Trasmissione dell informazione

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1 Università degli Studi di Roma Tor Vergata Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Medica Trasmissione dell informazione Canale di Trasmissione Messaggio Messaggio Sorgente Destinazione CODICE CODICE Messaggio Messaggio RUMORE Canale trasmissivo Slide 2 of XX _

2 Quantità di informazione Ricordando che l informazione è rappresentata dalla variazione di una grandezza (ad esempio nel tempo) Per una sorgente che può inviare da un alfabeto X(x 1,x 2,x 3,..x n ) di n simboli nel canale una qualsiasi sequenza di simboli La quantità di informazione è legata al grado di imprevedibilità dei simboli inviati nel canale dalla sorgente stessa Es. una sorgente che invii un solo simbolo produce una quantità di informazione nulla dato che è perfettamente prevedibile ciò che invia Slide 3 of XX _ Canale di trasmissione xi Ingresso CANALE In un canale ideale ogni simbolo trasmesso viene ricevuto in modo esatto x i = y i Uscita yi In un canale reale y i può non essere uguale a x i y p( i ) xi p s ( x i ) Probabilità che all uscita sia rilevato il simbolo y i quando la sorgente ha inviato il simbolo x i Probabilità di sorgente Probabilità che la sorgente invii il simbolo x i Slide 4 of XX _

3 Quantità di informazione velocità La quantità di informazione è anche legata alla velocità con cui la sorgente genera i simboli e si misura in simboli/sec Se la sorgente produce solo due simboli ed il singolo simbolo è indicato come bit la velocità di trasmissione è misurata in bps (bit per secondo) Più in generale si parla di flusso di informazione Slide 5 of XX _ p R ( y ) = Probabilità di ricezione n i = 1 i Canale di Trasmissione La ricezione di un simbolo sbagliato è condizionata dalla sorgente e dal canale Probabilità che il ricevitore riconosca il simbolo y i quando la sorgente ha inviato il simbolo x i Questa probabilità è importante in quanto limita la capacità teorica di trasmissione e permette di individuare la capacità del canale misurata in bps utili. p S y ( x i i )* p( ) x i Slide 6 of XX _

4 Ridondanza della codifica Se indichiamo con K(C) la capacità del canale F(X) il flusso di informazione Si possono avere i casi K(C) <= F(X) La situazione è critica K(C) > F(X) C è la possibilità di inviare simboli aggiuntivi che permettano dei controlli ed il ripristino del simbolo originario Slide 7 of XX _ Probabilità di ricezione Sorgente {A, C, G, T} p S (A)=0,5 p S (C)=0,25 p S (G)=0,125 p S (T)=0,125 75% A esatto 25% A confuso con C p(y i /x i )=0 eccetto che p(c/c)=p(g/g)=p(t/t)=1 p(a/a)=0,75 p(c/a)=0.25 p R (A)= 0,5*0,75 = p R (C)=0,25 + 0,25*0,25 = 0,375 p R (G)= p R (T)=0,125 Slide 8 of XX _

5 Rappresentazione dei segnali Si definisce segnale una grandezza che varia nel tempo s(t), secondo una qualsiasi legge, il valore istantaneo si s(ti) viene indicato con il nome di ampiezza. Ci sono particolari segnali che derivano dal moto circolare uniforme che sono detti sinusoidali espressi da relazioni del tipo s( t) = A*sin(2πf + ϕ) dove oppure s( t) = A*cos(2πf + φ) A è la massima ampiezza che può assumere il segnale f è la frequenza (numero di oscillazioni che si completano nell unità di tempo) T = 1/f è il periodo ( durata di una oscillazione completa) ϕ e φ fase (angolo al tempo iniziale Slide 9 of XX _ Rappresentazione dei segnali Una qualsiasi funzione periodica può essere ottenuta dalla somma di n funzioni sinusoidali multiple della frequenza fondamentale con prori valori di An ed Fn con f n =n/t con n intero e ϕ di valore opportuno. A A Slide 10 of XX _

6 Rappresentazione dei segnali Slide 11 of XX _ Potenza del segnale Dato che l ampiezza istantanea s(t i ) rappresenta l intensità del segnale come somma delle singole intensità dei segnale componenti si può definire una intensità media sm(t) in un certo intervallo di tempo Ed una potenza associata P(t i ) =s 2 (t i ) Nella maggior parte dei casi non interessa la potenza in quanto tale ma vari rapporti caratteristici come il rapporto tra Pi d ingresso e Pu di uscita da un canale o da un amplificatore che definiscono il fattore di attenuazione o di amplificazione Pu/Pi = fattore di amplificazione o attenuazione Oppure dato che il rumore essendo anch esso un segnale che si somma al nostro segnale utile disturbando la trasmissione Ps/Pn = rapporto segnale rumore (noise) Normalmente i rapporti di potenza si esprimono utilizzando i logaritmi in quanto permettono di rappresentare meglio la situazione 10 log 10 (P1/P2) = numero espresso in db (decibel) Se il valore è negativo -5 db allora P1 < P2 Se il valore è uguale a zero allora P1 = P2 Se il valore è positivo allora P1 > P2 Slide 12 of XX _

7 Larghezza di banda Larghezza di banda del canale Le caratteristiche fisiche dei supporti non permettono di inviare segnali che coprano l intero range dei segnali possibili ma solo alcune parti Il valore B=fmax-fmin rappresenta la larghezza di banda Una banda limitata modifica il segnale inviato Slide 13 of XX _ Larghezza di banda e capacità del canale In assenza di rumore un canale con larghezza di banda B può trasportare 2B simboli (valori di ampiezza distinti) E dato che in condizioni di equiprobabilità ogni simbolo scelto tra n porta flusso pari a log 2 n bit di informazione consegne che la massima quantità di informazione trasferibile nel canale è K(C)=2*B*log 2 n Teorema di Shannon Capacità del canale K(C)= B log 2 (1+S/N) Slide 14 of XX _

8 Trasmissione dei segnali I canali ed i segnali possono essere: Analogici Digitali Un canale analogico trasmette direttamente solo segnali analogici Un canale digitale trasmette direttamente solo segnali digitali Trasmissione di segnali su canali diversi Conversione di segnale Slide 15 of XX _ Modulazioni Analogiche Considerando che i canali trasmissivi hanno caratteristiche ben determinate ed i segnali che vogliamo trasmettere altre caratteristiche è necessario adattare i segnali da trasmettere al canale che si vuole usare portate s( t ) = A * sin( 2π f + ϕ ) Modulazione Analogica Modulazione di AMPIEZZA Modulazione di FREQUENZA Modulazione di FASE Si basano sulla trasmissione dell informazione (modulante) appoggiata ad un segnale detto portante che ne permette l invio sul canale trasmissivo modificando uno o più parametri del segnale portate attraverso il segnale modulante Slide 16 of XX _

9 Traslazione in Banda Il segnale utile è normalmente confinato in uno spazio di frequenze ben determinato detto Banda Base Es. suono udibile 0 Hz 20kHz Es. suono intelligibile 20 Hz 5000 khz Udibile completo Intelligibile (voce) Slide 17 of XX _ Traslazione di banda Permette in un canale a banda larga di inserire in regioni diverse segnali provenienti da sorgenti diverse Segnali traslati (banda da 8000 Hz) sul mezzo fisico di trasmissione Banda base audio Utenti che usano ogniuno un proprio spazio (canale) A B C D Slide 18 of XX _

10 Modulazione di Ampiezza la banda di trasmissione si raddoppia Canale Analogico Slide 21 of XX _ Canale Analogico Modulazione di Frequenza Slide 22 of XX _

11 Modulazioni impulsive Si basano sulla trasmissione dell informazione sequenze di bit appoggiata ad un segnale detto portante di impulsi definiti in durata temporale Modulazione ad impulsi Modulazione ad ampiezza di impulso PAM Modulazione a larghezza di impulso PWM Modulazione a posizione dì impulso PPM Modulazione ad ampiezza codificata PCM Slide 24 of XX _ Codifica ad impulsi PAM (Pulse Amplitude Modulation) Digital signals Portante per la sincronizzazione PCM (Pulse Code Modulation L0 PCM (Pulse Code Modulation Neg Slide 25 of XX _

12 Scambio dati Collegamento diretto Scambio di unità di memoria modem collegamento su rete telefonica pubblica modem Slide 26 of XX _ ANALOGIA CON RETI TELEFONICHE elementi condivisi in tempi diversi PUNTO Switchs Commutatori Nodo di Commutazione Commutazione di circuito PUNTO Slide 27 of XX _

13 MODEM MOdulatore - DEModulatore Il modem trasforma i segnali digitali seriali, i singoli bit in frequenze definite che possono viaggiare sulla rete telefonica 500 Hz 1 sec 1000 Hz 1 sec 500 Hz 1 sec 1000 Hz 1 sec 1000 Hz 1 sec 500 Hz 1 sec 500 Hz 1 sec 1000 Hz 1 sec Slide 28 of XX _ MODEM Con due diverse frequenze posso in quella frazione di tempo inviare 1 solo bit Hz Hz Allora se sono in grado produrre dal lato sorgente e riconoscere dal lato destinazione quattro diverse frequenza senza errore posso inviare una coppia di bit nella stessa frazione di tempo Hz Hz Hz Hz 500 Hz 1 sec 1000 Hz 1 sec 500 Hz 1 sec 1000 Hz 1 sec 1500 Hz 1 sec 2000 Hz 1 sec Slide 29 of XX _

14 MODEM Ulteriore conseguenza di ciò è nel poter inviare 4 bit nella stessa frazione di tempo, se sono in grado di generare e riconoscere 16 diverse frequenze Hz Hz Hz Hz Hz Hz Hz Hz Tecnologicamente tutto ciò viene realizzato con la combinazione di 8 frequenze che rappresentano una matrice di 4x4, 4 basse e 4 alte; in modo da evitare interferenze tra le rispettive armoniche 500 Hz 1 sec 750 Hz 1 sec 1000 Hz 1 sec 1250 Hz 1 sec 3750 Hz 1 sec 4000 Hz 1 sec 4250 Hz 1 sec Low Frequency High Frequency A B C 4500 Hz 1 sec 941 * 0 # D Slide 30 of XX _ MODEM Quanta informazione può viaggiare sulla rete? Velocità si esprime in bit / ses. bps. trasferire 1 Mbyte = bit a 2400 bps 3495 secondi = 58,2 minuti a bps a bps a bps 291 secondi = 4,8 minuti 148 secondi = 2,4 minuti 65 secondi = 1 minuto a 5 Mbps 1,6 secondi a 100 Mbps a 1 Gbps 83 millisecondi 8,3 millisecondi Slide 31 of XX _

15 Commutazione digitale Comunicazione a pacchetto L idea fondamentale di questa modalità di trasmissione, che ancora oggi è alla base della comunicazione nella rete, è dovuta ad un ingegnere Paul Baran dipendente di un industria bellica; che nei primi anni sessanta pensò di frammentare l informazione in tanti piccoli pezzi indipendenti che potessero prendere nella rete percorsi alternativi. Slide 32 of XX _ Commutazione a pacchetto mittente mittente destinatario destinatario Smistamento Roma Smistamento Torino Slide 33 of XX _

16 PUNTO A RETE DIGITALE PUNTO B Instradatori digitali di pacchetto Commutazione di pacchetto - circuiti virtuali Slide 35 of XX _ Trasmissione e re-indirizzamento dei pacchetti Sequenze di arrivo e reinvio dei pacchetti dati Utente a pacchetto 1 e 2 destinazione Milano Utente b pacchetto 1 destinazione Ancona Utente c pacchetto 1 destinazione Venezia Venezia 1 c 2 a 1 b 1 c 1 a X 2 a 1 b 1 c 1 a X Ancona 1 b Nodo di Roma Nodo di Bologna 2 a 1 a Milano Slide 36 of XX _

17 Cos è una rete? Una rete è un complesso di elementi hardware (servers, workstations, canali trasmissivi, stampanti, instradatori, personal computer, etc.) software (Sistemi operativi di rete, applicazioni) Slide 37 of XX _ Perché nascono le reti NECESSITA trasferire informazioni (comunicazione) condivisione (dati / software / hardware) affidabilità (backup file / ridondanza risorse) pubblicazione (distribuzione informazioni) conservare i link qualsiasi cosa accada... connettere tutti con tutti!!! (Napster - emule) Slide 38 of XX _

18 Classificazione delle reti Tipologia della rete Multipunto (Broadcast) punto-a-punto Estensione della rete LAN Local Area Network MAN WAN Estensione limitata edifici Metropolitan Area Network Aree urbane estensione media Wide Area Network Aree geografiche estensione continentale Webreti di reti internetworking Estensione mondiale intreccio tra reti diverse per hardware e software sull intero pianeta Slide 39 of XX _ Velocità e servizi Bassissima velocità Telemetria telecontrollo - teleallarmi Bassa velocità Fonia fax POS transazioni remote Media velocità Audio H.F. video low sampling Alta velocità Interconnessione reti trasferimento file Altissima velocità Applicazioni video (HDTV, conferenza, biblioteca Slide 40 of XX _

19 Tipologia LAN Gateway MAN WAN WAN Gateway MAN MAN Gateway Gateway Gateway LAN LAN LAN LAN Bridge Slide 41 of XX _ Mezzi di trasmissione Qualità della trasmissione Capacità del canale Attenuazione del segnale Interferenza tra segnali Numero di elementi collegati nel canale Tipi di collegamento ISDN (Integrated( Services Digital Network) xdsl (Digital Subsciber Loop) ADSL ( Asymmetric Digital Subsciber Line) HDSL (High-bit-rateHigh-bit Digital Subsciber Line) VDSL (Very-high Digital Subsciber Line) Slide 42 of XX _

20 Mezzi di trasmissione Mezzi guidati Linee fisiche (rame - fibra ottica) Doppino Mbps 3 MHz100 mt / 5 Km Cavo 500 Mbps 350 MHz 1-5 Km Fibra 10Gbps 2 GHz Km Mezzi non guidati Segnali elettromagnetici (radio-comunicazione) Trasmissione via etere (direzionale e non) Slide 43 of XX _ Banca dati Reti globali guidati Banca dati Utente Non guidato direzionale Slide 44 of XX _

21 La velocità sul collegamento dipende dal tratto a più bassa velocità bps bps Nodo di commutazione Nodo di commutazione Nodo di commutazione Nodo di commutazione 2400 bps bps 9600 bps Slide 45 of XX _ Rete ad Anello memoria di massa. Slide 46 of XX _

22 Rete a stella Stazione 1 Stazione 5 Stazione 45 HUB CONCENTRATORE Stazione 19 Stazione 7 stazione 23 Stazione 2 Slide 47 of XX _ Bus condiviso CSMA/CD ( Carrier Sense Multiple access with Collision Detection) Collisione Bus condiviso Metodi di accesso Slide 48 of XX _

23 INTERNET Gateway Firewall Web Page Stazione 1 Stazione 2 Stazione 3 Stazione n Stazione n+1 Slide 49 of XX _ Connettere tutti con tutti A D D D A T I A A D memoria di massa I I T I T A B. D A T I Slide 50 of XX _

24 TCP / IP Transmission Control Protocol and Internet Protocol Si tratta di un protocollo nato negli anni 70 presso la Berkeley University su richiesta del Dipartimento della Difesa Federale ed è il protocollo base per le reti di grandi dimensioni. Il protocollo di Internet usa identificatici logici e univoci, sia per le stazioni finali che per i nodi. Slide 51 of XX _ IP Address E un numero binario a 32 bit. E come un numero telefonico. Si possono identificare fino a differenti stazioni Normalmente l indirizzo viene presentato con una sequenza di 4 numeri decimali compresi tra 0 e 255 separati da punti notazione decimale puntata Il primo numero identificaca la struttura classificata Rete con elevato numero di computer > Reti con numero di computer < Tante reti con un num. limitato di computer < 254 Slide 52 of XX _

25 Recapito dei pacchetti Il recapito dei messaggi necessita anche dell indirizzo hardware che la rete locale identifica automaticamente ed è un codice scritto direttamente sulla scheda di rete dal costruttore. Gli identificatori del pacchetto sono : IP address (indirizzo logico) della macchina Mac address (identificatore fisico della scheda) N di porta (applicativo che gestisce i dati del pacchetto) Slide 53 of XX _ Rete locale Ogni elemento della rete locale deve aver un unico identificatore (nome numerico) Ogni elemento intermedio tra reti locali deve avere un unico identificatore Sono necessarie procedure di reindirizzamento tra sorgrnte e destinazione e tutte devono andare d accordo per non creare confusione sorgente e destinatario devono parlare la stessa lingua ( protocollo ) Slide 54 of XX _

26 Problematiche IBM DIGITAL SUN Gen.Elect In generale quindi si vuole che macchine con interfacce diverse verso la rete e con software diversi possano scambiare dati Slide 55 of XX _ Problematiche Collegamento diretto o mediato dalla rete Tecnica di conversazione tra due sistemi autonomi Architettura del sistema A Sistema Operativo A Applicativi di A Architettura del sistema B Sistema Operativo B Applicativi di B HANDSHAKE Protocolli e regole di comunicazione Modello ISO-OSI Slide 56 of XX _

27 Il modello ISO / OSI Modello di gestione delle informazioni in transito sulla rete Client-Server ISO - International Standards Organization OSI - Open Systems Interconnection Struttura Nel 1983 presso l'iso fu ideato e definito a livello di standard l'osi o X.200. Si tratta di una struttura multi-livello la cui finalità è quella di rendere più facile e sicuro il trasferimento di informazioni all'interno di una rete di calcolatori. La struttura consta di 7 livelli, ciascuno dei quali provvede a fornire un servizio determinato ai segnali che vi transitano, colloquiando con i servizi adiacenti La suddivisione in servizi più semplici e definiti fornisce il grande vantaggio di poter modificare, in base alle esigenze dell'utilizzatore (costruttore), ogni singolo servizio adattandolo alle specifiche senza impattare sul funzionamento degli altri. Slide 58 of XX _

28 Struttura Un esempio si può cambiare l'applicativo senza intervenire sulla visualizzazione o sulla struttura della rete oppure si può cambiare la tipologia fisica della rete senza dover intervenire sulle altre strutture. Lo standard è stato concepito per rendere più semplice ed affidabile l'adattamento dei sistemi alle sempre più rapide e crescenti necessità di aggiornamento dei sistemi informatici di rete. Questo standard nasce per connettere sistemi aperti, per mettere in comunicazione qualsiasi tipologia di sistema e permettere di riprogettare qualsiasi strato senza interferire con gli altri. Slide 59 of XX _ Struttura Gli obiettivi a cui si è ispirato il comitato tecnico che ha messo a punto lo standard possono essere riassunti in : 1. Ciascuno strato o servizio esegue funzioni diverse 2. Il modello nel suo complesso ed i singoli strati devono essere adattabili internazionalmente (es. lingua, supporti trasmissivi, etc..) 3. Il numero ed i servizi devono essere strettamente necessari alle esigenze di comunicazione, ma non pesanti per l'elaborazione. Slide 60 of XX _

29 7-APPLICAZIONE 6-PRESENTAZIONE 5-SESSIONE 4-TRASPORTO Rappresenta l'interfaccia utente, l'applicazione con cui l'utente manipola i dati (es. FTP, DNS, SMPT, Telnet) Effettua le conversioni sintattiche e semantiche sui dati per renderli compatibili con i formati sistema client <> server I servizi di questo livello sono addetti a sincronizzare client e server per una determinata sessione di connessione Responsabile della trasmissione ottimale delle informazioni definito secondo le specifiche host / client 3-RETE 2-DATA LINK Responsabile del corretto indirizzamento di rete Responsabile del corretto trasferimento dei dati al livello fisico 1-FISICO Responsabile del corretto invio dei segnali sul canale di trasmissione come segnali elettrici-connessioni Slide 61 of XX _ Applicazione Presentazione Sessione Trasporto Sorgente Destinazione Applicazione Presentazione Sessione Trasporto Rete Rete Rete Rete Data link Data link Data link Data link Fisico Fisico Fisico Fisico Slide 62 of XX _

30 Invio pacchetti da a Recapito dei pacchetti IP MA 723 IP MA 400 Sottorete xx IP MA 350 Router Bridge IP MA 873 Sottorete xx Slide 63 of XX _ Nomi di Dominio Internet Data la difficoltà a ricordare numeri da parte degli esseri umani, al posto degli indirizzi numerici sono stati introdotti i nomi di dominio DNS Il software dei computer della rete provvede a convertire i nomi simbolici in indirizzi fisici che permettono di raggiungere la destinazione Slide 64 of XX _

31 Accesso Remoto Si tratta della connessione alla rete attraverso una comune linea telefonica, grazie ad un ISP (Internet Service Provider es. Telecom, Wind, Tiscali,.) L utente ha bisogno di un computer dotato di modem o collegamento ISDN, ADSL, HDSL,. Un accreditamento d accesso da parte di un provider ( fornitore, gestore d accesso) il quale per disposizioni legislative deve conservare le informazioni identificative dell utente e mantenere la tracciabilità degli indirizzi utilizzati. modem modem ISP Dorsale di rete Slide 65 of XX _ Navigare nella rete E il termine più usato per indicare la capacità di spostarsi all interno di un archivio di dimensioni sempre più grandi. Per navigare nella rete c è bisogno di programmi specifici. Le informazioni nei server di rete si trovano archiviate in svariate tipologie: file HTML (Hyper Text Markup Language) file MP3 file di Database proprietari PubMed Etc., etc., etc. Slide 66 of XX _

32 Browser (sfogliare) Slide 67 of XX _ POSTA ELETTRONICA UN MODO EFFICIENTE, VELOCE ED A BASSO COSTO PER COMUNICARE

33 Posta elettronica memoria di massa Ciascun utente dispone di uno spazio assegnato nelle memorie di massa del server di posta elettronica al cui accesso è abilitato attraverso una password. Sistema operativo programmi di uso comune Pippo.abc Rossi.paa Billy.paj Verdi.add Harry.zzf Slide 69 of XX _ Risposta su richiesta mail Rossi.paa mail Rossi.paa mail Rossi.paa mail Rossi.paa Rossi.paa Sistema operativo programmi di uso comune Pippo.abc Rossi.paa Billy.paj Verdi.add Harry.zzf Slide 70 of XX _

34 Risposta su richiesta mail Rossi.paa Rossi.paa Sistema operativo programmi di uso comune Pippo.abc Rossi.paa Billy.paj Verdi.add Harry.zzf Slide 71 of XX _ Risposta su richiesta Rossi.paa Rossi.paa Rossi.paa Rossi.paa Sistema operativo programmi di uso comune Pippo.abc Rossi.paa Billy.paj Verdi.add Harry.zzf Slide 72 of XX _

35 Università degli Studi di Roma Tor Vergata Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Medica