Reti di Calcolatori Lezione 5 a.a. 2005/06 Reti di Calcolatori Andrea Frosini

Nel modello di riferimento: Application Transport Network Data Link Fisico Reti di Calcolatori Andrea Frosini

Il sistema telefonico I 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. Reti di Calcolatori Andrea Frosini

Il sistema telefonico II 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 Reti di Calcolatori Andrea Frosini

Albori della telefonia Alexander Graham Bell brevetta il telefono nel 1876 (ma il vero inventore è stato Antonio Meucci) Inizialmente i telefoni si acquistavano in coppia, e ciascuno doveva occuparsi di stendere il cavo telefonico tra la coppia Presto le città diventano un groviglio di cavi, quindi nascono le prime società telefoniche che aprono uffici di commutazione I primi uffici di commutazione erano manuali: la connessione era stabilita da un operatore umano su richiesta dell’utente Col passare del tempo gli uffici di commutazione aumentavano di numero, così si ripresentava lo stesso problema Vengono perciò creati uffici di commutazione di secondo livello (che connettevano tra di loro quelli di primo livello) Nel 1890 si arrivano ad avere uffici di commutazione di quinto livello Reti di Calcolatori Andrea Frosini

Il sistema telefonico – Schema I centrale di commutazione Reti di Calcolatori Andrea Frosini

Il sistema telefonico –Schema II centrali di commutazione trunks local loop Reti di Calcolatori Andrea Frosini

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! Reti di Calcolatori Andrea Frosini

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 Reti di Calcolatori Andrea Frosini

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 Attenzione! Nel caso della trasmissione di dati, il segnale digitale che transita sui trunk è diverso dal segnale digitale tra il calcolatore ed il modem Reti di Calcolatori Andrea Frosini

Trasmissione di dati - Schema area di commutazione modem codec codec modem digitale analogico digitale digitale analogico digitale Reti di Calcolatori Andrea Frosini

Perché si utilizza il modem? Ricordiamo che: le linee di trasmissione inducono attenuazioni e distorsioni (specialmente nei local loops dove sono soggette a disturbi) la trasmissione digitale genera onde quadre che hanno ampio spettro di frequenze Quindi se si trasmette un segnale digitale su un local loop, a causa della banda ridotta (3 kHz) si deve usare una bassissima velocità di trasmissione (per il th. di Nyquist al massimo 6 kbps). Per aumentare il data rate si usa un segnale sinusoidale (quindi analogico) nella banda fra 1 e 2 kHz, detto portante, che viene opportunamente modulato per trasmettere le informazioni. I principali tipi di modulazione sono tre: modulazione d’ampiezza, di frequenza e di fase. Il modem accetta in ingresso un segnale digitale e produce in uscita una portante opportunamente modulata. Reti di Calcolatori Andrea Frosini

La modulazione d’ampiezza Un bit viene rappresentato con due diversi livelli di voltaggio (il voltaggio utilizzato è legato all’ampiezza dell’onda portante) per i valori “0” e “1” Reti di Calcolatori Andrea Frosini

La modulazione di frequenza Un gruppo di n bit viene rappresentato con 2n toni (frequenza dell’onda portante). Reti di Calcolatori Andrea Frosini

La modulazione di fase Un gruppo di bit corrisponde ad una variazione della fase dell’onda portante Nel caso più semplice, ciascun gruppo di due bit corrisponde ad una variazione di 45, 135, 225 o 315 gradi Reti di Calcolatori Andrea Frosini

Combinazione delle modulazioni Teorema di Nyquist: su una linea con banda passante di 3000 Hz non si possono trasmettere più di 6000 log2(V ) bit per secondo V = numero di “valori” distinti che può assumere la funzione segnale Il modem funziona ad una velocità tipica di 2400 baud Baud: numero massimo di cambiamenti del segnale che un apparecchio può operare al secondo o, equivalentemente, numero di campionamenti al secondo Per aumentare la velocità di trasmissione occorre aumentare il numero di bit trasmessi in ciascun campionamento Si combinano così tra loro le tecniche di modulazione con una tecnica che va sotto il nome di Quadrature Amplitude Modulation (QAM) Attenzione: per raggiungere data rate maggiori spesso i dati da inviare sono sottoposti ad un processo di compressione. Reti di Calcolatori Andrea Frosini

Combinazione delle modulazioni - Esempi Consideriamo un modem che campiona la linea 2400 volte al secondo (2400 baud) e calcoliamo il data rate ottenuto tramite diverse modulazioni di fase e ampiezza. valori sfasamento valori ampiezza bit trasmessi per baud data rate - 0 - 1 V 0 1 2400 bps 0 - 1 - 2 - 3 V 00 01 10 11 4800 bps 0° - 90° 0° - 45° - 90° - 135° 0000 0001 … 9600 bps Reti di Calcolatori Andrea Frosini

Constellation pattern I diagrammi che definiscono i punti corrispondenti a valori validi di modulazione del segnale si chiamano constellation patterns. Tali diagrammi sono a coordinate polari ampiezza-fase ed in essi la distanza dal centro indica l’ampiezza, l’angolo rispetto alla semiretta positiva dell’asse delle ascisse indica lo sfasamento della sinusoide QPSK V.32 QAM-16 QAM-64 Reti di Calcolatori Andrea Frosini

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 Reti di Calcolatori Andrea Frosini

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 Reti di Calcolatori Andrea Frosini

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) Reti di Calcolatori Andrea Frosini

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 Reti di Calcolatori Andrea Frosini

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 Reti di Calcolatori Andrea Frosini

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 Reti di Calcolatori Andrea Frosini

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 Reti di Calcolatori Andrea Frosini

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) Reti di Calcolatori Andrea Frosini

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 Reti di Calcolatori Andrea Frosini

SONET/SDH I E’ uno standard mondiale per i trunk basati su fibre ottiche E’ stato introdotto nel 1985 E’ chiamato • SONET (Synchronous Optical Network) in America • SDH (Synchronous Digital Hierarchy) in Europa e resto del mondo A parte qualche dettaglio di poco conto, i due standard sono identici Reti di Calcolatori Andrea Frosini

SONET/SDH II Basato su TDM, effettuato byte per byte • è un sistema sincrono: il segnale di clock che governa i flussi è molto preciso (errore 1 su 1 miliardo) • è capace di trasportare dati di trunk T1, T2, . . . ed E1, E2, . . . • l’unità di trasmissione è un blocco di 810 byte emesso ogni 125 µsec anche quando non ci sono dati da inviare (51.84 Mbps) • multiplexando vari canali da 51.84 Mbps si può arrivare a 2 488.32 Mbps Reti di Calcolatori Andrea Frosini

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 Reti di Calcolatori Andrea Frosini

Commutazione – Confronto tra i tre tipi circuit switching message switching packet switching Reti di Calcolatori Andrea Frosini

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: Narrowband ISDN • ADSL (Asymmetrical Digital Subscriber Line) • HFC (Hybrid Fiber Coaxial cable) Reti di Calcolatori Andrea Frosini

Narrowband ISDN Lo scopo primario di N-ISDN (Narrowband Integrated Services Digital Network) è l’integrazione dei servizi fonia e dati E’ un sistema telefonico pienamente digitale con commutazione di circuito Lo standard Narrowband 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 Reti di Calcolatori Andrea Frosini

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 Reti di Calcolatori Andrea Frosini

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) Reti di Calcolatori Andrea Frosini

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) Reti di Calcolatori Andrea Frosini

Esercizi Computare i coefficienti di Fourier per la funzione f(t) = t nell’intervallo [0,1]. Un canale senza rumore a 4000 Hz è campionato ogni millisecondo. Qual è il massimo data rate ottenibile? I canali televisivi hanno larghezza di banda di 6 MHz. Quanti bit/sec possono essere inviati se viene utilizzato un segnale digitale a 4 stati? Si assuma il canale privo di rumore Se un segnale è inviato attraverso un canale con frequenza massima 3000 Hz e rapporto segnale/rumore pari a 20 dB, qual è il massimo data rate ottenibile? Quanta larghezza di banda abbiamo in 0.1 micron di spettro avente lunghezza d’onda di 1 micron? Vogliamo inviare una sequenza video attraverso fibra ottica. Ogni immagine ha dimensione 640x480 pixel, ogni pixel necessita di 24 bits per essere codificato e vogliamo inviare 60 immagini al secondo. Quanta banda è necessaria e quanti micron di lunghezza d’onda per tale banda, se trasmettiamo con frequenza centrale di 1.30 micron? Reti di Calcolatori Andrea Frosini

Esercizi Quanti codici per end office erano necessari prima del 1984, quando ognuno di essi era indicato tramite un numero codice di area a tre cifre e un codice locale anch’esso a tre cifre? I codici di area iniziavano con un numero in 2-9, avevano 0 o 1 in seconda posizione e finivano con 0-9. Le prime due cifre del codice locale erano in 2-9, mentre la terza in 0-9. Un constellation pattern ha punti con coordinate (1,1), (1,-1), (-1,1) e (-1,-1). Quanti bps si possono raggiungere con un modem a 1200 baud? In un constellation pattern tutti i punti giacciono su di una stessa circonferenza. Che tipo di modulazione realizza? Tre reti di tipo packet-switching contengono ciascuna n nodi. La prima rete ha topologia a stella con un nodo centrale, la seconda ha topologia ad anello bi-direzionale, mentre la terza è completamente interconnessa. Determinare i casi pessimo, medio, ottimo nella comunicazione in termini di salti tra nodi? In una rete per cellulari a celle esagonali, è vietato utilizzare la stessa banda in celle adiacenti. Se sono utilizzabili 840 frequenze totali, quante ce ne sono a disposizione per ciascuna cella? Reti di Calcolatori Andrea Frosini