Elementi di Reti per Telecomunicazioni

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1 Elementi di Reti per Telecomunicazioni (Parte II) Topologie ed Interfacciamento di Reti Corso di Telecomunicazioni Anno Accademico 2004/2005

2 Contenuti Introduzione alle reti di TLC. Topologie di Reti per TLC: suddivisione per dimensioni. Topologia generale: sezione di acceso e sezione interna. Qualità del Servizio (QoS): ritardi e perdite di pacchetti. Interfacciamento di Reti: Repeater, Bridge, Router. Tecniche di Switching e di Routing.

3 Introduzione Una rete di comunicazione è un insieme di collegamenti (link) che fornisce connessione a diverse entità. Tali entità possono essere nodi intermedi o terminali a seconda che abbiano, rispettivamente, connessioni con il mondo esterno o meno. Ogni rete deve rispettare i seguenti vincoli: 1. I ritardi (di trasmissione e processamento dati) devono essere mantenuti ad un minimo. 2. Deve utilizzare in maniera efficiente le risorse di cui dispone. 3. I costi di creazione, mantenimento ed abbattimento della rete devono essere i minori possibili.

4 Reti di TLC Piattaforma tecnologica per effettuare comunicazione a distanza tra due o più utenti. Consente di trasferire informazione. Consente di gestire le sue parti componenti ed i servizi supportati. Servizio di TLC: Trasferimento di informazione di varia natura. Caratterizzato da parametri tipo qualità, durata... Diverse tipologie di reti: Ciascuna con i propri vantaggi e svantaggi. Ciascuna più o meno adatta ai vari tipi di servizio.

6 Configurazioni di Reti per Telecomunicazioni Link Connessione punto-punto Broadcast networks: ogni terminale condivide il medesimo mezzo trasmissivo Link condiviso Switching node Switching networks: ogni terminale ha un link dedicato fino ad un nodo comune alle altre entità di rete

7 Topologie di rete (1/2) Core network: parte della rete contenente i nodi di switching (i core nodes devono effettuare un trasporto dell informazione fino agli access nodes). Access network: parte della rete che permette agli utenti di accedere alla core network (gli access nodes, interagendo con gli utenti finali, sono veri e propri generatori di informazione) A seconda di come i nodi di una rete sono interconnessi tra loro, si distinguono 4 topologie di base: Reti con topologia ad Anello Reti con topologia a Bus Reti con topologia Mesh Reti con topologia a Stella

8 Topologie di rete (2/2) Reti con topologia ad Anello Nodi Reti con topologia a Bus Reti con topologia a Stella Nodi Centro Stella Nodi

9 Vantaggi e Svantaggi Reti con topologia Mesh: tolleranza ai guasti ma elevato numero di rami. Si usa solo quando i nodi sono pochi e vicini. Reti con topologia a Stella: basso numero di rami, vulnerabilità ai guasti del nodo centrale. Usata per ridurre i costi e semplificare la stesura dei rami. Reti con topologia ad Anello: può essere sia unidirezionale che bidirezionale. Usata principalmente in reti locali e metropolitane. Reti con topologia a Bus: bus attivo (ogni nodo partecipa alla comunicazione con un altra coppia di nodi), bus passivo (tutti i nodi son connessi allo stesso mezzo). Usata principalmente in reti locali e metropolitane.

10 Suddivisione per dimensioni In termini di dimensioni fisiche, le reti possono essere classificate in : Wide Area Networks (WAN): reti con una dimensione > 150Km La velocità più alta di trasferimento dati in tali reti sfiora i 10 Gigabit/s Metropolitan Area Networks (MAN): dimensioni di decine di Km Local Area Networks (LAN): reti limitate nella loro estensione fisica dal numero di device connesse contemporaneamente. Grande varietà di bit-rate offrendo, nel contempo, performance relativamente alte.

11 Suddivisione per dimensioni

13 Topologia Generale In generale la topologia di una rete di TLC può essere una combinazione delle topologie precedenti (topologia mista)

14 Sezione d accesso e Sezione interna Sezione di accesso (o rete di accesso) e sezione interna (o dorsale) si possono differenziare per velocità di trasferimento, topologia, tecnologie, mezzi trasmissivi, funzionalità di gestione, affidabilità, ridondanza...

15 Sezione d Accesso Ha il ruolo di consentire l accesso alla rete ai suoi utenti. Viene realizzata attraverso differenti mezzi e tecnologie (wireless, wired...). E la sede di risorse che in alcuni casi sono indivise e dedicate ai singoli utenti/terminali. Comprende l interfaccia utente-rete.

16 Sezione Interna Ha il ruolo di trasferire l informazione tra nodi di accesso, utilizzando, se necessario, anche nodi di transito. E sede di risorse condivise (di trasferimento e di elaborazione) con elevate prestazioni, in termini di velocità (trasmissiva, elaborativa), affidabilità...

18 Quality of Service (QoS) nelle Reti di Telecomunicazioni Non-Performance Oriented Livello del servizio: deterministic, predictive, best effort. Costi. Priorità. Ritardo di instauramento di una nuova chiamata, ritardo medio di accesso al servizio, ecc. Performance Oriented Probabilità di blocco. Throughput dati. Ritardi di transito. Variazione dei ritardi. Frame Error Rate (FER).

19 Ritardo (1/2) Ritardo di elaborazione: il tempo richiesto dal nodo di rete per esaminare la UI, Unità Informativa, (normalmente l intestazione del pacchetto) e per determinare dove instradarla questo può includere eventualmente il tempo per elaborare la UI stessa, ad esempio controllare se sono presenti errori, modificare le informazioni di instradamento... può essere anche dell ordine dei microsecondi. Ritardo di coda e attraversamento del nodo: il tempo che la UI trascorre prima di essere trasmessa sul link di uscita dal nodo di rete dipende dal tipo di attraversamento implementato nel nodo può dipendere dal grado di congestione del nodo (traffico totale in ingresso).

20 Ritardo (2/2) Ritardo di trasmissione: tempo necessario per trasmettere completamente la UI questo influenza sia il tempo di di trasferimento della UI, e sia il ritardo subito dalla UI seguente. viene introdotto da ogni nodo che opera in modalità store&forward se R è il bitrate [bit/s] in uscita, e L UI la lunghezza [bit] della UI, t Tx =L UI /R. Ritardo di propagazione: tempo di propagazione nel mezzo fisico dipende dal mezzo ed è proporzionale alla lunghezza dello stesso se c m è la velocità [m/s] di propagazione nel mezzo e L m la sua lunghezza [m], il tempo di propagazione è t p =L m /c m Il ritardo complessivo end-to-end è la somma dei ritardi introdotti dai singoli nodi e rami

21 Perdita In generale durante il trasferimento di una UI questa può perdersi o arrivare errata. Ciò può essere causato da: errori trasmissivi possibile congestione della rete ovvero dei nodi attraversati (buffer overflow) errori procedurali (errori nei protocolli di routing, bachi nei programmi) Eventuali errori/perdite possono essere recuperati tramite correzione e/o ritrasmissione

23 Interfacciamento di Reti Rete A Gateway Rete B Gateway: device di interfacciamento tra due reti. Si deve occupare di gestire il trasferimento dati tra le due reti tenendo conto della diversità degli indirizzi, del protocollo in uso e dei servizi offerti. Si possono distinguere tre tipi fondamentali di Gateway: Repeater Bridge Router

24 Repeater Forniscono connessione fisica tra segmenti della stessa rete. Sono entità non intelligenti (senza software) e copiano semplicemente i bit di informazione tra un segmento di rete ed il successivo. Un repeater è, ad esempio, un Hub all interno di una LAN Application Presentation Session Transport Network Data Link Physical Stack protocollare Network Network Data Link Data Link Physical Physical Application Presentation Session Transport Network Data Link Physical

25 Hub Un pacchetto ricevuto su una porta va ripetuto su tutte le altre porte (Retiming). Se su un porta viene rilevata una collisione deve interrompere la ripetizione del pacchetto su tutte le porte e trasmettere una sequenza di Jamming. L Hub deve poter anche rilevare una collisione che avviene al suo interno invece che su un segmento. In caso di collisioni consecutive deve partizionare la porta interessata. Rilevamento di guasti/malfunzionamenti.

26 Bridge Interconnettono due reti a livello data-link. Possono essere utilizzati per interfacciare due reti identiche o due reti differenti ma con lo stesso strato di rete. Sono trasparenti alla rete e non necessitano di un indirizzo. (IEEE 802 LAN) Application Presentation Session Transport Network Data Link Physical Stack protocollare Network Network Data Link Data Link Physical Physical Application Presentation Session Transport Network Data Link Physical

27 Interconnesione di LAN tramite Bridge I bridge non sono indirizzati esplicitamente. Fanno transitare solo le trame non indirizzate a nodi già conosciuti e connessi sulla LAN di origine (filtraggio). Apprendono la struttura di rete osservando il campo Source Address delle trame ricevute (learning).

28 Router Sono utilizzati per interconnettere reti che abbiano lo stesso strato di trasporto ma differente strato di rete (IEEE LAN / X-25). Un router ha un indirizzo per ogni rete interconnessa. Application Presentation Session Transport Network Data Link Physical Stack protocollare Network Network Data Link Data Link Physical Physical Application Presentation Session Transport Network Data Link Physical

30 Compiti dello Strato di Rete Compito fondamentale dello strato di rete è trasportare i pacchetti lungo tutto il percorso dal mittente al destinatario, attraversando tutti i nodi intermedi dove sono possibili scelte alternative per le linee di uscita. La funzione di collegamento di una linea di ingresso con una di uscita opportunamente scelta, che viene svolta nei nodi può essere definita commutazione (switching). Le due tecniche di commutazione usate tradizionalmente nelle reti e ora più diffuse sono: Commutazione di circuito Commutazione di messaggio o di pacchetto

31 Commmutazione di Circuito La rete crea un canale di comunicazione dedicato fra due terminali che vogliono colloquiare: Circuito di Comunicazione. Il circuito è riservato ad uso esclusivo dei terminali chiamante e chiamato Esiste quindi un ritardo iniziale dovuto al tempo necessario per instaurare il circuito Dopo di ciò la rete è trasparente (è garantita la trasparenza temporale) per l'utente ed equivale ad un collegamento fisico diretto. Fasi della Comunicazione Instaurazione del circuito: prima che i segnali di utente possano essere trasmessi la rete deve instaurare un circuito fra terminale chiamante e terminale chiamato (circuito end-to-end). Ciò richiede un opportuna segnalazione. Dialogo: i due terminali si scambiano informazioni utilizzando il circuito dedicato. Disconnessione del circuito: al termine del dialogo il circuito deve essere rilasciato, al fine di poter essere utilizzato per altre chiamate.

32 Commmutazione di Messaggio o Pacchetto Trasporta informazioni in forma numerica. Le informazioni di utente sono strutturate in messaggi unitamente ad opportune informazioni di segnalazione: indirizzamento,verifica della correttezza delle informazioni, ecc. Commutazione di Pacchetto: caso particolare in cui i messaggi vengono suddivisi in sotto-blocchi di lunghezza massima prefissata detti pacchetti, per motivi di: linea: evitare frammenti troppo lunghi in relazione al rumore rete: limitare i tempi medi di attesa nei nodi I messaggi o i pacchetti vengono trasmessi da un nodo di commutazione all'altro utilizzando in tempi diversi risorse comuni.

33 Tecniche di Switching (1/2) Orientate alla connessione: viene instaurato un collegamento fisico (link) tra gli utenti che si scambiano l informazione (es. rete telefonica). Senza connessione: l informazione è incapsulata in entità, dette datagrammi o pacchetti, che giungeranno a destinazione attraverso la rete ognuna con un proprio percorso (es. servizio postale). Il protocollo TCP/IP, uno dei protocolli di rete più utilizzati, sfrutta entrambe le configurazioni: TCP: protocollo orientato alla connessione IP: protocollo senza connessione

34 Tecniche di Switching (2/2) Connection-Oriented Circuit Switched Cell Switching Virtual Circuit Connectionless Packet Switched Message Switching Datagram Switching Circuit Switching: sistema orientato alla connessione in cui un circuito fisico viene instaurato tra mittente e destinatario. Packet Switching: l informazione è inviata sottoforma di pacchetti. Se i pacchetti sono instradati dalla rete l uno indipendentemente dall altro (datagrams) il sistema è connection-less; viceversa se i pacchetti fanno parte di una sequenza, la commutazione è a circuito virtuale.

35 Vantaggi e Svantaggi Circuit Switching informazione trasferita in maniera sicura ritardi di trasferimento costanti e trascurabili alta inefficienza, spreco della capacità di canale Packet Switching la rete è utilizzata solo se c è informazione da trasmettere. Message Switching ritardi variabili spreco di risorse hardware Cell Switching Datagram Switching: l header del pacchetto deve contenere gli indirizzi del mittente e del destinatario, le informazioni di routing ed un numero di sequenza. ritardi costanti bassa complessità inefficiente con celle molto grandi Virtual Circuit: maggiore efficienza dovuta alla minore dimensione dell header del pacchetto da trasmettere lungo il circuito virtuale instaurato.

36 Tecniche di Instradamento (Routing) Uno dei punti chiave di una comunicazione è come far transitare i dati da un punto all altro della rete. La scelta del percorso da compiere è parte dell algoritmo di routing che caratterizza una determinata rete. Il routing è una prerogativa dello strato di rete. Idealmente si vorrebbe un algoritmo di routing corretto, semplice, robusto e poco complesso in termini di risorse occupate e costi di rete. Uno dei migliori algoritmi di routing è la scelta del percorso più breve (shortest path) tra due nodi della rete. In termini di link, distanza, ritardi costi di rete, non sempre però il percorso più breve tra due nodi è quello composto dal minor numero di collegamenti.

37 Caratteristiche di un Protocollo di Routing I protocolli di routing si differenziano per le modalità con cui le tabelle di instradamento vengono create ed eventualmente aggiornate nel tempo. Si possono classificare in: Statici o Dinamici (Centralizzati, Distribuiti). La funzione di routing può richiedere molte elaborazioni, per processare velocemente i pacchetti viene costruita la tabella di routing: Tabella, che deve essere costruita in ogni nodo, nella quale per ogni indirizzo di destinazione è indicata la porta di uscita che conduce a quella destinazione. La funzione di routing deve essere standard al fine di avere coerenza nel comportamento dei router.

38 Routing Statico e Dinamico Routing Statico: Le tabelle di instradamento sono invarianti nel tempo e indipendenti dalle condizioni di traffico della rete. Vengono create in fase di configurazione del router e modificate con l intervento di un operatore solo in caso di variazioni strutturali o topologiche della rete (inserimento o caduta di nodi, collegamenti). Routing Dinamico: Le tabelle di instradamento vengono create e periodicamente aggiornate in modo automatico. Consentono di adattare le decisioni di instradamento a variazioni topologiche della rete, inserimento di nuovi collegamenti, caduta di un collegamento per guasto...

39 Flooding e Broadcast Routing Il Flooding è uno degli algoritmi di routing più semplici: un generico pacchetto verrà sicuramente ricevuto da tutti i nodi della rete e quindi anche da quello a cui è effettivamente destinato. Dal momento che tutte le strade possibili sono percorse, il primo pacchetto che arriva a un nodo è quello che ha fatto la strada più breve possibile. L elaborazione associata a questo algoritmo è pressoché nulla. Molto adatto quando si voglia inviare una certa informazione a tutti i nodi della rete (Broadcasting). E necessario introdurre ulteriori regole per evitare la proliferazione infinita dei pacchetti: un nodo ritrasmette un pacchetto una sola volta e non ritrasmette il pacchetto nella direzione dalla quale è giunto. Ad ogni pacchetto viene associato un identificatore unico (es. indirizzo della sorgente e un numero di sequenza) e ciascun nodo mantiene in memoria una lista con gli identificativi dei pacchetti già trasmessi. Bisogna evitare che la lista cresca all infinito: un pacchetto già trasmesso giunge al nodo, viene ignorato.