Reti di Calcolatori a.a. 2005/06 Lezione 5

Reti di Calcolatori Andrea Frosini 1

Reti di Calcolatoria.a. 2005/06

Lezione 5


Nel modello di riferimento:

Application

Transport

Network

Data Link

Fisico


Il sistema telefonico I

Il sistema telefonico svolge un ruolo centrale nella trasmissione di dati tra calcolatori,

Perché

• sarebbe troppo costoso realizzare connessioni “ad hoc” per ciascun calcolatore da collegare

• in molti paesi, posare cavi per collegamenti privati sul o sotto il suolo pubblico è illegale

Purtroppo tale sistema è nato e si è evoluto per la telefonia, anche se recentemente si sta evolvendo grazie anche all’uso di fibre ottiche.


La seguente tabella esemplifica le differenze nella trasmissione dei dati

Il sistema telefonico II

Combinando i due parametri, ci sono 11 ordini di grandezza di differenza

Anche se oggi il sistema telefonico sta migliorando rapidamente, anche le LAN si evolvono, così restano diversi ordini di grandezza tra le prestazioni dei due sistemi

Data rate Tasso d’errore

Cavo tra due computer

107 – 108 bps 1 su 1012 - 1013

Linea telefonica 104 – 105 bps 1 su 105


Albori della telefonia

Alexander Graham Bell brevetta il telefono nel 1876 (ma il vero inventore è stato Antonio Meucci)

Inizialmente i telefoni si acquistavano in coppia, e ciascuno doveva occuparsi di stendere il cavo telefonico tra la coppia

Presto le città diventano un groviglio di cavi, quindi nascono le prime società telefoniche che aprono uffici di commutazione

I primi uffici di commutazione erano manuali: la connessione era stabilita da un operatore umano su richiesta dell’utente

Col passare del tempo gli uffici di commutazione aumentavano di numero, così si ripresentava lo stesso problema

Vengono perciò creati uffici di commutazione di secondo livello (che connettevano tra di loro quelli di primo livello)

Nel 1890 si arrivano ad avere uffici di commutazione di quinto livello


Il sistema telefonico – Schema I

centrale di commutazione


local loop

trunks

centrali di commutazione

Il sistema telefonico –Schema II


Il collegamento tra l’apparecchio telefonico e la più vicina centrale:

• è detto local loop

• è costituito generalmente da un doppino intrecciato (doppino telefonico)

• ha una banda passante di circa 3000 Hz (dovuta ad un filtro nella centrale di commutazione)

• usa segnali analogici

Se tutti i local loop del mondo fossero uniti l’uno all’altro, coprirebbero mille volte la distanza Terra-Luna!

Il local loop


Il trunk

Il collegamento tra due centrali di commutazione:

• è detto trunk

• è costituito da

– cavo coassiale

– collegamento con microonde

– fibra ottica

• ha una banda passante molto più ampia del local loop

• inizialmente usava segnali analogici, oggi quasi esclusivamente segnali digitali


• La principale limitazione della trasmissione di dati utilizzando il sistema telefonico è il local loop: è praticamente impossibile inviare un segnale digitale su un canale con banda passante di 3000 Hz (vedi es. sulle armoniche)

• Se vogliamo inviare dati digitali si deve perciò ricorrere ad un convertitore digitale-analogico detto modem (modulator-demodulator)

• Il segnale analogico viene trasformato nuovamente in digitale all’interno della centralina di commutazione da un dispositivo detto codec (coder-decoder) e iniettato all’interno dell’area di commutazione (la maggior parte delle centrali di commutazione sono oggi digitali)

• Il processo inverso viene effettuato all’arrivo, entrando nel local loop di destinazione

Trasmissione di dati fonia

Attenzione! Nel caso della trasmissione di dati, il segnale digitale che transita sui trunk è diverso dal segnale digitale tra il calcolatore ed il modem


digitale analogico digitale digitale digitaleanalogico

modem modemcodec codec

area di commutazione

Trasmissione di dati - Schema


Perché si utilizza il modem?

Ricordiamo che:

• le linee di trasmissione inducono attenuazioni e distorsioni (specialmente nei local loops dove sono soggette a disturbi)

• la trasmissione digitale genera onde quadre che hanno ampio spettro di frequenze

Quindi se si trasmette un segnale digitale su un local loop, a causa della banda ridotta (3 kHz) si deve usare una bassissima velocità di trasmissione (per il th. di Nyquist al massimo 6 kbps). Per aumentare il data rate si usa un segnale sinusoidale (quindi analogico) nella banda fra 1 e 2 kHz, detto portante, che viene opportunamente modulato per trasmettere le informazioni.

I principali tipi di modulazione sono tre: modulazione d’ampiezza, di frequenza e di fase.

Il modem accetta in ingresso un segnale digitale e produce in uscita una portante opportunamente modulata.


La modulazione d’ampiezza

Un bit viene rappresentato con due diversi livelli di voltaggio (il voltaggio utilizzato è legato all’ampiezza dell’onda portante) per i valori “0” e “1”


Un gruppo di n bit viene rappresentato con 2n toni (frequenza dell’onda portante).

La modulazione di frequenza


Un gruppo di bit corrisponde ad una variazione della fase dell’onda portante

Nel caso più semplice, ciascun gruppo di due bit corrisponde ad una variazione di 45, 135, 225 o 315 gradi

La modulazione di fase


Combinazione delle modulazioni

Teorema di Nyquist: su una linea con banda passante di 3000 Hz non si possono trasmettere più di 6000 log2(V ) bit per secondo

V = numero di “valori” distinti che può assumere la funzione segnale

Il modem funziona ad una velocità tipica di 2400 baud

Baud: numero massimo di cambiamenti del segnale che un apparecchio può operare al secondo o, equivalentemente, numero di campionamenti al secondo

Per aumentare la velocità di trasmissione occorre aumentare il numero di bit trasmessi in ciascun campionamento

Si combinano così tra loro le tecniche di modulazione con una tecnica che va sotto il nome di Quadrature Amplitude Modulation (QAM)

Attenzione: per raggiungere data rate maggiori spesso i dati da inviare sono sottoposti ad un processo di compressione.


Combinazione delle modulazioni - Esempi

Consideriamo un modem che campiona la linea 2400 volte al secondo (2400 baud) e calcoliamo il data rate ottenuto tramite diverse modulazioni di fase e ampiezza.

valori sfasamento valori ampiezza bit trasmessi

per baud

data

rate

- 0 - 1 V 0 1 2400 bps

- 0 - 1 - 2 - 3 V 00 01 10 11 4800 bps

0° - 90° - 0 1 2400 bps

0° - 45° - 90° - 135° - 00 01 10 11 4800 bps

0° - 45° - 90° - 135° 0 - 1 - 2 - 3 V 0000 0001 … 9600 bps


Constellation pattern

I diagrammi che definiscono i punti corrispondenti a valori validi di modulazione del segnale si chiamano constellation patterns. Tali diagrammi sono a coordinate polari ampiezza-fase ed in essi

• la distanza dal centro indica l’ampiezza,

• l’angolo rispetto alla semiretta positiva dell’asse delle ascisse indica lo sfasamento della sinusoide

V.32QPSK QAM-16 QAM-64


Le modulazioni usate per modem a 2400 baud

standard date rate (bps) bit/campionamento valori diversi

2400 1 2

QPSK 4800 2 4

7200 3 8

QAM-16 9600 4 16

V.32 9600 4 + 1 16 x 2

QAM-64 14 400 6 64

V.32 bis 14 400 6+1 64 x 2

V.34 28 800 12 4096

V.34 bis 33 600 14 16 384

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


I modem a 56 kbps utilizzano gli standard V.90 e V.92 per ottenere velocità massime teoriche di 56 kbps:

Il canale telefonico ha una banda effettiva di 4000 Hz (3000 Hz più 1000 Hz per due bande di guardia), quindi può essere campionato 8000 volte al secondo (Teorema di Nyquist); si codificano 7 bit di informazione per ogni campione

Possono funzionare a questa velocità solo con particolari Internet Service Provider, e solo nella direzione dall’ISP all’utente

Mediamente, la qualità e la lunghezza dei local loop sono tali che il limite massimo teorico sulla velocità di trasmissione tra due modem è di 35 kbps (a causa del Teorema di Shannon).

Se però un ISP è collegato direttamente al codec del gestore telefonico, si elimina uno dei due local loop e si può avere una velocità massima teorica di 70 kbps

Modem a 56 kbps


Il modem può funzionare come un canale di comunicazione bi-direzionale (full-duplex). Si utilizzano due diverse bande di frequenza per ciascuna direzione

La comunicazione bi-direzionale non funziona nei sistemi telefonici che adottano i vecchi soppressori di eco (circuiti che forzano la linea telefonica in modalità halfduplex automaticamente)

La comunicazione bi-direzionale funziona invece nei sistemi telefonici che utilizzano i nuovi cancellatori di eco (circuiti che simulano l’eco della trasmissione e provvedono a cancellarlo dal segnale)

Comunicazione bi-direzionale


Multiplexing

I trunk (collegamenti tra le centrali di commutazione) hanno ampia banda passante

Poiché ogni conversazione richiede una banda passante ridotta (3000 Hz), è possibile utilizzare lo stesso trunk per trasmettere più flussi di dati contemporaneamente (multiplexing)

Esistono due categorie di multiplexing:

• FDM (Frequency Division Multiplexing), per lo più usato su vecchi trunk analogici

• TDM (Time Division Multiplexing), utilizzato da quasi tutti i trunk digitali


La banda passante del canale viene suddivisa in varie bande più piccole da 4000 Hz (3000 Hz per la fonia più 1000 Hz per evitare interferenze) e ogni utente ha l’uso esclusivo su di essa

Ogni canale telefonico viene innalzato in frequenza fino ad occupare la sotto-banda assegnatagli

Frequency Division Multiplexing I


Uno standard largamente adottato suddivide la banda passante tra 60 kHz e 108 kHz in 12 canali da 4000 Hz (gruppo di canali). Si può anche utilizzare la banda passante tra i 12 kHz ed i 60 kHz per un altro gruppo

Molte aziende telefoniche offrono collegamenti dati con linee dedicate allocando un intero gruppo, con velocità di trasmissione di 48–56 kbps

Cinque gruppi possono essere multiplexati per formare un supergruppo (60 canali audio)

Più supergruppi (cinque o dieci) possono essere multiplexati per formare un gruppo master

Frequency Division Multiplexing II


FDM è adatto alla gestione di segnali analogici e richiede circuiteria analogica. Per gestire al meglio i dati digitali viene spesso utilizzato il Time Division Multiplexing (TDM)

I bit provenienti da diverse connessioni vengono prelevati a turno da ciascuna di esse ed inviati su una connessione unica ad alta velocità

Time Division Multiplexing


Pulse Code Modulation

Il segnale analogico proveniente dal local loop viene convertito in segnale digitale dal codec (codifier-decodifier) prima di poter essere unito agli altri tramite il TDM

La tecnica utilizzata è chiamata PCM (Pulse Code Modulation):

• la linea analogica viene campionata 8000 volte al secondo (canali da 4000 Hz,cfr. Teorema di Nyquist, cioè un campione ogni 125 sec)

• ogni valore campionato viene convertito in un intero rappresentato da 7 bit (USA)o 8 bit (EU)

Il TDM è spesso effettuato direttamente dal codec (un solo dispositivo campiona aturno i segnali analogici dei local loop)


Standard per il TDM

Non esiste uno standard internazionale per il TDM

• in America e Giappone: T1 carrier: 24 canali campionati a 7 bit più un bit di controllo (56 kbps utili per canale, 1.544 Mbps in totale)

• in Europa e resto del mondo: E1 carrier: 30 canali campionati a 8 bit, più 2 canali di controllo (64 kbps utili per canale, 2.048 Mbps in totale)

Ovviamente il TDM può essere riapplicato avendo

Carrier Caratteristiche Valocità Mbps

T2 4 canali T1 6312

T3 7 canali T2 44 736

T4 6 canali T3 274 176

Carrier Caratteristiche Valocità Mbps

E2 4 canali E1 8848

E3 4 canali E2 34 304

E4 4 canali E3 139 264

E5 4 canali E4 565 148


E’ uno standard mondiale per i trunk basati su fibre ottiche

E’ stato introdotto nel 1985

E’ chiamato

• SONET (Synchronous Optical Network) in America

• SDH (Synchronous Digital Hierarchy) in Europa e resto del mondo

A parte qualche dettaglio di poco conto, i due standard sono identici

SONET/SDH I


Basato su TDM, effettuato byte per byte

• è un sistema sincrono: il segnale di clock che governa i flussi è molto preciso (errore 1 su 1 miliardo)

• è capace di trasportare dati di trunk T1, T2, . . . ed E1, E2, . . .

• l’unità di trasmissione è un blocco di 810 byte emesso ogni 125 µsec anche quando non ci sono dati da inviare (51.84 Mbps)

• multiplexando vari canali da 51.84 Mbps si può arrivare a 2 488.32 Mbps

SONET/SDH II


Il sistema telefonico è commutato: ogni comunicazione richiede una specifica connessione

Esistono tre tipi di commutazione:

• commutazione di circuito (circuit switching): la connessione è fisica, in quanto si deve creare all’inizio un circuito costituito dai due local loop e da opportuni sotto-canali in uno o più trunk

• commutazione di pacchetto (packet switching): la connessione è virtuale, in quanto i dati vengono spezzettati in pacchetti e trasmessi indipendentemente l’uno dall’altro

• commutazione di messaggio (message switching): la connessione è virtuale. I dati da trasmettere vengono immagazzinati tutti nel primo ufficio preposto allo switching e ritrasmessi tutti in blocco al successivo. Si attende la completa ricezione di ogni blocco e se ne verifica in loco l’integrità. Una linea che utilizza tale sistema viene anche detta store-and-forward

Generalmente il sistema telefonico è di tipo a commutazione di circuito

Commutazione


Commutazione – Confronto tra i tre tipi

circuit switching message switching packet switching


Le compagnie telefoniche offrono servizi di trasmissioni di dati che permettono di superare le limitazioni del local loop analogico

• Affitto di linee dedicate: la compagnia installa linee di trasmissioni digitali fino alla più vicina centrale di commutazione; ciò permette di evitare le limitazioni dei doppini intrecciati e consente di offrire data rate di decine o centinaia di milioni di bit al secondo

• Telefonia digitale: Narrowband ISDN

• ADSL (Asymmetrical Digital Subscriber Line)

• HFC (Hybrid Fiber Coaxial cable)

Servizi per trasmissioni di dati


Lo scopo primario di N-ISDN (Narrowband Integrated Services Digital Network) è l’integrazione dei servizi fonia e dati

E’ un sistema telefonico pienamente digitale con commutazione di circuito

Lo standard Narrowband ISDN offre tipicamente:

• ad una casa: 2 canali da 64 kbps ed un canale di controllo da 16 kbps (a volte si può utilizzare un unico canale da 144 kbps)

• ad una azienda: 30 canali da 64 kbps ed un canale di controllo da 16 kbps

Ogni canale può essere utilizzato sia per fonia che per trasmissione dati

Narrowband ISDN


Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL) utilizza un modem per trasmettere dati sul doppino telefonico, ma rimuove i filtri della centrale telefonica che limitano la banda passante del canale

In ADSL con multiplexing a divisione di frequenza, la banda passante del doppino è suddivisa in tre canali:

• tra 50 kHz e 1 MHz: canale in discesa (downstream) verso l’utente (max 8 Mbps per distanze < 3 km, più spesso dell’ordine di 1 Mbps)

• tra 4 kHz e 50 kHz: canale in salita (upstream) verso il provider (max 1 Mbps per distanze < 3 km, più spesso dell’ordine di 100 Kbps)

• tra 0 Hz e 4 kHz: canale telefonico full-duplex

ADSL I


In ADSL con DMT (Discrete MultiTone) la banda è suddivisa in 256 canali indipendenti, ognuno ampio 4312.5 Hz. Un canale è usato per la fonia, 6 canali sono di controllo o inutilizzati, i restanti suddivisi per trasmissione e ricezione

Ciascun canale dati è campionato a 4000 baud, ed i dati sono codificati con modulazione di fase e di ampiezza (QAM)

Per separare il canale fonia si utilizza un dispositivo chiamato splitter oppure un più semplice filtro passa-basso tra la linea e l’apparecchio telefonico (in quest’ultimo caso la velocità massima scende a 1,5 Mbps)

Il collegamento è “punto a punto” (in teoria il provider dovrebbe garantire sempre l’intera banda passante)

ADSL II


HFC

Hybrid Fiber Coaxial Cable (HFC) utilizza un cavo a fibre ottiche per collegare l’utente con la centrale di smistamento

Utilizza particolari modem via cavo, solitamente collegati al computer tramite una scheda di rete Ethernet

Divide il canale di comunicazione in

• canale downstream verso l’utente (tipicamente < 10 Mbps)

• canale upstream verso il provider (tipicamente < 768 kbps)

Il collegamento non è “punto a punto”, e sul cavo viaggiano pacchetti appartenenti a diversi utenti (la banda passante dell’utente può ridursi notevolmente quando il traffico è alto)


Esercizi

1. Computare i coefficienti di Fourier per la funzione f(t) = t nell’intervallo [0,1].

2. Un canale senza rumore a 4000 Hz è campionato ogni millisecondo. Qual è il massimo data rate ottenibile?

3. I canali televisivi hanno larghezza di banda di 6 MHz. Quanti bit/sec possono essere inviati se viene utilizzato un segnale digitale a 4 stati? Si assuma il canale privo di rumore

4. Se un segnale è inviato attraverso un canale con frequenza massima 3000 Hz e rapporto segnale/rumore pari a 20 dB, qual è il massimo data rate ottenibile?

5. Quanta larghezza di banda abbiamo in 0.1 micron di spettro avente lunghezza d’onda di 1 micron?

6. Vogliamo inviare una sequenza video attraverso fibra ottica. Ogni immagine ha dimensione 640x480 pixel, ogni pixel necessita di 24 bits per essere codificato e vogliamo inviare 60 immagini al secondo. Quanta banda è necessaria e quanti micron di lunghezza d’onda per tale banda, se trasmettiamo con frequenza centrale di 1.30 micron?


Esercizi

7. Quanti codici per end office erano necessari prima del 1984, quando ognuno di essi era indicato tramite un numero codice di area a tre cifre e un codice locale anch’esso a tre cifre? I codici di area iniziavano con un numero in 2-9, avevano 0 o 1 in seconda posizione e finivano con 0-9. Le prime due cifre del codice locale erano in 2-9, mentre la terza in 0-9.

8. Un constellation pattern ha punti con coordinate (1,1), (1,-1), (-1,1) e (-1,-1). Quanti bps si possono raggiungere con un modem a 1200 baud?

9. In un constellation pattern tutti i punti giacciono su di una stessa circonferenza. Che tipo di modulazione realizza?

10. Tre reti di tipo packet-switching contengono ciascuna n nodi. La prima rete ha topologia a stella con un nodo centrale, la seconda ha topologia ad anello bi-direzionale, mentre la terza è completamente interconnessa. Determinare i casi pessimo, medio, ottimo nella comunicazione in termini di salti tra nodi?

11. In una rete per cellulari a celle esagonali, è vietato utilizzare la stessa banda in celle adiacenti. Se sono utilizzabili 840 frequenze totali, quante ce ne sono a disposizione per ciascuna cella?

Reti di Calcolatori a.a. 2005/06 Lezione 5

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