Next Generation Network: standard ITU-T ed ETSI ed aspetti di interconnessione e convergenza dei servizi

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1 Next Generation Network: standard ITU-T ed ETSI ed aspetti di interconnessione e convergenza dei servizi Work package 1.4 Task Documento All Final Report - Draft Versione 3.0 Data 07/11/2009 Autore/i A.S. Cacciapuoti, M. Caleffi, G. Gelli, G. Massei, L.Paura Pagina 1 di 126

2 INDICE INDICE DELLE FIGURE 5 1. INTRODUZIONE Caratteristiche di una NGN Standardizzazione NGN in ambito ITU-T Standardizzazione NGN in ambito ETSI 9 2. MODELLO DI RIFERIMENTO DI UNA NGN SECONDO ITU-T Confronto con il modello OSI Architettura stratificata di una NGN Modello funzionale di una NGN ARCHITETTURA FUNZIONALE DI UNA NGN SECONDO ETSI/TISPAN Transport Layer Network Attachment SubSystem (NASS) Resource and Admission Control Subsystem (RACS) Transport processing functions Service Layer Internet Protocol Multimedia Subsystem (IMS) Entità funzionali dell' IMS Punti di riferimento interni del Core IMS PSTN/ISDN Emulation Subsystem IPTV Subsystem Componenti comuni Charging and Data Collection Functions User Equipment Autenticazione Punti di riferimento SCENARIO EVOLUTIVO DEL SERVICE LAYER IP Multimedia Subsystem Motivazioni Requisiti Principali protocolli 31 Pagina 2 di 126

3 4.2. Architettura IMS 3GPP Home Subscriber Server e Subscription Locator Function Call/Session Control Function Application Server (AS) Media Resource Function Breakout Gateway Control Function Entità per l interoperatività tra IPv4 e IPv PSTN/CS Gateway Home e Visited Network Architettura core IMS NGN Funzionalità superflue Scenario futuro Terminale Access Network Backhaul network Core network Network Management Area Service Management Area INTERCONNESSIONE NELLE RETI NGN Funzioni e punti di riferimento Interconnessione a livello di trasporto Interconnessione a livello di servizio Tipologie di interconnessione NGN Service oriented Interconnection (SoIx) Connectivity oriented Interconnection (CoIx) Interconnessione diretta ed indiretta MECCANISMI PER L IDENTIFICAZIONE UNIVOCA DI CLIENTI E SERVIZI NELLE NGN Numerazione E Domain Name System (DNS) ENUM Modello funzionale ed amministrativo di ENUM Vantaggi di ENUM U-ENUM e I-ENUM ENUM in ambito internazionale ed europeo ENUM in ambito nazionale Modelli di routing in scenari di interconnessione NGN MECCANISMI, ARCHITETTURE E MODELLI PER IL CONTROLLO DELLA QOS NELLE NGN 77 Pagina 3 di 126

4 7.1. Meccanismi generalmente coinvolti Architetture della componente ITU-T RACF Modelli per il controllo della QoS nelle NGN ASPETTI DI CONVERGENZA NELLE NGN Definizioni di convergenza Converged Services Framework (CSF) Requisiti del CSF Architettura funzionale del CSF Relazioni del CSF con l architettura funzionale di una NGN Convergenza dei servizi nel CSF Esempi delle tre tipologie di servizio Tipo 1: convergenza di servizi in un singolo servizio componente Tipo 2: convergenza di servizi in più servizi componenti Tipo 3: convergenza di servizi in più servizi componenti su più reti Casi tipici di utilizzo del CSF Convergenza di voce e servizio di presenza Convergenza di un servizio di call forwarding e di video conferenza Trasferimento di una chiamata video da terminale fisso a mobile Erogazione ibrida di un servizio VoD con controllo delle chiamate entranti Integrazione di informazioni per migliorare il servizio al cliente La convergenza wireless fisso-mobile Le specifiche Unlicensed Mobile Access (UMA) per la FMC L architettura di rete UMA Vantaggi e svantaggi della tecnologia UMA/GAN L UMA Network Controller (UNC): caratteristiche e funzionalità La segnalazione UMAN per comunicazioni voce e dati I terminali mobili UMA/GAN Soluzioni, prodotti e servizi FMC UMA-based 115 BIBLIOGRAFIA 117 ACRONIMI 120 Pagina 4 di 126

5 INDICE DELLE FIGURE Fig. 1 Architettura a due livelli di una NGN Fig. 2 Separazione funzionale del transport e del service layer Fig. 3 - Modello funzionale di una NGN Fig. 4 - Architettura funzionale di una NGN Fig. 5 Sottosistemi distribuiti Fig. 6 - Access Segment e Aggregation Segment Fig. 7 Punti di riferimento del NASS Fig. 8 Punti di riferimento del RACS Fig. 9 Funzioni di trasporto Fig. 10 Border Gateway Function Fig. 11 Basic Transport Function Fig. 12 Internet protocol Multimedia Subsystem Fig. 13 Punti di riferimento dell IMS Fig. 14 Componenti comuni Fig. 15 Charging and Data Collection Functions Fig User Equipment con un CNG Fig Livelli di autenticazione nelle NGN Fig Punti di riferimento per l UE Fig. 19 Architettura IMS 3GPP Fig. 20 Tipologie di Application Server Fig. 21 Application Layer Gateway e Transition Gateway Fig. 22 PSTN Gateway vs. rete PSTN Fig. 23 P-CSCF nella visited network Fig. 24 P-CSCF nella home network Fig. 25 Architettura core IMS NGN Fig. 26 IMS-ALG incorporato in una P-CSCF Fig. 27 Aree di intervento mappate nell architettura NGN Fig. 28 Wireless Mesh Network Backhaul Fig. 29 Elementi di un border router basato su DiffServ Fig. 30 Elementi del Service Control & Management Fig Interconnessioni del sottolivello di trasporto Fig Interconnessione a livello NASS Fig Interconnessione a livello RACS Fig Interconnessioni IP Fig Architettura di interconnessione SoIx Fig Modello di riferimento per SoIx Fig Architettura di interconnessione CoIx Fig SoIx Diretta Fig CoIx Diretta Fig SoIx Indiretta Fig Interconnessione indiretta con livello di servizio intermedio Fig Interconnessione indiretta con livello di trasporto intermedio Fig Formato di un numero internazionale E.164 per aree geografiche Fig Possibili formati del campo NDC Fig Struttura ad albero dello spazio dei nomi dei domini Internet Fig Localizzazione mondiale dei server radice (root name server) del sistema DNS Fig Modello funzionale di ENUM Fig Sistemi I-ENUM privati con interconnessione PSTN Fig Sistemi I-ENUM privati con interconnessione IP Fig Sistema I-ENUM condiviso su Extranet Fig Sistema I-ENUM condiviso su Internet Fig Modello di riferimento per l interconnessione di servizio nelle reti NGN Pagina 5 di 126

6 Fig. 53 Modello generale di routing e ruoli funzionali degli operatori Fig. 54 Parametri e condizioni per l instradamento nelle NGN Fig. 55 Processo di risoluzione degli indirizzi Fig. 56 Funzione NAR nell architettura NGN per l interconnessione secondo ETSI Fig Un sistema di controllo e gestione della QoS end-to-end Fig Architettura funzionale del RACF Fig Scenario di esempio per il controllo della QoS end-to-end in modalità push Fig Scenario di esempio per il controllo della QoS end-to-end in modalità pull Fig Architetture di controllo della QoS nei modelli Distribuito e Centralizzato Fig Evoluzione temporale della procedura di controllo nel modello distribuito Fig Evoluzione temporale della procedura di controllo nel modello centrale Fig Processing delay medio per distribuzione uniforme tra i nodi di confine Fig Processing delay medio in presenza di nodo hot spot al 30% Fig Processing delay medio in presenza di nodo hot spot al 50% Fig. 67 Architettura funzionale del CSF Fig Gestione delle policy in CSF Fig Relazione tra CSF e l'architettura funzionale di NGN Fig Tipologie di servizi convergenti Fig Esempio di convergenza di servizi in un singolo servizio componente Fig Esempio di convergenza di servizi in più servizi componenti (PIEA + IMS) Fig Esempio di convergenza di servizi in più servizi componenti su più reti (VoIP+IM) Fig Esempio di convergenza di servizi in più servizi componenti su più reti (game+im) Fig Esempio di convergenza di voce e servizio di presenza Fig. 76 Esempio di convergenza di un servizio di call forwarding e di video conferenza Fig. 77 Esempio di trasferimento di una chiamata video da terminale fisso a mobile Fig. 78 Esempio di acquisto di un servizio VOD Fig. 79 Esempio di servizio VoD con controllo di sessione della chiamata Fig. 80 Esempio di integrazione di informazioni per migliorare il servizio al cliente: ottenere la carta d imbarco Fig. 81 Esempio di integrazione di informazioni per migliorare il servizio al cliente: imbarco sull aereo Fig. 82 Rappresentazione del concetto di convergenza wireless Fig. 83 Architettura protocollare di supporto al MIH Fig Architettura di rete UMA di alto livello Fig Architettura di rete convergente UMA-based tra reti WLAN and GSM/CDMA Fig Processo di scoperta e registrazione nelle reti UMA Fig Architettura protocollare di segnalazione UMAN per comunicazioni voce Fig Architettura protocollare di segnalazione UMAN per comunicazioni dati Pagina 6 di 126

7 1. Introduzione Una Next Generation Network (NGN) è una rete a commutazione di pacchetto in grado di fornire servizi di telecomunicazioni attraverso molteplici tecnologie di trasporto caratterizzate da differenti QoS ed in cui le funzioni relative ai servizi sono indipendenti dalle sottostanti tecnologie relative al trasporto. Una NGN consente agli utenti un accesso senza restrizioni alle reti, ai service provider in concorrenza e/o ai relativi servizi, supportando inoltre una mobilità generalizzata. La mobilità generalizzata è la possibilità, per l utente o altre entità mobili, di comunicare ed accedere ai servizi a prescindere da cambiamenti di posizione e/o condizioni tecniche. Poiché il grado di disponibilità del servizio può dipendere da diversi fattori, quali la capacità della rete di accesso o gli accordi a livello di servizio tra la home network dell utente e la visited network, la mobilità include la possibilità di fruire di un servizio con o senza continuità di servizio Caratteristiche di una NGN Una delle principali caratteristiche di una NGN è il disaccoppiamento tra service layer e transport layer, in quanto ciò consente ai due livelli di evolvere indipendentemente. Inoltre, in una NGN le entità funzionali che controllano le policy, le sessioni, i mezzi, le risorse, la consegna dei servizi, la sicurezza, etc., possono essere distribuite su tutta l infrastruttura, sia in reti esistenti che future. Quando sono distribuite, tali entità funzionali comunicano attraverso interfacce aperte. Di conseguenza, l identificazione di punti di riferimento è uno degli aspetti fondamentali per le NGN. Una NGN può essere ulteriormente definita attraverso i seguenti requisiti funzionali [1] [2] che è chiamata a soddisfare: - commutazione di pacchetto; - separazione delle funzioni di controllo in: - potenzialità di trasporto (bearer capabilities); - chiamate/sessioni; - applicazioni/servizi; - disaccoppiamento dei livelli servizio (service) e trasporto (transport) attraverso interfacce aperte; - interworking con reti tradizionali attraverso interfacce aperte; - supporto per un ampio insieme di servizi/applicazioni e meccanismi basati sul paradigma service building blocks; - supporto per la mobilità generalizzata; - accesso senza limitazioni da parte degli utenti a differenti fornitori di servizi; - servizi convergenti tra fisso e mobile; - indipendenza delle funzioni legate al servizio dalle sottostanti tecnologie di trasporto; - supporto di più tecnologie per l ultimo miglio; - osservanza di tutti i requisiti regolatori, quali quelli riguardanti le comunicazioni di emergenza, la sicurezza, la confidenzialità. Pagina 7 di 126

8 1.2. Standardizzazione NGN in ambito ITU-T Già nel 1995 il Telecommunication Standardization Sector (ITU-T) dell International Telecommunication Union (ITU) aveva lanciato un ambizioso progetto, Global Information Infrastructure (GII), con lo scopo di definire alcuni standard per l emergente era dell informazione. GII ha un approccio omnicomprensivo: fondamentalmente descrive la fornitura di vari tipi di servizi mediante una varietà di service provider, su una varietà di tecnologie di rete provenienti da diversi settori dell industria. Il progetto GII ha realizzato una struttura di coordinazione in modo che tutti i membri dell ITU avessero una visione comune della rete del futuro e dei servizi che essa dovesse offrire. Le attività sulla GII sono state accompagnate da molti progetti che hanno coinvolto più gruppi di studio dell ITU-T con l obiettivo comune di preparare un insieme di raccomandazioni. GII ha giocato il ruolo più importante nell organizzazione di nuovi standard per l ITU-T. Essa ha raggiunto i suoi scopi permettendo la creazione delle Raccomandazioni della serie Y, in cui sono stati definiti molti aspetti generali: i principi base della GII, la sua architettura, lo scenario metodologico, alcuni esempi realizzativi, i punti di riferimento per le interconnessioni. Dato il ruolo preponderante del protocollo IP nelle reti di telecomunicazioni, le raccomandazioni GII (serie Y) si sono occupate anche degli aspetti relativi al trasporto su IP. Interoperabilità e interfunzionamento sono state le parole chiave per GII, ma l implementazione vera e propria non era il suo obiettivo. Il materiale delle Raccomandazioni GII aveva bisogno di ulteriori lavori per offrire gli standard realizzativi. Le Next Generation Networks possono considerarsi la realizzazione concreta dei concetti definiti per la GII. Nel luglio 2003, l ITU-T organizzò a Ginevra un dibattito dal titolo: Next Generation Networks: What, When and How?. Una delle principali difficoltà emerse nel corso del dibattito riguardava il fatto che lo stesso termine per una rete di nuova concezione, NGN, era utilizzato con significati differenti, provocando confusione. Tuttavia, la necessità di uno standard globale venne chiaramente espressa e fu sufficiente affinché i membri dell ITU prendessero nota delle richieste. In seguito al dibattito, l ITU-T Study Group 13 (SG13) avviò (2003) il NGN Joint Rapporteur Group (NGN-JRG), con l incarico di identificare gli aspetti chiave e di sviluppare gli standard fondamentali per costruire la struttura NGN, includendo una definizione coerente con ITU-T. Questo gruppo lavorò fino al giugno 2004 e produsse le raccomandazioni Y.2001 [1] e Y.2011 [3], che sono le basi dell architettura NGN all interno dell ITU-T. Nel maggio 2004 fu fondato il FG-NGN (Focus Group on Next Generation Networks) con lo scopo di dare un significativo impulso alle attività di standardizzazione sulle NGN. Il FG-NGN ha utilizzato per la produzione delle raccomandazioni sulle NGN un approccio basato sul concetto di release (rilascio), delineando per ciascuna release gli obiettivi e le scadenze temporali precise per il completamento delle attività. Secondo il FG-NGN, l obiettivo principale della NGN Release 1 è l implementazione di servizi di comunicazione multimediali basati sul controllo di sessione (realizzato prevalentemente, ma non esclusivamente, attraverso il protocollo SIP di IETF). Il FG- NGN produsse oltre 30 documenti di specifica della NGN Release 1 e si sciolse nel Le attività di standardizzazione furono proseguite sotto il nome GSI-NGN (Global Standards Initiative on NGN), che ha portato a termine il lavoro del FG-NGN definendo le caratteristiche funzionali e l architettura di una NGN Release 1 nella raccomandazione Y.2012 [4]. Le attività di standardizzazione sulla NGN Release 1 sono state infine completate nel 2007 e sono riportate nella raccomandazione Y.2201 [5]. Poiché mancano i dettagli sui protocolli, la NGN Release 1 di ITU non è direttamente implementabile, tuttavia è ad un livello sufficiente di dettaglio per guidare la Pagina 8 di 126

9 successiva evoluzione del progetto NGN. Successivamente, il GSI-NGN ha iniziato a lavorare sulla Release 2, il cui lavoro di standardizzazione è ancora in corso. I temi centrali della NGN Release 2 secondo il GSI-NGN sono l implementazione di servizi di streaming come IPTV e l estensione della mobilità nomadica prevista dalla Release 1, in modo da mantenere la connessione senza interruzione (seamless handover) anche quando l utente si muove attraverso differenti reti di accesso Standardizzazione NGN in ambito ETSI In parallelo all iniziativa ITU-T, l European Telecommunication Standard Institute (ETSI) nell estate 2003 fuse due comitati esistenti con l obiettivo di definire le caratteristiche delle reti di prossima generazione. Il primo comitato, il Telecommunications and Internet Protocol Harmonization Over Networks (TIPHON), si occupava di coniugare VoIP con le reti PSTN. Il secondo, Signaling Protocols and Networks (SPAN), era addetto alla standardizzazione di protocolli di telecomunicazioni. Il comitato risultante, battezzato Telecommunications and Internet converged Services and Protocols for Advanced Networking (TISPAN), ebbe un lento avvio ma dopo molte riunioni e con la consulenza di alcuni operatori di rete, individuò alcune linee guida da seguire: - offrire ai consumatori che fanno utilizzo della banda larga tutti i servizi disponibili mediante l Internet protocol Multimedia Subsystem (IMS) sviluppato dal Third Generation Partnership Project (3GPP); - offrire solo alcuni dei servizi disponibili attraverso l IMS agli utenti connessi ad una NGN attraverso reti PSTN/ISDN; - garantire la continuità di supporto per la maggior parte dei servizi PSTN/ISDN esistenti agli utenti connessi ad una NGN attraverso reti PSTN/ISDN; - estendere il 3GPP IMS a problematiche non previste, quali le chiamate di emergenza, il supporto alle intercettazioni legali, la gestione delle chiamate moleste. TISPAN scelse il 3GPP IMS perché garantiva di soddisfare tutte le caratteristiche fondamentali delle NGN, quali commutazione di pacchetto, disaccoppiamento dei servizi dal trasporto, utilizzo di interfacce aperte, supporto della mobilità e di un ampia gamma di servizi e applicazioni. TISPAN ha adoperato un percorso simile ai gruppi di lavoro ITU-T, rilasciando le specifiche della NGN Release 1 nel dicembre La NGN Release 1 [6] di TISPAN adotta lo standard 3GPP IMS per le applicazioni basate su SIP e fornisce il primo insieme di specifiche implementabili di NGN, focalizzandosi sui servizi VoIP e xdsl. Gli obiettivi principali di NGN Release 1 [6] sono la fornitura di servizi supportati da IMS di 3GPP ad utenti di rete fissa con collegamenti a larga banda, e la possibilità di sostituire (in tutto o in parte) la rete PSTN/ISDN. Per quanto riguarda il primo aspetto, TISPAN ha lavorato inizialmente sull armonizzazione di IMS per le reti fisse e radiomobili. Tuttavia all inizio del 2008 la specifica armonizzata di IMS di TISPAN è stata nuovamente trasferita a 3GPP in modo da lasciare ad una singola organizzazione la responsabilità di un unico standard IMS applicabile in principio ad ogni tipo di rete (fissa o radiomobile). Per il secondo aspetto, la NGN Release 1 di TISPAN prevede la fornitura di servizi PSTN/ISDN in due distinte modalità: emulazione o simulazione. La prima modalità consiste nell adattare i tradizionali servizi PSTN/ISDN alla nuova architettura di rete IP e garantisce il supporto dei vecchi terminali, mentre la seconda modalità sfrutta le potenzialità dei nuovi terminali IP per fornire servizi di tipo PSTN/ISDN. Per quanto riguarda la mobilità, la Release 1 prevede il supporto della mobilità solo nomadica, senza garanzia di continuità del servizio. Pagina 9 di 126

10 Le attività di standardizzazione di TISPAN sono proseguite con la specificazione della Release 2, ancora in fase di draft [7]. Gli elementi chiave della Release 2 in accordo ai draft disponibili sono, tra gli altri: l evoluzione di IMS, il supporto di servizi IPTV eventualmente basati su IMS, il roaming, la convergenza fisso-mobile, l interconnessione con reti corporate, la qualità del servizio, le reti domestiche ed i dispositivi di utente, ed aspetti di mobilità. Dal 2008 TISPAN è impegnata parallelamente nella specificazione della NGN Release 3 [7], considerando in particolare aspetti quali il consolidamento delle tecnologie VoIP (QoS, sicurezza, interworking), l evoluzione di IPTV, l accesso a banda ultralarga, l interconnessione tra reti IP (con/senza IMS), l armonizzazione di rete e l interoperabilità con altre reti NGN e non NGN. Pagina 10 di 126

11 2. Modello di riferimento di una NGN secondo ITU-T In questo capitolo vengono descritte le raccomandazioni ITU-T Y.20XX [1] [3] [4] che forniscono i principi generali ed il modello di riferimento per le NGN Confronto con il modello OSI La raccomandazione Y.2011 [3] evidenzia le potenziali differenze tra le reti NGN e le reti tradizionali basati sul modello OSI Basic Reference Model (BRM) a sette livelli (definito nella raccomandazione X.200 [8]), che consistono principalmente nel numero e nelle caratteristiche specifiche dei sette livelli del modello OSI BRM. Per quanto riguarda i sistemi NGN, infatti, si possono verificare le seguenti situazioni: - il numero dei livelli può non essere sette; - le funzioni dei singoli livelli possono non corrispondere a quelle del modello OSI BRM; - alcune condizioni/definizioni prescritte o proibite per il modello OSI BRM possono non essere applicabili; - i protocolli coinvolti possono non essere protocolli OSI (l esempio più importante è IP); - i requisiti di conformità del modello OSI BRM possono non essere applicabili. Ciò non implica che funzionalità simili a quelle descritte nel modello OSI BRM non siano presenti nelle reti NGN, ma piuttosto che le funzionalità possono essere distribuite attraverso un numero maggiore o minore di livelli, oppure semplicemente distribuite diversamente e non stratificate nella rigida gerarchia imposta dal modello OSI BRM. Le architetture NGN, infatti, richiedono una flessibilità maggiore di quella prevista dalla raccomandazione X.200 ed in particolare l appendice B della raccomandazione Y.2011 identifica gli ambiti della raccomandazione X.200 che sono troppo restrittivi e/o insufficienti a favorire tecnologie recenti, emergenti o future Architettura stratificata di una NGN Si analizza in questo paragrafo come sono organizzati gli strati (layer) di una NGN. La separazione dei servizi dal trasporto è rappresentata mediante due distinti layer (strati) di funzionalità. Le funzioni di trasporto risiedono nel transport layer e le funzioni di servizio relative alle applicazioni risiedono nel service layer. Da un punto di vista architetturale, ogni strato consiste di uno o più livelli, ed ogni livello comprende un piano dei dati/utente (data o user plane), un piano di controllo (control plane) e un piano di gestione (management plane) 1. In generale, ogni strato avrà il suo insieme di compiti, di esecutori e di domini amministrativi, cioè i compiti coinvolti nella fornitura di servizi sono indipendenti da quelli coinvolti nella fornitura di connettività nel trasporto. Ogni strato deve essere quindi trattato separatamente da un punto di vista tecnico, e ciò si può ottenere mediante un disaccoppiamento obbligatorio dei piani utente dei due strati. 1 I piani utente, di controllo e di gestione esistono sempre in senso logico per ogni livello. Nella pratica, un piano di controllo o di gestione può non esistere per un particolare livello. Nelle reti NGN che impiegano un piano di controllo unificato, funzioni equivalenti del piano di controllo su più livelli possono essere istanziate in un singolo protocollo (analogamente per il piano di gestione). Pagina 11 di 126

12 Fig. 1 Architettura a due livelli di una NGN. Il transport layer comprende l'insieme di funzioni utente che trasferiscono i dati e di funzioni che controllano e gestiscono le risorse di trasporto per trasportare tali dati tra entità terminali. I dati così trasportati possono essere informazioni utente, di controllo e/o di gestione. In particolare, il transport layer assicura: - la connettività utente-utente; - la connettività utente-piattaforma di servizi; - la connettività piattaforma di servizi-piattaforma di servizi. Nel transport layer (a cui si possono associare gli strati da 1 a 3 del modello OSI-BRM a 7 strati) possono essere coinvolte diverse reti stratificate, ed in generale qualsiasi tecnologia di rete può essere utilizzata nello strato di trasporto: CO-CS (connection oriented circuit switched), CO-PS (connection oriented packet switched) e CLPS (connectionless packet switched), e IP è il protocollo preferito per offrire servizi NGN e per supportare i servizi tradizionali. Fig. 2 Separazione funzionale del transport e del service layer. Il service layer comprende l'insieme di funzioni utente che trasferiscono i dati relativi al servizio, di funzioni che controllano e gestiscono le risorse del servizio e i servizi di rete che rendono possibili i servizi utente e le applicazioni. I servizi utente possono essere implementati ricorrendo ai molteplici livelli di servizio all interno dello strato di servizio. Pagina 12 di 126

13 Nel contesto della gestione di una NGN e del controllo di una NGN, è importante considerare e definire: - il piano di gestione NGN come l unione del piano di gestione dello strato di servizio e del piano di gestione dello strato di trasporto; - il piano di controllo NGN come l unione del piano di controllo dello strato di servizio e del piano di controllo dello strato di trasporto. Dato che un unione di insiemi permette la sovrapposizione, le definizioni comprendono la possibilità di funzioni di gestione e/o controllo in comune. E importante notare che il concetto di piani NGN non implica alcuna integrazione verticale dei piani, ma richiede ancora la definizione di punti di riferimento tra piani di strati differenti. Il concetto viene introdotto per facilitare la transizione da una visione funzionale ad una visione implementativa dell architettura NGN grazie all introduzione di un punto di vista gestionale ed uno di controllo Modello funzionale di una NGN La raccomandazione ITU-T Y.110 [9] formalizza un modello strutturale in cui i servizi e i componenti del servizio sono descritti separatamente. Essa fornisce: - un modello di impresa che identifica partecipanti e compiti, cioè, attività di business entro catene di valori, come pure compiti strutturali e infrastrutturali; - un modello di implementazione dedicato al modo in cui le funzioni sono distribuite ed implementate nei dispositivi e ai protocolli che regolano le interfacce fra dispositivi. Una NGN, come GII, dovrebbe dunque separare l analisi dei servizi da quella delle funzioni, e la raccomandazione Y.110 può essere usata come guida per la decomposizione dei servizi in: - servizi infrastrutturali e servizi applicazioni; - servizi Middleware (servizi di supporto del mezzo); - servizi Baseware (includono i servizi di telecomunicazioni); - risorse. I servizi sono strettamente legati alle funzioni, dato che queste ultime sono utilizzate per realizzare i primi. Inoltre, ci sono alcune similitudini tra i sottotipi di servizi e le funzioni. Non c è però una corrispondenza biunivoca tra funzioni e servizi e questo è un altro motivo per mantenerli separati. La stessa funzione (per esempio l autenticazione dell utente) può essere usata per la consegna di due differenti servizi. Esistono perciò differenti funzioni relative ai differenti servizi, ed è conveniente riunire queste funzioni in due gruppi distinti, o piani, uno comprendente tutte le funzioni di controllo e l altro tutte le funzioni di gestione. Il raggruppamento di funzioni dello stesso tipo (cioè controllo o gestione) permette che le interrelazioni funzionali entro un certo gruppo siano definite come flussi di informazione tra funzioni del gruppo. Le funzioni possono essere divise in categorie, come mostrato in Fig. 3, così da costituire un modello funzionale generale. La figura evidenzia le relazioni tra: - le risorse di trasporto e le funzioni del transport layer; - le risorse di servizio e le funzioni del service layer. Notiamo che la figura mostra anche i piani separati di controllo e gestione, ma non mostra la possibilità di avere funzioni di controllo e gestione in comune per gli strati di servizio e trasporto. Le risorse offrono elementi fisici e non-fisici (cioè logici) che sono usati per fornire servizi e reti. Le risorse dovrebbero essere trattate in modo separato dalle funzioni e dai servizi. Pagina 13 di 126

14 Le risorse possono includere risorse di trasporto, identificate, per esempio, per la gestione dell inventario (per es. switch, router, link, etc.) e risorse di processing e storage come piattaforme di processing, su cui possono girare applicazioni e servizi, o database per la memorizzazione del contenuto di una applicazione. Fig. 3 - Modello funzionale di una NGN. Pagina 14 di 126

15 3. Architettura funzionale di una NGN secondo ETSI/TISPAN In questo capitolo viene descritta l architettura funzionale di una NGN, i suoi sottosistemi e le loro relazioni come proposti dalla normativa prodotta dal gruppo di lavoro TISPAN dell ETSI [7]. Tale architettura è conforme al modello di riferimento generale analizzato nella sezione precedente. In particolare, si offre una descrizione dettagliata di: - livello di trasporto; - livello di servizio; - user equipment. L architettura funzionale di una NGN è strutturata secondo uno strato di servizio ed un sottostante strato di trasporto basato su IP. Lo strato di servizio comprende i seguenti sottosistemi: - il core IP Multimedia Subsystem (IMS); - il PSTN/ISDN Emulation Subsystem (PES). Questa architettura orientata ai sottosistemi facilita l espandibilità nel tempo, oltre a permettere di importare ed adattare sottosistemi definiti da altri enti di standardizzazione. La connettività IP è fornita agli user equipment NGN mediante lo strato di trasporto e sotto il controllo del NASS (Network Attachment SubSystem) e del RACS (Resource and Admission Control SubSystem). Questi due sottosistemi mascherano la tecnologia di trasporto usata nella Access Network (rete di accesso) e nel core network al di sotto del livello IP. Fig. 4 - Architettura funzionale di una NGN. L architettura è di tipo funzionale: ogni sottosistema è specificato mediante un insieme di entità funzionali e di interfacce correlate. Di conseguenza gli implementatori possono scegliere di combinare le entità funzionali dove ciò abbia senso nel contesto dei modelli commerciali, e supportare i servizi e le capacità (capabilities). Quando le entità funzionali sono combinate l interfaccia tra esse è interna, nascosta e non-testabile. Le entità funzionali che compongono un sottosistema possono essere distribuite in un dominio di rete (Fig. 5). Il NASS può essere distribuito tra una visited network e una home network, così come Pagina 15 di 126

16 anche i sottosistemi di livello servizio che supportano il nomadismo possono essere distribuiti tra queste due reti. Fig. 5 Sottosistemi distribuiti. Una Access Network comprende un segmento di accesso (Access Segment) ed un segmento di aggregazione (Aggregation Segment). Il segmento di accesso (noto anche come ultimo miglio ) si estende dalla postazione del client al primo nodo della rete (nodo di accesso), mentre il segmento di aggregazione comprende gli elementi della rete di trasporto che autorizzano uno o più nodi di accesso a connettersi al core della rete attraverso un IP Edge Router, il cui punto di riferimento in Fig. 6 è D i. Fig. 6 - Access Segment e Aggregation Segment Transport Layer Il transport layer comprende un sottolivello di controllo del trasporto (Trasport Control Subsystem) sovrastante le funzioni che si occupano di trasporto (Transport processing functions) nella rete di accesso e nel core. Il sottolivello di controllo del trasporto è suddiviso in due sottosistemi: - Network Attachment SubSystem (NASS); - Resource and Admission Control Subsystem (RACS) Network Attachment SubSystem (NASS) Il NASS offre le seguenti funzionalità: - assegnazione dinamica di indirizzi IP e altri parametri di configurazione di un terminale; - autenticazione a livello IP, prima o durante la procedura di allocazione dell indirizzo; - configurazione della rete di accesso basata sui profili utente; - autorizzazione alla rete di accesso basata sui profili utente; - gestione della posizione a livello IP. Pagina 16 di 126

17 L architettura NGN non obbliga a considerare un solo NASS per supportare più reti di accesso, tuttavia ciò non impedisce agli operatori di realizzare funzioni di NASS che siano comuni a più reti di accesso (per es. un unico database dei profili utente comune a tutte le reti di accesso). Il NASS si interfaccia con le seguenti entità (Fig. 7): - l'user Equipment (punto di riferimento e3) per scopi di configurazione; - le entità di trasporto che agiscono come ripetitori da e per il dispositivo utente per scopi di autorizzazione, autenticazione e allocazione di indirizzo (punti di riferimento a1 e a3); - il RACS (punto di riferimento e4) per esportare informazioni sui profili di accesso; - sottosistemi di controllo del servizio (Service Control Subsystem) e applicazioni nello strato di servizio (punto di riferimento e2) per esportare informazioni sulle sessioni di accesso e per supportare servizi di notifica. Fig. 7 Punti di riferimento del NASS. Ulteriori dettagli sulle funzionalità e sull architettura del NASS sono disponibili in ES [10] Resource and Admission Control Subsystem (RACS) Il RACS è il sottosistema responsabile dell implementazione di procedure e meccanismi che gestiscono la prenotazione di risorse e il controllo di ammissione, per traffico sia unicast che multicast, nelle reti di accesso e nel core. Oltre a comportarsi come una struttura di controllo delle risorse, il RACS include un supporto per il controllo della traduzione degli indirizzi di rete (NAT) ai margini della rete stessa e si occupa anche di definire e modificare le policy di traffico, della qualità del servizio end-to-end e del problema dei costi a livello trasporto. Come illustrato in Fig. 8, il RACS si interfaccia con le funzioni di trasporto (punti di riferimento Re ed Ia) e con i seguenti sottosistemi: - il NASS (punto di riferimento e4) per ottenere informazioni sui profili di accesso; Pagina 17 di 126

18 - i sottosistemi di controllo del servizio e le applicazioni del livello servizio (punto di riferimento Gq ) per rivelare i servizi che fornisce. Ulteriori dettagli sulle funzionalità e sull architettura del RACS sono forniti in ES [11]. Fig. 8 Punti di riferimento del RACS Transport processing functions Le funzioni di trasporto nella rete di accesso e nel core includono funzioni elementari per supportare l inoltro (forwarding) e l instradamento (routing) dei pacchetti e gruppi di funzioni più specifiche definiti entità funzionali. Queste ultime, illustrate in Fig. 9, sono: - Border Gateway Function (BGF) - Resource Control Enforcement Function (RCEF) - Access Relay Function (ARF) - Media Gateway Function (MGF) - Media Resource Function Processor (MRFP) - Signalling Gateway Function (SGF) - Access Management Function (AMF) - Basic Transport Function (BTF) Nel seguito si offre una panoramica delle funzioni di trasporto e le loro relazioni con gli altri componenti dell architettura. Ulteriori dettagli sono disponibili in ES [11]. Pagina 18 di 126

19 Fig. 9 Funzioni di trasporto. Border Gateway Function La Border Gateway Function (BGF), illustrata in Fig. 10, fornisce l interfaccia fra due domini di trasporto IP. Essa può trovarsi al confine tra una rete di accesso e l apparato client locale, tra una rete di accesso e un core, tra due core. Comprende le funzionalità definite per la RCEF (Resource Control Enforcement Function) e può supportare una o più delle seguenti funzioni elementari: - misuratore di utilizzo; - allocazione e traduzione di indirizzi IP e numeri di porta (NAPT); - interfunzionamento tra IPv4 e IPv6; - trascodifica (realizzabile anche nel MRFP). Una BGF può interagire con le entità del sottolivello di controllo del trasporto per il controllo delle funzionalità che implementa. Identifichiamo due tipi fondamentali di BGF: - Core BGF (C-BGF) che si trova al confine tra una rete di accesso ed un core dal lato del core, e interfaccia la rete di accesso nel punto di riferimento Di e le altre funzioni di trasporto del core nel punto di riferimento Ds. - Interconnection BGF (I-BGF) che si trova al confine tra due core, e interfaccia altre reti core nel punto di riferimento Iz e le altre funzioni di trasporto nel punto di riferimento Ds. Ogni tipo di BGF implementa differenti sottoinsiemi di funzionalità, a seconda della loro posizione e delle politiche dell operatore di rete. Fig. 10 Border Gateway Function. Resource Control Enforcement Function La Resource Control Enforcement Function (RCEF) è una entità funzionale di trasporto che supporta una o più delle seguenti funzioni elementari: Pagina 19 di 126

20 - apertura e chiusura dei gates (cioè filtraggio a seconda dell indirizzo IP e del numero di porta); - marcatura dei pacchetti per il traffico uscente; - vigilanza sul traffico entrante; - allocazione di risorse per il traffico in upstream e in downstream Una RCEF può trovarsi in qualsiasi segmento di trasporto (cioè accesso, aggregazione o core), oppure ai suoi confini. Possono esistere anche più RCEF nello stesso segmento di trasporto. Una RCEF può inoltre interagire con le entità nel RACS per controllare una o più funzioni che implementa (vedere ES [11]). Può ricevere o inviare flussi di informazione da/per una BTF (Basic Transport Function) e gestire le corrispondenti richieste/risposte per/dal RACS. Access Relay Function La Access Relay Function (ARF) agisce come un ripetitore tra l User Equipment (UE) e il NASS. Essa riceve richieste di accesso dall UE e le inoltra al NASS. Prima di inoltrare una richiesta, la ARF può inserire informazioni di configurazione locale. Media Gateway Function La Media Gateway Function (MGF) offre funzioni di mapping e/o trascodifica del mezzo (media) tra un dominio di trasporto IP e i componenti di una rete a commutazione di circuito. Può anche realizzare media conferencing e spedire toni e annunci. Possiamo distinguere due tipi di MGF: - la Access MGF (A-MGF) che connette i tipi di accesso tradizionali (per es. analogico o ISDN) alla NGN; - la Trunking MGF (T-MGF) che si trova al confine tra un core IP e una rete a commutazione di circuito. Una MGF potrebbe anche trovarsi incorporata nel dispositivo utente (UE), in questo caso si parla di Residential MGF (R-MGF). L entità funzionale T-MGF è identica alla IMS-MGW definita in TS [14], sebbene un nodo che implementa questa entità funzionale in una NGN e un nodo che la implementa in una rete 3GPP possano differire in termini di risorse supportate e configurazione. Media Resource Function Processor Un Media Resource Function Processor (MRFP) offre funzioni specializzate per le risorse oltre a quelle già disponibili nell entità MGF. Ciò include risorse per supportare conferenze multimediali, annunci multimediali e capacità IVR (Interactive Voice Response). Questa entità funzionale è identica alla MRFP definita in TS [14], sebbene un nodo che implementa questa entità funzionale in una NGN e un nodo che la implementa in una rete 3GPP possano differire in termini di risorse supportate e configurazione. Signalling Gateway Function La Signalling Gateway Function (SGF) realizza la conversione della segnalazione (in entrambi i versi) a livello trasporto tra la segnalazione basata su SS7 e la segnalazione IP. Questa entità funzionale è identica alla SGW definita in TS [14], sebbene un nodo che implementa questa entità funzionale in una NGN e un nodo che la implementa in una rete 3GPP possano differire in termini di risorse supportate e configurazione. Pagina 20 di 126

21 Access Management Function La Access Management Function (AMF) traduce le richieste di accesso emesse da un UE in un formato che può essere compreso dal NASS. In presenza di PPP, la AMF termina la connessione IP e fornisce l interfunzionamento con l interfaccia verso il NASS (ad esempio usando il protocollo AAA). Basic Transport Function (BTF) Tutti i segmenti di trasporto comprendono una o più Basic Transport Function (BTF) la quale, a sua volta, è dotata di due funzioni di trasporto elementari: la Elementary Forwarding Function (EFF) e la Elementary Control Function (ECF). Gli elementi fisici della rete (per es. bridge e router) sono tipicamente dotati di una BTF e potrebbero possedere qualche altra entità funzionale (per es. una RCEF). La Fig. 11 mostra la BTF, le sue funzioni elementari costituenti e le relazioni con le altre entità funzionali della NGN. I punti di riferimento BTF-BTF, RCEF-BTF, BGF-BTF dipendono dall implementazione e possono essere interni al dispositivo. Fig. 11 Basic Transport Function. La EFF inoltra il traffico dati entrante in un flow-point In-FP verso uno o più flow-point Out- FP(i), i=0 n di un elemento di trasporto; In-FP non è contenuto nell insieme di Out-FP(i), i=0 n. Per una operazione unicast c è esattamente un Out-FP (cioè i=1), mentre per una operazione multicast l insieme di Out-FP(i) può contenere un numero qualsiasi di flow-point (incluso il caso i=0). La ECF si occupa dei dati di un protocollo di controllo (per es. i dati del protocollo di instradamento), sia nel caso unicast che nel caso multicast. Dal risultato delle elaborazioni, la ECF decide se: - mandare i dati del protocollo di controllo ad altre ECF; - interagire con una o più EFF per fissare nuove strategie di instradamento o modificare quelle esistenti; - interagire con una o più RCEF e/o BGF (ciò include la possibilità di generare eventi per innescare politiche di valutazione). Pagina 21 di 126

22 3.2. Service Layer In questo paragrafo viene analizzato lo strato di servizio di una NGN, con riferimento all IP Multimedia Subsystem (IMS), con particolare attenzione rivolta alle entità funzionali dell IMS Internet Protocol Multimedia Subsystem (IMS) In una NGN, il core IMS supporta la fornitura di servizi multimediali basati su SIP (Session Initiation Protocol) ai terminali e si occupa di offrire servizi di simulazione PSTN/ISDN. Fig. 12 Internet protocol Multimedia Subsystem. Le entità funzionali IMS possono venire usate da un operatore per agevolare condizioni di transito di una rete; si può inoltre compiere l instradamento, che dipende dalle entità che lo realizzano, dal traffico, dalle informazioni di segnalazione, dai dati di configurazione, dal contenuto dei database. L NGN IMS, anche noto come Core IMS, è un sottoinsieme del 3GPP IMS definito in TS [14], limitatamente alle funzionalità di controllo della sessione. Sebbene essenzialmente identiche alle entità 3GPP IMS, le entità funzionali NGN IMS possono mostrare piccole variazioni nel comportamento, e ciò è dovuto alle differenze nelle access networks e negli UE. La Fig. 12 mostra la posizione dell IMS nell architettura NGN complessiva, mentre la Fig. 13 dettaglia le entità funzionali che compongono l IMS, i punti di riferimento tra esse e con i componenti esterni. L IMS interfaccia i seguenti componenti (ulteriori dettagli si trovano in [15] e [16]): - User equipment (UE); - Resource and Admission Control Subsystem (RACS); - Network Attachment SubSystem (NASS); - PSTN/ISDN; - altri sottosistemi multimediali; - funzioni di costo (charging functions); - funzioni di gestione della rete (network management functions); - applicazioni e altri elementi architetturali comuni. Pagina 22 di 126

23 Fig. 13 Punti di riferimento dell IMS Entità funzionali dell' IMS Call Session Control Function La Call Session Control Function (CSCF) instaura, monitora, supporta e rilascia le sessioni multimediali, inoltre gestisce le interazioni del servizio dell utente. La CSCF può agire da Proxy CSCF (P-CSCF), da Serving CSCF (S-CSCF) oppure da Interrogating CSCF (I-CSCF). La P-CSCF è il primo punto di contatto per l UE all interno dell IMS, mentre la S- CSCF gestisce la sessione attiva nella rete, e la I-CSCF è il punto di contatto, all interno della rete di un operatore, per tutte le connessioni IMS destinate ad un abbonato a quell operatore di rete o ad un abbonato temporaneo (roaming) situato entro l area di servizio di quell operatore di rete. Il comportamento della P-CSCF differisce da quello descritto nella TS [14] nelle seguenti situazioni: - il punto di riferimento e2 permette alla P-CSCF di recuperare informazioni dal NASS (per es. la posizione dell UE); - i punti di riferimento Gq e Iq sono sostituiti dal punto di riferimento Gq. Basandosi sulla configurazione locale, la I-CSCF può realizzare funzioni di instradamento di transito (TS [15]). Il supporto alle comunicazioni di emergenza richiede l uso di una E-CSCF (TS [22]) ed ulteriori informazioni sui vari tipi di CSCF si trovano in TS [15]. Media Gateway Control Function La Media Gateway Control Function (MGCF) fornisce la capacità di controllare la Trunking Media Gateway Function (T-MGF) attraverso una interfaccia standardizzata. Tale controllo comprende l allocazione e la deallocazione di risorse del Media Gateway, come pure la modifica dell utilizzo di queste risorse. La MGCF comunica con la CSCF, la BGCF e le reti a commutazione di circuito, realizza la conversione di protocollo tra ISUP e SIP. In presenza di chiamate in ingresso provenienti dalle reti tradizionali, la MGCF calcola il next hop nell instradamento IP a seconda delle informazioni di segnalazione ricevute. Basandosi sulla Pagina 23 di 126

24 configurazione locale, la MGCF può inoltre realizzare funzioni di instradamento di transito (TS [15]). Questa entità funzionale è identica alla MGCF definita in TS [14], eccetto il fatto che supporta anche l interfunzionamento con TCAP. Un nodo che implementa questa entità funzionale in una NGN e un nodo che la implementa in una rete 3GPP possono differire in termini di risorse e configurazione. Multimedia Resource Function Controller Il Multimedia Resource Function Controller (MRFC), insieme al MRFP situato a livello trasporto, fornisce un insieme di risorse entro il core per il supporto dei servizi. Il MRFC interpreta le informazioni provenienti da un Application Server attraverso una S-CSCF e controlla il MRFP di conseguenza. Questa entità funzionale è identica al MRFC definito in TS [14], sebbene un nodo che implementa questa entità funzionale in una NGN e un nodo che la implementa in una rete 3GPP possano differire in termini di risorse e configurazione (vedi TS [15]). Breakout Gateway Control Function La Breakout Gateway Control Function (BGCF) determina il next hop nell instradamento SIP. Il calcolo può essere basato sulle informazioni ricevute dal protocollo, su informazioni amministrative e/o sull accesso al database. Per le terminazioni PSTN, la BGCF seleziona la rete in cui il breakout sta per verificarsi e (all interno di tale rete) attiva la MGCF. Questa entità funzionale è identica alla BGCF definita in TS [14], sebbene un nodo che implementa questa entità funzionale in una NGN e un nodo che la implementa in una rete 3GPP possano differire in termini di risorse e configurazione. In situazioni di transito la BGCF può avere delle funzionalità extra per l instradamento del traffico. Interconnection Border Control Function Una IBCF fornisce specifiche funzioni a livello del protocollo SIP/SDP in modo da realizzare l interconnessione tra i domini di due operatori. Essa permette la comunicazione tra applicazioni SIP di IPv6 e IPv4, il mascheramento della topologia di rete, il controllo delle funzioni del piano di trasporto, lo screening delle informazioni di segnalazione SIP, la selezione dell appropriata interconnessione di segnalazione e la generazione di record contenenti dati di costo. Basandosi sulla configurazione locale, la IBCF può realizzare funzioni di instradamento di transito. Questa entità funzionale è identica alla IBCF definita in TS [14], e ulteriori dettagli sono disponibili in TS [15] Punti di riferimento interni del Core IMS In quesa sezione vedremo brevemente quali sono i punti di riferimento del Core IMS (per ognuno di essi il protocollo utilizzato è SIP). Ulteriori dettagli sono disponibili in TS [14] e TS [15]. Reference point MGCF-CSCF (Mg) Il punto di riferimento Mg permette alla MGCF di inoltrare la segnalazione della sessione in ingresso (dalla PSTN) verso la CSCF allo scopo di garantire l interfunzionamento con le reti PSTN. Pagina 24 di 126

25 Reference point CSCF-MRFC (Mr) Il punto di riferimento Mr permette alla S-CSCF di trasmettere messaggi di segnalazione tra una application server function e un MRFC. Reference point CSCF-CSCF (Mw) Il punto di riferimento Mw permette la comunicazione e l inoltro dei messaggi di segnalazione tra le CSCF, per esempio durante il controllo di registrazione e sessione. Reference point CSCF-BGCF (Mi) Il punto di riferimento Mi permette alla S-CSCF di inoltrare la segnalazione di sessione alla BGCF allo scopo di garantire l interfunzionamento delle reti PSTN. Reference point BGCF-MGCF (Mj) Il punto di riferimento Mj permette alla BGCF di inoltrare la segnalazione di sessione alla MGCF per garantire l interfunzionamento delle reti PSTN. Questo punto di riferimento può anche essere usato da una MGCF per inoltrare la segnalazione di sessione alla BGCF in situazioni di transito (purché la MGCF supporti l instradamento di transito). Reference point BGCF-BGCF (Mk) Il punto di riferimento Mk permette alla BGCF di inoltrare la segnalazione di sessione ad un altra BGCF. Reference point CSCF/BGCF-IBCF (Mx) Il punto di riferimento Mx permette la comunicazione e l inoltro di messaggi di segnalazione tra una CSCF oppure una BGCF e una IBCF PSTN/ISDN Emulation Subsystem Il PSTN/ISDN Emulation Subsystem supporta l emulazione di servizi PSTN/ISDN per terminali tradizionali connessi alla NGN utilizzando Residential Gateways oppure Access Gateways. Ulteriori dettagli sono disponibili in ES [12] e TS [13] IPTV Subsystem IPTV Subsystem supporta la fornitura di servizi on-demand e di servizi broadcast usando una architettura di controllo del servizio descritta in TS [23]. L architettura TISPAN permette anche il supporto di servizi IPTV mediante l IP IMS, come descritto in TS [24] Componenti comuni L architettura NGN include un certo numero di entità funzionali cui possono accedere più sottosistemi: - User Profile Server Function (UPSF) - Subscription Locator Function (SLF) - Application Server Function (ASF) - Interworking Function (IWF) La Fig. 14 mostra i componenti comuni e i loro collegamenti agli altri elementi dell architettura. Pagina 25 di 126