Telecomunicazioni - Fondamenti di Reti

Telecomunicazioni: Fondamenti di Reti

Giovanni Del Vecchio

a.a. 2020/21

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Indice

1 Servizi di Telecomunicazioni 7

1.1 Servizio di Telecomunicazione (ST) . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.2 Classificazione di un ST . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2 Reti di Telecomunicazioni 9

2.1 Rete di Telecomunicazione (RT) . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.2 Tassonomia per estensione, mobilità del terminale e gamma

dei servizi supportati . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.3 Topologia logica e fisica di una rete . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.4 Caratteristiche prestazionali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.5 Caratteristiche di emissione delle sorgenti . . . . . . . . . . . 12

3 Modello di riferimento 13

3.1 Architettura di comunicazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

3.2 Tipiche componenti funzionali . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

3.3 Esempio di un’architettura di comunicazione . . . . . . . . . 16

3.4 Livelli di astrazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.5 Protocolli, unità e flussi informativi . . . . . . . . . . . . . . . 18

4 Servizi di Rete 21

4.1 Componenti e indici prestazionali . . . . . . . . . . . . . . . . 21

4.2 Funzione di multiplazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

4.3 Funzione di commutazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

5 Local Area Network 33

5.1 Reti LAN tradizionali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

5.1.1 Strato MAC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

5.1.2 Strato LLC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

5.1.3 Strato fisico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

5.2 Interconnessione di reti LAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

6 Rete Internet 45

6.1 Struttura e Protocolli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

6.1.1 Point to Point Protocol . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

3

4 INDICE

6.1.2 Protocollo IP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

6.1.3 Internet Control Message Protocol . . . . . . . . . . . 50

6.1.4 Indirizzamento IP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

6.2 Instradamento in Reti Internet . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

6.3 Strato di trasporto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

6.3.1 User Datagram Protocol . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

6.3.2 Transport Control Protocol . . . . . . . . . . . . . . . 62

Introduzione

I contenuti delle seguenti dispense costituiscono rielaborazioni personali de-

gli appunti appresi con la frequenza delle lezioni e lo studio autonomo dei

manuali di studio indicati dal professor Vincenzo Eramo, in preparazione al-

l’esame finale di Telecomunicazioni del corso di laurea triennale in Ingegneria

Gestionale. Si evidenzia che gli appunti che seguono sono necessariamente

da integrare con alcune dimostrazioni, brevi considerazioni ed esercitazioni

discusse dai docenti di cui non si sono riportati i contenuti.

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6 INDICE

Capitolo 1

Servizi di Telecomunicazioni

1.1 Servizio di Telecomunicazione (ST)

Un Servizio di Telecomunicazione (ST) può essere definito come un insie-

me di procedure che se eseguite rendono possibile trasportare e utilizzare

a distanza informazioni. In generale, il trasporto di tali informazioni ri-

chiede l’intervento di diversi apparati e dispositivi di telecomunicazioni: il

loro insieme configura quella che poi analizzeremo come Rete di Telecomu-

nicazione. Il Servizio di Telecomunicazione è quindi oggetto di un rapporto

di domanda e di offerta per una comunicazione a distanza tra due o più

parti. In particolare, di tale rapporto, riconosciamo i seguenti soggetti che

interagiscono fra di loro:

- cliente del servizio (service costumer);

- fornitore del servizio (service provider);

- gestore della rete (network provider).

Infine, un ST comporta il richiamo e l’esecuzione di componenti funzionali

(c.f.) quali principalmente di trasferimento e di utilizzazione.

1.2 Classificazione di un ST

I vari Servizi di Telecomunicazioni possono essere classificati sfruttando di-

versi criteri di classificazione. Le informazioni che viaggiano su una rete di

telecomunicazione possono essere di diversi tipi e in base alla loro natura

vengono diversificati gli stessi servizi associati. In particolar modo, questi

sono soggetti ad alcuni vincoli da rispettare, come la velocità di trasmissione

o il tempo di trasporto delle informazioni, la cui valutazione viene effettuata

tramite specifici indici di qualità. Come detto, questi vincoli sono specifi-

7

8 CAPITOLO 1. SERVIZI DI TELECOMUNICAZIONI

1

ci del tipo di servizio ed è per questo importante saper classificare i vari

servizi tramite specifici criteri.

Prima di tutto, distinguiamo tre tipi di informazioni che possono viag-

giare in una rete di telecomunicazioni ovvero informazioni di tipo audio,

2

video o dati tenendo conto della possibilità di individuare informazioni sia

monomediali che multimediali. Per quanto riguarda la tassonomia dei ST

individuiamo una prima distinzione che tiene conto della loro potenzialità,

quindi della loro funzionalità, coinvolta nella rete e negli apparati terminali

per cui vengono individuate due classi:

- Servizi di Rete: forniscono la possibilità di trasferire informazioni tra

due punti di accesso alla rete; coinvolgono quindi solo potenzialità di

rete e cioè insiemi funzionali di basso livello;

- Servizi Applicativi: forniscono la possibilità di comunicare in senso

lato e cioè comprendente oltre agli aspetti di puro trasferimento del-

l’informazione, anche quelli legati alla relativa utilizzazione; sono allora

coinvolte, in aggiunta a potenzialità di rete, anche potenzialità di ap-

parecchio terminale che sono caratterizzate da insiemi di funzioni di

livello sia basso che alto.

Seguendo invece la classificazione proposta dall’International Telecommuni-

cation Union negli anni ’90, tenendo conto del grado di cooperazione tra le

parti in comunicazione, possiamo distinguere:

- Servizi Interattivi, i quali consentono un’interazione tra sorgente e de-

3

stinazione dei messaggi informativi nell’ambito della comunicazione ;

- Servizi Distributivi, i quali consentono la diffusione di informazio-

ni generate da una sorgente a un numero arbitrario di utilizzatori

e nei quali la sorgente di informazione agisce indipendentemente dal

4

comportamento della destinazione .

1 Per esempio, le trasmissioni di segnali vocali tollerano errori anche di qualche unità

percentuale, mentre nella trasmissione di dati anche un solo bit di errore può compromet-

tere l’intero processo di trasferimento. Inoltre, la ricezione con ritardo di secondi o minuti

di un messaggio di posta elettronica non evidenzia problemi, mentre il segnale vocale deve

essere ricevuto entro alcune decine di millisecondi per non compromettere l’efficacia del

ST.

2 Informazioni rappresentate per mezzo di rappresentazioni binarie e che non rientrano

nelle due precedenti categorie come, per esempio, messaggi di posta elettronica o dati di

transizioni bancarie.

3 Questi possono essere distinti come servizi di conversazione (forniscono il mezzo per

il dialogo a distanza tra due o più utenti in tempo reale), messaggistica (consentono uno

scambio, in tempo differito di messaggi con testi, voci o immagini), consultazione (consente

di reperire informazioni memorizzate in appositi centri di servizio).

4 Questi possono distinguersi come servizi con controllo di presentazione (prevedono una

strutturazione dell’informazione in una sequenza di unità con ripetizione ciclica) oppure

come servizi senza controllo di presentazione (prevedono la presenza di una sorgente che

emette senza soluzione di continuità).

Capitolo 2

Reti di Telecomunicazioni

2.1 Rete di Telecomunicazione (RT)

La rete di telecomunicazione, d’ora in poi abbreviata RT, è l’infrastruttura

che consente di espletare le componenti funzionali caratterizzanti il ST. In

particolare, individuiamo una infrastruttura di trasferimento, che consente

il trasferimento a distanza dell’informazione d’utente, e una infrastruttura

di controllo e gestione. Quest’ultima, per quanto riguarda il controllo (in

genere legati ad azioni di segnalazione) ha lo scopo di consentire le interazio-

ni tra cliente/utente e fornitore di servizi i.e. inizializzazione, negoziazione

e modifica delle caratteristiche della comunicazione. Per quanto riguarda le

informazioni di gestione, l’infrastruttura consente l’erogazione del servizio,

il suo mantenimento (i.e. manutenzione) e il suo addebito (i.e. amministra-

zione). Storicamente le reti di telecomunicazione sono state sviluppate per

tipologia di servizio: veniva quindi definita per essere adatta al trasporto di

un solo tipo di informazione.

2.2 Tassonomia per estensione, mobilità del ter-

minale e gamma dei servizi supportati

Oggi invece definiamo le RT sulla base del parametro “distanza” tra due

generici elementi di rete, ovvero sull’estensione della rete stessa. In altre

parole, ancora, in base all’ampiezza geografica che la rete copre. Segue

quindi un’utile tassonomia sulle RT per estensione:

- rete in area locale cioè Local Area Network, LAN, adatta a connettere

utenti in un’area di raggio compresso fra le decine di metri e 1-2 km.

Sono reti utilizzate tipicamente per realizzare l’infrastruttura di comu-

nicazione di singoli edifici o insiemi di edifici limitrofi e la frequenza di

cifra in tecnologia tradizionale è nell’ordine dei Mbit/s anche se le più

recenti consentono un incremento fino a 10 Gbit/s;

9

10 CAPITOLO 2. RETI DI TELECOMUNICAZIONI

- rete in area metropolitana cioè Metropolitan Area Network, MAN,

il cui scopo è quello di garantire connettività di aree ben più ampie

delle LAN, ma tipicamente limitate ad ambiti metropolitani. I raggi

d’azioni di queste reti sono una decina di km con frequenze di ci-

fra per tecnologia tradizionali comparabili a quelle delle LAN, fino ai

16Mbit/s. Anche per le reti MAN la prospettiva odierna garantisce

frequenze nell’ordine dei Gbit/s;

- rete in area geografia cioè Wide Area Network, WAN, il cui obiettivo

è l’interconnessione in rete senza limiti di distanza. Le reti WAN

sfruttano tecnologie generalmente più costose di quelle usate da LAN

e MAN e vengono oggigiorno utilizzate per la connessione di utenti

con distanze minime dell’ordine di alcuni km. Le WAN tradizionali

hanno velocita dell’ordine dei Mbit/s, mentre le tecnologie trasmissive

ad alta velocità e di commutazione innovative consentono il trasporto

di flussi di dati nell’ordine dei Gbit/s.

Le reti possono anche essere classificate tenendo conto delle seguenti tasso-

nomie:

- tassonomia per la mobilità del terminale: reti fisse oppure reti mobili;

- tassonomia per la gamma dei servizi supportati: redi dedicate a un

servizio oppure reti integrate nei servizi.

2.3 Topologia logica e fisica di una rete

La rete logica è sede di funzioni di natura logica. La sua topologia (i.e. mo-

dello geometrico) ha rami e nodi come elementi costitutivi. Il ramo identifica

il percorso diretto che l’informazione segue per essere trasferita. Un nodo

invece rappresenta il mezzo di scambio tra due o più rami che ad esso fanno

capo. Ramo e nodi sono coinvolti nella formazione dei percorsi di rete. Di

una rete logica possiamo individuare due sezioni, quella interna e quella di

accesso. La sezione interna ha il ruolo di trasferire l’informazione tra nodi

di accesso utilizzando, se necessario, anche nodi di transito. È inoltre sede

di risorse condivise ed è supportata da una rete fisica oggi prevalentemente

orientata ad un uso delle fibre ottiche. La sezione di accesso ha il ruolo di

consentire l’accesso alla rete da parte dei suoi utenti. Inoltre, il suo rapporto

fisico presenta svariate modalità di realizzazione tramite soluzione wired o

wireless . Infine, è anche sede di risorse che in alcuni casi sono indivise e in

altri casi sono condivise.

La rete fisica è l’infrastruttura preposta al trasferimento dei segnali che

supportano l’informazione. È sede di funzioni di natura fisica, ovvero di

carattere trasmissivo, ed è l’infrastruttura di base su cui si definisce la stessa

rete logica. I rami rappresentano le vie per il trasferimento dei segnali e

2.4. CARATTERISTICHE PRESTAZIONALI 11

corrispondo ai sistemi trasmissivi di linea. I nodi rappresentano i punti di

trasmissione e/o ricezione dei segnali e corrispondo agli apparati terminali

di rice-trasmissione.

Figura 2.1: esempi di topologie (con i quadrati sono identificati i nodi).

2.4 Caratteristiche prestazionali

Infine, di una rete di telecomunicazione possiamo valutare diverse caratteri-

stiche prestazionali tramite i seguenti indici:

- grado di integrità informativa (GII): caratterizza la diversità tra se-

quenze binarie emesse e ricevute e consiste in due componenti quali

integrità di cifra binaria e integrità di sequenza binaria;

- grado di trasparenza temporale (GTT): si riferisce ai ritardi di trasferi-

mento che differenti gruppi di cifre binarie della sequenza di ricezione

possono presentare rispetto ai corrispondenti gruppi di cifre binarie

della sequenza di emissione. In genere, misura la variabilità dei ritardi

di trasferimento ed è tanto più elevato quanto minore è tale variabilità.

Figura 2.2: sequenze di emissione e di ricezione nei due casi di servizio di

rete (a) temporalmente traspararente e (b) non temporalmente trasparente.

12 CAPITOLO 2. RETI DI TELECOMUNICAZIONI

2.5 Caratteristiche di emissione delle sorgenti

Per quanto riguarda le sorgenti di informazione queste possono essere di-

stinte dalle seguenti caratteristiche di emissione:

– sorgenti a ritmo binario costante i.e. Constant Bit Rate (CBR);

- sorgenti a ritmo binario variabile i.e. Variable Bit Rate (VBR).

Nel caso di sorgenti CBR queste sono caratterizzate da un solo ritmo binario

di picco. Nel secondo caso, il ritmo binario emesso varia nel tempo tra un

valore massimo e un valore minimo, che può essere anche nullo. Un esempio

di ritmo binario variabile è fornito dalle sorgenti “tutto o niente” ovvero

sorgenti VBR on/off nelle quali la sequenza dei dati emessi è strutturabile in

intervalli di attività e di silenzio. Gli intervalli di attività sono chiamati tratti

informativi, mentre quelli di silenzio sono detti pause. Nelle sorgenti on/off

le durate dei tratti informativi e delle pause sono generalmente quantità

variabili in modo aleatorio e quini descrivibili solo in termini probabilistici.

Figura 2.3: esempio grafico VBR.

Seguono utili parametri caratteristici che definiscono tali tipi di sorgenti:

- bit rate (o frequenza) di picco i.e. bit rate di emissione nei periodi

attivi (on);

- bit rate medio;

- periodo di attività medio i.e. periodo medio in cui la sorgente emette

al suo bit rate di picco;

- periodo di silenzio medio i.e. periodo medio in cui la sorgente è in

silenzio;

- brustiness della sorgente i.e. periodo medio in cui la sorgente emette

al suo bit rate di picco: β = F /F (2.1)

p m

Capitolo 3

Modello di riferimento

Il suddetto argomento è una parte notevolmente importante nonostante ven-

ga trattato fondamentalmente in maniera astratta. Il modello di riferimento

di una RT si definisce come un utile strumento per definire una rete di tele-

comunicazione. Infatti, tutte le volte che occorre descrivere reti esistenti (o

nuove reti) viene fornito tale modello. Fornire il modello significa in altre

parole fornire regole di descrizione comuni dell’architettura che tutti sono

capaci di interpretare. L’importanza di tale modello è ben evidenziata nella

stessa realizzazione della rete. Il modello di riferimento di una rete di te-

lecomunicazione è in definitiva il modello che descrive in modo astratto le

modalità di comunicazione. Si propone difatti una descrizione che prescinde

dalle implementazioni i.e. si illustrano unicamente le componenti funzionali

di cui la rete è caratterizzata, senza specificare la tecnologia associata alle

rispettive componenti funzionali. In particolare, il modello consta di due

componenti:

- architettura di comunicazione: descrive l’insieme delle funzionalità

(ovvero le c.f.) che la rete è in grado di supportare. In altre paro-

le, le c.f. che occorre eseguire per consentire la comunicazione e, infi-

ne, fornisce informazioni sulla stessa organizzazione gerarchica (ovvero

l’ordine di esecuzione) delle c.f.;

- protocolli di comunicazione: regole che descrivono le interazioni tra le

parti della architettura necessarie al fine di espletare le varie funzio-

nalità.

3.1 Architettura di comunicazione

L’architettura di comunicazione è ben definita da elementi architetturali de-

nominati sistemi (terminali o nodi di commutazione) che saranno fra loro

interconnessi tramite mezzi di trasmissione. L’architettura di comunicazione

fornisce una rappresentazione modulare della rete. In particolare, definisce

13

14 CAPITOLO 3. MODELLO DI RIFERIMENTO

i suddetti sistemi tramite la descrizione dei sottosistemi dove verranno ese-

guite le funzionalità. Il motivo per cui vengono definiti tali sottosistemi

è la stessa possibilità di modulare i sistemi. Tale modulazione permette

di ripartire i compiti di realizzazione di quella rete tra più manifatturiere

che realizzeranno i moduli di loro più stretta competenza. In aggiunta, si

fornisce la possibilità di riutilizzare alcune componenti della rete. In altre

parole, si garantisce una caratteristica di riutilizzabilità dei moduli, quindi

sottosistemi, per altre reti.

Figura 3.1: esempio grafico architettura.

3.2 Tipiche componenti funzionali

Prima di proseguire con ulteriori definizioni e considerazioni in merito, è

utile fornire un esempio di architettura di comunicazione e ancor prima di

questo fornire una base di conoscenza su alcune utili componenti funzionali:

1. c.f. tx/rx: ha lo scopo di trasferire dei bit a distanza e viene attuato

tramite sistemi di trasmissione;

2. c.f. controllo d’errore: ha lo scopo di aumentare l’affidabilità