Introduzione alle Reti Telematiche

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Introduzione alle reti telematiche
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INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 1
Reti telefoniche: cronologia
Reti telefoniche: cronologia
•
•
•
•
•
•
• 1938: relè
• anni 60: elaboratori elettronici per il controllo delle
centrali (a programma registrato)
• 1964: prima centrale a controllo elettronico
(Succasunna - USA - ESS1)
• 1975: prima centrale interamente elettronica
(Chicago - ESS4)
• anni 80: segnalazione a canale comune, ISDN,
telefonia cellulare analogica
• anni 90: rete intelligente, Internet, telefonia
cellulare numerica
1837: codice Morse
1876: brevetto del telefono di Bell
1891: brevetto selettore Strowger
1894: prima centrale elettromeccanica
1895: esperimenti radio di Marconi
1923: primo servizio interurbano
automatico elettromeccanico (Baviera Siemens)
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INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 3
Reti per dati: cronologia
INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 4
Reti per dati: cronologia
• 1984: Introdotti DNS e USENET
• 1985: FDDI
• 1990: Tim Berners-Lee (CERN) presenta
documento (ignorato) sull’Information
Management attraverso ipertesti. Il nome del
progetto va scelto tra “Information Mine”,
“Information Mesh” e “World Wide Web”
• 1993: il traffico Web è solo l’1% del traffico totale
Internet ...
• 1969: ARPANET (primo RFC: Host software)
• 1971: ARPANET: 15 nodi e 23 host. Posta
elettronica.
• 1973: Prima specifica FTP
• 1973: Prima specifica TCP
• 1976: Ethernet ed X.25
• 1980: OSI
• 1982: Token ring IBM
• 1982: TCP e IP sono definiti come protocolli di
riferimento di Internet (operativi da 1/1/83)
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INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 2
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Pag. 1
INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 6
Introduzione alle Reti Telematiche
Reti per dati: cronologia
• 1997: nasce Internet2, per la sperimentazione di
applicazioni e tecnologie di rete avanzate
• 1999: applicazioni peer-to-peer per lo scambio di
file (MP3, video) direttamente tra utenti (senza
passare da server): Napster, Gnutella, Kazaa
Servizi e funzioni nelle reti di
telecomunicazione
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Formalizziamo ciò che sappiamo già
ITU-T
• Comunicazione: trasferimento di informazioni
secondo convenzioni prestabilite
• Telecomunicazione: qualsiasi trasmissione e
ricezione di segnali che rappresentano segni,
scrittura immagini e suono, informazioni di
qualsiasi natura, attraverso cavi, radio o altri
sistemi ottici e elettromagnetici
• Diamo qualche definizione tratta dal “Blue Book”
del CCITT (Raccomandazione I.112)
– CCITT: The International Telegraph and Telephone
Consultative Committee della International
Telecommunication Union (ITU). Dal 1994 il CCITT ha
preso il nome di ITU-T
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INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 9
Esempio
INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 10
ITU-T: definizioni
• Gli apparecchi telefonici sono terminali di utente
collegati a una rete che fornisce servizi di
telecomunicazione
• Servizio di telecomunicazione: ciò che viene
offerto da un gestore pubblico o privato ai propri
clienti al fine di soddisfare una specifica esigenza
di telecomunicazione
• Funzioni in una rete di telecomunicazioni:
operazioni svolte all’interno della rete al fine di
offrire i servizi
RETE
DI
TLC
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Pag. 2
INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 12
Introduzione alle Reti Telematiche
Funzioni: esempio
Funzioni: esempio
• Sollevando il microtelefono si indica alla rete
l’inizio di una procedura di chiamata
• Bisogna poi attendere il tono di centrale
TU - TU
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Funzioni: esempio
INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 14
Funzioni: segnalazione di utente
• Mediante il disco combinatore o la tastiera si
indica alla rete l’interlocutore desiderato
• Il trasferimento delle informazioni di controllo tra
utente e rete si chiama SEGNALAZIONE DI
UTENTE
011 8935649
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INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 15
Definizione ITU-T
Funzioni: commutazione
• La rete individua le risorse necessarie per
collegare i due utenti e stabilisce un circuito
• Segnalazione: lo scambio di informazioni che
riguardano l’apertura, il controllo e la chiusura di
connessioni e la gestione di una rete di
telecomunicazione
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Pag. 3
INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 18
Introduzione alle Reti Telematiche
Definizione ITU-T
Funzioni: segnalazione di rete
• Commutazione: il processo di interconnessione di
unità funzionali, canali di trasmissione o circuiti di
telecomunicazione per il tempo necessario per il
trasferimento di segnali
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• La costruzione di un circuito richiede scambio di
informazioni di controllo internamente alla rete
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Funzioni: esempio
Funzioni: esempio
• Agli albori della telefonia la segnalazione
avveniva via voce e la commutazione era
manuale
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• Agli albori della telefonia la segnalazione
avveniva via voce e la commutazione era
manuale
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INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 21
Funzioni: esempio
INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 22
Funzioni: trasmissione
• Agli albori della telefonia la segnalazione
avveniva via voce e la commutazione era
manuale
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INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 20
• I due utenti possono comunicare
Ciao,
come stai
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Pag. 4
INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 24
Introduzione alle Reti Telematiche
Definzione ITU-T
Funzioni: esempio
• Al termine della conversazione il circuito
viene rilasciato
• Trasmissione: il trasferimento di segnali da un
punto a uno o più altri punti
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INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 25
Funzioni in una rete di
telecomunicazione
Funzioni: gestione
• Allacciamento nuovi utenti: modifica o aggiunta
apparati e/o canali
• Evoluzione tecnologica: sostituzione apparati
• Riconfigurazione per guasti
• Monitoraggio prestazioni
• Controllo apparati
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INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 26
•
•
•
•
SEGNALAZIONE
COMMUTAZIONE
TRASMISSIONE
GESTIONE
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INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 27
INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 28
Rete di telecomunicazione
• Definizione:
– un insieme di nodi e canali che fornisce un collegamento tra
due o più punti per permettere la telecomunicazione tra essi
Topologie delle reti di
telecomunicazione
• Si chiama nodo un punto in cui avviene la
commutazione
• Si chiama canale un mezzo di trasmissione
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– Il canale può essere
• unidirezionale
• bidirezionale
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Pag. 5
INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 30
Introduzione alle Reti Telematiche
Tipi di canale
Tipi di canale
• Canale Punto-Punto
• Due soli nodi collegati agli estremi del canale
che viene utilizzato in modo paritetico
• Canale Multi-Punto
• Più nodi collegati ad un unico canale: un
nodo master e numerosi slave
Master
A
B
Slave
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INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 31
Topologie delle reti di
telecomunicazione
Tipi di canale
• Canale Broadcast
• Un unico canale di comunicazione, condiviso
da tutti i nodi
• L’informazione inviata da un nodo è ricevuta
da tutti gli altri
• I dati trasmessi devono contenere l'indirizzo
del nodo destinazione
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• La disposizione di nodi e canali definisce la
topologia della rete di telecomunicazione
• Una topologia di rete è definita da un grafo
G=(V,A)
– V = insieme dei vertici (raffigurati da cerchi - nodi)
– A = insieme degli archi (raffigurati da segmenti canali)
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Topologie delle reti di
telecomunicazione
INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 34
Topologie a maglia completa
• C = N(N-1)/2
• Vantaggio: tolleranza ai guasti (molti
percorsi tra due nodi)
• Svantaggio: elevato numero di canali
A
• Esistono molti percorsi alternativi, ma
B
E
un solo percorso diretto (1 solo canale)
• Esiste una scelta ovvia di percorso a
D
C
minima distanza
• È usata solo quando i nodi sono pochi
(nodi di commutazione nazionali nella
rete telefonica)
• Gli archi possono essere:
– diretti (segmenti orientati - canali unidirezionali)
– non diretti (segmenti non orientati - canali
bidirezionali)
• Definiamo:
– N= |V|
– C= |A|
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INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 35
Pag. 6
INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 36
Introduzione alle Reti Telematiche
Topologia ad albero
• C = N-1
• Svantaggio: vulnerabilità ai
guasti (solo un percorso tra due
nodi)
• Vantaggio: basso numero di
canali
• È usata per ridurre i costi e
semplificare la stesura dei canali
• Esiste una sola scelta di
percorso tra ogni coppia di nodi
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Topologia a maglia
• N-1 < C < N(N-1)/2
• Svantaggio: topologia non regolare
• Vantaggio: tolleranza ai guasti e
numero di canali selezionabile a
piacere
• Instradamento complesso: esiste
un elevato numero di percorsi
alternativi
• È la più usata (Internet, telefonia)
A
B
E
D
C
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INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 37
Topologia ad anello
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Topologia a bus
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D
C
INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 38
Topologia ad anello
INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 39
• C=N-1 per il bus attivo (caso
particolare di albero)
• C=1 per il bus passivo
• Esiste una sola scelta possibile di
percorso tra ogni coppia di nodi
• Usata in reti locali e
metropolitane
B
• C=N/2 per l’anello unidirezionale
• C=N per l’anello bidirezionale
• È molto usata in reti locali e metropolitane e per costruire
topologie magliate (SDH)
• Esistono uno o due percorsi possibili per ogni coppia di nodi
• Può essere unidirezionale o bidirezionale
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A
E
INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 40
Topologia logica e fisica
• Bisogna distinguere:
– topologia logica: definisce l’interconnessione tra
nodi mediante canali
– topologia fisica: tiene conto del percorso dei mezzi
trasmissivi
A
B
E
D
C
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Pag. 7
INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 42
Introduzione alle Reti Telematiche
Topologia fisica
Topologia logica
A
B
A
B
C
D
C
D
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INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 43
INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 44
Condivisione di canale
• Condivisione di canale tra diversi flussi di
informazione in una rete di TLC
Modi di trasferimento nelle reti di
telecomunicazioni
– Multiplazione: se tutti i flussi sono disponibili in
un unico punto
– Accesso multiplo: se i flussi accedono al canale
da punti differenti
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Multiplazione di frequenza
(FDM – FDMA)
Condivisione di canale
• Per eseguire queste
funzioni si possono
utilizzare:
– Frequenza (FDM - FDMA)
– Tempo (TDM - TDMA)
– Codice (CDM - CDMA)
– Spazio
INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 46
• Separazione ottenuta usando bande di frequenza
diverse
• Servono bande di guardia
f
f
canale
t
t
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Pag. 8
INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 48
Introduzione alle Reti Telematiche
Multiplazione di codice
(CDM – CDMA)
Multiplazione di tempo (TDM – TDMA)
• Separazione ottenuta usando intervalli di tempo diversi
• Servono trame temporali che si ripetono
• Servono tempi di guardia
• Separazione ottenuta usando codici diversi
• Servono codici riconoscibili
c
f
f
t
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t
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INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 49
Multiplazione di codice
(CDM – CDMA)
Multiplazione di codice (CDMA)
• La separazione tra i flussi è ottenuta usando
codifiche diverse
f
– Servono codici riconoscibili (ortogonali)
• I flussi non vengono separati né nel tempo né in
frequenza, ma sfruttando segnali ortogonali.
• Si ottiene migliore protezione dai disturbi.
• L’operazione di ricezione è il prodotto scalare tra
segnale ricevuto e sequenza di codice,
normalizzando rispetto al numero di bit della
sequenza di codice
t
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INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 50
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INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 51
INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 52
Multiplazione di spazio
Multiplazione statistica
• Le reti permettono di sfruttare la diversità
spaziale del sistema per far coesistere più flussi
di informazione in punti diversi
• L’instradamento può cercare di sfruttare una
multiplazione di spazio per aumentare la capacità
di una rete
• Il progetto della topologia della rete può cercare
di aumentare la diversità spaziale
• Le “celle” sono un esempio di diversità spaziale
• La multiplazione nelle dimensioni tempo,
frequenza (o lunghezza d’onda), codice e spazio
può essere predeterminata (sulla scala
temporale della dinamica delle connessioni) o
statistica (funzione delle variazioni “istantanee”
di traffico)
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INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 53
Pag. 9
INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 54
Introduzione alle Reti Telematiche
Condivisione di un nodo
Commutazione
• Definizione ITU-T: il processo di
interconnessione di unità funzionali, canali di
trasmissione o circuiti di telecomunicazione
per il tempo necessario per il trasferimento di
segnali
• E’ il processo di allocazione delle risorse di
rete necessarie per il trasferimento
dell’informazione
• Condivisione di un nodo tra diversi flussi di
informazione in una rete di TLC:
– Commutazione di circuito: se i flussi sono continui
(telefonia)
– Commutazione di pacchetto e cella: se i flussi sono
intermittenti (trasmissione dati)
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INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 55
Commutazione di circuito
Commutazione di circuito
• La rete usa le risorse disponibili per allocare un
circuito a ogni richiesta di servizio
• Un circuito costituisce un collegamento fisico tra i
due terminali di utente
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• Il circuito è di uso esclusivo dei due utenti per
tutta la durata della comunicazione
• Le risorse sono rilasciate solo al termine della
comunicazione, su indicazione degli utenti
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INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 57
Commutazione di circuito
U1
N1
INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 58
Commutazione di circuito
N2
U2
Esempio: rete telefonica
• impegno
• trasferimento dati
• svincolo
Un circuito costituisce un collegamento fisico tra i
due terminali di utente
5. Trasmette dati
4. Chiamata accettata
1. Inizia chiamata
t
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t
t
6. Riceve dati
3. Accetta chiamata
2. Chiamata in ingresso
t
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INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 59
Pag. 10
INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 60
Introduzione alle Reti Telematiche
Struttura di nodo di rete a
commutazione di circuito
Commutazione di circuito
• Vantaggi:
interfaccia
di
ingresso
Rete
di
connessione
– banda costante garantita
– ritardi di trasferimento costanti
– trasparenza del circuito (formati, velocità, protocolli)
– bassi ritardi nell’attraversamento dei nodi
interfaccia
di
uscita
comando
Segnalazione
Sistema
di
comando
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Segnalazione
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INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 61
Commutazione di circuito
Commutazione di pacchetto
• Svantaggi:
• Non si allocano risorse per l’uso esclusivo di
due o più utenti.
• Studiata espressamente per sorgenti
intermittenti.
• Funzionamento analogo al sistema postale.
– risorse dedicate a una comunicazione
– efficienza buona solo per sorgenti non intermittenti
– tempo di apertura del circuito
– nessuna conversione di formati, velocità, protocolli
– tariffazione in base al tempo di esistenza del circuito
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INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 63
Commutazione di pacchetto
• L’informazione da trasferire è organizzata in
unità dati (PDU) che comprendono informazione
di utente e di controllo
• PDU = protocol data unit (unità dati)
• PCI = protocol control information (controllo)
• SDU = service data unit (informazione di utente)
P.T .
P.T.
P.T.
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INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 64
Commutazione di pacchetto
• Funzionamento analogo al sistema postale.
INDIRIZZO
INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 62
PCI
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Pag. 11
SDU
INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 66
Introduzione alle Reti Telematiche
Commutazione di pacchetto
Store and forward
• Unità dati è una terminologia ISO.
• Altri termini utilizzati:
• Modo di funzionamento dominante:
– occorre disporre dell’intestazione prima di poter
effettuare l’instradamento
– l’instradamento richiede tempo
– occorre qualche forma di protezione da errori
sull’intestazione
– le diverse capacità dei mezzi trasmissivi non
vengono suddivise in canali uguali
– Pacchetto (packet)
– Cella (cell)
– Datagramma (datagram)
– Segmento (segment)
– Messaggio (message)
– Trama (frame)
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INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 67
Commutazione di pacchetto
• Nascono delle contese
Commutazione di pacchetto
• Sistema postale
– Si risolvono tramite
memorizzazione
INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 68
• In caso di congestione la rete scarta
pacchetti
• Occorre prevedere dei meccanismi di
ritrasmissione per offrire servizi affidabili
– Se il furgone è pieno, il
pacco rimane in ufficio
(e parte con il prossimo
furgone)
Commutatore
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INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 69
Commutazione in Internet
INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 70
Commutazione di pacchetto
• Le unità dati vengono consegnate alla rete
• Ogni nodo:
– memorizza il pacchetto
– elabora il pacchetto e determina il canale su cui
inoltrarlo
– mette il pacchetto in coda per la trasmissione sul
canale
• risoluzione delle contese nel dominio tempo, basata
su multiplazione statistica, memorizzazione e
perdite
• un pacchetto occupa (per intero) un solo canale per
volta
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• Funzionamento store and forward
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Pag. 12
INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 72
Introduzione alle Reti Telematiche
Struttura di nodo di rete a
commutazione di pacchetto
interfaccia
di
ingresso
• Memorizzazione:
• L’informazione di utente può dover essere
frazionata in molti pacchetti
• Pacchetti di dimensione fissa o variabile
interfaccia
di
uscita
Code
di
uscita
Memoria
Commutazione di pacchetto
Elaborazione
– alle uscite
– agli ingressi
– mista
PCI
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INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 73
Commutazione di pacchetto
U1
N1
N2
SDU
INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 74
Commutazione di pacchetto
U2
• La lunghezza dei pacchetti è determinata da
– possibilità di parallelizzazione (pipeline)
– ritardo di pacchettizzazione
– percentuale di informazione di controllo
– probabilità di errore
• Pacchetti corti riducono la probabilità di errore
t
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t
t
t
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INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 75
Commutazione di pacchetto
INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 76
Commutazione di pacchetto
• Vantaggi rispetto alla commutazione di circuito
• Svantaggi rispetto alla commutazione di circuito
– utilizzazione efficiente delle risorse anche in
presenza di traffico intermittente
– possibilità di controllo di correttezza lungo il percorso
– possibilità di conversioni di velocità, formati,
protocolli
– tariffazione in funzione del traffico trasmesso
– difficile ottenere garanzie di banda
– elaborazione di ogni pacchetto in ogni nodo
– ritardo di trasferimento variabile
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INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 77
Pag. 13
INTRODUZIONE ALLE RETI TELEMATICHE - 78