Capitolo 1 Introduzione ai Sistemi di Telecomunicazione...
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1 Capitolo 1 Introduzione ai Sistemi di Telecomunicazione (TLC) e alle Reti di computer
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Capitolo 1 Introduzione ai Sistemi di
Telecomunicazione (TLC) e alle Reti di computer
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Introduzione ai Sistemi di TLC e alle Reti di Computer
Obiettivo: terminologia visione d’insieme, dettagli nel seguito del corso approccio:
o Internet come esempio Sommario: che cos’è Internet? che cos’è un protocollo? Come è organizzata una rete di TLC Strati di protocollo, modelli di servizio Organi di Standardizzazione
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Che cosa è un Sistema di TLC (1/3) Un Sistema di TLC è costituito da un insieme di
nodi (elaboratori di dati) e di collegamenti (canali di interconnessione tra nodi) che consentono ad una (o più) entità Sorgenti di inviare dati (informazioni) ad una (o più) entità Destinazioni
Le entità Sorgenti e Destinazioni sono chiamate nodi terminali (end-systems oppure hosts) del Sistema. Tutti gli altri nodi del sistema sono chiamati nodi di commutazione (switching nodes)
L’interconnessione dei nodi mediante i collegamenti costituisce, nel suo complesso, la Rete di TLC
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Che cosa è un Sistema di TLC (2/3)
Un Sistema di TLC ha lo scopo di consentire il trasferimento di dati (informazioni) tra i nodi Sorgente e quelli Destinazione.
L’informazione generata dalle sorgenti viene trasferita alle Destinazioni sotto forma di Segnali. Quindi, il segnale è l’entità fisica che trasporta informazione dalle Sorgenti alle Destinazioni.
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Che cosa è un Sistema di TLC (3/3)
L’insieme di apparati e connessioni (canali) che permettono a due o più utenti di scambiarsi tra di loro informazioni.
Utente A Utente
B
CANALE
CANALE CANALE
NODO NODO
NODO
Rete di Accesso
Rete di Trasporto
Rete di Accesso
Rete TLC
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Sistemi di TLC cablati (wired) Sistemi di TLC wired (su filo o cablati): Rete telefonica (commutata: PSTN, Public Switched
Teleph. Network) Rete ISDN (Integrated System Data Network) Reti a larga banda (“core” networks) Reti locali (LAN, Local Area Networks)
Accesso wired alla linea telefonica: Doppino modem audio, ISDN, ADSL, HDSL, VDSL Fibra ottica Sistemi su linee di potenza: Power Line Carrier (PLC)
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Sistemi di TLC “radio” (wireless) Sistemi di TLC wireless (senza filo, via radio): Broadcasting radio/televisione Cordless digitale (DECT), cordless analogico Reti cellulari terrestri: TACS, GSM, GPRS, UMTS
e satellitari Reti locali senza fili (WLAN, Wireless LAN):
Bluetooth, IEEE802.11, Hiperlan Reti Satellitari
Accesso wireless alla linea telefonica: Wireless Local Loop (WLL) Internet satellitare (con ritorno via telefono o via
satellite)
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Rete telefonica pubblica di tipo commutato
Mezzi trasmissivi: doppino telefonico, fibra ottica, etere (ponti radio)
commutatore Rete di Trasporto
Rete di Accesso
Rete di Accesso
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Reti cablate in area locale (wired LAN)
PSTN
Mezzi trasmissivi: cavo coassiale, doppino, fibra ottica Rete Locale “WIRED”
Rete di Accesso
Rete di Trasporto
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Broadcasting terrestre
Mezzo trasmissivo: etere (collegamenti radio) Esempi: Servizi di Radio e Televisione- Televisione Diditale Terrestre (DVBT)
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Broadcasting satellitare
Mezzo trasmissivo: etere (collegamenti radio) Esempi: Televisione satellitare (analogica o digitale): SKY e simili
Utenti
Satellite
Trasmettitori
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Reti cellulari terrestri
Utente cellulare
Stazione base
Mezzo trasmissivo: etere (collegamenti radio) Esempi: TACS, GSM, UMTS,… (Reti cellulari terrestri) Iridium, Globalstar (reti cellulari satellitari)
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Reti locali senza fili (WLAN)
Mezzo trasmissivo: etere (collegamenti radio)
Modalità “SRUTTURATA” Modalità “AD HOC”
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Internet
PSTN Internet PSTN
Rete di Trasporto
Rete di Accesso
Rete di Accesso
Rete telefonica pubblica
Rete telefonica pubblica
Mezzi trasmissivi: doppino telefonico, fibra ottica
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Che cosa è Internet Generalmente parlando, Internet è una particolare
Rete di TLC i cui nodi terminali (Sorgenti e Destinazioni) sono Computer, ossia sistemi in grado di elaborare dati
Internet è costituita da un (grande) insieme di sotto-reti opportunamente interconnesse fra di loro
Possiamo definire che cosa è Internet adottando due punti di vista tra di loro complementari, e cioè:
o descrivendo e de finendo gli elementi (hardware e software) che compongono Internet;
o descrivendo e definendo i servizi che Internet fornisce agli utenti che si collegano ad essa.
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Che cosa è Internet- Elementi costitutivi (1/4)
Home network
Institutional network
Mobile network
Global ISP
Regional ISP
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Che cosa è Internet- Elementi costitutivi (2/4)
I Sistemi Terminali sono connessi indirettamente attraverso nodi di indirizzamento (instradamento dell’informazione) detti Commutatori di pacchetto (packet switches)
A seconda del tipo di elaborazione svolto, i commutatori di pacchetto si suddividono in Router e Bridge
La sequenza ordinata di canali e commutatori di pacchetto che connette una (assegnata) sorgente S ad una assegnata destinazione D è detta rotta tra S e D (o path tra S e D)
I Sistemi terminali accedono ad Internet mediante sotto-reti di accesso note come Internet Service Providers (ISPs)
Ciascun ISP è essa stessa costituita dalla (opportuna) interconnessone di canali e commutatori di pacchetto
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Che cosa è Internet- Elementi costitutivi (3/4)
Per poter scambiare dati tra di loro, i nodi (Sistemi Terminali e Commutatori di pacchetto) di Internet eseguono programmi noti come protocolli di Comunicazione
Il Transmission Control Protocol (TCP) e l’Internet Protocol (IP) sono i protocolli di base che regolano il funzionamento di Internet
Gruppi di utenti che accedono ad Internet possono, a loro volta, essere organizzati in sotto-reti: queste ultime costituiscono le cosiddette Intranets.
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Che cosa è Internet- Elementi costitutivi (4/4)
Protocolli di controllo per l’invio e la ricezione di messaggi
o TCP, IP, HTTP, Skype, Ethernet
Internet: “rete di reti” o Gerarchia di reti o Internet pubblico contro
intranet private
Home network
Institutional network
Mobile network
Global ISP
Regional ISP
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Che cosa è Internet- Servizi (1/3)
Per definizione, Internet è una infrastruttura (piattaforma tecnologica) che fornisce servizi di comunicazione (ossia, permette di scambiare dati) alle applicazioni che sono eseguite dagli Utenti Terminali.
Poiché i sistemi terminali non sono (in genere) direttamente connessi tra di loro, le applicazioni da esse eseguite e che si devono scambiare informazioni si dicono di tipo distribuito.
Esempi di applicazioni eseguite da Utenti Terminali che comunicano tra di loro includono:
o Web surfing, instant messaging, audio/video streaming, VoIP, e-mail
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Che cosa è Internet- Servizi (2/3)
L’applicazione eseguita da un Sistema Terminale accede (invia i dati) ad Internet in accordo ad un programma (protocollo) noto come Application Programming Interface (API)
L’API specifica l’insieme di regole (ossia, il protocollo) che l’applicazione deve seguire (rispettare) affinché Interet trasporti alla destinazione desiderata i dati generati dall’applicazione.
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Che cosa è Internet- Servizi (3/3)
Internet fornisce due tipi di servizi di base alle sue applicazioni:
i. un servizio affidabile orientato alla connessione ii. un servizio non affidabile privo di connessione
Informalmente, i. il servizio affidabile orientato alla connessione garantisce
che i dati trasmessi dall’applicazione-sorgente saranno ricevuti dall’applicazione-destinazione senza errori e nell’ordine corretto;
ii. il servizio non affidabile privo di connessione non garantisce né la correttezza (assenza di errori) né il corretto ordinamento dei dati trasferiti alla destinazione.
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Che cosa è un protocollo
Informalmente, un protocollo è un insieme di regole e di azioni che due applicazioni che vogliono comunicare debbono applicare e seguire per poter scambiarsi i dati.
Il protocollo specifica: i. i messeggi che le applicazioni comunicanti
debbono scambiarsi; ii. le azioni che esse debbono intraprendere in
risposta ai messaggi ricevuti per poter scambarsi correttamente i dati.
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Che cosa è un protocollo- Alcuni esempi (1/2)
Protocolli umani: “Ho una domanda” “Che ora è?” Accordo tra le parti … inviati messaggi specifici … intraprese azioni specifiche quando i messaggi sono
ricevuti, o altri eventi Protocolli di rete: macchine invece di umani tutte le attività della comunicazione in Internet sono
governate da protocolli
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Che cosa è un protocollo- Alcuni esempi (2/2)
Un protocollo umano e un protocollo in una rete di computer
Protocollo tra umani
Hi
Hi Got the time? 2:00
TCP connection request TCP connection response Get http://www.awl.com/kurose-ross
<file> time
Protocollo tra computer
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Che cosa è un protocollo- Definizione formale
Formalmente, un protocollo definisce il formato (ossia, la struttura) e l’ordine dei messaggi scambiati tra due applicazioni comunicanti, unitamente alle azioni che le applicazioni comunicanti debbono intraprendere in funzione dei messaggi trasmessi e/o ricevuti
In Internet, differenti protocolli sono usati per permettere la corretta esecuzione di applicazioni differenti. Ad esempio, il protocollo che regola l’accesso al Web non è uguale a quello che permette l’invio/ricezione di e-mail.
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Modi di Servizio Supponiamo che una applicazione A richieda un
servizio (ad esempio, l’invio di dati) ad una applicazione B. Il servizio richiesto può essere erogato con o senza una intesa preliminare (handshaking) tra le due applicazioni coinvolte:
i. nel caso in cui l’intesa (handshaking) sussista, il servizio si dice orientato alla connessione (connection-oriented)
ii. nel caso in cui l’intesa (handshaking) non sussista, il servizio si dice privo di connessione (connection- less). In questo caso, lo scambio di dati tra le due applicazioni avviene senza che vi sia stato un prevetivo accordo (handshaking) tra le parti.
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Modi di Servizio – Servizio con connessione
Un servizio con connessione è caratterizzato da: i. una fase di accordo preventivo (handshaking)
tra le applicazioni coinvolte; ii. una negoziazione dei parametri di sistema (ad
esempio, la velocità di trasferimento) coinvolti nel trasferimento;
iii. una strutturazione in tre fasi temporali (instaurazione della connessione, trasferimento dei dati, abbattimento della connessione);
iv. un indirizzamento basato su identicatori di connessione;
v. una numerazine progressiva dei dati d’informazione scambiati.
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Modi di Servizio – Servizio privo di Connessione
Un servizio privo di connessione è caratterizzato da: i. la mancanza di un accordo preventivo (handshaking)
tra le applicazioni coinvolte; ii. un’assenza di negoziazione preventiva dei parametri di
sistema coinvolti nel trasferimento dei dati; iii. una strutturazione in un’unica fase temporale (mancano
le fasi di instaurazione e di abbattimento della connessione);
iv. un indirizzamento basato sugli indirizzi delle applicazioni coinvolte nella comunicazione;
v. indipendenza e autoconsistenza dei singoli dati scambiati.
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Componenti di un Modo di Trasferimento (1/2)
Supponiamo di avere due applicazioni che vogliono scambiarsi dati attraverso una rete di TLC interposta tra di loro.
Generalmente parlando, per Modo di Trasferimento si intendono le modalità (strategie) adottate dalla rete per permettere lo scambio di dati tra le due applicazioni.
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Componenti di un Modo di Trasferimento (2/2)
Un Modo di Trasferimento è individuato quando sono specificate le tre seguenti componenti:
i. la tecnica di multiplazione adottata dalla rete; ii. la tecnica di commutazione adottata dalla rete; iii. l’architettura protocollare della rete.
I due Modi di Trasferimento di maggiore rilevanza sono:
i. il Modo di Trasferimento “a circuito” ii. il Modo di Trasferiento “a pacchetto”
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La Multiplazione - Generalità Lo schema di Multiplazione definisce le
modalità secondo cui i dati generati da più applicazioni distinte possono essere trasmesse ordinatamente attraverso uno stesso canale presente nella rete di TLC.
Ovvero, lo schema di Multiplazione definisce la modalità secondo cui più flussi informativi generati da applicazioni distinte condividono le risorse di trasmissione (banda e tempo) messe a disposizione da ciascun singolo canale costituente la Rete di TLC.
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La Multiplazione - Classificazione Le tecniche di Multiplazione possono essere di tipo
Statico oppure Dinamico Nelle tecniche di multiplazione Statiche:
i. ogni canale è suddiviso in più sotto-canali; ii. un singolo sotto-canale è assegnato alla applicazione
che ne fa richiesta all’inizio del processo di comunicazione;
iii. l‘assegnazione del sotto-canale è mantenuta per tutta la durata della comunicazione
Nelle tecniche di multiplazione Dinamiche, la capacità trasmissiva (banda, tempo) globale di ciascun canale è trattata come una risorsa singola (ossia, indivisibile), alla quale le applicazioni richiedenti possono accedere su richiesta e nel rispetto di una opportuna procedura di assegnazione (procedure di controllo).
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La Multiplazione - Esempi
Fanno parte delle tecniche di multiplazione Statiche:
i. La multiplazione a divisione di freqenza (Frequency Division Multiplexing: FDM);
ii. La multiplazione a divisione di tempo (Time Division Multiplexing: TDM).
Fa parte delle tecniche di multiplazione dinamiche:
i. La multiplazione statistica (Statistical Multiplexing).
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La Multiplazione a Divisione di frequenza (FDM)
La banda C (Hz) di ciascun canale è suddivisa in sottobande non sovrapponentisi di largezza ciascuna pari a C/n (Hz).
A ciascuna applicazione che lo richieda, è assegnato un sotto-canale di larghezza di banda C/n (Hz) per tutta la durata della comunicazione.
Frequenza (Hz)
Tempo (sec) Sottocanale 1 Sottocanale 2
Sottocanale n
C/n
C/n
C/n
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La Multiplazione a Divisione di tempo (TDM)
L’asse dei Tempi è suddiviso in intervalli detti Frame. La durata di un frame è indicata con TF (sec)
Ciascun frame è, a sua volta, suddiviso in n ≥ 2 sotto-intervalli chiamati “slot”. La durata TS (sec) di uno slot è pari a TS=TF/n.
A ciascuna applicazione che lo richiede, il canale dedica uno slot in ogni frame per la trasmissione dei corrispondenti dati.
Tempo (sec)
Frequenza (Hz)
S L O T
1
S L O T
2
S L O T
n
S L O T
1
S L O T
2
S L O T
n
Frame 1 Frame 2
TF
TS
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FDM e TDM
FDM
Frequenza (Hz)
Tempo (sec) TDM
Frequenza (Hz)
Tempo (sec)
4 utenti Esempio:
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La Multiplazione Statistica (SM) (1/2)
Nella Multiplazione Statistica, ciascun canale della rete è preceduto da almeno un buffer di memorizzazione
I dati (pacchetti) generati da più applicazioni e che debbono essere trasmessi attraverso un nodo o su un canale, vengono temporaneamente posti in coda nel buffer e, poi, vengono immesse (trasmessi) uno alla volta nel canale.
Quindi, di volta in volta, l’intera capacità trasmissiva C del canale è messa a disposizione del pacchetto che è trasmesso in quel momento.
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La Multiplazione Statistica (SM) (2/2)
La sequenza di pacchetti A & B non ha una struttura (pattern) fissata; la banda è condivisa su base richiesta (on demand) Multiplazione Statistica.
A
B
C 100 Mb/s Ethernet
1.5 Mb/s
D E
Multiplazione Statistica
coda di pacchetti in attesa del canale di
uscita
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La Commutazione – Generalità (1/2)
Consideriamo un nodo di rete che abbia m ≥ 1 canali in ingresso e n ≥ 1 canali in uscita.
NODO
1
2
m
1
2
n
Canali di ingresso Canali di uscita
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La Commutazione – Generalità (2/2)
La commutazione definisce il modo (la strategia) secondo cui i dati provenienti da ciascun specifico canale di ingresso al nodo sono trasferiti ad uno specifico canale di uscita del nodo.
Lo scopo della commutazione è quello di trasferire (inoltrare) i dati provenienti da ciascun canale di ingresso al nodo verso uno specifico canale d’uscita, in modo che il dato trasferito possa procedere verso la destinazione finale.
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La Commutazione – Funzioni Componenti
L’operazione di commutazione è attuata per mezzo delle due funzioni di:
i. Inoltro E’ la funzione decisionale, che ha lo scopo di stabilire il canale di uscita verso cui deve essere inoltrato il dato informativo che proviene da uno specifico canale di ingresso
iii. Attraversamento È la funzione attuativa, che ha lo scopo di trasferire il dato dal canale di ingresso allo specifico canale di uscita.
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La Commutazione – Nodi di Commutazione
In generale, indicheremo come nodo di commutazione un qualsiasi nodo di rete che realizzi l’operazione di commutazione.
A secondo delle modalità con cui l’operazione di commutazione è effettuata, i nodi di commutazione si suddividono in:
i. Router ii. Bridge
Router Bridge
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Modo di trasferimento “a Circuito” (1/3)
Una rete che utilizza il modo di trasferimento “a circuito” mette a disposizione di ciascuna coppia di applicazioni comunicanti un circuito fisico che rimane ad esse dedicato per tutta la durata della comunicazione.
1
2 A
E
B C
D Applicazione
Sorgente
Applicazione Destinazione
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Modo di trasferimento “a Circuito” (2/3)
Un circuito è un canale trasmissivo tra l’applicazione sorgente e l’applicazione destinazione di capacità (bit/sec) sufficiente per il trasferiemtno dei dati tra le due applicazioni.
Un circuito è costituito da una sequenza ordinata di sotto-canali, in cui ciascun sotto-canale è implementato attuando una tecnica di multiplazione di tipo statico (TDM o FDM).
La capacità di ciascun sotto-canale costituente il circuito è assegnata individualmente alla coppia di applicazioni Sorgente-Destinazione che desiderano comunicare.
Il circuito rimane permanentemente assegnato alle applicazioni richiedenti per tutta la durata della connessione.
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Modo di trasferimento “a Circuito” (3/3)
Il modo di trasferimento “a Circuito” offre un servizio di trasferimento con una strategia di Multiplazione di tipo “Statico”.
In ogni connessione, possono essere distinte le tre fasi caratteristiche di un servizio con connessione, e cioè:
i. Fase di INSTAURAZIONE della connessione; ii. Fase di TRASFERIMENTO dei dati; iii. Fase di ABBATTIMENTO della connessione.
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Modo di Trasferimento “a Pacchetto” (1/2)
Servizio di rete: o con o senza connessione
Multiplazione: o statistica
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Modo di Trasferimento “a Pacchetto” (2/2)
Le unità di dati trasferite in rete sono detti PACCHETTI e sono composte da: i. un’intestazione (header) contenente informazioni di
controllo della comunicazione ed avente una lunghezza fissa (Lh)
ii. un campo informativo (payload) avente lunghezza variabile (Li) e contenente le informazioni (dati) da trasferire
Intestazione Campo informativo
Lh Li
( header ) ( payload )
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Modo di Trasferimento “a Pacchetto” – Multiplazione
Statistica A
B
C CC bit/s
CB bit/s
CA bit/s
MUX M
UX
CM bit/s
CM>CA+CB+CC β
α
A1 A2
B1 B2
C1 C2
A1 B1 C1 A2 C2
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Modo do Trasferimento “a Pacchetto”- Code ai nodi di
commutazione. Un nodo a commutazione di pacchetto esegue la funzione di
commutazione in accordo alla tecnica dell’accodamento.
Due componenti del ritardo di commutazione: i. FISSA, composta dai tempi di elaborazione e di propagazione ii. VARIABILE, composta dal tempo di memorizzazione in uscita
(tempi di coda)
1
2
Linee di ingresso
Linee di uscita Buffer di
ingresso Buffer di
uscita
3
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Confronto tra Commutazione di Pacchetto e Commutazione di
Circuito (1/2) Confrontiamo i pro e i contro delle due
tecniche di commutazione menzionate o La commutazione di pacchetto si basa sulla
multiplazione statistica; quindi, sin tanto che ci sono pacchetti che aspettano di essere trasmessi in coda ad un nodo di rete, il canale in uscita al nodo è sempre utilizzato
o Per contro, la commutazione di pacchetto genera code ai nodi di commutazione. Le code introducono ritardi (variabili e spesso elevati) nel trasferimento dei dati attraverso la rete.
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Confronto tra Commutazione di Pacchetto e Commutazione di
Circuito (2/2) o La commutazione di circuito si basa su
tecniche di multiplazione di tipo statiche (TDM o FDM). Quindi, non si generano mai code ai nodi di una rete a commutazione di circuito e non si hanno ritardi di coda.
o Per contro, può accadere che il circuito assegnato ad una particolare coppia Sorgente-Destinazione possa rimanere inutilizzato per più o meno lunghi periodi di tempo durante la durata della connessione.
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Modo di Trasferimento a pacchetto-Classificazione
Le Reti con modo di Trasferimento a pacchetto sono anche dette “Reti a Commutazione di Pacchetto” (Packet Switching Networks).
Le Reti a Commutazione di Pacchetto possono offrire servizi “orientati alla connessione” oppure servizi “privi di connessione”.
Le Reti a Commutazione di Pacchetto con servizio privo di connessione sono dette Reti a Datagramma.
Le Reti a Commutazione di Pacchetto con servizio orientato alla connessione sono dette Reti a Circuito Virtuale.
Le Reti a Datagramma differiscono dalle reti a Circuito Virtuale nella modalità (strategia) impiegata per indirizzare un pacchetto.
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Tassonomia e Classificazione delle Reti di TLC sulla base del Modo di
Trasferimento adottato Reti di TLC
Reti a Commutazione di
Circuito
Reti a Commutazione di
Pacchetto
Reti TDM
Reti a Circuito Virtuale
Reti FDM
Reti a Datagramma
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Modo di Trasferimento “a Pacchetto”- Reti a Datagramma
In una rete a commutazione di pacchetto con servizio di trasferimento di tipo a Datagramma, il trasferimento dei pacchetti avviene senza accertare preventivamente la disponibilità dell’applicazione chiamata (applicazione di destinazione) all’effettuazione dello scambio informativo.
Non esistono le fasi di instaurazione e di abbattimento della connessione ed ogni pacchetto è gestito dalla rete indipendentemente dagli altri, anche se fanno parte dello stesso flusso: applicazione sorgenteapplicazione destinazione.
L’indirizzamento adottato, nelle reti a Datagramma, consiste nell’indicare su ogni pacchetto l’indirizzo del programma Sorgente e l’indirizzo del programma Destinazione.
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Modo di Trasferimento “a Pacchetto”- Circuito Virtuale (1/2)
In una rete a commutazione di pacchetto a Circuito Virtuale, il servizio di trasferimento dei pacchetti è orientato alla connessione.
Esistono quindi, oltre alla fase di trasferimento dei dati, anche le fasi di instaurazione ed abbattimento del Circuito Virtuale.
Durante la fase di instaurazione viene: i. indicato il cammino fisico che i pacchetti seguiranno in rete
(funzione di instradamento); ii. accertata la possibilità di instaurare la connessione
(funzione di controllo di accettazione di chiamata); iii. effettuata un’assegnazione delle risorse di rete; iv. assegnati opportuni identificatori della connessione che
saranno trasportati da tutti i pacchetti appartenenti alla connessione stessa
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Modo di Trasferimento “a Pacchetto”- Circuito Virtuale (2/2)
Un Circuito Virtuale (Virtual Circuit-VC) differisce da un circuito fisico (quale quelli attuati nelle Reti a Commutazione di Circuito) in quanto più Circuiti Virtuali distinti possono condividere uno stesso circuito fisico.
Le Reti a Pacchetto a Circuito Virtuale adottano ancora la multiplazione Statistica ai nodi di rete. Quindi, i nodi di rete possono presentare code, e i pacchetti trasferiti sono soggetti a ritardi di coda.
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Reti a Datagramma e Reti a Circuito Virtuale- Confronto
Nelle Reti a Circuito Virtuale, tutti i pacchetti assegnati ad uno stesso Circuito Virtuale seguono una medesima rotta (path) per essere trasferiti dalla Sorgente alla Destinazione. Una stessa rotta può essere, però, condivisa (usata) da più Circuiti Virtuali.
Nelle Reti a Datagramma, ciascun nodo di rete instrada un pacchetto solo sulla base degli indirizzi di Sorgente e di Destinazione specificati nell’intestazione del pacchetto. Ciò implica che pacchetti con gli stessi indirizzi Sorgente-Destinazione possono essere trasferiti dalla Sorgente alla Destinazione seguendo rotte diverse.
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Modo di Trasferimento “a Pacchetto”- Datagramma vs
Circuito Virtuale
A E
B C
D
U
U
U
Datagramma
A E
B C
D
U
Circuito Virtuale
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Configurazione Generale della Rete Internet
Passiamo ad esaminare un po’ più da vicino la configurazione della Rete Internet. La Rete Internet è essenzialmente composta da tre parti (sezioni) principali :
i. La periferia della Rete (Network Edge)- E’ costituita dai Sistemi Terminali (End System o Hosts) che vogliono interconnetersi tramite la rete stessa.
ii. La Rete di Accesso (Access Network)- E’ costituita dai canali fisici (doppini telefonici, cavi coassiali, fibra ottica etc) che collegano ciascun Sistema Terminale al proprio Router d’Ingresso (Edge Router), che è il primo nodo di commutazione tra il Sistema Terminale e la Rete Internet.
iii. La rete di Trasporto (Core Network)- E’ costituita dai nodi di commutazione (Router e/o Bridge) e dai canali fisici che interconnettono tra di loro i Router d’Ingresso (Edge Router).
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La struttura della rete: Network Edge
(Periferia della Rete): applicazioni e nodi terminali
Rete d’accesso, canali fisici: collegamenti di comunicazione wired (cablati), wireless (senza fili)
Network core (Cuore della Rete):
o Router interconnessi o Rete di reti
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Periferia della Rete (Network Edge) (1/2)
Sistemi terminali (hosts): o Programmi applicativi o Esempio: Web, email
Modello client / server o Le richieste dei sistemi
terminali (clienti) vengono soddisfatte da server sempre attivi (always-on)
o Esempio: Web browser / server; email client / server
Modello peer-to-peer: o Minimo (o nullo) impiego di
server dedicati o Esempio: Skype, BitTorrent
client/server
peer-to-peer
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Periferia della Rete (Network Edge) (2/2)
Due applicazioni eseguite da due Sistemi Terminali non direttamente collegati comunicano tra di loro mediante una connessione.
Informalmente, una connessione è costituita da una o più sequenze ordinate di canali e nodi di commutazione che Internet mette a disposizione delle applicazioni (programmi) che vogliono scambiarsi dati.
In generale, due applicazioni che vogliono scambiarsi dati possono farlo in accordo all’uno o l’altro dei due seguenti modelli di interazione :
i. Il modello cliente/servente (client/server Model) ii. Il modello pari-a-pari (peer-to-peer Model)
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Periferia della Rete: Modello Cliente/Servente
Per definizione, il modello cliente/servente prevede che una applicazione (programma) cliente eseguita da un sistema terminale richieda e riceva un servizio (delle informazioni o/e dei dati) da una applicazione servente che è eseguita da un altro sistema terminale.
Poiché il programma cliente e il programma servente sono eseguiti da sistemi terminali distinti, le applicazioni cliente-servente sono, per definizione, esempi di applicazioni distribuite.
I programmi cliente e servente si scambiano dati mediante la connessione messa a disposizione da Internet.
Esempi di applicazioni cliente-servente: Web, e-mail, Trasferimento di Files (FTP)
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Periferia della Rete: Modello Peer-to-Peer (P2P)
Per definizione, il modello di interazione Peer-to-Peer (P2P) prevede che le due applicazioni comunicanti ricoprano, a turno, il ruolo di programma servente e quello di programma cliente.
Esempi di applicazioni P2P: i. Condivisione di Files (Limewire, eDokey, Kazaa); ii. Telefonia via Internet (VoIP).
Anche le applicazioni P2P sono di tipo distribuito.
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La Rete di accesso e i canali fisici- Classificazione
Come detto, la Rete di Accesso è costituita dai canali fisici che collegano ciascun sistema terminale al proprio Edge Router (primo nodo di commutazione)
A seconda del tipo di canale fisico impiegato per il collegamento, le Reti di Accesso si suddividono in:
i. Reti di Accesso Cablate – i canali fisici sono costituiti da mezzi trasmissivi cablati, quali il doppino telefonico, la fibra ottica, il cavo coassiale;
ii. Reti di Accesso Radio – i canali fisici sono costituiti da porzioni dello spettro radio (WiFi, Wimax, Wireless LANs, Collegamenti Satellitari).
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Utenza della Reti di Accesso Chi accede ad Internet? reti di accesso
residenziali reti di accesso
istituzionali (scuole, compagnie)
reti di accesso mobili
Importante: banda (bit al secondo)
delle reti di accesso
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Reti d’Accesso residenziali- Accesso punto-punto
Come accede ad Internet un utente residenziale?
Dialup via modem o fino a 56Kbps per l’accesso diretto
al router (spesso meno) o Impossibilità di navigare e
telefonare allo stesso tempo: no “always on”
DSL: digital subscriber line o compagnia telefonica (tipicamente) o fino a 1 Mbps in upstream (oggi tipicamente < 256 kbps) o fino a 8 Mbps in downstream (oggi tipicamente < 1 Mbps)
Edge Router
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Accesso ad Internet di compagnie- Reti in Area locale Come accedono ad Internet le compagnie?
Reti in area locale (Local Area Network) (LAN): connettono sistemi terminali agli edge router
Ethernet: o 10 Mbs, 100Mbps, 1Gbps,
10Gbps Ethernet o configurazione: sistemi
terminali connessi ai commutatori Ethernet
Internet
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Reti di Accesso Radio Reti di accesso radio condivise
connettono i sistemi terminali ai router
o attraverso base station “access point” (stazioni base)
wireless LANs: o 802.11b/g (WiFi): 11 o 54 Mbps
accesso wireless a più ampia copertura
o fornito dall’ operatore telco o ~1Mbps su sistemi cellulari o (EVDO, HSDPA) o fino a: WiMAX (10 Mbps) su
ampio raggio
base station
mobile hosts
Edge router
Internet
71
I canali fisici della Rete di Accesso
Bit: trasferiti tra le coppie trasmettitore/ricevitore.
Collegamento fisico: quello che sta tra il trasmettitore e il ricevitore.
mezzi guidati (cablati): o segnali propagati in mezzi solidi: doppino,
cavo, fibra. mezzi non guidati (radio):
o segnali propagati liberamente
72
Capacità dei Canali Fisici In generale, i canali fisici che costituiscono
Internet trasportano dati sotto forma di sequenza di simboli binari (sequenza di bit).
Per definizione, la capacità C di un canale fisico è il numero massimo di bit che il canale può trasferire nell’intervallo temporale di 1 sec.
La capacità C di un canale fisico può equivalentemente misurarsi in:
i. bit/sec ii. Hz
Ogni canale fisico ha una sua propria capacità C non nulla. I canali “migliori” sono quelli con più alto valore di C.
73
Mezzi Fisici: cavo (1/2) Cavo coassiale:
due conduttori concentrici di rame bidirezionale
74
Mezzi Fisici: fibra (2/2)
Fibra ottica fibra di vetro che trasporta impulsi luminosi; ciascun
impulso un bit operano ad alta velocità:
o trasmissioni punto-punto ad alta velocità (e.g., 10-100 Gb/sec).
basso tasso d’errore: ripetitori molto spaziati l’uno dall’altro; immune al rumore elettromagnetico
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Mezzi Fisici: radio Segnale trasportato da onde elettromagnetiche Nessuna “guida” fisica Bidirezionale
Tipologie di collegamento radio: microonde terrestri
o fino a 45 Mb/sec LAN (e.g., Wifi)
o 11Mb/s, 54 Mb/s wide-area (cellulari)
o cellulare 3G: ~ 1 Mb/s
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La Rete di Trasporto di Internet (Core Network) (1/2)
77
La Rete di Trasporto di Internet (Core Network) (2/2)
Come detto, la Rete di Trasporto di Internet è costituita dai Nodi di Commutazione (router) e dai canali fisici che interconnettono tra di loro gli Edge Router.
La Rete Internet offre due tipi di servizi alle applicazioni eseguite dai sistemi terminali:
i. Servizio orientato alla connessione e affidabile; ii. Servizio non orientato alla connessione e non
affidabile. La Rete Internet è
i. una rete a commutazione di pacchetto; ii. che impiega il modo di Trasferimento a Datagramma.
La multiplazione effettuata dai router presenti nella Rete di Trasporto di Internet è statistica. Quindi, il trasferimento di pacchetti attraverso Internet è soggetto a Ritardi di Coda.
78
La Struttura di Internet- Una rete di reti (1/5)
La Core Network di Internet è organizzata (strutturata) in sotto-reti di varia dimensione che sono interconnesse tra di loro.
Ciò significa che la Rete Internet è, in realtà, una rete di reti interconnesse.
Le reti che costituiscono Internet sono organizzate gerarchicamente in Internet Service Providers (ISPs) di livello 1, livello2 e livello 3.
ISPs distinte comunicano tra di loro mediante Router. I punti nei quali un ISP si collega con altri ISPs sono detti Punti –di- Presenza ( Point-of-Presence: POP)
79
La Struttura di Internet- Una rete di reti (2/5)
al centro: ISPs di Livello 1 (“Tier 1”) (Verizon, Sprint, AT&T), copertura nazionale/internazionale
L’insieme di Tier 1 ISPs costituisce la così detta “Internet backbone” ( dorsale di Internet)
Tier 1 ISP
Tier 1 ISP
Tier 1 ISP
Providers di Livello 1 interconnessi privatamente
POP POP POP
80
La Struttura di Internet- Una rete di reti (3/5)
“Tier-2” ISPs: più piccoli (spesso regionali) ISPs o Connessi a uno o più Tier-1 ISPs,
eventualmente ad altri Tier-2 ISPs
Tier 1 ISP
Tier 1 ISP
Tier 1 ISP
Tier-2 ISP Tier-2 ISP
Tier-2 ISP Tier-2 ISP Tier-2 ISP
Tier-2 ISP pagano Tier-1 ISP per la connettività al resto di Internet Tier-2 ISP è cliente del provider Tier-1
Tier-2 ISPs sono anche connessi privatamente con altre reti.
POP
POP POP
81
La Struttura di Internet- Una rete di reti (4/5)
“Tier-3” ISPs o ISPs locali (local ISPs) o last hop network (“reti di accesso”) (le più vicine ai sistemi terminali)
Tier 1 ISP
Tier 1 ISP
Tier 1 ISP
Tier-2 ISP Tier-2 ISP
Tier-2 ISP Tier-2 ISP Tier-2 ISP
local ISP local
ISP local ISP
local ISP
local ISP Tier 3
ISP
local ISP
local ISP
local ISP
Tier- 3 ISPs e ISPs locali sono clienti degli ISPs di livello superiore, che li connettono al resto di Internet
POP
POP POP
Baccarelli, Cordeschi, Patriarca, Polli
82
La Struttura di Internet- Una rete di reti (5/5)
un pacchetto passa attraverso molte sotto-reti costituite da differenti ISPs
Tier 1 ISP
Tier 1 ISP
Tier 1 ISP
Tier-2 ISP Tier-2 ISP
Tier-2 ISP Tier-2 ISP Tier-2 ISP
local ISP local
ISP local ISP
local ISP
local ISP Tier 3
ISP
local ISP
local ISP
local ISP
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Organizzazione “a strati” dei protocolli di Rete
Le reti sono complesse Molte componenti:
o Terminali d’utente o Router o Canali di mezzi diversi o Applicazioni o Protocolli o hardware, software
Domanda: C’è una speranza di organizzare la struttura di una
rete? O almeno la nostra discussione sulle reti?
Baccarelli, Cordeschi, Patriarca, Polli
84
Un esempio- Organizzazione di un viaggio in aereo
una serie di servizi/azioni svolti sequenzialmente
biglietto (acquisto)
bagagli (controllo)
gates (carico)
decollo
instradamento
biglietti (reclamo)
bagagli (ritiro)
gates (scarico)
atterraggio
instradamento
instradamento dell’aereo
85
biglietto (acquisto)
bagagli (controllo)
gates (carico)
decollo
instradamento
Partenza Arrivo intermediate air-traffic control centers
Instradamento dell’aereo
biglietto (reclamo)
bagagli (ritiro)
gates (scarico)
atterraggio
instradamento
biglietto
bagagli
gate
Decollo/atterraggio
Instradamento
Organizzazione “a strati” delle funzioni svolte per realizzare un
viaggio in aereo (1/2)
86
Organizzazione “a strati” delle funzioni svolte per realizzare un
viaggio in aereo (2/2) Nella Figura precedente, l’insieme dei servizi
(funzioni) necessarie per effettuare un viaggio in aereo è partizionato (suddiviso) in strati organizzati gerarchicamente.
Lo strato n offre un servizio allo strato (n+1) immediatamente superiore
i. effettuando certe azioni (funzioni) che sono specifiche dello strato n;
ii. avvalendosi del servizio (dati di input) offerto dallo strato (n-1) immediatamente inferiore .
87
Perché organizzare in strati le funzioni svolte dai Protocolli di rete?
Una architettura gerarchica a strati delle funzioni svolte dai vari protocolli di rete permette di esaminare separatamente una parte specifica di un sistema grande e complesso.
Specificatamente, fin tanto che lo strato n fornisce lo stesso servizio allo strato (n+1) immediatamente superiore e usa lo stesso servizio fornitogli dallo strato (n-1) immediatamente inferiore, il resto dell’intero sistema non cambia quando viene (eventualmente) cambiato il modo in ciu lo strato n attua il suo servizio.
La possibilità di cambiare il modo in cui un servizio è attuato da uno strato senza modificare nessuna altra componente del restante sistema costituisce il vantaggio principale dell’organizzazione gerarchica a strati dell’insieme dei protocolli di rete.
88
La stratificazione- Definizione formale (1/2)
Supponiamo che l’insieme J delle funzioni da svolgere per consentire l’attuazione di un processo di comunicazione:
i. sia partizionato in sottoinsiemi funzionali; ii. sia organizzato in modo che questi sottoinsiemi
funzionali operino in un ordine gerarchico. Coerentemente con queste ipotesi, ogni
sottoinsieme è identificato da un numero crescente al crescere del livello gerarchico.
89
La stratificazione- Definizione formale (2/2)
Sotto le precedenti ipotesi, ogni sottoinsieme funzionale dell’architettura a strati:
i. riceve un “servizio” dal sottoinsieme che gli è immediatamente inferiore nell’ordine gerarchico;
ii. arricchisce questo “servizio” con il valore derivante dallo svolgimento delle proprie funzioni;
iii. offre un nuovo “servizio” a valore aggiunto allo strato che gli è immediatamente superiore nell’ordine gerarchico.
90
Definizione di strato nell’organizzazione gerarchica dei
protocolli di una rete di TLC
Mezzi trasmissivi
Sottosistemi omologhi
Sistema A Sistema B
Strato più elevato
Strato di rango N
Strato più basso
Baccarelli, Cordeschi, Patriarca, Polli
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Servizio di “strato” nell’organizzazione gerarchica dei
protocolli di una Rete di TLC Riassumendo, ogni strato di rango N fornisce un servizio allo
strato di rango N+1.
Per questo scopo utilizza il servizio fornito dallo strato di rango N-1.
Arricchisce tale servizio con lo svolgimento di particolari proprie funzioni.
Baccarelli, Cordeschi, Patriarca, Polli
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Modello di architettura protocollare “Open System Interconnection” (Modello
OSI) Strati
Strato di Applicazione
Strato di Trasporto
Strato di Presentazione
Strato di Sessione
Strato di Rete
Strato di Collegamento
Strato Fisico
Fornisce ai processi applicativi i mezzi per accedere ad Internet (è costituito da programmi applicativi quali FTP, HTTP,SMTP).
Risolve problemi di compatibilità sulla rappresentazione dei dati da trasferire e offre servizi di cifratura.
Struttura e sincronizza lo scambio di dati in modo da poterlo sospendere, riprendere e terminare ordinatamente.
Colma le deficienze della qualità di servizio delle connessioni di livello rete. Funz. fondament.: multiplazione e frammentazione.
Instaura, mantiene e abbatte connessioni di rete. Funzioni fondamentali: instradamento e controllo di flusso.
Fronteggia malfunzionamenti del livello fisico (rivelazione e recupero degli errori di trasmissione, controllo di flusso).
Fornisce i mezzi meccanici, fisici, funzionali e procedurali per attivare, mantenere e disattivare le connessioni fisiche.
Mezzi fisici di trasmissione
Servizi offerti
Baccarelli, Cordeschi, Patriarca, Polli
93
Modello di architettura protocollare adottata da Internet (Modello Internet)
Corrisponde a parte dello strato di sessione e agli strati di presentazione e di apllicazione del modello OSI.
Corrisponde allo strato di trasporto e a parte dello strato di sessione del modello OSI. Offre un servizio di trasporto affidabile con connessione (TCP), ovvero un servizio più semplice, senza connessione (UDP).
Consente l’interconnessione delle varie reti componenti con funzionalità che nel modello OSI sono collocate in un sottostrato di rete alto. Fornisce un servizio di trasferimento dati senza connessione (IP).
Include le funzioni che, nel modello OSI, sono comprese negli strati fisico, di collegamento e di rete,quest’ultimo almeno per ciò che riguarda gli aspetti connessi al funzionamento di ogni singola rete componente (sottostrato di rete basso). Il servizio offerto allo strato superiore (Strato Internet) può essere con o senza connessione.
Strati Servizi offerti
Strato Applicativo
Strato di Trasporto
Strato di Rete
Strato di Collegamento
Strato Fisico
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Sorgente
Ht Hn M
segmento Ht
datagramma
Destinazione
Ht Hn Hl M
Router
Bridge
Trasferimento dei Dati nel Modello
Internet messagio M
Ht M
Hn trama
Applicativo Trasporto
Rete Collegamento
Fisico
Collegamento
Collegamento
Collegamento
Fisico
Fisico
Fisico
Rete
Rete
Trasporto
Applicativo
Ht Hn Hl M
Ht Hn Hl M
Ht Hn Hl M
Ht Hn M
Ht Hn M
Ht M
M
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Trasferimento dei Dati nel Modello Internet- Pile protocollari
La Figura precedente mostra il cammino fisico che i pacchetti generati dall’applicazione-sorgente seguono attraverso le pile protocollari per raggiungere l’applicazione-destinazione.
La Figura si presta ad alcune osservazioni: o Similmente ai sistemi terminali, anche i Router e i
Bridge organizzano i loro protocolli in strati. o I Router implementano solo i protocolli di Strato Fisico,
di Collegamento e di Rete. o I Bridge implementano solo i protocolli di Starto Fisico
e di Collegamento. o I terminali d’utente implementano i protocolli di tutti e
5 gli strati del modello Internet.
96
Trasferimento dei Dati nel Modello Internet- Messaggi, Segmenti,
Datagrammi e Trame
Inoltre, i. I pacchetti generati dallo Strato Applicativo
sono chiamati Messaggi ; ii. I pacchetti generati dallo Strato di Trasporto
sono chiamati Segmenti ; iii. I pacchetti generati dallo Strato di Rete sono
chiamati Datagrammi ; iv. I pacchetti generati dallo Strato di Collegamento
sono chiamati Trame (frame)
97
Trasferimento dei Dati nel Modello Internet- Il Principio
dell’ Incapsulamento (1/2) La figura mostra anche che, al lato sorgente, il
pacchetto generato da ciascuno strato n si ottiene aggiungendo un header Hn al pacchetto generato dallo Strato (n+1).
Il contenuto dell’header è specifico dello strato al quale l’header viene aggiunto e contiene informazioni necessarie per svolgere le funzioni proprie dello strato.
Ciò significa che, al lato sorgente, il pacchetto di strato n è ottenuto per incapsulamento del pacchetto di strato (n+1).
98
Trasferimento dei Dati nel Modello Internet- Il Principio
dell’Incapsulamento (2/2) Al lato Destinazione, i pacchetti subiscono la procedura
(reciproca) del De-incapsulamento. Ovvero, i. Lo strato n riceve il pacchetto che gli compete dallo strato
(n-1); ii. Lo strato n elabora il pacchetto; iii. Lo strato n elimina dal pacchetto l’Header specifico dello
strato n; iv. Lo strato n passa la parte rimanente del pacchetto allo
strato (n+1). Se non sono stati introdotti errori nel trasferimento dei dati
del Terminale-Sorgente al Terminale-Destinazione, il messaggio M ricevuto allo strato applicativo del Terminale di Destinazione coincide col messaggio M generato dallo strato applicativo del Terminale Sorgente
99
La Normativa nelle TLC- Organismi Mondiali
International Telecommunication Union (ITU)
International Standard Organization (ISO)
International Electrotechnical Commission (IEC)
Internet Engineering Task Force (IETF)
100
La normativa nelle TLC- L’organismo ITU
È un’agenzia specializzata delle Nazioni Unite, con sede in Ginevra e con il compito di armonizzare tutte le iniziative mondiali e regionali nel settore delle Telecomunicazioni.
Tiene tre tipi di conferenze amministrative tra cui si menziona:
i. WARC (World Administrative Radio Conference). - considera ed approva tutti i cambiamenti alle regolamentazioni sulle radio comunicazioni con particolare riferimento all’uso dello spettro delle frequenze radio.
Dagli inizi degli anni ’90 è organizzato in tre settori: i. Sviluppo ii. Standardizzazione iii. Radiocomunicazioni
101
La normativa nelle TLC- L’organismo ISO
Ente delle Nazioni Unite, creato con l’obiettivo di promuovere lo sviluppo della normativa internazionale per facilitare il commercio di beni e servizi nel mondo.
Relativamente alle Telecomunicazioni e alle aree collegate, opera tramite un comitato tecnico congiunto con l’IEC: Joint Technical Committee on Information Technology (JTC1).
L’ISO-IEC JTC1 è organizzato in Comitati Tecnici (TC), attualmente otre 170, e in Sotto-comitati (SC).
102
La normativa nelle TLC- L’organismo IETF
Coordina l’attività di standardizzazione nell’ambito della rete Internet.
E’ organizzata in Working Group tematici. L’iter di standardizzazione prevede la
produzione di: i. Draft (documenti di lavoro) ii. RFC (standard)
Tutti i documenti IEFT sono disponibili sul sito:
www.ieft.org
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Organizzazione e Struttura del Corso (1/2)
In accordo al Modello protocollare Internet, il corso si articola nelle seguenti parti:
1. Strato Fisico o Segnali analogici e numerici o Elaborazione analogica e numerica dei segnali o Mezzi trasmissivi e canali di comunicazione o Modulazioni analogiche e numeriche o Codifica di canale
2. Strato di collegamento o Accesso multiplo o Reti in Area Locale (LANs)
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Organizzazione e Struttura del Corso (2/2)
4. Strato di Rete o Il protocollo IP o Algoritmi e Protocolli di instradamento
6. Strato di Trasporto – I protocolli TCP e UDP
