Corso di Reti di Calcolatori
FDDI
backbone
global
server
switch uplink
SWITCH Ethernet
Prof. Orazio Mirabella
SWITCH Ethernet
HUB Eth. 10Base-T
HUB Eth. 10Base-T
HUB Eth. 10Base-T
HUB Eth. 10Base-T
HUB Eth. 10Base-T
HUB Eth. 10Base-T
porta Fddi
SWITCH Ethernet
HUB Eth. 10Base-T
HUB Eth. 10Base-T
HUB Eth. 10Base-T
TRASMISSIONE DEI SEGNALI
Tutti i sistemi di comunicazione comprendono tre principali
sottosistemi: Trasmettitore, Canale di trasmissione, Ricevitore.
Input
message
Source
Input
transducer
Input
signal
Transmitter
Trasmitted
signal
Trasmission
channel
Received
signal
Receiver
Output
signal
Output
message
Output
transducer
Destination
Distorsion
and noise
Problemi :
• La limitata larghezza di banda di un canale limita il numero di segnali
e produce “Intersymbol Interference”.
• Il rumore, l’attenuazione e lo sfasamento si accumulano durante
il percorso del segnale.
• Occorre evitare i loop di terra che possono indurre elevate
correnti nei cavi (uso di codifiche).
• Riflessione dei segnali.
1
FUNZIONI DEL PHYSICAL LAYER
• Operazioni di codifica e decodifica dei dati.
• Funzioni di modulazione e demodulazione (per la Larga Banda).
• Interfacciamento col mezzo fisico.
• Reiezione dei disturbi attraverso filtri.
• Fornire un canale con la larghezza di banda desiderata
e bassa frequenza di errore .
• Generare opportuni segnali di controllo per il DLL
(es. rivelazione di collisione).
• Connessione fisica al mezzo.
Rx -Data Rx -Clock
Tx-Control Rx -Control
Tx-Clock
Tx-Data
Data Link Layer
Symbols
Decoder
Encoder
Codes
Demodulator
Codes
Control
Clock
generator
Modulator
Physical
Layer
Band pass
filter
Filter
Medium interface
Medium attachment
Waveform
Medium
2
Basi Teoriche della Trasmissione Dati
•
L'informazione può essere trasmessa a distanza variando
opportunamente alcune caratteristiche fisiche del mezzo scelto per la
trasmissione. Variazione che si propaga, con una certa velocità lungo il
mezzo fisico di trasmissione e dopo un certo tempo arriva all'altra estremità
del mezzo, dove può essere rilevata.
•
Tipologie di mezzi trasmissivi:
ü Mezzi elettrici (cavi): il fenomeno fisico utilizzato per il trasporto del
segnale è l'energia elettrica.
ü Mezzi wireless (onde radio): il fenomeno fisico utilizzato è l'onda
elettromagnetica, una combinazione di campo elettrico e campo
magnetico variabile, che si propaga nello spazio e che induce a
distanza una corrente elettrica in un dispositivo ricevente (antenna).
ü Mezzi ottici (LED, laser e fibre ottiche): il fenomeno fisico utilizzato
è la luce. Si tratta dei mezzi più recenti, che hanno rivoluzionato il
settore della trasmissione dati.
•
Modalità di trasmissione:
ü Trasmissione di un segnale analogico.
ü Trasmissione di un segnale digitale.
•
Differenza fra un segnale analogico e uno digitale:
ü Il primo può variare gradualmente in un intervallo costituito da un
numero infinito di possibili valori.
ü Il secondo può variare solamente passando bruscamente da uno
all'altro di un insieme molto piccolo di valori (da due a qualche
decina).
•
Il fenomeno fisico utilizzato non è digitale ma analogico. Un segnale
non passa istantaneamente da un valore ad un altro, ma impiegherà un
certo tempo per effettuare la transizione, per cui un mezzo fisico non
riuscirà a fare arrivare un segnale digitale com‘era partito.
3
Analisi di Fourier (Analisi Armonica)
Una funzione sinusoidale(seno o coseno), è caratterizzata da :
ü Ampiezza, A: la differenza fra il valore massimo ed il minimo.
ü Periodo, T: la quantità T di tempo trascorsa la quale la funzione si ripete.
ü Frequenza: l'inverso del periodo f = 1/T, misurata in cicli al secondo
(Hz).
• Fourier
(matematico francese dell'800) dimostrò che una funzione g(t),
definita in un intervallo T, può essere espressa come una somma di un
numero infinito di funzioni sinusoidali:
g(t) =
∞
1 ∞
c ∑ a n sen(2 ð nft) + ∑ b n cos(2 ð nft)
2 n= 1
n =1
dove :
ü f = 1/T è la frequenza fondamentale
ü an e bn sono le ampiezze dell'ennesima armonica (o termine), che
ha una frequenza n volte più grande della frequenza fondamentale
•
Un segnale g(t) di durata T si può rappresentare attraverso il suo
spettro di frequenze, ossia attraverso la sua scomposizione in
sinusoidi.
•Banda di frequenza (frequency band) del segnale: un intervallo di
frequenze nel quale sono comprese le frequenze delle sinusoidi che
descrivono il segnale.
•
Fattori che influenzano le caratteristiche della banda sono :
ü Tanto più è breve la durata T del segnale, tanto più è alto il valore
della frequenza fondamentale.
ü Tanto più velocemente nel tempo varia la g(t), tanto più numerose
sono le armoniche necessarie a descriverlo.
4
•
I mezzi fisici sono caratterizzati da una banda di frequenze:
ü Banda passante: l'intervallo di frequenze che il mezzo fisico è in
grado di trasmettere senza alterarle oltre certi limiti. La banda
passante si riduce all'aumentare della lunghezza del mezzo
trasmissivo.
•
Le alterazioni principali causate dai mezzi fisici sono:
ü Attenuazione: in proporzione alla distanza percorsa e alla frequenza
del segnale.
ü Introduzione di ritardo a velocità proporzionali alle loro frequenze.
•
Perché un segnale sia ricevuto com’è stato trasmesso:
banda passante >= banda di frequenza del segnale
Altrimenti: il segnale arriva distorto(mancano armoniche). Se un
numero sufficiente d’armoniche arriva a destinazione, il segnale è lo
stesso utilizzabile.
Teorema di Nyquist
•
•
Hp: Canale privo di disturbi
Un segnale analogico di banda h (da 0 ad h Hz) può essere
completamente ricostruito mediante una campionatura effettuata 2h
volte al secondo.
•
“Convoglia" una quantità d’informazione rappresentabile con un
numero di bit pari a:
2h*[log2 (numero di possibili valori del segnale)] al sec.
•
Massimo data rate (o Velocità di trasmissione) di un canale di
comunicazione dotato di una banda passante da 0 Hz ad h Hz, che
trasporta un segnale consistente di V livelli discreti è:
Massimo Data Rate (bit/sec.) = 2h log2V
5
Teorema di Shannon
•
Hp: Canale rumoroso
•
Rapporto segnale/rumore (signal to noise ratio, S/N): rapporto fra la
potenza del segnale e quella del rumore. Si misura in decibel (dB).
•
Massimo data rate di un canale rumoroso, con banda passante di
h Hz e rapporto segnale/rumore pari a S/N, è dato da:
Massimo Data Rate (bit/sec.) = h lg2 (1 + S/N)
Non conta il numero V di livelli del segnale, poiché a causa del rumore, aumentarne il numero può renderli indistinguibili.
CODIFICA DEI DATI
•
Tecnica di rappresentazione dei bit da un certo repertorio di segni verso
un altro, utile a facilitare il trasporto della trama dalla sorgente su un
mezzo fisico verso i consumatori non modificandone il contenuto ma solo
la forma.
Caratteristiche:
ü Capacità di contenere informazioni di temporizzazione.
ü Efficienza come immunità ai disturbi.
ü Capacità di rivelare errori o correggerli.
ü Densità spettrale favorevole.
ü Trasmissione corretta indipendentemente dal pattern di 1/0
(data trasparency).
ü Velocità massima lungo il canale
REGOLE DI CODIFICA
SPETTRO IN FREQUENZA
6
CODIFICA ON-OFF
• Return to Zero (RZ): un 1 è codificato come mezzo impulso rettangolare
p(t). Lo 0 è codificato come assenza di impulso.
0
1
1
0
0
1
0
1
0
T0
• Non Return to Zero (NRZ): un 1 è codificato come un impulso
rettangolare p(t). Lo 0 è codificato come assenza di impulso.
1
0
1
1
0
0
1
0
0
T0
Problemi codifica RZ
•
Emissione di una sequenza prolungata di bit dello stesso tipo.
Soluzione
•
Utilizzo di UART(Universal Asinchronous Receiver Transmitter):
ü
Numero massimo di bit di dati trasmessi può andare dai 5 (non
più usato) ai 10 bit.
ü Impacchettati con un bit di start (a zero) ed uno o più bit di stop
(a ‘1’). La linea quando non è occupata si trova a ‘1’.
ü Ogni invio di un blocco dati inizia così con un fianco negativo che
permette la risincronizzazione dei due apparecchi (trasmittente e
ricevente).
ü Lo svantaggio i dati da trasmettere devono essere frammentati
(generalmente a byte) ed inviati con un'aggiunta relativamente
importante di segnali di contorno => spreco di tempo rilevante.
7
Problemi codifica RZ
•
Emissione un’emissione di una sequenza prolungata di zeri .
Soluzione
•
Uso di un dispositivo automatico:
ü All’emissione, inserisce automaticamente un bit a ‘1’, quando si
sono susseguiti un certo numero prestabilito di zeri.
üAlla ricezione il corrispondente automatismo elimina automaticamente il bit a ‘1’ quando ha contato lo stesso numero di bit a zero.
Bit Stuffing (Inserzione di Bit)
Svantaggio: numero di transizioni pari, nel caso di una trasmissione
di soli ‘1’, al doppio dei bit inviati
baud rate è raddoppiato
Hanno lo stesso spettro in frequenza.
Sy(f)
0
f0
2f0
3f0
4f0
5f0
f
• La larghezza di banda richiesta è 2f0
• Presenta una componente continua.
• Non ha capacità di rivelazione o correzione d’errore.
• Non è trasparente.
8
Non Return To Zero Inverted (NRZI)
•
Ideale per la trasmissione di trame lunghe di dati.
•
Il livello di tensione presente sulla linea non è modificato se si trasmette
un 1.
•
Cambia alla trasmissione di uno 0.
•
Se si invia una sequenza prolungata di ‘1’ è adottato il metodo di Bit
Stuffing, dove però s'inserisce automaticamente uno zero.
•
Si ha nel peggiore dei casi una transizione ogni bit => frequenza pari
alla metà della cadenza dei bit.
CODIFICA DUOBINARY
• Un 1 è codificato come p(t) o -p(t) secondo la polarità del
precedente impulso ed il numero di 0 fra essi. Due 1 con un
numero pari (dispari) di 0 fra essi, sono codificati come lo stesso
(di segno opposto) impulso. Lo 0 è codificato come assenza di
impulsi.
0
1
0
0
0
1
1
0
1
0
0
9
Sy(f)
f0
f0 /2
0
3f0 /2
f
2f0
• Efficiente come larghezza di banda : B=f0/2
• Poco efficiente in quanto a potenza richiesta
• Utilizzato nello standard IEEE 802.4 (LARGA BANDA)
CODIFICA BIPOLAR
• Un 1 è codificato come p(t) o -p(t) secondo che il precedente
fosse -p(t) o p(t). Lo 0 è codificato come assenza di impulso.
0
1
0
0
0
1
1
0
1
0
1
1
0
• La larghezza di banda richiesta è f0.
• Ha la capacità di rivelare un singolo errore (violazione della codifica)
• Non è trasparente.
10
CODIFICA MANCHESTER
• Un 1 è codificato come un impulso p(t); uno 0 è codificato
come -p(t).
p(t)
1
-T0 /2
T0 /2
0
t
-1
Forma dell’impulso p(t)
0
1
0
0
0
1
1
0
1
0
1
1
0
Sy(f)
0
f0 /2
f0
3f0 /2
2f0
f
• Assenza di componente continua.
• Self clocking.
• Permette la creazione di delimitatori basati sulla presenza di
violazioni del codice.
11
CODIFICA 4B/5B
•
Utilizza una tabella di conversione fissa, che trasforma ogni sequenza di 4 bit in una di 5 bit.
•
Caratteristica di avere al massimo un bit 0 come prefisso e due bit 0
come suffisso.
•
Eliminati i problemi dovuti alle lunghe sequenze di bit 0 (al massimo
si hanno sequenze di 3 bit 0) con una efficienza dell'80% (clock rate di
125 MHz).
•
Problemi legati alle sequenze di bit 1.
CODIFICA 5B/6B
•
•
Codifica sequenze di cinque bit in sequenze di 6 bit.
E' più complessa ed opera su due stati diversi alternati.
MLT-3
•
Opera su tre livelli anziché due, e prevede una transizione per i bit a
1, a metà dell'intervallo di switch, e nessuna transizione per i bit a 0.
•
Denominando i livelli con 0, 1 e 2 dal basso verso l'alto le transizioni
successive sono nell'ordine: da 0 a 1, da 1 a 2, da 2 a 1, da 1 a 0.
•
Nel caso di numero massimo di transizioni, con tutti i bit a 1, la
frequenza fondamentale e' un quarto della frequenza di bit.
•
Una presenza continua di bit a 0, impone una ulteriore codifica,
tipicamente 4B/5B.
Fig. 13 Codifica MLT-3.
12
MEZZI DI TRASMISSIONE
•
I mezzi fisici possono essere classificati in:
ü Mezzi Guidati: fili di rame, fibre ottiche.
ü Mezzi Non Guidati: radio, laser via etere.
•
Le caratteristiche specifiche di ogni mezzo di comunicazione sono:
ü Larghezza di banda.
ü Ritardo.
ü Costo.
ü Facilità d'installazione e manutenzione.
MEZZI GUIDATI (1): Two-Wire Open Lines
•
Ogni filo è isolato dagli altri. Il segnale, tipicamente un livello di
tensione o corrente relativo ad un riferimento di massa, è applicato ad un
filo mentre il riferimento massa è applicato all’altro.
•
Per linee multiple, si usa per ogni segnale un filo isolato e uno singolo
per il riferimento a massa, che è comune a tutti.
•
L’insieme completo di fili è:
ü Incapsulato in un singolo Multicore Cable (Cavo Multiplo
Isolato).
ü Modellato in un Flat Ribbon Cable (Cavo Multiplo Piatto).
Connettori Terminali
Coppia singola.
Flat Ribbon
13
Problemi: Two-Wire Open Lines
•
Evitare accoppiamento mutuo (cross-coupling) dei segnali elettrici
tra fili adiacenti nello stesso cavo, conosciuto come interferenza
(crosstalk) causato dagli accoppiamenti capacitivi tra i 2 fili.
•
La struttura è sensibile alla presenza di rumore spurio da parte
d'altre sorgenti di segnale, a causa di radiazioni elettromagnetiche.
•
Tali disturbi possono essere aggiunti al segnale di uno dei fili, ad
esempio il filo che trasporta il segnale informazione, creando una
differenza di segnale tra i due fili non uguale a quella reale.
•
E poiché il ricevitore normalmente opera usando una trasmissione
di tipo bilanciata basata sulla differenza di segnale tra due fili, il
disturbo può causare un'interpretazione non corretta dei segnali
ricevuti.
•
Questi fattori contribuiscono a limitare la lunghezza della linea ed il
bit rate che si può avere su tale mezzo.
MEZZI GUIDATI (2): Doppino (Twisted Pair Lines)
•
Coppia di fili isolati, in rame. Intrecciati per ridurre le interferenze.
•
Fino a qualche Km di lunghezza non necessita di amplificatori.
•
Usato sia per trasmissione analogica, che digitale.
•
Ha una larghezza di banda di alcuni Mbit/sec.
•
Ha un basso costo
14
TIPOLOGIE DI DOPPINI
• Categoria 3 : due fili isolati lascamente intrecciati. Generalmente 4
coppie sono raggruppate insieme in una guaina di plastica per ottenere
otto fili.
• Categoria 5 (1988): più intrecciamenti per centimetro e isolamento in
teflon => minori interferenze e una migliore qualità del segnale su
distanze più lunghe => più adatti a comunicazioni ad alta velocità.
UTP (Unshield Twisted Pair) => Doppini Non Schermati
Copertura esterna isolante
Copertura esterna isolante
• STP (Shielded Twisted
Pair) (IBM) voluminosi, costosi,
cavi schermati da interferenze
elettromagnetiche.
Schermo protettivo
MEZZI GUIDATI (3): Cavo Coassiale
•
Detto comunemente “COAX", offre migliori prestazioni rispetto al
cavo intrecciato, e può percorrere distanze più lunghe ad una velocità
maggiore.
•
Due tipi di cavo coassiale:
ü Banda Base
ü Larga Banda
15
CAVO COASSIALE A BANDA BASE
•
•
Un tipo a 50 Ω , è comunemente usato per le trasmissioni digitali.
La struttura di un cavo coassiale è quella indicata in figura:
Cuore di Rame
Rigido
Materiale
Isolante
Maglia di
Conduttore
Intrecciata
Guaina di
Plastica
Protettiva
•
La costruzione e la schermatura del cavo coassiale dà una buona
combinazione di alta larghezza di banda e di eccellente immunità al
rumore.
•
La larghezza di banda possibile dipende dalla lunghezza del cavo
(1km da 1 fino a 10 Mbps). Per cavi di lunghezza maggiore si opera ad
una velocità di trasmissioni dati più bassa o facendo uso di amplificatori.
•
I cavi coassiali sono usati nei sistemi telefonici,per la televisione via
cavo e per alcune LAN.
CAVO COASSIALE A LARGA BANDA
•
A 75 Ω è usato per la trasmissione analogica della televisione via
cavo.
•
Nel mondo delle reti di computer "cavo a larga banda" denota una
rete di cavi che impiega la trasmissione analogica.
•
Le reti a larga banda usando la tecnologia standard della televisione
via cavo, pemettono che i cavi possano essere usati fino a 300 Mhz (e
spesso a 450 Mhz) e possano correre per quasi 100 Km grazie alla
segnalazione analogica,meno critica della segnalazione digitale.
•
Per trasmettere segnali digitali su una rete analogica, ogni interfaccia
deve contenere un circuito per convertire il flusso di bit in uscita in un
segnale analogico, e il segnale analogico in entrata in un flusso di bit.
16
DIFFERENZA BANDA LARGA- BANDA BASE
•
I sistemi a larga banda coprono normalmente uno spazio maggiore di
quelli in danda base, e perciò hanno bisogno d'amplificatori analogici per
rafforzare il segnale periodicamente.
•
Tali amplificatori possono trasmettere segnali solo in una direzione e
ciò crea problemi di comunicazione se un nodo della rete si trova al di là
di un amplificatore che opera in direzione opposta rispetto al flusso di
dati.
•
Sono stati sviluppati due tipi di sistema a banda larga per superare
questo problema :
ü Sistemi a cavo doppio
ü Sistemi a singolo cavo
SISTEMI BROADBAND
•
Sistemi a cavo doppio (a): hanno due cavi identici stesi in parallelo,
uno vicino all'altro. I computer ricevono su un cavo e trasmettono
sull'altro. In ognuno dei due cavi è posto un amplificatore, collegato nel
verso giusto.
• Sistemi a singolo cavo (b): alloca bande di frequenza differenti per
le comunicazioni in entrata e in uscita su un singolo cavo. 2 amplificatori
che operano su bande di frequenza diversa, collegati nei due versi.
Head-end
Head-end
Amplificatore
Cavo diretto verso
l'esterno
Cavo singolo.
Basse frequenze
per il traffico verso
l'interno, alte
frequenze per il
traffico verso
l'esterno.
Cavo diretto verso
l'interno
(a)
Computer
(b)
17
FIBRA OTTICA
Un sistema di trasmissione ottica ha tre componenti :
• mezzo fisico(fibra ottica)
• sorgente di luce (LED o LASER)
• rivelatore (fotodiodo)
Transmitter
Electric
input
signal
Drive
circuit
Receiver
Optical signal
Light
source
Signal
restorer
Photodetector
Amplifier
Electric
output
signal
La luce è confinata nella fibra dall’effetto di rifrazione all’interfaccia aria/silicio, quando
l’angolo di rifrazione supera il valore critico. (FIBRA MULTIMODO)
Total internal
Air/silica
boundary
β1
α1
α2
Silica
reflection
β3
β2
α3
Light source
Se il diametro della fibra è ridotto ad una lunghezza d’onda della luce, essa si comporta
come una guida d’onda (FIBRA MONOMODO). Come sorgente è richiesto un laser.
Le fibre attualmente disponibili possono operare ad oltre 1 Gbps per 1Km, senza ripetitori.
FIBRA OTTICA E CAVI DI FIBRA
•
•
Al centro c'è il nucleo di vetro attraverso il quale si propaga la luce.
Nelle fibre Multimodo, il nucleo è di 50 m di diametro, nelle fibre a
Modo Singolo, il nucleo varia da 8 a 10 m.
• Il nucleo è circondato da un rivestimento di vetro con indice di
rifrazione più basso di quello del nucleo, per mantenere tutta la luce nel
nucleo. Vicino c'è una sottile copertura di plastica per proteggere il
rivestimento.
• Tipicamente le fibre sono raggruppate insieme in fasci, e protette da
una guaina esterna (fig. destra).
Cavo di Fibre Ottiche
Ricopertura
Guaina
Nucleo
Fibra Ottica
Rivestimento
18
CONNESSIONI DELLE FIBRE
•
Possono Terminare in Connettori ed essere inserite in prese per
fibre.
•
Possono essere Unite Meccanicamente. Le giunzioni meccaniche
poggiano accuratamente le due estremità una vicina all'altra in un manicotto speciale che le stringe insieme. L'allineamento può essere migliorato facendo passare la luce attraverso la giunzione e quindi facendo
piccoli aggiustamenti per massimizzare il segnale. Le giunzioni meccaniche richiedono personale addestrato e si hanno perdite del 10% di luce.
•
Fusione di 2 Pezzi di Fibra per formare una connessione solida. Una
giunzione di fusione è buona quanto una singola fibra intera. Anche quì
ho una piccola quantità di attenuazione.
•
Problema: la riflessione nel punto di giunzione. L'energia riflessa può
interferire col segnale.
RETI DI FIBRE OTTICHE
•
Le fibre ottiche possono essere usate per le LAN così come per
trasmissioni a lungo percorso, sebbene utilizzarle sia più complesso che
connettersi a una rete Ethernet.
•
Le topologie possibili per costruire LAN usando fibre ottiche sono:
ü Topologia ad Anello.
ü Stella Passiva.
19
TOPOLOGIA AD ANELLO
•
L'interfaccia di ciascun computer fa passare il flusso di luce alla connessione successiva e serve anche come giunzione a T per permettere
al computer si spedire e ricevere messaggi.
Da/Verso il
Computer
Dettaglio
Interfaccia
Filo di rame
Direzione
propagazione
luce
Fibra
•
Ricevitore Ottico
(fotodiodo)
Rigeneratore del
segnale (elettrico)
Trasmettitore ottico
(LED)
Esistono 2 tipologie di interfacce:
ü
ü
Interfaccia Passiva
Ripetitore Attivo
TIPOLOGIE DI INTERFACCE
•
Interfaccia Passiva: 2 prese fuse insieme nella fibra principale. Una
ha un LED o un diodo laser all'estremità (per trasmettere) e l'altra ha un
fotodiodo per ricevere. La presa è completamente passiva e così è
affidabile poiché un LED o un fotodiodo guasto non rompono l'anello, ma
sconnettono solo la stazione dall’anello.
•
Ripetitore Attivo: la luce in entrata è convertita in un segnale
elettrico, è rigenerata a piena potenza e ritrasmessa come luce.
L'interfaccia col computer è un filo di rame che entra nel rigeneratore del
segnale. Sono usati anche ripetitori solo ottici, che non richiedono la
conversione ottica-elettrica-ottica, possono operare a larghezze di banda
estremamente alte. Se si guasta un ripetitore attivo l'anello si rompe e la
rete va giù. E’ possibile realizzare connessioni computer-computer molto
lunghe poiché il segnale è rigenerato.
20
STELLA PASSIVA
•
Ogni interfaccia ha una fibra che corre dal suo trasmettitore a un
cilindro di silicio, in cui le fibre d'entrata sono fuse a un'estremità del
cilindro. Allo stesso modo le fibre sono fuse all'altra estremità del cilindro
e arrivano a ciascuno dei riceventi. Quando un'interfaccia emette un
impulso luminoso, questo è diffuso all'interno della stella passiva e
illumina tutti i riceventi: si ha così un broadcast. Ricevitore
Trasmettitore
•
La stella passiva raccoglie
tutti i segnali in entrata e
trasmette il risultato su tutte
le linee. Questa suddivisione
porta ad una limitazione del
numero di nodi nella rete.
Ogni fibra
entrante
illumina
l'intera stella
Interfaccia
al
computer
Ogni fibra
uscente
vede la luce
da tutte le
fibre entranti
Una connessione a stella passiva in una
rete a fibra ottica.
MEZZI NON GUIDATI, TRASMISSIONE SENZA FILO
•
Quando gli elettroni si muovono, creano delle Onde Elettromagneti che che si possono propagare attraverso lo spazio libero (persino nel
vuoto).
•
Frequenza f: numero di oscillazioni al secondo di un'onda elettromagnetica si chiama, e si misura in Hz.
•
Lunghezza D‘Onda λ : la distanza fra due massimi consecutivi (o
minimi).
•
Principio funzionamento della comunicazione senza filo: collegando un'antenna di dimensioni appropriate a un circuito elettrico, le onde
elettromagnetiche possono essere trasmesse efficientemente e ricevute
da un ricevitore a una certa distanza.
•
La quantità d'informazione che può trasportare un'onda elettromagnetica è correlata alla sua larghezza di banda. Con la tecnologia attuale, è
possibile codificare diversi bit per Hz.
21
SPETTRO ELETTROMAGNETICO
•
Onde radio, microonde, infrarossi e luce visibile dello spettro possono
essere usate per trasmettere informazione modulando l'ampiezza, la
frequenza o la fase delle onde. La luce ultravioletta, i raggi x e gamma
sarebbero ancora meglio per le loro più alte frequenze, ma sono difficili da
produrre, modulare, non si propagano bene attraverso gli edifici e sono
pericolosi per gli esseri viventi. Le bande elencate alla fine della figura
sono i nomi ufficiali della International Telecommunication Union (ITU).
TRASMISSIONE RADIO
•
Le onde radio sono facili da generare, possono viaggiare per lunghe
distanze (l'interferenza fra gli utenti è un problema) e penetrano
facilmente negli edifici, sono largamente usate per la comunicazione sia
interna che esterna.
•
Sono Omnidirezionali cioè viaggiano dalla sorgente in tutte le
direzioni => trasmittente e ricevente non devono essere fisicamente
allineati.
•
Le proprietà delle onde radio dipendono dalla frequenza:
ü Basse Frequenze: le onde radio passano bene attraverso
ostacoli, ma la potenza decade precisamente con la distanza,
circa come 1/r3 nell'aria.
ü Alte Frequenze: le onde radio sono soggette ad interferenza
con i motori e con altre apparecchiature elettriche.
22
SISTEMA DI TRASMISSIONE-RICEZIONE RADIO
•
Il Transceiver: è l’unità centrale, genera il segnale da trasmettere
ed interpreta il segnale che riceve dalla postazione remota.
•
L’Antenna: "cattura" il segnale che transita in aria ma al contempo
può anche trasmettere il segnale che viene generato dal transceiver.
L’antenna permette di "amplificare" passivamente il segnale in
ricezione; se utilizziamo antenne abbastanza "sensibili" si può
allungare la distanza di operatività dell’intero sistema.
•
Il Cavo Di Collegamento Transceiver-Antenna: poichè gli
apparati che utilizziamo sono limitati per legge ad una certa potenza di
trasmissione, se il cavo di collegamento non è di ottima qualità gran
parte del segnale si disperderà in esso diminuendo notevolmente il
"range" di azione (un cavo con bassa dispersione a 2.4 GHz ha un
costo notevole ma è necessario).
PONTI RADIO
•
Per collegare due o più punti ed il collegamento diretto è
impossibile per: eccessiva distanza, mancanza di visibilità ottica si
utilizzano Ponti Radio.
•
Delle postazioni situate in località abbastanza elevate in quota
(colline, montagne), proprietà di emittenti televisive o di emittenti
radiofoniche si occupa di "rilanciare" il segnale verso la destinazione
finale scavalcando così l’ostacolo.
•
Non ci sono praticamente limiti riguardo alla distanza che si
possono coprire. Più "ponti" vengono installati più il costo della rete di
collegamento aumenta in quanto il numero degli apparati da
utilizzare praticamente raddoppia per ogni ponte radio utilizzato.
23
COLLEGAMENTO PUNTO-PUNTO
•
E’ il tipico collegamento attualmente utilizzato nella quasi totalità dei
casi.
•
Mettere in collegamento due punti remoti distanti fra loro da poche
decine di metri a diversi chilometri.
•
E’ essenziale la visibilità ottica tra i due punti poiché le frequenze
utilizzate per queste applicazioni (2,4 Ghz) sono così elevate che il
segnale si propaga solo in linea retta.
COLLEGAMENTO PUNTO-MULTIPUNTO
•
Un Provider Internet vuole commercializzare collegamenti via radio
ad alta velocità in ambito cittadino.
24
COLLEGAMENTO PUNTO-MULTIPUNTO
•
L’apparato base è in grado di "dialogare" contemporaneamente e
distintamente con molteplici postazioni remote che possono essere
semplici utenti privati come grosse ditte.
•
Il provider gestirà singolarmente le caratteristiche del collegamento
per ogni singolo cliente in quanto gli apparati da noi utilizzati sono
"attivi", hanno proprio software interno per la gestione dei parametri di
trasmissione (velocità, canale di trasmissione….).
•
•
Ogni postazione ha il proprio indirizzo unico (IP).
Ogni postazione usa una tecnica di modulazione del segnale
differente da quella delle altre in modo da creare praticamente dei
"canali" di trasmissione che non interferiscano gli uni con gli altri.
•
Più postazioni remote ci sono e minore sarà la velocità di
trasmissione dell’insieme.
TRASMISSIONE A MICROONDE (1)
•
Hanno costituito il cuore del sistema di trasmissione telefonica a
lunga distanza.
•
Sopra i 100 Mhz, le onde viaggiano in linea retta quindi possono
essere fortemente direzionate.
•
Concentrando tutta l'energia in un piccolo raggio usando un'antenna
parabolica si ha un rapporto segnale/rumore molto migliore, ma el
antenne riceventi e trasmittenti devono essere accuratamente allineate.
Questa direzionalità permette a trasmettitori multipli allineati in fila di
comunicare con ricevitori multipli in fila senza interferenza.
•
Poiché le microonde viaggiano in linea retta, se due torri sono troppo
distanti, la terra sarà un ostacolo => servono dei ripetitori. La distanza
tra i ripetitori cresce all'incirca come la radice quadrata dell'altezza delle
torri.
25
TRASMISSIONE A MICROONDE (2)
•
•
Non attraversano bene gli edifici.
Esiste dispersione nello spazio: alcune onde possono essere rifratte
dagli strati bassi dell'atmosfera e possono metterci un poco di più per
arrivare rispetto alle onde dirette ed arrivare fuori fase rispetto a quelle
dirette cancellando il segnale: Multipath Fading.
•
Alcuni operatori mantengono libero il 10% dei propri canali come
riserva su cui passare quando il multipath fading cancella
temporaneamente alcune bande di frequenza.
•
Vantaggi:
ü Non ha bisogno di diritti di passaggio e comprando un piccolo
pezzo di terreno ogni 50 Km e piazzandovi sopra una torre a
microonde, si può saltare il sistema telefonico e comunicare
direttamente.
ü Poco costose.
ONDE INFRAROSSE E MILLIMETRICHE
•
Sono usate per comunicazioni a piccola distanza (telecomandi delle
televisioni, i videoregistratori)-
•
I sistemi ad infrarossi sono relativamente direzionali, economici e
facili da costruire
•
•
Difetto: non passano attraverso oggetti solidi.
Vantaggi: nessuna interferenza con un sistema simile. Sicurezza alle
intercettazioni. Non c’è bisogno di licenza governativa.
•
La trasmissione avviene con luce diffusa alla lunghezza d’onda 850950 nm con una potenza di picco di 2 W. Le modulazioni utilizzate sono
quelle a posizione di impulso con 4 e 16 livelli, che garantiscono
rispettivamente una velocità di trasmissione dei dati di 1 Mbit/s e 2
Mbit/s.
•
Non può essere usata all'esterno perché il sole splende negli
infrarossi tanto quanto nello spettro visibile. Utilizzo: LAN interne senza
cavo, lo standard 802.11 prevede la possibilità di utilizzare i raggi
infrarossi come mezzo trasmissivo.
26
TRASMISSIONE AD ONDE LUMINOSE
•
Un'applicazione moderna è di connettere le LAN in due edifici
attraverso dei laser montati sui tetti.
•
La segnalazione ottica coerente usando dei laser è inerentemente
unidirezionale, così ogni edificio ha bisogno del suo laser e del suo
foto rilevatore. Si inseriscono delle lenti per sfuocare leggermente il
raggio.
•
VANTAGGI: grande larghezza di banda, poco costoso, facile da
installare e non richiede una licenza.
•
SVANTAGGI: il raggio laser non può passare attraverso la pioggia
o una fitta nebbia, ma può lavorare notevolmente bene nei giorni di
sole, anche se il calore del sole potrebbe causare correnti di
convezione che sollevandosi deviano il raggio e lo fanno ballare
intorno al rilevatore.
SATELLITI PER COMUNICAZIONE
•
1962 anno di lancio del primo satellite. Un satellite artificiale può
amplificare i segnali prima di rimandarli indietro.
•
Un satellite per comunicazione può essere pensato come un
ripetitore di microonde nel cielo.
•
Contiene diversi Trasponder, ognuno dei quali ascolta una certa
porzione di spettro, amplifica il segnale in entrata e lo ritrasmette su
un’altra frequenza per evitare interferenza col segnale che arriva.
•
Il raggio diretto verso il basso può essere diffuso, coprendo una
frazione sostanziale della superficie terrestre, o stretto, coprendo
un’area solo pochi chilometri di diametro.
27
SATELLITI GEOSINCRONI
•
Un satellite tipico ha 12-20 trasponder, ognuno con una banda di 36-50
Mhz.
•
Un trasponditore a 50 Mbps può essere usato per codificare un singolo
flusso di dati a 50 Mbps, 800 canali digitali vocali a 64 Kbps, o varie altre
combinazioni. Due trasponder diversi possono usare differenti
polarizzazioni del segnale => possono usare lo stesso intervallo di
frequenza senza interferire.
•
Inizialmente la divisione dei canali nei trasponditori era statica dividendo
la larghezza di banda in bande di frequenze fissate (FDM).Oggi si usa il
multiplexing a divisione di tempo grazie alla sua maggiore flessibilità.
•
Con l’enorme discesa dei prezzi, dimensioni e requisiti di potenza della
microelettronica, ogni satellite è equipaggiato con più antenne e più
trasponder. Ogni raggio detto Puntiforme (Spot Beam) (di forma ellittica
ediametro piccolo alcune centinaia di chilometri) diretto verso il basso può
essere focalizzato su una piccola area geografica => possono avvenire
simultaneamente più trasmissioni verso l’alto e verso il basso.
BANDE COMMERCIALI
•
Banda C: la prima a essere designata per il traffico di satelliti
commerciali. In essa sono assegnati due intervalli di frequenze, il più
basso per il traffico diretto in basso (dal satellite) e quello più alto per il
traffico diretto in alto (verso il satellite). Per un canale di connessione
full-duplex si richiedono entrambi le direzioni. Queste bande sono già
sovraffollate perché sono usate anche dalle società per i collegamenti
terrestri a microonde.
•
Banda Ku: questa non è molto congestionata e a tale frequenza i
satelliti possono avvicinarsi fino a 1°. Problema: la pioggia. L’acqua è un
ottimo assorbente per queste microonde più corte. Soluzione: forti
temporali sono di soliti locali, così usando diverse stazioni terrestri
ampiamente distanziate invece di una sola.
•
Banda Ka: è stata anche allocata banda per traffico commerciale
satellitare, ma l’apparecchiatura necessaria per usarla è ancora costosa.
28
VSAT (Very Small Aperture Terminals)
•
Questi piccoli terminali hanno antenne di 1 m e possono emettere
circa 1 watt di potenza. Il collegamento verso l’alto è in genere buono
per 19,2 Kbps, ma il collegamento verso il basso è migliore, spesso a
512 Kbps.
•
In molti sistemi VSAT, le microstazioni non hanno abbastanza
potenza da comunicare direttamente con l’un l’altra (via satellite).
•
Utilizzando un hub, con
una grande antenna e
grande potenza è possibile
trasmettere il traffico fra i
VSAT come mostrato in
figura dove l’hub funge da
ripetitore fra la stazione 1 e
la stazione 4.
1
3
2
4
VSAT
Hub
Fig. VSAT che usa un Hub.
CARATTERISTICHE DEI SATELLITI
•
Anche se i segnali da e per un satellite viaggiano alla velocità della
luce, la elevata distanza d’andata e di ritorno introduce un ritardo
sostanziale.
•
Secondo la distanza fra l’utente e le stazioni terrestri e l’altezza del
satellite sull’orizzonte, il tempo di transito da capo a capo è tra 250 e
300 ms. Un valore tipico è di 270 ms (540 ms per un sistema VSAT con
un hub).
•
Sono dei mezzi di diffusione. Non costa di più spedire un messaggio
a migliaia di stazioni nell’ombra di un trasponder di quanto costi spedirlo
a una sola.
•
Sicurezza: i satelliti sono un completo disastro. La crittografia è
essenziale quando si richiede la segretezza.
•
Il costo per trasmettere un messaggio è indipendente dalla distanza
attraversata. Hanno un basso tasso d'errore e possono essere
configurati quasi istantaneamente.
29
Effetto dei mezzi trasmissivi
Poiché i segnali sono attenuati e distorti dai mezzi trasmissivi, un
ricevitore può essere incapace di distinguere correttamente i bit 1
dagli 0.
L’attenuazione e la distorsione sono fortemente influenzati da :
• tipo di mezzo trasmissivo
• bit rate del dato trasmesso
• distanza fra i dispositivi comunicanti.
Cause di Attenuazione e Distorsione
•
Attenuazione : limita la lunghezza massima del mezzo fisico
(uso di amplificatori). Inoltre varia con la frequenza e
distorce il segnale digitale.
•
Larghezza di Banda limitata : attenua le armoniche più
elevate del segnale.
•
Propagation Delay : varia con la frequenza e introduce
distorsione.
•
Noise : Crosstalk noise, impulse noise, thermal noise.
30
INTERSIMBOL INTERFERENCE (ISI)
• I segnali digitali sono rappresentati da impulsi rettangolari che necessitano di una
banda infinita per la trasmissione indistorta.
Pulse
response
Input
pulse
• Il graduale decadimento degli impulsi rettangolari crea problemi (ISI fra
impulsi adiacenti).
(a)
(b)
31
