Introduzione alle reti telematiche

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1 Introduzione alle reti telematiche Gruppo Reti TLC INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 1 Sommario del corso Nozioni introduttive Cenni storici Funzioni di una rete di TLC Topologie Servizi Trasmissione delle informazioni Caratterizzazione del traffico e qualità del servizio Tecniche di multiplazione Tecniche di commutazione Tecniche di segnalazione INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 2 Pag. 1

2 Sommario del corso Architetture e protocolli Architetture a strati Modello OSI a sette strati Architettura della rete Internet Architetture di protocolli ISDN (X.25), Frame Relay, B-ISDN (ATM) Protocolli a finestra INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 3 Sommario del corso Cenni allo strato fisico Strato collegamento e trasporto Protocolli canali punto-punto Protocolli mezzo condiviso: LAN Ethernet e IEEE 802 Interconnessione di reti locali Strato rete: algoritmi di instradamento e controllo congestione INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 4 Pag. 2

3 Sommario del corso Rete Internet Protocolli strato rete (IP, ICMP) e gestione indirizzi: DNS, DHCP, NAT Protocolli strato trasporto: UDP, TCP Protocolli strato applicativo: un esempio (posta elettronica) Analisi sperimentale di protocolli su rete locale INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 5 Reti telefoniche: cronologia 1837: codice Morse 1876: brevetto del telefono di Bell 1891: brevetto selettore Strowger 1894: prima centrale elettromeccanica 1895: esperimenti radio di Marconi 1923: primo servizio interurbano automatico elettromeccanico (Baviera - Siemens) INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 6 Pag. 3

4 Reti telefoniche: cronologia 1938: relè anni 60: elaboratori elettronici per il controllo delle centrali (a programma registrato) 1964: prima centrale a controllo elettronico (Succasunna - USA - ESS1) 1975: prima centrale interamente elettronica (Chicago - ESS4) anni 80: segnalazione a canale comune, ISDN, telefonia cellulare analogica anni 90: rete intelligente, Internet, telefonia cellulare numerica INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 7 Reti per dati: cronologia 1969: ARPANET (primo RFC: Host software) 1971: ARPANET: 15 nodi e 23 host. Posta elettronica. 1973: Prima specifica FTP 1973: Prima specifica TCP 1976: Ethernet ed X : OSI 1982: Token ring IBM 1982: TCP e IP sono definiti come protocolli di riferimento di Internet (operativi da 1/1/83) INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 8 Pag. 4

5 Reti per dati: cronologia 1984: Introdotti DNS e USENET 1985: FDDI 1990: Tim Berners-Lee (CERN) presenta documento (ignorato) sull Information Management attraverso ipertesti. Il nome del progetto va scelto tra Information Mine, Information Mesh e World Wide Web 1993: il traffico Web è solo l 1% del traffico totale Internet... INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 9 Reti per dati: cronologia 1997 : nasce Internet2, per la sperimentazione di applicazioni e tecnologie di rete avanzate 1999: applicazioni peer-to-peer per lo scambio di file (MP3, video) direttamente tra utenti (senza passare da server): Napster, Gnutella, Kazaa INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 10 Pag. 5

6 Servizi e funzioni nelle reti di telecomunicazione Gruppo Reti TLC nome.cognome@polito.it INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 11 Formalizziamo ciò che sappiamo già Diamo qualche definizione tratta dal Blue Book del CCITT (Raccomandazione I.112) CCITT: The International Telegraph and Telephone Consultative Committee della International Telecommunication Union (ITU). Dal 1994 il CCITT ha preso il nome di ITU-T INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 12 Pag. 6

7 ITU-T Comunicazione: trasferimento di informazioni secondo convenzioni prestabilite Telecomunicazione: qualsiasi trasmissione e ricezione di segnali che rappresentano segni, scrittura immagini e suono, informazioni di qualsiasi natura, attraverso cavi, radio o altri sistemi ottici e elettromagnetici INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 13 Esempio Gli apparecchi telefonici sono terminali di utente collegati a una rete che fornisce servizi di telecomunicazione RETE DI TLC INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 14 Pag. 7

8 ITU-T: definizioni Servizio di telecomunicazione: ciò che viene offerto da un gestore pubblico o privato ai propri clienti al fine di soddisfare una specifica esigenza di telecomunicazione Funzioni in una rete di telecomunicazioni: operazioni svolte all interno della rete al fine di offrire i servizi INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 15 Funzioni: esempio Sollevando il microtelefono si indica alla rete l inizio di una procedura di chiamata INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 16 Pag. 8

9 Funzioni: esempio Bisogna poi attendere il tono di centrale TU - TU INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 17 Funzioni: esempio Mediante il disco combinatore o la tastiera si indica alla rete l interlocutore desiderato INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 18 Pag. 9

10 Funzioni: segnalazione di utente Il trasferimento delle informazioni di controllo tra utente e rete si chiama SEGNALAZIONE DI UTENTE INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 19 Definizione ITU-T Segnalazione: lo scambio di informazioni che riguardano l apertura, il controllo e la chiusura di connessioni e la gestione di una rete di telecomunicazione INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 20 Pag. 10

11 Funzioni: commutazione La rete individua le risorse necessarie per collegare i due utenti e stabilisce un circuito INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 21 Definizione ITU-T Commutazione: il processo di interconnessione di unità funzionali, canali di trasmissione o circuiti di telecomunicazione per il tempo necessario per il trasferimento di segnali INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 22 Pag. 11

12 Funzioni: segnalazione di rete La costruzione di un circuito richiede scambio di informazioni di controllo internamente alla rete INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 23 Funzioni: esempio Agli albori della telefonia la segnalazione avveniva via voce e la commutazione era manuale INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 24 Pag. 12

13 Funzioni: esempio Agli albori della telefonia la segnalazione avveniva via voce e la commutazione era manuale INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 25 Funzioni: esempio Agli albori della telefonia la segnalazione avveniva via voce e la commutazione era manuale INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 26 Pag. 13

14 Funzioni: trasmissione I due utenti possono comunicare Ciao, come stai INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 27 Definzione ITU-T Trasmissione: il trasferimento di segnali da un punto a uno o più altri punti INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 28 Pag. 14

15 Funzioni: esempio Al termine della conversazione il circuito viene rilasciato INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 29 Funzioni: gestione Allacciamento nuovi utenti: modifica o aggiunta apparati e/o canali Evoluzione tecnologica: sostituzione apparati Riconfigurazione per guasti Monitoraggio prestazioni Controllo apparati INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 30 Pag. 15

16 Funzioni in una rete di telecomunicazione SEGNALAZIONE COMMUTAZIONE TRASMISSIONE GESTIONE INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 31 Topologie delle reti di telecomunicazione Gruppo Reti TLC nome.cognome@polito.it INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 32 Pag. 16

17 Rete di telecomunicazione Definizione: un insieme di nodi e canali che fornisce un collegamento tra due o più punti per permettere la telecomunicazione tra essi Si chiama nodo un punto in cui avviene la commutazione Si chiama canale un mezzo di trasmissione Il canale può essere unidirezionale bidirezionale INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 33 Tipi di canale Canale Punto-Punto Due soli nodi collegati agli estremi del canale che viene utilizzato in modo paritetico A B INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 34 Pag. 17

18 Tipi di canale Canale Multi-Punto Più nodi collegati ad un unico canale: un nodo master e numerosi slave Master Slave INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 35 Tipi di canale Canale Broadcast Un unico canale di comunicazione, condiviso da tutti i nodi L informazione inviata da un nodo è ricevuta da tutti gli altri I dati trasmessi devono contenere l'indirizzo del nodo destinazione INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 36 Pag. 18

19 Topologie delle reti di telecomunicazione La disposizione di nodi e canali definisce la topologia della rete di telecomunicazione Una topologia di rete è definita da un grafo G=(V,A) V = insieme dei vertici (raffigurati da cerchi - nodi) A = insieme degli archi (raffigurati da segmenti - canali) INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 37 Topologie delle reti di telecomunicazione Gli archi possono essere: diretti (segmenti orientati - canali unidirezionali) non diretti (segmenti non orientati - canali bidirezionali) Definiamo: N= V C= A INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 38 Pag. 19

20 Topologie a maglia completa C = N(N-1)/2 Vantaggio: tolleranza ai guasti (molti percorsi tra due nodi) Svantaggio: elevato numero di canali Esistono molti percorsi alternativi, ma un solo percorso diretto (1 solo canale) Esiste una scelta ovvia di percorso a minima distanza È usata solo quando i nodi sono pochi (nodi di commutazione nazionali nella rete telefonica) E D A C B INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 39 Topologia ad albero C = N-1 Svantaggio: vulnerabilità ai guasti (solo un percorso tra due nodi) Vantaggio: basso numero di canali È usata per ridurre i costi e semplificare la stesura dei canali Esiste una sola scelta di percorso tra ogni coppia di nodi E D A C B INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 40 Pag. 20

21 Topologia a stella attiva C = N (centro stella non è nodo) Svantaggio: vulnerabilità ai guasti del centro stella Vantaggio: basso numero di canali E usata per ridurre i costi e semplificare la stesura dei canali Ogni nodo ha un unica scelta di percorso possibile Tutta la complessità nella scelta dei percorsi è demandata al centro stella Usata nelle reti locali, nelle reti via satellite, nelle reti radio cellulari E D A C B INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 41 Topologia a stella passiva C = 1 (anche se ci sono N fili) Svantaggio: potenzialmente vulnerabile ai guasti del centro stella Vantaggio: basso numero di canali È usata per ridurre i costi e semplificare la stesura dei canali Ogni nodo ha un unica scelta di percorso possibile Esiste nella rete un unico canale (broadcast) Usata nelle reti locali E D A C B INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 42 Pag. 21

22 Topologia a maglia N-1 < C < N(N-1)/2 Svantaggio: topologia non regolare Vantaggio: tolleranza ai guasti e numero di canali selezionabile a piacere E A B Instradamento complesso: esiste un elevato numero di percorsi alternativi D C È la più usata (Internet, telefonia) INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 43 Topologia ad anello Può essere unidirezionale o bidirezionale INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 44 Pag. 22

23 Topologia ad anello C=N/2 per l anello unidirezionale C=N per l anello bidirezionale È molto usata in reti locali e metropolitane e per costruire topologie magliate (SDH) Esistono uno o due percorsi possibili per ogni coppia di nodi INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 45 Topologia ad anello In caso di guasto l anello bidirezionale assicura la sopravvivenza della rete (a capacità dimezzata): l anello bidirezionale è la più semplice topologia che consente un instradamento alternativo in caso di guasto. INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 46 Pag. 23

24 Topologia a bus C=N-1 per il bus attivo (caso particolare di albero) C=1 per il bus passivo Esiste una sola scelta possibile di percorso tra ogni coppia di nodi Usata in reti locali e metropolitane E D A C B INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 47 Topologia logica e fisica Bisogna distinguere: topologia logica: definisce l interconnessione tra nodi mediante canali topologia fisica: tiene conto del percorso dei mezzi trasmissivi INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 48 Pag. 24

25 Topologia fisica A B C D INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 49 Topologia logica A B C D INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 50 Pag. 25

26 Topologia e prestazioni La quantità di traffico smaltibile da una rete dipende, a pari capacità disponibile sui canali, in modo inversamente proporzionale dalla media della distanza tra ogni coppia di nodi della rete pesata dalla quantità di traffico scambiata tra i due nodi. INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 51 Topologie e prestazioni Confronto tra alcune topologie, a pari numero di nodi (4) e (quasi) a pari numero di canali Traffico uniforme. Ogni coppia di nodi si scambia x bit/s. Traffico totale generato 12x. Ogni canale unidirezionale ha capacità B bit/s. Si calcola: distanza media, capacità rete, carico massimo su canale, carico massimo su nodo INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 52 Pag. 26

27 Topologie e prestazioni Capacità: 3x2B=6B Distanza media: 20/12=1.66 Considerando solo il traffico da sinistra verso destra il carico massimo su un canale vale 4x; quindi x <= B/4. Il nodo 3 (o 2) deve gestire fino a 7B/4 di traffico x 2x 2x x x x INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 53 Topologie e prestazioni Capacità: 3x2B=6B Distanza media: 1.5 Per il traffico in uscita dal nodo centrale il carico massimo su un canale vale 3x; quindi x <=B/3. Il nodo centrale deve gestire fino a 3B di traffico. 1 x x x 4 2 x x x x x x 3 INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 54 Pag. 27

28 Topologie e prestazioni Capacità: 4x2B=8B Distanza media: 1.33 Per il traffico senso orario il carico massimo su un canale vale 2x; quindi x <= B/2. Ogni nodo deve gestire fino a 2B di traffico. 3x/2 x/2 3x/2 x/2 3x/2 x/2 3x/2 x/2 INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 55 Topologie: distanza media Anello E[d 1 ]=O(N) Manhattan E[d 2 ] =O( N) Shuffle E[d 3 ]=O(logN) E[d 1 ]> E[d 2 ]>E[d 3 ] INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 56 Pag. 28

29 Servizi nelle reti di telecomunicazioni Gruppo Reti TLC INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 57 ITU-T: definizione Servizio di telecomunicazione: ciò che viene offerto da un gestore pubblico o privato ai propri clienti al fine di soddisfare una specifica esigenza di telecomunicazione INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 58 Pag. 29

30 Reti integrate e dedicate Le reti di telecomunicazione possono essere: dedicate (un unico servizio) integrate (una molteplicità di servizi) ISDN a banda stretta (narrowband ISDN o N-ISDN) ISDN a banda larga (broadband ISDN o B-ISDN) INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 59 Classificazione dei servizi di telecomunicazione Servizi portanti Fornisce la possibilità di trasmissione di segnali tra interfacce utente - rete Esempio: circuito diretto numerico punto - punto Teleservizi Fornisce la completa possibilità di comunicazione tra utenti, includendo le funzioni degli apparati di utente, secondo protocolli concordati da gestori pubblici o privati Esempi: telefonia, telefax Possono essere servizi di base servizi supplementari INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 60 Pag. 30

31 Servizio di base Fornisce all utente un servizio di telecomunicazione con le minime funzionalità richieste dal servizio stesso Esempi: telefonia di base (POTS) televisione INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 61 Servizio supplementare Fornisce all utente un servizio con funzionalità aggiuntive rispetto al corrispondente servizio di base Può essere offerto solo in associazione a un servizio di telecomunicazione di base e quindi modifica o integra uno o più servizi di base Esempi Telefonia: avviso di chiamata, richiamo su occupato, trasferimento di chiamata, numero verde, segreteria telefonica Televisione: Video-on-Demand (VOD) INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 62 Pag. 31

32 Teleservizi Il flusso di informazioni può essere: bidirezionale simmetrico bidirezionale asimmetrico unidirezionale oppure punto - punto punto - multipunto multipunto - multipunto INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 63 Classificazione dei (tele)servizi Interattivi conversazionali messaggistica consultazione / reperimento Diffusivi senza controllo di presentazione all utente con controllo di presentazione all utente INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 64 Pag. 32

33 I servizi interattivi conversazionali Permettono comunicazione con trasferimento di informazioni da estremo a estremo in tempo reale Esempi: VIDEO e SUONO telefonia videoconferenza videosorveglianza Esempi: DATI trasferimento di file interconnessione di calcolatori controllo in tempo reale giochi multiplayer INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 65 I servizi interattivi di messaggistica Permettono la comunicazione da estremo a estremo tramite apparati per la memorizzazione di informazioni Esempi: VIDEO e SUONO segreteria telefonica videoclip, immagini fisse Esempi: DATI SMS INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 66 Pag. 33

34 I servizi interattivi di consultazione e reperimento Permettono la consultazione ed il reperimento di informazioni immagazzinate in centri di informazione di uso pubblico Esempi: Web Reperimento immagini fisse Teledidattica Telesoftware Teleshopping INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 67 I servizi diffusivi senza controllo di presentazione all utente Permettono la diffusione di un flusso di informazioni da una sorgente a un numero qualsiasi di ricevitori (autorizzati) collegati alla rete Gli utenti NON POSSONO controllare l inizio e l ordine della presentazione delle informazioni Esempi: TV, pay TV radio INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 68 Pag. 34

35 I servizi diffusivi con controllo di presentazione all utente Permettono la diffusione di un flusso di informazioni da una sorgente a un numero qualsiasi di ricevitori (autorizzati) collegati alla rete Le informazioni sono organizzate in sequenze di entità che si ripetono ciclicamente e gli utenti POSSONO controllare l inizio e l ordine della presentazione delle informazioni Esempi: televideo quasi VoD INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 69 Modalità di realizzazione di teleservizi Modello client-server Modello peer-to-peer Si differenziano per le modalità di comportamento degli applicativi utente Terminologia derivata dal mondo Internet INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 70 Pag. 35

36 Modello client-server Prevede due ruoli ben distinti client: inizia l interazione con il server ( parla per primo ), tipicamente richiedendo un servizio (es. richiesta di una pagina www, invio di un ) server: fornisce al client il servizio richiesto (p.es. invia la pagina www richiesta, riceve e memorizza il messaggio di ) Informazione contenuta prevalentemente nel server. La maggior parte delle applicazioni nel mondo Internet, seguono il modello client/server. INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 71 Modello client-server I server sono attivati al momento dell accensione dell elaboratore su cui sono stati installati e si pongono in attesa di richieste da parte dei client. Sono sempre disponibili. I client sono attivati nel momento in cui l utente richiede un servizio e si disattivano quando tale servizio è terminato. INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 72 Pag. 36

37 Modello client-server request reply INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 73 Modello peer-to-peer Modello introdotto più recentemente nel mondo Internet Nota: la telefonia, il fax, seguono modello simile Pensato principalmente per interazione tra gruppi di utenti Tutti gli applicativi utenti sono paritetici : mettono a disposizione informazioni condivise INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 74 Pag. 37

38 Trasmissione nelle reti di telecomunicazioni Gruppo Reti TLC INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 75 Tipi di trasmissione ANALOGICA L'informazione è trasferita per mezzo di un segnale elettrico continuo limitato di infiniti possibili valori NUMERICA L'informazione è trasferita per mezzo di un segnale elettrico discontinuo limitato con un numero finito di possibili valori INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 76 Pag. 38

39 Trasmissione analogica t INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 77 Trasmissione numerica INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 78 t Pag. 39

40 Processo di numerizzazione Analogico Campionamento Quantizzazione t t t Numerico t INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 79 Tipi di trasmissione ANALOGICA L'informazione assume valori in un insieme continuo. Tali valori vengono rappresentati come variazione continua di un parametro elettrico. NUMERICA L'informazione assume valori in un insieme numerabile e finito di valori. I segnali che trasferiscono l informazione sono in generale comunque continui. Il ricevitore, tramite un processo di decisione, ricostruisce informazione discreta. INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 80 Pag. 40

41 Tipi di trasmissione PARALLELA L'informazione viene trasferita in parallelo (tipicamente 8 bit = 1 byte alla volta) su un bus di comunicazione contenente segnali di dato e segnali di temporizzazione (clock). SERIALE L'informazione viene prima serializzata e quindi trasmessa un bit alla volta. Esistono meccanismi di sincronizzazione che evitano l'uso di segnali aggiuntivi di temporizzazione. INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 81 Trasmissione Parallela Bit 1 Bit Parallela INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 82 Pag. 41

42 Trasmissione Seriale INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 83 Tipi di trasmissione seriale ASINCRONA Ogni byte di informazione viene trasmesso separatamente dagli altri. Il clock di ricezione è solo nominalmente uguale a quello di trasmissione. SINCRONA Le informazioni da trasmettere sono strutturate in trame. Il trasmettitore e il ricevitore sincronizzano i loro clock prima della trasmissione e li mantengono sincronizzati per tutta la durata della trama. INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 84 Pag. 42

43 Trasmissione asincrona S: Start Bit P: Parity Bit Stop Bits: 1, 1.5, 2 DA 5 A 8 BIT LINE IDLE S LSB MSB P STOP BITS 1 CARATTERE INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 85 Trasmissione sincrona L'overhead di sincronizzazione è ridotto CARATTERE N MSB LSB MSB LSB CARATTERE N-1 CARATTERE N+1 CLOCK INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 86 Pag. 43

44 Ricezione Ricezione continua su canali punto-punto o per trasmissione sincrona Ricezione burst mode su canali multipunto o broadcast o nel caso di trasmissione asincrona INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 87 Modi di trasferimento nelle reti di telecomunicazioni Gruppo Reti TLC nome.cognome@polito.it INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 88 Pag. 44

45 Condivisione di canale Condivisione di canale tra diversi flussi di informazione in una rete di TLC Multiplazione: se tutti i flussi sono disponibili in un unico punto Accesso multiplo: se i flussi accedono al canale da punti differenti INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 89 Condivisione di canale Per eseguire queste funzioni si possono utilizzare: Frequenza (FDM - FDMA) Tempo (TDM - TDMA) Codice (CDM - CDMA) Spazio f canale t INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 90 Pag. 45

46 Multiplazione di frequenza (FDM FDMA) Separazione ottenuta usando bande di frequenza diverse Servono bande di guardia f INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 91 t Multiplazione di tempo (TDM TDMA) Separazione ottenuta usando intervalli di tempo diversi Servono trame temporali che si ripetono Servono tempi di guardia f t INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 92 Pag. 46

47 Multiplazione di codice (CDM CDMA) Separazione ottenuta usando codici diversi Servono codici riconoscibili c f INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 93 t f Multiplazione di codice (CDM CDMA) t INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 94 Pag. 47

48 Multiplazione di codice (CDMA) La separazione tra i flussi è ottenuta usando codifiche diverse Servono codici riconoscibili (ortogonali) I flussi non vengono separati né nel tempo né in frequenza, ma sfruttando segnali ortogonali. Si ottiene migliore protezione dai disturbi. L operazione di ricezione è una proiezione (correlazione, o prodotto scalare). INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 95 Multiplazione di codice Un esempio: parola di codice per l utente i: sequenza codificata = bit di informazione x parola di codice bit di informazione: sequenza codificata: INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 96 Pag. 48

49 Multiplazione di codice Un esempio (segue): parola di codice utente 1: parola di codice utente 2: parola di codice utente 3: parola di codice utente 4: Sul canale si sommano le trasmissioni (occorre equalizzare le potenze) trasmissione di 1+2+3: trasmissione di 2+3: INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 97 Multiplazione di codice Un esempio (segue): ricezione = correlazione con la parola di codice ricezione dall utente 1 = prodotto scalare della sequenza ricevuta con trasmissione di 1+2+3: correlazione con = 4 trasmissione di 2+3: correlazione con = 0 INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 98 Pag. 49

50 Multiplazione di spazio Le reti permettono di sfruttare la diversità spaziale del sistema per far coesistere più flussi di informazione in punti diversi L instradamento può cercare di sfruttare una multiplazione di spazio per aumentare la capacità di una rete Il progetto della topologia della rete può cercare di aumentare la diversità spaziale Le celle sono un esempio di diversità spaziale INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 99 Multiplazione statistica La multiplazione nelle dimensioni tempo, frequenza (o lunghezza d onda), codice e spazio può essere predeterminata (sulla scala temporale della dinamica delle connessioni) o statistica (funzione delle variazioni istantanee di traffico) INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE Pag. 50

51 Condivisione di un nodo Condivisione di un nodo tra diversi flussi di informazione in una rete di TLC: Commutazione di circuito: se i flussi sono continui (telefonia) Commutazione di pacchetto e cella: se i flussi sono intermittenti (trasmissione dati) INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE Commutazione Definizione ITU-T: il processo di interconnessione di unità funzionali, canali di trasmissione o circuiti di telecomunicazione per il tempo necessario per il trasferimento di segnali E il processo di allocazione delle risorse di rete necessarie per il trasferimento dell informazione INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE Pag. 51

52 Commutazione di circuito La rete usa le risorse disponibili per allocare un circuito a ogni richiesta di servizio Un circuito costituisce un collegamento fisico tra i due terminali di utente INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE Commutazione di circuito Il circuito è di uso esclusivo dei due utenti per tutta la durata della comunicazione Le risorse sono rilasciate solo al termine della comunicazione, su indicazione degli utenti INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE Pag. 52

53 Commutazione di circuito impegno trasferimento dati svincolo U1 N1 N2 U2 t t t t INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE Commutazione di circuito Esempio: rete telefonica Un circuito costituisce un collegamento fisico tra i due terminali di utente 5. Trasmette dati 6. Riceve dati 4. Chiamata accettata 3. Accetta chiamata 1. Inizia chiamata 2. Chiamata in ingresso INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE Pag. 53

54 Struttura di nodo di rete a commutazione di circuito interfaccia di ingresso Rete di connessione interfaccia di uscita comando Segnalazione Sistema di comando Segnalazione INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE Vantaggi: Commutazione di circuito banda costante garantita ritardi di trasferimento costanti trasparenza del circuito (formati, velocità, protocolli) bassi ritardi nell attraversamento dei nodi INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE Pag. 54

55 Svantaggi: Commutazione di circuito risorse dedicate a una comunicazione efficienza buona solo per sorgenti non intermittenti tempo di apertura del circuito nessuna conversione di formati, velocità, protocolli tariffazione in base al tempo di esistenza del circuito INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE Commutazione di pacchetto Non si allocano risorse per l uso esclusivo di due o più utenti. Studiata espressamente per sorgenti intermittenti. Funzionamento analogo al sistema postale. INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE Pag. 55

56 Commutazione di pacchetto Funzionamento analogo al sistema postale. INDIRIZZO P.T. P.T. P.T. INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE Commutazione di pacchetto L informazione da trasferire è organizzata in unità dati (PDU) che comprendono informazione di utente e di controllo PDU = protocol data unit (unità dati) PCI = protocol control information (controllo) SDU = service data unit (informazione di utente) PCI SDU INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE Pag. 56

57 Commutazione di pacchetto Unità dati è una terminologia ISO. Altri termini utilizzati: Pacchetto (packet) Cella (cell) Datagramma (datagram) Segmento (segment) Messaggio (message) Trama (frame) INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE Commutazione di pacchetto Le unità dati vengono consegnate alla rete Ogni nodo: memorizza il pacchetto elabora il pacchetto e determina il canale su cui inoltrarlo mette il pacchetto in coda per la trasmissione sul canale Funzionamento store and forward INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE Pag. 57

58 Store and forward Modo di funzionamento dominante: occorre disporre dell intestazione prima di poter effettuare l instradamento l instradamento richiede tempo occorre qualche forma di protezione da errori sull intestazione le diverse capacità dei mezzi trasmissivi non vengono suddivise in canali uguali INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE Struttura di nodo di rete a commutazione di pacchetto interfaccia di ingresso Memoria Code di uscita interfaccia di uscita Memorizzazione: alle uscite agli ingressi mista Elaborazione INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE Pag. 58

59 Commutazione di pacchetto L informazione di utente può dover essere frazionata in molti pacchetti Pacchetti di dimensione fissa o variabile PCI SDU INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE Commutazione di pacchetto U1 N1 N2 U2 t t t t INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE Pag. 59

60 Commutazione di pacchetto La lunghezza dei pacchetti è determinata da possibilità di parallelizzazione (pipeline) Pacchetti brevi favoriscono la trasmissione in parallelo su canali diversi di pacchetti di una stessa comunicazione (riducono la latenza di attraversamento dei nodi) Posso ridurre latenza aumentando velocità di trasmissione INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE Trasmissione in pipeline Ipotesi: tempo propagazione ed elaborazione trascurabile 80 kb/s 80 kb/s 80 kb/s A B C D 10 kb 1s + 1s + 1s = 3s {0.1s s} + 0.1s + 0.1s = 1.2s 1 kb INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE Pag. 60

61 Trasmissione in pipeline Aumento di un fattore 10 la velocità di trasmissione 800 kb/s 800 kb/s 800 kb/s A B C D 10 kb 0.1s + 0.1s + 0.1s = 0.3s {00.1s s} s s = 0.12s 1 kb INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE Commutazione di pacchetto La lunghezza dei pacchetti è determinata da possibilità di parallelizzazione (pipeline) ritardo di pacchettizzazione Pacchetti brevi riducono il ritardo di pacchettizzazione (importante per traffico voce su rete a pacchetto) INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE Pag. 61

62 Commutazione di pacchetto La lunghezza dei pacchetti è determinata da possibilità di parallelizzazione (pipeline) ritardo di pacchettizzazione percentuale di informazione di controllo Pacchetti lunghi riducono la percentuale di informazione di controllo INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE Commutazione di pacchetto Pacchetti lunghi riducono la percentuale di informazione di controllo PCI di dimensione p bit SDU di dimensione s bit Frazione di informazione di controllo: p s+ p INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE Pag. 62

63 Commutazione di pacchetto La lunghezza dei pacchetti è determinata da possibilità di parallelizzazione (pipeline) ritardo di pacchettizzazione percentuale di informazione di controllo probabilità di errore Pacchetti corti riducono la probabilità di errore INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE Commutazione di pacchetto Pacchetti corti riducono la probabilità di errore pacchetti di n bit canale con errori indipendenti probabilità di errore p Probabilità che un pacchetto sia corretto: (1-p) n INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE Pag. 63

64 Commutazione di pacchetto Vantaggi rispetto alla commutazione di circuito utilizzazione efficiente delle risorse anche in presenza di traffico intermittente possibilità di controllo di correttezza lungo il percorso possibilità di conversioni di velocità, formati, protocolli tariffazione in funzione del traffico trasmesso INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE Commutazione di pacchetto Svantaggi rispetto alla commutazione di circuito difficile ottenere garanzie di banda elaborazione di ogni pacchetto in ogni nodo ritardo di trasferimento variabile INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE Pag. 64

65 Commutazione di pacchetto Modi di trasferimento in una rete a commutazione di pacchetto: datagram circuito virtuale INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE Servizio su circuiti virtuali La comunicazione è suddivisa in tre fasi apertura connessione (segnalazione) trasferimento dati chiusura connessione (segnalazione) Esiste un accordo preliminare tra i due interlocutori e il fornitore del servizio Pacchetti diversi con uguale sorgente e destinazione seguono tutti lo stesso percorso INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE Pag. 65

66 Servizio erogato in modalità datagram Non esiste una suddivisione della comunicazione in tre fasi perché non c è alcun accordo preliminare sulla fornitura del servizio Pacchetti diversi con uguale sorgente e destinazione possono seguire percorsi diversi INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE Servizio su circuito virtuale Il servizio su circuito virtuale in reti a pacchetto non è equivalente al servizio in reti a circuito perché non si allocano staticamente risorse a una comunicazione INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE Pag. 66

67 Servizio su circuito virtuale (s)vantaggi rispetto al datagram mantenimento della sequenza minor variabilità dei ritardi instradamento solo in fase di apertura di connessione INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE Informazione di indirizzamento Nel caso datagram occorre identificare in ogni pacchetto la coppia sorgente/destinazione (quindi utilizzare identificatori globali) Nel caso di circuiti virtuali è sufficiente identificare il circuito virtuale (anche con identificatori locali ad ogni tratta). La coppia sorgente-destinazione è utilizzata solo in fase di apertura del circuito INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE Pag. 67

68 Circuiti virtuali: identificatori TE TE2 TE IN etichetta OUT etichetta INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE Circuiti virtuali: identificatori Una connessione su un canale è identificata logicamente da un etichetta Etichetta = spesso è coppia di identificatori LCG-LCN in X.25/ISDN, VCI-VPI in ATM Circuito virtuale: associato a una singola comunicazione Gruppo: associato a un insieme di circuiti virtuali Gruppo permette di aggregare flussi Facilita operazioni gestione interna rete Esempi: collegamento tra LAN, flussi multimediali voce e video INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE Pag. 68

69 Raggruppamento di circuiti virtuali: nomenclatura ATM VPI 1 VCI 1 VCI 2 VCI 3 VCI 4 VPI 6 VCI 5 INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE Circuiti permanenti e commutati PVC (Circuiti virtuali permanenti) creati tramite il sistema di gestione della rete, non in tempo reale definiscono una rete semi-statica SVC (Circuiti virtuali commutati) creati su richiesta dell utente tramite segnalazione della rete, in tempo reale INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE Pag. 69

70 Tecniche di segnalazione Gruppo Reti TLC INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE ITU-T Segnalazione: lo scambio di informazioni che riguardano l apertura e il controllo di connessioni e la gestione di una rete di telecomunicazione INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE Pag. 70

71 Tecniche di segnalazione Si distinguono: segnalazione di utente: scambio di informazioni tra utente e nodo segnalazione internodale (di rete): scambio di informazioni tra nodi associata al canale: in banda fuori banda a canale comune INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE Segnalazione associata al canale Esiste una corrispondenza biunivoca tra: canale controllante (informazioni di segnalazione) canale controllato (informazioni di utente) Usata in reti a circuito per telefonia o per dati di vecchia tecnologia 1 2 k informazioni d utente 1 2 k associati segnalazione INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE Pag. 71

72 Segnalazione associata al canale Segnalazione associata al canale: in banda (canale controllante e controllato coincidono - sono usati in tempi diversi) segnalazione 1 2 k INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE Segnalazione associata al canale Segnalazione associata al canale: fuori banda (canale controllante e controllato distinti) 1 2 k 1 2 k informazioni d utente segnalazione INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE Pag. 72

73 Segnalazione a canale comune Un canale di segnalazione controlla più canali di informazioni di utente Il canale di segnalazione funziona a pacchetto 1 2 k informazione d utente 1 k segnalazione INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE Segnalazione a canale comune Usata nelle reti con tecnologie avanzate Standard ITU-T Sistema di segnalazione n. 7 (SS n. 7) INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE Pag. 73

74 Segnalazione a canale comune L uso della segnalazione a canale comune nelle nuove reti a circuito porta alla definizione di una rete di segnalazione Tra le informazioni di segnalazione hanno particolare rilevanza gli indirizzi di utente: INDIRIZZI E NUMERAZIONE INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE Tecniche di gestione Gruppo Reti TLC nome.cognome@polito.it INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE Pag. 74

75 Controllo e gestione delle reti Il Network Management normalmente consiste di diverse funzioni: gestione della configurazione (Configuration Management) gestione delle prestazioni (Performance Management) gestione dei guasti (Fault Management) gestione della sicurezza (Security Management) gestione della tariffazione (Accounting Management) INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE Qualità di Servizio nelle reti di telecomunicazione Gruppo Reti TLC nome.cognome@polito.it INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE Pag. 75

76 Qualità di Servizio Per il progetto di una rete si devono definire le caratteristiche secondo le quali le informazioni sono emesse dalle sorgenti nell ambito di un servizio di telecomunicazione INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE Qualità di Servizio La disponibilità di risorse nella rete e le tecniche di allocazione delle risorse alle comunicazioni determinano la qualità del servizio fornito all utente L analisi e il progetto di una rete di TLC si basano su modelli quantitativi che permettono di stimare la qualità del servizio fornito a partire da ipotesi relative alle risorse e alle attività INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE Pag. 76

77 Problema di analisi: Date: richieste di servizio risorse disponibili Determinare: qualità del servizio Qualità di Servizio INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE Problema di progetto: Date: richieste di servizio qualità del servizio Determinare: risorse necessarie Qualità di Servizio INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE Pag. 77

78 Qualità di Servizio Servono modelli matematici per: caratterizzare le richieste di servizio descrivere l interazione tra attività e risorse calcolare la qualità del servizio INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE Caratterizzazione delle sorgenti di informazione Analogiche: voce, video caratterizzate dalle loro caratteristiche spettrali (occupazione in banda, correlazione,...) Numeriche (o numerizzate): dati, voce (numerizzata), video (numerizzato) caratterizzate dalla velocità di cifra e dalla loro impulsività (burstiness) INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE Pag. 78

79 Caratterizzazione delle sorgenti di informazione Sorgenti numeriche: a velocità costante (Constant Bit Rate - CBR) voce numerizzata (64 kb/s, 32 kb/s) videoconferenza (n x 64 kb/s) a velocità variabile (Variable Bit Rate - VBR) video MPEG (ordine dei Mb/s) file transfer (da kb/s a Mb/s) INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE Caratterizzazione delle sorgenti di informazione Sorgenti CBR: velocità (b/s) durata (s) processo di generazione delle chiamate INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE Pag. 79

80 Caratterizzazione delle sorgenti di informazione Sorgenti VBR: velocità di picco (b/s) velocità media (b/s) Oppure: grado di intermittenza = velocità di picco / velocità media durata (s) processi di generazione delle chiamate INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE Caratterizzazione delle sorgenti di informazione V 1 L token bucket sorgente V 2 rete INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE Pag. 80

81 Indici di qualità Tipi di informazione diversi richiedono alla rete prestazioni diverse Indici di qualità: ritardo (valor medio, percentile, tempo reale) velocità probabilità di errore probabilità di blocco INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE Indici di qualità Esempio: la telefonia (CBR) ritardo massimo pari a qualche decimo di secondo - tempo reale velocità 64 kb/s (o meno) probabilità di errore non superiore a qualche % probabilità di blocco bassa INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE Pag. 81

82 Indici di qualità Esempio: la posta elettronica (VBR) ritardo massimo fino a diversi minuti velocità bassa probabilità di errore trascurabile probabilità di blocco trascurabile INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE Indici di qualità Esempio: il video su richiesta ritardo massimo fino a qualche secondo - tempo reale velocità di decine di Mbit/s probabilità di errore non superiore a qualche % probabilità di blocco molto bassa INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE Pag. 82

83 Caratteristiche di alcuni servizi durata collegamento (s) ora 1 min. telemetria dati a bassa velocità voce HI-FI audio video telefonia facsimile kbit/s 1 Mbit/s video video conferenza dati ad alta velocità velocità (bit/s) INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE Caratteristiche di alcuni servizi traffico modem burstiness dati bassa velocità voce audio HDTV non compresso VIDEO terminali di host LAN bassa velocità compresso LAN alta velocità immagini dati non connessi super calcolatori circuito pacchetto velocità di picco INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE Pag. 83