Reti di Calcolatori
a.a. 2005/06
Lezione 5
Reti di Calcolatori
Andrea Frosini
1
Nel modello di riferimento:
Application
Transport
Network
Data Link
Fisico
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2
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.
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3
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
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4
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
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5
Il sistema telefonico – Schema I
centrale di
commutazione
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6
Il sistema telefonico –Schema II
centrali di
commutazione
trunks
local
loop
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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!
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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
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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 digitaleanalogico 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
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10
Trasmissione di dati - Schema
area di
commutazione
modem
digitale
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codec
analogico
codec
digitale
digitale
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modem
analogico
digitale
11
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.
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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”
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La modulazione di frequenza
Un gruppo di n bit viene rappresentato con 2n toni (frequenza dell’onda portante).
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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
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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.
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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
-
0-1V
0 1
2400 bps
-
0-1-2-3V
00 01 10 11
4800 bps
0° - 90°
-
0 1
2400 bps
0° - 45° - 90° - 135°
-
00 01 10 11
4800 bps
0° - 45° - 90° - 135°
0-1-2-3V
0000 0001 …
9600 bps
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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
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V.32
QAM-16
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QAM-64
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Le modulazioni usate per modem a 2400 baud
standard
date rate (bps) bit/campionamento valori diversi
2400
1
2
4800
2
4
7200
3
8
QAM-16
9600
4
16
V.32
9600
4+1
16 x 2
QAM-64
14 400
6
64
V.32 bis
14 400
6+1
64 x 2
V.34
28 800
12
4096
V.34 bis
33 600
14
16 384
QPSK
Nel V.32 e V.32 bis il bit in aggiunta serve per la correzione d’errore
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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
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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)
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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
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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
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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
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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
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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)
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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
Carrier Caratteristiche Valocità Mbps
E2
4 canali E1
8848
T2
4 canali T1
6312
E3
4 canali E2
34 304
T3
7 canali T2
44 736
E4
4 canali E3
139 264
T4
6 canali T3
274 176
E5
4 canali E4
565 148
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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
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28
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
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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 sottocanali 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
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30
Commutazione – Confronto tra i tre tipi
circuit switching
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message switching
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packet switching
31
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)
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32
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
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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
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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)
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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)
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Esercizi
1.
Computare i coefficienti di Fourier per la funzione f(t) = t nell’intervallo [0,1].
2.
Un canale senza rumore a 4000 Hz è campionato ogni millisecondo. Qual è il
massimo data rate ottenibile?
3.
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
4.
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?
5.
Quanta larghezza di banda abbiamo in 0.1 micron di spettro avente lunghezza
d’onda di 1 micron?
6.
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?
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37
Esercizi
7.
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.
8.
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?
9.
In un constellation pattern tutti i punti giacciono su di una stessa circonferenza.
Che tipo di modulazione realizza?
10. 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 bidirezionale, mentre la terza è completamente interconnessa. Determinare i casi
pessimo, medio, ottimo nella comunicazione in termini di salti tra nodi?
11. 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?
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