Fondamenti di Comunicazione e Internet

Alessandro Alfier prof. Antonio Capone Fondamenti di Com. e Internet

FCI

Cos’è internet? Esso è:

Una infrastruttura fisica fatta di componenti

 Un’ architettura di rete

 Un servizio di comunicazione usato dalle applicazioni e i protocolli di comunicazione



tra le componenti del sistema.

COMPONENTI FISICHE

TERMINALI, pc connessi alla rete

host:

link: COLLEGAMENTI, cavi, doppini…

 NODI di rete

router:

altri nodi locali come switch, access point…



Host: sistemi in grado di ricevere e inviare informazioni, hanno caratteristiche molto

diverse.

Link: possono essere di natura fisica molto diversa, differiscono anche per tecnologia

di trasmissione dell’informazione e per velocità (rate), misurata in bit/s.

Nodi di rete: sono i router che operano su unità di informazione finite, i pacchetti di

bit. Esistono altri nodi che svolgono funzioni di collegamento. Sarà importante capire a

che livello opera ciascun nodo di rete.

ACCESSO A INTERNET:

Dialup via modem

fino a 56 Kbps, accesso diretto al router del ISP (internet service provider) tramite

circuito telefonico, segnale trasmesso in banda fonica.

ADSL: asymmetric digital subscriber line

Fino a 1 Mbps in up, 20 in down, doppino condiviso con rete telefonica fino alla

centrale (divisione di frequenza), accesso al router dell’ISP tramite rete dati ad alta

velocità.

Fibra Ottica

sostituzione parziale o totale del doppino telefonico, nuova generazione d’accesso ad

alta velocità. 1

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Rete Cellulare

GPRS/EDGE circa 200 kbps, HSPA 14,5(down)/5,7(up) Mbps e LTE 300(down)/85(up)

Mbps.

RETI DI RETI

Nella descrizione di cosa sia Internet da punto di vista fisico e di servizio abbiamo

trascurato una aspetto architetturale fondamentale: Internet in realtà è un puzzle di

tante reti interconnesse.

Questo ha due risvolti importanti: 1) La tecnologia di Internet (IP - Internet Protocol)

può essere usata per interconnettere sotto-reti di tipo eterogeno

2) L’intera rete Internet mondiale è composta da tante reti gestite da operatori

indipendenti (ISP – Internet Service Provider) che si accordano per collegarle insieme

Le diverse porzioni di rete sono composte da tecnologie diverse. I router possono

essere connessi da link di vario tipo, ma anche da “sottoreti” che gestiscono

internamente propri nodi e link. es. reti locali ethernet o wifi.

Tipi di rete in base a estensione geografica:

LAN Local Area Network



MAN Metropolitan Area Network



WAN Wide Area Network



Internet, come abbiamo detto, è infrastruttura di comunicazione (consente alle

applicazioni di essere distribuite) e protocolli di comunicazione per inviare e ricevere

messaggi.

La rete fornisce un servizio di comunicazione alle app per il trasporto delle info tra i

processi remoti. Questo servizio può essere di vari tipi.

Possono essere trasportati brevi messaggi in modo non affidbile (es. DNS) o lunghe

sequenze di byte in modo affidabile (es. web, mail…)

Protocolli di rete sono utili a stabilire delle regole per la comunicazione, come la

comunicazione tra esseri umani. 2

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Modelli di protocolli: Client/Server: client fa domande, server da risposte, ruoli non

sono intercambiabili. peer-to-peer (P2P) tutti i terminali collaborano senza ruoli

particolari.

Come si trasferisce un’info in rete?

Commutazione di circuito: circuito dedicato per chiamata. Le risorse per la



comunicazione sono riservate per la chiamata. es. rete telefonica.

Risorse di rete divise in pezzi, ciascun pezzo (=circuito) è allocato ai vari collegamenti.

Risorse rimangono inattive se non utilizzate, non c’è condivisione. 3

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Modello di nodo (commutatore a circuito): la capacità dei canali in ingresso è pari alla

capacità (in bit al secondo) di quelli in uscita, non serve memorizzare

temporaneamente l’info.

Commutazione di pacchetto: dati inviati in rete con messaggi



Informazione è suddivisa in pezzi, collegamenti non suddivisi. Pacchetto è insieme di

bit da condividere + tabella di instradamento, che contiene la destinazione del

pacchetto e il percorso che deve seguire. I pacchetti utilizzano completamente i canali

di comunicazione, e le risorse sono usate a seconda della necessità.

Modello di nodo (packet switch/router): 4

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-arrivo asincrono dei pacchetti

-capacità dei collegamenti è arbitraria

-possono esserci conflitti temporali per la trasmissione

-serve memorizzare temporaneamente (coda) prima all’inizio per analizzare l’header,

poi all’uscita per gestire i conflitti

Contesa per le risorse:

STORE AND FORWARD il commutatore prima riceve l’intero pacchetto, poi inizia a



trasmetterlo sul collegamento in uscita.

MULTIPLAZIONE STATISTICA accodamento dei pacchetti, attesa per l’utilizzo del



collegamento.

LA COMMUTAZIONE DI PACCHETTO E’ LA SCELTA DI INTERNET.

Problema delle code: ritardo e perdita di pacchetti. sono necessari protocolli per il



trasferimento affidabile dei dati e per il controllo della congestione.

DATAGRAM e CIRCUITO VIRTUALE: sono due tipi di commutazione di pacchetto

In Datagram la scelta della porta di uscita è fatta in base al solo indirizzo di

destinazione. I pacchetti dello stesso flusso sono inoltrati indipendentemente.

In circuito virtuale i nodi identificano i pacchetti di flusso informativo sulla base di un

identificativo di circuito virtuale (CVI o label); circuito virtuale è instaurato in una fase

di setup prima della fase dati. Dopo la fase di setup i pacchetti seguono tutti lo stesso

percorso in rete perché sono instradati sulla base dell’identificativo di circuito virtuale.

RITARDI E VELOCITA’ 5

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Velocità di trasmissione: è la velocità (Rate) R con la quale l’informazione digitale

viene trasmessa su una linea = numero di bit trasmessi nell’unità di tempo, misurata

in bit/s (bps).

Tempo di trasmissione: tempo per trasmettere L bits, dipende dalla velocità R.

Abbiamo T = L/R

Ritardo di propagazione: è il tempo τ affinchè un impulso trasmesso dal trasmettitore

TX raggiung il ricevitore RX; dipende dalla distanza D (in m) e dalla velocità di

propagazione v (tipicamente 2/3 della velocità della luce c). Abbiamo τ = D/v.

Tempi di attraversamento del canale: somma tra tempo di trasmissione e ritardo.

Abbiamo T = T + τ.

tot

Schema dello store and forward:

Commutazione a pacchetto Cut-Through: il pacchetto viene emesso similmente allo

store and forward, ma quando viene completata la ricezione dell’header, e non

dell’intero pacchetto.

Architettura di un nodo (semplificata): 6

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Modello operativo di nodo 7

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Nel tempo di trasmissione va considerato anche un tempo molto breve per la lettura e

interpretazione dell’header. Se la coda in uscita è piena, si creeranno ritardi.

Più in generale, il ritardo di accodamento dipende dalla multiplazione statistica dovuta

all’arrivo asincrono dei pacchetti alle code d’uscita. 8

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Perdite di pacchetti in internet: le code hanno dimensioni limitate, se la coda è piena

(congestione) i pacchetti in arrivo vengono scartati, e quelli persi possono essere

ritrasmessi o meno a seconda del livello/protocollo che gestisce l’evento di perdita.

MODELLI DI SERVIZIO E LIVELLI DEI PROTOCOLLI

Date due o più entità remote possiamo descrivere il servizio di comunicazione per

scambio di messaggi come un “fornitore del servizio di trasporto dell’informazione”.

Gestisce lo scambio di info tra due entità, è in generale un servizio di trasferimento di

unità informative (messaggi applicativi, flussi multimediali, pacchetti, bit…)

Primitive di servizio: il servizio di comunicazione può essere descritto tramite delle

primitive di servizio;

chiamate di servizio dette esse servono a descrivere il servizio, a

richiederlo e ricevere info sul servizio del fornitore. Sono caratterizzate da parametri

come informazione da trasferire, indicazione del destinatario, caratteristiche del

servizio richiesto… 9

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Caratteristiche del servizio di comunicazione:

modalità a connessione: instaurazione della connessione, trasferimento dell’info,

rilascio della connessione.

modalità senza connessione: una sola fase

Protocollo di comunicazione: insieme di regole che gestiscono il colloquio tra entità:

formato dei messaggi, info di servizio, algoritmi di trasferimento,… Se due entità

colloquiano tra di loro sono di “pari livello”.

Packet data units (PDU): un protocollo utilizza per il colloquio tra entità dello stesso

livello delle unità di trasferimento dati dette PDU, che possono contenere:

Livelli: le entità che colloquiano in un servizio di telecomunicazione possono anche

offrire un servizio di comunicazione a entità terze, dette di livello superiore. Le entità

di un livello collaborano per fornire al livello superiore e si scambiano messaggi

mediante il servizio offerto dal livello inferiore.

Funzioni dei livelli: il servizio di comunicazione offerto al livello superiore è più ricco

complesso grazie alle funzioni implementate dal livello inferiore. 10

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Architettura a livelli: i servizi di comunicazione complessi possono essere articolati a

livelli, da un livello che garantisce solo il trasporto dei bit, a un livello dove sono state

definiti complessi servizi caratterizzati da molti parametri e funzionalità.

Architettura completa

Architettura a livelli utile perché è facile l’identificazione dei servizi, la gestione e gli

update. Essa è invece pericolosa quando

Funzioni: le funzioni che possono essere svolte da un livello sono molteplici. es.

Multiplazione, De-multiplazione, controllo dell’errore, instradamento… es.

multiplazione ecc slide 141 (1 parte A – INTRO)

LIVELLO FISICO

Segnali e frequenze

- segnali logici (sorgenti numeriche) sono segnali digitali discreti, sequenze

nativamente numeriche

- segnali fisici (sorgenti continue) sono segnali analogici continui, associati a

grandezze fisiche e tipicamente continui 11

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Banda di un segnale: è l’intervallo di componenti in frequenze (sinusoidi nel dominio

del tempo) che descrivono il segnale.

L’analisi Fourier consente di studiare qualsiasi segnale scomponendolo in sinusoidi.

Una sinusoide nel dominio del tempo di periodo T e frequenza f=1/T può essere

rappresentata nel dominio delle frequenze dalla sola componente alla frequenza f.

Qualsiasi segnale periodico di periodo T e frequenza f = 1/T nel dominio del tempo

può essere scomposto in un numero discreto di sinusoidi di frequenza multipla di

quella del segnale (serie di Fourier). Le sinusoidi sono dette armoniche e

n

a ∑

0

( )= ( )+ ( )

+

s t a cos kt b sin kt

k k

2 k=1 12

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Qualsiasi segnale s(t) periodico nel dominio del tempo è del tutto equivalente alla

somma delle armoniche sinusoidali (componenti in frequenza), ognuna con la propria

ampiezza e frequenza.

Il segnale s(t) variabile nel tempo può quindi essere rappresentato nel dominio delle

frequenze dalle sue componenti in frequenza che costituiscono lo SPETTRO DEL

SEGNALE S(f).

La forma dello spettro dipende

– dalla durata del singolo periodo T (à determina le frequenze delle armoniche)

– dalla forma dell’impulso che rappresenta il singolo periodo (à determina il valore

dei coefficienti)

Guardo slides dalla 10.

L’analisi di Fourier è estendibile a qualsiasi segnale variabile nel tempo, poiché

qualsiasi segnale variabile nel tempo è del tutto assimilabile a una forma sinusoidale.

Il segnale s(t) variabile nel tempo può essere quindi rappresentato nel dominio delle

frequenze dalle sue componenti in frequenza che costituiscono lo SPETTRO del

segnale S(f). 13

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CONVERSIONE ANALOGICO-DIGITALE:

L’uomo percepisce la realtà come continua (mondo analogico), gli elaboratori numerici

gestiscono informazioni discrete (mondo digitale). Dunque, è necessario trasformare i

segnali analogici in un loro equivalente digitale.

Ogni segnale analogico di banda B può essere ricostruito interamente in base ai suoi

campioni presi a frequenza 2B.

Campionamento: TEOREMA DI NYQUIST

Un segnale del tempo è completamente determinato dai suoi campioni presi a

distanza T tale che T<=1/2B, dove B è la banda del segnale, o usando la frequenza di

campionamento f = 1/T: f >=2B = f frequenza di Nyquist. I campioni presi alla

c c N

frequenza di Nyquist rappresentano il contenuto informativo del segnale. Se li prendo

a frequenza maggiore, non sono indipendenti, eccesso inutile, se li prendo a frequenza

minore, segnale non è più ricostruibile correttamente. La banda “B” rappresenta il

contenuto informativo.

Ogni segnale analogico di banda B può essere ricostruito interamente in base ai suoi

campioni presi a frequenza 2B. La ricostruzione avviene con un filtro in frequenza

posto al ricevitore che taglia le frequenze oltre 2B.

QUANTIZZAZONE: operazione con cui un segnale continuo nelle ampiezze (numero

infinito di ampiezze disponibili) è trasformato in discreto (numero finito di ampiezze

disponibili). Nella trasformazione si commette un errore di approssimazione

(quantizzazione). Più livelli, meno errore di quantizzazione. Ogni livello viene

rappresentato da una sequenza di bit. l = 2 b

Dunque, attraverso il campionamento misuro le ampiezze del segnale in specifici

istanti di tempo equispaziati tra loro. Introduco livelli discreti di ampiezza, con

quantizzazione rappresento l’ampiezza continua del segnale campionato mediante i 14

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livelli discreti. Associo uno specifico gruppo di bit a ogni livello discreto di

quantizzazione, e così il segnale analogico diventa digitale.

MODULAZIONE E TRASMISSIONE

La trasmissione di un segnale digitale (numerico) richiede di creare un opportuno

segnale adatto ad essere trasportato dal mezzo trasmissivo. La sequenza digitale

viene usata per modificare (MODULARE) un qualche parametro del segnale

(modulato) inviato nel mezzo trasmissivo.

La modulazione di un segnale può avvenire in due modi:

- BANDA BASE: i segnali usati nella modulazione hanno uno spettro contiguo rispetto

all’origine.

- BANDA TRASLATA (o PASSANTE): i segnali hanno uno spettro traslato su intervalli di

frequenza non contigue all’origine.

MODULAZIONE IN BANDA BASE:

es. modulazione d’ampiezza in banda base. Formato di modulazione di tipo PAM –

Pulse Amplitude Modulation: il bit corrisponde a un impulso di ampiezza positiva (1) o

negativa (0).

MODULAZIONE IN BANDA TRASLATA: 15

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si usa un’onda elettromagnetica (sinusoide) detta PORTANTE (carrier) a una

determinata frequenza (f ) per traslare lo spettro del segnale intorno alla frequenza

p

della portante.

Banda ed efficienza spettrale: Se per la modulazione PAM usiamo come forma

dell’impulso la funzione

❑ ( )

t

sin π T

( ) =A

p t τ

π T

Che ha come trasformata nel dominio delle frequenze S(f) = AT rect(fT)

Essendo gli zeri della funzione in corrispondenze degli istanti di tempo T, 2T, … posso

ottenere segnali del tipo: 16

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PROPAGAZIONE DI UN SEGNALE MEDIANTE UNA PORTANTE:

Il segnale può propagarsi nell’atmosfera (collegamenti terrestri o Terra-Spazio) o in un

mezzo trasmissivo guidante (doppino, cavo coassiale, fibra…) attraverso la

modulazione di un’onda portante, ona elettromagnetica a opportuna frequenza. Le

onde elettromagnetiche portanti sono class. in base alla frequenza.

Modulazione banda traslata l’uso di onde portanti e di modulazione banda traslata



è necessario per sfruttare mezzi trasmissivi caratterizzati da opportune BANDE

PASSANTI, dove il mezzo può trasmettere lo spettro del segnale senza alterarlo. es.

modulaz. di ampiezza ASK (cambia ampiezza carrier), modulazione di frequenza FSK

(cambia frequenza carrier), modulazione fase PSK (cambia fase carrier), modulazione

QAM (misto ampiezza e fase).

Modulazione mltilivello: per aumentare la capacità di canale senza modificare la

banda di frequenza e il time-slot associato è necessario incrementare l’ordine della

modulazione: MODULAZIONE MULTILIVELLO:

es. PAM in banda base o ASK in banda traslata: flusso di bit è diviso in gruppi di log N,

2

si usano N livelli di ampiezza diversi, per ogni livello di ampiezza trasmesso (chiamato

anche simbolo) corrispondono allora logicamente n = log N bit.

2

modulazione multilivello di ampiezza

modulazione multilivello di fase 18

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