Modem. Cosa non è un modem. xdsl. Fabio Proietti (c) 2014 Licenza:

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1 Modem Quando si vuole fare una connessione alla rete Internet si può usare un modem. Il nome "modem" è stato ottenuto unendo insieme due parole: mo-dulazione e dem-odulazione. Il modem è un dispositivo che è in grado di trasformare i segnali digitali (numerici), in uscita dal computer, in segnali analogici, che possono essere trasmessi sulla linea del telefono e, viceversa, di trasformare i segnali analogici che arrivano dalla linea del telefono in segnali digitali che vengono ricevuti dal computer. La prima operazione è detta di "modulazione" perché il modem modula dei suoni, come quelli di un FAX, cioè trasforma i dati digitali in suoni (analogici), mentre la seconda è detta "demodulazione". DTE DCE Un modem può essere integrato nel computer oppure può essere collegato all'esterno. Le prime connessioni tra un computer e un modem esterno non erano USB, ma erano fatte con un cavo seriale a 9 piedini, oggi possono essere anche su cavo Ethernet. Nello schema di una connessione tra un terminale e un modem si usa spesso questa terminologia: Data Terminal Equipment (DTE), per indicare il terminale, e Data Comunication Equipment (DCE), per indicare il modem. Anche se oggi questi termini sembrano superati, come le comunicazioni sui cavi seriali, questi concetti sono fondamentali e attuali per la comprensione dei basi delle moderne telecomunicazioni. Cosa non è un modem Quando oggi si usa il termine "modem", si potrebbe intendere un significato diverso da quello degli anni '80, perché oggi si utilizzano soprattutto le linee digitali ISDN e ADSL. La parola "modem" si dovrebbe usare solo quando si effettua modulazione e demodulazione sulla tradizionale linea telefonica analogica. I dispositivi che collegano un computer alle linee digitali ADSL non possono chiamarsi modem poiché non effettuano la modulazione dei segnali analogici. I nuovi dispositivi ADSL potrebbero essere chiamati DSL Transceiver (ATU-R), network adapter. xdsl Le linee possono essere simmetriche (SSDL) o asimmetriche (ADSL), nel senso che i dati possono essere trasferiti in upload e in download a velocità uguali oppure diverse. Questo perché per alcuni tipi di utenti è più frequente il download e si cerca di utilizzare al massimo le risorse in tal senso.

2 Sistemi Con il termine "sistema" si possono intendere diverse cose, ma si solito si tratta sempre di un insieme di "oggetti" che "lavorano" insieme per uno scopo, ad esempio: sistema di elaborazione sistema operativo sistema di telecomunicazione La comunicazione Le caratteristiche della comunicazione sono: I soggetti che comunicano (trasmettitore e ricevitore, oppure mittente e destinatario). Di solito il ruolo del trasmettitore e del ricevitore è temporaneo e intercambiabile tra i due soggetti, ma in alcuni casi, il ricevitore non trasmette mai. Questo significa che la comunicazione ha un solo verso e si chiama comunicazione simplex. TX canale RX Il canale o mezzo fisico usato per la comunicazione: ad esempio, se avviene su cavi elettrici, serve un filo di rame per la tensione positiva e un filo per la tensione negativa. Per comunicare un solo messaggio servono quindi due fili di rame. Quanti soggetti comunicano contemporaneamente? Se si ha un solo filo di rame, si deve comunicare necessariamente uno alla volta, inoltre: se il ricevitore non trasmette mai, la comunicazione è detta simplex, se si alternano nella trasmissione, la comunicazione è half duplex; se si può trasmettere e ricevere contemporaneamente la comunicazione è full duplex. Vediamo come esempio, il caso della comunicazione al telefono fisso, dove si può contemporaneamente parlare ed ascoltare: significa che c'è un canale per la trasmissione separato dal canale per la ricezione. Comunicazione asincrona Quando due soggetti comunicano possono avere una specie di orologio in comune (un segnale di clock) che permette di parlare regolarmente ad entrambi, a turno. Questa situazione è definita comunicazione sincrona. Quando due soggetti comunicano a turno, ma senza avere dei tempi fissati, allora è impossibile sapere in anticipo chi dei due trasmetterà e per quanto tempo lo farà: questa situazione è definita comunicazione asincrona.

3 La comunicazione seriale La comunicazione seriale può essere presa come esempio per comprendere le caratteristiche delle comunicazioni in generale. Negli anni '70 ogni produttore di hardware avrebbe voluto utilizzare la propria configurazione elettrica. Oggi le caratteristiche della connessione seriale sono definite dallo standard internazionale EIA Figura 1: it.wikipedia.org/wiki/file:serial_plug1.jpg RS-232 che definisce: livelli di tensione, corrente massima, lunghezza del cavo, ecc. Il microprocessore sulla scheda madre che controlla la comunicazione è detto UART (universal asynchronous receiver/transmitter). Il connettore in Figura 1 è il maschio sul lato del DTE, mentre il lato DCE è femmina. Sul lato terminale DTE la porta seriale potrebbe essere riconosciuta dal fatto che è maschio. Lo standard della comunicazione seriale RS232 ammette due possibili configurazioni: a 25 pin a 9 pin (semplificata). La porta seriale (maschio sul terminale DTE) non va confusa con un'altra porta simile a 25 pin: la porta parallela, che è femmina e alla quale si può collegare la stampante. I costruttori di computer hanno privilegiato sempre la versione a 9 pin della porta seriale, dove si potrebbe attaccare un modem, un mouse, o dispositivi simili. Oggi la porta seriale sembra scomparsa, ma si può acquistare una scheda di espansione oppure un convertitore usb/seriale. (La porta USB ha le caratteristiche di comunicazione seriale?) Perché si chiama "seriale"? Seriale significa che i bit devono essere trasmessi in sequenza, uno dopo l'altro, tutti sullo stesso filo elettrico, quindi la comunicazione seriale sarà un po' più lenta della parallela, dove 8 bit possono viaggiare contemporaneamente su 8 fili diversi fili. Il cavo seriale comune è composto da 9 linee elettriche, ma non è obbligatorio usarle tutte: di solito per una comunicazione sarebbe sufficiente una linea per la trasmissione e una per la ricezione (full duplex), mentre le altre linee aggiuntive possono essere usate per il controllo e la sincronizzazione della comunicazione. La comunicazione seriale può essere sia di tipo sincrono che asincrono. Questo è il significato di alcuni dei pin della Figura 2: 2. Received Data (DTE) Figura 2: 3. Transmitted Data (DTE) 5. Ground (riferimento comune per tutti i segnali) 7. Request To Send (RTS: è usata dal DTE per richiedere di poter inviare dati al DCE.) 8. Clear To Send (CTS: segnala al DTE che il DCE è pronto a ricevere.) Nota: questo sistema è asimmetrico, cioè non è fatto anche per segnalare la disponibilità del DTE Questi ultimi due segnali di controllo non sono indispensabili, e potrebbero essere sostituiti, tramite

4 software, da dei segnali convenzionali sulle tradizionali 2 linee Tx e Rx. Ovviamente DCE e DTE devono inizialmente conoscere le regole della comunicazione, cioè il protocollo di comunicazione, altrimenti sarebbe come se i due dispositivi parlassero lingue diverse. Provare a disegnare le porte a 9 pin del DTE e del DCE e poi a collegare con delle linee i pin 2, 3,5,7 e 8. Cavo null-modem Poiché il DTE è un computer, che può essere programmato, si potrebbe usare un DTE per simulare un DCE. Questo consente di collegare due computer (due DTE) usando un cavo seriale. Questo cavo sarà maschio-maschio e al suo interno la linea di trasmissione cambierà posizione e si invertirà con quella di ricezione in modo che i due DTE non cerchino di trasmettere entrambi sullo stesso pin. Questo tipo di cavo seriale è chiamato null-modem. Termini usati (connessione) Nelle telecomunicazioni il termine "connessione" ha un significato più profondo del linguaggio comune, infatti si parla di comunicazione con connessione e senza connessione. Nel primo caso si intende una comunicazione che utilizza delle regole (un protocollo) che garantiscono a chi trasmette e a chi riceve una comunicazione affidabile, dove non ci siano "incomprensioni", ad esempio per colpa di un messaggio alterato oppure andato perso. Di solito, in una connessione, si utilizzano le seguenti regole: Chi trasmette un messaggio deve avere una conferma dell'avvenuta ricezione. A sua volta il ricevitore può avere la conferma della ricezione della propria conferma. Questo non forniscce una affidabilità assoluta, ma comunque abbastanza elevata. Tornando a parlare del modem, esso non è connesso solo con il DTE, ma a sua volta dovrà stabilire, tramite la linea telefonica, una connessione con un altro computer, che offrirà il servizio di accesso ad Internet e che per questo motivo è chiamato ISP (Internet Service Provider). Anche questa connessione (diretta o point-to-point) ed è basata su un protocollo PPP (Point-to-point Protocol) USB da fare

5 Protocolli Anche se in modo informale, anche le persone usano dei protocolli per le comunicazioni, ad esempio, prima di iniziare una comunicazione, è una buona regola salutarsi. Se l'altra persona ci risaluta, possiamo continuare, altrimenti potrebbe dirci che per qualche motivo non è disponibile. ciao! ciao!... Un protocollo definisce le regole per la comunicazione, come il formato dei messaggi, e deve essere definito in accordo tra due soggetti, a volte usando uno standard definito da un ente superiore. Facendo un paragone, i protocolli sono regole per la comunicazione proprio come i programmi sono delle regole per il calcolo automatico. Entrambe le regole, infatti, possono essere tradotte in algoritmi e programmi. Quello che segue è un esempio di protocollo utilizzabile in un canale half duplex. inizio falso L'altro soggetto sta comunicando? vero Produci una frase Ascolta la prossima parola fine Ogni elaboratore può avere un diverso hardware e un diverso sistema operativo e i protocolli devono essere implementati come dei moduli software indipendenti dal sistema operativo e dalla tecnologia usata. Nella programmazione, una delle tecniche usate per rendere indipendete un programma dal sistema operativo è quella di suddividere il problema in livelli (layer), e viene chiamata anche decomposizione. I livelli (e gli obiettivi) che si possono distinguere nella programmazione sono i seguenti:

6 applicazione (dove l'obiettivo è risolvere il problema all'utente) libreria (dove l'obiettivo è rendere la comunicazione tra applicazione e sistema operativo, indipendente sia dall'applicazione che dal sistema operativo, per avere un software portabile) sistema operativo (dove il problema è il controllo dell'hardware) Nelle telecomunicazioni, come nella programmazione, si possono suddividere in livelli anche i protocolli per le comunicazioni: non si usa un solo protocollo, ma una famiglia di protocolli (suite) che comunicano e collaborano tra loro per ottenere una corretta interpretazione finale del messaggio. Anche nelle telecomunicazioni ogni livello di protocolli risolve una diversa classe di problemi. Esistono numerosi protocolli, diversi tra loro, ma simili nel principio di funzionamento, proprio come ci sono numerosi linguaggi di programmazione, diversi tra loro, ma simili nella filosofia. Esitono protocolli di basso livello (che si occupano dei dettagli a livello hardware) e di alto livello, che si occupano della parte software. Standard I protocolli standardizzati sono numerosi, ma ogni volta che si afferma una nuova tecnologia (o un nuovo monopolio) c'è una "corsa" alla definizione dei propri nuovi protocolli. In assenza di una standardizzazione, ogni casa produttrice di hardware o di software tende a definire nuovi protocolli che poi sono a loro volta modificati (migliorati?) perché non sono degli standard. Certe case produttrici o organizzazioni definiscono nuovi protocolli per scoraggiare gli utenti ad utilizzare i prodotti di altre aziende (che diventano incompatibili). A volte i nuovi protocolli (non standard) sono così diffusi e utilizzati che sono dei protocolli standard de facto. Successivamente questi possono diventare standard de jure grazie all'intervento di un organismo internazionale di standardizzazione. Se sono creati con sufficiente anticipo, gli standard de jure sono un "antidoto" contro gli standard de facto. Gli standard de facto non sono sempre "negativi": per esempio, nei sistemi di comunicazione "open" le definizioni degli standard de facto sono pubbliche e aperte alla collaborazione e alla competizione, con notevole vantaggio per gli utenti. Requisiti di un protocollo Un protocollo può definire i seguenti aspetti della comunicazione: 1. il formato dei dati scambiati: il formato dei bit, dei campi dati e dell'intestazione, MTU il formato degli indirizzi: identificazione di trasmettitore e ricevitore (coppia di indirizzi = connessione) 3. la mappatura/traduzione degli indirizzi: conversione degli indirizzi su tecnologie diverse 4. l'instradamento del messaggio: se non c'è connessione diretta (internetworking) 5. il controllo degli errori: campi calcolati per controllo 6. l'eventuale perdita di dati: il ricevitore attende un po' poi abbandona l'ascolto per timeout 7. la conferma della ricezione: se il messaggio è privo di errori 8. la direzione del flusso: in una comunicazione half duplex deve essere gestita la direzione del flusso 9. il controllo della sequenza (frammentazione): in una comunicazione a commutazione di pacchetto, i dati possono essere frammentati e ricomposti (sono ordinati? mancano dati?) 10. sincronizzazione? 11. la memorizzazione degli stati dei processi? (statefull protocol)

7 Tecnica a commutazione di circuito La comunicazione su una rete, basata sulla commutazione di circuito (circuit switching), è chiamata con questo nome perchè crea un vero circuito elettrico riservato alla comunicazione. Cioè ci sarà uno e un solo percorso per il messaggio. Ad esempio, in figura, la comunicazione tra il punto A con il punto C potrebbe essere realizzata chiudendo in modo permanente (per tutta la durada della comunicazione) il segmento AE insieme al segmento EC. Tecnica a commutazione di pacchetto La tecnica a commutazione di pacchetto si realizza in una rete di circuiti elettrici dividendo il messaggio in frammenti (numerati e chiamati pacchetti). Questo tipo di tecnica è usata per i messaggi digitali ed ogni pacchetto può attraversare percorsi diversi che portano alla stessa destinazione. Ad esempio, in figura, dal punto A si può raggiungere il punto C sia passando per il punto D che passando per il punto E. Questo significa che i circuiti delle linee di comunicazione possono essere momentaneamente chiusi per far passare un pacchetto. Per questo motivo in ricezione si deve risolvere l'eventuale problema degli eventuali pacchetti persi e/o disordinati. Rispetto al precedente tipo, questa tecnica è più affidabile in caso di guasti, ma è più lenta. Inoltre è presente una elaborazione dei dati per realizzare la loro frammentazione. In inglese si usa il termine packet switching per indicare un metodo di comunicazione delle reti che raggruppa i dati in blocchi di dimensioni adeguate chiamate packet. I nodi intermedi che instradano i packet verso un percorso invece che verso un altro, sono detti router. Quella appena descritta è la commutazione di pacchetto senza connessione (o commutazione di datagramma), ma esiste anche la commutazione di pacchetto con connessione (o commutazione di circuito virtuale). Commutazione di circuito virtuale È sempre una comunicazione a commutazione di pacchetto, che però simula la commutazione di circuito. Usa una rete di circuiti, ma stabilisce che tutti i pacchetti siano trasportati sullo stesso percorso. Questo richiede un'ulteriore fase iniziale per la "creazione del percorso", la cosiddetta connessione, ma poi consente una comunicazione più veloce rispetto a quella a commutazione di pacchetto. E A D B C