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Il sistema telefonico e le reti

di calcolatori

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Il sistema telefonico – Schema I

centrale di commutazione

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local loop

trunks

centrali di commutazione

Il sistema telefonico –Schema II

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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 local loop

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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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• 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

Trasmissione di dati fonia

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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.

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La seguente tabella esemplifica le differenze nella trasmissione dei dati

Il sistema telefonico

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

Data rate Tasso d’errore

Cavo tra due computer 107 – 108 bps 1 su 1012 - 1013

Linea telefonica 104 – 105 bps 1 su 105

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digitale analogico digitale digitale digitaleanalogico

modem modemcodec codec

area di commutazione

Trasmissione di dati - Schema

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Le modulazioni usate per modem a 2400 baud

standard date rate (bps) bit/campionamento valori diversi

2400 1 2

QPSK 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

Nel V.32 e V.32 bis il bit in aggiunta serve per la correzione d’errore

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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

Modem a 56 kbps

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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)

Comunicazione bi-direzionale

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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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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 I

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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

Frequency Division Multiplexing II

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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

Time Division Multiplexing

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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 aturno 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

T2 4 canali T1 6312

T3 7 canali T2 44 736

T4 6 canali T3 274 176

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

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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

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Commutazione – Confronto tra i tre tipi

circuit switching message switching packet switching

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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)

Servizi per trasmissioni di dati

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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

ISDN

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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 I

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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)

ADSL II

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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)