Capitolo 5 1 /2 - parte 2. Corso Reti ed Applicazioni Mauro Campanella

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1 Capitolo 5 1 /2 - parte 2 Corso Reti ed Applicazioni Mauro Campanella

2 Mezzi trasmissivi fisici Cavo coassiale Guida Coppia di cavi intrecciati (twisted pair) Fibra Ottica Non guida Aria Vuoto M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap pag. 2

3 Mezzi trasmissivi Il mezzo trasmissivo è il cammino fisico, tra il mittente e ricevente, che il segnale (onda elettromagnetica o fotone) attraversa. Su tali mezzi trasmissivi il segnale può viaggiare in una sola direzione (simplex) nelle due direzioni alternativamente (half-duplex) contemporanemeamente in entrambe le direzioni (full-duplex) Il mezzo può essere punto-punto oppure condiviso da più nodi M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap pag. 3

4 Lo spettro elettromagnetico f(hz) suono radio microonde infrarosso UV raggi X raggi gamma 700 nm 400 nm luce visibile La relazione fondamentale tra la frequenza ƒ e la lunghezza d onda λ è λƒ = c/n(λ) dove c è la velocità della luce nel vuoto ed n(λ) è l indice di rifrazione del mezzo (per esempio n è circa nel diamante). A frequenze più grandi corrispondono lunghezze d onda più piccole. Figure 3.48 M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap pag. 4

5 Spettro Elettromagnetico p.e nm 1310 nm 850 nm M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap pag. 5

6 Doppino incrociato Due fili che corrono paralleli, incrociandosi, ciascuno isolato da una guaina isolante I fili si avvolgono con regolarità l uno con l altro e sono spesso uniti con altre coppie in un unico cavo. Il ricevente ricava il segnale della differenza in tensione rilevata sui due fili allo stesso istante L interferenza agisce su entrambi i fili nello stesso modo permettendo di trasmettere differenzialmente e di eliminare il rumore Incrociando i fili si riduce l interferenza fra coppie vicine. Singolo giro: mm singolo giro Spessore : mm M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap pag. 6

7 Interferenza su doppino non incrociato sorgente di rumore rumore = 16 unità mittente ricevente rumore = 12 unità L effetto totale, anche se si trasmette differenzialmente (segnali identico su entrambi i fili, ma di segno opposto, sommati alla fine) è di 4 unità di rumore al ricevente. M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap pag. 7

8 Interferenza su doppino incrociato sorgente di rumore rumore = 4 unità mittente ricevente rumore = 3 unità per ogni mezzo giro di ogni filo L effetto totale, con trasmissione differenziale, è di 0 unità di rumore al ricevente. M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap pag. 8

9 Doppino incrociato Il doppino permette di trasmettere un ampio spettro di frequenze. Attenuazioni tipiche sono di db/km a 1KHz 7 16 db/km a 500KHz In caso di trasmissione digitale Ripetitori ogni 2-3 Km permette pochi Mb/s su lunghe distanze e 100 Mb/s 1Gb/s su distanze da 10 a 100 metri. Per esempio, un filo di misura 24 (24-gauge) (diametro mm) permette la trasmissione fino a 5 Km a 1,5 Mb/s, ma solo 300 metri a 51 Mb/s. M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap pag. 9

10 Attenuazione nel doppino fino a 1 MHz 26 gauge Attenuazione (db/miglio) gauge 22 gauge 19 gauge 3 1 0,01 0,1 1 f (MHz) M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap pag. 10

11 Attenuazione nel doppino fino a 100 MHz Category Category 5 Category Category 4 Category Category 3 Attenuazione db/305 m Frequenza (MHz) M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap pag. 11

12 Doppino schermato e non schermato Unshielded Twisted Pair (UTP) normale cavo telefonico per esempio economico semplice da installare può risentire di interferenze elettromagnetiche esterne Shielded Twisted Pair (STP) Aggiunta di uno schermo metallico che riduce le interferenze più costoso più difficile da utilizzare (più rigido, spesso e pesante) M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap pag. 12

13 blu bianco/blu Il cavo UTP bianco/arancio arancio bianco/ verde verde bianco/marrone marrone Normalmente 4 coppie con colori standard. M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap pag. 13

14 Categorie UTP Cat 2 da 0,256 a 1 MHz, usato solo per la voce Cat 3 - diffuso da 0,772 a 16MHz usato sia per la voce che per i dati lunghezza del giro da 7.5 cm a 10 cm Cat 4 - poco usato da 0,772 a 20 MHz Cat 5 - molto usato da 0,772 a 100MHz lunghezza del giro da 0.6 cm a 0.85 cm Cat 6 da 0,772 a 250 MHz o più ancora non standardizzato M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap pag. 14

15 Connettori Il connettore da utilizzare riveste un importanza pari o superiore a quella del cavo stesso: facile da utilizzare economico resistente all usura ed alla trazione sia maschio che femmina, con possibilità di presa a muro connettore maschio UTP RJ-45 M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap pag. 15

16 La distribuzione strutturata linea totale Switch Patch Panel Cavo Patch Nodo Cavo di distribuzione nell edificio Presa a muro Cavo Patch Linea Base Stanza M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap pag. 16

17 Connettori Telefono Distribuzione d edificio: Cavo multicoppia terminato tradizionalmente su dei pannelli con connettorizzazione a pressione. Il singolo filo viene inserito a pressione fra due lamine sottili che tagliano la guaina e fanno contatto con il rame vari tipi, tra cui AT&T e Krone Distribuzione finale presa a muro con spina tripolare (italia) oppure connettore RJ-11 (4 o 6 fili) M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap pag. 17

18 KRONE -vs- 110 Contatto tipo KRONE Contatto AT&T tipo 110 vista dall alto vista laterale M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap pag. 18

19 Connecttori dati Il tipo di connettore universalmente usato è il tipo RJ45, specificato da TIA/EIA 568A/B: 4 coppie intrecciate in versione schermata o non schermata maschio femmina M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap pag. 19

20 RJ45 (2 coppie) pin out cavo dritto 1 - TX+ 2 - TX- 3 - RX RX RX+ 2 - RX- 3 - TX TX La regola per associare un cavo di un particolare colore al numero di un pin del connettore, nel caso di cavo dritto, il più usato. La disposizione dei cavi nei due connettori è identica. Il connettore dal lato dello switch automaticamente inverte receive e transmit come mostrato. M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap pag. 20

21 RJ45 (2 coppie) pin out cavo incrociato 1 - TX+ 2 - TX- 3 - RX RX TX+ 2 - TX- 3 - RX RX Un cavo incrociato serve per collegare due nodi terminali direttamente, senza necessità di uno switch. Quindi i pin da entrambi i lati avranno lo stesso significato ed il cavo deve collegare ogni TX all RX corrispondente. M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap pag. 21

22 L uso del doppino Il doppino è alla base del cablaggio strutturato, che unifica la distribuzione all utente di telefono, voce e dati su due soli mezzi: doppino (di categoria 5 o superiore) fibra ottica (in alcuni casi) Il rame non è più usato nella struttura di dorsale, dove si preferisce la fibra ottica per la maggiore distanza che permette, flessibilità di impiego e velocità. Il doppino è ancora diffuso nell ultimo miglio, come eredità del sistema telefonico e tecniche come xdsl cercano di ottenere dal doppino la massima velocità trasmissiva. M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap pag. 22

23 ISDN Integrated Service Data Network su rete telefonica stessa: l accesso base (Basic Rate Interface) consiste in due canali (B) a 64Kb/s uno dati (D) a 16Kb/s costoso, perchè tariffato a tempo, se si usano due canali si paga il doppio (costo è funzione lineare della capacità usata) banda garantita permette di utilizzare più di un canale a 64Kb/s contemporaneamente, ma come somma di molti canali singoli il perfezionamento dei modem l ha reso obsoleto M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap pag. 23

24 ADSL Asymmetric Digital Subsrciber Line usa lo stesso filo telefonico verso utente (local loop), ma lo collega ad apparecchiature diverse lo spettro di frequenza è diviso in due parti: dall utente alla rete: da 64 a 640 Kb/s dalla rete all utente: da a Mbs ITU-T G specifica per ADSL la modulazione Discreta Multi Tono (DMT) che combina le caratteristiche del multiplexing a divisione di frequenza e l utilizzo contemporaneo di più di un canale trasmissivo (multiplexing inverso) DMT divide la banda in vari sotto-canali l informazion è inviata simultaneamente a tutti i canali usando tecniche QAM ed evitando i canali rumorosi. M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap pag. 24

25 Cavo Coassiale Due tipi: BandaBase (Baseband) e BandaLarga (Broadband) Conduttore centrale (metallo solido) Isolamento (materiale dielettrico) Conduttore esterno (schermo a fogli) Isolamento esterno M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap pag. 25

26 Cavo Coassiale Il cavo coassiale permette uno spettro di frequenze più ampio del doppino (fino ad 1 GHz): Diametro cm; Distanze maggiori del doppino; maggior numero di nodi collegabili; buona schermatura; costo medio; 50 Ω usato per i dati, 75 Ω usato per trasmissioni analogiche, televisione, satellite. Usato ampiamente tutt ora nella distribuzione telefonica e per la televisione via cavo. M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap pag. 26

27 Cavo Coassiale Nella trasmissione dati Ethernet 10Base2 utilizza un connettore a T per collegare i nodi e resistenze di terminazione di 50 Ω. La rete finale deve essere equivalente ad un bus lineare, senza biforcazioni e anelli! M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap pag. 27

28 Attenuazione nei cavi coassiali Attenuazione (db/km) /2.9 mm 1.2/4.4 mm 2.6/9.5 mm f (Mhz) M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap pag. 28

29 Rete via cavo Diffusa negli Stati Uniti ed in altri paesi. Un mezzo condiviso fra molti utenti. (si veda capitolo 1 Kurose) Tipicamente da 500 a 5,000 case capo del cavo rete di distribuzione M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap pag. 29

30 Rete via cavo server Ambiente casalingo M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap pag. 30

31 M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap pag. 31 Canali V I D E O V I D E O V I D E O V I D E O V I D E O V I D E O D A T A D A T A C O N T R O L FDM: Rete via cavo

32 Fibra ottica Gli enormi progressi in termini di miniaturizzazione e velocità delle componenti elettroniche hanno permesso di passare nell arco di 20 anni da CPU a 1 Mhz a CPU a 2 GHz (un fattore 20 ogni dieci anni, legge di Moore). La trasmissione dati su fibra ottica nello stesso periodo è cresciuta fino a 50,000 Gb/s su singola fibra, vincendo, per ora, la gara. M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap pag. 32

33 Fibra ottica Tre componenti chiave: la sorgente di luce la fibra il rivelatore Core (cuore) Rivestimento esterno (Jacket) Rivestimento interno (Cladding) luce cladding jacket core M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap pag. 33

34 Fibra ottica Figure 3.44 θ c La luce in ingresso ad un angolo maggiore di quello critico è assorbita dal rivestimento esterno Angolo di Incidenza Angolo di Riflessione Il core un indice di rifrazione leggermente maggiore del cladding, permettendo la riflessione totale interna. Il rapporto dei due indici di rifrazione definisce l angolo critico θ c (circa 16 ) Quando l angolo di incidenza della luce è minore di θ c la luce viene riflessa ancora nel core, proseguendo M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap pag. 34

35 Fibra ottica - sistemi trasmissivi Un segnale elettrico viene convertito in ottico, sotto forma di impulsi (1 = luce, 0 = assenza di luce) Light Emitting Diode (LED) economici; operano in una vasta gamma di condizioni ambientali ; di lunga durata; potenza limitata; non strettamente monocromatici Injection Laser Diode (ILD) e Laser più efficenti e potenti; monocromaticità; più costosi ed ingombranti Il ricevente riconverte il segnale ottico in elettrico. Normalmente nelle fibre il data link fa costantemente passare segnale per mantenere costante la risposta della fibra. M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap pag. 35

36 Fibra ottica Laser Intensità LED Lunghezza d onda M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap pag. 36

37 Parametri per le prestazioni Attenuazione (intrinseca e meccanica) Lunghezza d onda (il mezzo reagisce diversamente a lunghezze d onda diverse) Dispersione (l impulso non è mai perfettamente monocromatico e la velocità di propagazione cambia da una lunghezza d onda ad un altra) Frequenza di utilizzo La composizione della fibra (mono o multimodale, tipo di vetro, drogata) M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap pag. 37

38 Attenuazione nella fibra Perdita per collisione o assorbimento nella fibra Perdita per angolo eccessivo di piegatura della fibra M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap pag. 38

39 Lunghezze d onda tipiche La scelta della lunghezza d onda dipende dalla sorgente e dalla fibra (lunghezza e tipo) NON bisogna mai guardare nelle fibre o nelle interfacce ottiche, soprattutto se a medio o lungo range! Luce Visibile 400 nm Ultravioletto 455 nm Violetto 490 nm Blu 550 nm Verde 580 nm Giallo 620 nm Arancio 750 nm Rosso 800 nm Infrarosso 850 nm 1300 nm 1550 nm M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap pag. 39

40 Frequenze tipiche Ogni apparecchiatura di trasmissione e ricezione è sensibile a frequenze ne intorno di una principale e fino ad un livello minimo di intensità di segnale. Lunghezza d onda Finestra di ricezione nominale 850 nm 800nm - 900nm 1310 nm 1250nm nm 1550 nm 1500nm nm M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap pag. 40

41 Attenuazione M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap pag. 41

42 Attenuazione Perdita (db/km) Rayleigh scattering Assorbimento infrarosso Lunghezza d onda (µm) M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap pag. 42

43 Fibra ottica Nella regione intorno a 1300nm attenuazione < 0.5dB / km banda fino a 25 Terahertz Nella regione intorno a 1550nm attenuazione < 0.2dB / km banda fino a 25THz Utilizzando tecniche di multiplazione di frequenza si ottiene la Wavelength Division Multiplexing (WDM) per utilizzare la grande banda disponibile. Dense WDM (DWDM): 160 lunghezze d onda da 10 Gp/s l una Coarse WDM: 8 lunghezze d onda fino a 2.5 Gp/s Maggiore la velocità maggiore la dispersione Oggi esistono apparecchiature che permettono di avere tratte senza ripetitori di anche 600 Km. M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap pag. 43

44 Dispersione La dispersione è causata dalla variazione della velocità nella fibre in funzione del valore della lunghezza d onda. Due i principali effetti di dispersione: Modale Cromatica L effetto netto è l allargamento dell impuso di luce. Sono prodotte oggi fibre a dispersione negativa diversa da zero (Non Zero Dispersion Fiber) che correggono la dispersione agendo al contrario. M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap pag. 44

45 Dispersione cromatica Cladding nm nm nm nm Cladding nm nm Core M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap pag. 45

46 Dispersione modale Fiber Fibra Shortest Path High Order Mode Cammino più breve Cammino più lungo (modo di ordine superiore) M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap pag. 46

47 Modi nella fibra ottica Fibra Multi Modo - luce su cammini diversi Luce riflessa Cammino diretto Fibra Mono Modo - solo un cammino Fibra Multi-Modo: molti raggi di luce con cammini diversi (dimensioni tipiche 62.5/125 micron o 50/125 micron), ma limitazioni nella distanza e nella frequenza massima Fibra Mono Modo (Single-Mode): diametro del core di 9 micron per distanze maggiori e velocità elevate (anche 160 Gb/s) M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap pag. 47

48 Modi di trasmissione M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap pag. 48

49 Fibra ottica - Applicazioni Scelta naturale per distanze grandi, anche su scala geografica velocità da 155 bs to 9.6 Gb/s (singola lambda ); 40 Gb/s a Gb/s (con WDM) Comincia ad essere diffusa anche come mezzo per l accesso Una fibra per ogni casa è ancora costosa Una fibra per ogni edificio è più abbordabile (Fastweb) Su LAN come dorsale e per alcuni nodi Ethernet (10, 100, 1.000, Mb/s) Il nodo deve avere un architettura HW adatta M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap pag. 49

50 Fibra ottica - vantaggi capacità pressoché illimitata anche su una singola fibra peso e dimensioni ridotte bassa attenuazione (0.5 db/km) immune da interferenze elettromagnetiche maggiore durata nel tempo dell investimento adattabile a vari scenari (cavidotti elettrici, tubature ) costi abbordabili possibile fare giunzioni a caldo sul campo (< 0.01 db) M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap pag. 50

51 Fibra ottica - connettori connettore di tipo SC M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap pag. 51

52 Synchronous Optical NETwork (SONET - USA) e Synchronous Digital Hierarchy (SDH - EU) Sviluppato dalle società di telecomunicazione (Bellcore e quindi CCITT) per Interconnettere in maniera standard fibre di carrier diversi Unificare i sistemi digitali europei, giapponesi e degli USA Multiplare efficentemente i canali in modo sincrono, così che sia possibile indirizzare direttamente il frame di una particolare connessione Unificare e creare un sistema di diagnostica, controllo, amministrazione e mantenimento (OAM) M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap pag. 52

53 Velocità trasmissive SONET/SDH M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap pag. 53