Reti a Commutazione. Commutazione di Circuito. Esempio di Rete a Commutazione. Elementi di una Rete a Commutazione

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1 I semestre 03/04 Reti a Commutazione Commutazione di Circuito Prof. Vincenzo Auletta auletta@dia.unisa.it Università degli studi di Salerno Laurea in Informatica 2 La trasmissione di dati al di fuori di una rete locale avviene attraverso nodi intermedi la sorgente A invia i dati destinati a B ad un nodo intermedio C C ritrasmette i dati di A direttamente a B o ad altri nodi intermedi I nodi intermedi sono detti commutatori svolgono solo la funzione di trasferimento dei dati non interferiscono con il contenuto dei dati Un insieme di stazioni interconnesse tramite linee di comunicazioni e commutatori è detta rete a commutazione Elementi di una Rete a Commutazione Esempio di Rete a Commutazione 3 Stazioni dispositivi terminali a cui accedono gli utenti e che devono comunicare Es. computer, terminali, telefoni o altri dispositivi di telecomunicazione Nodi dispositivi di commutazione collegati tramite linee di trasmissione in genere gli utenti non possono accedere direttamente a questi dispositivi la comunicazione tra nodi avviene su linee multiplexate (FDM o TDM) 4 i nodi 5 e 7 comunicano solo con altri nodi gli altri nodi comunicano sia con nodi che con alcune stazioni una trasmissione tra le stazioni A e D viene commutata dai nodi 4, 5, e 3

2 Struttura della Rete Per questioni di costo la rete a commutazione non è completamente connessa esistono collegamenti diretti solo tra alcune coppie di nodi Per questioni di affidabilità la rete è strutturata in modo che ci siano più percorsi alternativi tra ogni coppia di nodi se un guasto interrompe un percorso la comunicazione può proseguire su un altro percorso Tecnologie di Commutazione Le reti a commutazione utilizzano due diversi tecnologie di commutazione commutazione di circuito commutazione di pacchetto Le tecnologie differiscono per il modo in cui i nodi commutano i dati da una linea all altro Commutazione di Circuito Crea un cammino dedicato tra le due stazioni che vogliono comunicare costituito da una serie di linee di trasmissione e nodi di commutazione che collegano sorgente e destinazione sul percorso vengono allocate risorse per creare un canale logico (circuito) dedicato alla comunicazione larghezza di banda (FDM) o slot di trasmissione (TDM) sulle linee di trasmissione capacità commutative nei nodi le risorse allocate sono garantite per tutta la durata della comunicazione 8 Fasi di una Comunicazione Una comunicazione tra due stazioni avviene in tre fasi Instaurazione del circuito individua il percorso nella rete ed alloca le risorse per il circuito Trasferimento dati i dati (analogici o digitali) vengono inviati sul circuito Disconnessione del circuito a richiesta di una delle stazioni le risorse allocate al circuito vengono rilasciate

3 9 Caratteristiche di una Rete a Comunicazione di Circuito I nodi devono avere intelligenza per allocare risorse ai circuiti identificare i circuiti nella rete gestire la commutazione dei dati La commutazione di circuito è stata sviluppata per traffico vocale (rete telefonica) ritardo iniziale per instaurare il circuito dopo la trasmissione è a ritardo costante e banda garantita non adatta per trasferimento di dati circuito allocato per la durata della connessione anche se non ci sono dati da trasmettere 10 Esempio di Rete a Commutazione 5 potrebbe ricevere più comunicazioni da 4 da commutare in maniera differente comunicazione tra A e D si deve trovare un percorso da 4 a 3 5 commuta i dati ricevuti da 4 sulla linea per 3 11 Rete Telefonica Pubblica La rete telefonica pubblica (PSTN) è la più diffusa rete a commutazione di circuito reti nazionali interconnesse per creare il servizio telefonico internazionale originariamente progettata per gestire traffico telefonico analogico oramai il traffico dati via modem supera il traffico vocale gran parte delle linee di trasmissione tra i nodi utilizzano trasmissione digitale 12 Elementi di una Rete Telefonica Terminali utente dispositivi utilizzati dagli utenti e collegati alla rete (in genere telefoni) Linee utente (subscriber loop o local loop) linee che collegano il terminale utente alla rete in genere doppini telefonici di lunghezza non superiore a qualche km Centrali di commutazione (end office o stadi di gruppo) nodi della rete locali (collegate direttamente agli utenti) o di transito Linee dirette

4 Esempio di Connessione in una PSTN Instaurazione di un Circuito 13 In genere le linee che collegano le centrali usano segnali digitali con TDM 14 il circuito da a a b connette due utenti collegati alla stessa centrale locale (chiamata urbana) il circuito da c a d connette due utenti collegati a centrali differenti (chiamata interurbana) Nodo di Commutazione Elementi di un Nodo di Commutazione 15 Il nodo di commutazione è il cuore di una rete a commutazione di circuito detiene tutta l intelligenza della rete connette in modo trasparente una qualsiasi coppia di dispositivi collegati al nodo i dispositivi vedono un collegamento diretto e dedicato Un nodo di commutazione deve connettere più coppie di dispositivi contemporaneamente bloccante: blocca una richiesta di connessione se non ci sono percorsi disponibili (rete telefonica) non bloccante: garantisce sempre a due dispositivi di potersi connettere (trasmissione dati) 16 commutatore numerico fornisce al segnale un percorso trasparente interfaccia di rete funzioni ed hardware necessari a collegare dispositivi utente (sia digitali che analogici) alla rete può avere funzioni di conversione analogico/digitale unità di controllo instaura, mantiene e chiude la connessione controlla l allocazione delle risorse, controlla il commutatore numerico, gestisce il multiplexing, ecc.

5 Esempio di Nodo di Commutazione Commutazione a Divisione di Spazio Sviluppata per ambienti analogici adattata anche ad ambienti digitali Garantisce che i percorsi assegnati ai vari segnali siano fisicamente distinti realizzata attraverso due diverse soluzioni matrice crossbar commutatore a stadi multipli Matrice Crossbar ogni elemento della matrice è un crosspoint che incrocia una linea di ingresso con una linea di uscita un gate nel crosspoint può collegare le due linee la linea di ingresso incrocia tutte le linee di uscita Vantaggi è non bloccante Svantaggi ci sono molti crosspoint (quadrato del numero delle stazioni) utilizzati in modo inefficiente il guasto ad una intersezione inibisce la connessione tra due linee 20 Esempio di Utilizzo di Crossbar connessione tra nodi 4 e 7 (full duplex) connessione tra nodi 2 e 6 (full duplex) 10

6 21 Commutatore a Stadi Multipli Costituito da diverse matrici crossbar collegate in cascata ogni matrice crossbar ha un numero ridotto di ingressi ed uscite Vantaggi numero ridotto di crosspoint, utilizzati in maniera più efficiente maggiore affidabilità perchè esistono più cammini tra una linea di ingresso ed una di uscita Svantaggi Controllo più complesso Puo essere bloccante 22 Commutatore a tre Stadi non c è un percorso tra la linea 10 e la linea 4 Commutazione a Divisione di Tempo Commutazione TDM a Bus 23 tecnica utilizzata dalla maggior parte dei commutatori moderni simile al TDM sincrono un flusso di bit ad una certa velocità viene diviso in slot ogni slot contiene un numero fissato di bit gli slot sono assegnati alle linee di ingresso una linea può trasmettere solo negli slot che gli sono stati assegnati l assegnazione degli slot alle linee è gestita dall unità di controllo del commutatore 24 ogni linea di ingresso collegata ad un bus tramite un gate analogamente per le linee di uscita per ogni slot l unità di controllo attiva una linea di ingresso ed una linea di uscita

7 Esempio di Commutazione TDM a Bus connessione attive: da 1 a 9 da 5 a 13 slot 1: da 1 a 9 slot 2: da 5 a 13 slot 3: da 9 a 1 slot 4: da 13 a 5 Temporizzazione la velocità del bus deve essere molto più alta delle velocità delle singole linee nel tempo che una linea impiega a creare un blocco il commutatore deve trasmettere uno slot per ogni linea la durata di uno slot è data dal tempo di trasmissione del blocco di dati più il ritardo di trasmissione sul bus Instradamento (Routing) Routing Statico 27 In grosse reti a commutazione i circuiti attraversano più commutatori All inizio della comunicazione si deve trovare un percorso (rotta) nella rete che sarà utilizzato per trasferire i dati Le strategie di instradamento devono essere efficienti: fornire percorsi che attraversano pochi commutatori robuste: fornire percorsi alternativi in caso di guasti o picchi di traffico In genere si sceglie un compromesso tra efficienza e robustezza 28 I commutatori formano una struttura albero per realizzare un percorso si risale dalla sorgente al primo antenato comune e si ridiscende al destinatario Per incrementare la robustezza si possono aggiungere linee dirette che tagliano la struttura ad albero collegano direttamente nodi caratterizzati da alti volumi di traffico Es. collegamento diretto tra Roma e Milano Approccio molto semplice ma carente sia dal punto di vista dell efficienza che della robustezza

8 Routing Dinamico Esempio di Routing Alternato La scelta della rotta è influenzata dalle condizioni di traffico sulla rete si evita di attraversare linee e nodi già congestionati L instradamento è molto più complesso ma consente maggiore flessibilità Il routing alternato è un esempio molto diffuso di routing dinamico per ogni coppia di stazioni sono fissate una lista di possibili percorsi, in ordine di preferenza in funzione dello stato della rete viene scelto un percorso della lista insieme di percorsi tra nodi X ed Y rotta a: X Y rotta b: X J Y rotta c: X K Y rotta d: X I Y X K I J Y 29 la lista può variare nel tempo 30 Segnali di Controllo Funzioni della Segnalazione 31 I segnali di controllo consentono di instaurare, mantenere e terminare i circuiti e di gestire la rete permettono lo scambio di informazioni tra stazione e nodo nodo e nodo nodo e centro di gestione della rete In grosse reti di telecomunicazioni lo schema di segnalazione è molto complesso gestiscono anche tutti i servizi a valore aggiunto forniti dalla rete 32 Invio di toni udibili all utente composizione dei numeri segnale di linea libera o occupata segnale di squillo scambio di informazioni tra i nodi trasmissione del numero composto per la creazione del circuito rifiuto di una chiamata che non può accolta avviso che un circuito che deve essere rilasciato informazioni relative al pagamento informazioni relative allo stato degli apparati e delle linee ed alla diagnostica della rete

9 Utilizzo della Segnalazione per una Telefonata Collocazione della Segnalazione 33 Inizialmente entrambi i telefoni sono abbassati (aggancio) 1. un abbonato alza la cornetta (sgancio) 2. invio segnale di sgancio alla centrale locale 3. la centrale risponde con il tono di chiamata (dial tone) 4. il chiamante compone il numero 5. il numero viene comunicato alla rete e viene instaurato il circuito 6. la rete invia un segnale di squillo al destinatario, se non è occupato 7. Feedback al chiamante segnale di linea libera o occupata, chiamata impossibile 8. il destinatario accetta la chiamata 34 La segnalazione deve essere considerata in due contesti segnalazione tra utente e rete definita dal tipo di dispositivo utente e dalle esigenze dell utente umano segnalazione all interno della rete utilizzata per lo scambio di informazioni tra dispositivi automatici svolge una vasta gamma di funzioni la centrale locale deve fornire un interfaccia tra la segnalazione interna alla rete e quella usata per comunicare con l utente Segnalazione nel Canale Segnalazione su Canale Comune 35 Usa lo stesso circuito per chiamate e segnali non richiede ulteriori strumenti di trasmissione segnalazione in banda usa le stesse frequenze del segnale della voce si possono spedire segnali se la voce non è presente un segnale di controllo può essere inviato su qualunque dispositivo possa ricevere un segnale di voce segnalazione fuori banda utilizza una parte della banda di 4 KHz non utilizzata dai segnali di voce ha bisogno di elettronica addizionale tasso del segnale più lento (banda stretta) 36 Segnali di controllo trasmessi su cammini indipendenti dal canale voce un canale di controllo può essere condiviso da più canali utente porta segnali di controllo per tutti questi canali utente il canale di controllo comune può essere opportunamente dimensionato supporta funzioni di segnalazione complesse senza perdita di prestazioni

10 37 Modalità di Funzionamento della Segnalazione La segnalazione a canale comune può essere implementata con due diverse modalità Modalità associata Il canale di segnalazione è distinto ma segue lo stesso percorso dei canali di fonia Ogni commutatore istrada entrambi i canali allo stesso modo Modalità dissociata una rete separata è addetta alla trasmissione dei segnali di controllo In genere usa la commutazione a pacchetti Più complessa ma più potente e flessibile In genere si utilizza la modalità dissociata 38 Esempio Modalità associata Modalità dissociata 39 Sistema di Segnalazione Numero 7 (SS7) implementa lo schema di segnalazione con canale comune progettato per reti ISDN può essere usato per qualsiasi rete digitale a commutazione di circuito fornisce uno standard internazionale per la segnalazione a canale comune per reti digitali con nodi digitali e canali a 64 kbps utilizzabile anche su canali analogici con tassi < 64 kbps e su linee terrestri punto-punto o satellitari garantisce trasmissione dati senza perdite e duplicazioni 40 Struttura della Rete SS7 Crea una rete a commutazione di pacchetti sovrapposta alla rete a commutazione di circuito supporta le funzioni di gestione delle chiamate e di gestione della rete SS7 definisce tre entità funzionali punto di segnalazione (SP): punto in grado di gestire messaggi SS7 punto di trasferimento del segnale (STP): punto in grado di instradare messaggi di segnalazione linea di trasferimento: collega punti di segnalazione gli SP e gli STP creano una struttura gerarchica gli SP sono le foglie Un livello di STP per ogni regione (nazione)

11 Piano di Controllo e Piano dell Informazione il piano di controllo è responsabile della creazione e gestione dei canali richiesti dagli utenti le centrali locali fungono da SP le centrali remote da STP 41 il piano dell informazione gestisce il trasferimento dei dati all interno della rete i nodi della rete sono dei commutatori