Reti a Commutazione Tecniche di Commutazione

I semestre 04/05 Reti a Commutazione Tecniche di Commutazione Prof. Vincenzo Auletta auletta@dia.unisa.it http://www.dia.unisa.it/professori/auletta/ Università degli studi di Salerno Laurea in Informatica 2 La trasmissione di dati al di fuori di una rete locale avviene attraverso nodi intermedi la sorgente A invia i dati destinati a B ad un nodo intermedio C C ritrasmette i dati di A direttamente a B o ad altri nodi intermedi I nodi intermedi sono detti commutatori svolgono solo la funzione di trasferimento dei dati non interferiscono con il contenuto dei dati Un insieme di stazioni interconnesse tramite linee di comunicazioni e commutatori è detta rete a commutazione Elementi di una Rete a Commutazione Esempio di Rete a Commutazione 3 Stazioni dispositivi terminali a cui accedono gli utenti e che devono comunicare Es. computer, terminali, telefoni o altri dispositivi di telecomunicazione Nodi dispositivi di commutazione collegati tramite linee di trasmissione in genere gli utenti non possono accedere direttamente a questi dispositivi la comunicazione tra nodi avviene su linee multiplexate (FDM o TDM) 4 i nodi 5 e 7 comunicano solo con altri nodi gli altri nodi comunicano sia con nodi che con alcune stazioni una trasmissione tra le stazioni A e D viene commutata dai nodi 4, 5, e 3

Struttura della Rete Per questioni di costo la rete a commutazione non è completamente connessa esistono collegamenti diretti solo tra alcune coppie di nodi Per questioni di affidabilità la rete è strutturata in modo che ci siano più percorsi alternativi tra ogni coppia di nodi se un guasto interrompe un percorso la comunicazione può proseguire su un altro percorso Tecnologie di Commutazione Le reti a commutazione utilizzano due diversi tecnologie di commutazione commutazione di circuito commutazione di pacchetto Le tecnologie differiscono per il modo in cui i nodi commutano i dati da una linea all altro 5 6 7 Commutazione di Circuito Crea un cammino dedicato tra le due stazioni che vogliono comunicare costituito da una serie di linee di trasmissione e nodi di commutazione che collegano sorgente e destinazione sul percorso vengono allocate risorse per creare un canale logico (circuito) dedicato alla comunicazione larghezza di banda (FDM) o slot di trasmissione (TDM) sulle linee di trasmissione capacità commutative nei nodi le risorse allocate sono garantite per tutta la durata della comunicazione 8 Fasi di una Comunicazione Una comunicazione tra due stazioni avviene in tre fasi Instaurazione del circuito individua il percorso nella rete ed alloca le risorse per il circuito Trasferimento dati i dati (analogici o digitali) vengono inviati sul circuito Disconnessione del circuito a richiesta di una delle stazioni le risorse allocate al circuito vengono rilasciate

9 Caratteristiche di una Rete a Comunicazione di Circuito I nodi devono avere intelligenza per allocare risorse ai circuiti identificare i circuiti nella rete gestire la commutazione dei dati La commutazione di circuito è stata sviluppata per traffico vocale (rete telefonica) ritardo iniziale per instaurare il circuito la trasmissione è a ritardo costante e banda garantita I nodi sono trasparenti per le stazioni non adatta per trasferimento di dati circuito allocato per la durata della connessione anche se non ci sono dati da trasmettere 10 Esempio di Rete a Commutazione 5 potrebbe ricevere più comunicazioni da 4 da commutare in maniera differente comunicazione tra A e D si deve trovare un percorso da 4 a 3 5 commuta i dati ricevuti da 4 sulla linea per 3 11 Rete Telefonica Pubblica La rete telefonica pubblica (PSTN) è la più diffusa rete a commutazione di circuito reti nazionali interconnesse per creare il servizio telefonico internazionale originariamente progettata per gestire traffico telefonico analogico oramai il traffico dati via modem supera il traffico vocale gran parte delle linee di trasmissione tra i nodi utilizzano trasmissione digitale 12 Elementi di una Rete Telefonica Terminali utente dispositivi utilizzati dagli utenti e collegati alla rete (in genere telefoni) Linee utente (subscriber loop o local loop) linee che collegano il terminale utente alla rete in genere doppini telefonici di lunghezza non superiore a qualche km Centrali di commutazione (end office o stadi di gruppo) nodi della rete locali (collegate direttamente agli utenti) o di transito Linee dirette

Esempio di Connessione in una PSTN Instaurazione di un Circuito 13 In genere le linee che collegano le centrali usano segnali digitali con TDM 14 il circuito da a a b connette due utenti collegati alla stessa centrale locale (chiamata urbana) il circuito da c a d connette due utenti collegati a centrali differenti (chiamata interurbana) Nodo di Commutazione Elementi di un Nodo di Commutazione 15 Il nodo di commutazione è il cuore di una rete a commutazione di circuito detiene tutta l intelligenza della rete connette in modo trasparente una qualsiasi coppia di dispositivi collegati al nodo i dispositivi vedono un collegamento diretto e dedicato Un nodo di commutazione deve connettere più coppie di dispositivi contemporaneamente bloccante: blocca una richiesta di connessione se non ci sono percorsi disponibili (rete telefonica) non bloccante: garantisce sempre a due dispositivi di potersi connettere (trasmissione dati) 16 commutatore numerico fornisce al segnale un percorso trasparente interfaccia di rete funzioni ed hardware necessari a collegare dispositivi utente (sia digitali che analogici) alla rete può avere funzioni di conversione analogico/digitale unità di controllo instaura, mantiene e chiude la connessione controlla l allocazione delle risorse, controlla il commutatore numerico, gestisce il multiplexing, ecc.

Esempio di Nodo di Commutazione Commutazione a Divisione di Spazio Sviluppata per ambienti analogici adattata anche ad ambienti digitali Garantisce che i percorsi assegnati ai vari segnali siano fisicamente distinti realizzata attraverso due diverse soluzioni matrice crossbar commutatore a stadi multipli 17 18 19 Matrice Crossbar ogni elemento della matrice è un crosspoint che incrocia una linea di ingresso con una linea di uscita un gate nel crosspoint può collegare le due linee la linea di ingresso incrocia tutte le linee di uscita Vantaggi è non bloccante Svantaggi ci sono molti crosspoint (quadrato del numero delle stazioni) utilizzati in modo inefficiente il guasto ad una intersezione inibisce la connessione tra due linee 20 Esempio di Utilizzo di Crossbar 6 1 2 4 7 10 1 2 7 4 6 connessione tra nodi 4 e 7 (full duplex) connessione tra nodi 2 e 6 (full duplex) 10

21 Commutatore a Stadi Multipli Costituito da diverse matrici crossbar collegate in cascata ogni matrice crossbar ha un numero ridotto di ingressi ed uscite Vantaggi numero ridotto di crosspoint, utilizzati in maniera più efficiente maggiore affidabilità perchè esistono più cammini tra una linea di ingresso ed una di uscita Svantaggi Controllo più complesso Puo essere bloccante 22 Commutatore a tre Stadi non c è un percorso tra la linea 10 e la linea 4 Commutazione a Divisione di Tempo Commutazione TDM a Bus 23 tecnica utilizzata dalla maggior parte dei commutatori moderni simile al TDM sincrono un flusso di bit ad una certa velocità viene diviso in slot ogni slot contiene un numero fissato di bit gli slot sono assegnati alle linee di ingresso una linea può trasmettere solo negli slot che gli sono stati assegnati l assegnazione degli slot alle linee è gestita dall unità di controllo del commutatore 24 ogni linea di ingresso collegata ad un bus tramite un gate analogamente per le linee di uscita per ogni slot l unità di controllo attiva una linea di ingresso ed una linea di uscita

Esempio di Commutazione TDM a Bus connessione attive: da 1 a 9 da 5 a 13 slot 1: da 1 a 9 slot 2: da 5 a 13 slot 3: da 9 a 1 slot 4: da 13 a 5 Temporizzazione la velocità del bus deve essere molto più alta delle velocità delle singole linee nel tempo che una linea impiega a creare un blocco il commutatore deve trasmettere uno slot per ogni linea la durata di uno slot è data dal tempo di trasmissione del blocco di dati più il ritardo di trasmissione sul bus 25 26 Segnali di Controllo Funzioni della Segnalazione 27 I segnali di controllo consentono di instaurare, mantenere e terminare i circuiti e di gestire la rete permettono lo scambio di informazioni tra stazione e nodo nodo e nodo nodo e centro di gestione della rete In grosse reti di telecomunicazioni lo schema di segnalazione è molto complesso gestiscono anche tutti i servizi a valore aggiunto forniti dalla rete 28 Invio di toni udibili all utente composizione dei numeri segnale di linea libera o occupata segnale di squillo scambio di informazioni tra i nodi trasmissione del numero composto per la creazione del circuito rifiuto di una chiamata che non può essere accolta avviso che un circuito che deve essere rilasciato informazioni relative al pagamento informazioni relative allo stato degli apparati e delle linee ed alla diagnostica della rete

Utilizzo della Segnalazione per una Telefonata Collocazione della Segnalazione 29 Inizialmente entrambi i telefoni sono abbassati (aggancio) 1. un abbonato alza la cornetta (sgancio) 2. invio segnale di sgancio alla centrale locale 3. la centrale risponde con il tono di chiamata (dial tone) 4. il chiamante compone il numero 5. il numero viene comunicato alla rete e viene instaurato il circuito 6. la rete invia un segnale di squillo al destinatario, se non è occupato 7. Feedback al chiamante segnale di linea libera o occupata, chiamata impossibile 8. il destinatario accetta la chiamata 30 La segnalazione deve essere considerata in due contesti segnalazione tra utente e rete definita dal tipo di dispositivo utente e dalle esigenze dell utente umano segnalazione all interno della rete utilizzata per lo scambio di informazioni tra dispositivi automatici svolge una vasta gamma di funzioni la centrale locale deve fornire un interfaccia tra la segnalazione interna alla rete e quella usata per comunicare con l utente Segnalazione nel Canale Segnalazione su Canale Comune 31 Usa lo stesso circuito per chiamate e segnali non richiede ulteriori strumenti di trasmissione segnalazione in banda usa le stesse frequenze del segnale della voce si possono spedire segnali se la voce non è presente un segnale di controllo può essere inviato su qualunque dispositivo possa ricevere un segnale di voce segnalazione fuori banda utilizza una parte della banda di 4 KHz non utilizzata dai segnali di voce ha bisogno di elettronica addizionale tasso del segnale più lento (banda stretta) 32 Segnali di controllo trasmessi su cammini indipendenti dal canale voce un canale di controllo può essere condiviso da più canali utente porta segnali di controllo per tutti i canali utente il canale di controllo comune può essere opportunamente dimensionato supporta funzioni di segnalazione complesse senza perdita di prestazioni

33 Modalità di Funzionamento della Segnalazione La segnalazione a canale comune può essere implementata con due diverse modalità Modalità associata Il canale di segnalazione è distinto ma segue lo stesso percorso dei canali di fonia Ogni commutatore istrada entrambi i canali allo stesso modo Modalità dissociata una rete separata è addetta alla trasmissione dei segnali di controllo In genere usa la commutazione a pacchetti Più complessa ma più potente e flessibile In genere si utilizza la modalità dissociata 34 Esempio Modalità associata Modalità dissociata Sistema di Segnalazione Numero 7 (SS7) Commutazione di Pacchetto 35 implementa lo schema di segnalazione con canale comune progettato per reti ISDN può essere usato per qualsiasi rete digitale a commutazione di circuito fornisce uno standard internazionale per la segnalazione a canale comune per reti digitali con nodi digitali e canali a 64 kbps utilizzabile anche su canali analogici con tassi < 64 kbps e su linee terrestri punto-punto o satellitari garantisce trasmissione dati senza perdite e duplicazioni 36 Dati trasmessi in blocchi di dimensione fissata, detti pacchetti in genere di dimensione non superiore a 1000 ottetti messaggi lunghi vengono spezzettati in più pacchetti ogni pacchetto è instradato singolarmente e indipendentemente dagli altri pacchetti dello stesso messaggio possono seguire lo stesso percorso o percorsi diversi i pacchetti possono arrivare a destinazione in ordine diverso da quello di spedizione il ricevente deve riassemblare il messaggio

Struttura di un Pacchetto Esempio di Trasmissione 37 I pacchetti devono contenere informazioni di controllo per poter essere instradati verso la destinazione simile all indirizzo scritto sulla busta di un lettera Un pacchetto consiste di un intestazione e di un campo dati l intestazione contiene le informazioni di controllo Ogni nodo della rete commuta pacchetti usando la tecnica dello store and forward riceve un pacchetto e lo memorizza legge le informazioni dell intestazione decide su quale linea instradare il pacchetto 38 la sorgente divide il messaggio dell applicazione in blocchi e aggiunge informazioni di controllo ad ogni blocco ogni blocco viene trasmesso sulla rete la destinazione rimette insieme i blocchi e ricostruisce il messaggio Tecniche di Commutazione Datagram 39 La tecnica di commutazione definisce come la rete gestisce il flusso di pacchetti per garantire che vengano instradati e consegnati alla destinazione Due tecniche principali datagram circuito virtuale 40 Ogni pacchetto è trattato individualmente non è considerato come parte di un flusso Ogni pacchetto deve contenere informazioni di controllo per poter essere instradato indirizzo sorgente e destinazione, numero di sequenza, ecc. I pacchetti sono instradati in maniera indipendente pacchetti dello stesso messaggio possono seguire strade diverse ed arrivare in ordine diverso da quello di trasmissione si può perdere un pacchetto (un pezzo del messaggio)

Circuito Virtuale Caratteristiche del Datagram 41 Viene stabilito un circuito virtuale prima di spedire i pacchetti ogni circuito virtuale ha un identificatore Ogni pacchetto contiene l identificatore del circuito virtuale non ci sono altre informazioni di controllo I nodi della rete instradano i pacchetti in base al circuito virtuale di appartenenza tutti i pacchetti di un messaggio seguono lo stesso percorso e giungono in ordine a destinazione Il circuito virtuale non ha risorse allocate differisce dalle reti a commutazione di circuito 42 Vantaggi protocollo di comunicazione molto semplice più veloce per comunicazioni brevi più flessibile nel gestire situazioni di congestione i datagram vengono dirottati su altri percorsi più affidabile Svantaggi i pacchetti possono arrivare fuori ordine o perdersi ogni nodo deve prendere decisioni di instradamento non adatto ad operare ad alti tassi di trasmissione 43 Caratteristiche del Circuito Virtuale Vantaggi maggiore affidabilità è possibile fornire controllo degli errori e del flusso all interno del circuito pacchetti inoltrati più velocemente perché non ci sono decisioni da prendere più efficiente per comunicazioni lunghe (max. throughput) i pacchetti hanno meno informazioni di controllo Svantaggi ritardo iniziale per instaurare il circuito virtuale protocollo di comunicazione più complesso in caso di guasto ad un nodo tutti i circuiti virtuali che lo attraversano sono persi 44 Dimensione del Pacchetto I pacchetti in genere sono piccoli su Internet i pacchetti sono al massimo 1.5 Kb La dimensione del pacchetto influenza il tempo di trasmissione Pacchetti piccoli richiedono tempi di trasmissione inferiori è possibile spedire più pacchetti in parallelo su linee differenti (pipeline) Per ogni pacchetto è richiesto un sovraccarico (overhead) di trasmissione per le informazioni di controllo pacchetti troppo piccoli implicano un uso inefficiente della linea

Dimensione dei Pacchetti e Tempi di Trasmissione Tipi di Ritardo 45 X invia 40 ottetti di dati ad Y attraverso a e b ogni pacchetto ha 3 ottetti di intestazione 1 pacch. 43*3 = 289 2 pacch. 23*4 = 92 5 pacch. 11*7 = 77 10 pacch. 7*12 = 84 46 Il tempo impiegato da un pacchetto per giungere a destinazione consiste di tre componenti Ritardo di propagazione Tempo che impiega un segnale a propagarsi sul canale Tempo di trasmissione Tempo che un trasmettitore impiega ad inviare un pacchetto Ritardo del nodo Tempo che un nodo impiega per compiere le elaborazioni necessarie per smistare i dati 47 Funzionamento Interno ed Esterno Esterno È il funzionamento che vede una stazione che si collega alla rete può essere un servizio orientato alla connessione o non orientato alla connessione Interno È il funzionamento della rete all interno Tutte le combinazioni sono possibili Circuito virtuale esterno, circuito virtuale interno Circuito virtuale esterno, datagram interno Datagram esterno, circuito virtuale interno Datagram esterno, datagram interno l interfaccia tra stazione e nodo deve convertire 48 Servizio Orientato alla Connessione Servizio esterno a circuito virtuale La stazione chiede di instaurare una connessione logica con un altra stazione ogni pacchetto è identificato come appartenente ad una connessione logica e numerato la rete garantisce che tutti i pacchetti siano consegnati nell ordine giusto ogni pacchetto ha l identificatore del circuito virtuale ed il numero di sequenza

49 Servizio non Orientato alla Connessione Servizio esterno di tipo datagram La rete accetta singoli pacchetti ogni pacchetto deve contenere informazioni per essere instradato indipendentemente i pacchetti possono essere persi o consegnati fuori ordine il datagram ha indirizzo destinazione e numero di sequenza 50 Operazione Interna a Circuito Virtuale La rete stabilisce dei circuiti tra coppie di nodi tutto il traffico tra i due nodi viaggia all interno del circuito è possibile ripartire il traffico tra due nodi tra più circuiti ogni pacchetto viaggia all interno di un circuito i nodi assegnano i pacchetti ai circuiti Operazione Interna a Datagram Svantaggi della Commutazione di Circuito 51 La rete tratta ogni pacchetto singolarmente pacchetti relativi alla stessa connessione possono seguire percorsi diversi la rete deve provvedere a memorizzare i pacchetti alla destinazione per controllare se sono tutti e rimetterli in sequenza ogni pacchetto ha indirizzo destinazione e numero di sequenza 52 Ad ogni circuito vengono allocate delle risorse Se le risorse si esauriscono non è possibile stabilire una nuova connessione (blocking) L utilizzo delle risorse del circuito non è efficiente in una conversazione telefonica c è sempre qualcuno che parla in una connessione fra computer ci sono tempi morti Es. connessione browser Server Web: mentre guardiamo la pagina non c è scambio di dati, per cui una connessione dedicata comporterebbe uno spreco della capacità del canale Richiede che sorgente e destinazione operino allo stesso tasso

53 Vantaggi della Commutazione di Pacchetto uso più efficiente delle linee di trasmissione la stessa linea può essere condivisa dinamicamente da più pacchetti i pacchetti vengono accodati e trasmessi non appena possibile la linea è inutilizzata solo se non ci sono pacchetti da trasmettere può collegare sistemi che operano a tassi diversi ognuno trasmette e riceve pacchetti al suo tasso non rifiuta mai una connessione però i pacchetti potrebbero essere ritardati o persi è possibile assegnare priorità ai pacchetti 54 Svantaggi della Commutazione di Pacchetto Difficile garantire qualità del servizio Per una telefonata serve una certa velocità di trasmissione garantita Vengono introdotti dei carichi aggiuntivi (overhead) I pacchetti devono viaggiare insieme ad informazioni di controllo per poter essere correttamente istradati La rete può congestionarsi Poiché si accettano sempre pacchetti si potrebbe arrivare ad una situazione di saturazione che blocca la rete Confronto tra Prestazioni Confronto tra Prestazioni 55 creare un circuito richiede un ritardo iniziale commutare i pacchetti implica un ritardo in ogni nodo maggiore per datagram 56 la commutazione di circuito fornisce un servizio trasparente a tasso costante una chiamata è bloccata se non è possibile garantire tale servizio adatto a trasmettere sia dati analogici che digitali la commutazione di pacchetto introduce ritardi variabili dipendono dal percorso seguito nella rete, dalla politica di scheduling dei nodi, dal traffico nella rete non adatto ad implementare servizi con qualità di servizio garantito non adatto a trasmettere dati analogici

57 Interfaccia per Reti a Commutazione di Pacchetto Nelle reti a commutazione di pacchetto il servizio non è trasparente La stazione deve costruire le trame e dividere il flusso dei dati nelle date Un interfaccia standard consente l interoperabilità Principali standard di interfaccia con reti a pacchetto X25 Frame Relay ATM 58 X25 Interfaccia standard per collegare una stazione ad una rete a commutazione di pacchetto utilizzato per collegamento stazione-nodo usato in reti ISDN Standard strutturato in tre livelli (corrispondenti ai tre livelli inferiori del modello OSI) livello fisico livello di linea livello di pacchetto Protocolli Utilizzati Servizi a Circuito Virtuale 59 X.21 per il livello fisico LAPB per il livello di linea Il livello di pacchetto offre un servizio esterno a circuito virtuale permette all utente di creare connessioni logiche 60 X.25 fornisce due tipi di circuiti virtuali circuiti virtuali permanenti chiamate virtuale La chiamata virtuale è un circuito creato su richiesta dell utente prevede una fase di attivazione ed una di chiusura viene eliminato quando non serve più Il circuito virtuale permanente è un circuito fisso creato dalla rete non prevede attivazione e chiusura

61 Controllo del Flusso e degli Errori identico a quello di HDLC protocollo slliding window schema di controllo degli errori Go-back-N Controllo effettuato sia al livello di linea che a livello di pacchetto 62 Vantaggi e Svantaggi di X.25 adatto a linee lente ed inaffidabili alta latenza e basso throughput ridondanza del controllo degli errori controllo eseguito su ogni singola linea non adatto per internetworking multiprotocollo replica il livello 3 non adatto a linee ad alta velocità overhead di trasmissione elevato eccessiva sincronizzazione tra DTE e DCE trasmissione dei segnali di controllo in banda multiplexing dei circuiti virtuali effettuato a livello 3 Frame Relay Formato Trame Frame Relay 63 fornisce un servizio esterno a circuito virtuale molto più efficiente di X.25 (2 Mbps) riduce al minimo le funzionalità richieste adatto a reti affidabili Principali differenze rispetto a X.25 segnalazione di controllo di chiamata trasmessa su un canale logico distinto da quello dei dati i nodi intermedi non hanno bisogno di elaborare le informazioni di controllo per ogni canale multiplexing e commutazione dei canali effettuato a livello 2 non c è controllo degli errori e del flusso delegato ad un livello superiore 64 Esiste un unico tipo di trama contenente dati non ci sono trame di controllo non c è un campo che identifica il tipo di trama non ci sono numeri di sequenza non è possibile effettuare controllo del flusso e degli errori identificatore di connessione (DLCI) prende da 2 a 4 ottetti e può essere a 10, 17 o 24 bit ha valore locale