RETI DI CALCOLATORI Nozioni introduttive

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1 Copyright Nozioni introduttive Gruppo Reti TLC Quest opera è protetta dalla licenza Creative Commons NoDerivs-NonCommercial. Per vedere una copia di questa licenza, consultare: oppure inviare una lettera a: Creative Commons, 559 Nathan Abbott Way, Stanford, California 94305, USA. This work is licensed under the Creative Commons NoDerivs-NonCommercial License. To view a copy of this license, visit: or send a letter to Creative Commons, 559 Nathan Abbott Way, Stanford, California 94305, USA. RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 2 Reti telefoniche: cronologia 837: codice Morse 876: brevetto del telefono di Bell 89: brevetto selettore Strowger 894: prima centrale elettromeccanica 895: esperimenti radio di Marconi 923: primo servizio interurbano automatico elettromeccanico (Baviera - Siemens) RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 3 Reti telefoniche: cronologia 938: relè anni 60: elaboratori elettronici per il controllo delle centrali (a programma registrato) 964: prima centrale a controllo elettronico (Succasunna - USA - ESS) 975: prima centrale interamente elettronica (Chicago - ESS4) anni 80: segnalazione a canale comune, ISDN, telefonia cellulare analogica anni 90: rete intelligente, Internet, telefonia cellulare numerica RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 4 Reti per dati: cronologia 969: ARPANET (primo RFC: Host software) 97: ARPANET: 5 nodi e 23 host. Posta elettronica. 973: Prima specifica FTP 973: Prima specifica TCP 976: Ethernet ed X : OSI 982: Token ring IBM 982: TCP e IP sono definiti come protocolli di riferimento di Internet (operativi da //83) Reti per dati: cronologia 984: Introdotti DNS e USENET 985: FDDI 990: 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 993: il traffico Web è solo l % del traffico totale Internet... RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 5 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 6 Pag.

2 Reti per dati: cronologia 997: nasce Internet2, per la sperimentazione di applicazioni e tecnologie di rete avanzate 999: applicazioni peer-to-peer per lo scambio di file (MP3, video) direttamente tra utenti (senza passare da server): Napster, Gnutella, Kazaa Servizi e funzioni nelle reti di telecomunicazione Gruppo Reti TLC nome.cognome@polito.it RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 7 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 8 Formalizziamo ciò che sappiamo già Diamo qualche definizione tratta dal Blue Book del CCITT (Raccomandazione I.2) CCITT: The International Telegraph and Telephone Consultative Committee della International Telecommunication Union (ITU). Dal 994 il CCITT ha preso il nome di ITU-T 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 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 9 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 0 Esempio Gli apparecchi telefonici sono terminali di utente collegati a una rete che fornisce servizi di telecomunicazione RETE DI TLC 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 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 2 Pag. 2

3 Funzioni: esempio Sollevando il microtelefono si indica alla rete l inizio di una procedura di chiamata Funzioni: esempio Bisogna poi attendere il tono di centrale TU - TU RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 3 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 4 Funzioni: esempio Mediante il disco combinatore o la tastiera si indica alla rete l interlocutore desiderato Funzioni: segnalazione di utente Il trasferimento delle informazioni di controllo tra utente e rete si chiama SEGNALAZIONE DI UTENTE RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 5 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 6 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 Funzioni: commutazione La rete individua le risorse necessarie per collegare i due utenti e stabilisce un circuito RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 7 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 8 Pag. 3

4 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 Funzioni: segnalazione di rete La costruzione di un circuito richiede scambio di informazioni di controllo internamente alla rete RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 9 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 20 Funzioni: esempio Agli albori della telefonia la segnalazione avveniva via voce e la commutazione era manuale Funzioni: esempio Agli albori della telefonia la segnalazione avveniva via voce e la commutazione era manuale RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 2 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 22 Funzioni: esempio Agli albori della telefonia la segnalazione avveniva via voce e la commutazione era manuale Funzioni: trasmissione I due utenti possono comunicare Ciao, come stai RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 23 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 24 Pag. 4

5 Definzione ITU-T Trasmissione: il trasferimento di segnali da un punto a uno o più altri punti Funzioni: esempio Al termine della conversazione il circuito viene rilasciato RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 25 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 26 Funzioni: gestione Allacciamento nuovi utenti: modifica o aggiunta apparati e/o canali Evoluzione tecnologica: sostituzione apparati Riconfigurazione per guasti Monitoraggio prestazioni Controllo apparati Funzioni in una rete di telecomunicazione SEGNALAZIONE COMMUTAZIONE TRASMISSIONE GESTIONE RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 27 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 28 Rete di telecomunicazione Topologie delle reti di telecomunicazione Gruppo Reti TLC nome.cognome@polito.it 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 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 29 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 30 Pag. 5

6 Tipi di canale Canale Punto-Punto Due soli nodi collegati agli estremi del canale che viene utilizzato in modo paritetico Tipi di canale Canale Multi-Punto Più nodi collegati ad un unico canale: un nodo master e numerosi slave Master A B Slave RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 3 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 32 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 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) RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 33 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 34 Topologie delle reti di telecomunicazione Topologie a maglia completa Gli archi possono essere: diretti (segmenti orientati - canali unidirezionali) non diretti (segmenti non orientati - canali bidirezionali) Definiamo: N= V C= A C = N(N-)/2 Vantaggio: tolleranza ai guasti (molti percorsi tra due nodi) Svantaggio: elevato numero di canali Esistono molti percorsi alternativi, ma un solo percorso diretto ( 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 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 35 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 36 Pag. 6

7 Topologia ad albero Topologia a stella attiva C = N- 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 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 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 37 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 38 Topologia a stella passiva Topologia a maglia C = (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 N- < C < N(N-)/2 Svantaggio: topologia non regolare Vantaggio: tolleranza ai guasti e numero di canali selezionabile a piacere Instradamento complesso: esiste un elevato numero di percorsi alternativi È la più usata (Internet, telefonia) E D A C B RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 39 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 40 Topologia ad anello Può essere unidirezionale o bidirezionale 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 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 4 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 42 Pag. 7

8 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. Topologia a bus C=N- per il bus attivo (caso particolare di albero) C= 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 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 43 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 44 Topologia logica e fisica Topologia fisica Bisogna distinguere: topologia logica: definisce l interconnessione tra nodi mediante canali topologia fisica: tiene conto del percorso dei mezzi trasmissivi A B C D RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 45 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 46 Topologia logica Topologia e prestazioni A B 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. C D RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 47 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 48 Pag. 8

9 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 2x. Ogni canale unidirezionale ha capacità B bit/s. Si calcola: distanza media, capacità rete, carico massimo su canale, carico massimo su nodo Topologie e prestazioni Capacità: 3x2B=6B Distanza media: 20/2=.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 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 49 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 50 Topologie e prestazioni Capacità: 3x2B=6B Distanza media:.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. x x x 4 2 x x x x x x 3 Topologie e prestazioni Capacità: 4x2B=8B Distanza media:.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 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 5 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 52 Topologie: distanza media Servizi nelle reti di telecomunicazioni Anello E[d ]=O(N) Manhattan E[d 2 ] =O( N) Shuffle E[d 3 ]=O(logN) Gruppo Reti TLC nome.cognome@polito.it E[d ]> E[d 2 ] >E[d 3 ] RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 53 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 54 Pag. 9

10 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 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) RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 55 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 56 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 Servizio di base Fornisce all utente un servizio di telecomunicazione con le minime funzionalità richieste dal servizio stesso Esempi: telefonia di base (POTS) televisione RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 57 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 58 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) I flussi di informazione nei teleservizi Il flusso di informazioni può essere: bidirezionale simmetrico bidirezionale asimmetrico unidirezionale oppure punto - punto punto - multipunto multipunto - multipunto RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 59 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 60 Pag. 0

11 Classificazione dei (tele)servizi Interattivi conversazionali messaggistica consultazione / reperimento Diffusivi senza controllo di presentazione all utente con controllo di presentazione all utente 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 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 6 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 62 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 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 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 63 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 64 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 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 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 65 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 66 Pag.

12 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 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. RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 67 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 68 Modello client-server 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. request reply RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 69 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 70 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 Trasmissione nelle reti di telecomunicazioni Gruppo Reti TLC nome.cognome@polito.it RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 7 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 72 Pag. 2

13 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 Trasmissione analogica t RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 73 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 74 Trasmissione numerica Processo di numerizzazione Analogico Campionamento Quantizzazione t t Numerico t t t RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 75 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 76 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. Tipi di trasmissione PARALLELA L'informazione viene trasferita in parallelo (tipicamente 8 bit = 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. RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 77 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 78 Pag. 3

14 Trasmissione Parallela Trasmissione Seriale Bit Bit Parallela RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 79 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 80 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. LINE IDLE Trasmissione asincrona S S: Start Bit P: Parity Bit Stop Bits:,.5, 2 LSB DA 5 A 8 BIT CARATTERE MSB P STOP BITS RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 8 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 82 Trasmissione sincrona L'overhead di sincronizzazione è ridotto CARATTERE N MSB LSB MSB LSB 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 CARATTERE N- CARATTERE N+ CLOCK RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 83 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 84 Pag. 4

15 Condivisione di canale Modi di trasferimento nelle reti di telecomunicazioni Gruppo Reti TLC 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 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 85 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 86 Condivisione di canale Per eseguire queste funzioni si possono f utilizzare: Frequenza (FDM - FDMA) Tempo (TDM - TDMA) Codice (CDM - CDMA) Spazio canale RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 87 t Multiplazione di frequenza (FDM FDMA) Separazione ottenuta usando bande di frequenza diverse Servono bande di guardia f t RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 88 Multiplazione di tempo (TDM TDMA) Separazione ottenuta usando intervalli di tempo diversi Servono trame temporali che si ripetono Servono tempi di guardia f Multiplazione di codice (CDM CDMA) Separazione ottenuta usando codici diversi Servono codici riconoscibili c f t t RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 89 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 90 Pag. 5

16 f Multiplazione di codice (CDM CDMA) t 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 il prodotto scalare tra segnale ricevuto e sequenza di codice, normalizzando rispetto al numero di bit della sequenza di codice RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 9 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 92 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: Multiplazione di codice Un esempio (segue): parola di codice utente : 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 +2+3: trasmissione di 2+3: RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 93 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 94 Multiplazione di codice Un esempio (segue): ricezione = correlazione con la parola di codice ricezione dall utente = prodotto scalare della sequenza ricevuta con trasmissione di +2+3: correlazione con = 4 trasmissione di 2+3: correlazione con = 0 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 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 95 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 96 Pag. 6

17 Multiplazione statistica Condivisione di un nodo 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) Condivisione di un nodo tra diversi flussi di informazione in una rete di TLC: Commutazione di circuito: se i flussi sono continui (telefonia) e cella: se i flussi sono intermittenti (trasmissione dati) RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 97 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 98 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 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 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 99 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 00 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 Commutazione di circuito impegno trasferimento dati svincolo U N N2 U2 t t t t RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 0 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 02 Pag. 7

18 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. Inizia chiamata 2. Chiamata in ingresso Struttura di nodo di rete a commutazione di circuito interfaccia di ingresso Rete di Connessione o Matrice di commutazione comando interfaccia di uscita Segnalazione Sistema di comando Segnalazione RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 03 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 04 Commutazione di circuito Vantaggi: banda costante garantita ritardi di trasferimento costanti trasparenza del circuito (formati, velocità, protocolli) bassi ritardi nell attraversamento dei nodi Commutazione di circuito Svantaggi: 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 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 05 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 06 Non si allocano risorse per l uso esclusivo di due o più utenti. Studiata espressamente per sorgenti intermittenti. Funzionamento analogo al sistema postale. Funzionamento analogo al sistema postale. INDIRIZZO P.T. P.T. RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 07 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 08 Pag. 8

19 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 Unità dati è una terminologia ISO. Altri termini utilizzati: Pacchetto (packet) Cella (cell) Datagramma (datagram) Segmento (segment) Messaggio (message) Trama (frame) RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 09 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 0 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 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 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 2 Struttura di nodo di rete a commutazione di pacchetto interfaccia di ingresso Memoria Code di uscita interfaccia di uscita L informazione di utente può dover essere frazionata in molti pacchetti Pacchetti di dimensione fissa o variabile Memorizzazione: alle uscite agli ingressi mista Elaborazione PCI SDU RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 3 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 4 Pag. 9

20 Tempo di trasmissione Tempo di propagazione U N N2 U2 Tempo di elaborazione Dimensioni di un pacchetto Dimensione P di un pacchetto Misurata in bit Tempo di trasmissione T TX di un pacchetto Varia da canale a canale T TX = P/V TX dove V TX è la velocità di trasmissione sul canale Dimensione M (in metri) di un pacchetto su un canale M = Velocità della luce x tempo di trasmissione T TX t t t t RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 5 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 6 Ritardi Ritardi subiti da un pacchetto nel suo percorso tra sorgente e destinazione Su ogni canale su cui è trasmesso Ritardo di trasmissione (e di ricezione) Funzione della dimensione in bit del pacchetto e della velocità di trasmissione sul canale Ritardo di propagazione Funzione della dimensione in metri del canale In ogni nodo di commutazione Ritardo di elaborazione Funzione della velocità con cui si eseguono le procedure di instradamento e di eventuali controlli sul pacchetto Ritardo di accodamento Funzione del traffico generato da tutti gli utenti RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 7 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) Si può ridurre la latenza aumentando la velocità di trasmissione RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 8 Trasmissione in pipeline Ipotesi: tempo propagazione ed elaborazione trascurabile Trasmissione in pipeline Aumento di un fattore 0 la velocità di trasmissione 80 kb/s 80 kb/s 80 kb/s A B C D 800 kb/s 800 kb/s 800 kb/s A B C D 0 kb s + s + s = 3s 0 kb 0.s + 0.s + 0.s = 0.3s {0.s s} + 0.s + 0.s =.2s {00.s s} + 0.0s + 0.0s = 0.2s kb kb RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 9 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 20 Pag. 20

21 La lunghezza dei pacchetti è determinata da possibilità di parallelizzazione (pipeline) ritardo di pacchettizzazione La lunghezza dei pacchetti è determinata da possibilità di parallelizzazione (pipeline) ritardo di pacchettizzazione percentuale di informazione di controllo Pacchetti brevi riducono il ritardo di pacchettizzazione (importante per traffico voce su rete a pacchetto) Pacchetti lunghi riducono la percentuale di informazione di controllo RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 2 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 22 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 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 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 23 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 24 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: (-p) n 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 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 25 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 26 Pag. 2

22 Svantaggi rispetto alla commutazione di circuito difficile ottenere garanzie di banda elaborazione di ogni pacchetto in ogni nodo ritardo di trasferimento variabile Modi di trasferimento in una rete a commutazione di pacchetto: datagram circuito virtuale RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 27 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 28 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 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 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 29 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 30 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 Servizio su circuito virtuale (s)vantaggi rispetto al datagram mantenimento della sequenza minor variabilità dei ritardi instradamento solo in fase di apertura di connessione RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 3 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 32 Pag. 22

23 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 TE Circuiti virtuali: identificatori 26 TE IN etichetta OUT etichetta TE2 52 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 33 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 34 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 Raggruppamento di circuiti virtuali: nomenclatura ATM VPI VPI 6 VCI VCI 2 VCI 3 VCI 4 VCI 5 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 35 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 36 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 Tecniche di segnalazione Gruppo Reti TLC nome.cognome@polito.it RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 37 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 38 Pag. 23

24 ITU-T Segnalazione: lo scambio di informazioni che riguardano l apertura e il controllo di connessioni e la gestione di una rete di telecomunicazione 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 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 39 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 40 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 2 k informazioni d utente 2 k associati segnalazione RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 4 Segnalazione associata al canale Segnalazione associata al canale: in banda (canale controllante e controllato coincidono - sono usati in tempi diversi) 2 k segnalazione RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 42 Segnalazione associata al canale Segnalazione associata al canale: fuori banda (canale controllante e controllato distinti) 2 k 2 k informazioni d utente segnalazione Segnalazione a canale comune Un canale di segnalazione controlla più canali di informazioni di utente Il canale di segnalazione funziona a pacchetto 2 k segnalazione informazione d utente k RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 43 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 44 Pag. 24

25 Segnalazione a canale comune Usata nelle reti con tecnologie avanzate Standard ITU-T Sistema di segnalazione n. 7 (SS n. 7) 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 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 45 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 46 Controllo e gestione delle reti Tecniche di gestione Gruppo Reti TLC nome.cognome@polito.it 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) RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 47 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 48 Qualità di Servizio Qualità di Servizio nelle reti di telecomunicazione Gruppo Reti TLC nome.cognome@polito.it 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 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 49 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 50 Pag. 25

26 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 Problema di analisi: Date: richieste di servizio risorse disponibili Determinare: qualità del servizio Qualità di Servizio RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 5 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 52 Problema di progetto: Date: richieste di servizio qualità del servizio Determinare: risorse necessarie Qualità di Servizio Qualità di Servizio Servono modelli matematici per: caratterizzare le richieste di servizio descrivere l interazione tra attività e risorse calcolare la qualità del servizio RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 53 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 54 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) 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) RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 55 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 56 Pag. 26

27 Caratterizzazione delle sorgenti di informazione Sorgenti CBR: velocità (b/s) dimensione dei dati durata (s) processo di generazione delle chiamate 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 o burstiness durata (s) processi di generazione delle chiamate RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 57 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 58 Caratterizzazione delle sorgenti di informazione L sorgente V V 2 token bucket rete 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 perdita probabilità di blocco RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 59 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 60 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 Indici di qualità Esempio: la posta elettronica (VBR) ritardo massimo fino a diversi minuti velocità bassa probabilità di errore trascurabile probabilità di blocco trascurabile RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 6 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 62 Pag. 27

28 burstiness durata collegamento (s) RETI DI CALCOLATORI Nozioni introduttive Indici di qualità Caratteristiche di alcuni servizi 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 ora min. telemetria dati a bassa velocità voce HI-FI audio video video conferenza dati ad alta video velocità telefonia facsimile velocità kbit/s Mbit/s (bit/s) RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 63 RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 64 Caratteristiche di alcuni servizi traffico modem dati bassa velocità voce audio HDTV non compresso terminali di host LAN bassa velocità VIDEO compresso LAN alta velocità immagini dati non connessi super calcolatori circuito velocità di picco RETI DI CALCOLATORI - Nozioni introduttive - 65 Pag. 28