I semestre 04/05

Università degli studi di SalernoLaurea in Informatica

Prof. Vincenzo Aulettaauletta@dia.unisa.it

http://www.dia.unisa.it/professori/auletta/

Tecniche di Commutazione

2

Reti a CommutazioneLa trasmissione di dati al di fuori di una retelocale avviene attraverso nodi intermedi

la sorgente A invia i dati destinati a B ad un nodointermedio CC ritrasmette i dati di A direttamente a B o ad altrinodi intermedi

I nodi intermedi sono detti commutatorisvolgono solo la funzione di trasferimento dei datinon interferiscono con il contenuto dei dati

Un insieme di stazioni interconnesse tramitelinee di comunicazioni e commutatori è dettarete a commutazione

3

Elementi di una Rete a Commutazione

Stazionidispositivi terminali a cui accedono gli utenti e che devono comunicareEs. computer, terminali, telefoni o altri dispositivi di telecomunicazione

Nodidispositivi di commutazione collegati tramite linee di trasmissionein genere gli utenti non possono accedere direttamente a questi dispositivila comunicazione tra nodi avviene su linee multiplexate (FDM o TDM)

4

Esempio di Rete a Commutazione

una trasmissione tra le stazioni A e D viene commutata dai nodi 4, 5, e 3

i nodi 5 e 7 comunicano solo con altri nodi

gli altri nodi comunicano sia con nodi che con alcune stazioni

5

Struttura della Rete Per questioni di costo la rete a commutazione non è completamente connessa

esistono collegamenti diretti solo tra alcune coppie di nodi

Per questioni di affidabilità la rete è strutturata in modo che ci siano più percorsi alternativi tra ogni coppia di nodi

se un guasto interrompe un percorso la comunicazione può proseguire su un altro percorso

6

Tecnologie di CommutazioneLe reti a commutazione utilizzano due diversi tecnologie di commutazione

commutazione di circuitocommutazione di pacchetto

Le tecnologie differiscono per il modo in cui i nodi commutano i dati da una linea all’altro

7

Commutazione di CircuitoCrea un cammino dedicato tra le due stazioni chevogliono comunicare

costituito da una serie di linee di trasmissione e nodi di commutazione che collegano sorgente e destinazione

sul percorso vengono allocate risorse per creare un canale logico (circuito) dedicato alla comunicazione

larghezza di banda (FDM) o slot di trasmissione (TDM) sullelinee di trasmissionecapacità commutative nei nodi

le risorse allocate sono garantite per tutta la duratadella comunicazione

8

Fasi di una ComunicazioneUna comunicazione tra due stazioni avviene in tre fasiInstaurazione del circuito

individua il percorso nella rete ed alloca le risorse per il circuito

Trasferimento datii dati (analogici o digitali) vengono inviati sul circuito

Disconnessione del circuitoa richiesta di una delle stazioni le risorse allocate al circuito vengono rilasciate

9

Caratteristiche di una Rete a Comunicazione di Circuito

I nodi devono avere “intelligenza” perallocare risorse ai circuitiidentificare i circuiti nella retegestire la commutazione dei dati

La commutazione di circuito è stata sviluppataper traffico vocale (rete telefonica)

ritardo iniziale per instaurare il circuitola trasmissione è a ritardo costante e banda garantitaI nodi sono trasparenti per le stazioni

non adatta per trasferimento di daticircuito allocato per la durata della connessioneanche se non ci sono dati da trasmettere 10

Esempio di Rete a Commutazione

5 potrebbe ricevere più comunicazioni da 4da commutare in maniera differente

comunicazione tra A e D

si deve trovare un percorso da 4 a 3

5 commuta i dati ricevuti da 4 sulla linea per 3

11

Rete Telefonica PubblicaLa rete telefonica pubblica (PSTN) è la più diffusa rete a commutazione di circuito

reti nazionali interconnesse per creare il servizio telefonico internazionale

originariamente progettata per gestire traffico telefonico analogico

oramai il traffico dati via modem supera il traffico vocalegran parte delle linee di trasmissione tra i nodi utilizzano trasmissione digitale

12

Elementi di una Rete TelefonicaTerminali utente

dispositivi utilizzati dagli utenti e collegati alla rete (in genere telefoni)

Linee utente (subscriber loop o local loop)linee che collegano il terminale utente alla retein genere doppini telefonici di lunghezza non superiore a qualche km

Centrali di commutazione (end office o stadi di gruppo)

nodi della retelocali (collegate direttamente agli utenti) o di transito

Linee dirette

13

Esempio di Connessione in unaPSTN

In genere le linee che collegano le centrali usano segnali digitali con TDM 14

Instaurazione di un Circuito

il circuito da a a b connette due utenti collegati alla stessa centrale locale (chiamata urbana)il circuito da c a d connette due utenti collegati a centrali differenti (chiamata interurbana)

15

Nodo di CommutazioneIl nodo di commutazione è il cuore di una rete a commutazione di circuito

detiene tutta l’”intelligenza” della reteconnette in modo trasparente una qualsiasi coppia di dispositivi collegati al nodo

i dispositivi vedono un collegamento diretto e dedicato

Un nodo di commutazione deve connettere più coppie di dispositivi contemporaneamente

bloccante: blocca una richiesta di connessione se non ci sono percorsi disponibili (rete telefonica)non bloccante: garantisce sempre a due dispositivi di potersi connettere (trasmissione dati) 16

Elementi di un Nodo di Commutazione

commutatore numericofornisce al segnale un percorso trasparente

interfaccia di retefunzioni ed hardware necessari a collegare dispositivi utente (sia digitali che analogici) alla retepuò avere funzioni di conversione analogico/digitale

unità di controlloinstaura, mantiene e chiude la connessionecontrolla l’allocazione delle risorse, controlla il commutatore numerico, gestisce il multiplexing, ecc.

17

Esempio di Nodo di Commutazione

18

Sviluppata per ambienti analogiciadattata anche ad ambienti digitali

Garantisce che i percorsi assegnati ai varisegnali siano fisicamente distintirealizzata attraverso due diverse soluzioni

matrice crossbarcommutatore a stadi multipli

Commutazione a Divisione di Spazio

19

Matrice Crossbarogni elemento della matrice è un crosspoint cheincrocia una linea di ingresso con una linea di uscita

un gate nel crosspoint può collegare le due lineela linea di ingresso incrocia tutte le linee di uscita

Vantaggiè non bloccante

Svantaggici sono molti crosspoint (quadrato del numero dellestazioni) utilizzati in modo inefficienteil guasto ad una intersezione inibisce la connessionetra due linee 20

12

1 2 7

7

10

10

4

4 6

6

Esempio di Utilizzo di Crossbar

connessione tra nodi 4 e 7 (full duplex)connessione tra nodi 2 e 6 (full duplex)

21

Commutatore a Stadi MultipliCostituito da diverse matrici crossbar collegatein cascata

ogni matrice crossbar ha un numero ridotto di ingressi ed uscite

Vantagginumero ridotto di crosspoint, utilizzati in maniera piùefficientemaggiore affidabilità perchè esistono più cammini trauna linea di ingresso ed una di uscita

SvantaggiControllo più complessoPuo essere bloccante 22

Commutatore a tre Stadi

non c’è un percorso tra la linea 10 e la linea 4

23

Commutazione a Divisione di Tempo

tecnica utilizzata dalla maggior parte dei commutatori modernisimile al TDM sincrono

un flusso di bit ad una certa velocità viene diviso in slot

ogni slot contiene un numero fissato di bit

gli slot sono assegnati alle linee di ingressouna linea può trasmettere solo negli slot che gli sono stati assegnati

l’assegnazione degli slot alle linee è gestita dall’unità di controllo del commutatore

24

Commutazione TDM a Busogni linea di ingresso collegata ad un bus tramite un gateanalogamente per le linee di uscitaper ogni slot l’unità di controllo attiva una linea di ingresso ed una linea di uscita

25

Esempio di Commutazione TDM a Busconnessione attive:da 1 a 9da 5 a 13

slot 1: da 1 a 9slot 2: da 5 a 13slot 3: da 9 a 1slot 4: da 13 a 5

26

Temporizzazionela velocità del bus deve essere molto più alta delle velocità delle singole linee

nel tempo che una linea impiega a creare un blocco il commutatore deve trasmettere uno slot per ogni linea

la durata di uno slot è data dal tempo di trasmissione del blocco di dati più il ritardo di trasmissione sul bus

27

Segnali di ControlloI segnali di controllo consentono di instaurare, mantenere e terminare i circuiti e di gestire la retepermettono lo scambio di informazioni tra

stazione e nodonodo e nodonodo e centro di gestione della rete

In grosse reti di telecomunicazioni lo schema di segnalazione è molto complesso

gestiscono anche tutti i servizi a valore aggiuntoforniti dalla rete 28

Funzioni della SegnalazioneInvio di toni udibili all’utente

composizione dei numerisegnale di linea libera o occupatasegnale di squillo

scambio di informazioni tra i noditrasmissione del numero composto per la creazione del circuitorifiuto di una chiamata che non può essere accoltaavviso che un circuito che deve essere rilasciato

informazioni relative al pagamentoinformazioni relative allo stato degli apparati e delle linee ed alla diagnostica della rete

29

Utilizzo della Segnalazione per una TelefonataInizialmente entrambi i telefoni sono abbassati (aggancio)

1. un abbonato alza la cornetta (sgancio)2. invio segnale di sgancio alla centrale locale3. la centrale risponde con il tono di chiamata (dial

tone)4. il chiamante compone il numero5. il numero viene comunicato alla rete e viene

instaurato il circuito6. la rete invia un segnale di squillo al destinatario, se

non è occupato7. Feedback al chiamante

segnale di linea libera o occupata, chiamata impossibile8. il destinatario accetta la chiamata 30

Collocazione della SegnalazioneLa segnalazione deve essere considerata in due contestisegnalazione tra utente e rete

definita dal tipo di dispositivo utente e dalle esigenze dell’utente umano

segnalazione all’interno della reteutilizzata per lo scambio di informazioni tra dispositivi automaticisvolge una vasta gamma di funzioni

la centrale locale deve fornire un’interfaccia tra la segnalazione interna alla rete e quella usata per comunicare con l’utente

31

Segnalazione nel CanaleUsa lo stesso circuito per chiamate e segnali

non richiede ulteriori strumenti di trasmissionesegnalazione in banda

usa le stesse frequenze del segnale della vocesi possono spedire segnali se la voce non è presenteun segnale di controllo può essere inviato suqualunque dispositivo possa ricevere un segnale di voce

segnalazione fuori bandautilizza una parte della banda di 4 KHz non utilizzatadai segnali di voceha bisogno di elettronica addizionaletasso del segnale più lento (banda stretta) 32

Segnalazione su Canale Comune

Segnali di controllo trasmessi su camminiindipendenti dal canale voceun canale di controllo può essere condiviso dapiù canali utente

porta segnali di controllo per tutti i canali utenteil canale di controllo comune può essere opportunamente dimensionato

supporta funzioni di segnalazione complesse senza perdita di prestazioni

33

Modalità di Funzionamento della Segnalazione

La segnalazione a canale comune può essere implementata con due diverse modalitàModalità associata

Il canale di segnalazione è distinto ma segue lo stesso percorso dei canali di fonia

Ogni commutatore istrada entrambi i canali allo stesso modo

Modalità dissociatauna rete separata è addetta alla trasmissione dei segnali di controllo

In genere usa la commutazione a pacchettiPiù complessa ma più potente e flessibile

In genere si utilizza la modalità dissociata 34

Esempio

Modalità associata

Modalità dissociata

35

Sistema di SegnalazioneNumero 7 (SS7)

implementa lo schema di segnalazione con canale comuneprogettato per reti ISDN

può essere usato per qualsiasi rete digitale a commutazione di circuito

fornisce uno standard internazionale per la segnalazione a canale comune

per reti digitali con nodi digitali e canali a 64 kbpsutilizzabile anche su canali analogici con tassi < 64 kbps e su linee terrestri punto-punto o satellitarigarantisce trasmissione dati senza perdite e duplicazioni 36

Commutazione di PacchettoDati trasmessi in blocchi di dimensione fissata, detti pacchetti

in genere di dimensione non superiore a 1000 ottettimessaggi lunghi vengono spezzettati in più pacchetti

ogni pacchetto è instradato singolarmente e indipendentemente dagli altri

pacchetti dello stesso messaggio possono seguire lo stesso percorso o percorsi diversi

i pacchetti possono arrivare a destinazione in ordine diverso da quello di spedizione

il ricevente deve riassemblare il messaggio

37

Struttura di un PacchettoI pacchetti devono contenere informazioni di controllo per poter essere instradati verso la destinazione

simile all’indirizzo scritto sulla busta di un letteraUn pacchetto consiste di un’intestazione e di un campo dati

l’intestazione contiene le informazioni di controllo Ogni nodo della rete commuta pacchetti usando la tecnica dello store and forward

riceve un pacchetto e lo memorizzalegge le informazioni dell’intestazionedecide su quale linea instradare il pacchetto 38

Esempio di Trasmissione

la sorgente divide il messaggio dell’applicazione in blocchi e aggiunge informazioni di controllo ad ogni bloccoogni blocco viene trasmesso sulla retela destinazione rimette insieme i blocchi e ricostruisce il messaggio

39

Tecniche di CommutazioneLa tecnica di commutazione definisce come la rete gestisce il flusso di pacchetti per garantire che vengano instradati e consegnati alla destinazioneDue tecniche principali

datagramcircuito virtuale

40

DatagramOgni pacchetto è trattato individualmente

non è considerato come parte di un flussoOgni pacchetto deve contenere informazioni di controllo per poter essere instradato

indirizzo sorgente e destinazione, numero di sequenza, ecc.

I pacchetti sono instradati in maniera indipendente

pacchetti dello stesso messaggio possono seguire strade diverse ed arrivare in ordine diverso da quello di trasmissionesi può perdere un pacchetto (un pezzo del messaggio)

41

Circuito VirtualeViene stabilito un circuito virtuale prima di spedire i pacchetti

ogni circuito virtuale ha un identificatoreOgni pacchetto contiene l’identificatore del circuito virtuale

non ci sono altre informazioni di controlloI nodi della rete instradano i pacchetti in base al circuito virtuale di appartenenza

tutti i pacchetti di un messaggio seguono lo stesso percorso e giungono in ordine a destinazione

Il circuito virtuale non ha risorse allocatedifferisce dalle reti a commutazione di circuito 42

Caratteristiche del DatagramVantaggi

protocollo di comunicazione molto semplicepiù veloce per comunicazioni brevi più flessibile nel gestire situazioni di congestione

i datagram vengono dirottati su altri percorsi

più affidabile

Svantaggii pacchetti possono arrivare fuori ordine o perdersiogni nodo deve prendere decisioni di instradamentonon adatto ad operare ad alti tassi di trasmissione

43

Caratteristiche del Circuito Virtuale

Vantaggimaggiore affidabilità

è possibile fornire controllo degli errori e del flusso all’interno del circuito

pacchetti inoltrati più velocemente perché non ci sono decisioni da prenderepiù efficiente per comunicazioni lunghe (max. throughput)

i pacchetti hanno meno informazioni di controllo

Svantaggiritardo iniziale per instaurare il circuito virtualeprotocollo di comunicazione più complessoin caso di guasto ad un nodo tutti i circuiti virtuali che lo attraversano sono persi 44

Dimensione del PacchettoI pacchetti in genere sono piccoli

su Internet i pacchetti sono al massimo 1.5 KbLa dimensione del pacchetto influenza il tempo di trasmissionePacchetti piccoli richiedono tempi di trasmissione inferiori

è possibile spedire più pacchetti in parallelo su linee differenti (pipeline)

Per ogni pacchetto è richiesto un sovraccarico (overhead) di trasmissione per le informazioni di controllo

pacchetti troppo piccoli implicano un uso inefficiente della linea

45

Dimensione dei Pacchetti e Tempi di TrasmissioneX invia 40 ottetti di dati ad Y attraverso a e b

ogni pacchetto ha 3 ottetti di intestazione

1 pacch.43*3 = 289

2 pacch.23*4 = 92

5 pacch.11*7 = 77

10 pacch.7*12 = 84 46

Tipi di RitardoIl tempo impiegato da un pacchetto per giungere a destinazione consiste di tre componentiRitardo di propagazione

Tempo che impiega un segnale a propagarsi sul canale

Tempo di trasmissioneTempo che un trasmettitore impiega ad inviare un pacchetto

Ritardo del nodoTempo che un nodo impiega per compiere le elaborazioni necessarie per smistare i dati

47

Funzionamento Interno ed Esterno

EsternoÈ il funzionamento che vede una stazione che si collega alla retepuò essere un servizio orientato alla connessione o non orientato alla connessione

InternoÈ il funzionamento della rete all’interno

Tutte le combinazioni sono possibiliCircuito virtuale esterno, circuito virtuale internoCircuito virtuale esterno, datagram internoDatagram esterno, circuito virtuale internoDatagram esterno, datagram interno

l’interfaccia tra stazione e nodo deve convertire 48

Servizio Orientato alla Connessione

Servizio esterno a circuito virtualeLa stazione chiede di instaurare una connessione logica con un’altra stazione

ogni pacchetto è identificato come appartenente ad una connessione logica e numeratola rete garantisce che tutti i pacchetti siano consegnati nell’ordine giusto

ogni pacchetto ha l’identificatore del circuito virtuale ed il numero di sequenza

49

Servizio non Orientato alla Connessione

Servizio esterno di tipo datagramLa rete accetta singoli pacchetti

ogni pacchetto deve contenere informazioni per essere instradato indipendentementei pacchetti possono essere persi o consegnati fuori ordine

il datagram ha indirizzo destinazione e numero di sequenza 50

Operazione Interna a Circuito Virtuale

La rete stabilisce dei circuiti tra coppie di noditutto il traffico tra i due nodi viaggia all’interno del circuitoè possibile ripartire il traffico tra due nodi tra più circuiti

ogni pacchetto viaggia all’interno di un circuitoi nodi assegnano i pacchetti ai circuiti

51

Operazione Interna a DatagramLa rete tratta ogni pacchetto singolarmente

pacchetti relativi alla stessa connessione possono seguire percorsi diversila rete deve provvedere a memorizzare i pacchetti alla destinazione per controllare se sono tutti e rimetterli in sequenza

ogni pacchetto ha indirizzo destinazione e numero di sequenza 52

Svantaggi della Commutazione di Circuito

Ad ogni circuito vengono allocate delle risorseSe le risorse si esauriscono non è possibile stabilire una nuova connessione (blocking)

L’utilizzo delle risorse del circuito non è efficiente

in una conversazione telefonica c’è sempre qualcuno che parlain una connessione fra computer ci sono tempi morti

Es. connessione browser – Server Web: mentre guardiamo la pagina non c’è scambio di dati, per cui una connessione dedicata comporterebbe uno spreco della capacità del canale

Richiede che sorgente e destinazione operino allo stesso tasso

53

Vantaggi della Commutazione di Pacchetto

uso più efficiente delle linee di trasmissionela stessa linea può essere condivisa dinamicamente da più pacchettii pacchetti vengono accodati e trasmessi non appena possibilela linea è inutilizzata solo se non ci sono pacchetti da trasmettere

può collegare sistemi che operano a tassi diversiognuno trasmette e riceve pacchetti al suo tasso

non rifiuta mai una connessioneperò i pacchetti potrebbero essere ritardati o persiè possibile assegnare priorità ai pacchetti 54

Svantaggi della Commutazione di Pacchetto

Difficile garantire qualità del servizioPer una telefonata serve una certa velocità di trasmissione garantita

Vengono introdotti dei carichi aggiuntivi (overhead)

I pacchetti devono viaggiare insieme ad informazioni di controllo per poter essere correttamente istradati

La rete può congestionarsiPoiché si accettano sempre pacchetti si potrebbe arrivare ad una situazione di saturazione che blocca la rete

55

Confronto tra Prestazioni

creare un circuito richiede un ritardo inizialecommutare i pacchetti implica un ritardo in ogni nodo

maggiore per datagram56

Confronto tra Prestazionila commutazione di circuito fornisce un servizio trasparente a tasso costante

una chiamata è bloccata se non è possibile garantire tale servizioadatto a trasmettere sia dati analogici che digitali

la commutazione di pacchetto introduce ritardi variabili

dipendono dal percorso seguito nella rete, dalla politica di scheduling dei nodi, dal traffico nella retenon adatto ad implementare servizi con qualità di servizio garantitonon adatto a trasmettere dati analogici

57

Interfaccia per Reti a Commutazione di Pacchetto

Nelle reti a commutazione di pacchetto il servizio non è trasparente

La stazione deve costruire le trame e dividere il flusso dei dati nelle dateUn’interfaccia standard consente l’interoperabilità

Principali standard di interfaccia con reti a pacchetto

X25Frame RelayATM

58

X25Interfaccia standard per collegare una stazione ad una rete a commutazione di pacchetto

utilizzato per collegamento stazione-nodousato in reti ISDN

Standard strutturato in tre livelli (corrispondenti ai tre livelli inferiori del modello OSI)

livello fisicolivello di linealivello di pacchetto

59

Protocolli UtilizzatiX.21 per il livello fisicoLAPB per il livello di linea

Il livello di pacchetto offre un servizio esterno a circuito virtuale

permette all’utente di creare connessioni logiche

60

Servizi a Circuito VirtualeX.25 fornisce due tipi di circuiti virtuali

circuiti virtuali permanentichiamate virtuale

La chiamata virtuale è un circuito creato su richiesta dell’utente

prevede una fase di attivazione ed una di chiusuraviene eliminato quando non serve più

Il circuito virtuale permanente è un circuito fisso creato dalla rete

non prevede attivazione e chiusura

61

Controllo del Flusso e degli Errori

identico a quello di HDLCprotocollo slliding window schema di controllo degli errori Go-back-N

Controllo effettuato sia al livello di linea che a livello di pacchetto

62

Vantaggi e Svantaggi di X.25adatto a linee lente ed inaffidabili

alta latenza e basso throughputridondanza del controllo degli erroricontrollo eseguito su ogni singola linea

non adatto per internetworking multiprotocolloreplica il livello 3

non adatto a linee ad alta velocitàoverhead di trasmissione elevatoeccessiva sincronizzazione tra DTE e DCEtrasmissione dei segnali di controllo in bandamultiplexing dei circuiti virtuali effettuato a livello 3

63

Frame Relayfornisce un servizio esterno a circuito virtuale molto più efficiente di X.25 (2 Mbps)

riduce al minimo le funzionalità richiesteadatto a reti affidabili

Principali differenze rispetto a X.25segnalazione di controllo di chiamata trasmessa su un canale logico distinto da quello dei dati

i nodi intermedi non hanno bisogno di elaborare le informazioni di controllo per ogni canale

multiplexing e commutazione dei canali effettuato a livello 2non c’è controllo degli errori e del flusso

delegato ad un livello superiore 64

Formato Trame Frame RelayEsiste un unico tipo di trama contenente dati

non ci sono trame di controllonon c’è un campo che identifica il tipo di trama

non ci sono numeri di sequenza non è possibile effettuare controllo del flusso e degli errori

identificatore di connessione (DLCI) prende da 2 a 4 ottetti e può essere a 10, 17 o 24 bitha valore locale