Introduzione alle reti multiservizio

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1 Introduzione alle reti multiservizio Definizioni, opportunità e requisiti Reti di accesso e reti di trasporto Rete di accesso E la porzione di rete direttamente connessa al cliente finale Esegue prevalentemente funzioni di concentrazione e distribuzione In genere la banda disponibile è limitata Rete di trasporto E la porzione di rete che interconnette tra loro le reti di accesso Esegue funzioni di commutazione, multiplazione e demultiplazione In genere ha una forte disponibilità di banda 2 Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria delle Telecomunicazioni Reti di accesso e reti di trasporto Rete di accesso Rete di accesso Rete di trasporto Rete di trasporto Rete di accesso Rete di accesso Rete di accesso 3 Le reti tradizionali Fanno uso di infrastrutture e tecnologie distinte per ogni servizio offerto, sia a livello di accesso che di trasporto Ciascuna rete è ottimizzata in funzione delle caratteristiche dello specifico servizio e incompatibile con le altre Alcuni esempi PSTN/ISDN per la voce CATV per la TV via cavo GSM per le trasmissioni mobili ADSL per il traffico dati 4 Rete di accesso

2 Le reti tradizionali 5 Le reti multiservizio 6 Le reti multiservizio si basano su tecnologie a livello di trasporto che consentono di veicolare su un unica infrastruttura di rete servizi Quadruple-Play Voce, dati, video (Triple-Play) Mobile Si parla di reti IP di nuova generazione (Net Generation Network o NGN) Possono essere multiservizio, multidominio e multivendor Le reti multiservizio 7 Opportunità 8 Modello tradizionale Modello multiservizio Dal punto di vista dell utente, il nuovo scenario consente di utilizzare un unico terminale, fisso o mobile, eventualmente evoluto (es. set top bo), per l accesso a molteplici servizi disponibilità always-on possibilità di personalizzazione Vantaggi in termini di comodità semplicità costi

3 Opportunità 9 Requisiti L approccio best effort 10 Dal punto di vista degli operatori di rete Opportunità di ridurre i costi legati alla gestione dei singoli servizi, sfruttando un unica piattaforma altamente flessibile ed innovativa, basata sulla preesistente infrastruttura di trasporto Possibilità di controllare la qualità e fornire servizi differenziati sulla base delle esigenze di ogni singolo utente Possibilità di conquistare nuove quote di mercato e conservare un numero di clienti in costante crescita Nelle reti IP tradizionali l unico servizio offerto è di tipo best effort Nessuna garanzia riguardo l effettiva ricezione, l ordinamento e la prioritizzazione dei pacchetti Il protocollo IP è connectionless effettua scelte di instradamento hop-by-hop non prevede nessun meccanismo per il controllo e il recupero degli errori La rete ha l unico obiettivo di consegnare i pacchetti e lascia ai terminali il compito di recuperare eventuali situazioni di errore Requisiti L approccio best effort 11 Requisiti Il nuovo approccio 12 Alcune funzionalità quali, ad esempio, la numerazione dei pacchetti e la ritrasmissione in caso di perdita o errori, possono essere garantite dal livello di trasporto qualora si utilizzi il protocollo TCP (Transfer Control Protocol) Questo modello implementativo è stato concepito per un tipo di traffico (FTP, TELNET, HTTP e simili) che non necessita di requisiti specifici Applicazioni di streaming audio-video, Voice over IP (VoIP), videoconferenza o IP Television (IPTV) impongono invece vincoli stringenti su I tempi di consegna dei pacchetti La percentuale delle risorse di rete utilizzate da ogni flusso dati Gli errori di trasmissione Per queste nuove classi di applicazioni, l'approccio best effort non è più sufficiente

4 Requisiti Il nuovo approccio 13 Requisiti 14 Occorre definire politiche di gestione atte a garantire specifici requisiti di performance per ciascun servizio La rete deve essere in grado di Riconoscereiflussi di trafficoappartentiad un determinato tipo di servizio Classificare il tipo di servizio sulla base dei requisiti di performance Differenziareil trattamentosulla rete (instradamento) sulla base dei requisiti specifici Garantire lo sfruttamento ottimale delle risorse Occorre definire nuovi protocolli e metodi per La classificazione dei flussi di traffico La gestione della qualità del servizio(qos) Il routing intelligente La gestione della banda disponibile Tipologie di applicazioni 16 Introduzione alle reti multiservizio I servizi di nuova generazione La realizzazione degli obiettivi di qualità richiede una caratterizzazione dei servizi sulla base dei requisiti di performance In linea di principio, è possibile dare diverse classificazioni In questo contesto, si farà riferimento alla classificazione definita dall ITU nella RFC1633 Tale classificazione si basa sul ritardo che ogni pacchetto dati subisce nel transitare attraverso la rete Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria delle Telecomunicazioni

5 Applicazioni Elastiche e Real-Time 17 Applicazioni Elastiche e Real-Time 18 I servizi possono essere classificati in funzione del ritardo in Applicazioni Elastiche: elaborano i dati senza vincoli di real-time e sono in grado di svolgere le proprie funzioni anche se alcuni dati arrivano in ritardo Applicazioni Streaming o Real-Time:richiedono che ogni pacchetto arrivi a destinazione entro un dato intervallo di tempo oltre il quale verrebbe scartato Applicazioni Elastiche Asincrone Ritardi ininfluenti ( ) Interattive bulk Bassa sensibilità ai ritardi (FTP) Interattive burst Applicazioni Streaming o Real-Time Tolleranti (soft real-time) Adattative Adattative al ritardo Adattative in banda Intolleranti (hard real-time) Media sensibilità ai ritardi (TELNET) Adattative in banda Non adattative Applicazioni elastiche 19 Applicazioni elastiche 20 Vengono offerte in modalità best effort sulle reti IP , web browsing, FTP, TELNET, ecc Elaborano i dati nell istante in cui arrivano, senza necessità di buffer o di una caratterizzazione del livello di servizio richiesto Il ritardo riduce le prestazioni delle applicazioni, ma non al punto da renderle inutilizzabili Questa riduzione è dovuta al ritardo medio più che alla distribuzione statistica dei ritardi Le applicazioni elastiche possono essere classificate in tre sottocategorie applicazioni asincrone: sono le meno sensibili ai ritardi (es. o FAX) la rete riesce solitamente a garantire un livello di prestazioni sufficiente applicazioni interattive bulk: risentono in misura limitata degli effetti dei ritardi (es. FTP o HTTP) trasferiscono grandi quantità di dati che non necessitano di essere utilizzati con precisi limiti temporali

6 Applicazioni elastiche 21 Applicazioni Streaming o Real-Time 22 applicazioni interattive burst: sono caratterizzate da picchi istantanei nel bitrate che varia sensibilmente rispetto al valore medio risentono mediamente dei ritardi di trasmissione un esempio è il servizio TELNET Impongono un limite massimo al ritardo subito dai pacchetti se un pacchetto arriva con un ritardo superiore ad una data soglia non è più utilizzabile e viene conseguentemente scartato Una importante categoria è quella delle applicazioni di "signal playback riproducono in ricezione segnali generati da una sorgente, segmentati in pacchetti e trasportati dalla rete con un ritardo aleatorio il ricevitore, per ricostruire correttamente il segnale, deve evitare il rimescolamento dei pacchetti e gli errori di temporizzazione Applicazioni Streaming o Real-Time 23 Applicazioni Streaming o Real-Time 24 Questo comporta la necessità di un bufferin ricezione che consenta di compensare la variazione di ritardo tra i diversi pacchetti (jitter), ritardando la riproduzione di ogni pacchetto della stessa quantità (offset delay) Viene definito il "punto di playback" che determina l istante temporale oltre il quale i dati in ingresso non sono più utilizzabili per la ricostruzione del segnale originale Il punto di playback può essere stabilito a priori, se è disponibile una conoscenza della rete, oppure ricavato dall'analisi dei ritardi dei singoli pacchetti, in modo da poter variare l'offset delay dinamicamente Le applicazioni di "signal playback" si possono suddividere in soft real-time(o tolleranti): accettano una variazione del ritardo massimo accumulabile da ciascun pacchetto hard real-time(o intolleranti): richiedono che il ritardo massimo sia fissato a priori per evitare qualsiasi forma di distorsione del segnale originale

7 Applicazioni Streaming o Real-Time 25 Applicazioni Streaming o Real-Time 26 Generalmente, le applicazioni soft real-time cercano di ricavare il valore dell'offset delay dall'analisi dei ritardi Si parla di applicazioni di Adaptive Playback riducendo i vincoli sul ritardo è possibile incrementare il livello di utilizzo della rete, senza che l'applicazione ne risenta in modo pesante Per questo motivo, per applicazioni di Adaptive Playbackè sufficiente un servizio di trasporto analogo al classico Best Effortriferito però ad una rete priva di carico Esempi di applicazioni adattative sono il VoD (Video on Demand) o la televisione diffusiva Le performance di una applicazione real-time vengono valutate sulla base di due parametri: Latenza: si intende il periodo di permanenza di un pacchetto dati nella rete, cioè il ritardo che subisce nel percorso tra nodo sorgente e destinazione; La sensibilità alla latenza è tanto maggiore quanto più si richiede l'interazione tra i due estremi della connessione Fedeltà: si intende la qualità del segnale riprodotto dall'applicazione Un'applicazione real-time intollerante richiede un ritardo massimo ed una assoluta mancanza di perdite Applicazioni Streaming o Real-Time 27 Voce 28 Un applicazione di "signal playback" risente di latenza e fedeltà in funzione dell offset delay: Da un lato, il valore dell offset delay, determinato sulla base della predizione dei ritardi dei pacchetti, determina il valore della latenza di una applicazione Dall altro, i ritardi dei singoli pacchetti possono ridurre la fedeltà del playback qualora eccedano il valore dell offset delay. In questi casi l applicazione può scegliere se introdurre distorsione del segnale, modificando l offset delay in modo da riprodurre tutti i pacchetti anche se in ritardo riprodurre un segnale incompleto, scartando i pacchetti che arrivano oltre l offset Rientrano in questa categoria i servizi che realizzano uno scambio dati audio tra due terminali L esempio più classico è la telefonia tradizionale su rete PSTN (Public Switched Telephone Network) e prevede due tipologie di chiamata POTS (Plain old telephone service) POTS POTS radiomobile Il primo gruppo può essere ancora suddiviso in Chiamate verso numerazioni geografiche Chiamate verso numerazioni di tipo differente (NNG - Numerazione Non Geografica), come numeri verdi, ecc. per i quali la chiamata deve passare attraverso reti intelligenti

8 Voce 29 Voce 30 Con il tempo, la conversazione telefonica si è evoluta verso soluzioni IP La trasmissione della voce in tempo reale direttamente su reti IP consente comunicazioni telefoniche tra PC PC PC telefono fisso PC cellulare telefono fisso e cellulare PC senza passare attraverso la normale linea di trasmissione telefonica POTS terminale VoIP In una rete multiservizio è quindi possibile instaurare una chiamata telefonica tra enduser utilizzando una rete d accesso di vario tipo I terminali utente possono essere connessi alla rete PSTN connessi tramite connessione ADSL (Asymmetric Digital SubscriberLine) mobili telefoni IP Senza dubbio il fenomeno del VoIP sta avendo un ruolo predominante e rappresenta il futuro delle comunicazioni voce Voce 31 Voce 32 In una rete multiservizio è quindi possibile instaurare una chiamata telefonica tra enduser utilizzando una rete d accesso di vario tipo I terminali utente possono essere connessi alla rete PSTN connessi tramite connessione ADSL (Asymmetric Digital SubscriberLine) mobili telefoni IP Senza dubbio il fenomeno del VoIP sta avendo un ruolo predominante e rappresenta il futuro delle comunicazioni voce La qualità del servizio voce è influenzata da Ritardo one-way: ha due effetti distinti Il primo è la creazione dell'eco causato dalle conversioni bifilari e 4-wire o dall'accoppiamento acustico in un terminale: la degradazione della qualità inizia per ritardi dell'ordine dei 10 ms Il secondo effetto si manifesta quando il ritardo cresce a tal punto da compromettere la qualità della conversazione dinamica, ovvero il ritardo a destinazione diventa notevole. Ciò si verifica per ritardi dell'ordine di diverse centinaia di millisecondi

9 Voce 33 Voice Messaging 34 Jitter: è una variazione del ritardo di breve durata tra pacchetti consecutivi L'orecchio umano è altamente intollerante a questo fenomeno, per cui è necessario rimuoverlo con un buffer di de-jitterizing Perdita di informazioni: l'orecchio umano è in grado di tollerare la distorsione del segnale voce fino ad una certa soglia nei sistemi di trasmissione basati su IP una delle fonti principali di degradazione della qualità è l'uso di codec di compressione caratterizzarti da un basso bit rate, con prestazioni limitate in caso di perdita di pacchetti La messaggistica vocale risente della perdita d informazione in misura analoga al servizio voce Anche in questo caso i requisiti di qualità dipendono dallo speech coder La differenza fondamentale è che i messaggi vocali sono maggiormente tolleranti al ritardo perché privi dei vincoli di real-time In tal caso il problema principale diventa quello di stabilire quale ritardo l utente è disposto a tollerare tra il momento in cui richiede il servizio e il momento in cui il messaggio voce può essere effettivamente ascoltato Streaming audio 35 Radio IP 36 Rispetto al caso della telefonia, le applicazioni di audio streaming richiedono requisiti di qualità più stringenti per quanto riguarda la perdita di informazioni meno vincoli di real-time Questo servizio offre la possibilità di ascoltare stazioni radio via web Rispetto alle applicazioni di audio streaming, la radio su IP impone maggiori vincoli per quanto riguarda i ritardi, paragonabili al caso della telefonia Il segnale audio, infatti, viene riprodotto in tempo reale a destinazione, per cui è necessario che i ritardi di ricetrasmissione siano minimi e che i pacchetti arrivino nel corretto ordine per evitare errori di temporizzazione

10 Video Streaming - IPTV 37 Video Streaming - IPTV 38 L IPTV, o Internet Protocol Television, è un insieme di tecnologie che consentono la distribuzione di segnali televisivi e contenuti video di ogni tipo attraverso la rete Internet L'utente deve essere dotato di un apposito ricevitore, o Set-Top Bo (STB), collegato da un lato alla TV e dall'altro ad una connessione ADSL Le tipologie di servizio offerte dall IPTV sono Broadcast TV (BTV): consiste nella fruizione contemporanea da parte degli utenti di un "canale" televisivo tradizionale, Free-to-air o Pay TV, in maniera del tutto simile a quanto avviene sulla TV tradizionale. I servizi BTV sfruttano tipicamente le funzionalità di multicast presenti su una rete IP Video On Demand (VOD): consiste nella visione su richiesta di contenuti multimediali messi a disposizione dal Service Provider. L'utente interagisce direttamente con il Service Provider e ha a disposizione le funzioni tipiche di un VCR (play, pause, rewind, fast-forward). I servizi di VOD utilizzano le comunicazioni unicast della rete IP Video Streaming - IPTV 39 Videotelefono 40 I servizi IPTV richiedono un livello di affidabilità della rete, di controllo della qualità del servizio e disponibilità di banda molto superiore ai servizi "best effort Rispetto al VoIP, comportano meno problemi L interattività, soprattutto nelle applicazioni Broadcast TV,non è particolarmente elevata, per cui i vincoli sul ritardo non sono molto rigorosi, similmente al caso dello streaming audio Può essere tollerato un tempo di attesa iniziale di alcuni secondi e il jitter può essere compensato tramite buffering Il videotelefono è un sistema full-duple, che trasporta sia video che audio con vincoli di realtime analoghi al caso di una normale conversazione telefonica Ha la stessa tolleranza al ritardo one-way e al jitter di una semplice conversazione voce, ma richiede sincronizzazione audio-video per fornire "il lipsynch" L'occhio umano è in grado di tollerare una certa perdita di informazioni Gli ultimi video codecmpeg-4 forniscono una qualità video accettabile con un rate di cancellazione dei frame fino ad un massimo di circa 1%

11 Videoconferenza 41 Videoconferenza 42 La videoconferenza è l'interazione sincrona in audio, video e dati fra due o più soggetti Il protocollo utilizzato varia in funzione del tipo di rete utilizzata Su reti ISDN si utilizza il protocollo H.320 Su reti ATM il protocollo H.321 Su reti UMTS il protocollo H.324M Su reti IP il protocollo H.323 o, in alternativa, il protocollo SIP Rispetto alla ISDN, le soluzioni basate su IP presentano maggiori problemi la qualità è spesso compromessa dalla perdita di pacchetti o dal ritardo in ricetrasmissione (latenza) Il traffico generato da applicazioni di videoconferenza richiede le stesse prestazioni del VoIP ma ha un pattern di traffico completamente differente La dimensione e il rate dei pacchetti sono molto variabili La banda prioritaria da allocare per questo tipo di traffico deve essere superiore del 20% rispetto al bitrate nominale della sessione Ad esempio, una sessione di videoconferenza da 384 kbpsrichiede l allocazione di 460 kbps di banda garantita Trasferimento di file 43 Web browsing 44 Questa categoria include tutte le applicazioni per il trasferimento di file su Internet Il protocollo più comune è l FTP (File Transfer Protocol) I requisiti di qualità del servizio riguardano principalmente i tempi di attesa per il completamento del download Finché c è un'indicazione della percentuale di dati trasferiti, la tolleranza sul ritardo è maggiore di quella per una singola pagina Web Questa categoria di applicazioni fa riferimento alla visualizzazione di pagine web su siti Internet Il caricamento di pagine web non richiede dei requisiti di qualità particolarmente stingenti I vincoli relativi al ritardo sono paragonabili a quelli per il trasferimento di dati di tipo bulk (FTP) Dal punto di vista dell'utente, il fattore principale che determina la qualità è dato dalla velocità di visualizzazione di una pagina Tipicamente, si considerano accettabili ritardi non superiori a 10 secondi circa

12 E-commerce 45 Telemetria 46 Le applicazioni di commercio elettronico consistono nello scambio attraverso la rete di tutte le informazioni che accompagnano una transazione commerciale Il principale requisito richiesto è la capacità di immediatezza e un ritardo al massimo di qualche secondo E richiesta inoltre la garanzia di un livello di sicurezza elevato I servizi di comando/controllo unidirezionali o bidirezionali implicano vincoli molto stretti sul ritardo, molto inferiori ad un secondo Una differenza chiave rispetto alla conversazione voce e ai servizi video è la tolleranza zero per la perdita delle informazioni Telnet Il TELNET è un semplice protocollo che permette l'accesso interattivo da un PC ad un altro con un'interfaccia di tipo testuale I requisiti relativi al ritardo dovrebbero consentire un istantaneo eco di ritorno del carattere e quindi ritardi brevi, di circa una frazione di secondo Il servizio , generalmente, è considerato un servizio di memorizzazione e di inoltro che può essere tollerare ad un ritardo di parecchi minuti o persino ore Tuttavia, è importante distinguere le comunicazioni tra un utente e il mail-server locale dalle comunicazioni tra due server Nel primo caso, quando l'utente comunica con il mailserver locale, si aspetta che il trasferimento della posta venga ultimato in pochi secondi

13 Segnalazione 49 Servizi a bassa priorità 50 Questa categoria comprende tutti i messaggi che vengono scambiati tra entità della rete per supporto ad applicazioni quali il set-up delle chiamate, l instradamento dei pacchetti, l aggiornamento delle tabelle di routing, ecc. Si tratta di servizi real-time, che però sono in grado di tollerare delle variazioni sui parametri di qualità relativi soprattutto al ritardo Rientrano in questa categoria i servizi di FAX, SMS, MMS, ecc In linea di principio, l'unico requisito è che le informazioni siano trasmesse all utente finale prive di errori Tuttavia, esiste un vincolo sul ritardo, dal momento che, per qualunque applicazione pratica, i dati sono inutili se ricevuti con un ritardo eccessivo Telemedicina 51 Classificazione delle applicazioni 52 Le applicazioni di telemedicina consentono ai centri sanitari di prestare assistenza medica a pazienti lontani mediante i mezzi di telecomunicazione e d'informatica I requisiti richiesti variano a seconda della particolare applicazione Nel caso di servizi di assistenza medica è necessario garantire una qualità del servizio molto alta, con requisiti paragonabili a quelli del VoIP e della videoconferenza Nel casodi servizi di informazione e aggiornamento, i vincoli real-time sono meno stringenti Servizio Voce Videotelefonia Videoconferenza Gaming interattivo real-time Gaming interattivo non-real-time Telemetria Telemetria bidirezionale TELNET Audio streaming IPTV: video on demand IPTV: broadcast TV FTP Messagistica vocale Web-browsing Transazioni on-line (es. E-commerce) Posta elettronica con server in rete Fa Servizi a bassa priorità (es. SMS) DNS Server-to-server Segnalazione Radio IP Telemedicina Non real-time (elastico) Soft real-time Hard real-time

14 Evoluzione delle applicazioni 53