PROSPETTIVA STORICA
1800-1900
Alexander Graham Bell (1847-1922) inventa il fotofono (1880):
un segnale ottico viene modulato attraverso la riflessione su
una membrana posta in vibrazione da onde acustiche di
pressione in aria. Ancora, è un sistema di trasmissione in aria.
L’idea viene presto abbandonata.
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PROSPETTIVA STORICA
1923. Primo diodo ad emissione di luce (O. V. Lossew).
1934. Primo brevetto (AT&T) per un sistema di comunicazione
ottico guidato da un mezzo trasparente (vetro). Nasce il
concetto di fibra ottica, ma il vetro disponibile non è ancora
sufficientemente trasparente per permettere applicazioni
pratiche. Bisogna aspettare il 1960 per avere il primo sistema
assemblato in laboratorio con componenti pratiche.
1958. Primo laser a gas.
1962. Primo laser a semiconduttore.
1968-70. Abbattimento dell’attenuazione in fibre di vetro da
1000 dB/km a meno di 20 dB/km (brevetto Corning).
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PROSPETTIVA STORICA
Primi anni ’70. La contemporanea disponibilità di diodi laser e
fibre in vetro a bassa attenuazione porta allo sviluppo dei
sistemi di comunicazione ottica (telecomunicazione su
lunghissime distanze).
Anni ’80. La diminuzione dei costi di fibra e dei sistemi di
trasmissione/ricezione apre nuove campi di applicazione: Local
Area Networks, applicazioni audio HiFi, applicazioni
automobilistiche, strumentazione, sensoristica fisica e chimica.
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PROSPETTIVA STORICA
Vantaggi della fibra ottica rispetto a “spazio libero” e cavi
coassiali:
Vs. Spazio libero - Nessun problema di allocazione di banda o
restrizioni sul tipo di modulazione e potenza del segnale (il
numero di canali per la trasmissione via etere è fisicamente
limitato: oggi per possedere una trasmittente radio o TV
bisogna comprarla da chi già la possiede).
Vs. Cavo coassiale - Bassa attenuazione e elevata larghezza di
banda. La bassa attenuazione permette di ridurre sensibilmente
il numero di ripetitori (ripristinano il livello di potenza del
segnale). L’elevata larghezza di banda consente il passaggio
inalterato del segnale senza bisogno di equalizzazione.
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PROSPETTIVA STORICA
La fibra di vetro è un dielettrico:
• non risente di disturbi elettromagnetici esterni (Electro
Magnetic Interferences EMI). Nessuna interferenza o errore in
ambienti “difficili”, per esempio in presenza di motori elettrici
impulsati.
La radiazione è confinata all’interno della fibra:
• non è possibile intercettare le informazioni (militari, bancarie,
etc.) tramite accoppiamento induttivo (usato per i cavi in
rame).
• gestione del tipo segnale determinata in modo puramente
tecnico (nessuna agenzia di regolamentazione).
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PROSPETTIVA STORICA
Elevata sicurezza intrinseca:
•
impossibile provocare shock elettrico a persone, nessun pericolo di incendio per
scintillazione da arco voltaico (uso adatto ad ambienti saturi di sostanze chimiche
esplosive).
Ingombro e leggerezza:
•
un sistema di comunicazione a fibra ottica pesa circa 30 volte meno
dell’equivalente in cavi di rame.
•
una singola fibra può trasportare tutta l’informazione di un cavo formato da 900
coppie di filo di rame.
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PROSPETTIVA STORICA
Le fibre ottiche sviluppate nel corso degli anni appartengono a una serie di
generazioni legate strettamente alla lunghezza d’onda.
La curva superiore tratteggiata corrisponde ai primi anni ’80, quella a puntini
agli ultimi anni ’80, e quella a tratto continuo è relativa alle fibre attuali.
Le prime fibre furono sviluppate per
lavorare ad una lunghezza d’onda di circa
850 nm, che corrisponde alla prima
finestra (“first window”) in una fibra ottica
basata su silicio. Questa finestra si
riferisce ad una lunghezza d’onda che
presenta basse perdite ottiche e si trova
tra diversi picchi di assorbimento la cui
causa principale è il residuo di umidità
presente nel vetro della fibra e lo
scattering di Rayleigh.
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PROSPETTIVA STORICA
La regione intorno agli 850 nm fu inizialmente interessante perché la
tecnologia dei dispositivi emettitori di luce a quella lunghezza d’onda era già
ben consolidata.
Erano inoltre disponibili rivelatori al silicio a basso costo. Gli sviluppi
tecnologici successivi la resero meno appetibile, a causa del limite dovuto a
perdite relativamente alte in fibra (3 dB/km).
Molte industrie passarono alla
“seconda finestra” a 1310 nm con
attenuazioni più basse (0.5 dB/km).
Nel 1977, la Nippon Telegraph and
Telephone (NTT) sviluppò componenti
per la “terza finestra” a 1550 nm, che
offre le perdite minime per fibre basate
sul silicio: circa 0.2 dB/km.
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PROSPETTIVA STORICA
Attualmente sistemi a fibre ottiche a 850 nm, 1310 nm e 1550 nm sono
fabbricati e installati insieme a sistemi a basso costo per brevi tratte che
sfruttano la luce visibile intorno ai 660 nm.
Ciascuna lunghezza d’onda ha i suoi vantaggi; lunghezze d’onda elevate
offrono prestazioni migliori, ma a costi maggiori:
• I collegamenti (link) più corti possono essere realizzati con lunghezze
d’onda di 660 nm o 850 nm.
• I link più lunghi richiedono sistemi a 1550 nm.
• Una “quarta finestra” è in via di sviluppo, intorno ai 1625 nm; le perdite non
sono significativamente minori della terza finestra, ma può risultare molto
utile in sistemi di comunicazione a lunghezza d’onda multipla.
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PROSPETTIVA STORICA
Tra i primi a servirsi della fibra ottica, per le sue qualità di velocità e sicurezza,
furono i militari degli Stati Uniti.
Nei primi anni ‘70, l’U.S. Navy dotò di un sistema telefonico a fibre ottiche la
nave U.S.S. Little Rock.
Seguì l’Air Force che avviando il suo programma Airborne Light Optical Fiber
Technology (ALOFT) nel 1976.
I successi di queste applicazioni incoraggiarono il finanziamento di numerosi
programmi di ricerca per sviluppare fibre più resistenti, cavi adatti alle zone di
guerra, componenti ad alte prestazioni e numerose applicazioni dal campo
aeronautico fino ai sommergibili.
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PROSPETTIVA STORICA
Presto seguirono applicazioni commerciali.
Nel 1977 AT&T e GTE istallarono sistemi telefonici a fibre ottiche a Chicago e
Boston, rispettivamente. Queste applicazioni di successo condussero ad un
incremento delle reti telefoniche su fibra ottica.
All’inizio degli anni ’80 le fibre ottiche “single-mode”, operanti nelle finestre a
1310 nm e più tardi a 1550 nm, divennero lo standard per le reti telefoniche.
Inizialmente il mondo dell’Information Technology fu lento nell’assimilare I
sistemi a fibra ottica, oggi largamente usati per le loro doti di leggerezza,
resistenza alle scariche atmosferiche e sopratutto per l’elevata banda.
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PROSPETTIVA STORICA
L’industria del broadcasting e dello spettacolo abbracciò i sistemi a fibra
ottica:
Nel 1980, i gestori delle trasmissioni delle Olimpiadi Invernali di Lake Placid,
New York, richiesero un sistema di trasmissione video su fibra ottica come
sistema secondario di emergenza. Per la sua qualità e affidabilità, il sistema
di emergenza divenne il sistema primario, rendendo le Olimpiadi Invernali del
1980 il primo evento trasmesso su sistemi a fibra ottica. Più tardi, nel 1994, le
Olimpiadi Invernali di Lillehammer, Norvegia, divennero il primo evento di
video digitale trasmesso su fibra ottica.
A metà degli anni ’80, il governo degli Stati Uniti “deregolamentò” il servizio
telefonico, permettendo a piccole compagnie di competere con il gigante
AT&T. Compagnie come MCI e Sprint rapidamente si resero operative
istallando ovunque reti regionali a fibre ottiche. Avvantaggiandosi di linee
ferroviarie, gasdotti, etc. queste compagnie stesero migliaia di chilometri di
fibre ottiche per tutti gli anni ’80.
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PROSPETTIVA STORICA
E tuttavia sono ancora richiesti progressi tecnologici.
Nel 1990, i Bell Labs trasmisero segnali a 2.5 Gb/s per una tratta di 7,500 km
senza rigenerazione. Il sistema utilizzò un laser a solitoni e un amplificatore
ottico all’Erbio (Erbium-Doped Fiber Amplifier, EDFA) che permise al segnale
di giungere sufficientemente indistorto a destinazione.
Nel 1998, ricercatori dei Bell Labs riuscirono a trasmettere 100 segnali ottici
simultanei, ciascuno alla velocità di 10 Gb/s su una distanza di 400 km. In
questo esperimento una tecnica detta Dense Wavelength-Division
Multiplexing (DWDM) permette di combinare segnali a diverse lunghezze
d’onda in un unico segnale ottico, incrementando il tasso totale di
trasmissione di una singola fibra fino 1 Terabit per secondo (1012 bit per
secondo).
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PROSPETTIVA STORICA: TENDENZE
Oggi, la tecnologia DWDM continua ad essere sviluppata. Come la domanda
di incremento di larghezza di banda per il traffico dati cresce, spinta dalla
fenomenale crescita di Internet, sempre più si fa sentire l’esigenza di passare
a reti di comunicazione basate su fibra ottica.
Oggi, ma probabilmente si tratta di
dati già superati, più di mezzo
miliardo di persone accede a Internet
regolarmente. Circa 40 milioni di
case sono collegate a Internet. Il
world wide web ospita già più di 2
miliardi di pagine web, e
quotidianamente vengono aggiunte
circa 3.5 milioni di nuove pagine web.
Proiezione dell’incremento del traffico
Internet
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PROSPETTIVA STORICA: TENDENZE
Il fattore importante in questo sviluppo è l’incremento della capacità di
trasmissione della fibra, che è cresciuta di un fattore 200 nell’ultimo
decennio. A causa dell’immensa larghezza di banda potenziale della
tecnologia a fibra ottica, 50 THz o più, esistono straordinarie possibilità di
applicazioni future.
Attualmente, si stanno portando nelle case servizi a larga banda, per i dati,
l’audio e sopratutto il video.
I servizi a larga banda disponibili
per il mercato di massa aprono la
possibilità di una larga varietà di
comunicazioni interattive per
consumatori e produttori, come
video-on-demand, banking,
shopping e l’insegnamento a
distanza interattivo.
Crescita della capacità di trasmissione della
fibra ottica
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RETI: CENNI
Una rete connette tra loro un certo numero di sistemi.
Lo scopo principale è permettere lo scambio di informazioni tra utenti.
La tipica struttura di una rete digitale consiste di link punto-punto che
connettono stazioni (per es. PC).
Reti analogiche possono connettere sensori e processori di segnale.
L’informazione può essere analogica (per es. reti telefoniche analogiche),
digitalizzata (per es. moderne reti telefoniche digitali, TV via cavo), oppure
dati (per es. data base).
L’informazione è spostata attraverso la rete in risposta alla richiesta di un
utente (per es. PC).
Il reale cammino dei dati attraverso i nodi della rete è controllato dalla rete
stessa.
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RETI: CENNI
Un collegamento punto-punto è una singola connessione all’interno di una
rete.
Il caso più semplice di link è un cavo tra due macchine, come un PC e una
stampante.
In questo caso minimo le attività di controllo della rete sono effettuate
direttamente da appositi circuiti presenti nel PC e nella stampante.
In grandi reti con centinaia di link le attività di rete sono eseguite da appositi
circuiti elettronici a sé stanti.
A livello intermedio, piccole reti di PC, apposite schede aggiuntive realizzano
le funzionalità di rete.
In tutti questi casi, ciascun link punto-punto connette esattamente due
stazioni.
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RETI: CENNI
Un collegamento punto–punto realizza due funzioni:
• Traduce i dati in segnali fisici.
• Trasferisce questi segnali tra due stazioni.
Esempio: un trasmettitore Ethernet traduce i dati digitali in livelli logici di tensione, e
quindi trasmette i segnali di tensione lungo un cavo ad un ricevitore Ethernet, il quale
converte questi segnali nuovamente in dati digitali. I circuiti elettronici di controllo nelle
due stazioni forniscono gli opportuni segnali di controllo che indicano quando un dato
può essere trasmesso, quando una stazione è pronta a ricevere un dato, quando una
trasmissione e la conseguente ricezione è stata completata.
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RETI: CENNI
Trasmettere una elevata quantità di dati in un breve intervallo di
tempo richiede un sistema dotato di una elevata larghezza di
banda.
Ciò può essere fatto utilizzando:
• Un singolo link punto-punto con elevata larghezza di banda.
• Link multipli ciascuno con banda ridotta.
Esempio: un carattere ASCII costituito da 8 bit può essere trasmesso come 8 bit
seriali su un singolo filo (un bit dopo l’altro), oppure in parallelo usando 8 fili, uno per
ogni bit. A parità di velocità di trasmissione, la banda del collegamento singolo deve
essere 8 volte la banda degli 8 collegamenti in parallelo.
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RETI: CENNI
All’aumentare della velocità di trasmissione dei dati, aumenta la probabilità di
errore. La probabilità di errore di collegamenti a fibra ottica è notevolmente
inferiore a quella di collegamenti con cavi di rame (doppino, cavo coassiale,
etc.) a parità di velocità di trasmissione.
Esempio: una fibra ottica è in grado di trasportare più di 5000 conversazioni
telefoniche simultanee, contro la singola conversazione trasportabile su un doppino
telefonico (twisted pair wiring).
Un collegamento può essere sia in cavo che in fibra ottica, a patto che i
requisiti elettrici di interfaccia siano soddisfatti.
Gli standard di interfaccia definiscono:
• Livelli di segnale in tensione (o corrente)
• Temporizzazione
• Segnali di controllo.
L’implementazione fisica del link è trasparente per il computer, il sistema
operativo e per l’utente finale.
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RETI: CENNI
Il Reference Model of Open System Interconnect (OSI), sviluppato
dall’International Standards Organization, fornisce un quadro dove inserire le
varie questioni che riguardano l’implementazione delle reti.
Il modello di riferimento consta di 7 livelli
Layer
Function
1 Application
User software interface
2 Presentation
Library software, system routines
3 Session
Communication software to network
4 Transport
System software, data formatting
5 Network
Network software, packet preparation
6 Data Link
Network software, data transmission,
error recovery
7 Physical Link
Electrical interface, bit stream
transmission
Interazione con l’utente
Software di sistema del computer
Interfaccia tra il sistema dell’utente
e la rete
Servizi per formattare l’informazione
in pacchetti
Modalità di istradamento dei
pacchetti attraverso la rete
Segmentazione dei pacchetti in frames,
modalità di correzione dell’errore, segnali
di acknowledgment ed eventuale
ritrasmissione di frames non
correttamente ricevuti
Standard dell’interfaccia hardware
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RETI: CENNI
Molti standard di reti si riferiscono agli ultimi 3 o 4 livelli del modello OSI.
Non sempre i livelli in cui è suddivisa una rete, specialmente se si tratta di
rete proprietaria, corrispondono ai livelli OSI.
Le caratteristiche chiave di rete al livello di Physical Link (layer 7) sono:
• Topologia della rete
• Modalità di accesso alla rete
• Formato del segnale
• Velocità di trasmissione dati.
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RETI: CENNI
Esempio
Ethernet: Protocollo basato sullo standard IEEE 802.3 per trasmissioni a
10 Mb/s per Local Area Network (LAN) tipo bus, con verifica di presenza della
portante, ad accesso multiplo e gestione della collisione (carrier sense
multiple access with collision detection CSMA/CD). Lo standard Ethernet
permette di usare differenti supporti fisici per la trasmissione: cavi coassiali,
doppino non schermato, fibre ottiche.
L’accesso multiplo con collisione permette che una stazione trasmetta ogni
volta che il bus è libero
Se due stazioni iniziano la trasmissione nel medesimo istante, entrambe
cessano di trasmettere e aspettano un intervallo di tempo di durata casuale
prima di ritentare la trasmissione.
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RETI: CENNI
Le topologie “logiche” comunemente utilizzate per le reti sono tre:
• Bus (p. es. Ethernet)
• Ring (anello) (p. es. Token Ring dell’IBM)
• Star (stella) (p. es. PC collegato con le sue periferiche)
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RETI: CENNI
I metodi di accesso comunemente utilizzate per le reti sono tre:
• Gestione della collisione: ogni volta che la rete è libera, la stazione che ha
bisogno di comunicare tenta la trasmissione. Se si verifica una collisione,
cioè un’altra stazione ha iniziato la trasmissione nel medesimo istante, il
conflitto viene risolto seguendo regole predeterminate.
• Token (gettone): una rete ad anello con token richiede che ogni stazione
rimanga in attesa finché non riceve il token (un pattern convenzionale di bit
che indica che la rete è libera).
• Star: in una rete a stella la comunicazione è sotto il controllo di una stazione
centrale.
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RETI: CENNI
Un Link punto-punto può essere implementato con un cavo, con un ponte a
microonde, con una fibra ottica o con qualunque altra tecnologia.
L’implementazione “fisica” è trasparente per i livelli software superiori.
Il livello fisico è “insensibile” alle caratteristiche “logiche” dei dati.
Esistono reti di tipo “ibrido”.
Esempio: una rete con distanze largamente variabili tra stazione e stazione
può servirsi di cavo per nodi (stazioni) distanti meno di 500 m e fibra ottica
negli altri casi.
Una rete ibrida fornisce il rapporto migliore costi/prestazioni per alcune
applicazioni, ma può avere elevati costi di progetto e manutenzione.
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RETI: CENNI
Una caratteristica chiave dei collegamenti punto-punto è:
• Trasmettitore e ricevitore alle due estremità del link si devono
basare sulla stessa tecnologia (cavo, fibra ottica, etc.)
• L’interfaccia elettrica con i circuiti logici della stazione è
normalmente la stessa (TTL, CMOS o ECL)
• Tipicamente la tipologia fisica dei connettori è la stessa (BNC,
RJ45, etc.)
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RETI: CENNI
Tecniche di codifica
Scopo: sovrapporre informazione su una “portante”.
Nella televisione, un segnale analogico con larghezza di banda di 5 MHz
modula in ampiezza una portante a 500 MHz. L’alta frequenza della portante
permette al segnale di essere trasmesso attraverso lo spazio libero e
distribuito ad una ampia regione (broadcasting: un trasmettitore, molteplici
ricevitori, tipicamente a senso unico).
Nelle reti telefoniche, il segnale vocale analogico è digitalizzato e trasmesso
sul cavo modulando un segnale di corrente o di tensione. Molteplici linee
telefoniche possono essere multiplexate numericamente e trasmesse su un
singolo collegamento in fibra ottica. In tal caso la portante ottica (luce) ha una
frequenza intorno ai 2 x 1014 Hz (λ = 1500 nm) (ogni trasmissione è distinta,
no broadcasting).
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RETI: CENNI
Temporizzazione: Problema importante per le comunicazioni su lunga
distanza
Nelle trasmissioni televisive è incluso un segnale di sincronizzazione.
Nelle reti telefoniche, la tecnica di multiplexing a divisione di tempo richiede la
sincronizzazione con un base tempi comune o segnale di “clock”.
Il recupero dell’informazione di temporizzazione dai dati è chiamato
sincronizzazione o clock recovery.
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RETI: CENNI
Nelle reti più piccole, per esempio internamente ad un computer, la
temporizzazione è realizzata prevedendo una linea di clock separata dalle
linee dati.
Nelle reti più grandi, per ragioni economiche, non è mai previsto un segnale
separato di sincronizzazione. Infatti è molto costoso prevedere una linea di
temporizzazione su lunghe distanze, mentre è moto più economico
incorporare la temporizzazione nella codifica dei dati.
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