Modem. Cosa non è un modem. Fabio Proietti (c) 2016 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 operazione è detta "demodulazione". Nota: oggi, usando una linea ADSL o ISDN (D=digitale!) non c'è bisogno del "modem", ma di un adattatore di rete o interfaccia di rete (una particolare scheda di rete). Il termine "modem ADSL" quindi non è corretto perché non si tratta di un modem! DCE Un modem può essere integrato nel computer oppure può essere collegato da un cavo esterno. Le prime connessioni tra un computer e un modem esterno non erano USB (Universal Serial Bus), come oggi, ma erano fatte con un cavo seriale a 9 piedini. Oggi le connessioni con un "modem" possono essere USB o anche usare un cavo Ethernet. (si rimanda per l'approfondimento al protocollo PPP e al protocollo PPPoE). Nel caso di una connessione tra un terminale (PC) e un vero "modem" si usa spesso questa terminologia: Data Terminal Equipment (), per indicare il terminale, e Data Comunication Equipment (DCE), per indicare il modem. Anche se oggi questi termini sembrano superati, come sembrano superate le comunicazioni sui cavi seriali, questi concetti sono invece fondamentali e attuali per la comprensione delle 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.

2 xdsl Le linee xsdl (la lettera X indica che al suo posto ci possono essere altre lettere) 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. 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 sistema nervoso La comunicazione Gli elementi caratteristici di una comunicazione sono: I soggetti che comunicano (trasmettitore e ricevitore, oppure mittente e destinatario). Di solito il ruolo del trasmettitore e del ricevitore è temporaneo ed intercambiabile tra i due soggetti. Altre volte capita che il ricevitore è solo ricevitore e non trasmette mai. Questo significa che la comunicazione ha un solo verso e si chiama comunicazione simplex. TX canale RX Un altro elemento della comunicazione è 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 avesse un solo filo di rame, si potrebbe 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 possiede un mezzo adeguato e 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 conoscere sempre in anticipo quando verrà inviato un messaggio e da chi. Questa situazione è definita comunicazione sincrona. Quando due soggetti comunicano, ma senza avere dei tempi prestabiliti, o prevedibili, allora è impossibile sapere in anticipo chi dei due trasmetterà e per quanto tempo lo farà: questa situazione

3 è definita comunicazione asincrona. In una comunicazione asincrona, oltre ai messaggi che contengono dati, si devono usare anche altri tipi di messaggi per mettersi d'accordo sul turno per poter trasmettere e i protocolli usati sono detti protocolli di comunicazione asincrona. Un esempio: 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 massima, ecc. Il microprocessore sulla scheda madre che controlla la comunicazione seriale è detto UART (universal asynchronous receiver/transmitter). Il connettore visibile in Figura 1 è il maschio sul lato del (terminale o PC), mentre il lato DCE è femmina. Lo standard della comunicazione seriale RS232 ammette due possibili configurazioni: a 25 pin a 9 pin (configurazione semplificata). Nota: La porta seriale (maschio sul terminale ) non va confusa con un'altra porta simile a 25 pin: la porta parallela, che è femmina e alla quale si poteva collegare la stampante. I costruttori di computer hanno privilegiato sempre la versione a 9 pin della porta seriale, dove si poteva 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. (Domanda: la porta USB ha ancora 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. Nella seguente figura ci sono due segnali (la freccia azzurra rappresenta l'asse del tempo). Prova a capire quale dei due rappresenta i bit inviati tramite comunicazione seriale e quale rappresenta i bit inviati tramite comunicazione parallela. Il cavo seriale comune è composto da 9 linee elettriche, ma non è obbligatorio usarle tutte: di solito per una comunicazione sarebbero sufficienti due linee bifilari: una linea per la trasmissione e una per la ricezione (comunicazione full duplex), mentre le altre linee aggiuntive possono essere usate per il controllo e la sincronizzazione della comunicazione. La comunicazione seriale può essere realizzata sia di tipo sincrono che asincrono.

4 Nella Figura 2 alcuni dei pin hanno il seguente significato (maschio sul lato, mentre quelli su DCE è diverso): 2. Received Data () 3. Transmitted Data () 5. Ground (massa o riferimento comune) 7. Request To Send (RTS: è usata dal per richiedere di poter Figura 2: inviare dati al DCE.) 8. Clear To Send (CTS: segnala al che il DCE è pronto a ricevere.) Nota: il metodo RTS/CTS è un sistema asimmetrico, cioè non è fatto per segnalare la disponibilità del, ma solo quella del DCE. Il è l'unico che può decidere cosa fare. Sulla porta seriale del modem DCE, i nomi dei pin sono di significato opposto, dato che si riferiscono al terminale : 2. Received Data (): se riceve su questa linea, il modem deve trasmettere su questa linea 3. Transmitted Data () se trasmette su questa linea, il modem deve ricevere La linea Ground è quella che serve a chiudere il circuito per permettere il passaggio della corrente elettrica. Per realizzare una semplice linea di comunicazione simplex è sufficiente un collegamento bifilare: per l'andata e il ritorno della corrente (pin 2 e pin 5). Se di desidera una comunicazione full duplex, è necessario aggiungere solo un ulteriore filo (pin 3) perché la linea Ground (pin 5) è in comune. ground tratteggiata Le ultime due linee di controllo (RTS, CTS) non sono indispensabili, e potrebbero essere sostituite, da dei segnali convenzionali sulle linee Tx e Rx, gestiti opportunamente tramite il software. Ovviamente DCE e 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 e del DCE e poi a collegare con delle linee orizzontali i pin 2, 3,5,7 e 8. DCE

5 Cavo null-modem Poiché il è un computer, che può essere programmato, si potrebbe usare un per simulare un DCE. Questo consente di collegare due computer (-) usando un cavo seriale. Nel collegamento -, non si può usare lo stesso cavo con cui si collega -DCE (il modem al computer), dato che 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 non cerchino di trasmettere entrambi sulla stessa linea elettrica. Questo tipo di cavo seriale è chiamato null-modem. Provare a disegnare le porte a 9 pin di due terminali () e poi a collegare con delle linee orizzontali i pin 2, 3,5,7 e 8. Tornando a parlare del modem, esso non è connesso solo con il, 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). Questa connessione (diretta o point-to-point) ed è basata su un protocollo PPP (Point-to-point Protocol) DCE collegamento tramite linea telefonica Termini usati (connessione) Nelle telecomunicazioni il termine "connessione" ha un significato più profondo del linguaggio comune. In particolare, si può parlare 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 attendere una conferma dell'avvenuta ricezione. A sua volta il ricevitore può avere la conferma della ricezione della propria conferma. Questo non fornisce un'affidabilità assoluta, ma comunque abbastanza elevata.

6 Protocolli 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 a parlare con noi in quel momento. ciao! ciao!... Un protocollo definisce alcune 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. Quello che segue è un esempio di protocollo utilizzabile in un canale half duplex. inizio falso L'altro soggetto sta comunicando con noi? vero Produci una frase Ascolta la prossima parola fine In una rete di computer ci possono essere diversi tipi di elaboratori. Ogni elaboratore può avere un diverso hardware e un diverso sistema operativo e deve poter comunicare con gli altri elaboratori. Per questo 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 indipendente 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 può avere chi sviluppa un programma sono i seguenti:

7 liv. applicazione (dove l'obiettivo è risolvere il problema all'utente) liv. 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) liv. 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 (una suite) che comunicano e collaborano tra loro per ottenere una corretta interpretazione finale del messaggio. Anche nelle telecomunicazioni ogni livello di protocolli si occupa di un particolare compito e 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. Esistono 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 devono essere gli stessi per tutti se si desidera partecipare alla comunicazione. I protocolli possono essere standardizzati, ma ogni volta che qualcuno sviluppa una nuova tecnologia e che questa si afferma c'è una "corsa" alla definizione di nuovi protocolli. Ad esempio: chi è che decide quale protocollo sarà il successore del protocollo "blue tooth"? In assenza di una standardizzazione, ogni casa produttrice di hardware o di software tende a definire i "propri" nuovi protocolli che potrebbero essere ulteriormente modificati (migliorati?) perché, appunto, non sono degli standard. Addirittura, alcune case produttrici o organizzazioni definiscono spesso nuovi protocolli per scoraggiare gli utenti ad utilizzare i prodotti di altre aziende (che diventano incompatibili perchè non usano gli stessi protocolli). Altre volte i nuovi protocolli (ufficialmente ancora non registrati come standard) diventano velocemente molto diffusi e utilizzati fino a diventare dei protocolli standard de facto. Successivamente questi stessi possono diventare standard de jure grazie all'intervento di un organismo internazionale di standardizzazione, che li registra ufficialmente. Se l'ente internazionale agisce velocemente e 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

8 pacchetto, i dati possono essere frammentati e ricomposti (sono ordinati? mancano dati?) 10. sincronizzazione? 11. la memorizzazione degli stati dei processi? (statefull protocol) Tecnica a commutazione di circuito A B 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. E D C 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 (usando percorsi diversi) 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.