Universit degli Studi di Trieste Piazzale Europa 1, 34100 Trieste Facolt di INGEGNERIACorso di Laurea in INGEGNERIA INFORMATICA Anno Accademico 2003/2004 Reti di telecomunicazioni Studente: Giorgio Davanzo giorgio.davanzo@gmail.com Docente: Prof. Alberto Bartoli RETI DI TELECOMUNICAZIONI I partedi Giorgio DAVANZOPARTE GENERICA:Rete:chetrasferisceinformazioni daunasorgenteadundestinatario; compostada nodi ecollegamenti; la comunicazione avviene dopo aver attivato una connex tramite commutazione (rete telefonica, ricorda operatori nellecentrali). Sipresentano dueproblemiprincipali:incremento della complessit,automatizzazione. Prob troppo complesso: diviso in prob pi semplici. Questo porta ad architettura a livelli. Questo porta anche alla creazionedi protocolli: regoleche stabla modalit con cui avviene la connex.Protocol stack: insieme dei protocolli che definisce la funzionalit di un sistema di comunicazione. Funzioni: ogni livello ha i suoi compiti (controllo errore, controllo flusso, routine [def percorso], gestione accesso condiviso, connex, trasporto [QoS], formato trasmissione, caratteristiche fisiche, informazione [quale formato]). Standard:- ITU[international telecommunication union]: ITU-Ttelecomunicazioni, ITU-Rradiocomunicazioni. No norme ma raccomandazioni per i costruttori; protocollo ATM;- IEEE [international electrician electronic engineers]: standard Ethernet;- ISO [international standard organisation]: legifera attraverso organismi nazionali; standard OSI (7894);- ETSI [european telecomunication standard institute]: standard GSM;- IETF [internet engineering task force]: standard TCP/IP;OSI:idea,protocolliper tutte leesigenze,no successo. Defin modello e terminologia [protocollo] chetutti seguirono. Secondo OSI esistono 7 liv per una comunicazione:applicazione[che cosa, quale];presentazione [formato];sessione[connessione];trasporto[qualit];rete[percorso];collegamento[struttura];fisico [caratteristichedel segnale]. Defin inoltreservizio: insiemefunzioni svoltedaunlivello.Primitivedi servizio:attivano ilservizio, sono comandi.Internet no livelli presentazione e sessione [usa protocollihttp, smtp, ftp, tcp, udp. Nel collegamento tra due utenti entrambi devono utilizzare gli stessi protocolli [collegamento e liv fisico]. Lo scambio inizia con una request effettuata da una primitiva con parametri e SDU [service data unit]. Ogni livello associa alla PDU [protocol data unit] il proprio envelope. PDUa + Et > PDUt + Er > PDUr + Ec > PDUc + Ef > PDUf. Il servizio pu essere confermato o affidabile [request > indication > response > confirmation], non completo o inaffidabile [il servizio si ferma con unindication remota, non viene mandata una response con confirmation: pu essere che la risposta implichi un tempo di attesa maggiore di quello del protocollo], servizio su iniziativa del fornitore [ se errori nel collegamento i livelli fisici avvertono gli altri livelli del mancato collegamento].Rete: due modalit servizio:- connection oriented:virtual circuit[X.25,ATM] percorsounico, pisemplice, mantiene lordine, numerazione pi semplice;- connection less: datagram [IP] pi di un percorso, si cerca la strada migliore, meno scambi [handshake];Commutazioni:- commutazionedi circuito: scambiotramitecircuitoelettricotrasorgenteedestinazione; esisteun insieme di risorse assegnato al trasferimento fin che dura; utilizza TDM, time division multiplexing;- commutazione di pacchetto: non ci sono risorse assegnate al trasferimento, avviene o in datagram o in virtual circuit;GSM: circuito; pro: banda garantita, ritardo noto [no jitter]; tempo reale, voce; tariffazione a tempo;GPRS: pacchetto; pro: uso di banda pi corretto; banda potrebbe essere dinamica; dati; tariffazione a traffico.Parametri Qualit of Service:- CC: ritardo poco, jitter poco, perdita poca, errore residuo dipende dalla qualit del collegamento;- CPVC: jitter molto, perdita poca;- CPD: jitter molto, perdita molta;Ritardo: intervallo di tempo tra linvio dellinformazione dalla sorgente al destinatario. Ritado di propagazione [dipende dalla rete], tempo di trasmissione [sempre calcolabile] (sono tempi ineliminabili), tempo di elaborazionedelnodo[controlloerrore, individuazioneuscita, preparazioneuscita], ritardocoda[attesadel rilascio slot, sempre presente in commutazione di pacchetto], ritardo trasmissione errata. Quando la trasmissione errata un nodo pu richiedere la ritrasmissione [ARQ].Topologia reti: modalit di collegamento dei nodi:- maglia completa: 2n nodi [centrali pi importanti, reti telefoniche];- maglia non completa: < 2n ridondanza limitata [rete telefonica, internet];- stella: nodo pi importante centro stella [radio mobile];1RETI DI TELECOMUNICAZIONI I parte- albero: non esistono percorsi alternativi, come in stella, il messaggio viaggia per tutta la rete [flooding, ethernet];- anello: minima maglia, unidirezionale o bidirezionale tramite loop back [ragionevolmente ridondante];- bus: mezzo condiviso, tutti vedono tutti, prob pi importante accesso multiplo [ricorda ethernet, cavo coax]Multiplazione: divisione organica e continuativa nel tempo delle risorse.Accesso multiplo: problema continuo da risolvere in modo distribuito.GSM: login ad accesso multiplo, utilizzo normale in multiplazione.Tipi di collegamento: unidirezionale [punto-punto], bidirezionale [punto-punto], broadcast [un trasmettitore, tanti ricevitori], multicast [da uno a pi, non tutti].Dialogo tra trasmettitori e ricevitori:- simplex: trasferimentoinuna direzione,esiste anche su collegamento bidirezionale [pensa adialogo unidirezionale];- half duplex: dialogo bidirezionale ma non simultaneo [uno interroga, laltro risponde];- full duplex: bidirezionale simultaneamente.Tipi pi importanti di reti [in base alla distanza]:- reti locali o LAN, < 1km, ethernet, bus, ring, stella o albero;- reti metropolitane MAN, decina di km, standard DQDB;- reti geografiche WAN, non limitate, internet o rete telefonica PSTN;- sistemi cellulari, non proprio rete, accesso a rete telefonica;- centralini, altro metodo di accesso, o PBX [private branch exchange].INGEGNERIA DEL TRAFFICO:Schematizzazionedi unnodo:unnodocompostodatreoggetti; unaseriedi richiestedi trasmissione (=traffico), unbuffer (nonsemprepresente), unaseriedi canali di trasmissione(=stazionedi servizio); la quantitdi bittrasmessi eil tempo di interarrivo (tempo tra una trasmissione e laltro) sono delleVariabili Aleatorie.Notazione Kendall:A / B / N / N+K / S A: descrizione probabilistica dei tempi di interarrivo B: descrizione probabilistica dei tempi di trasmissione (detti anche di servizio) N: numero dei canali di trasmissione K: numero di posti nel buffer S: numero di sorgentiSe S N+K il sistema senza perdite; se K=0 un sistema di pura perdita (es: centrali telefoniche); K= un sistema di pura attesa; S>N+K , N+K finito, K 0 si ha sia perdita che attesa (es: centralino domestico). Se si esclude un valore dalla notazione, allora si intende che quel valore infinito.Tempi: H: tempo di trasmissione W: tempo nel buffer T: tempo nel sistema = H+WPresenze: L: presenze nel buffer Y: presenze nella stazione di servizio X: presenze nel sistema = L+YMetodi di Gestione del Buffer: FIFO, LIFO, secondo prioritNotazioni: N(t) = conteggio = numero di richieste arrivate entro listante t ti+1 = tempo di interarrivo = tasso di arrivo; rappresenta il numero di arrivi nellunit di tempo Ti = tempo medio di interarrivo = +0Tidt f t FT(t) = P{prossimo arrivo avvenga entro t}; F(t)=

f()d ; f(t) = dF(t) / dtFunzioni Generatrici:2RETI DI TELECOMUNICAZIONI I parteF(z) = k=0..+ Pk . zk , con Pk = P{N(t)=k}F(z=1) = valor medioF(z=1) = E[N2(t)]N(t)Processo di Poisson: P{N(t)=k}=( )tke! kt valor medio = N(t) = t varianza = 2N(t) = E[N2(t)] - N(t) = t FT(t) = 1et fT(t) = et T = 1 / F(z) = et(z1)Processo Esponenziale di nascita e morte: es: la Catena di Markov M/M/N/N+K, che senza memoria e descrive, per esempio, le telefonate. = tasso di morte = servizi conclusi al secondo; = tasso di nascita = arrivi al secondo; = carico per servente = / N. se 1 non c equilibrio statistico x(t) = n = stato del sistema, cio numero di presenze nel sistema fT(t) = et fH(t) = et istante di rinnovo: il momento in cui il sistema si svuotato n = probabilit che il sistema si trovi nello stato nesimo = o i=0..n1 i / i+1 , n>0 o = += K N0 nn 1 01 n 1 0......1 n=0..N+Kn = 1Formula di Little: A(t) = richieste arrivate fino allistante t D(t) = richieste uscite dal buffer A(t) D(t) = L(t) = elementi presenti nel buffer allistante t PB = probabilit di blocco = (N+K N+K) / E[n] E[X] = n=1.. n n E[L] = E[W] E[n] E[n] = n=0..nn E[W] = E[L] / E[n] con n = traffico smaltito = n(1PB) E[H] = 1/ E[W] = E[T] E[H] E[T] = E[X] / E[n]Formula di ErlangC: valida per i sistemi a pura attesa (M/M/N/); descrive la probabilit che una richiesta trovi i serventi occupati e sia pertanto costretta ad attendere in coda; una funzione dipendente dal numero di serventi e dalla probabilit di attesa.Formula di ErlangB: valida per i sistemi a pura perdita (M/M/N/N); descrive la probabilit che una richiesta trovi i serventi occupati e sia pertanto respinta (o bloccata e quindi persa); una funzione dipendente dal numero di serventi e dalla probabilit di blocco.Caso M/G/1: il tempo di servizio non distribuito esponenzialmente. H = tempo di servizio; H2 = varianza = E[H2] (E[H])2 CH = H / E[H] = coefficiente di variazione del tempo di servizio Formula di PollaczekKhintchine:E[T] = = +2C 11 11) 1 ( 2] H [ E12H2; nellM/M/1 CH = 1 E[T] = 1 / (1)3RETI DI TELECOMUNICAZIONI I parte E[W]= ) 1 ( 2] H [ E2 = tempo di attesa medio nel buffer, in secondi r = velocit mezzo trasmissivo[bit/s] l = lunghezza pacchetto [bit], v.a. H = l/v E[H] = E[l] / r CH = ] l [ E] l [ E ] l [ E2 2 E[W] = 2C 112H+ E[T] = E[H]+E[W] = 1+E[W] v costante: CH = Cl = l / E[l] l costante: Cl = 0 = CH; E[W] = ) 1 ( 21) 1 ( 22 = Risultato notevole: n=0.. xn = 1 / (1-x)se |x| < 1 RETE TELEFONICA:Schema: Sulla backbone della PSTN (Public Switched Telecommunication Network), che fornisce vari servizi (Fax, voce, dati)esupportavarioggetti: centralini PBX(PublicBranchExchange, centralini domestici), terminali vocali,radio basi (punto di accesso per i cellulari), modem, MAN, LAN, xDsl (Digital Subscriber List). E dimensionata per il trasporto di voce ed usa la banda 300Hz20kHz.Codifica di voce: viene fatta con vari passaggi ed in modi diversi, eccone uno: filtraggio: viene usata solo la banda 300Hz3400Hz con campionamento: frequenza di campionamento fc=8kHz. quantizzazione: per non avere distorsioni servirebbero 212 livelli, ma sono troppi se ne usano 28 con unaquantizzazione non uniformee pi densa allorigine; unalternativa quella di quantizzarea 212 livelli e poi effettuare una compressione numerica.In ogni caso alla fine si ha un datarate di 64kBit/s. Nelle case, proprio il filtro iniziale che limita la velocit.Segnale analogico/digitale: tutto dipende da cosa viene trasmesso, perch il metodo di trasmissione lo stesso.Standard PCM: Pulse Code Modulation, 64kbit/s. In Europa di comprime con la legge A, USA con la legge . Altri standard oltre il PCM sono ADPCM (adaptative PCM) e CELP (Code Excited Linear Prediction).Qualit Toll: indica se un servizio abbastanza buono da essere pagato; viene misurata con prove di ascolto e dando dei voti, di cui si fa poi la media (Mean Opinion Score). Se MOS 4 allora TOLLGerarchia nella rete telefonica: i collegamenti utentiC(centrale) urbana del tipo a stella, cos come quelli CUC di rete urbana e CRUC di Settore; le CS invece possono anche essere connesse tra loro, cos come le C di distretto. Le C di compartimento e quelle Nazionali invece hanno un collegamento a maglia, non sempre totale. PDH:Gerarchia Digitale Plesincrona: un sistema di multiplazione. Flusso Primario: 32 canali (slot) di 125 s, 8 bit 64kb per canale2048Mbit/s. 30 canali sono per la fonia, mentre il 1 e il 16 sono di codifica. Vengono creati due tipi di trame: A e B.Slot 1 trama A: X10011011 Slot1 trama B: X11S1X2X3X4X5X6. I bit predefiniti servono a marcare linizio della trama (v.poi); i due X1 sono bit per uso internazionale(8kbit/s), S1(4bit/s) segnala errori di allineamento,Xn(4bit/s) sono per uso nazionale. Allineamento: significa trovare il primo slot della trama; per allinearsi vengono verificate per 5 volte la sequenza ABA e quando allineato inizia ad ascoltare il resto dei dati. Slot 16: 0000X1S2X2X3. S2 serve a mandare allarmi di fuori allineamento, Xn sono per uso nazionale. Efficienza: 30*64/2048Flusso Secondario: la multiplazione di 4 primari (tributari). Lavora a 8,448 Mbit/s, > di 4*2,048 perch i dati sonoparzialmenteasincroniinserimentobit di controllo.Latramalunga848bit edura0,1004 103s. Problema: 2,048 Mbit/s in quel tempo generano 205,6bit: non un numero intero!! allora il 60% delle trame 4RETI DI TELECOMUNICAZIONI I partepi lunga di un bit.Struttura della trama: 12 bit di inizio trama (10 fissi, due di errori) 200 bit (50/trib) MS 208 4 208 4 208 (51 o 52 bit/trib). MS sono 4 bit; il primo bit di ogni MS detto preavviso di stuffing: se num.0 > num.1 lultimo blocco ha 51 bit/tribi primi 4 bit sono ignorati, altrimenti sono letti. Efficienza:120*64/(8,448 103)Flusso Terziario: 4 terziari formano un flusso a 34,368 Mbit/s; anche qui ci sono 3 avvisi per luso del bit di stuffing. NB: ora un errore significa perdere 120 canali!FlussoQuaternario:4terziari formanounflussoa139,264 Mbit/s; ci sono 5bit diavvisodistuffing possibile sbagliarne 2 senza perdere lallineamento (prima: sbagliarne 2 = errore).Flusso Pentario: 4 tributari formano un flusso a 564,992 Mbit/s con 7680 canali telefonici.5 bit di avviso.Livello 1 2 3 4 5canali 30 120 480 1920 7680efficienza 30*64/2048 120*64/(8,448 103)480*64/34368 1920*64/139264 7680*64/564992lungh.trama 256 848 1536 2928 2688parola diallineam.x00110011x1xxxxxx1111010000 1111010000 111110100000 111110100000freq.max stuffing/tributario0 9,96 kHz 22,375 kHz 47,56 kHz 210,190 kHzProblemi: richiede molti rigeneratori, che introducono un ritardo allaumentare del bitrate (del livello) lefficienza cala la centrale deve fare l ADD & DROP: inserire i canali in un flusso veloce e pieno la centrale deve effettuare molte demoltiplicazioni /multiplazioni per estrarre/inserire un canale scarsa disponibilit di bit di segnalazioneSDH:Synchronous Digital Hierarcy, lavora con la fibra ottica. Vantaggi: visibilit diretta dei flussi tributari interfacce ottiche standard (compatibilit) protezione automatica (Automatic Protection Switching) Ampia disponibilit di bit ausiliari Maggiore efficienza Standard, secondo il modello OSI, per le funzioni di gestione/amministrazione/manutenzione/config. stima del tassi derrore mediante parit compatibile con il PDHTrama: vista come una matrice di BYTE con 270xN colonne e 9 righe e dura 125s; nel primario N=1 (155.52Mbit/s), secondario N=4(622.08Mbit/s), terziario N=16 (2448.32 MBit/s): ogni byte un canale a 64kbit/s. Le prime 9 colonne sono di segnalazione: le prime tre righe contengono Roverhead, la 4a aux pointer e le restanti sono di Moverhead. Efficienza:261/270 e non dipende da N. SOH: A1,A2 contengono la parola di allineamento; C1 indica la fine dei dati e linizio dellinformazione; Di sono di dati per informazioni tra le centrali; Fi sono informazioni non telefoniche (es: SMS); E1, E2 canali fonici per gli operatori delle centrali. B1, B2 sono per la parit. K1, K2: APS. Gestione APS dei guasti: la rete SDH fatta da un doppio anello in fibra ottica (2 cavi per direzione, 1 di servizio e uno di riserva). Se si interrompono i collegamenti tra due centrali, le due centrali che non comunicano pi creano il loopback chiudendo le linee di ingresso e di uscita. Quando il guasto riparato le centrali riattivano i collegamenti.Transitorio: non tutta la rete in SDH, ci sono ancora tratti in PDH. Anche nellSDH c un po di jitter si usa uno schema a puntatori, presente nella riga 4 dellSDH (auxpointer). il 1 e 4 byte indicano leffettivo inizio della trama, 789 sono i bytes che non sono rientrati nella trama.Virtual Container: la parte della trama contenente i dati (261 canali).5RETI DI TELECOMUNICAZIONI I parteCOMMUTAZIONE DI CIRCUITO:ci sono due modalit: Matrice temporale (T): dentro al nodo c una matrice che viene scritta in ordine sequenziale e letta con lordine opportuno; ad essa affiancata una Memoria di comando contente le informazioni per la lettura e creata in fase di composizione del numero. Matrice spaziale (S) o crossbar: gli slot temporali vengono collegati chiudendo opportuni interruttori; servono N2 contatti (N=numero ingressi)n = numero ingressi per centralino; N = numero ingressi; m = numero uscite per centralino; M=num. di uscitePer ridurre il numero di contatti su usano tipi diversi di matrice ottenendo una Struttura Multistadio o Rete.Rete a 3 stadi: N = r1 n; M=m r3. Per una rete a 3 stadi servono (n r2 (N/n)) 2 +r2(N/n)2 collegamenti = complessit della rete. Lo n che mi da la complessit minima n (N/2).Tipi di rete: pienamente accessibile: ogni ingresso pu essere collegato a ogni uscita non bloccante: sempre possibile collegare un ingresso libero con unuscita libera strettamente non bloccante: lassenza di blocco si ha senza modificare le connessioni esistenti rete di Clos: se r2 = n+m1 la rete detta di Clos;TRASMISSIONE DATI SULLA RETE TELEFONICA:Traslatore ibrido o Forchetta: presente in centrale e serve per convertire il doppino; il sistema non perfetto e crea uneco: mentre per la telefonia non un grosso problema (sotto i 100ms non udito) per i dati implica un ritorno di informazionierrori. Soluzioni: trasmettere in HalfDuplex cancellatore deco: un dispositivo inserito nel modem che permette di lavorare in full duplex, esclusa una fase di misura in cui lo strumento studia leco e regola lo strumento di correzione.Standard: V.21 300bit/s; V.9X 56000bit/s e studiato per connettere due PC in modo asimmetrico tramite un collegamento numerico. Il modem tradizionale limitato dal filtro 3003400Hz messo in centraleISDN:Integrated Services Digital Network. Si ha accesso diretto allinformazione numerica non viene pi campionata, compressa, ecc. Si rende visibile allutente un certo numero di canali possibile trasmettere dati e voce in contemporanea. Accesso secondario: 3 canali a 64kbit/s divisi in 2 canali B da 64kbit/s luno per il traffico, 1 canale D da16kbit/s per i dati e 1 canale di segnalazione a 48kbit/s lutente vede solo 144kbit/s usabili anche tutti insieme per la videoconferenza. Accesso primario: 32 canali a 64kBit/s; 30 B da 64kBit/s, 1 Dda 64kBit/s, 1 segnalazioni 64kbit/s.Tecnologie di accesso su rame: V.xx : modem in banda fonica, 0.3 / 56kBit/s DSL: Digital Subscriber Line, lISDN ad accesso base SDSL: Single line DSL, simmetrico, lISDN ad accesso primario ADSL: Asymmetric DSL,