RETI DI CALCOLATORI - Mezzi trasmissivi, strato fisico, reti di accesso e trasporto

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1 Copyright Strato fisico Reti di trasporto e di accesso Gruppo Reti TLC Quest opera è protetta dalla licenza Creative Commons NoDerivs-NonCommercial. Per vedere una copia di questa licenza, consultare: oppure inviare una lettera a: Creative Commons, 559 Nathan Abbott Way, Stanford, California 94305, USA. This work is licensed under the Creative Commons NoDerivs- NonCommercial License. To view a copy of this license, visit: or send a letter to Creative Commons, 559 Nathan Abbott Way, Stanford, California 94305, USA. RETI DI CALCOLATORI Strato fisico - 1 RETI DI CALCOLATORI Strato fisico - 2 Mezzi e sistemi trasmissivi Elettrici Doppino non schermato Cavo coassiale Ottici Fibra ottica Raggi Laser Radio Ponti radio Satelliti Reti Cellulari Caratteristiche mezzi trasmissivi elettrici Il mezzo ottimale è caratterizzato da: Resistenza, capacità parassite e impedenza basse Buona resistenza alla trazione Flessibilità Le caratteristiche dei mezzi elettrici dipendono da: Geometria Numero di conduttori e distanza reciproca Tipo di isolante Tipo di schermatura RETI DI CALCOLATORI Strato fisico - 3 RETI DI CALCOLATORI Strato fisico - 4 Parametri di merito mezzi trasmissivi elettrici Impedenza (in funzione della frequenza) Velocità di propagazione del segnale (0.5c-0.7c per cavi e 0.6c per fibre ottiche) Attenuazione (cresce linearmente, in db, con la distanza e con la radice quadrata della frequenza) Diafonia o Cross-Talk (misura del disturbo indotto da un cavo vicino cresce con la distanza fino a stabilizzarsi) P rx P tx metri diafonia attenuazione Il Doppino Detto anche coppia (pair), è il mezzo trasmissivo classico della telefonia Due fili di rame ritorti (binati, twisted) per ridurre le interferenze elettromagnetiche usando tecniche trasmissive differenziali Costi ridotti e installazione semplice RETI DI CALCOLATORI Strato fisico - 5 RETI DI CALCOLATORI Strato fisico - 6 Pag. 1

2 Doppino: connettore RJ45 Il Doppino UTP Versione senza schermatura (Unshielded Twisted Pair), usata nelle reti telefoniche e Diviso in sette categorie, di qualità crescente Categoria 7 in fase di standardizzazione (TX) (RX) (RX) (TX) 1 Telefonia analogica 2 Telefonia 3 Reti locali fino a 10 Mb/s 4 Reti locali fino a 16 Mb/s 5 Reti locali fino a 100 Mb/s 5e Reti locali fino a 1 Gb/s 6 Reti locali fino a 1 Gb/s (migliore qualità di Cat.5e) RETI DI CALCOLATORI Strato fisico - 7 RETI DI CALCOLATORI Strato fisico - 8 Il cavo coassiale Sistema trasmissivo composto da un connettore centrale e una o più calze di schermo. Maggiore schermatura dai disturbi esterni (gabbia di Faraday), minori interferenze Costi elevati, maggiore difficoltà di installazione Velocità trasmissive ~ centinaia di Mb/s Due tipologie dominanti Cavo oscilloscopio (RG-58) Cavo TV (RG-59) La Fibra Ottica Minuscolo e flessibile filo di vetro costituito da due parti (core e cladding) con indici di rifrazione diversi Per la legge di Snell, il raggio luminoso (generato da un LED o da un laser) introdotto nella fibra entro un angolo di accettazione rimane confinato nel core CLADDING CORE GUAINA PROTETTIVA RIVESTIMENTO PRIMARIO RETI DI CALCOLATORI Strato fisico - 9 RETI DI CALCOLATORI Strato fisico - 10 La Fibra Ottica Vantaggi Totale immunità da disturbi elettromagnetici Alta capacità trasmissiva (fino a decine Terabit/s) Bassa attenuazione (~0.1dB/km), dipendente dalla lunghezza d onda Dimensioni ridotte e costi contenuti Svantaggi Adatte solo a collegamenti punto-punto Difficili da collegare tra loro e con connettori Ridotto raggio di curvatura Attenuazione delle fibre Si identificano tre finestre di lavoro centrate circa attorno a lunghezze d onda di 0.8 m, 1.3 m e 1.55 m RETI DI CALCOLATORI Strato fisico - 11 RETI DI CALCOLATORI Strato fisico - 12 Pag. 2

3 Attenuation (db/km) RETI DI CALCOLATORI - Mezzi trasmissivi, strato fisico, reti di accesso e trasporto Attenuazione delle fibre Posa di cavi sottomarini Rayleigh scattering UV absorption Optical fiber Infrared absorption Avviene solitamente interrando i cavi sul fondo del mare Richiede cavi con amplificatori ottici ridon ogni 30/50 Km Prima Seconda Terza finestra finestra finestra 850 nm 1300 nm 1550 nm a=1.2 db/km a=0.4 db/km a=0.2 db/km 1800 Wavelength (nm) RETI DI CALCOLATORI Strato fisico - 13 RETI DI CALCOLATORI Strato fisico - 14 Canale trasmissivo radio (Etere) Propagazione del segnale in presenza di ostacoli naturali: Riflessione per cammini multipli (interferenza da riflessioni multiple dello stesso segnale) Fading (variazione veloce dell ampiezza del segnale dovuta alla combinazione in fase di copie dello stesso segnale) Shadowing (variazione lenta dell ampiezza del segnale) Interferenza da altri segnali (interferenza cocanale) Attenuazione (quadrato della distanza) RETI DI CALCOLATORI Strato fisico - 15 Rete di trasporto e di accesso La rete di accesso comprende: Apparati e mezzi trasmissivi che collegano l utente con il di accesso (es. centrale telefonica urbana) del gestore di servizi di TLC La rete di trasporto comprende: apparati e mezzi trasmissivi appartenenti ad uno o più gestori di servizi di TLC e destinati al transito di fonia e tra due nodi di accesso RETI DI CALCOLATORI Strato fisico - 16 Plesiochronous Digital Hierarchy Rete di trasporto Gruppo Reti TLC RETI DI CALCOLATORI Strato fisico - 17 Plesiouchonous Digital Hierarchy (PDH) era lo standard per reti telefoniche numeriche schema a divisione di tempo espressamente pensata per il trasferimento di canali vocali numerici a 64Kb/s non si usa Store-and-Forward: occorre una stretta sincronizzazione tra TX e RX. Tale esigenza è soddisfatta con un sistema quasisincrono (plesio-synchronous) Standard diversi in USA/Europa/Giappone Complessità di interfacciamento RETI DI CALCOLATORI Strato fisico - 18 Pag. 3

4 Livello Gerarchie T- ed E- America (T-) Europe (E-) Japan Mb/s Mb/s Mb/s Mb/s Mb/s Mb/s Mb/s Mb/s Mb/s Mb/s Mb/s Mb/s Mb/s Mb/s Mb/s CH1 CH2. CH23 CH24 T-1 carrier system 24- canali vocali sono campionati, quantizzati e codificati in un canale TDM PCM Canale di segnalazione di 1 bit per trama Un carriert-1 ha quindi una velocità di (24*8+1)*8000=1.544Mb/s frame Campione MUX CH1 CH2 CH3 MSB CH22 CH23 CH24 x x x x x x x x Un campione per canale ogni 125 sec Una trama ogni 125 sec Posso multiplare più trame in canali di velocità superiore... LSB RETI DI CALCOLATORI Strato fisico - 19 RETI DI CALCOLATORI Strato fisico - 20 CH1 CH2 CH3 Gerarchia T- e DS-... DS1 DS1 DS1 DS1 DS2 DS2 DS2 DS2 DS2 DS2 DS2 DS3 DS3 DS3 DS3 DS3 DS3 DS4 CH22 CH23 CH = Mb/s T1 Frame trasmessi in un canale DS1 4 DS1 = 1 DS = Mb/s 7 DS2 = 1 DS = Mb/s 6 DS3 = 1 DS = Mb/s E difficile identificare un singolo canale dentro uno stream: ogni volta occorre demultiplare tutti i livelli per estrarre/inserire altri canali E difficile mantenere due canali in perfetta sincronia: si usa un bit stuffing per avere un sistema quasi sincrono RETI DI CALCOLATORI Strato fisico - 21 PDH: sincronizzazione Sistema di trasmissione numerico che multipla flussi di velocità più bassa in flussi a velocità maggiore Ogni apparato ha un suo orologio (non c è sincronizzazione globale) Orologi locali hanno derive che portano a errori di sincronizzazione Problema risolto avendo la possibilità di inserire e rimuovere bit di riempimento (bitstuffing) RETI DI CALCOLATORI Strato fisico - 22 SONET/SDH L attuale infrastruttura della rete telefonica è in larga misura basata sulle gerarchie sincrone, evoluzioni delle gerarchie plesiocrone: SONET - Synchronous Optical NETwork (segnali ottici multipli della velocità base di segnale di Mbit/s) SDH - Synchronous Digital Hierarchy (equivalente europeo ed internazionale di SONET) STS - Synchronous Transport Signal (standard corrispondente per i segnali elettrici) La topologia è sovente ad anelli per motivi di affidabilità. RETI DI CALCOLATORI Strato fisico - 23 Gerarchia SONET/SDH OC level STS level SDH level Mbit /s OC-1 OC-3 OC-12 OC-24 OC-48 OC-192 OC-768 OC-3072 STS-1 STS-3 STS-12 STS-24 STS-48 STS-192 STS-768 STS-3072 STM-1 STM-4 STM-8 STM-16 STM-64 STM-256 STM RETI DI CALCOLATORI Strato fisico - 24 Pag. 4

5 Framing SONET SONET: struttura trama STS-1 In SONET/SDH si trasmette un sequenza continua di bit ad una certa velocità La multiplazione dei diversi flussi di informazione è ottenuta con un complesso schema a divisione di tempo (TDM) progettata in modo da consentire efficienti implementazioni VLSI Ogni trama temporale include una PCI con: Informazioni di sincronizzazione Canali vocali di servizio Gestione guasti/errori 0 s 90 byte 3 byte 87 byte A1 Framing A2 C1 B1 E1 F1 D1 D2 D3 H1 Puntatori H2 H3 B2 K1 K2 D4 D5 D6 D7 D8 D9 D10 D11 D12 Z1 Z2 E2 Section overhead Payload J1 B3 C2 G1 F2 H4 Z3 Z4 Z5 Line overhead Payload Path overhead 125 s RETI DI CALCOLATORI Strato fisico - 25 RETI DI CALCOLATORI Strato fisico - 26 Rete di accesso Gruppo Reti TLC Reti di accesso Per arrivare all utenza residenziale ( ultimo miglio ), l ultima tratta di rete viene detta rete d accesso ( local loop in inglese) Tecnologie nelle reti di accesso: Plain Old Telephone Service (POTS) Integrated Services Digital Network () Asymmetric Digital Subscriber Loop (ADSL) cable-modem su reti con tecnologia Cable-TV (CATV) reti via radio (wireless); esempi: Local Multipoint Distribution Service (LMDS), Wi-MAX reti via radio cellulare (GPRS, UMTS) reti di accesso ottiche RETI DI CALCOLATORI Strato fisico - 27 RETI DI CALCOLATORI Strato fisico - 28 Reti di accesso radio Rete WIRELESS (sotto)rete in cui l accesso da un terminale avviene attraverso un canale senza filo Rete CELLULARE rete la cui copertura geografica è ottenuta con una tassellatura di aree adiacenti e/o sovrapposte dette celle. L utente (terminale mobile) si può muovere attraverso la rete passando da una cella all altra senza interrompere la comunicazione Accesso POTS: il modem MODEM: MOdulatore e DEModulatore Si utilizzano per effettuare trasmissioni seriali su rete telefonica pubblica Trasformano il segnale da digitale ad analogico e viceversa Rendono il segnale idoneo alla trasmissione su rete pubblica in tecnologia analogica su banda fonica RETI DI CALCOLATORI Strato fisico - 29 RETI DI CALCOLATORI Strato fisico - 30 Pag. 5

6 Accesso POTS: il modem Terminologia: DTE = apparato utente (computer) DCE = apparato di rete (modem) MODEM DCE DTE Interfaccia RS232 o USB Rete Telefonica Analogica Pubblica DTE MODEM DCE Standard trasmissivi per modem Modulazioni analogiche (Bell e CCITT) V b/s V b/s (Bell 212A) V.22 bis 2400, 1200 b/s V.23 75/1200 b/s usato per Videotel V , 4800 b/s V.32 bis 14400, 12000, 9600, 7200, 4800 b/s V , 31200, 28800, 26400, 24000, 21600, 19200, 16800, 14400,. b/s Ultima versione di modem (standard V.90) raggiunge i 56 kb/s (teorici) in ricezione e 33.6 kb/s in trasmissione RETI DI CALCOLATORI Strato fisico - 31 RETI DI CALCOLATORI Strato fisico - 32 : Accesso digitale alla rete telefonica Acronimo di Integrated Services Digital Network (Rete Numerica Integrata nei Servizi). La rete è integrata: fornisce agli utenti diversi tipi di servizio utilizzando le stesse risorse di rete. La rete è numerica: le informazioni sono trasferite in forma numerica, indipendentemente dalla loro origine, fino al terminale d utente. : Caratteristiche principali orientata alla connessione (tariffazione a tempo) pubblica e/o privata numerica end-to-end plesiocrona (usa trame TDM) offre servizi a circuito e pacchetto (telefonia, fax, trasmissione ) supporta la telefonia standard tramite conversione D/A presso l utente finale RETI DI CALCOLATORI Strato fisico - 33 RETI DI CALCOLATORI Strato fisico - 34 : Origine ed evoluzione Architettura nasce dall esigenza di estendere i servizi di TLC oltre la telefonia predisporre una rete uniforme e standardizzata fornire un interfaccia utente numerica semplice ed unificata per tutti i servizi evolve dal 1980 al 1988 in ambito CCITT (ITU-T) standardizzata fra fine anni '70 ed inizio anni '90 offerta agli utenti a partire dalla fine anni '80 RETI DI CALCOLATORI Strato fisico - 35 voce video appliances voce video appliances voce video appliances termin. termin. termin. PABX termin. voce video appliances servizi avanzati punto di accesso interfaccia verso reti private interfaccia verso altre reti RETI DI CALCOLATORI Strato fisico - 36 Pag. 6

7 : Struttura di trasmissione all interfaccia utente-rete È organizzata in due tipi di flussi: Canale B - Bearer - 64 kb/s voce,, fax, video bassa risoluzione Canale D - Data - 16 kb/s (o 64 kb/s) segnalazione,, telecontrollo In linea di principio un accesso è del tipo nb + md (n ed m arbitrari) In pratica sono ammesse solo alcune combinazioni di m ed n. : Struttura di trasmissione all interfaccia utente-rete Sono definite alcune interfacce utente standard: BRI - Basic Rate Interface 2B + D (128kb/s) PRI - Primary Rate Interface 30B + D (EU) 23B + D (USA) RETI DI CALCOLATORI Strato fisico - 37 RETI DI CALCOLATORI Strato fisico - 38 : Basic Rate Interface : Primary Rate Interface Utilizzata per utenza domestica o piccoli uffici. Mantiene la compatibilità con pre-esistenti impianti analogici per mezzo di adattatori. Distribuzione del segnale numerico per mezzo del cosiddetto S-bus. Utilizzata per utenza affari. Permette di raggruppare diversi canali B in un unico canale H: H0-6B kb/s H11-24B kb/s - equivalente a DS1 H12-30B kb/s - equivalente a E1 RETI DI CALCOLATORI Strato fisico - 39 RETI DI CALCOLATORI Strato fisico - 40 : Raggruppamenti Funzionali e Punti di Riferimento TE2 TA S R S-bus TE1 S NT2 T NT1 U Rete di Accesso DSL DSL (Digital Subscriber Line) è una famiglia di tecnologie (chiamate anche xdsl) fornisce servizio ad alta velocità sulla rete di accesso La più diffusa è ADSL (Asymmetric DSL) Velocità maggiore in downstream che in upstream Velocità massime ADSL (velocità dipende da distanza utente-centrale): 9 Mbps downstream 640 Kbps upstream RETI DI CALCOLATORI Strato fisico - 41 RETI DI CALCOLATORI Strato fisico - 42 Pag. 7

8 ADSL: scenario di utilizzo ADSL: apparati utente Filtro Splitter ha il compito di separare il segnale vocale dai Modem (de)modulare il segnale alle frequenze opportune (es. per ADSL dai 25 KHz in upstream ai 240 KHz in downstream) Voce Dati RETI DI CALCOLATORI Strato fisico - 43 RETI DI CALCOLATORI Strato fisico - 44 ADSL: apparati di centrale Filtro/modem POTS: funzione duale del filtro splitter dell utente, separa flussi voce e DSLAM (DSL Access Multiplexer): riceve flussi diversi e li convoglia su un unico canale Le reti CATV si chiamano anche Hybrid Fiber Coax (HFC) headend Sono pensate per funzionamento unidirezionale Reti di accesso HFC fiber remote node coax tap amplifier RETI DI CALCOLATORI Strato fisico - 45 RETI DI CALCOLATORI Strato fisico - 46 HFC: principi di funzionamento Usa lo stesso mezzo fisico della TV via cavo (fibra nella rete e coassiale nell ultimo miglio) La banda viene multiplata tra tutti gli utenti usando una topologia ad albero I e segnali TV occupano porzioni diverse di banda (occorre un filtro presso l utente) Mhz per TV, 6Mhz per canale Mhz per in downstream 5-50 Mhz per in upstream (spesso non usato, l upstream viene effettuato su linea telefonica standard) L utente usa un cable modem per decodificare i RETI DI CALCOLATORI Strato fisico - 47 ADSL vs. HFC HFC è condiviso tra utenti della stessa zona residenziale; ADSL è punto-punto (nell ultimo miglio) HFC ha problemi di sicurezza legati alla condivisione del mezzo fisico DSL si appoggia alla tecnologia telefonica standard (presso l utente); HFC richiede la posa di cavi ad hoc La qualità della connessione ADSL decresce con la distanza tra utente e centrale di commutazione; HFC non risente della distanza RETI DI CALCOLATORI Strato fisico - 48 Pag. 8

9 Accesso Radio Mobile Tecnologie wireless consolidate: Copertura cellulare: GPRS, UMTS Copertura Hot Spot: IEEE (Wi-Fi) Tecnologie wireless in fase di sviluppo: IEEE (Wi-Max) Accesso Radio Mobile Reti satellitari (consolidate) GEO (35000 km, 270ms, 3 satelliti per copertura globale), usati per trasmissioni broadcast e servizi MEO (15000 km, 50ms, >10 satelliti), usati per GPS, non telecom LEO (<1000 km, 5ms, >50 satelliti), usati per telefonia satellitare con antenne omnidirezionali e bassa latenza; esempi: Iridium, Globalstar Piattaforme stratosferiche (in fase di studio) RETI DI CALCOLATORI Strato fisico - 49 RETI DI CALCOLATORI Strato fisico satelliti operativi e 11 di riserva su una costellazione di sei piani polari Ogni piano ha 11 satelliti che operano come nodi di una rete telefonica Ogni regione della terra è coperta da almeno un satellite Valore originale $5 miliardi, svenduto a $25 milioni, riprende servizio nel Marzo 2001 dopo fallimento del consorzio originale Rete Iridium 48 satelliti operativi e 4 di riserva su costellazioni a multipiani incrociati trasmissione CDMA Rete Globalstar RETI DI CALCOLATORI Strato fisico - 51 RETI DI CALCOLATORI Strato fisico - 52 Pag. 9

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