CAPITOLO 4 GENERALITA SULLE RETI DI TELECOMUNICAZIONI.

Transcript

1 CAPITOLO 4 GENERALITA SULLE RETI DI TELECOMUNICAZIONI. 1

2 4. GENERALITA SULLE RETI DI TELECOMUNICAZIONI 4.1 Definizione e Classificazione delle Reti di Telecomunicazione La prima immagine di rete fu la rete per trasmissione dati, plasmata sul modello di rete telefonica in cui c erano appunto i link, i col1egamenti telefonici (o trunk) e le varie centrali di transito, che fungevano da elementi di reinstradamento del traffico telefonico. Una Rete di Telecomunicazione possiamo definirla, in modo funzionale, come un sistema distribuito che permette la trasmissione di informazioni da un suo capo all altro, consentendo un indirizzamento universale. Quindi una rete di telecomunicazioni deve implementare al proprio interno sia delle funzionalità per il trasporto dell informazione, sia delle funzionalità per l indirizzamento e per la commutazione (switching). Per realizzare dal modello funzionale, un possibile modello fisico, la rete di telecomunicazioni deve prevedere la presenza dei link (collegamenti), tipicamente punto-punto, interconnessi fra loro tramite dei nodi di commutazione (Network switch), il cui compito è quello di riconoscere le richieste per l apertura di una connessione e fare in modo che i dati, relativi a tale connessione, arrivino al nodo di destinazione. La Fig mostra un esempio generico di topologia di rete di comunicazione. In essa sono presenti i nodi interni che svolgono le funzionalità di commutazione e i link che si occupano del trasferimento delle informazioni. Fig : esempio di topologia di rete di comunicazione. Tale era ad esempio, lo schema di ARPANET in cui i nodi di comunicazione (quelli che si chiamavano Interface Message Processor), hanno la funzione di leggere l heder del messaggio per sapere quale sia l identificativo del destinatario della comunicazione e quindi instradare tale messaggio verso un nodo adiacente, fino alla destinazione finale. All inizio degli anni 70 (periodo in cui emerse fortemente il fenomeno delle reti locali) si cominciarono a classificare le reti in almeno due grosse categorie: reti punto-punto, basate sul modello della rete telefonica, in cui troviamo cascate di collegamenti punto punto. Nell ambito delle reti punto-punto è possibile realizzare dei servizi di tipo multicast, secondo cui una stazione invia informazioni ad una intera comunità di altre stazioni; reti a diffusione globale, nate come reti broadcast, dove si usano esplicitamente dei mezzi ad accesso comune o multipunto, attraverso cui una stazione invia informazioni che vengono 2

3 catturate dalla stazione destinataria; infatti le altre stazioni, leggendo il campo in cui è contenuto l indirizzo del destinatario, capiscono che le informazioni non sono destinate a loro. Detto ciò, vediamo quali sono le tipologie più caratteristiche delle due categorie di reti sopra citate. Nella seguente Fig sono riportate le tipologie di reti punto-punto più comunemente utilizzate. Fig : possibili topologie di reti point-to-point. (a) Stella. (b) Anello. (c) Albero. (d) Maglia completa (o grafo completo). (e) Interconnessione di anelli. (f) Maglia incompleta. (a) La topologia a stella permette un collegamento veloce fra la stazione trasmittente e quella ricevente, presenta una buona espandibilità (è possibile aggiungere facilmente nuove stazioni alla rete), anche se ha il grosso difetto di concentrare tutte le comunicazioni punto punto sul nodo di centro stella (server); infatti in caso di guasto del centro stella verrebbe impedita la comunicazione fra qualsiasi coppia di utenti. E comunque una tipologia di rete molto semplice da gestire ed anche affidabile dal punto di vista globale, visto che un errore su un link radiale interessa soltanto quel link. (b) La topologia ad anello presenta, invece, il difetto della fragilità dovuta alla serialità dei collegamenti punto punto. Basta infatti il guasto di una qualsiasi stazione dell anello per troncare la continuità della rete ed impedire la realizzazione di ogni comunicazione. Inoltre i vari elementi di una rete ad anello sono tipicamente attivi, cioè hanno funzioni di rigenerazione del segnale (non si utilizzano elementi passivi perché le distanze coperte sono spesso elevate e quindi si ha bisogno di una rigenerazione del segnale). In questo tipo di reti non esiste il problema dell indirizzamento. (c) Nella topologia ad albero la criticità dei nodi dipende dalla posizione occupata. Questa topologia, invece di avere un unico centro stella, presenta delle ramificazioni, per cui l effetto degli errori, e quindi le replicazioni necessarie per l affidabilità dei messaggi, sono delegate, secondo un ordine gerarchico, via via verso l alto. Una rete ad albero viene anche definita rete di accesso o rete di distribuzione verso l utente. (d) La topologia a maglia completa (o a grafo completo) permette una comunicazione veloce, in quanto tutte le coppie di nodi sono collegate tra loro e quindi per comunicare non è necessario di nessun nodo intermedio; inoltre è un tipo di rete molto robusta, anche se non è utilizzabile in un ambiente globale a causa dell enorme quantità di collegamenti richiesti. Se vogliamo infatti collegare fra loro N nodi, sono necessari N*(N-1)/2 link (il fattore ½ è dovuto al fatto che i link 3

4 permettono una comunicazione in entrambe le direzioni, quindi se è presente un link che collega il nodo A al nodo B non è necessario un ulteriore collegamento tra il nodo B e il nodo A). (e) Topologia ad interconnessione di anelli. (f) Ci si orienta, eventualmente, verso una topologia a maglia incompleta (o a grafo incompleto) per non esasperare la connessione fisica tra i vari nodi di una rete a maglia completa; in questo modo, però, alcuni nodi terminali non sono collegati direttamente e quindi per comunicare devono usare dei nodi intermedi: questo comporta che la comunicazione deve avvenire attraverso diversi salti. In questo caso si parla, appunto, di comunicazione multi-hop (multisalto). Il modello più utilizzato tra le strutture di tipo punto-punto e, in particolare, per realizzare reti geografiche, è proprio quello la topologia a maglia incompleta. Nella realtà lo schema più utilizzato è formato da un backbone (spina dorsale) al quale sono connesse le varie reti periferiche di accesso, secondo una struttura simile a quella ad albero. Il backbone è invece organizzato secondo una struttura a grafo completo, o eventualmente a grafo incompleto. Alcune tipologie di reti, comunque, non hanno i nodi di commutazione (detti anche nodi di switching) e vengono classificate come reti con accesso multiplo (Multiple Access Network), al contrario di tutti gli schemi visti in precedenza in cui si presuppone che la funzione di commutazione sia implementata esplicitamente. Nella Fig sono, invece, riportate le tipologie di reti a diffusione globale più comunemente usate. (c) Fig Due tipi di reti broadcast. (a) Bus. (b) Ring. (c) Satellite o Radio (a) Il primo tipo è la classica rete a bus, in cui vi è la presenza di un singolo cavo, detto appunto bus, a cui tutti gli utenti della rete sono collegati. Tale struttura a bus è una delle più diffuse e particolarmente utilizzata nelle reti LAN. La gestione di una rete a bus va risolta prevedendo una politica di contesa del bus. E infatti necessaria una forma di arbitraggio in modo tale che una sola stazione trasmetta in un dato istante: questo serve ad evitare che i vari segnali, trasmessi contemporaneamente da più stazioni, interferiscano fra di loro. Entrano in gioco, dunque, opportuni protocolli di accesso che regolamentino l utilizzo del mezzo fisico in comune. Infatti nel momento in cui abbiamo a che fare con reti di questo genere, diventa fondamentale che sia realizzata una funzionalità di accesso controllato al mezzo, all interno dello strato Data Link. Questo aspetto è talmente rilevante, che nel modello di architettura delle reti locali è stato esplicitamente suddiviso il Data Link Layer in due sotto livelli: il MAC Layer (Mediun Access Control Layer) che controlla l accesso al mezzo, con sopra l LLC Layer (Logical Link Control 4

5 Layer, ossia livello di controllo logico del collegamento) che svolge le funzionalità di controllo di errore, di apertura della connessione, ecc. (b) Altra struttura molto usata è la rete a ring (ad anello) in cui le stazioni possono essere collegate in modo attivo o passivo ad una stazione master. Nel primo caso, l informazione circolante sul bus viene memorizzata e trasmessa, permettendo dunque la rigenerazione del segnale stesso a prezzo di un tempo di latenza superiore. La differenza tra le reti ad anello con le reti a bus è che nel ring c è un unico mezzo di comunicazione, senza soluzione di continuità, a cui si innestano i vari terminali. (c) Discorso a parte meritano le reti wireless (senza cavo). Tra queste ricordiamo le reti via Radio e le reti via Satellite, che, pur essendo entrambe wireless, utilizzano bande di frequenze molto differenti. Come le LAN, tali reti sono di tipo broadcast e quindi sono necessari dei meccanismi di arbitraggio per risolvere le contese. Facendo comunque un confronto con le reti LAN, le reti wireless hanno tipicamente capacità trasmissive inferiori (valori tipici sono 1 2 Mbps), tempi di ritardo superiori e probabilità di errore spesso elevata. Inoltre le reti wireless sono usate non in ambito locale, bensì in ambito nazionale (centinaia di Km). In particolare, in una rete satellitare avviene la comunicazione fra un certo numero di stazioni di terra e uno o più satelliti, i quali non fanno altro che rilanciare il segnale e, volendo, effettuare una commutazione a bordo: cioè dopo che un segnale arriva al satellite, esso può diramarla su un set limitato di stazioni (nel caso di risorsa trasmissiva a multiplazione a divisione di frequenza, la commutazione può essere effettuata molto semplicemente attraverso un opportuno trasponder che cambi la frequenza della portante del segnale e quindi sposta il segnale su una banda di frequenze per la cui ricezione sono abilitate soltanto alcune stazioni). Le due tipologie di reti broadcast (tutte le stazioni sfruttano lo stesso mezzo trasmissivo per colloquiare) a bus e a ring, sono particolarmente usate in ambito locale (LAN ovvero Local Area Network), geografico (WAN ovvero Wide Area Network sinonimo di rete geografica), o al più in ambito metropolitano (MAN ovvero Metropolitan Area Network), come può essere quella di una grossa città col suo hinterland, in cui le esigenze di trasporto dati sono dell ordine dei Mbit/s (Mbps) (valori tipici sono 10 Mbps fino a 100Mbps), i tempi di ritardo sono molto contenuti (decine di millisecondi) e la probabilità di errore è molto bassa. Queste tipologie però non possono essere usate in ambito nazionale, poiché non esistono protocolli di accesso efficienti e veloci quando le dimensioni della rete aumentano. Vedremo infatti che le prestazioni degradano fortemente all aumentare dell estensione della rete stessa. Nella seguente tabella riassumiamo le caratteristiche delle reti WAN, MAN e LAN: Tipo di Sistema Reti Geografiche (WAN ovvero Wide Area Network) Reti Locali o Metropolitane (LAN - MAN) Sistemi Multiprocessore Estensione Km 10m 1Km LAN 10 Km 50 Km MAN Metri Ordine di grandezza Capacità di Trasmissione Fino a 100 Kbps Decine o Centinaia di Mbps Centinaia di Mbps Tempi di Trasferimento * Secondi o Frazioni di Secondo Millisecondi Frazione di Microsecondo (*) Il tempo di trasferimento è il tempo di latenza dell informazione nella tratta congiungente la sorgente e la destinazione. Fig : Tabella di riepilogo delle caratteristiche delle varie tipologie di reti 5

6 La tabella sopra riportata, in effetti, non tiene conto delle reti integrate (ISDN, B-ISDN), grazie alle quali le capacità trasmissive in ambito locale riescono a raggiungere i Gbps (per applicazioni o servizi multimediali a banda larga) e in ambito nazionale raggiungono i Mbps. Oggi questa classificazione tra reti LAN, MAN e WAN tende a scomparire con la visione di villaggio globale: la rete deve essere vista come una internet, cioè una rete globale capace di trasferire informazioni, in cui sono interconnesse le varie reti LAN, MAN, e Wireless in base alle esigenze dell utente e/o dell amministratore di rete. La comunicazione tra le varie reti che mi costituiscono una internet può avvenire attraverso dei nodi che sono funzionalmente tutti uguali, ma che hanno una terminologia differente a secondo di dove sono collocati: I. i bridge (ponte), sono usati per interconnettere reti locali e quindi non hanno specifiche capacità di indirizzamento, come i nodi di commutazione in una rete punto-punto; II. il gateway è quel nodo di interconnessione tra due reti proprietarie differenti (successivamente il nome gateway è stato anche esteso ad un sistema che funge da mappatura tra un architettura di rete ed un altra, al limite fino al livello 7); III. secondo la terminologia di Internet, i Router hanno lo scopo di effettuare il routing tra una sottorete di Internet ed un altra (tanto che poi il sostantivo routing è diventato sinonimo di nodo di commutazione della rete Internet nella sua globalità); IV. per concludere abbiamo gli switch (come gli autocommutatori delle centrali), che di fatto sono il cuore di una qualsiasi rete, anche se in realtà, difficilmente si usa il temine switch per indicare un nodo di transito. 6