Il sistema telefonico e le reti di calcolatori

Il sistema telefonico – Schema I centrale di commutazione

Il sistema telefonico –Schema II centrali di commutazione trunks local loop

Il local loop Il collegamento tra l’apparecchio telefonico e la più vicina centrale: • è detto local loop • è costituito generalmente da un doppino intrecciato (doppino telefonico) • ha una banda passante di circa 3000 Hz (dovuta ad un filtro nella centrale di commutazione) • usa segnali analogici Se tutti i local loop del mondo fossero uniti l’uno all’altro, coprirebbero mille volte la distanza Terra-Luna!

Il trunk Il collegamento tra due centrali di commutazione: • è detto trunk • è costituito da – cavo coassiale – collegamento con microonde – fibra ottica • ha una banda passante molto più ampia del local loop • inizialmente usava segnali analogici, oggi quasi esclusivamente segnali digitali

Trasmissione di dati fonia La principale limitazione della trasmissione di dati utilizzando il sistema telefonico è il local loop: è praticamente impossibile inviare un segnale digitale su un canale con banda passante di 3000 Hz (vedi es. sulle armoniche) Se vogliamo inviare dati digitali si deve perciò ricorrere ad un convertitore digitale-analogico detto modem (modulator-demodulator) Il segnale analogico viene trasformato nuovamente in digitale all’interno della centralina di commutazione da un dispositivo detto codec (coder-decoder) e iniettato all’interno dell’area di commutazione (la maggior parte delle centrali di commutazione sono oggi digitali) Il processo inverso viene effettuato all’arrivo, entrando nel local loop di destinazione

Il sistema telefonico Il sistema telefonico svolge un ruolo centrale nella trasmissione di dati tra calcolatori, Perché • sarebbe troppo costoso realizzare connessioni “ad hoc” per ciascun calcolatore da collegare • in molti paesi, posare cavi per collegamenti privati sul o sotto il suolo pubblico è illegale Purtroppo tale sistema è nato e si è evoluto per la telefonia, anche se recentemente si sta evolvendo grazie anche all’uso di fibre ottiche.

Il sistema telefonico La seguente tabella esemplifica le differenze nella trasmissione dei dati Data rate Tasso d’errore Cavo tra due computer 107 – 108 bps 1 su 1012 - 1013 Linea telefonica 104 – 105 bps 1 su 105 Combinando i due parametri, ci sono 11 ordini di grandezza di differenza Anche se oggi il sistema telefonico sta migliorando rapidamente, anche le LAN si evolvono, così restano diversi ordini di grandezza tra le prestazioni dei due sistemi

Trasmissione di dati - Schema area di commutazione modem codec codec modem digitale analogico digitale digitale analogico digitale

Le modulazioni usate per modem a 2400 baud standard date rate (bps) bit/campionamento valori diversi 2400 1 2 QPSK 4800 4 7200 3 8 QAM-16 9600 16 V.32 4 + 1 16 x 2 QAM-64 14 400 6 64 V.32 bis 6+1 64 x 2 V.34 28 800 12 4096 V.34 bis 33 600 14 16 384 Nel V.32 e V.32 bis il bit in aggiunta serve per la correzione d’errore

Modem a 56 kbps I modem a 56 kbps utilizzano gli standard V.90 e V.92 per ottenere velocità massime teoriche di 56 kbps: Il canale telefonico ha una banda effettiva di 4000 Hz (3000 Hz più 1000 Hz per due bande di guardia), quindi può essere campionato 8000 volte al secondo (Teorema di Nyquist); si codificano 7 bit di informazione per ogni campione Possono funzionare a questa velocità solo con particolari Internet Service Provider, e solo nella direzione dall’ISP all’utente Mediamente, la qualità e la lunghezza dei local loop sono tali che il limite massimo teorico sulla velocità di trasmissione tra due modem è di 35 kbps (a causa del Teorema di Shannon). Se però un ISP è collegato direttamente al codec del gestore telefonico, si elimina uno dei due local loop e si può avere una velocità massima teorica di 70 kbps

Comunicazione bi-direzionale Il modem può funzionare come un canale di comunicazione bi-direzionale (full-duplex). Si utilizzano due diverse bande di frequenza per ciascuna direzione La comunicazione bi-direzionale non funziona nei sistemi telefonici che adottano i vecchi soppressori di eco (circuiti che forzano la linea telefonica in modalità halfduplex automaticamente) La comunicazione bi-direzionale funziona invece nei sistemi telefonici che utilizzano i nuovi cancellatori di eco (circuiti che simulano l’eco della trasmissione e provvedono a cancellarlo dal segnale)

Multiplexing I trunk (collegamenti tra le centrali di commutazione) hanno ampia banda passante Poiché ogni conversazione richiede una banda passante ridotta (3000 Hz), è possibile utilizzare lo stesso trunk per trasmettere più flussi di dati contemporaneamente (multiplexing) Esistono due categorie di multiplexing: • FDM (Frequency Division Multiplexing), per lo più usato su vecchi trunk analogici • TDM (Time Division Multiplexing), utilizzato da quasi tutti i trunk digitali

Frequency Division Multiplexing I La banda passante del canale viene suddivisa in varie bande più piccole da 4000 Hz (3000 Hz per la fonia più 1000 Hz per evitare interferenze) e ogni utente ha l’uso esclusivo su di essa Ogni canale telefonico viene innalzato in frequenza fino ad occupare la sotto-banda assegnatagli

Frequency Division Multiplexing II Uno standard largamente adottato suddivide la banda passante tra 60 kHz e 108 kHz in 12 canali da 4000 Hz (gruppo di canali). Si può anche utilizzare la banda passante tra i 12 kHz ed i 60 kHz per un altro gruppo Molte aziende telefoniche offrono collegamenti dati con linee dedicate allocando un intero gruppo, con velocità di trasmissione di 48–56 kbps Cinque gruppi possono essere multiplexati per formare un supergruppo (60 canali audio) Più supergruppi (cinque o dieci) possono essere multiplexati per formare un gruppo master

Time Division Multiplexing FDM è adatto alla gestione di segnali analogici e richiede circuiteria analogica. Per gestire al meglio i dati digitali viene spesso utilizzato il Time Division Multiplexing (TDM) I bit provenienti da diverse connessioni vengono prelevati a turno da ciascuna di esse ed inviati su una connessione unica ad alta velocità

Pulse Code Modulation Il segnale analogico proveniente dal local loop viene convertito in segnale digitale dal codec (codifier-decodifier) prima di poter essere unito agli altri tramite il TDM La tecnica utilizzata è chiamata PCM (Pulse Code Modulation): • la linea analogica viene campionata 8000 volte al secondo (canali da 4000 Hz, cfr. Teorema di Nyquist, cioè un campione ogni 125  sec) • ogni valore campionato viene convertito in un intero rappresentato da 7 bit (USA) o 8 bit (EU) Il TDM è spesso effettuato direttamente dal codec (un solo dispositivo campiona a turno i segnali analogici dei local loop)

Standard per il TDM Non esiste uno standard internazionale per il TDM • in America e Giappone: T1 carrier: 24 canali campionati a 7 bit più un bit di controllo (56 kbps utili per canale, 1.544 Mbps in totale) • in Europa e resto del mondo: E1 carrier: 30 canali campionati a 8 bit, più 2 canali di controllo (64 kbps utili per canale, 2.048 Mbps in totale) Ovviamente il TDM può essere riapplicato avendo Carrier Caratteristiche Valocità Mbps E2 4 canali E1 8848 E3 4 canali E2 34 304 E4 4 canali E3 139 264 E5 4 canali E4 565 148 Carrier Caratteristiche Valocità Mbps T2 4 canali T1 6312 T3 7 canali T2 44 736 T4 6 canali T3 274 176

Commutazione Il sistema telefonico è commutato: ogni comunicazione richiede una specifica connessione Esistono tre tipi di commutazione: • commutazione di circuito (circuit switching): la connessione è fisica, in quanto si deve creare all’inizio un circuito costituito dai due local loop e da opportuni sotto-canali in uno o più trunk • commutazione di pacchetto (packet switching): la connessione è virtuale, in quanto i dati vengono spezzettati in pacchetti e trasmessi indipendentemente l’uno dall’altro • commutazione di messaggio (message switching): la connessione è virtuale. I dati da trasmettere vengono immagazzinati tutti nel primo ufficio preposto allo switching e ritrasmessi tutti in blocco al successivo. Si attende la completa ricezione di ogni blocco e se ne verifica in loco l’integrità. Una linea che utilizza tale sistema viene anche detta store-and-forward Generalmente il sistema telefonico è di tipo a commutazione di circuito

Commutazione – Confronto tra i tre tipi circuit switching message switching packet switching

Servizi per trasmissioni di dati Le compagnie telefoniche offrono servizi di trasmissioni di dati che permettono di superare le limitazioni del local loop analogico • Affitto di linee dedicate: la compagnia installa linee di trasmissioni digitali fino alla più vicina centrale di commutazione; ciò permette di evitare le limitazioni dei doppini intrecciati e consente di offrire data rate di decine o centinaia di milioni di bit al secondo • Telefonia digitale: ISDN • ADSL (Asymmetrical Digital Subscriber Line) • HFC (Hybrid Fiber Coaxial cable)

ISDN Lo scopo primario di ISDN (Integrated Services Digital Network) è l’integrazione dei servizi fonia e dati E’ un sistema telefonico pienamente digitale con commutazione di circuito Lo standard ISDN offre tipicamente: • ad una casa: 2 canali da 64 kbps ed un canale di controllo da 16 kbps (a volte si può utilizzare un unico canale da 144 kbps) • ad una azienda: 30 canali da 64 kbps ed un canale di controllo da 16 kbps Ogni canale può essere utilizzato sia per fonia che per trasmissione dati

ADSL I Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL) utilizza un modem per trasmettere dati sul doppino telefonico, ma rimuove i filtri della centrale telefonica che limitano la banda passante del canale In ADSL con multiplexing a divisione di frequenza, la banda passante del doppino è suddivisa in tre canali: • tra 50 kHz e 1 MHz: canale in discesa (downstream) verso l’utente (max 8 Mbps per distanze < 3 km, più spesso dell’ordine di 1 Mbps) • tra 4 kHz e 50 kHz: canale in salita (upstream) verso il provider (max 1 Mbps per distanze < 3 km, più spesso dell’ordine di 100 Kbps) • tra 0 Hz e 4 kHz: canale telefonico full-duplex

ADSL II In ADSL con DMT (Discrete MultiTone) la banda è suddivisa in 256 canali indipendenti, ognuno ampio 4312.5 Hz. Un canale è usato per la fonia, 6 canali sono di controllo o inutilizzati, i restanti suddivisi per trasmissione e ricezione Ciascun canale dati è campionato a 4000 baud, ed i dati sono codificati con modulazione di fase e di ampiezza (QAM) Per separare il canale fonia si utilizza un dispositivo chiamato splitter oppure un più semplice filtro passa-basso tra la linea e l’apparecchio telefonico (in quest’ultimo caso la velocità massima scende a 1,5 Mbps) Il collegamento è “punto a punto” (in teoria il provider dovrebbe garantire sempre l’intera banda passante)

HFC Hybrid Fiber Coaxial Cable (HFC) utilizza un cavo a fibre ottiche per collegare l’utente con la centrale di smistamento Utilizza particolari modem via cavo, solitamente collegati al computer tramite una scheda di rete Ethernet Divide il canale di comunicazione in • canale downstream verso l’utente (tipicamente < 10 Mbps) • canale upstream verso il provider (tipicamente < 768 kbps) Il collegamento non è “punto a punto”, e sul cavo viaggiano pacchetti appartenenti a diversi utenti (la banda passante dell’utente può ridursi notevolmente quando il traffico è alto)