La trasmissione delle informazioni

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1 La trasmissione delle informazioni 1

2 La trasmissione delle informazioni: 1. scienze fisiche (forme d'energia, propagazione delle onde elettromagnetiche) 2. scienze matematiche (teoria dei codici, ) comunicazione tra due calcolatori: scambio di un segnale (una tensione, una corrente, o una qualsiasi grandezza fisica) tecnologie, metodologie e componenti diverse obiettivo primario: interazione e comprensione fra computer eterogenei 2

3 I mezzi trasmissivi fenomeni fisici 1. Guidati 1. fili di rame (doppino intrecciato o cavo coassiale); energia elettrica; 2. fibre ottiche, luce "intrappolata" Wireless l'onda elettromagnetica, una combinazione di campo elettrico e magnetico, induce una corrente elettrica in un dispositivo ricevente (antenna) 3

4 Il doppino intrecciato (tratti terminali delle linee telefoniche), formato da coppie di fili di rame intrecciati 4

5 Il cavo coassiale usato per la TV via cavo e in molte reti locali canale veloce ed immune da disturbi per tratte a lunga distanza 1. in banda base o baseband, migliore ma meno diffuso, usato per le trasmissioni digitali 2. in broadband, molto diffuso, usato soprattutto per le trasmissioni analogiche, ad esempio il cavo standard della TV (in generale, più segnali condividono contemporaneamente lo stesso mezzo fisico). 5

6 Le fibre ottiche cilindro e strato esterno in vetro con indici di rifrazione diversi Principio: un raggio di luce, quando attraversa il confine tra due materiali, subisce una deviazione dipendente dagli indici di rifrazione razione dei due materiali e, entro un certo angolo, rimane intrappolato prestazioni elevatissime, bassissima possibilità d'errore, più leggere e più sicure. costo, comunicazione unidirezionale (per questo cavi con più fibre) 6

7 Le trasmissioni senza fili: onde elettromagnetiche Onde e.m. caratterizzate da frequenze che vanno dalle onde radio alle microonde, infrarosso, Trasmissioni a radiofrequenze: Vantaggi: trasmissione a lunghe distanze aggirano facilmente le barriere fisiche multidirezionali Svantaggi: interferenze (licenze limitate) 7

8 Trasmissioni a microonde relativamente direzionali (segnale concentrato in un piccolo raggio) meno soggette ad interferenze Esempi: telefoni cordless, stazioni spaziali, telefoni cellulari Trasmissioni a raggi infrarossi utilizzate per brevi distanze (ex. Telecomandi TV) in quanto non permettono di attraversare ostacoli. Relativamente direzionali. sono più difficili da intercettare e l utilizzo non richiede licenze governative Trasmissioni a onde luminose direzionali, prestazioni elevate risentono facilmente di fattori climatici 8

9 nome dell'onda frequenza F (espresso in Hz) onde radio 10 2 < F < 10 9 microonde < F < raggi infrarossi < F < la luce (raggi visibili) < F < raggi ultravioletti < F < raggi x < F < raggi gamma F >

10 Le tecniche generali di trasmissione (forme d energia) corrente elettrica onde elettromagnetiche multidirezionali, ovvero frequenze radio onde elettromagnetiche direzionali, come la comunicazione satellitare, le microonde ed i raggi laser Codifica analogica, valore di energia proporzionale al valore dell'informazione. Intervallo con infiniti valori; digitale, livelli d'energia fissati ("0" e "1" o combinazioni); possono variare solo passando bruscamente da uno all'altro in un insieme molto piccolo di valori. trasmissione di segnali digitali: : il fenomeno fisico utilizzato è analogico, quindi un segnale non passa istantaneamente da un valore ad un altro, ma impiega un certo tempo 10

11 Le reti di computer usano la codifica digitale Esempio: fili di rame, corrente elettrica, voltaggio negativo per codificare "1", voltaggio positivo per "0". grafico della forma d'onda 11

12 Esistono delle organizzazioni che si occupano di creare degli Standard per la codifica delle informazioni nelle reti IEEE (Institute for Electrical and Electronic Engineers) ITU (International Telecommunications Union) EIA (Electronic Industries Alliance) 12

13 sincrona, se è legata all'invio di un segnale di sincronizzazione insieme ai dati, che quindi si presentano soltanto in ben precisi istanti di tempo; asincrona, se non è legata ad un segnale di clock, dunque "capita" in modo improvviso. (Ex. RS232 (Recommended Standard #232)) 13

14 Attività e/o passività nella comunicazione: -simplex, se la trasmissione è possibile in un solo senso, quindi c è un dispositivo che invia dati e l altro che li riceve. È poco utilizzata: mancanza di scambio di segnali di controllo Esempio: canale televisivo 14

15 -half duplex, se la trasmissione è possibile in una sola direzione per volta; ossia la comunicazione avviene nei due sensi ma in tempi diversi utilizzando la medesima linea Esempio: walkie-talkie (ricetrasmettitori): si parla uno per volta 15

16 - full duplex, se i dati possono essere inviati simultaneamente nelle due direzioni. Esempio: modem Bidirezionale: richiede funzione di trasmettitore e di ricevitore 16

17 Comunicazione full-duplex: RS232 F M 17

18 Codifica e decodifica dei dati proprietà dei segnali devono rappresentare le informazioni Ulteriore problema: l'energia elettrica tende a dissiparsi con la distanza, i fili hanno capacità, resistenza e induttanza che distorcono il segnale La distorsione può comportare interpretazione sbagliata o perdita del segnale segnale distorto 18

19 Comunicazioni a lunga distanza proprietà delle onde: un segnale oscillante viaggia più a lungo della corrente diretta. si utilizza un'onda sinusoidale portante detta carrier, che oscilla continuamente ad una frequenza fissata tecnica utilizzata per i sistemi radiofonico e televisivo 19

20 Modulazione di ampiezza, il segnale cambia dimensione (usata per le frequenze radio AM). L'ampiezza del segnale codifica i valori "0" e "1", per ogni bit c'è bisogno di un ciclo d'onda completo, il data rate è limitato alla banda dell'onda portante. Soggetta a disturbi, non è usata nella trasmissione dati se non in congiunzione con altro tipo di modulazione; 20

21 - di frequenza, nella quale cambia la velocità d'oscillazione dell'onda portante (usata per le frequenze radio FM). La frequenza del segnale codifica i valori "0" e "1", per ogni bit c'è bisogno di un ciclo d'onda completo. Questa tecnica non presenta i tipici problemi della modulazione di ampiezza, è meno sensibile ai disturbi; 21

22 - di fase, si modifica la fase d'onda del carrier (usata per la trasmissione di dati) ovvero si varia il "ritardo" rispetto al segnale originale. Ogni cambiamento di fase codifica K bits (i cambiamenti di fase possibili sono diversi, per cui si si possono codificare V informazioni base: in tal caso K = log 2 V), per cui il data rate è più alto della larghezza di banda del carrier 22

23 - a più livelli, in cui le modulazioni di ampiezza, frequenza e fase possono essere combinate. Filosofia completamente differente: usare la variazione del carrier anziché il nuovo valore del segnale Manchester Encoding: 1: commutazione 1-0 0: commutazione 0-1 Manchester Encoding Differenziale: 1: assenza di commutazione ad inizio periodo 0: presenza di commutazione ad inizio periodo Codifiche usate in reti locali (ME in Ethernet, MED in Token Ring) 23

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25 Il Modem dispositivo hardware, usato per comunicazioni a lunga distanza, contiene circuitazioni separate per la modulazione dei segnali in uscita e la demodulazione dei segnali in ingresso MOdulator - DEModulator Ogni modem ha bisogno di un altro modem dislocato dall'altra parte del canale 25

26 Diversi tipi di modem: convenzionali (cavi di rame, onde elettriche modulate) ottici (fibre ottiche, luce modulata) senza fili o wireless (spazio, onde radio modulate) Il più utilizzato rimane il dialup modem, che permette collegamenti temporanei con la normale linea telefonica trasmettendo toni audio modulati (ne usa più d'uno simultaneamente; i carrier in questo caso sono i toni audio). 26

27 Misure fondamentali in un sistema di trasmissione digitale Limiti fisici, dipendenti dal sistema di trasmissione: - ritardo di propagazione (prapagation delay), tempo richiesto ad un segnale per attraversare il mezzo trasmissivo (sorgente-destinazione) - larghezza di banda (bandwidth), massimo numero di volte che un segnale può cambiare nell'arco di un secondo (intervallo di frequenze che il mezzo fisico è in grado di trasmettere senza alterarle troppo) Misure fondamentali per un sistema di trasmissione digitale: il ritardo (o delay), tempo richiesto ad un bit di dati per viaggiare da un capo all'altro del canale, in genere coincide con il ritardo di propagazione del mezzo fisico sottostante; la velocità (o prestazione, throughput), numero di bits che si possono trasmettere al secondo, espressa in bit/s (baud). 27

28 velocità - larghezza di banda del mezzo fisico Teorema di Nyquist: D = 2 B log 2 (K) D = massima velocità (data rate) B = larghezza di banda K = numero di valori usati per codificare i dati 1. Il massimo data rate di un canale con banda di B Hertz, con segnale di K livelli discreti, è dato da D bit/s. 2. Un segnale di banda B (con frequenze da 0 a B Hz) può essere completamente ricostruito mediante una campionatura effettuata 2B volte al secondo ed in tal caso convoglia un'informazione di D bit al secondo. Esempio. Segnale binario, canale di banda 10 Khz. Allora massima velocità: 2 10 log 2 2 = 20 Kbps (Kilobit per s) Teorema di Nyquist valido per canali privi di disturbi! 28

29 In presenza di "rumore" Teorema di Shannon: C = B log 2 (1 + S/N) C = capacità effettiva del canale in bit/s (max data rate) B = larghezza di banda S = potenza media del segnale N = potenza media del rumore Il rapporto S/N - decibel (Db) - esprime il rapporto segnale/rumore. Esempio. Sistema telefonico convenzionale, banda di 3000 KHz, rapporto segnale/rumore di 1000 Db. Effettiva capacità del canale: 3000 log 2 ( ) = ~ bps = 30 Kbps 29

30 Conclusioni - con teorema di Nyquist possiamo migliorare le prestazioni: codificare più bit per ciclo - più alto è il numero di bit/s che si vogliono trasmettere, più larga deve essere la banda del canale di trasmissione - teorema di Shannon fornisce limite invalicabile per qualunque sistema di trasmissioni - tanto più è corto il canale di trasmissione, tanto più è alta la prestazione del canale (attenuazioni e sfasamenti accettabili). Dunque la banda si riduce all'aumentare della lunghezza del mezzo - La trasmissione digitale è più critica di quella analogica (presenza di frequenze alte) ma è più facilmente rigenerabile (basta distinguere tra pochi valori) 30

31 Ritardo : tempo impiegato da un messaggio per andare da un punto all altro della rete. (tempo di permanenza di un bit sulla rete) Componenti: Ritardo di commutazione: tempo impiegato dal tx per l invio del messaggio sul canale Ritardo di accodamento: la somma dei tempi di attesa su ogni coda Ritardo di accesso: il tempo di attesa nelle reti locali per avere il permesso di trasmettere 31

32 RTT (Round Trip Time) o tempo di andata e ritorno Tempo impiegato da un messaggio per andare da un punto all altro della rete e tornare al punto di partenza Strumenti per la misura dell RTT e per la verifica del funzionamento di una rete: Ping (Packet InterNet Grouper): calcola l RTT rispetto ad una destinazione finale. Il ping manda una richiesta ad un host ed aspetta una risposta (pong). Testa i tempi di risposta delle connessioni e ritorna il numero di secondi necessari per la connessione Traceroute: calcola l RTT per ciascun nodo intermedio attraversato dal messaggio prima di giungere alla destinazione finale 32