Telecomunicazioni

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Struttura di una rete di TLC

Definizione: Un sistema di TLC è costituito da un insieme di nodi (computer) e di collegamenti tra essi (canali fisici) che consentono ai nodi sorgenti di inviare dati (informazioni) a nodi destinazione. I nodi sorgenti e destinazione sono chiamati nodi terminali (hosts) del sistema. Tutti gli altri sono chiamati nodi di commutazione (switching nodes).

Scopo: Lo scopo di un sistema di TLC è il trasferimento di informazioni (sequenze di bit) tra i nodi sorgente (trasmettono l'informazione) e quelli destinazione (ricevono l'informazione). I nodi di commutazione smistano i bit, inoltrandoli in direzione dei nodi destinazione e correggendoli da eventuali errori dovuti alla trasmissione. I canali fisici hanno lo scopo di trasferire l'informazione generata dalle sorgenti alle destinazione sotto forma di segnali: il segnale è l'entità fisica che trasporta l'informazione da entità logica.

Criteri di classificazione dei sistemi di TLC

• Struttura fisica del canale:
  • Wireless = senza filo (via radio)
  • Wired = su filo (cablati)
• Natura del segnale trasportato:
  • Rete televisiva
  • Rete radio
  • Rete telefonica
  • Rete multimediale

Internet

Definizione: Internet è una particolare rete di TLC i cui nodi terminali sono computer, ossia sistemi in grado di elaborare dati. Questa infrastruttura è costituita da un insieme di sottoreti opportunamente interconnesse tra loro (ISPs) e fornisce servizi di comunicazione alle applicazioni eseguiti dagli utenti terminali. I nodi terminali in Internet sono chiamati endhost, mentre i nodi di commutazione sono router o bridge.

Definizione: I protocolli sono programmi che spiegano, regolano lo scambio di dati tra gli endhost di Internet. Formalmente, un protocollo definisce il formato (=struttura) e l'ordine dei messaggi scambiati tra due applicazioni comunicanti, insieme alle azioni che le applicazioni comunicanti devono intraprendere in funzione dei messaggi trasmessi e ricevuti.

Gli elementi che compongono Internet sono:

• Hardware: sono le componenti fisiche del sistema, ossia i computer;
• Software: sono le componenti virtuali del sistema, ossia i programmi (protocolli).

Servizi di Internet

I servizi che Internet fornisce agli utenti che si collegano sono:

• Affidabili: Un servizio orientato alla connessione assicura che ogni dato inviato da un nodo S arrivi nello stesso ordine di bit al nodo D. Lo svantaggio di questo servizio è individuabile in termini di tempo molto ampi.
• Non affidabili: Un servizio privo di connessione non assicura l'arrivo di tutti i bit inviati da S a D nel medesimo ordine in cui sono stati inviati. Il vantaggio di questo servizio è rappresentato dai tempi brevi di ricevimento di dati.

Definizione: L'intesa preliminare alla comunicazione tra due applicazioni è detto handshaking, ossia è l'instaurazione della connessione.

Modi di servizio di Internet

I modi di servizio di Internet possono essere:

• Connection-oriented:
  • Il servizio ha un'intesa preliminare (handshaking) tra le due applicazioni comunicanti.
  • Sulla comunicazione instaurata le due applicazioni attuano il trasferimento dei dati.
  • Concluso il trasferimento dei dati, la connessione viene abbattuta.
• Connection-less:
  • Il servizio è privo di handshaking tra le due applicazioni comunicanti, ma lo scambio di dati avviene comunque (assenza di instaurazione e di abbattimento della connessione).

Modi di trasferimento

Definizione: Le modalità (strategie) adottate dalla rete di TLC per permettere lo scambio di dati tra due applicazioni sono dette modi di trasferimento. Lo schema di multiplazione definisce le modalità secondo cui i dati generati da più applicazioni distinte possono essere trasmesse ordinatamente attraverso uno stesso canale fisico della rete di TLC. Ovvero, lo schema di multiplazione definisce la modalità secondo cui più flussi informativi generati da applicazioni distinte condividono le risorse di trasmissione (banda e tempo) messe a disposizione da ciascun singolo canale.

Definizione: La commutazione definisce il modo (strategia) secondo cui i dati provenienti da ciascun specifico canale di ingresso al nodo sono trasferiti ad uno specifico canale di uscita del nodo. Lo scopo della commutazione è quello di inoltrare i dati provenienti da ciascun canale di ingresso verso la destinazione finale.

Componenti di un modo di trasferimento

Le componenti di un modo di trasferimento sono tre:

• Multiplazione:
  • Statica: Per n utenti richiedenti il servizio di comunicazione, ogni canale è suddiviso in n sotto-canali; un singolo sotto-canale è assegnato all'applicazione che ne richiede il servizio all'inizio del processo di comunicazione e l'assegnazione è mantenuta per tutta la durata della comunicazione, fino alla chiusura della comunicazione.
    • FDM: A ciascun utente il canale è suddiviso in n sottobande non sovrappositionisi con capacità di collegamento pari all'ennesima parte della capacità del canale stesso.
    • TDM: L'asse dei tempi è suddiviso in intervalli detti frame. Ciascun frame, della durata di t, è suddiviso in n sottointervalli chiamati slot della durata di t/n. A ciascuna applicazione che lo chiede, il canale dedica uno slot in ogni frame per la trasmissione dei corrispondenti dati con la capacità pari a quella del canale.
  • Dinamica: La capacità trasmissiva (banda, tempo) globale di ciascun canale è trattata come una risorsa singola (ossia, indivisibile), alla quale le applicazioni richiedenti possono accedere su richiesta e nel rispetto di una opportuna procedura di assegnazione. Fa parte:
    • Multiplazione statistica (SM): Ciascun canale della rete è preceduto da un buffer di memorizzazione della coda in un specifico canale. Di volta in volta, l'intera capacità di trasmissione del canale è messa a disposizione del pacchetto che è trasmesso in quel momento, ossia quello uscente dal buffer.
• Commutazione:
  • A circuito: Un circuito fisico è dedicato solamente ed interamente per la comunicazione di due applicazioni fino a che la comunicazione stessa non viene abbattuta.
  • A pacchetto: La risorsa non trova una rotta da S a D (path da S a D) già predisposta, quindi permette a più utenti di inviare informazioni attraverso la rete in modo simultaneo con la condivisione di uno stesso canale trasmissivo.
• Protocollo: [vedi in seguito]

Unità di dati trasferite

Definizione: Le unità di dati trasferite in rete sono detti pacchetti e sono composte da una sequenza ordinata di bit, dove i primi sono l'intestazione (header), contenente informazioni di indirizzo e con lunghezza fissa, e i rimanenti sono il campo informativo (payload), contenente i dati da trasferire e con lunghezza variabile.

Modi di trasferimento rilevanti

I modi di trasferimento di maggiore rilevanza sono:

• Modo di trasferimento "a circuito": Viene assegnata a ciascuna coppia di applicazioni comunicanti un circuito fisico che rimane ad esse dedicato per tutta la durata della comunicazione (è indipendente se vi è trasmissione di dati o meno). Le reti sono:
  • Reti TDM: La multiplazione è TDM, la commutazione a circuito ed è sempre con connessione (headshaking).
  • Reti FDM: La multiplazione è FDM, la commutazione a circuito ed è sempre con connessione (headshaking).
• Modo di trasferimento "a pacchetto": Più utenti possono usufruire in modo simultaneo dello stesso canale di trasmissione per inviare un pacchetto da S con destinazione D, senza che alcuna coppia sia privilegiata categoricamente con un circuito fisico.
  • Reti a circuito virtuale: La multiplazione è statistica, la commutazione a pacchetto ed è con connessione. Questi reti fanno sì che il nodo di provenienza S, il nodo di destinazione D e il path vengano esplicitati nell'header di ogni pacchetto, con la specifica che tutti i pacchetti assegnati ad uno stesso circuito virtuale seguono un medesimo path. Il circuito che viene personalizzato ad ogni pacchetto è virtuale, dunque più circuiti virtuali distinti possono condividere uno stesso circuito fisico.
  • Reti a datagramma: La multiplazione è statistica, la commutazione a pacchetto ed è senza connessione. Questi reti fanno sì che l'header di ogni pacchetto abbia esplicitato al suo interno solamente il nodo di provenienza S e quello di destinazione D, non specificando precisamente il path del pacchetto (uno stesso canale può corrispondere a più pacchetti con diverso path).

Condizione sufficiente per evitare la congestione

Come condizione sufficiente (e anche necessaria) per evitare che vi sia una coda infinita nel modo di trasferimento a pacchetto è che la capacità trasmissiva totale del canale deve essere al più la somma delle capacità di trasmissione delle singole utenze.

Confronto tra commutazione di circuito e di pacchetto

La commutazione di circuito, avendo la multiplazione statica, assicura che non si generino mai code ai nodi, ma può accadere che il circuito assegnato ad una particolare coppia di applicazioni possa rimanere inutilizzato per periodi lunghi durante la connessione; la commutazione di pacchetto assicura invece che non ci siano sprechi di connessione (il canale viene inutilizzato quando la connessione non trasmette alcun dato), ma a discapito può presentare code di attesa.

Configurazione della rete Internet

La rete Internet è essenzialmente composta da tre parti principali:

• La periferia della rete (Network-Edge): È la parte costituita dai sistemi terminali (hosts) che vogliono interconnettersi tramite la stessa rete.
• La rete di accesso (Access Network): È la parte costituita dai canali fisici che collegano gli hosts al proprio Router d'Ingresso (Edge Router), che è il primo nodo di commutazione tra host e la rete Internet.
• La rete di trasporto (Core Network): È la parte costituita dai nodi di commutazione (Router, Bridge) e dai canali fisici che interconnettono tra loro gli Edge Router.

Modelli di interazione

Nella periferia della rete, due applicazioni che vogliono scambiarsi dati possono farlo in accordo con due modelli di interazione:

• Modello client/server: Prevede che un'applicazione cliente eseguita da un host richieda e riceva un servizio da un'applicazione servente eseguita da un altro host.
• Modello peer-to-peer (P2P): Prevede che due applicazioni comunicanti ricoprano a turni il ruolo di programma servente e quello di programma cliente.

Banda delle reti di accesso

Definizione: La banda delle reti di accesso è la capacità (bit al secondo) di trasmissione della rete.

Criteri di classificazione della rete di accesso

• Mezzi fisici per il trasporto dei dati (cablata o radio)
• Tipo di mobilità dell'utente (statico, nomade o mobile)
• Tipo di utenza (residenziale o business)
• Capacità del canale (banda larga o banda stretta)

Gerarchia delle reti che costituiscono Internet

Le reti che costituiscono Internet sono organizzate gerarchicamente in ISPs (Internet Service Providers) di livello 1, livello 2 e livello 3. Le ISPs comunicano tra loro tramite Router, detti Point-of-Presence (POP).

La rete di trasporto di Internet è per definizione una rete a datagramma (mux statistica, commutazione a pacchetto e senza connessione) ed è organizzata in tre tipi di sotto-reti interconnesse tra loro:

• ISPs di livello 1 (Tier 1): È una rete con copertura nazionale/internazionale.
• ISPs di livello 2 (Tier 2): È una rete con copertura regionale/nazionale e si aggancia a reti Tier 1.
• ISPs di livello 3 (Tier 3) e ISPs locali (last hop network, ossia le più vicine ai sistemi terminali): È una rete con copertura regionale o inferiore e si collega alle reti più grandi; le reti local ISPs sono il confine del Core Network e dopo di loro vi è l'Edge Network.

Organizzazione dei protocolli

Definizione: I protocolli sono programmi che spiegano, regolano lo scambio di dati tra gli endhost di Internet. Formalmente, un protocollo definisce il formato (=struttura) e l'ordine dei messaggi scambiati tra due applicazioni comunicanti, insieme alle azioni che le applicazioni comunicanti devono intraprendere in funzione dei messaggi trasmessi e ricevuti.

I protocolli sono sviluppati in funzioni, organizzate in strati (pile protocollari). Ogni funzione ammette come input il dato ceduto dalla funzione n-1 e serve il dato di output solo alla funzione n+1.

L'architettura protocollare può essere di due modelli:

• Open System Interconnection (Modello OSI) [a noi interessano solo i primi 4 strati, che sono quelli di interconnessione]:
  • Strato fisico: Fornisce i mezzi meccanici, fisici, funzionali e procedurali per attivare, mantenere e disattivare le connessioni fisiche, si interessa sull'entità fisica del segnale.
  • Strato di collegamento: Fronteggia malfunzionamenti del livello fisico (rivelazione e recupero degli errori di trasmissione, controllo di flusso), si interessa sull'entità logica del pacchetto.
  • Strato di rete: Instaura, mantiene e abbatte connessioni di rete. Funzioni fondamentali: instradamento e controllo di flusso. È la funzione che calcola il path migliore che deve fare il pacchetto per viaggiare dal nodo S al nodo D.
  • Strato di trasporto: Colma le deficienze della qualità di servizio delle connessioni di livello rete. Funzioni fondamentali: multiplazione e frammentazione. È la funzione del protocollo che instaura il collegamento tra le due applicazioni richiedenti la comunicazione.
  • Strato di sessione
  • Strato di presentazione
  • Strato di applicazione
• Modello Internet: I primi quattro strati corrispondono a quello OSI, mentre gli ultimi tre strati (sessione, presentazione e applicazione) qui sono implementati nel medesimo strato, quello applicativo. In questo modello sono da tenere conto tre caratteristiche:
  • Solo gli endhost implementano i 5 strati del modello Internet, mentre i nodi di commutazione ne implementano solo alcuni: i bridge hanno lo strato fisico e quello di collegamento; i router hanno lo strato fisico, quello di collegamento e quello di rete.
  • Ogni strato della pila protocollare produce dei pacchetti, aggiungendo un header al pacchetto generato dallo strato n+1: lo strato applicativo genera il pacchetto messaggio, quello di trasporto incapsula il messaggio con l'header segmento, quello di rete con il datagramma e quello di collegamento con la trama.
  • Ogni header ha lo scopo di fare da schermo, protezione al messaggio da eventuali errori di distorsione dovuti alla trasmissione.

La normativa e il coordinamento delle attività di standardizzazione nelle comunicazioni di Internet sono definiti dall'IETF (Internet Engineering Task Force).

Segnali analogici

Definizione: Un segnale rappresenta l'andamento nel tempo di una grandezza fisica (come tensione, corrente, temperatura, ...). Ossia il segnale è l'entità fisica per la trasmissione dell'entità logica (bit). Formalmente abbiamo che è una funzione definita: \( f: \mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R} \) o \( \mathbb{C} \), dove \( \mathbb{R} \) è il dominio definito spazio di parametro e il codominio detto spazio dei valori.

Definizione: Il modem è l'oggetto fisico che trasforma un messaggio da entità logica (bit) in entità fisica (segnale).

Distinzione tra i segnali

• Spazio di parametro \((t_0, t_1)\):
  • Un segnale è detto di durata limitata se \((t_0, t_1)\) è finito.
  • Un segnale è detto di durata illimitata se \((t_0, t_1)\) è infinito.
• Spazio dei valori:
  • Un segnale è detto analogico se è continuo (ossia è costruito da un'infinità non numerabile di numeri reali o complessi).
  • Un segnale è detto numerico se \(\{a_0, a_1, ..., a_{n-1}\}\) (ossia è costituito da un numero finito di elementi).

Segnale complesso

Definizione: Un segnale complesso è un segnale composto da una parte reale e una parte immaginaria: \( s(t) = a(t) + ib(t) \).

Tipi di segnali analogici più usati

• Sinusoide: \( s(t) = A \sin(2\pi ft + \phi) \) con \( A > 0 \), \( f > 0 \), e \( \phi \in [-\pi, \pi] \) dove \( A \) è l'ampiezza (volt), \( f \) è la frequenza (Hz) e \( \phi \) è la fase (rad).
• Esponenziale reale: \( s(t) = A e^{\alpha t} \) dove \( A \) è l'ampiezza (volt).