Mezzi trasmissivi e strato fisico

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1 Strato fisico Reti di trasporto e di accesso Gruppo Reti TLC nome.cognome@polito.it STRATO FISICO - RETI DI TRASPORTO E DI ACCESSO - 1 Mezzi e sistemi trasmissivi Elettrici Doppino non schermato Cavo coassiale Ottici Fibra ottica Raggi Laser Radio Ponti radio Satelliti Reti Cellulari STRATO FISICO - RETI DI TRASPORTO E DI ACCESSO - 2 Caratteristiche mezzi trasmissivi elettrici Il mezzo ottimale è caratterizzato da: Resistenza, capacità parassite e impedenza basse Buona resistenza alla trazione Flessibilità Le caratteristiche dei mezzi elettrici dipendono da: Geometria Numero di conduttori e distanza reciproca Tipo di isolante Tipo di schermatura STRATO FISICO - RETI DI TRASPORTO E DI ACCESSO - 3 Pag. 1

2 Parametri di merito mezzi trasmissivi elettrici Impedenza (in funzione della frequenza) Velocità di propagazione del segnale (0.5c-0.7c per cavi e 0.6c per fibre ottiche) Attenuazione (cresce linearmente, in db, con la distanza e con la radice quadrata della frequenza) Diafonia o Cross-Talk (misura del disturbo indotto da un cavo vicino cresce con la distanza fino a stabilizzarsi) metri P rx P tx diafonia attenuazione STRATO FISICO - RETI DI TRASPORTO E DI ACCESSO - 4 Il Doppino Detto anche coppia (pair), è il mezzo trasmissivo classico della telefonia Due fili di rame ritorti (binati, twisted) per ridurre le interferenze elettromagnetiche usando tecniche trasmissive differenziali Costi ridotti e installazione semplice STRATO FISICO - RETI DI TRASPORTO E DI ACCESSO - 5 Doppino: connettore RJ45 (TX) (RX) (RX) (TX) STRATO FISICO - RETI DI TRASPORTO E DI ACCESSO - 6 Pag. 2

3 Il Doppino UTP Versione senza schermatura (UTP = Unshielded Twisted Pair), usata nelle reti telefoniche e dati Diviso in cinque categorie, di qualità crescente Categoria 7 in fase di standardizzazione Telefonia analogica Telefonia ISDN Reti locali fino a 10 Mb/s Reti locali fino a 16 Mb/s Reti locali fino a 100 Mb/s Reti locali fino a 250 Mb/s STRATO FISICO - RETI DI TRASPORTO E DI ACCESSO - 7 Il cavo coassiale Sistema trasmissivo composto da un connettore centrale e una o più calze di schermo. Maggiore schermatura dai disturbi esterni (gabbia di Faraday), minori interferenze Costi elevati, maggiore difficoltà di installazione Velocità trasmissive ~ centinaia di Mb/s Due tipologie dominanti Cavo oscilloscopio (RG-58) Cavo TV (RG-59) STRATO FISICO - RETI DI TRASPORTO E DI ACCESSO - 8 La Fibra Ottica Minuscolo e flessibile filo di vetro costituito da due parti (core e cladding) con indici di rifrazione diversi Per la legge di Snell, il raggio luminoso (generato da un LED o da un laser) introdotto nella fibra entro un angolo di accettazione rimane confinato nel core CLADDING GUAINA PROTETTIVA CORE RIVESTIMENTO PRIMARIO STRATO FISICO - RETI DI TRASPORTO E DI ACCESSO - 9 Pag. 3

4 La Fibra Ottica Vantaggi Totale immunità da disturbi elettromagnetici Alta capacità trasmissiva (fino a decine Terabit/s) Bassa attenuazione (~0.1dB/km), dipendente dalla lunghezza d onda Dimensioni ridotte e costi contenuti Svantaggi Adatte solo a collegamenti punto-punto Difficili da collegare tra loro e con connettori Ridotto raggio di curvatura STRATO FISICO - RETI DI TRASPORTO E DI ACCESSO - 10 Attenuazione delle fibre Si identificano tre finestre di lavoro centrate circa attorno a lunghezze d onda di 0.8 µm, 1.3 µm e 1.55 µm STRATO FISICO - RETI DI TRASPORTO E DI ACCESSO - 11 Attenuazione delle fibre Attenuation (db/km) Rayleigh scattering UV absorption Optical fiber Infrared absorption Prima Seconda Terza Wavelength (nm) finestra finestra finestra 850 nm 1300 nm 1550 nm a=1.2 db/km a=0.4 db/km a=0.2 db/km STRATO FISICO - RETI DI TRASPORTO E DI ACCESSO - 12 Pag. 4

5 Canale trasmissivo radio (Etere) Propagazione del segnale in presenza di ostacoli naturali: Riflessione per cammini multipli (interferenza da riflessioni multiple dello stesso segnale) Fading (variazione veloce dell ampiezza del segnale dovuta alla combinazione in fase di copie dello stesso segnale) Shadowing (variazione lenta dell ampiezza del segnale) Interferenza da altri segnali (interferenza cocanale) Attenuazione (quadrato della distanza) STRATO FISICO - RETI DI TRASPORTO E DI ACCESSO - 13 Rete di trasporto Gruppo Reti TLC nome.cognome@polito.it STRATO FISICO - RETI DI TRASPORTO E DI ACCESSO - 14 Plesiochronous Digital Hierarchy Plesiouchonous Digital Hierarchy (PDH) era lo standard per reti telefoniche numeriche schema a divisione di tempo espressamente pensata per il trasferimento di canali vocali numerici a 64Kb/s non si usa Store-and-Forward: occorre una stretta sincronizzazione tra TX e RX. Tale esigenza è soddisfatta con un sistema quasisincrono (plesio-synchronous) Standard diversi in USA/Europa/Giappone Complessità di interfacciamento STRATO FISICO - RETI DI TRASPORTO E DI ACCESSO - 15 Pag. 5

6 Gerarchie T- ed E- Livello America (T-) Mb/s Mb/s Mb/s Mb/s Mb/s Europe (E-) Mb/s Mb/s Mb/s Mb/s Mb/s Japan Mb/s Mb/s Mb/s Mb/s Mb/s STRATO FISICO - RETI DI TRASPORTO E DI ACCESSO - 16 CH1 CH2. CH23 CH24 T-1 carrier system 24- canali vocali sono campionati, quantizzati e codificati in un canale TDM PCM Canale di segnalazione di 1 bit per trama Un carriert-1 ha quindi una velocità di (24*8+1)*8000=1.544Mb/s frame Campione MUX CH1 CH2 CH3... CH22 CH23 CH24 MSB x x x x x x x x Un campione per canale ogni 125µsec Una trama ogni 125µsec Posso multiplare più trame in canali di velocità superiore LSB STRATO FISICO - RETI DI TRASPORTO E DI ACCESSO - 17 Gerarchia T- e DS- CH1 CH2 CH3... CH22 CH23 CH24 DS1 DS1 DS1 DS1 DS2 DS2 DS2 DS2 DS2 DS2 DS = Mb/s T1 Frame trasmessi in un canale DS1 4 DS1 = 1 DS = Mb/s E difficile identificare un singolo canale dentro uno stream: ogni volta occorre demultiplare tutti i livelli per estrarre/inserire altri canali DS3 DS3 DS3 DS3 DS3 DS3 DS4 7 DS2 = 1 DS = Mb/s 6 DS3 = 1 DS = Mb/s E difficile mantenere due canali in perfetta sincronia: si usa un bit stuffing per avere un sistema quasi sincrono STRATO FISICO - RETI DI TRASPORTO E DI ACCESSO - 18 Pag. 6

7 PDH: sincronizzazione Sistema di trasmissione numerico che multipla flussi di velocità più bassa in flussi a velocità maggiore Ogni apparato ha un suo orologio (non c è sincronizzazione globale) Orologi locali hanno derive che portano a errori di sincronizzazione Problema risolto avendo la possibilità di inserire e rimuovere bit di riempimento (bitstuffing) STRATO FISICO - RETI DI TRASPORTO E DI ACCESSO - 19 SONET/SDH L attuale infrastruttura della rete telefonica è in larga misura basata sulle gerarchie sincrone, evoluzioni delle gerarchie plesiocrone (PDH - Plesiochronous Digital Hierarchy): SONET - Synchronous Optical NETwork (segnali ottici multipli della velocità base di segnale di Mbit/s) SDH - Synchronous Digital Hierarchy (equivalente europeo ed internazionale di SONET) STS - Synchronous Transport Signal (standard corrispondente per i segnali elettrici) La topologia è sovente ad anelli per motivi di affidabilità. STRATO FISICO - RETI DI TRASPORTO E DI ACCESSO - 20 Da PDH a SONET/SDH Standardizzazione di SONET e SDH avvenuta alla fine degli anni 80 I gestori di rete realizzarono che il sistema PDH non era scalabile abbastanza per supportare le aspettative di crescita di traffico le tecnologie ottiche iniziavano a essere appetibili i sistemi di trasmissione ottica, tutti proprietari, non potevano interoperare tra loro STRATO FISICO - RETI DI TRASPORTO E DI ACCESSO - 21 Pag. 7

8 SONET/SDH Insieme di Raccomandazioni ITU-T (le prime sono del 1989) che coprono: la definizione di una gerarchia di multiplazione molto strutturata la definizione di tecniche di gestione di rete e di protezione dai guasti le modalità di interfacciamento verso il mezzo fisico (fibre e componenti ottici) la definizione di interfacce verso altri protocolli che possono lavorare sopra SONET/SDH STRATO FISICO - RETI DI TRASPORTO E DI ACCESSO - 22 Obiettivi di SONET/SDH I principali obiettivi degli standard sono: Affidabilità della rete, compatibile con i requisiti di carrier nazionali e internazionali (99.999% availability) Interoperabilità tra apparati di diversi costruttori Flessibilità dei formati per supportare diverse architetture di rete e possibili migrazioni Articolate funzioni di controllo e monitoraggio (monitoring) delle prestazioni e del traffico (recupero di guasti singoli in 50 ms) STRATO FISICO - RETI DI TRASPORTO E DI ACCESSO - 23 Gerarchia SONET/SDH OC level STS level SDH level Mbit /s OC-1 OC-3 OC-12 OC-24 OC-48 OC-192 OC-768 OC-3072 STS-1 STS-3 STS-12 STS-24 STS-48 STS-192 STS-768 STS STM STM STM STM STM STM STM STRATO FISICO - RETI DI TRASPORTO E DI ACCESSO - 24 Pag. 8

9 tempo Mezzi trasmissivi e strato fisico Stratificazione SONET / SDH Photonic Layer: tipo di fibra, potenza dei laser, ecc. Section Layer: generazione trama, OAM Line Layer: sincronizzazione, multiplexing, switching, OAM, protezione e recupero guasti Path Layer: trasporto dati e gestione connessioni end-to-end Terminal Repeater Multiplexer Terminal Higher Layer Higher Layer Path Layer Envelope Path Layer Line Layer STS-N / STM-N Block Line Layer Line Layer Section Layer Frame Section Layer Section Layer Section Layer Photonic Layer Photonic Layer Photonic Layer Photonic Layer Light STRATO FISICO - RETI DI TRASPORTO E DI ACCESSO - 25 Framing SONET In SONET/SDH si trasmette un sequenza continua di bit ad una certa velocità La multiplazione dei diversi flussi di informazione è ottenuta con un complesso schema a divisione di tempo (TDM) progettata in modo da consentire efficienti implementazioni VLSI STRATO FISICO - RETI DI TRASPORTO E DI ACCESSO - 26 SONET: struttura trama STS-1 0 µs 90 byte 3 byte 87 byte A1 Framing A2 C1 B1 E1 F1 D1 D2 D3 H1Puntatori H2 H3 B2 K1 K2 D4 D5 D6 D7 D8 D9 D10 D11 D12 Z1 Z2 E2 Section overhead Payload J1 B3 C2 G1 F2 H4 Z3 Z4 Z5 Line overhead Payload Path overhead 125µs STRATO FISICO - RETI DI TRASPORTO E DI ACCESSO - 27 Pag. 9

10 tempo Mezzi trasmissivi e strato fisico 0 µs SONET / SDH Gestione puntatori ed allineamento del payload Frame 0 Frame 1 A1 A2 C1 B1 E1 F1 D1 D2 D3 H1 H2 H3 B2 K1 K2 D4 D5 D6 D7 D8 D9 D10 D11 D12 Z1 Z2 E2 A1 A2 C1 B1 E1 F1 D1 D2 D3 H1 H2 H3 B2 K1 K2 D4 D5 D6 D7 D8 D9 D10 D11 D12 Z1 Z2 E2 J1 B3 C2 G1 F2 H4 125 µs Z3 Z4 Z5 J1 B3 C2 G1 F2 H µs Z3 Z4 Z5 STRATO FISICO - RETI DI TRASPORTO E DI ACCESSO - 28 Multiplazione STS-1 #1 STS-1 #2 STS-1 #3 9 MUX Byte interleaver 3x3 3x87 9 STRATO FISICO - RETI DI TRASPORTO E DI ACCESSO - 29 SONET STS-3 3x3 byte 0 µs Framing 3x90 byte 3x87 byte Puntatore overhead virtual container 125 µs STS-1 # 1 STS-1 # 2 STS-1 # 3 STRATO FISICO - RETI DI TRASPORTO E DI ACCESSO - 30 Pag. 10

11 Rete di accesso Gruppo Reti TLC STRATO FISICO - RETI DI TRASPORTO E DI ACCESSO - 31 Reti di accesso Per arrivare all utenza residenziale ( ultimo miglio ), l ultima tratta di rete viene detta rete d accesso ( local loop in inglese) Tecnologie nelle reti di accesso: Plain Old Telephone Service (POTS) Integrated Services Digital Network (ISDN) Asymmetric Digital Subscriber Loop (ADSL) cable-modem su reti con tecnologia Cable-TV (CATV) reti via radio (wireless); esempio: Local Multipoint Distribution Service (LMDS) reti via radio cellulare (GPRS, UMTS) reti di accesso ottiche STRATO FISICO - RETI DI TRASPORTO E DI ACCESSO - 32 Accesso POTS: il modem MODEM: MOdulatore e DEModulatore Si utilizzano per effettuare trasmissioni seriali su rete telefonica pubblica Trasformano il segnale da digitale ad analogico e viceversa Rendono il segnale idoneo alla trasmissione su rete pubblica in tecnologia analogica su banda fonica STRATO FISICO - RETI DI TRASPORTO E DI ACCESSO - 33 Pag. 11

12 Accesso POTS: il modem Terminologia: DTE = apparato utente (computer) DCE = apparato di rete (modem) DTE DTE Interfaccia RS232 MODEM DCE Rete Telefonica Analogica Pubblica MODEM DCE STRATO FISICO - RETI DI TRASPORTO E DI ACCESSO - 34 Standard di interfaccia Specificano le interconnessioni tra DTE e DCE I principali sono: RS-232 (o equivalenti CCITT V.24 e V.28) V.35 G.703 e G.704 STRATO FISICO - RETI DI TRASPORTO E DI ACCESSO - 35 Standard di interfaccia RS-232 Standard per la trasmissione seriale a bassa velocità (sino a b/s) Utilizza un connettore a 9 o 25 pin (vaschetta) Prevede 8 segnali + 1 schermatura STRATO FISICO - RETI DI TRASPORTO E DI ACCESSO - 36 Pag. 12

13 RS-232 (9 fili) DTE Protective Ground (1) Transmit (2) Receive (3) Request to Send (4) Clear to Send (5) Data Set Ready (6) Signal Ground (7) Carrier Detect (8) Data Terminal Ready (20) DCE STRATO FISICO - RETI DI TRASPORTO E DI ACCESSO - 37 RS-232 (4 fili) Protective Ground (1) Transmit (2) Receive (3) DTE Signal Ground (7) DCE STRATO FISICO - RETI DI TRASPORTO E DI ACCESSO - 38 Standard trasmissivi per modem Modulazioni analogiche (Bell e CCITT) V b/s V b/s (Bell 212A) V.22 bis 2400, 1200 b/s V.23 75/1200 b/s usato per Videotel V , 4800 b/s V.32 bis 14400, 12000, 9600, 7200, 4800 b/s V , 31200, 28800, 26400, 24000, 21600, 19200, 16800, 14400,. b/s Ultima versione di modem (standard V.90) raggiunge i 56 kb/s (teorici) in ricezione e 33.6 kb/s in trasmissione STRATO FISICO - RETI DI TRASPORTO E DI ACCESSO - 39 Pag. 13

14 ISDN: Accesso digitale alla rete telefonica Acronimo di Integrated Services Digital Network (Rete Numerica Integrata nei Servizi). La rete è integrata: fornisce agli utenti diversi tipi di servizio utilizzando le stesse risorse di rete. La rete è numerica: le informazioni sono trasferite in forma numerica, indipendentemente dalla loro origine, fino al terminale d utente. STRATO FISICO - RETI DI TRASPORTO E DI ACCESSO - 40 ISDN: Caratteristiche principali orientata alla connessione (tariffazione a tempo) pubblica e/o privata numerica end-to-end plesiocrona (usa trame TDM) offre servizi a circuito e pacchetto (telefonia, fax, trasmissione dati) supporta la telefonia standard tramite conversione D/A presso l utente finale STRATO FISICO - RETI DI TRASPORTO E DI ACCESSO - 41 ISDN: Origine ISDN nasce dall esigenza di estendere i servizi di TLC oltre la telefonia predisporre una rete uniforme e standardizzata fornire un interfaccia utente numerica semplice ed unificata per tutti i servizi STRATO FISICO - RETI DI TRASPORTO E DI ACCESSO - 42 Pag. 14

15 ISDN: Evoluzione ISDN si evolve dal 1980 al 1988 in ambito CCITT (ITU-T) standardizzata fra fine anni '70 ed inizio anni '90 offerta agli utenti a partire dalla fine anni '80 STRATO FISICO - RETI DI TRASPORTO E DI ACCESSO - 43 Architettura ISDN voce dati video appliances voce dati video appliances termin. ISDN termin. ISDN nodo termin. ISDN voce dati video appliances nodo servizi ISDN avanzati voce dati video appliances termin. ISDN PABX ISDN nodo nodo nodo nodo punto di accesso ISDN interfaccia ISDN verso reti private interfaccia verso altre reti STRATO FISICO - RETI DI TRASPORTO E DI ACCESSO - 44 ISDN: Struttura di trasmissione all interfaccia utente-rete È organizzata in due tipi di flussi: Canale B - Bearer - 64 kb/s voce, dati, fax, video bassa risoluzione Canale D - Data - 16 kb/s (o 64 kb/s) segnalazione, dati, telecontrollo In linea di principio un accesso ISDN è del tipo nb + md (n ed m arbitrari) In pratica sono ammesse solo alcune combinazioni di m ed n. STRATO FISICO - RETI DI TRASPORTO E DI ACCESSO - 45 Pag. 15

16 ISDN: Struttura di trasmissione all interfaccia utente-rete Sono definite alcune interfacce utente standard: BRI - Basic Rate Interface 2B + D (128kb/s) PRI - Primary Rate Interface 30B + D (EU) 23B + D (USA) STRATO FISICO - RETI DI TRASPORTO E DI ACCESSO - 46 ISDN: Basic Rate Interface Utilizzata per utenza domestica o piccoli uffici. Mantiene la compatibilità con pre-esistenti impianti analogici per mezzo di adattatori. Distribuzione del segnale numerico per mezzo del cosiddetto S-bus. STRATO FISICO - RETI DI TRASPORTO E DI ACCESSO - 47 ISDN: Primary Rate Interface Utilizzata per utenza affari. Permette di raggruppare diversi canali B in un unico canale H: H0-6B -384 kb/s H11-24B kb/s - equivalente a DS1 H12-30B kb/s - equivalente a E1 STRATO FISICO - RETI DI TRASPORTO E DI ACCESSO - 48 Pag. 16

17 ISDN: Raggruppamenti Funzionali e Punti di Riferimento TE2 TE1 R TA S S-bus S NT2 T NT1 U STRATO FISICO - RETI DI TRASPORTO E DI ACCESSO - 49 Rete di Accesso DSL DSL (Digital Subscriber Line) è una famiglia di tecnologie (chiamate anche xdsl) fornisce servizio dati ad alta velocità sulla rete di accesso La più diffusa è ADSL (Asymmetric DSL) Velocità maggiore in downstream che in upstream Velocità massime ADSL (velocità dipende da distanza utente-centrale): 9 Mbps downstream 640 Kbps upstream STRATO FISICO - RETI DI TRASPORTO E DI ACCESSO - 50 ADSL: scenario di utilizzo STRATO FISICO - RETI DI TRASPORTO E DI ACCESSO - 51 Pag. 17

18 ADSL: apparati utente Filtro Splitter ha il compito di separare il segnale vocale dai dati Modem (de)modulare il segnale alle frequenze opportune (es. per ADSL dai 25 KHz in upstream ai 240 KHz in downstream) Voce Dati STRATO FISICO - RETI DI TRASPORTO E DI ACCESSO - 52 ADSL: apparati di centrale Filtro/modem POTS: funzione duale del filtro splitter dell utente, separa flussi voce e dati DSLAM (DSL Access Multiplexer): riceve flussi dati diversi e li convoglia su un unico canale STRATO FISICO - RETI DI TRASPORTO E DI ACCESSO - 53 Le reti CATV si chiamano anche Hybrid Fiber Coax (HFC) Reti di accesso HFC tap headend fiber remote node coax amplifier Sono pensate per funzionamento unidirezionale STRATO FISICO - RETI DI TRASPORTO E DI ACCESSO - 54 Pag. 18

19 HFC: principi di funzionamento Usa lo stesso mezzo fisico della TV via cavo (fibra nella rete e coassiale nell ultimo miglio) La banda viene multiplata tra tutti gli utenti usando una topologia ad albero I dati e segnali TV occupano porzioni diverse di banda (occorre un filtro presso l utente) Mhz per TV, 6Mhz per canale Mhz per dati in downstream 5-50 Mhz per dati in upstream (spesso non usato, l upstream viene effettuato su linea telefonica standard) L utente usa un cable modem per decodificare i dati STRATO FISICO - RETI DI TRASPORTO E DI ACCESSO - 55 ADSL vs. HFC HFC è condiviso tra utenti della stessa zona residenziale; ADSL è punto-punto (nell ultimo miglio) HFC ha problemi di sicurezza legati alla condivisione del mezzo fisico DSL si appoggia alla tecnologia telefonica standard (presso l utente); HFC richiede la posa di cavi ad hoc La qualità della connessione ADSL decresce con la distanza tra utente e centrale di commutazione; HFC non risente della distanza STRATO FISICO - RETI DI TRASPORTO E DI ACCESSO - 56 Reti di accesso ottiche PON = Passive Optical Networks ONU = Optical Network Unit WDM laser receiver central office splitter/ combiner remote node λ 1 λ 2 λ 3... λ N λ 1 λ 2 λ 3... λ N λ ONU 1 receiver laser ONU λ i receiver laser λ ONU N receiver laser STRATO FISICO - RETI DI TRASPORTO E DI ACCESSO - 57 Pag. 19

20 Reti di accesso ottiche Nella tratta downstream si affronta un problema di multiplazione. Nella tratta upstream si ha un problema di accesso multiplo. Si mira soprattutto alla semplicità e alla facilità di gestione, per cui si implementano normalmente strutture passive con componenti di basso costo. Esempi: trasmissione con LED modulazione alla ONU di portanti non modulate inviate dal central office STRATO FISICO - RETI DI TRASPORTO E DI ACCESSO - 58 Service Node Internet Leased Line Frame/Cell Relay Telephone Interactive Video SNI (VB5) Fiber to the x (FTTx) Operation System Q3 Passive Optical Splitter OLT ATM-PON Optical Fiber ONU xdsl ONT ONT NT Twisted Pair ONU NT FTTx FTTH FTTB FTTC FTTCab FTTH :Fiber To The Home FTTB :Fiber To The Building FTTC:Fiber To The Curb FTTCab :Fiber To The Cabinet STRATO FISICO - RETI DI TRASPORTO E DI ACCESSO - 59 Accesso Radio Fisso (LMDS) Local Multipoint Distribution System Evita costi di cablaggio Banda superiore a 20GHz (dipende dalla nazione) Velocità: decine/centinaia di Mbit/s per utente STRATO FISICO - RETI DI TRASPORTO E DI ACCESSO - 60 Pag. 20

21 Accesso Radio Mobile Tecnologie wireless in fase di sviluppo: GPRS UMTS Bluetooth STRATO FISICO - RETI DI TRASPORTO E DI ACCESSO - 61 Accesso Radio Mobile Reti satellitari GEO MEO LEO Piattaforme stratosferiche STRATO FISICO - RETI DI TRASPORTO E DI ACCESSO - 62 Pag. 21