Wide Area Networks 1

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1 Wide Area Networks 1

2 Reti PDH - Plesiochronous Digital Hierarchy Introduzione alle reti PDH Il termine Plesiochronous Digital Hierarchy, PDH, si riferisce al fatto che i sistemi di multiplazione e demultiplazione utilizzati non sono completamente sincroni. Perché su un collegamento trasmissivo conviene multipare? Per chiarire ciò, supponiamo di avere n utenti di volerli connettere con altri n destinatari e di avere a disposizione un solo mezzo, sia esso una fibra o un canale radio: adottare una strategia di multiplazione consente di far condividere la risorsa canale alle n comunicazioni. Le strategie per realizzare la condivisione del canale essenzialmente cercano di discriminare le n-comunicazioni all interno di un contesto comune dove queste sono trasmesse: esse possono essere discriminate in frequenza, assegnando bande frequenziali differenti alle singole comunicazioni (FDM Frequency Division Multiplexing), oppure possono essere discriminate nel tempo, assegnando ad ognuna di esse un intervallo di tempo differente in cui poter trasmettere (TDM Time Division Multiplexing). E importante sottolineare che lo standard PDH non è solo una strategia di multiplazione basata su tecnologia TDM, ma è una raccomandazione più complessa che tende a specificare anche la struttura, quindi il formato dei dati scambiati, la segnalazione e la gestione degli allarmi. Sistemi di multiplazione basati su tecnologia PDH nascono insieme alle prima generazione di reti di telecomunicazioni digitali intorno agli anni sessanta-settanta. Inizialmente tale tecnologia ebbe un enorme successo, ma più tardi fu superata dalla nascita dei sistemi sincroni di multiplazione (SDH Synchronous Digital Hierarchy) intorno agli anni ottanta. Ovviamente i sistemi PDH rimangono importanti per due motivi fondamentali: 1. grazie alla capillare distribuzione avuta nelle reti geografiche nel passato, laddove non ci sono stati guasti fisici degli apparati, gli operatori di reti hanno continuato a mantenere in esercizio tali reti, perché probabilmente se queste funzionavano abbastanza bene, si potevano evitare investimenti in nuove infrastrutture di rete, sfruttando pertanto al meglio le reti PDH preesistenti. 2. storicamente per problemi di progettazione degli apparati di multiplazione risultava sicuramente più semplice implementare una tecnologia quasi sincrona, piuttosto che una totalmente sincrona, quindi capire i meccanismi su cui si basa il sistema PDH significa anche avvicinarsi alle problematiche affrontate nel più moderno sistema SDH. E importante evidenziare che finché saranno numerose le reti in uso di tipo PDH sarà ancora molto importante tutta la parte relativa al monitoraggio e alla diagnostica delle reti PDH, nonostante esse oggi non rappresentino una tecnologia di 2

3 avanguardia, ma semplicemente una tecnologia di rete largamente diffusa e in esercizio. Principi di funzionamento del sistema PDH Nel 1962 la società americana Bell System installava il primo collegamento di tipo punto-punto che faceva uso di un sistema di multiplazione simile a quello PDH. Gli ingressi sono utenti telefonici che devono essere collegati ognuno con un canale a 64kbps con il proprio destinatario. Una strategia di multiplazione come questa riportata in figura permette di non utilizzare 24 oppure 30 collegamenti fisici separati, uno per ogni comunicazione, ma di disporre di un sistema, il multiplatore (in letteratura noto anche come multiplex), che permette la gestione di 24/30 canali fonici su di un unico collegamento fisico. L obiettivo iniziale degli operatori era quello di installare sistemi di questo tipo nei collegamenti fra le centrali telefoniche (noti come trunk), ottimizzando i costi di installazione, di gestione e di manutenzione. Difatti progettare, realizzare e gestire un unico collegamento su cui trasportare n-comunicazioni era sicuramente più economico che utilizzarne n in parallelo. Il sistema sopra riportato ha come ingresso 24 oppure 30 comunicazione telefoniche con codifica PCM (Pulse Code Modulation) trasportate fino al multiplex su cavo in rame; di qui in poi, come vediamo, esce un unico flusso binario che porta l informazione relativa a tutte le conversazioni su di un 3

4 unico collegamento che prevede un tasso di trasmissione Mbps e dei rigeneratori digitali lungo la linea con passo di 2km. I primi sistemi di multiplazione furono impiegati negli Stati Uniti, poi successivamente installati in Europa dove il tasso di trasmissione, chiamato T1 a 1,544Mbps che trasportava 24 canali fonici, fu cambiato in uno, indicato come E1 a 2,048Mbps che trasportava 30 canali fonici. Questo fu uno dei maggiori ostacoli dello sviluppo del PDH; infatti, dal 1972 in poi le scelte implementative del PDH saranno differenti tra Europa ed America. Nel 1972 l ente per le standardizzazioni International Telegraph and Telephone Consultative Committee CCIT (oggi ITU-T) specificava con la raccomandazione G.703 ( Physical/Eletrical Characteristics of Hierarchical Digital Interfaces ) completamente il protocollo PDH, prendendo le distanze dallo standard adottato in nord America dove, invece, il documento ANSI T1.102 Digital Hierarchy-Eletrical Interfaces illustrava le scelte implementative americane profondamente differenti da quelle europee. La differenza fondamentale risiedeva nella scelta del tasso del primo livello di multiplazione, che in America era di 1,544Mbps mentre in Europa di 2,048Mbps. Parallelamente a questa diversificazione fra l Europa e gli Stati Uniti anche il Giappone si accingeva a fare delle scelte diverse. Il principio fondamentale su cui si basa questo sistema è quello della multiplazione quasi-sincrona, diciamo che abbiamo appena visto a cosa si riferisce il termine multiplazione, mentre il termine quasi-sincrona ( Plesiochronous, in italiano Plesiocrona) indica che ogni sistema di multiplazione è capace di organizzare i flussi entranti di dati (i flussi in ingresso ai multiplex sono chiamati tributari) in un unico flusso uscente con un rate più elevato, anche se i flussi entranti non hanno tutti lo stesso rate. Poiché i flussi tributari possono non oscillare tutti alla stessa frequenza nominale e poiché essi possono differire tra loro in termini di rate al massimo per una quantità nota (specificata nello standard), il sistema PDH è stato indicato come un sistema di multiplazione quasi-sincrono. Il paradigma del PDH è Each multiplexer and demultiplexer is standalone island within the network, cioè il sistema non obbedisce ad una logica di sincronizzazione centralizzata con un master clock, cioè un orologio principale che fornisce l istante di riferimento ad ogni multiplatore per sincronizzare tra loro i flussi tributari entranti, ma ogni apparato di multiplazione, distribuito nella rete, permette di sincronizzare i propri tributari a partire da un segnale prelevato da un orologio interno ad esso: la logica per la gestione della sincronizzazione quindi è distribuita al livello di singolo apparato. Una strategia di questo tipo, ovvero quasi-sincrona, permette con una moderata stabilità della rete il perfetto funzionamento della multiplazione e della demultiplazione. Infatti nel sistema plesiocrono esiste una certa tolleranza che hanno gli apparati di multiplazione nei confronti dei tributari e che è un parametro standardizzato e riportato in ppm ovvero parti per milione riferite alla frequenza nominale. Difatti, come abbiamo appena detto, per esempio il multiplex di primo livello, che è il più semplice della gerarchia, accetta in ingresso flussi ad un bitrate nominale di 4

5 2,048Mbps, ma anche tutti quelli che rientrano in questo intervallo (2,048±50ppm) Mbps. Per come è organizzato il sistema allora i multiplatori sono dei componenti del tutto autonomi rispetto al resto della rete. Come mostra la tabella in figura per ogni livello di multiplazione è specificata una tolleranza rispetto alla frequenza nominale. Schema completo di multiplazione e demultiplazione Il seguente schema a blocchi rappresenta la fase di multiplazione per passare da un flusso primario E1 ad uno di ordine superiore E4 e la successiva fase di demultiplazione per ridiscendere la gerarchia ed ottenere da un unico fascio a 139,264Mbps prima 4 flussi E3 a 34,368Mbps, poi 16 E2 a 8,448Mbps ed infine circa 60 flussi primari E1. E importante evidenziare che i blocchi rappresentano gli apparati di multiplazione ( in cui entrano n flussi tributari ed esce un unico flusso di maggiore capacità che porta informazione di tutti gli n ingressi) e di demultiplazione e che tali sistemi gestiscono la sincronizzazione singolarmente, ognuno secondo un proprio clock interno come precedentemente detto. Inoltre come mostra chiaramente lo schema, per spillare (cioè estrarre da un flusso a capacità maggiore un flusso di capacità più piccola) da un flusso E4 a 139,264Mbps, per esempio, un flusso primario E1 a 2,048Mbps bisogna ripercorrere tutta la gerarchia di demultiplazione, ma questo diventa oneroso. Infatti, se per esempio lungo un canale di comunicazione attraversato da un flusso E4 che collega due cittadine vogliamo estrarre un singolo flusso E1 per servire un 5

6 paesino molto piccolo, nel punto di scambio abbiamo bisogno di tutti gli apparati di demultiplazione fino al livello primario, per l estrazione del tributario di interesse, e di multiplazione per ricostituire il flusso da 139,264Mbps, questo può essere un investimento molto oneroso rispetto ai ricavi previsti. FASE DI MULTIPLAZIONE FASE DI DEMULTIPLAZIONE Uno dei limiti del sistema PDH fu quello di specificare tutto fino all interfaccia G.703 che prende nome dalla raccomandazione dell ITU-T con cui si chiariva quali dovevano esseri i parametri del multiplatore, ma non quelli del trasmettitore e del ricevitore. Questa mancanza nella raccomandazione permise, almeno all inizio, a molte industrie manifatturiere di operare delle scelte di tipo proprietario su questi moduli, comportando l ovvia incompatibilità fra apparati di case differenti. La figura sottostante mostra i due terminali di linea tra i quali si trova il mezzo fisico utilizzato (fibra ottica o canale radio). Il terminale di trasmissione, il canale ed il terminale di ricezione possono essere visti come un unico sistema, la cui interfaccia di ingresso e quella di uscita sono conformi allo standard G.703 e rispettivamente collegabili ad un qualsiasi multiplatore e ad un qualsiasi demultiplatore che rispettano la raccomandazione. Il problema risiede nella realizzazione del sistema composto dai due terminali di trasmissione ed il canale, perché per questo sistema ogni casa produttrice ha adottato livelli di segnale differenti, codifiche di linea differenti, lunghezze d onda diverse e gestioni dell overhead diverse, ciò obbliga soprattutto le case industriali che operano nel settore delle misure elettroniche a non poter sviluppare né semplici algoritmi di misura né più complesse procedure di monitoraggio all interfaccia line side, perché di tipo proprietario. 6

7 Inoltre questa mancanza della raccomandazione costringe chi acquista reti PDH a dover comprare una stessa catena di trasmissione trasmettitore-ricevitore tutta da uno stessa casa produttrice. Pertanto uno dei principali motivi di successo del più recente sistema SONET/SDH è proprio quello di specificare completamente i parametri di tutta la linea. Primo livello di multiplazione PDH: struttura della frame Il primo livello di multiplazione è organizzato sulla frame, la cui struttura è completamente specificata in due raccomandazioni: ITU-T G.704 e G.732. In questo insieme di raccomandazioni viene anche specificata la modalità nota come bit sequenze indipendent con la quale si adotta uno schema libero di trasmissione non organizzato più su multipli del canale fonico ( 64kbps), ciò significa poter trasmettere segnali a larga banda ideali per le odierne esigenze delle trasmissioni dati. Sebbene lo standard preveda un uso libero senza schemi prefissati, in questa modalità si hanno numerosi svantaggi come perdita di bit riservati all allarmistica, al controllo di errore e alla segnalazione con evidente impossibilità di gestione della qualità del servizio da parte di un operatore di rete. Ciò mette in risalto come spesso adottare uno standard che non ottimizza al massimo il trasporto della nostra particolare tipologia di traffico sia comunque meglio di una scelta indipendente o di tipo proprietario, in quanto l adesione ad un particolare standard permette anche di fruire di una serie di servizi e di procedure di monitoraggio e diagnostica della rete che sono previsti nello standard adottato, oltre che garantire l interoperabilità con altre reti. Proprio per questo motivo queste due raccomandazioni sono ricche di informazioni, in quanto non specificano solo la strategia di multiplazione, ma l intera struttura che deve avere la frame al livello di bit per poter sfruttare servizi di segnalazione, controllo di errore, sincronizzazione e di allarmistica. 7

8 Essendo questo un sistema di multiplazione a divisione di tempo, i diversi utenti sono serviti in intervalli di tempo differenti ( i segnali sono separati nel dominio del tempo); al primo livello di multiplazione, cioè con 30 tributari, il multiplatore produce un unico flusso in uscita a 2,048Mbps e la frame è costituita da 32 intervalli di tempo indicati con la sigla TS (Time-Slot). Ogni TS contiene 8 bit, un ottetto, quindi in un intera frame ci sono 32 TS e 8 bit per ognuno in totale 32 x 8= 256 bit che è la lunghezza complessiva della frame (mostrata in figura). Ora, convenuto che la banda del segnale vocale è stimata intorno a 3,4 khz e che per il teorema del campionamento la frequenza di prelievo dei campioni deve essere almeno il doppio della frequenza del segnale sorgente per evitare aliasing, la frequenza di campionamento adatta è pari a 8 khz. Quindi, campionare con una frequenza di 8 khz significa che i campioni relativi ad una stessa comunicazione si devono ripetere ogni 1/8 x 10-3 = 125 µs, cioè che tra due campioni relativi allo stesso TS devono intercorrere 125 µs, perciò la durata temporale della frame è di 125 µs. Come mostra la figura sovrastante non tutti i 32 intervalli di tempo a disposizione sono abilitati al trasporto del traffico voce, ma alcuni sono impiegati per altri obiettivi: il TS0 è impegnato per operare la sincronizzazione di frame, mentre il TS16 è impegnato per la segnalazione di rete. Dai motivi appena illustrati deduciamo che, pur essendo disponibili trentadue intervalli, possiamo utilizzarne solo 30 per il traffico fonico con un tasso di trasmissione di (8kHz) x(8bit/campione)= 64kbps. Come si può ben notare l intero sistema è strutturato per gestire una tipologia di traffico essenzialmente telefonico: ecco perché è organizzato su canali con data-rate di 64kbps, che è tipico di una comunicazione telefonica basata su codifica PCM; sebbene da un lato possa apparire un po indietro rispetto al mondo delle odierne trasmissioni dati a larga banda, questo sistema prevede la possibilità di trasmettere segnali a larga banda, che siano organizzati su multipli di 64kbps (n x 64kbps ) per applicazioni come le video-conferenze, oppure di trasmettere anche segnali più piccoli in rate di 64kbps purché sottomultipli della banda del canale fonico: ciò può essere utile per la trasmissione di comunicazioni vocali con codifiche più spinte. 8

9 E importante garantire la sincronizzazione al livello di frame per una corretta demultiplazione, il che avviene solo quando trasmettitore e ricevitore sono bene allineati rispetto alla trama; a questo proposito per individuare il punto di inizio della frame, il ricevitore cerca una parola codice nota su sette bit , opportunamente inserita in trasmissione. Il primo TS trasporta un ottetto di cui il primo bit è riservato per percorsi internazionali, mentre gli altri sette sono utilizzati per fare framming ovvero riconoscimento della frame attraverso il codice ; ora, questo codice è inserito alternativamente come mostrato nella figura sottostante, così che nella frame successiva, in cui l ottetto è utilizzato per trasportare allarmi e segnalazione, si ripete nuovamente il pattern di framing ( preceduto da un bit riservato Si). In ricezione riconoscere la parola di framing significa andare a demultiplare correttamente i canali, quindi andare a separare correttamente le comunicazioni, per questo motivo è fondamentale per l integrità dei dati il riconoscimento di tale codice. Per aver un buona sincronizzazione abbiamo bisogno di un sistema capace di sincronizzarsi anche al livello di più unità e non solo sulla singola frame, difatti il PDH utilizza un secondo livello di sincronizzazione chiamato di multiframe. Un multiframe è costituita da 16 frame, nella figura sottostante numerate dalla 0 alla 15, ognuna costituita come prima da 32 intervalli di tempo ed organizzata nel modo in cui abbiamo visto. Nella figura sottostante nella prima frame (indicata come FRAME 0 ), oltre alla sincronizzazione di frame presente nel TS 0, è presente anche la sincronizzazione di multiframe nella frame 0 al TS 16. La struttura di multiframe è costituita da 16 frame, che in figura sono rappresentate dalla frame 0 fino alla 15, e per la sincronizzazione si usano quattro noti bit nel TS16 9

10 che sono 0000, i restanti quattro indicati come xyxx sono bit per il controllo e tale segnale di sincronizzazione è trasmesso solo una volta ogni 16 frame. Questo criterio di sincronizzazione, sebbene possa sembrare abbastanza affidabile e collaudato, si è rivelato efficiente solo fino a quando è stato sufficiente trasportare traffico telefonico, ma non appena il traffico si è esteso ai dati, esprimendo caratteristiche di variabilità e di eterogeneità, ha evidenziato i punti deboli del sistema. Il traffico, infatti, poteva con il suo stesso contenuto informativo simulare la frame di sincronizzazione, per cui il ricevitore aveva delle false frame di sincronizzazione e ciò poteva causare un cattivo allineamento con il trasmettitore e la conseguente demultiplazione errata. La soluzione adottata fu quella di scegliere una strategia di controllo di errore su tutta la frame e non solo sull intestazione. Un esempio di questa scelta è il Cyclic Redundancy Checksum (CRC-4), rappresenta effettivamente una forma di monitoraggio in-service di tipo non intrusivo, in cui il controllo di errore viene fatto su tutto il blocco dati, cioè header e payload, dei quali viene calcolata la checksum con un polinomio noto. Questa, poi, viene inserita nei dati da spedire e mandata a destinazione; al ricevitore si ripete l operazione, però isolando la checksum ricevuta dal resto dei dati e calcolando sul resto dei dati ricevuti la checksum, poi le due checksum (quella calcolata in trasmissione e quella in ricezione) vengono confrontate e se sono uguali significa che non ci dovrebbero essere stati errori; se, invece, esse sono differenti allora non è detto che ci sia stato un unico errore. Come mostrato nella figura sottostante i bit C 1, C 2, C 3, C 4 sono bit di controllo, i bit A di allarme e i bit S precedono i bit di tipo C. Il controllo viene applicato al livello di Sub Multiframe (SMF) cioè ogni otto frame, in figura numerate da 0 a 7 per il primo gruppo e da 8 a 15 per il secondo gruppo. 10

11 Come evidenzia la figura i quattro bit di controllo non vengono trasmessi tutti insieme, ma tramite la tecnica dell interleaving (interlacciamento) che consente di evitare la perdita in blocco dei bit in caso di errori di tipo burst (a raffica). Con questa procedura si può monitorare il collegamento attraverso il Block error rate, che non è altro che un tasso che indica il numero di errori rilevati attraverso il CRC-4. E importante sottolineare come, attraverso questa procedura, non si rileva il BER (Bit Error Rate) poiché gli errori sono rilevati per blocco e non a livello di singolo bit. Se si assume una particolare distribuzione di probabilità degli errori allora si può calcolare il numero medio di errori per blocco. Infine, si può dire che il CRC-4 è un metodo efficace per monitorare gli errori nel caso di BER molto alti: questa procedura riesce a scoprire il 94% di blocchi errati. Queste gerarchie di multiplazione sono state studiate per il traffico voce (PCM- 64kbps); oggi, però, nascono nuove esigenze di applicazioni a larga banda e, per poter continuare a trasmettere segnali a larga banda in maniera conforme allo standard, bisogna aggregare N-canali tradizionali. I problemi dell aggregazione dei canali per trasmettere con una banda più grande di quella a 64kbps non sono proprio banali: soprattutto bisogna garantire la sequenza dei 11

12 bit, in particolare l integrità dei dati nel passare nei nodi di rete. Ciò si può risolvere assegnando in trasmissione ad un utente che richiede una banda maggiore di 64kbps più slot contigui, ognuno relativo ad una canale a 64kbps, in modo che in trasmissione viene conservata la consequenzialità fra gli ottetti, come viene mostrato nella figura sottostante. Un altro problema rilevante dei sistemi PDH è sicuramente la perdita del sincronismo. Allora come mostra la figura sottostante nel multiplatore arrivano N t tributari ognuno di essi con una frequenza di cifra di f t0, in una prima fase i bit dei singoli tributari sono scritti nei rispettivi buffer con una frequenza di scrittura uguale alla loro frequenza istantanea di cifra: questa è la fase di scrittura. Dopo c è la fase di lettura durante la quale i bit sono prelevati dal buffer con una frequenza di poco superiore alla frequenza istantanea di cifra maggiore tra gli N t tributari. Il fatto che la frequenza di lettura ricavata dall orologio locale abbia un valore di poco più elevato della frequenza di scrittura nel buffer causa il progressivo svuotamento della memoria, il che equivale alla perdita del sincronismo di trama. 12

13 Per evitare che accada ciò, allora si utilizza la tecnica del riempimento, che consiste nell inserire nel flusso binario di tributario delle cifre non significative (tecnica di stuffing o riempimento), che non sono cifre di informazione, ma sono cifre fittizie, che vanno segnalate in ricezione e sottratte al flusso prima della demultiplazione. Come mostra la figura di sopra, all ingresso del multiplatore i bit possono essere prelevati più velocemente della loro reale frequenza di cifra, ciò comporta che bisogna aggiungere, per non perdere il sincronismo, qualche bit fittizio, quelli tratteggiati, i quali, opportunamente segnalati in ricezione, sono rimossi dal demultiplatore. 13

14 Risultati di misurazione E necessario, a questo punto, approfondire gli aspetti legati alle prestazioni di una rete PDH, evidenziando anche eventuali errori che emergono nei diversi punti della rete o in qualsiasi fase del suo ciclo di vita; lo scopo da questo punto in poi sarà stabilire la affidabilità dei servizi da essa offerti, intendendo per affidabilità (reliability) il numero di operazioni fallite nell unità di tempo e in relazione al tipo di servizio che si vuole realizzare. Innanzitutto, osserviamo che sintomi tipici di problemi nelle reti PDH sono la perdita di connessione e messaggi di alarm durante la comunicazione di dati. La perdita di connessione può essere il risultato del lavoro di costruzione, di problemi di messa a terra oppure di fallimento di componenti di rete PDH. Infatti già durante l installazione possono affiorare errori, che vanno poi ad inficiare i risultati di misurazione per effetto dell adattamento dei doppini in rame di una comune rete analogica con quelli di una rete T1, problema per il quale sarà necessario rimuovere tutto il carico, per evitare che gli impulsi T vengano deformati e resi irriconoscibili per altri dispositivi di rete. Se il path fisico di trasmissione è operativo, ma non si riesce a stabilire alcuna connessione, allora il problema è da attribuire alla scorretta configurazione di uno o più componenti di rete: vedremo a questo proposito il caso del Channel Service Unit (CSU) a cui viene applicato un timing slip analysis. Inoltre, se le connessioni non risultano interrotte, ma sono attraversate da segnali di alarm, allora ciò potrebbe indicare condizioni avverse sul livello fisico di trasmissione a causa di una diminuzione di potenza nel trasmettitore, per cui si adotterà uno specifico test, il Quasi-Random Signal Source, oppure possiamo riconoscerne l origine nella sensibilità del ricevitore all interfaccia PDH, problema per il quale sono previste delle specifiche di progetto. Infine, vogliamo accennare anche alla necessità di impostare tutte le strutture di rete ad una corretta sorgente di sincronizzazione e a quella di scegliere un corretto tipo di frame e di codifica di linea. Loopback Stabiliti questi prerequisiti fondamentali, che coinvolgono lo strato fisico della pila protocollare, osserviamo che il test su un servizio PDH richiede la presenza di un loopback, che può essere di tipo hard, e allora connetterà la porta trasmittente con quella ricevente, o che può presentarsi come un codice di loop appartenente al flusso di dati, insieme al quale verrà spedito in modalità in-band oppure out-band. Il primo metodo, tipico dei circuiti con Superframe Format, prevede che l intero pipe venga ritrasmesso all indietro per essere sottoposto al Bit Error Rate Test (BERT); il secondo si può realizzare tramite due tecniche distinte. Il line loopback prevede che dati, overhead e errori di CRC (Cyclic Redundancy Checksum) vengano risospinti all'indietro al tester, mentre con il Payload loopback è necessario ricalcolare il CRC, i cui errori non saranno più presenti al tester. E evidente che il vantaggio presentato da questa seconda tecnica, che è usata nei canali che si avvalgono di trasmissioni basate 14

15 su Extended Superframe Format (ESF), consiste nell opportunità di individuare tra lato trasmittente e ricevente quello che sta determinando l errore. Jitter Vogliamo soffermarci, ora, sull errore di jitter, dove per jitter intendiamo la differenza di fase tra l impulso ricevuto e uno preso di riferimento come impulso trasmesso. Esso può essere misurato tramite due parametri: l ampiezza, espressa in Unit Intervals (U.I), che indica di quanto l impulso si è spostato nel tempo rispetto a quello atteso, e la frequenza, che esprime la velocità con cui tali impulsi si stanno muovendo. Poiché il jitter può essere causa di perdita di allineamento di frame, ci interessa controllarlo al meglio per evitare problemi di timing slips, cioè di sfasamenti nella sincronizzazione. Esso può essere di tipo random, risultando, perciò, pericoloso sebbene piuttosto raro, legato a rumore o a condizioni atmosferiche, oppure di tipo sistematico, che ha ampiezza elevata e si accumula nei diversi punti della rete. Bellcore propone una maschera di jitter , in riferimento alla quale si può stabilire la robustezza del dispositivo in termini di jitter. Fino a quando il dispositivo non opera senza errori e presenta un jitter in ingresso che rientra nella maschera, allora il dispositivo fallisce la maschera e può richiedere un servizio per correggerne il funzionamento; viceversa, se il dispositivo è error-free con valori di jitter che eccedono la maschera allora esso sarà considerato robusto: 15

16 Altri tipici errori Il jitter sistematico è tra le cause di altri tipi di errori, che interessano in particolare il livello Data-link e sono gli errori di bit e di frame; altri possibili errori sono quelli sui CRC e di BiPolar Violation (BPV), errore questo che si presenta nella codifica di linea AMI ogni volta che si seguono due impulsi con stessa polarità, che invece dovrebbe essere opposta per impulsi contigui. Osserviamo che il BERT è il miglior esempio di testing out-of-service. Out-of-service testing Questo genere di testing è caratterizzato dalla rimozione del traffico durante l applicazione di un segnale di test a larga banda, PseudoRandom Binary Sequence (PRBS) ; dal momento che ha carattere invasivo, è adatto alle fasi di produzione e di installazione di un nuovo componente. Il vantaggio legato a questa tecnica è che essa testa ogni bit trasmesso, fornendo il livello di performance di trasmissione. 16

17 Out-of-service testing: standard europeo Per lo standard europeo le Raccomandazioni sono incluse in ITU-T O.150,O.151,O.152,O.153, le quali si concentrano soprattutto sui modelli di test di PRBS da lanciare sul canale a differenti bit rates. ITU-T G.703 richiede da lato trasmittente esclusivamente un pattern generator, poi che sul canale gli elementi di rete operino error-free e con una attenuazione massima che segua l andamento di f, da lato ricevente richiede un rivelatore di errori e un equalizzatore di cavo che compensi questo fattore di roll-off ; è preferibile a tal proposito che l equalizzatore sia variabile piuttosto che fisso, perché in grado di ottimizzare il rapporto segnale-rumore per differenti lunghezze del cavo e di evitare sovracompensazioni su cavi corti. L aspetto da sottolineare riguardo alle specifiche sulle reti trasmissive PDH, se non altro per le implicazioni che genera, è che G.703 specifica che esse possono trasmettere bit sequence independent, nel senso che non è richiesta una struttura standard per il formato di una frame, il che contiene in sé la possibilità di trasmettere segnali a larga banda, tra cui il segnale dedicato al test per la qualità della trasmissione e di performance di errori. Osserviamo, però, che se il segnale test è organizzato in frame, sarà necessario non solo che il rivelatore di errori da lato ricevente sia capace di decodificare un segnale strutturato in frame, ma anche che si realizzino ulteriori test out-of-service per le operazioni di alarm e di monitoring delle performance di errori. D altra parte, un ricevitore a rivelatore di errori può avere capacità di framing più bassa, per cui sarà in grado di riconoscere la parola di frame solo ad un particolare livello gerarchico per poi testarla, oppure può avere una completa capacità di framing, grazie alla quale nell operazione di demultiplazione esso può ottenere e, di conseguenza, analizzare un flusso tributario da un livello più alto, realizzando così un test end-to-end. Il seguente schema mostra il caso di un testing applicato al di là di un multiplexer: 17

18 questo test richiede un ricevitore pure organizzato in frame per poter demultiplare il segnale test, che è un tributario, e poi testarlo; analogamente anche la PRBS trasmessa dal pattern generator sarà recuperata e testata per eventuali errori. CANALI A N x 64KBPS Abbiamo già accennato all esigenza di aggregare più canali in uno unico per realizzare delle applicazioni a larga banda; si tratta di canali a Nx64kbps, che sono trattati da alcune strutture di rete come dei canali singoli e indipendenti, il che, però, può comportare sia perdita di frame che errato ordine di arrivo. Per il test su questi canali a N x64 kbps, si può procedere in due modi: o introducendo una PRBS in ogni timeslot allocato, oppure (ed è più conveniente) estendendo un unica PRBS lungo tutti i timeslot allocati, facendo in modo che il primo ottetto della PRBS vada nel primo timeslot, il secondo ottetto nel secondo timeslot e così via; i timeslot non utilizzati sono impostati a tutti 1 e, in genere, si utilizza una PRBS di lunghezza pari a Out-of-service testing: standard americano Nello standard Nord-Americano il test out-of-service si realizza lanciando un BERT, che consente di stabilire dei parametri operativi, come i livelli di segnale, di potenza, la forma degli impulsi. Dal momento che i problemi individuati al livello DS3 sono gli stessi presenti al più basso livello DS1, i test per la rivelazione di errori di bit vengono applicati al livello DS3 e sono: PRBS, Fissi, User-defined. In particolare, 18

19 per le PRBS le lunghezze più frequenti sono 2 1, 2 1,2 1, nei modelli di test di tipo fisso, ad esempio, una sequenza tutti 1 può avere funzioni di alarm. Accenniamo ad un test detto Quasi-Random Signal Source (QRSS), che rappresenta una buona simulazione di traffico voce e prevede una stringa di 14 zeri consecutivi, che ha lo scopo di sollecitare i ripetitori ; ad esempio, una sequenza tutti 1 forza i ripetitori di linea a lanciare a potenza piena per verificare la presenza di strutture di rete più marginali. Nel caso in cui si sospetti che un Channel Service Unit (CSU) sia malconfigurato ai fini della sincronizzazione, si applica un timing slip analysis, cioè un analisi sull errore di sincronizzazione, che si avvale di una rete T1 presa di riferimento. Il clock slip tester confronta la linea trasmittente con quella ricevente e una misurazione di slip indica che c è stato un problema sulla linea. Questo, allora, rappresenta un altro tipo di test. In-service testing La realizzazione di un testing in-service per la determinazione della qualità del servizio (QoS) mentre il sistema è operativo è sintomo evidente di un mercato delle telecomunicazioni sempre più competitivo e volto a perseguire degli obiettivi sempre più mirati; infatti, in questo scenario testare una rete su cui il traffico continua a fluire ininterrottamente consente di riscontrare e analizzare gli effettivi problemi, per poi rimuoverli. E vero che, a differenza di un out-of-service test, che ha la sua formulazione migliore proprio nel BERT, qui non si raggiunge un risultato di test bit a bit, ma è anche vero che proprio il monitoraggio su un periodo più lungo consente di cogliere quelle raffiche di errori, che potrebbero sfuggire ad uno sguardo momentaneo. Nella pratica proprio per la proprietà di non essere invasivo, in alcune applicazioni è preferibile l in-service testing, sebbene l out-of-service sia ritenuto più accurato. Come emergerà dalla discussione seguente, il monitoraggio in-service va migliorando attraverso tecniche sempre più precise che tendono a risultati di misurazione più soddisfacenti. 19

20 In-service testing: standard europeo IN-SERVICE TESTING A TASSI DI 2MBPS In questo standard si distinguono tecniche in-service, applicate a tassi di 2 Mbps (E1), da quelle applicate a tassi superiori. Sappiamo che E1 è il livello base della gerarchia europea e riveste un ruolo importante nelle linee digitali affittate, che infatti usano un tasso di 2Mbps, nel campo delle reti ad iniziativa privata. A questo tasso una tecnica efficiente è la CRC-4, che va a testare tutti i bit del payload qualsiasi sia il tipo di dati trasmesso; essa, come già anticipato, non fornisce un BER (a meno che non si stabilisce una distribuzione di errori con cui predire gli errori medi per blocco), ma solo una misurazione dell errore di blocco, che consente di stimare la Percentage Errored Seconds (%ES), che rappresenta la migliore indicazione della qualità di una trasmissione dati. Infatti, il test di errori CRC-4 è in grado di rivelare almeno il 94% di blocchi errati in ipotesi di elevato BER. I risultati di misurazione a questo tasso vengono classificati in Anomaly Events (AE), che sono errori di frame o di CRC, e Defect Events (DE), che sono perdita di segnale o di sincronizzazione di frame. Infine, nel caso in cui sia richiesto un test su un insieme di segnali organizzati in frame a 2 Mbps, si può testare ognuno dei canali a 64 kbps, per individuare il tipo di dati, e poi passare ognuno di questi canali a 64 kbps al protocol analyzer. IN-SERVICE TESTING A TASSI PIU ELEVATI Per tassi che interessano i livelli E2 (8.448 Mbps), E3 ( Mbps) ed E4 ( Mbps) la tecnica esposta precedentemente non restituisce più risultati attendibili, per cui si adotta un test fixed, in cui i valori fissi sono legati al Frame Alignment Signal (FAS). Ad ogni tasso il FAS ha una lunghezza prestabilita di L-bit e si ripete ogni N bit trasmessi; dal rapporto L/N e dal bit rate del particolare livello si ricava il FAS Bit Rate di quello stesso livello, che rappresenta la banda disponibile per il test di errore in-service. FAS Bit Rate=(L/N)*Bit Rate del livello. Bit Rate (Mbps) L (bits) N (bits) FAS Bit Rate (kbps) (E1) (E2) (E3) (E4)

21 Quindi, un rivelatore di errori che sia in grado di interpretare questa parola di frame può anche rivelare Anomaly Events e bit di alarm, ossia Defect Events. In-service testing: standard americano In questo standard le misurazioni in-service partono da una distinzione nell ambito di una rete tra path, che è una connessione end-to-end, e section o line, che, invece, rappresenta un tratto di quella rete. Da questa classificazione scaturisce un modello di manutenzione della rete stratificato in livello path, che fornisce indicazione sulla performance di errori di un servizio end-to-end di tipo DS1 oppure DS3, che attraversi le differenti sezioni di una rete anche a diversi bit rate, come può essere nel caso di multiplexer o demultiplexer, e in livello section o line, che, invece, fornisce lo stato di manutenzione del tratto precedente. Anche questo standard prevede la suddivisione degli eventi di errore, detti anche primitive di performance, in due categorie: Anomalie, che sono degradazioni in termini di performance, e Difetti, che rappresentano una interruzione limitata della funzione svolta dal sistema. Le principali primitive di performance sono: violazioni nella codifica di linea, violazioni bipolari, errori di frame, di parità, della parità bit C (DS3), CRC-6, Cyclic Redundancy Checksum, di ESF (DS1). LIVELLO SECTION Diciamo subito che la BPV e gli errori di parità vengono trattati mediante tecniche di manutenzione di livello section, dal momento che essi vengono corretti da ripetitori o da strutture terminali lungo la linea; in questo modo si focalizza l analisi su un tratto di linea, anche se non se ne può dedurre l andamento complessivo. LIVELLO PATH Per ottenere dei risultati di misurazione relativi all intero percorso sarà necessario applicare un procedimento che affidi ad entità più estreme la funzione di ricalcolare i parametri fondamentali. 1.CRC-6: Per servizi DS1 il formato preferito è l Extended Superframe Format, secondo il quale una superframe è costituita di 24 frame, cosicché la superframe presenterà 24 Fbit, di cui 6 sono utilizzati per la parola di CRC, che viene calcolata su tutto il payload della superframe precedente, per cui i bit di dati possono attraversare tutto il percorso senza subire un nuovo test nei tratti intermedi e la tecnica CRC-6 può ritenersi di livello path. Alla fine l estremità ricevente ricalcola la parola CRC e la confronta con quella ricevuta, raggiungendo una probabilità di rivelazione di circa il 99% per tassi di errore più piccoli di 10^(-3). 21

22 2.C-Bit Parità: Per servizi DS3 le tecniche tradizionali di monitoraggio erano la BPV e il convenzionale test di parità, per cui le entità intermedie, essendo impegnate in questo testing locale, non potevano dedicarsi in tempi brevi anche all intero path. La AT&T, allora, propose questa nuova tecnica basata sulla parità del bit C, che non viene reimpostato nei tratti intermedi, in modo che lungo tutto il percorso di livello DS3 i dati sulla performance di errori si accumulino. Per entrambi i procedimenti ANSI T1.231 definisce i parametri di performance, esprimendoli in percentuali di tempo, e stabilisce anche che la soglia di performance accettabile dipende dal tipo di servizio e dalla lunghezza del percorso. 22

23 I principali limiti del sistema PDH Le gerarchie plesiocrone sono state concepite essenzialmente per collegamenti puntopunto completamente terminati agli estremi e non sono adatte per reti più complesse come quelle magliate, che sono le reti dati oggi in esercizio. Sicuramente uno dei problemi maggiori è la complessità della struttura di trama, che costringe ad effettuare tutte le multiplazioni e demultiplazioni dei flussi di ordine superiore anche per inserire ed estrarre un singolo tributario soprattutto in punti di raccolta o di distribuzione della rete, ciò implica che in questi punti gli apparati di multiplazione debbano spesso implementare tutta la gerarchia con conseguente aumento dei costi. Inoltre, esistono diverse trame in uso fra l Europa e gli Stati Uniti, oltre che diversi ordini di multiplazione, quindi non esiste un unico standard internazionale riconosciuto universalmente. Infine, bisogna tener conto del fatto che, essendo nato per il trasporto di traffico telefonico e adattato oggi al trasporto del traffico dati, il sistema PDH risulta avere una scarsa capacità trasmissiva ausiliaria per le finalità del gestore. Per esempio non consente un adeguato livello delle procedure di monitoraggio inservizio delle prestazioni dei collegamenti e richiede per la gestione della rete sistemi e/o reti sovrapposte alla rete trasmissiva con conseguente aumento dei costi. Soprattutto da quest ultimo aspetto è nata l esigenza di sviluppare una rete efficiente in grado di trasportare tipi di traffico differente ed è in questo contesto che si inquadrano la frame relay, che prende il nome dal suo protocollo di base, e successivamente la rete ISDN, entrambe innovative rispetto alle reti PDH già nelle loro caratteristiche più generali. Frame relay e ISDN vengono analizzate qui di seguito. 23

24 Frame relay Il frame relay (smistamento di trame), progettato negli anni 80 e diffusosi fortemente negli anni 90, costituisce per molti versi la seconda generazione di X.25 ed è un protocollo di livello Data Link (livello 2 della pila OSI) sviluppato per il trasferimento di dati senza errori su reti Wan (reti geografiche). Il suo rapido sviluppo è stato essenzialmente dovuto alla grande semplicità, l elevata efficienza ed un overhead molto basso. Caratteristiche L essenza del frame relay è un servizio a commutazione di pacchetto basato sui circuiti virtuali (VC) privo di recupero di errori e controllo di flusso. Ogni volta che un commutatore frame relay rileva un errore in un pacchetto, l unica azione che può compiere è scartare i dati. Questo dà come risultato una rete con meno ridondanze di elaborazione e tassi di trasmissione più elevati di X.25, ma per l integrità dei dati richiede terminali intelligenti. Oggi in molti casi la rete frame relay è di proprietà di un service provider pubblico (per esempio AT&T, Sprint o Bell Atlantic) e il suo uso è contrattato su base pluriennale con le società interessate. Il frame relay è stato fortemente impiegato per permettere alle Lan di diverse sedi di una società di scambiarsi dati a velocità ragionevolmente alte. Spesso interconnette queste reti Lan attraverso router IP, con ciascun router IP in una sede differenti, e consente a una società l alternativa di inviare il traffico tra le sue diverse sedi su Internet pubblica, per cui la società stessa si deve preoccupare dei problemi di affidabilità e sicurezza. Le reti frame relay possono usare sia la commutazione dei circuiti virtuali commutati (SVC, switched VC) sia i circuiti virtuali permanenti (PVC, Permanent Virtual Circuits). Per l interconnessione dei router spesso viene stabilito un PVC in modo permanente fra ciascuna coppia di router. Per fornire il proprio servizio il frame relay ha bisogno di una backbone di commutazione per le connessioni, un unico protocollo di livello fisico per il trasferimento di frame e di circuiti virtuali. 24

25 Lo smistamento delle trame nella rete frame relay avviene in modo molto semplice: il datagram giunto dallo strato di rete viene incapsulato tra un header e una sequenza di controllo frame e viene instradato. Ogni frame smistata sulla rete è caratterizzata da un DLCI (Data Link Connection Identifier) che associa la frame al particolare PVC (Permanent Virtual Circuit). Il frame relay permette l utilizzo di più PVCs sullo stesso collegamento fisico. In altre parole, tale protocollo Data Link permette di allocare la banda di accesso al canale in modo dinamico e a seconda del bisogno di risorsa della particolare applicazione. Ogni frame instradata nella rete su un determinato VC è caratterizzata da un DLCI differente in modo tale che sullo stesso link possano viaggiare frame dirette verso destinazioni differenti. 25

26 La struttura della frame è molto interessante, in quanto ci permette di comprende in che modo frame relay cerchi di risolvere i problemi di congestione di rete e cerchi di garantire la priorità di alcune frame rispetto ad altre. L header della frame è costituita da: -Flag: stabilisce inizio e fine frame. -DLCI: è un numero compreso tra 0 e 1023 ed identifica il PVC. -C/R: il campo Command/Response non è usato dalla rete ma passa in maniera trasparente all utente. -EA: l intestazione contiene due bit di Extended Address che permettono un estensione dell intestazione e quindi un incremento dei valori DLCI utilizzabili. -DE: il bit di Discard Eligibility può essere settato in modo da indicare che la frame ha un bassa priorità rispetto alle altre e quindi può essere eliminata per prima in caso di sovraccarico della rete. -FECN e BECN(Forward/Backward Explicit Congestion Notification): quando la rete è congestionata il bit FECN è settato a 1 da un nodo della rete per allertare il ricevitore della congestione. Questi può allora settare il bit BECN per allertare il trasmettitore il quale diminuisce il tasso di trasmissione. Caratteristica fondamentale del frame relay è l utilizzo di messaggi di segnalazione nel canale che forniscono informazioni circa la disponibilità e lo stato dei PVC, l integrità del collegamento (LIV), presenza di errori nei dati ricevuti. 26