex B A-fullduplex
• Punto-punto
• Punto-multipunto

Topologia delle reti

La rappresentazione più intuitiva di una rete di telecomunicazione è data dal suo modello geometrico -> TOPOLOGIA. Gli elementi costitutivi sono i rami, elemento di connessione di due nodi rappresentato con un segmento orientato, e dai nodi, elemento della rete con specifiche funzionalità, esistono dei nodi privi di capacità di memorizzazione che smistano le informazioni. Elenchiamo le diverse topologie di rete:

• Topologia a stella -> ogni nodo ha una connessione punto-punto con il centro della stella, due nodi non possono comunicare direttamente. Abbiamo un controllo centralizzato delle comunicazioni che permette prestazioni elevate, facilità di controllo del server e semplicità del protocollo di comunicazione. C’è però possibilità di sovraccarico in caso di traffico elevato, con conseguente blocco delle comunicazioni.
• Topologia mista -> I nodi possono comunicare direttamente o attraverso nodi intermedi, questo vuol dire che ci sono più percorsi che collegano i nodi. Ogni nodo ha un numero di connessioni bidirezionali pari a (n-1), che portano una bassa efficienza, ma un’alta resilienza alla rottura di link. Sono reti molto costose, sono formate da X comunicazioni P2P.
• Topologia a bus -> La comunicazione avviene attraverso il bus a cui sono fisicamente collegati i nodi, serve un arbitraggio per l’accesso al bus. L’aggiunta dei nodi è limitata alla lunghezza del bus e alla minima distanza. Le comunicazioni sono punto-punto e punto-multipunto. È semplice, flessibile, a basso costo e affidabile. Nel momento di traffico elevato le prestazioni possono divenire un punto critico in quanto tutte le stazioni dipendono da un solo mezzo trasmissivo condiviso.
• Topologia ad anello -> Ogni nodo è connesso con il precedente e il successivo. L’informazione transita in una direzione e viene ricevuta a turno da ogni stazione che verifica se essa è la destinataria del messaggio, in caso negativo la stazione rigenera il messaggio e lo trasmette alla stazione successiva. La rottura di un collegamento blocca la comunicazione, a questo proposito si realizzano reti a doppio anello con un collegamento per direzione, in modo che la rete mantenga la sua funzionalità.

Topologie ibride

Topologie ibride -> Mesh e stella: a stella:

• Topologia a connessione completa -> Dispositivo terminale Nodo di commutazione Topologia a connessione parziale

Generalmente non è possibile connettere direttamente tutti i nodi terminali di una rete direttamente tra di loro. I nodi terminali sono interconnessi con dispositivi di rete detti switch (commutatori). Oggi difficilmente le reti sono isolate, di solito sono interconnesse tra di loro. Internet è una rete globale capace di trasferire informazioni in cui sono interconnesse le varie LAN e WAN.

Multiplexing

Il multiplexing si occupa di come inserire i dati di diversi utenti nello stesso medium, e della divisione nel dominio del tempo, frequenza e codici. Molti dei problemi riscontrati nel TDMA a causa di diversi ritardi di propagazione vengono eliminati in FDMA. Il principale svantaggio di FDMA sono i filtri di banda costosi e complicati. TDMA è realizzato con funzioni logiche più economiche.

Nel CDMA ogni utente viene assegnata una sequenza di codice univoca, che utilizza per codificare il proprio segnale dati. Il ricevitore, conoscendo la sequenza di codice dell’utente, decodifica il segnale ricevuto e recupera i dati originali. La larghezza di banda del segnale dati codificato viene scelta in modo da essere molto più grande di quella del segnale dati originale, ovvero il processo di codifica allarga lo spettro del segnale dati. Se ogni utente ha un codice univoco il ricevitore è in grado di distinguere gli utenti che trasmettono contemporaneamente a spettro esteso.

Commutazione

Commutazione: la rete è un insieme di vari dispositivi connessi di solito in modo non permanente. Mediante opportune operazioni di commutazione (switching) i nodi si configurano per creare dei percorsi (temporanei) all’interno della rete. I terminali comunicano attraverso switch/router che sono nel percorso tra sorgente e destinazione. In base al modo usato per determinare il percorso la commutazione si distingue in:

• Commutazione di circuito -> il percorso fisico del trasferimento dell’informazione viene creato prima dell’inizio della comunicazione e utilizzato in modo esclusivo dai due utenti della commutazione, non c’è condivisione e le prestazioni sono garantite poiché non si hanno ritardi di accesso al mezzo. Si hanno tre fasi: 1. Set up che prevede la creazione del percorso ottimale, 2. Usage dove avviene l’invio dei dati, 3. Reset alla fine della comunicazione il collegamento viene abbattuto e i link sono disponibili per altre comunicazioni. La rete telefonica è un esempio di commutazione di circuito. Tale commutazione solitamente avviene riservando una risorsa che può essere il tempo o la frequenza.
• Commutazione di pacchetto -> l’informazione viene frammentata in unità elementari dette pacchetti (di lunghezza fissata), la sorgente invia i propri pacchetti al nodo successivo, il quale li smisterà a quello dopo. Tale commutazione è più efficiente e più flessibile della commutazione di circuito, ma non c’è garanzia di accesso si produce così un ritardo di accodamento. Internet è una tipica rete a commutazione di pacchetto.

Tipologie di commutazione di pacchetto

• DATAGRAM -> ogni pacchetto viene inviato al nodo successivo autonomamente dai pacchetti precedenti e successivi. Non c’è l’individuazione di un percorso comune che tutti i pacchetti devono seguire, non c’è fase di setup. L’instradamento è unicamente basato sull’informazione del destinatario. A causa della congestione di alcuni link i pacchetti potrebbero seguire strade diverse. Essi possono anche arrivare a destinazione non ordinati.
• VIRTUAL CIRCUIT -> nelle reti a virtual circuit si cerca di simulare i vantaggi della commutazione di circuito in termini di banda garantita ma con accesso a pacchetto condiviso. Si individua un percorso unico che tutti i pacchetti devono seguire, pertanto si hanno le tre fasi di setup, usage, reset. Ogni nodo intermedio tiene in memoria l’uscita di ogni serie di pacchetti, i quali arrivano in maniera ordinata.