Public Switched Telephone Network (PSTN) PSTN Structure

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1 Public Switched Telephone Network (PSTN) Structure Signalling PSTN Structure PSTN implements a circuit switched network original designed to carry voice traffic Hierarchical network of Local exchanges Transit\Trunk\Regional Exchanges (International) Gateway Exchanges Completely digital transmission within network over synchronous links Each subscriber has physical connection to PSTN which is known as the local loop 1

2 PSTN Structure CN SGT SGU SL Local Loop Majority of local loops are still formed of a pair of copper wires traditionally provides analogue connection between local exchange and the subscriber s terminal Voice signal transmitted as analogue voltage Signalling transmitted as analogue voltages (tones) or current (pulses) A Subscriber Line Interface Circuit (SLIC) is the circuit in the local exchange terminating the local loop SLIC implements what are known as the BORSCHT functions

3 BORSCHT Functions Battery : Supplies -48V over local loop pair Over-voltage protection : protects SLIC circuitry from voltage spikes arriving on local loop Ring : Circuitry to cause subscriber terminal to ring Supervision : monitor state of subscriber s terminal Codec : A/D conversion between analogue local loop and digital network Hybrid : Circuit to separate voltages from representing the two directions on a single pair of wires Test : test access to the local loop Digital Local Loops A digital connection between local exchange and subscriber s terminal Speech signals digitised in phone Signalling transferred by exchange of multi-byte digital signals Integrated Digital Services Network (ISDN) uses existing local loop wires but with a synchronous digital link between ISDN terminal and ISDN local exchange Wireless Local Loop (WLL) uses digital radio communication to connection digital subscribers to local exchange 3

4 Advantages of a Digital Local Loop Provision of a digital local loop allows: Much enhanced signalling capabilities between subscriber terminal and ISDN equipped local exchanges Support of non-voice ISDN terminals Multiple simultaneous calls using a form of TDM over single local loop Signaling Subscriber to network Depends on subscriber device and switch Within network Management of subscriber calls and network more complex 4

5 Signaling Subscriber to network Pulse Dialling Dialled digit conveyed by the phone causing the phone to go rapidly On/Off hook Results in the current drawn over local loop to pulse Number of pulses equals the digit dialled Known as 10 pulse per second (10pps) Number of disadvantages Very slow Cannot be used during calls 5

6 DTMF Dialling Modern telephone keypad is 3 columns by 4 rows Key press results in a voltage being generated which is the sum of two sinusoidal voltages Frequencies of sinusoidal voltages are Row and Column frequency of the key pressed Tone generated for at least 100 ms typically 109 Hz 1336 Hz 697 Hz Hz 4 85 Hz 7 SLIC DTMF Receiver DTMF receiver hardware\software must analyse analogue voltage on local loop to determine if one column and one row frequency is present Advantages Faster dialling Usable during calls Disadvantage is that it uses frequencies in speech bandwidth - speech imitation of DTMF tone! 6

7 Signaling Within network Call related signalling Non-Call Related Signalling Call related signalling Inter-exchange signalling is a necessity to support calls which must be routed through more than a single local exchange All exchanges have multiple outgoing TDM links to other exchanges Exchange software determine which outgoing link is going to be used to set up a circuit for a call (routing) by analysing the digits dialled by the calling subscriber 7

8 Switch to Switch Signaling Subscribers connected to different switches Originating switch seizes interswitch trunk Send off hook signal on trunk, requesting digit register at target switch (for address) Terminating switch sends off hook followed by on hook (wink) to show register ready Originating switch sends address Non-Call Related Signalling Significant amount of inter-exchange signalling is not related to the routing of calls in modern PSTN Much signalling carried between exchanges is requests\responses between specialised computer systems within the PSTN Number Translation Cellular telephone location updating 8

9 In Channel Signaling Use same channel for signaling and call Requires no additional transmission facilities Inband Uses same frequencies as voice signal Can go anywhere a voice signal can Impossible to set up a call on a faulty speech path Out of band Voice signals do not use full 4kHz bandwidth Narrow signal band within 4kHz used for control Can be sent whether or not voice signals are present Need extra electronics Slower signal rate (narrow bandwidth) Drawbacks of In Channel Signaling Limited transfer rate Delay between entering address (dialing) and connection Overcome by use of common channel signaling 9

10 Struttura trama europea Durata 15 us 3 timeslot (TS) di 8 bit TS 0 per allineamento e servizio trame pari: 1 bit per controllo errore (CRC-4) 7 bit allineamento ( ) trame dispari: 1 bit errore 1 bit sempre a 1 1 bit allarme 1 bit canale dati 4 kbit/s 4 bit riservati per uso nazionale TS 1-15 e 17-31per traffico TS 16 per segnalazione Struttura trama europea: TS 16 4 bit per canale fonico n 4 bit per canale fonico n + 15 Multitrama di 16 trame: ms Nella prima trama 4 bit a 0 4 bit di servizio Segnalazione CAS fuori banda, kbit/s 10

11 Struttura trama nord-americana Durata 15 us 4 timeslot (TS) di 8 bit (tot 19 bit) 1 bit F per allineamento di trama (1/0 in trame dispari) bit robbing ogni 1.5 ms (CAS in banda, 1.33 kbit/s) supertrama di 1 trame allineamento supertrama con bit SF ( in trame pari) Segnalazione Segnalazione Associata: una linea di segnalazione per ogni canale. Segnalazione e traffico sono sulla stessa linea Segnalazione Comune: non esiste un canale di segnalazione permanentemente assegnato a un canale di traffico. I canali di segnalazione costituiscono una risorsa comune. SP A SP B SP C SP A SP B traffico segnalazione SP C 11

12 Common Channel Signaling Control signals carried over paths independent of voice channel One control signal channel can carry signals for a number of subscriber channels Common control channel for these subscriber lines Associated Mode Common channel closely tracks interswitch trunks Disassociated Mode Additional nodes (signal transfer points) Effectively two separate networks Servizi di rete intelligente CCSS7 Service centre 1

13 Rete di segnalazione / traffico La divisione tra traffico e segnalazione consente di ottimizzare le risorse separatamente. Rete di segnalazione: Signalling Transfer Point (STP):un qualunque punto nella rete in grado di gestire messaggi di segnalazione. Signalling Point (SP): Instradamento o terminazione di percorsi di segnalazione. SP SP STP STP SP SP STP STP SP SP SP Rete di traffico: Centrali di transito Centrali locali Modello CCSS7 13

14 CCSS7: Message Transfer Part Si occupa di trasportare i messaggi coprendo i primi tre livelli Livello 1 (Signalling-Data-Link Level) Definisce le funzioni elettriche. E ottimizzato per il trasposrto in trame E1. Livello (Signalling Link Level) Struttura del messaggio (Signalling Unit) Message Signal Unit (MSU): trasporta i dati dal livello 4 Level Status (LSSU): informazioni di controllo di livello Fill-In (FISU): riempimento Livello 3 (Signalling Network Level) Instradamento dei messaggi. CCSS7: User Parts TelephoneUP: comprende tutte le funzionalità atte al funzionamento dei una normale rete telefonica. DataUP: ottimizzata per il trasporto di dati su Circuit Switched Public Data Network. IS(DN)UP: supera le altre UP nell ottica della rete integrata. Esempi di comandi Initial Address Message (IAM): inizia l occupazione del circuito con l invio delle cifre del numero desiderato. Address Complete Message (ACM): indica la ricezione dell informazione di indirizzamento. 14

15 ISDN Integrated Services Digital Network ISDN is a set of protocols to support the provision of a digital interface to the subscriber over the existing copper pair local loop It is NOT a completely new type of network It only has significance to the user-network interface At its simplest, it only requires minor enhancements to signalling software within the existing network 15

16 Types of ISDN Access Two types of ISDN access are provided: Basic Rate : x 64kbps (Circuit Switched Traffic) B-Channels + 16kbps (Signalling) D-Channel Primary Rate: 30 x 64kbps B-Channels + 64 kbps D-Channel Latter used by high volume customers and delivered by E1 type TDM links Former can be provided to normal residential or business subscribers Possible intermediate combinations H0 H1 B Channels - Basic Rate B channels provide a standard bi-directional 64kbps circuit connection into the network Extension of 64kbps timeslot used on inter-exchange TDM links to subscriber s terminal Access allocated to a one specific ISDN terminal connected to subscribers ISDN connection for duration of a circuit switched call (Voice or Data) 16

17 D Channel - Basic Rate D Channel is the means by which ISDN terminals transmit\receive signalling information to\from the ISDN local exchange A shared 16kps communication channel among numerous ISDN terminals connected to the one ISDN interface in the subscriber s premise Transmission over Local Loop Physical connection between ISDN local exchange and subscriber premise is existing copper pair local loop (U interface point) Digital transmission over the local loop using some form of digital waveform formatting (e.g. AMI, B1Q, 4B3T) Varies from country to country as it depends on condition of local loop An electronic device known as a Network Termination Type 1 (NT1) is located in subscriber s premise and terminates local loop 17

18 Transmission over Local Loop m Service framework ISDN introduces a first subdivision among services: Bearer services: how network should route/process terminal data E.g. : Speech, 64kbps Unrestricted, D-Channel Packet Switched Teleservices: Completion definition of a communication application and how it is set up and supported using ISDN terminals E.G. : Wideband Audio, Group 4 Fax, Video-conferencing Supplementary services: Services which enhance basic call connection service provided by network. Request to invoke these be indicated in Call Set-up signal or Facility signal E.G. : Call Diversion, Call Completion, Caller ID (Restriction), Malicious Call ID, Conference Call 18

19 ATM - Protocol Architecture Architettura protocollare GSM 19

20 Why cellular Resource reuse Reuse pattern: There exists a border area where signals overlap: interference Unacceptable when a user pays for service Reuse pattern Need to introduce an intermediate area using different frequency intervals. D HANDOVER D = reuse distance 0

21 Alternative reuse pattern: clover clover : three directional antennas (10 ) Better reuse distance Lower environmental impact CDMA (Code Division Multiple Access) coverage Stations are all on the same frequency band: cell-code No problems in frequency planning Coverage problems due to random traffic patterns and cell breathing 1

22 Network structure PLMN Administartive centers Other nets gateway Local switching Local switching LA LA LA: Location Area PLMN: Public Land Mobile Network LA LA LA LA LA LA cell cluster Domini protocollari X.5 OMC Specifici EIR HLR VLR AuC MSC BSC GMSC CCSS7

23 Interfacce Um BTS A-bis BSC A MSC B I F EIR MS OMC O E VLR VLR D C HLR GMSC MSC H SMSG Protocols: radio segment 3

24 X.5 Gestione connessioni virtuali Gestione instaurazione, mantenimento, abbattimento connessione PACKET FRAME PHYSICAL LAPB V.4 per distanze corte (< 17m) bps. V.35 distanze medio-corte (<100m). Mbps. X.1 specifica per reti dati. Mbps. G.703 connessione numerica. Riserva TS in trama PCM. 64 kbps Frame HDLC Stazione primaria, secondaria, bilanciata Modalità ABM (LDAB), NRM, ARM FLAG INDIRIZZO CONTROLLO INFORMAZIONE FCS FLAG 8 8 * n 8/16 variabile 8/ Information Supervisory Unnumbered 0 N (S) P/F N (R) 1 0 S P/F N (R) 1 1 M P/F N (R) 4

25 Gestione utenti: CCSS7 Stratificazione rete GSM 5

26 Utilizzo di CCSS7 nella rete GSM Il sistema di segnalazione CCSS7 viene utilizzatall interno dello NSS. In particolare tutte le funzionalità legate alla mobilità sono svolte dalla Mobile Application Part (MAP) Fasi di instaurazione chiamata 6

27 Esempi di procedure: chiamata MAP HLR MAP DTAP ISUP GMSC ISUP VLR BSSMAP BSC MSC LAP-D LAP-Dm LAPD frame FLAG EA (0) C/R SAPI EA (1) TEI CONTROL INFO FCS FLAG /16 n 16 8 Extended Address Command / Response Service Access Point Identifier Terminal End-point Identifier Poll / Final Frame CheckSum 0 N (S) P/F N (R) TIPO P/F N (R) I frame S frame

28 Commutazione di circuito Allocazione temporanea ed esclusiva percorso univoco + ritardo costante - spreco di risorse Es. reti orientate alla fonia: PSTN, GSM Commutazione di pacchetto Introdotta da Paul Baran e Donald Davis Frammentazione costruzione del pacchetto (aggiunta dell'header) store and forward riassemblaggio + ottimizzazione delle risorse + nessun collegamento dedicato - sensibilità agli errori - nessuna garanzia (servizi best effort) 8

29 Commutazione di pacchetto: utilizzo delle risorse Un messaggio da spedire Sorgente Destinazione Commutazione di pacchetto: utilizzo delle risorse In assenza di frammentazione Sorgente Destinazione 9

30 Commutazione di pacchetto: utilizzo delle risorse In assenza di frammentazione Sorgente Destinazione Commutazione di pacchetto: utilizzo delle risorse Un messaggio da spedire frammentato in 3 pacchetti Sorgente Destinazione 30

31 Commutazione di pacchetto: utilizzo delle risorse Con frammentazione Sorgente Destinazione Commutazione di pacchetto: utilizzo delle risorse Con frammentazione Sorgente Destinazione 31

32 La pila ISO / OSI Trasmettitore Liv. Applicazione Liv. Presentazione Liv. Sessione Liv. Trasporto Liv. Rete Liv. Data link Liv. Fisico Ricevitore Liv. Applicazione Liv. Presentazione Liv. Sessione Liv. Trasporto Liv. Rete Liv. Data link Liv. Fisico Trasporto fisico dei bit Interfaccia Request Confirm Livello n Livello n - 1 Service Access Point Indication Response 3

33 Comunicazione tra entità pari Trasmettitore Liv. Applicazione Liv. Presentazione Liv. Sessione Liv. Trasporto Liv. Rete Liv. Data link Liv. Fisico Ricevitore Liv. Applicazione Liv. Presentazione Liv. Sessione Liv. Trasporto Liv. Rete Liv. Data link Liv. Fisico Trasporto fisico dei bit Comunicazione multi livello Trasmettitore Liv. Applicazione Liv. Presentazione Liv. Sessione Liv. Trasporto Liv. Rete Liv. Data link Liv. Fisico Ph dh nh th sh ph ah dati dati dati dati dati dati dati dati 33

34 Comunicazione multi livello dati Ricevitore dati ah dati dati dati dati dati dati ph sh th nh dh Ph Liv. Applicazione Liv. Presentazione Liv. Sessione Liv. Trasporto Liv. Rete Liv. Data link Liv. Fisico Considerazioni sul modello ISO / OSI + Modello generale - Funzioni duplicate - Funzioni mancanti - Livelli non chiari - Cattiva implementazione 34

35 Modello TCP / IP Liv. Applicazione Liv. Presentazione Liv. Sessione Liv. Trasporto Liv. Rete Liv. Data link Liv. Fisico Liv. Applicazione Non presente Liv. Trasporto Liv. Rete Liv. Host-tonetwork Il pacchetto IP Versione Lung. Int. Identificatore a 16 bit Tipo di servizio 3 bit Lunghezza datagram (byte) N D M Offset di frammento Tempo di vita Protocollo strato sup. Checksum intestazione Indirizzo IP sorgente a 3 bit Indirizzo IP di destinazione a 3 bit Opzioni (se presenti) Dati 35

36 Gli indirizzi IP Lunghezza di 3 bit Notazione decimale puntata Identificare: rete di appartenenza host destinatario Indirizzamento Classfull 0 Rete 7-10 Rete Rete Multicast Host 4-3 bit Host 16 - Host 8 - Classe A B C D E 36

37 Indirizzamento Classfull Indirizzo statico o dinamico Indirizzo pubblico (IANA) o privato Network prefix Classe A B C Indirizzamento CIDR Indirizzo di rete + maschera / ANDing Network: Host:

38 ICMP Tipo Codice 3 bit Checksum Dati dipendenti dal tipo Intestazione IP + 64 byte del datagramma 0 Echo Reply 1 Parameter problem 3 Dest. unreach. 13 Timestamp 4 Source quench 14 Timestamp reply 5 Redirect 17 Addr. mask req. 8 Echo req. 18 Addr. mask reply 11 Time exc. Routing (instradamento) Tabella di routing Destinazione Next hop Interfaccia Indirizzo + maschera Interfaccia verso la rete remota Indirizzo del prossimo router 38

39 Routing (instradamento) Destinazione Next hop Interfaccia Identificare la riga della tabella longest match caso particolare: default route / Routing (instradamento) Destinazione Next hop Interfaccia Identificare la riga della tabella longest match caso particolare: default route / Accodamento 39

40 Algoritmo di Dijkstra Calcolo del cammino minimo Nodi permanenti e temporanei Etichette (costo, nodo) passi: aggiornamento dell'etichetta scelta di un nuovo nodo permanente Algoritmo di Dijkstra B C A E D 6 1 F G 4 H 40

41 Algoritmo di Dijkstra B (, A) C A E D 6 1 F G (6, A) 4 H Algoritmo di Dijkstra B (, A) C (9, B) A 7 E (4, B) 3 3 D 6 1 F G (6, A) 4 H 41

42 Algoritmo di Dijkstra B (, A) C (9, B) A 7 E (4, B) 3 3 D 6 1 F (6, E) G (6, A) (5, E) 4 H Algoritmo di Dijkstra B (, A) C (9, B) A 7 E (4, B) 3 3 D 6 1 F (6, E) G (5, E) 4 H (9, G) 4

43 Algoritmo di Dijkstra B (, A) C (9, B) A 7 E (4, B) 3 3 D 6 1 F (6, E) G (5, E) 4 H (9, G) (8, F) Algoritmo di Dijkstra B (, A) C (9, B) A 7 E (4, B) 3 3 D (10, H) 6 1 F (6, E) G (5, E) 4 H (8, F) 43

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