Trasmissione dati e reti telematiche

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1 Trasmissione dati e reti telematiche Per trasmissione dati s'intende un sistema di comunicazione che permette di trasferire l'informazione, in forma binaria, tra due terminali, uno trasmittente (Tx) e l'altro ricevente (Rx) attraverso un canale o linea di trasmissione (vedi fig.1). Fig.1 Tx il blocco trasmettitore: elabora l'informazione da trasmettere codificandola in segnale binario; per alcune trasmissioni il segnale binario deve essere adattato al tipo di canale di trasmissione, pertanto è necessario utilizzare un circuito di interfaccia tra sorgente di segnale binario e canale di trasmissione. Nel caso di impiego di linea telefonica il circuito di interfaccia, chiamato modem (ModulatoreDemodulatore), deve trasformare il segnale binario in segnale analogico avente uno spettro limitato affinché possa essere accettato dalla banda fonica ( ) [Hz] della linea telefonica; pertanto il Tx può essere rappresentato mediante lo schema a blocchi della figura 2. Fig.2 Il blocco chiamato canale di trasmissione è una linea di trasmissione (linea telefonica analogica, fibra ottica, ponte radio, satellite), necessaria per trasferire il segnale dal trasmettitore al ricevitore. Rx Il blocco ricevitore: rappresentato nella figura 3, deve trasformare il segnale ricevuto in informazione tipicamente analogica; a questo scopo deve eseguire prima l'operazione di decodifica di canale e poi deve trasformare il segnale binario in informazione. Nel caso di trasmissione attraverso la linea telefonica, il decodificatore di linea è un modem che deve trasformare il segnale analogico di linea in segnale binario elaborato poi da un sistema di elaborazione dati. Fig.3 Pagina 1 di 13

2 1. Modalità di trasmissione Modalità di trasmissione PARALLELA SERIALE Trasmissione parallela La trasmissione è di tipo parallelo quando gli n bit, rappresentanti l'informazione da trasmettere, vengono inviati contemporaneamente su n linee separate. Tale comunicazione risulta vantaggiosa solo quando i terminali Tx e Rx sono vicini e cioè alla distanza di qualche metro. Un esempio tipico è quello del collegamento tra il computer e un device (video, stampante ecc.) (fig. 4). Quando i dispositivi sono lontani, la trasmissione parallela pone problemi di tipo: tecnico, perché la qualità della comunicazione diminuisce a causa dell'attenuazione e dei disturbi sui diversi fili del cavo; economico, perché il cavo risulta di dimensioni notevoli (n conduttori + la massa)e quindi costoso. Per tali motivi, quando i dispositivi sono lontani, si ricorre alla trasmissione seriale. Fig.4 Trasmissione seriale La trasmissione è di tipo seriale quando gli n bit dell'informazione vengono trasmessi su una linea in modo sequenziale, cioè i bit sono inviati uno dopo l'altro (fig. 5). Fig.5 Generalità In una trasmissione dati è inevitabile la presenza di segnali spuri, indesiderati come il rumore e i disturbi che interferiscono con il segnale utile, causando una modifica di alcuni bit trasmessi e peqqiorando quindi la qualità della comunicazione (fig. 6). Pagina 2 di 13

3 Fig.6 Per poter controllare la correttezza della comunicazione, il codificatore di canale, interno al trasmettitore, aggiunge alcuni bit ridondanti al segnale binario dell'informazione, secondo un standard che dipende dal tipo di trasmissione. Nel caso di trasmissione dati tra due computer, chiamati DTE (Data Terminai Equipment), collegati mediante linea telefonica, essi devono essere interfacciati con la linea telefonica mediante circuiti modem denominati anche DCE (Data Communication Equipment); pertanto, in questo caso, lo schema a blocchi del sistema di trasmissione dati è riportato nella (Fig. 7): Fig.7 L'impiego del DCE come interfaccia tra computer e linea telefonica,è necessario perché lo spettro del segnale binario, generato dal DTE, occupa una banda teoricamente infinita o comunque molto estesa e non può essere trasmesso attraverso la linea telefonica analogica in quanto essa ha una banda limitata a 3400 [Hz]. Pertanto è necessario modificare lo spettro del segnale binario ricorrendo a tecniche di modulazione digitale (per es. ASK, FSK, PSK - modulazioni che vedremo in seguito) per adattarlo alle caratteristiche della linea. Tale operazione è compiuta dal dispositivo chiamato modem (DCE). Pagina 3 di 13

4 2. Tipo di linea o rete Linea commutata o PSTN La linea commutata (PSTN Public Switched Telephone Network) è la normale linea telefonica. Il collegamento tra due utenti avviene tramite la centrale di commutazione. Ha il vantaggio di essere diffusa sul territorio in modo capillare e perciò consente di raggiungere numerosi utenti, ma ha lo svantaggio di essere caratterizzata da: un tasso di errore T = 10-3 con conseguente riduzione della velocità di trasmissione; il tasso di T errore è un parametro che indica la qualità della linea di trasmissione è definito dalla seguente relazione: B dove B = numero di bit errati, B t = numero totale di bit trasmessi B t T = 10-3 significa che sulla linea si ha un bit errato ogni 1000 trasmessi. non garantire un collegamento stabile e sicuro. Linea dedicata La linea dedicata è una linea che collega direttamente due utenti senza passare per la centrale di commutazione. Può essere pubblica o privata. La linea dedicata privata è utilizzata per brevi distanze per collegare diversi computer in rete e permette di ottenere velocità anche superiori a 10 [Mbit/s]. Le linee dedicate hanno il vantaggio di garantire un collegamento stabile con un tasso di errore T = Lo svantaggio consiste nel costo della linea e nella sua impossibilità di impieghi multipli. 3. Tipi di collegamento COLLEGAMENTO PUNTO-PUNTO MULTIPUNTO Il collegamento punto-punto, permette di collegare solo due utenti: Fig.8 collegamento punto-punto mediante la linea commutata. Fig.9 collegamento punto-punto mediante linea dedicata. Fig.9 Fig.8 Pagina 4 di 13

5 Il collegamento multipunto permette di collegare contemporaneamente un elaboratore centrale chiamato master a diversi elaboratori secondari chiamati slave come indicato (Fig.10): Fig Topologie ed architetture di rete Per topologia di una rete si intende la struttura geometrica dei collegamenti che interconnettono i punti nei quali è presente della capacità elaborativa (nodi). Il principale problema nello scegliere una topologia di rete piuttosto che un'altra è quello di quantificare i collegamenti necessari per connettere in modo efficiente i nodi presenti. Le reti di computer sono classificate secondo la topologia che può essere: ad albero ad anello a stella a bus. Le configurazioni ad albero (fig. 11) funzionano come reti multipunto; il canale di trasmissione è comune e i dati, suddivisi in pacchetti, vengono trasmessi a tutte le stazioni della rete; ciascuna stazione legge l'indirizzo di destinazione del pacchetto e lo accetta solo se riconosce il proprio indirizzo. Ciascuna stazione slave (host) può trasmettere verso la stazione primaria master. Nel caso di contemporanea richiesta di trasmissione da parte di due o più stazioni periferiche, la stazione master gestisce la situazione di contesa assegnando la priorità alle stazioni slave interessate alla comunicazione. Fig collegamento ad albero Pagina 5 di 13

6 Nella configurazione ad anello (Fig. 12) i dati circolano lungo l'anello seguendo una sola direzione. I dati sono frammentati in pacchetti; ogni pacchetto di dati circola nella rete passando per le varie stazioni e viene trattenuto dalla stazione interessata se essa riconosce il proprio indirizzo. Nelle configurazioni ad anello e a bus il controllo della trasmissione è effettuata mediante la tecnica del token ring (o gettone) che consiste in una configurazione di bit che circola nella rete. Se una stazione desidera trasmettere, trattiene il gettone e trasmette i dati. Terminata la comunicazione, il gettone viene rilasciato e può di nuovo circolare nella rete, dando la possibilità alle altre stazioni di trasmettere. Una delle stazioni dell'anello deve funzionare da stazione centrale master. Uno svantaggio della configurazione ad anello consiste nel fatto che un eventuale guasto di una stazione interrompe il funzionamento della rete. Fig.12 - collegamento ad anello Nella configurazione a stella (fig. 13) tutte le stazioni slave sono collegate alla stazione centrale master che gestisce la comunicazione fra le stazioni secondarie slave. I dati trasmessi, per esempio, dalla stazione slave 1 alla stazione slave 2 devono necessariamente passare per la stazione centrale. La stazione centrale controlla la trasmissione adottando la tecnica di tipo polling, o interrogazione ciclica, chiedendo periodicamente alle stazioni slave se devono trasmettere. I vantaggi della configurazione a stella sono: a) può essere estesa in fasi successive; b) un eventuale guasto di una stazione periferica non blocca il funzionamento della rete. Fig.13 - collegamento a stella Pagina 6 di 13

7 Nella configurazione a bus (fig. 14) i dati transitano su un unico cavo cui sono collegate tutte le stazioni (master e slave). A chiusura del bus sono posti dei terminatori (con impedenza uguale a quella del cavo). Poiché tutti i computer connessi tramite questo tipo di topologia condividono lo stesso mezzo trasmissivo, essi utilizzano dei protocolli che garantiscono che in ogni istante una sola stazione stia trasmettendo. Questi sono denominati protocolli d' accesso al mezzo - MAC (Medium Access Control, protocol). Quello più comunemente usato nelle reti con topologia a bus è il CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection). Tale topologia non presenta commutatori o ripetitori ma tutte le stazioni sono connesse direttamente, tramite interfacce, al mezzo trasmissivo e poiché quest' ultimo è condiviso, può trasmettere una sola stazione alla volta Un grosso limite di questa topologia è rappresentato dal fatto che un' interruzione del cavo interrompe il servizio per tutte le stazioni connesse al bus. Fig.14 - collegamento a bus 5. Modalità di scambio dati (tipo di esercizio) Le modalità di trasmissione dati tra due apparati sono tre: 1. simplex 2. half duplex 3. full duplex Simplex la trasmissione è unidirezionale cioè solo in un senso, per esempio da A verso B (fig. 15). Questa modalità di utilizzo non è, al giorno d'oggi, più utilizzata per l'impossibilità di avere un riscontro sulla correttezza della trasmissione. Fig.15 Pagina 7 di 13

8 Half duplex la trasmissione dei dati è bidirezionale, ma non contemporanea nei due versi, cioè prima da A verso B (fig.16a) e poi da B verso A (fig. 16b), quindi quando un dispositivo trasmette l'altro riceve e viceversa. Fig.16a Fig.16b Un esempio di sistema half-duplex è un sistema a due parti come quello dei "walkie-talkie" radio, dove una persona deve utilizzare una parola (ad esempio "Passo" o un'altra precedentemente decisa) per indicare la fine della trasmissione, assicurando così che soltanto una delle due parti trasmetta in un dato momento, siccome entrambe usano la stessa frequenza. Full duplex questa trasmissione consente lo scambio bidirezionale simultaneo permettendo ai dati di viaggiare su canali fisici distinti (il modem si collega alla linea telefonica con quattro fili) o su un solo canale fisico (a due fili) avvalendosi, però, della tecnica della multiplazione al fine di evitare collisioni. E' la tecnica di comunicazione più veloce perchè consente un più razionale utilizzo del tempo a disposizione (fig.17). Le reti telefoniche terrestri sono full-duplex, permettono cioè di parlare e ascoltare nello stesso momento. Una buona analogia per il full-duplex potrebbe essere una strada a due corsie con una corsia per ogni direzione. Fig.17 Pagina 8 di 13

9 6. Modem Abbiamo già visto che la trasmissione dati su linea telefonica è possibile solo se viene utilizzato un circuito d'interfaccia chiamato modem. CLASSIFICAZIONE DEI MODEM FONICI BANDA BASE I modem fonici trasmettono i dati sulla banda fonica ( ) [Hz] utilizzando due canali separati e ricavati all'interno della banda fonica stessa; un canale è riservato alla trasmissione dati, con velocità per esempio di 1200 [bps], mentre il secondo, detto supervisore, con velocità di 75 [bps], è riservato alle informazioni di controllo della comunicazione (fig. 18). La trasmissione dei dati è solo in un verso; il ricevitore (Rx) utilizza il canale supervisore a bassa velocità per comunicare al trasmettitore (Tx) informazioni sul controllo e sulla correttezza della ricezione dei dati. In questo modo è realizzata una comunicazione, su due fili, di tipo full duplex asimmetrica. Fig.18 Pagina 9 di 13

10 I modem in banda base, si utilizzano nei collegamenti a breve distanza che non superino alcuni Km, quindi sono impiegati nella trasmissione dati fra centrali di commutazione e nelle reti locali, utilizzano l'intera banda della linea di trasmissione che collega direttamente due stazioni. Il segnale digitale transita direttamente nella linea su un doppino telefonico che collega direttamente i due utenti (rete telefonica dedicata) dopo aver subito solo una conversione di codice per meglio adattarsi alla linea. Tali modem, pertanto, non realizzano la modulazione e demodulazione analogica ma solo una conversione di codice. I modem in banda base risultano più semplici rispetto a quelli fonici e consentono una trasmissione più veloce fino a 72 kbps. 7. Tipo di trasmissione TRASMISSIONE SINCRONA ASINCRONA Trasmissione asincrona Nel sistema asincrono i caratteri vengono trasmessi con cadenza non necessariamente regolare; durante i tempi di inattività la linea viene mantenuta in stato di riposo o idle (viene costantemente trasmesso il segnale corrispondente al bit 1); il trasmettitore, prima di inviare il primo bit di ciascun carattere, deve portare la linea in stato di lavoro; questa commutazione costituisce lo start-bit e ha l'obiettivo di "rifasare" ricevitore e trasmettitore. Il ricevitore, all'arrivo del bit di start, si predispone alla ricezione della sequenza di bit associato ad un carattere attivando un suo clock interno (che necessariamente deve avere una frequenza di oscillazione nominale uguale a quella del segnale trasmesso). E' sufficiente che il clock del ricevitore mantenga il sincronismo solo per la durata del carattere. Trasmesso l'ultimo bit, il trasmettitore riporta la linea in stato di riposo e così la mantiene per un tempo pari alla durata di uno o due bit (stop-bit), a seconda della convenzione adottata. Dopo la segnalazione di stop, se non vi sono altri caratteri da trasmettere, la linea rimane in stato di riposo, altrimenti viene emesso un nuovo start-bit e così di seguito. La trasmissione asincrona è conveniente quando l'emissione dei caratteri è irregolare come ad esempio nel caso dei terminali a tastiera; lo svantaggio principale sta nello scarso rendimento della trasmissione a causa della ridondanza dovuta all'aggiunta dei bit di start e stop, che incide per un 30% sui bit realmente trasmessi. Pagina 10 di 13

11 Trasmissione sincrona La trasmissione è sincrona quando la sincronizzazione è effettuata all'inizio della trasmissione dei dati. I dati da trasmettere vengono raggruppati in trame e la sincronizzazione è ottenuta inserendo, all'inizio di ogni trama, uno o più caratteri di sincronismo denominati SYN (carattere ASCII 22: ) (fig. 19). Fig. 19 Il carattere SYN serve per riconoscere l'inizio della trama, mentre per Fig.20 poter interpretare correttamente i singoli bit è necessario un segnale di sincronismo di bit come indicato nella figura 20. Il segnale di sincronismo di bit ha il periodo T CK uguale al tempo di bit Tb e deve essere correlato al segnale binario come indicato nella figura 21, per poter interpretare ogni singolo bit sul fronte di discesadel clock stesso. Fig.21 La trasmissione sincrona consente di ottenere velocità maggiori rispetto a quella asincrona. Pagina 11 di 13

12 8. Velocità di trasmissione Nella trasmissione digitale, l'elemento minimo d'informazione è il bit, che può avere livello 0 1; il tempo T impiegato per trasmettere un bit è quindi l'intervallo elementare di trasmissione. I simboli sono rappresentati mediante codici, cioè insiemi di bit, pertanto un simbolo richiede un tempo di trasmissione pari a tanti intervalli elementari quanti sono i bit del suo codice. La velocità di trasmissione (o frequenza di cifra) costituisce l'inverso del tempo di trasmissione, ovvero definisce il numero di bit trasmessi in un secondo su una 1 T bit s portante analogica v [ ] con T c intervallo di bit c Si deve trasmettere un impulso attraverso un canale di trasmissione, ideale e privo di rumore, avente larghezza di banda B come indicato nella figura 1. L'impulso (fig. 2a), viene deformato e allargato dalla linea come indicato nella figura 2b. Se gli impulsi da trasmettere sono più di uno, si riesce a riconoscere e ricostruire i singoli impulsi solo se questi sono posti a una certa distanza tra loro come indicato nella figura 3. Per aumentare la velocità di trasmissione (numero di impulsi al secondo) gli impulsi devono essere molto vicini; ma se gli impulsi sono troppo vicini, interferiscono tra loro e nasce il fenomeno chiamato interferenza intersimbolica e di conseguenza non è possibile ricostruire i singoli impulsi. Per evitare tale fenomeno, gli impulsi devono essere opportunamente distanziati come indicato nella figura 4. La distanza minima che è necessario mantenere tra gli impulsi limita la velocità. Il criterio di Nyquist stabilisce che la velocità di trasmissione è limitata dalla banda B del canale di trasmissione, secondo la relazione: v 2B [bit/sec] op. [bps] Pagina 12 di 13

13 La velocità di modulazione (o frequenza di simbolo) è definita come il numero di simboli trasmessi su una portante analogica nell'unità di tempo. v vmod [ baud] dove: N v mod = velocità di modulazione v = velocità di trasmissione N = numero di bit trasmessi per simbolo Per capacità di canale C s'intende la quantità di informazione che il canale è in grado di trasmettere in un secondo. Se un canale di trasmissione ha larghezza di banda B ed è caratterizzato da rumore uniformemente distribuito nella banda B, la capacità di canale dipende sia dalla banda B e sia dal rapporto segnalerumore secondo la formula di Shannon. C B S log (1 N * 2 ) dove B è la banda effettivamente utilizzata per la trasmissione, S è la potenza media del segnale, N è la potenza media del rumore. Pagina 13 di 13