Principi della comunicazione aperta - Politecnico di...

giovedì 16 dicembre 2004

IngIng. Stefano Maggi. Stefano MaggiDottorato di RicercaDottorato di RicercaDipartimento di ElettrotecnicaDipartimento di Elettrotecnica

Principi della Principi della

comunicazione comunicazione

apertaaperta

Sistemi per l’automazione Sistemi per l’automazione Sistemi per l’automazione

industrialeindustrialeindustriale

Corso:

Il modello di riferimentoIl modello di riferimento

La nascita dei sistemi distribuiti (e quindi delle interfaccie di comunicazione) ha reso necessario uno standard per consentire il collegamento in rete di diversi dispositivi (a prescindere dal produttore).

Attraverso l’ISO (International Standards Organization) è stato definito il modello di riferimento “Open System Interconnection” (OSI).Da questo modello sono nate diverse Norme internazionali.

Questo modello definisce 7 livelli gerarchici di funzioni di rete.

Il termine “open” fa riferimento al fatto che i concetti non sono proprietari e possono essere utilizzati liberamente da chiunque.

DefinizioniDefinizioni

Fondamentalmente un protocollo definisce ciò che viene trasmesso e quando viene trasmesso.

Un protocollo è un insieme di regole e convenzioni che governano la generazione, la formattazione, il controllo e l’interpretazione delle informazioni trasmesse tramite una rete o memorizzate in un database.

Le architetture di rete del modello OSI definiscono le regole e le convenzioni per lo scambio delle informazioni fra le varie funzioni, che risiedono nei dispositivi o nelle applicazioni software presenti nei nodi.

Un’architettura è un insieme di regole e convenzioni sulla base delle quali viene costruito qualcosa.

La sintassi descrive la struttura o il formato dei dati.

Affinchè i nodi possono comunicare, le reti a cui sono connessi devono obbedire ad un insieme di protocolli.I principali elementi di un protocollo sono la sintassi, la semantica e la sincronizzazione.

La semantica fa riferimento al significato di un determinato blocco di bit.

La sincronizzazione definisce sia il momento in cui inviare i dati, sia la velocità di trasmissione.

Concetti base dei livelli Concetti base dei livelli (pag.1)(pag.1)


La sintassi descrive la struttura o il formato dei dati.

La semantica fa riferimento al significato di un determinato blocco di bit.

La sincronizzazione definisce sia il momento in cui inviare i dati, sia la velocità di trasmissione.

Per esempio, dice come interpretare un determinato insieme di bit e quali azioni devono essere svolte sulla base di tale interpretazione. Inoltre ho informazioni sul fatto se l’indirizzo contenuto in un blocco di bit identifichi il percorso da seguire o la destinazione finale.

L’importanza di un accordo sulla sincronizzazione è evidente se si considera un nodo che tenta di trasmettere dati a 10Mbit/s ad un altro in grado di elaborare i dati solo a 1Mbit/s. Se non esiste un controllo della sincronizzazione, il destinatario risulterà ben presto sommerso dai dati, perdendo tutte le informazioni.

Per esempio, il protocollo può identificare i primi 8 bit come l’indirizzo del mittente, gli 8 bit successivi come l’indirizzo del destinatario e la parte rimanente del blocco come il contenuto del messaggio.

Per facilitare il progetto, la comprensione e la gestione dei vari protocolli, viene creata una suddivisione di varie parti: il risultato è una struttura di servizi a livelli.

Questo tipo di struttura a livelli è chiamata stack di protocolli.

La comunicazione fra due livelli in uno stack è chiamata interfaccia.

L’idea è che ciascun livello è responsabile della fornitura di un servizio al livello adiacente superiore, sfruttando i servizi del livello adiacente inferiore.


Il modello OSI è un esempio di approccio strutturato. Tale modello definisce un insieme di protocolli di interconnessione sulla base di 7 livelli di funzioni.

Struttura generale del modello di riferimento OSIStruttura generale del modello di riferimento OSI

Physical

Application

Presentation

Network

Session

Transport

Data link

Livello 1

Livello 4

Livello 3

Livello 2

Livello 7

Livello 6

Livello 5

I livelli più bassi (1,2 e 3) controllano i sistemi di comunicazione: le connessioni fisiche, il collegamento dati e le funzioni di instradamento che supportano la trasmissione dei dati.

I livelli superiori supportano invece le applicazioni, sfruttando ed organizzando i dati in base alle necessità.

Affinchè 2 o più nodi possono comunicare, su questi nodi deve esistere lo stesso insieme di funzioni a livelli.

Il livello n di un nodo (stazione, ECU, ecc…) comunica con il corrispondente livello n di un altro nodo.I dati non vengono trasmessi direttamente dal livello n di uno al livello n dell’altro, tranne per il livello 1.

Scambio di informazioni fra i livelli del modello OSIScambio di informazioni fra i livelli del modello OSI

Physical

Application

Presentation

Network

Session

Transport

Data link

Nodo A Nodo B

Physical

Application

Presentation

Network

Session

Transport

Data link

---------- P. applicazione ----------

---------- P. presentazione ---------

------------ P. sessione -------------

------------ P. trasporto -------------

---------------- P. rete ---------------

------ P. collegamento dati --------

--------------- P. fisico --------------

Mezzo fisico

L’unità di dati PDUL’unità di dati PDU

PhPDU (bit)

LPDU (frame)

SPDU

NPDU (pacchetto)

TPDU

Physical

Application

Presentation

Network

Session

Transport

Data link

Mezzo fisico …0110001101…

APDU

PPDU

L’unità di dati che viene scambiata dai vari livelli si chiama PDU (Protocol Data Unit).Per chiarire il livello in cui si svolge lo scambio di unità PDU, l’ISO aggiunge un prefisso alfanumerico alla sigla “PDU”.

Responsabilità del singolo nodoSupportono le applicazioni utente

Responsabilità della reteGovernano i sistemi di comunicazione

Interfaccia tra 2 livelli adiacentiInterfaccia tra 2 livelli adiacenti

SAP: Service Access Point

PDU: Protocol Data Unit

DU: Data Unit, è il blocco dell’informazione da spedire

La comunicazione tra 2 livelli avviene attraverso un punto di accesso al servizio (SAP), a sua volta gestito da un insieme di regole.

Livello k

Livello (k-1)

Interfaccia

headersPDUs

Attraverso il SAP, l’elemento del livello k invia un blocco PDU (o più PDUs, se si ha la necessità di dover separare la PDU precedente in più blocchi) all’elemento del livello (k-1).Il livello (k-1) aggiunge la propria interstazione (header) in modo che la PDU (o le PDUs) diventi un blocco PDU di livello (k-1).

Il concetto della comunicazioneIl concetto della comunicazione

ciao

ciao

ci vediamo oggi?

si!

Tempo

Richiesta

Risposta

Conferma

Indicazione

Le primitive di servizio Le primitive di servizio (pag.1)(pag.1)

Nella definizione dei servizi, l’ISO introduce il concetto delle primitive di servizio:eventi istantanei, indivisibili e indipendenti dall’implementazione per le interazioni che si svolgono fra l’utilizzatore ed il fornitore di un servizio.

Utilizzatore A Fornitore Utilizzatore B

Tempo

Questo evento si verifica in un istante ben determinato e non può essere interrotto da altri eventi.

Le frecce rappresentano la direzione di propagazione delle primitive.

Le primitive di servizio Le primitive di servizio (pag.2)(pag.2)

Quando si svolge uno scambio di informazioni fra due utilizzatori, vengono utilizzate le 4 primitive seguenti:

Richiesta: un utilizzatore del servizio emette questa primitiva per richiamare una procedura.

Indicazione: un fornitore di servizi emette questa primitiva per richiamare una procedura o per indicare che un utilizzatore di servizio ha richiamato una procedura.

Risposta: questa primitiva viene emessa da un utilizzatore per completare una procedura precedentemente richiamata da un’indicazione.

Conferma: un fornitore di servizi emette questa primitiva per completare una procedura precedentemente richiamata da una richiesta.

Esempio di diagramma temporaleEsempio di diagramma temporale

Nodo A Azioni del protocollo

Nodo B

Tempo

Richiesta di connessione

Indicazione di connessione

Risposta di connessioneConferma di connessione

Conferma dati Risposta dati

Indicazione datiRichiesta dati

Conferma di disconnessione

Richiesta di disconnessione

Risposta di disconnessione

Indicazione di disconnessione

Esempio di protocollo operante al livello 2 (Data Link)

Physical

Application

Presentation

Network

Session

Transport

Data link


Il livello dell’applicazione contiene i protocolli che consentono agli utilizzatori di accedere alla rete.

I protocolli del livello dell’applicazione non includono i programmi applicativi (nel caso della rete TCP/IP il client di posta elettronica, il browser web, ecc…) dell’utilizzatore (utente) finale, ma riguardano i servizi di rete di supporto per queste applicazioni software.

Sempre nel caso della rete TCP/IP: i protocolli di questo livello possono supportare il client di posta elettronica tramite il protocollo SMTP, il login remoto col Telnet, l’accesso al web con il protocollo HTTP, il trasferimento di files con il protocollo FTP, ecc…

Physical

Application

Presentation

Network

Session

Transport

Data link


L’obbiettivo del livello di presentazione è quello di garantire che i sistemi in comunicazione siano in grado di interoperare correttamente.

I protocolli di questo livello determinano la sintassi da utilizzare, quando applicazioni differenti in sistemi differenti si devono scambiare informazioni.Questa sintassi rappresenta informazioni quali i codici dei caratteri, i tipi di dati e i formati dei files.

Questo livello può anche fornire le funzionalità di crittografia e decrittografia dei dati per garantire la sicurezza della trasmissione. Inoltre può anche fornire la funzionalità di compressione dei dati (riduzione dei bit trasmessi quindi risparmio dell’ampiezza di banda).

Physical

Application

Presentation

Network

Session

Transport

Data link


Lo scopo del livello di sessione è quello di svolgere interazioni ordinate ed affidabili orientate allo scambio di dati, fornendo servizi all’utilizzatore quali il controllo dei dialoghi fra sistemi, la sincronizzazione (con l’introduzione di checkpoints o punti di sincronizzazione del flusso dei dati) e il concatenamento (per combinare gruppi di unità PDU).

Physical

Application

Presentation

Network

Session

Transport

Data link


Il livello di trasporto è responsabile della consegna affidabile del messaggio dall’origine alla destinazione.

L’obbiettivo principale è quello di fornire un ripristino degli errori ed un controllo del flusso in modo da soddisfare la qualità di servizio (QoS, Quality of Service) richiesta dal livello superiore.

La QoS viene espressa da vari parametri, il più importante dei quali è la produttività (Throughput), cioè la quantità di informazioni utili elaborate o comunicate in un determinato periodo di tempo.

Se il livello superiore richiede una produttività superiore rispetto alla velocità di accesso alla rete, il livello di trasporto dovrà attivare più connessioni di rete.

Questo livello può anche aver bisogno di segmentare (e riassemblare all’estremità ricevente) i messaggi di grandi dimensioni provenienti al livello superiore, per creare segmenti adatti alle dimensioni delle unità NPDU.

Physical

Application

Presentation

Network

Session

Transport

Data link


La funzione del livello di rete è quella di consegnare le unità NPDU (cioè i pacchetti) dall’origine alla destinazione attraversando più collegamenti-nodi di rete. Questo livello deve gestire la scelta del percorso costituito da una serie di nodi interconnessi.

Questo livello deve inoltre gestire le seguenti attività:

La frammentazione delle unità NPDU in unità più piccole (e il successivo riassemblaggio all’estremità opposta) per agevolare il controllo.

Un servizio di controllo degli errori, per garantire che i pacchetti vengano ricevuti nella corretta sequenza e che tutti i pacchetti arrivino correttamente.

Un servizio di controllo del flusso, per impedire che un ricevitore lento venga sommerso di dati da un trasmettitore più veloce, oppure per terminare la trasmissione quando un nodo ricevente sta per esaurire lo spazio di “bufferizzazione” per i messaggi in arrivo.

Physical

Application

Presentation

Network

Session

Transport

Data link


Lo scopo principale di questo livello è quello attivare, gestire e rilasciare i collegamenti di trasmissione dati che connettono direttamente due nodi di rete.

Le funzioni che deve svolgere il livello di collegamento dati sono le seguenti:

-Inizializzazione-Segmentazione dell’informazione-Verifica degli errori-Sincronizzazione dei dati-Controllo del flusso

Il livello di collegamento dati è molto importante per le reti locali (LAN), in quanto è il livello in cui vengono definiti gli standard dell’architettura di rete, come quelli della famiglia IEEE 802.

Physical

Application

Presentation

Network

Session

Transport

Data link


Segmentazione dell’informazione: questo meccanismo suddivide lunghi flussi di dati in segmenti strutturati chiamati“frame”. Questi sono costituiti da bit di dati e bit di controllo.

Inizializzazione: questa funzione attiva una connessione su un percorso di trasmissione. L’impostazione del percorso ed il trasferimento dei bit su di esso, sono demandati ai processi dellivello fisico.

Verifica degli errori: poiché durante la trasmissione possono inevitabilmente verificarsi degli errori, questo protocollo deveavere la possibilità di rilevare e correggere gli errori per mantenere integra l’informazione trasmessa.

Sincronizzazione dei dati: perché il ricevitore possa decodificare correttamente le informazioni arrivate, è fondamentale adottare una tecnica per acquisire e mantenere la sincronizzazione fra il trasmettitore ed il ricevitore. Queste informazioni avvertono il ricevitore che sta arrivando un frame e la sua sequenza di bit consente al ricevitore di sapere la durata del bit per potersi sincronizzare con il trasmettitore.

Controllo del flusso: questa funzione consente ad un ricevitore di regolare la velocità dei dati in ingresso, in modo che non superi la capacità (di buffer) del singolo ricevitore.

Physical

Application

Presentation

Network

Session

Transport

Data link


Questo livello si occupa delle specifiche meccaniche ed elettriche dell’interfaccia di rete, cioè intervengono elementi quali la durata e la tensione del segnale, il livello di potenza ottica, la portante del segnale, il tipo di connettori del bus, ecc…

Vari possono essere i mezzi trasmissivi: il doppino intrecciato, il cavo singolo, il cavo schermato, la fibra ottica, l’etere (wireless), ecc…

La funzione del livello fisico è quella di trasmettere una sequenza arbitraria di bit (cioè un flusso di bit non strutturato) sul mezzo fisico che connette due o più nodi.

Tipologia delle retiTipologia delle reti

Internet(Rete geografica)

Pianeta10.000 km

Rete geograficaContinente1.000 km

Rete geograficaNazione100 km

Rete metropolitanaCittà10 km

Rete localeQuartiere1 km

Rete localeEdificio100 m

Rete localeStanza10 m

Tipo di reteAmbitoDistanza fra nodi (utilizzatori)

LAN

WAN

MAN

Topologie principali delle retiTopologie principali delle reti

Maglia completaStella

Maglia incompletaAnello

Albero

Bus

Topologie principali delle reti Topologie principali delle reti (pag.1)(pag.1)

Stella

Nella topologia a stella è presente un nodo centrale a cui sono collegati gli n utenti (nodi), il cui compito è quello di smistare ogni unità informativa (PDU) ricevuta alla destinazione richiesta.Il nodo centrale diventa un componente estremamente critico per il funzionamento dell’intera rete.Questa topologia non viene utilizzata se gli utenti sono molto distanti fra loro.La topologia a stella è la classica struttura centralizzata.

Anello


Nella topologia ad anello ogni nodo è connesso a 2 soli altri nodi, così da formare un ciclo chiuso. Questa struttura offre la disponibilità di 2 percorsi tra ogni coppia di nodi, caratteristica questa molto importante quando si vuole garantire un’elevata affidabilità del servizio in presenza di guasti.Questa struttura viene oggi molto utilizzata sia nelle LAN (es. Token ring) sia nelle MAN.

Albero


Nella topologia ad albero non esistono cicli, cioè non ci sono percorsi chiusi. In questo caso la connessione tra nodi avviene attraversando altri nodi con percorsi a lunghezza arbitraria.Questa struttura viene raramente utilizzata in applicazioni pratiche, soprattutto per la sua criticità in caso di guasto ad un nodo.

Bus


Nella topologia a bus i nodi vengono connessi attraverso un mezzo di comunicazione condiviso, chiamato Bus (Basic Utility System).In questo caso sono necessarie procedure di controllo che gestiscono l’ordine di accesso al bus, per evitare il sovrapporsi delle trasmissioni. Ogni nodo è raggiungibile direttamente (senza la necessità di coinvolgere altri nodi) ed è anche una topologia vantaggiosa dal punto di vista dei guasti.Questa struttura è normalmente utilizzata in un’area limitata (LAN) ed è la classica struttura decentralizzata.

Maglia completa


Nella topologia a maglia completa ogni nodo è collegato direttamente a tutti gli altri nodi della rete. Tra 2 nodi generici sono disponibili più percorsi con distanza variabile.Questa è la topologia più completa e più sicura dal punto di vista dei guasti, ma anche la più costosa. Infatti la funzione di costo per questa topologia è di tipo quadratico, cioè il costo cresce in funzione di n2.

Maglia incompleta


Nella topologia a maglia incompleta ogni nodo è collegato ad almeno altri 2 nodi della rete. Anche in questo caso sono disponibili più percorsi fra nodi a distanza variabile.Il costo di questa struttura è inferiore al costo della maglia completa, in quanto mancano dei collegamenti tra nodi, infatti non tutti i nodi sono raggiungibili direttamente.Questa topologia è una delle più diffuse nelle telecomunicazioni nell’ambito delle reti in area geografica (WAN, Internet).

Sistema a Bus centralizzatoSistema a Bus centralizzato

Il funzionamento della struttura dipende da un solo componente (nodo), quindi minore affidabilità del sistema complessivo.

Necessità di “polling” (interrogazione ciclica) continuo fra il nodo centrale e i nodi periferici.

Necessità di avere un’elevata velocità di “polling”.

Necessità di un cablaggio predefinito, cioè devo sapere prima il punto centrale e i punti periferici, quindi difficoltà di espansione dell’impianto.

Unico software di gestione del sistema, che risiede nel nodo centrale.

Alto costo iniziale (dovuto alla centralina-nodo).

In caso di guasto nel nodo centrale, l’intera struttura si blocca.

Sistema a Bus decentralizzatoSistema a Bus decentralizzato

Bus

Il funzionamento della struttura non dipende da un solo componente (nodo), quindi maggiore affidabilità del sistema.

Mancanza di “polling” continuo, perché vengono utilizzati altri metodi di accesso alBus.

Il cablaggio di questa topologia è semplice, libero e con possibilità di future espansioni senza modificare la struttura H/S degli altri nodi.

La velocità di reazione dei nodi è indipendente dal numero dei componenti (cioè dai nodi stessi), quindi anche per grandi impianti ho sempre una velocità di reazione che dipende solo dalla struttura del singolo nodo.

In caso di guasto in un nodo, il resto della rete continua a funzionare normalmente.

Caratteristiche delle comunicazioni Caratteristiche delle comunicazioni (pag.1)(pag.1)

Le proprietà principali che caratterizzano il servizio di comunicazione sono:

La configurazione di un servizio (in una rete) identifica il numero di attori (nodi) coinvolti nel servizio stesso. La configurazione varia a seconda del numero di destinatari dell’informazione emessa dalla sorgente.

La direzione di una comunicazione fa riferimento alla caratteristica del flusso informativo emesso e/o ricevuto da un generico nodo di un servizio di comunicazione.


Si distinguono 3 tipi di configurazione:

- Punto-punto: il servizio si svolge tra 2 nodi ognuno dei quali accede al servizio stesso tramite un punto di accesso nella rete. Una conversazione telefonica tra 2 utenti, costituisce l’esempio tipico di servizio punto-punto.

-Multipunto: il servizio coinvolge più di 2 nodi, in modo che l’informazione emessa da un utente unico (nodo sorgente) venga trasportata e resa disponibile agli altri utenti del servizio (nodi destinatari). In questo caso è necessario selezionare i nodi destinatari, portando l’informazione solo a quelli che ci interessano.Un esempio del servizio multipunto nell’ambito della telefonia, è la conversazione a tre utenti.

- Diffusivo (broadcast): è un tipo particolare di configurazione multipunto, nella quale l’informazione emessa da un utente (nodo sorgente) viene messa a disposizione a tutti gli utenti (nodi destinatari) della rete. Questo servizio è più semplice del precedente, in quanto non occorre selezionare o filtrare gli utenti destinatari. Un esempio tipico di servizio broadcast è quello televisivo.


La direzione di una comunicazione può essere in 2 modi:

- Unidirezionale (simplex): quando il servizio trasferisce un solo flusso informativo, che va solo dalla sorgente all’utilizzatore (punto-punto) o agli utilizzatori (multipunto o diffusivo). Esempi sono la telesorveglianza e la televisione.

-Bidirezionale (duplex): quando il servizio trasferisce due flussi informativi per utente (nodo) del servizio in direzioni opposte, così ogni nodo agisce sia da sorgente sia da destinatario delle informazioni. Esempi sono la telefonia e l’accesso a banche dati.Questo servizio può essere ulteriormente distinto in:

- Alternato (half-duplex): quando il servizio trasmette le informazioni in entrambe le direzioni, ma non contemporaneamente. Quindi quando un nodo agisce da sorgente, l’altro agisce da destinatario.

- Contemporaneo (full-duplex): quando il servizio trasmette le informazioni in entrambe le direzioni contemporaneamente. Cioè entrambi i nodi svolgono nello stesso istante la funzione di sorgente e di destinazione dell’informazione.

Cenni sulle tecniche di accesso per le LAN Cenni sulle tecniche di accesso per le LAN (pag.1)(pag.1)

Una caratteristica fondamentale delle LAN è che la sua comunità di utenti (nodi) deve condividere la capacità del mezzo trasmissivo.Per utilizzare in modo efficiente questa capacità, sono necessarie delle procedure standardizzate con cui gli utenti possono accedere alla rete (Bus).

I 2 tipi fondamentali di architetture utilizzati per le LAN sono:

- Le reti broadcast(Tutti gli utenti ricevono le informazioni inviate da tutte le stazioni trasmittenti).

-Le reti a commutazione(Sono nate da un’evoluzione delle precedenti per sfruttare al meglio la capacità della linea di trasmissione. In queste reti è presente uno switch che utilizza una logica di inoltro e delle tabelle di instradamento per trasferire le informazioni dall’origine alla destinazione).


Con l’accesso casuale non viene utilizzato alcun controllo per determinare quale stazione può trasmettere. Questo significa che gli utenti (nodi) devono contendersi l’accesso alla rete. Quando 2 o più stazioni (nodi) tentano di accedere simultaneamente, i loro segnali entrano in collisione ed interferiscono fra loro.Per minimizzare (annullare) queste collisioni, esistono delle tecniche dette di “arbitraggio”.I metodi principali utilizzati per questo tipo di accesso sono il metodo ALOHA, quello CSMA (Carrier Sense Multiple Access) ed il metodo CSMA/CD (/Collision Detection) con rilevamento delle collisioni.

In particolare in una rete broadcast, per la condivisione del mezzo trasmissivo vengono utilizzate metodi di accesso casuale ed accesso controllato.

Con l’accesso controllato la rete offre un accesso ordinato ed esente da collisioni al mezzo di trasmissione condiviso.I metodi principali utilizzati per questo tipo di accesso sono il passaggio di token(gettone di trasmissione) ed il polling (interrogazione ciclica).


Accesso al Bus di tipo casuale:

Il Bus non viene occupato secondo uno schema predefinito. Tutti i componenti collegati sul Bus hanno gli stessi diritti (peer-to-peer), ascoltano in parallelo tutti i messaggi, sono sempre pronti a ricevere e quando necessario cominciano a trasmettere se nessun altro componente sta inviando messaggi sul Bus.

Un vantaggio, in questo caso, è dato dalla possibilità di attuare la comunicazione “event-driven”, cioè l’accesso al Bus avviene solo quando è necessario. Questo tipo di accesso comporta un carico medio molto inferiore sul Bus ed un tempo di latenza molto breve, rispetto ad un accesso controllato (o deterministico).

Nella comunicazione “event-driven” i tempi di risposta non sono definibili perché per evitare le collisioni (cioè l’accesso contemporaneo di 2 o più nodi), intervengono processi di risoluzione delle collisioni con tempi di latenza diversi da caso a caso.


Accesso al Bus di tipo controllato (o deterministico):

I componenti (nodi master) collegati sul Bus sono autorizzati alla trasmissione per un tempo prestabilito (tempo di mantenimento del “Token”). Questi componenti “attivi” si scambiano fra loro il gettone di trasmissione (Token), configurando fra queste unità (master) un anello logico indipendente dalla topologia della rete.

La velocità di reazione è proporzionale al tempo di mantenimento del Token.

Il Token è semplicemente una sequenza di bit circolante in rete secondo uno schema ciclico, che permette, al nodo che lo trattiene, l’accesso al Bus ed il conseguente diritto a trasmettere o a ricevere.

Esiste anche un meccanismo ibrido di controllo degli accessi al Bus che prevede l’implementazione del Token fra le stazioni attive (master) ed il Polling fra un master e i rispettivi slave (stazioni passive).Una classica rete master/slave è la rete LIN (Local Interconnect Network).

I mezzi di trasmissioneI mezzi di trasmissione

L’interconnessione dei dispositivi viene ottenuta con differenti tipi di mezzi fisici.

Possono essere usate 3 principali categorie di fenomeni fisici:

• La conduttività dei metalli

• I campi elettromagnetici

• L’ottica: la propagazione della luce

La larghezza di bandaLa larghezza di banda

È il campo di frequenze entro cui un segnale opera.

La larghezza di banda comprende tutte le frequenze delle componenti sinusoidali in cui il segnale può essere decomposto con la trasformata di Fourier.

Larghezze di banda strette limitano notevolmente la trasmissione digitale.

Si può dimostrare che, per la trasmissione digitale su canali ideali, la massima velocità di trasmissione dei dati è uguale a 2 volte la larghezza di banda.

Per esempio un canale con una banda di 2 kHz limita la massima velocità di trasferimento dati a 4 kbit/s.

Le principali caratteristiche dei mezzi Le principali caratteristiche dei mezzi trasmissivi trasmissivi elettrici elettrici (pag.1)(pag.1)

Diametro: è il diametro del cavo (del Bus) che influenza la resistenza e la dissipazione di potenza del cavo stesso.

Sicurezza: è relativa ai materiali dielettrici utilizzati per isolare i conduttori. Differiscono fra loro in termini di costante dielettrica, costo, volume, infiammabilità, ecc…

Impedenza (Z): è uno dei più importanti parametri elettrici. Traduce in un valore complesso (a+jb) le resistenze, le capacità e le induttanze del cavo.L’impedenza dipende dalla frequenza del segnale: più stabile risulta l’impedenza a seguito di variazioni di frequenza, migliore è il cavo.

Perdita di trasmissione (o attenuazione): si riferisce alla perdita di potenza del segnale durante una trasmissione (riduzione del segnale).Viene definita come rapporto di potenza logaritmico misurato in decibel (dB):

Crosstalk (diafonia): è l’interferenza che esprime in dB quanto un cavo disturbi un altro cavo vicino.

Velocità di propagazione: è la velocità con la quale un segnale elettrico si propaga nel cavo. Varia tra il 50% e il 75% della velocità della luce nel vuoto.

Le principali caratteristiche dei mezzi Le principali caratteristiche dei mezzi trasmissivi trasmissivi elettrici elettrici (pag.2)(pag.2)

⋅

IN

OUT

PPlog10

Interferenza: indicata come EMI (ElectroMagnetic Interference), sono onde elettromagnetiche provenienti da sorgenti esterne che si sommano al segnale.

La conduttività dei metalli La conduttività dei metalli (pag.1)(pag.1)

Il cavo singolo:

I cavi elettrici producono e subiscono radiazioni elettromagnetiche.

Esistono 2 tipi di schermatura (gabbia di Faraday) per ridurre questo inconveniente:

- a foglio: consiste in un foglio molto sottile di alluminio che avvolge il cavo appena prima della copertura di isolante esterno.

- a calza: consiste in una piccola treccia di fili di rame che avvolge il cavo in due direzioni opposte.La sua conduttività è migliore di quella dello schermo di alluminio, ma lo schermo non è completo a causa dei buchi nella maglia stessa.

Consiste in 2 fili di rame (isolati fra loro) avvolti insieme in modo elicoidale, allo scopo di ridurre l’induzione elettromagnetica tra le coppie di fili.

Esistono 6 categorie differenti di doppini intrecciati, che certificano l’utilizzo in funzione della velocità di trasmissione (Mb/s).

Possono anche essere schermati.

Il doppino intrecciato (twisted pair):


Consiste in un filo rigido di rame che porta il segnale, circondato da materiale isolante.

L’isolante a sua volta, è racchiuso da un altro conduttore cilindrico concentrico che corre lungo lo stesso asse.

Il canale esterno serve come terra ed è ricoperto da una guaina di plastica protettiva.

Il cavo coassiale:


I campi elettromagneticiI campi elettromagnetici

Le onde elettromagnetiche, create dal movimento degli elettroni, viaggiano nello spazio (anche nell’etere) alla velocità della luce e possono indurre una debole corrente in un dispositivo ricevente (antenna).

Normalmente la trasmissione dati avviene utilizzando le porzioni di spettro elettromagnetico seguenti:

- Radio frequenze (RF)

- Raggi infrarossi (IF)

- Microonde

Anche in questo ambito, la velocità di trasmissione è in funzione dell’ampiezza della banda utilizzata.

Reti Wireless:

L’ottica: la propagazione della luceL’ottica: la propagazione della luce

La tecnologia ottica impiega impulsi di luce in fibre sottilissime di vetro per trasmettere l’informazione.

Questi sistemi sono basati sul principio fisico della rifrazione:quando un raggio di luce passa da un mezzo ad un altro, il raggio viene rifratto in accordo con la legge di Snell.

Quindi un raggio di luce con un angolo appropriato è intrappolato dentro la fibra e può propagarsi praticamente senza perdite.Se il diametro della fibra viene ridotto fortemente, la fibra si comporta come una guida d’onda (la luce si propaga senza rimbalzi).

La fibra ottica è un mezzo di trasmissione monodirezionale, ma ha una larghezza di banda maggiore (dei sistemi tradizionali), può coprire lunghe distanze con perdite modeste ed è poco influenzabile dalle interferenze elettromagnetiche.

Tecniche di codifica del segnale Tecniche di codifica del segnale (pag.1)(pag.1)

0 1 0 1 1 1 0 1 0

Low

High

Codifica NRZ (Non Return to Zero):

Per trasmettere l’informazione digitale dalla sorgente alla destinazione, è necessario associare i bit alle variazioni di una quantità fisica, che utilizzerà il mezzo trasmissivo per trasportare i dati.

Questa codifica associa ogni bit (0,1) con un valore costante della quantità fisica che permane per la durata del bit.

Quando si devono trasmettere lunghe sequenze di 0 o di 1, il segnale continua a rimanere stazionario allo stesso livello rendendo critica la sincronizzazione del ricevitore. Il trasmettitore ed il ricevitore non hanno di solito lo stesso clock, comunque non sono mai identici.

0V

+5V


0 0 0 0 0 0 0 1 0

Low

High

Codifica NRZ (Non Return to Zero):

Questo è importante perché il trasmettitore ed il ricevitore sfruttano le transizioni del segnale per sincronizzarsi (o ri-sincronizzarsi) correggendo la deriva dei loro clock.

Quando il trasmettitore deve inviare lunghe sequenze di 0 (o di 1) non essendoci variazioni della quantità fisica, il ricevitore non ha possibilità di sincronizzarsi, così non riesce a campionare il segnale e a trovare il tempo di bit.

Appena trova una variazione del segnale elettrico, avviene la sincronizzazione col trasmettitore, perché dalla misura temporale della variazione si ha il tempo di bit.

0V

+5V

Codifica Manchester:


0 1 0 1 1 1 0 1

Low

High

Associa una transizione del segnale per ogni bit inviato.Cioè 0 corrisponde per la prima metà al bit di alto livello e per la seconda al bit di basso livello; mentre 1 corrisponde al bit che ha la prima metà a basso livello e la seconda metà ad alto livello.

In questo caso si considera anche il tempo che è la metà del tempo di bit.

Essendo sempre presente una variazione di segnale, anche una stringa di 0 o di 1 non da problemi di sincronizzazione.

Come si vede il massimo numero di transizioni si ha in corrispondenza di lunghe sequenze di 0 o di 1.

0V

+5V

Codifica NRZI (Non Return to Zero Inverted):


0 1 0 1 1 1 0 1

Low

High

0V

+5V

In questa codifica (chiamata anche differenziale) gli 0 sono trasmessi col livello basso mentre gli 1 hanno una transizione nel mezzo del bit.La transizione negli 1 può essere da alto a basso o da basso ad alto.

In questo caso il massimo numero di transizioni viene ottenuto per lunghe sequenze di 1.

Tipi di errori di trasmissione datiTipi di errori di trasmissione dati

In qualsiasi sistema di trasmissione digitale possono verificarsi degli errori anche in presenza di un buon rapporto segnale/rumore.Si deve rilevarli, correggerli e ritrasmettere i dati corretti.

Sostanzialmente si hanno 2 tipi di errori:

L’errore su un singolo bit riguarda un solo bit di una unità dati (byte, frame, pacchetto) che è cambiato da 1 a 0 o viceversa.

L’errore impulsivo fa riferimento al fatto che viene modificato più di un bit nell’unita dati. Questo tipo di errore si verifica più frequentemente del precedente perché di solito la durata del disturbo-rumore è ampiamente maggiore del tempo di bit (durata del bit).Un errore impulsivo non modifica necessariamente tutti i bit di un’unita dati, possono essere danneggiati solamente alcuni.

Tecniche di rilevamento e di correzione degli errori Tecniche di rilevamento e di correzione degli errori (pag.1)(pag.1)

Somma di controllo (Checksum):

La tecnica utilizzata è quella del controllo di parità.Supponiamo di trasmettere dei caratteri (una parola): ESEMPIO

1111001100100100001011011001101000111001011010001

1100101

00010010

OIPMESE

Codice ASCII a 7 bit

6 5 4 3 2 1 0Parità pari

Checksum byte = EX-OR

Dal trasmettitore:


Somma di controllo (Checksum):

Supponiamo un errore di trasmissione del carattere M: il ricevitore riceve un bit invertito:

1111001100100100001011011101101000111001011010001

1101101

00011011

OIPMESE

Codice ASCII a 7 bit

6 5 4 3 2 1 0Parità pari

Checksum byte = EX-OR

Dal ricevitore:

Il codice CRC (Cyclic Redundancy Check):

Si basa su un processo di divisione binaria che coinvolge una porzione dati di un’unità e di una sequenza di bit ridondanti.


000…0Unità Dati CRCUnità Dati

Divisore

Resto = CRC Resto

Operazioni eseguite dal trasmettitore Operazioni eseguite dal ricevitore

Divisore

n zero (0)

(n + 1) bit

n bit

Sostituisce gli n zero (0) con il codice CRCe invia l’unità dati composita

Se il resto è zero accetta i dati, altrimenti li rifiuta


000…0Unità Dati

Divisore

Resto = CRC

Operazioni eseguite dal trasmettitore

n zero (0)

(n + 1) bit

n bit

Sostituisce gli n zero (0) con il codice CRCe invia l’unità dati composita

Passo1:Il trasmettitore aggiunge all’unita dati una stringa di n zero (0). I bit ridondanti sono tali che il risultato (dati + bit ridondanti) sia divisibile per un numero binario predeterminato.

Passo2:La nuova unita dati viene divisa per il divisore predeterminato utilizzando la divisione binaria.Se il numero di bit aggiunti ai dati è n, il numero di bit del divisore predeterminato è n + 1.Il resto di questa divisione è chiamato codice CRC ed è di n bit.

Passo3:Gli n zero (0) che sono stati aggiunti all’unita dati, vengono sostituiti dal codice CRC a n bit.L’unita dati così composta, viene inviata sul Bus (viene trasmessa).


CRCUnità Dati

Resto

Operazioni eseguite dal ricevitore

Divisore

Se il resto è zero accetta i dati, altrimenti li rifiuta

Passo4:Quando l’unita dati + il codice CRC arrivano a destinazione, il ricevitore divide questa unità composta per lo stesso divisore utilizzato per generare il codice CRC.

Passo5:Se dopo la divisione non c’è resto, l’unità dati non contiene errori e pertanto verrà accettata dal ricevitore.Se invece compare un resto l’unità dati viene rifiutata e viene richiesta una nuova ritrasmissione.Questo accade se durante la trasmissione si sono modificati dei bit.


Il divisore (generatore CRC) viene normalmente rappresentato da un polinomio algebrico con coefficienti binari.

Per esempio dalle tabelle:

CRC-8 ha il polinomio generatore così x8 + x2 + x + 1 (100000111)

CRC-16 ha il polinomio generatore così x16 + x15 + x2 + 1 (11000000000000101)

Un CRC si può fisicamente realizzare con un registro a scorrimento (flip-flop) e qualche porta logica (EX-OR).

RiferimentoRiferimento

Ing. Stefano MaggiLaboratorio AzionamentiDipartimento di ElettrotecnicaPolitecnico di Milano

Tel.: 02-2399.3712 /55

E-mail: [email protected]

http://www.etec.polimi.it/IND32/It/macchine/Files/Maggi.htm

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