Reti a Commutazione
I semestre 03/04
La trasmissione di dati al di fuori di una rete
Commutazione di Circuito
locale avviene attraverso nodi intermedi
Prof. Vincenzo Auletta
la sorgente A invia i dati destinati a B ad un nodo
intermedio C
C ritrasmette i dati di A direttamente a B o ad altri
nodi intermedi
I nodi intermedi sono detti commutatori
[email protected]
http://www.dia.unisa.it/professori/auletta/
svolgono solo la funzione di trasferimento dei dati
non interferiscono con il contenuto dei dati
Un insieme di stazioni interconnesse tramite
Università degli studi di Salerno
Laurea in Informatica
2
Elementi di una Rete a
Commutazione
Esempio di Rete a
Commutazione
i nodi 5 e 7
comunicano
solo con altri
nodi
Stazioni
dispositivi terminali a cui accedono gli utenti e che
devono comunicare
Es. computer, terminali, telefoni o altri dispositivi di
telecomunicazione
gli altri nodi
comunicano sia
con nodi che
con
alcune
stazioni
Nodi
3
dispositivi di commutazione collegati tramite linee di
trasmissione
in genere gli utenti non possono accedere
direttamente a questi dispositivi
la comunicazione tra nodi avviene su linee
multiplexate (FDM o TDM)
linee di comunicazioni e commutatori è detta
rete a commutazione
4
una trasmissione tra le stazioni A e D viene
commutata dai nodi 4, 5, e 3
Struttura della Rete
Tecnologie di Commutazione
Per questioni di costo la rete a commutazione
Le reti a commutazione utilizzano due diversi
non è completamente connessa
tecnologie di commutazione
esistono collegamenti diretti solo tra alcune coppie di
nodi
Per questioni di affidabilità la rete è strutturata
Le tecnologie differiscono per il modo in cui i
in modo che ci siano più percorsi alternativi tra
ogni coppia di nodi
nodi commutano i dati da una linea all’altro
se un guasto interrompe un percorso la
comunicazione può proseguire su un altro percorso
5
6
Commutazione di Circuito
Fasi di una Comunicazione
Crea un cammino dedicato tra le due stazioni che
Una comunicazione tra due stazioni avviene in
vogliono comunicare
tre fasi
Instaurazione del circuito
costituito da una serie di linee di trasmissione e nodi di
commutazione che collegano sorgente e destinazione
sul percorso vengono allocate risorse per creare un
canale logico (circuito) dedicato alla comunicazione
individua il percorso nella rete ed alloca le risorse per
il circuito
Trasferimento dati
larghezza di banda (FDM) o slot di trasmissione (TDM) sulle
linee di trasmissione
capacità commutative nei nodi
i dati (analogici o digitali) vengono inviati sul circuito
Disconnessione del circuito
le risorse allocate sono garantite per tutta la durata
della comunicazione
7
commutazione di circuito
commutazione di pacchetto
8
a richiesta di una delle stazioni le risorse allocate al
circuito vengono rilasciate
Caratteristiche di una Rete a
Comunicazione di Circuito
Esempio di Rete a
Commutazione
comunicazione
tra A e D
I nodi devono avere “intelligenza” per
allocare risorse ai circuiti
identificare i circuiti nella rete
gestire la commutazione dei dati
si deve
trovare un
percorso da 4
a3
La commutazione di circuito è stata sviluppata
per traffico vocale (rete telefonica)
5 commuta i
dati ricevuti da
4 sulla linea
per 3
ritardo iniziale per instaurare il circuito
dopo la trasmissione è a ritardo costante e banda
garantita
non adatta per trasferimento di dati
9
circuito allocato per la durata della connessione
anche se non ci sono dati da trasmettere
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Rete Telefonica Pubblica
Elementi di una Rete Telefonica
Terminali utente
La rete telefonica pubblica (PSTN) è la più
diffusa rete a commutazione di circuito
reti nazionali interconnesse per creare il servizio
telefonico internazionale
telefonico analogico
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dispositivi utilizzati dagli utenti e collegati alla rete
(in genere telefoni)
Linee utente (subscriber loop o local loop)
originariamente progettata per gestire traffico
5 potrebbe ricevere più comunicazioni da 4
da commutare in maniera differente
linee che collegano il terminale utente alla rete
in genere doppini telefonici di lunghezza non
superiore a qualche km
Centrali di commutazione (end office o stadi
oramai il traffico dati via modem supera il traffico
vocale
gran parte delle linee di trasmissione tra i nodi
utilizzano trasmissione digitale
di gruppo)
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nodi della rete
locali (collegate direttamente agli utenti) o di
transito
Linee dirette
Esempio di Connessione in una
PSTN
Instaurazione di un Circuito
il circuito da a a b connette due utenti collegati alla
In genere le linee che collegano le centrali usano
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segnali digitali con TDM
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Nodo di Commutazione
Elementi di un Nodo di
Commutazione
Il nodo di commutazione è il cuore di una rete
commutatore numerico
a commutazione di circuito
detiene tutta l’”intelligenza” della rete
connette in modo trasparente una qualsiasi coppia
di dispositivi collegati al nodo
Un nodo di commutazione deve connettere
bloccante: blocca una richiesta di connessione se
non ci sono percorsi disponibili (rete telefonica)
non bloccante: garantisce sempre a due dispositivi
di potersi connettere (trasmissione dati)
funzioni ed hardware necessari a collegare dispositivi
utente (sia digitali che analogici) alla rete
può avere funzioni di conversione analogico/digitale
unità di controllo
più coppie di dispositivi contemporaneamente
fornisce al segnale un percorso trasparente
interfaccia di rete
i dispositivi vedono un collegamento diretto e dedicato
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stessa centrale locale (chiamata urbana)
il circuito da c a d connette due utenti collegati a
centrali differenti (chiamata interurbana)
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instaura, mantiene e chiude la connessione
controlla l’allocazione delle risorse, controlla il
commutatore numerico, gestisce il multiplexing, ecc.
Esempio di Nodo di
Commutazione
Commutazione a Divisione di
Spazio
Sviluppata per ambienti analogici
adattata anche ad ambienti digitali
Garantisce che i percorsi assegnati ai vari
segnali siano fisicamente distinti
realizzata attraverso due diverse soluzioni
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matrice crossbar
commutatore a stadi multipli
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Matrice Crossbar
Esempio di Utilizzo di Crossbar
ogni elemento della matrice è un crosspoint che
1
2
incrocia una linea di ingresso con una linea di
uscita
4
un gate nel crosspoint può collegare le due linee
la linea di ingresso incrocia tutte le linee di uscita
6
7
Vantaggi
è non bloccante
Svantaggi
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ci sono molti crosspoint (quadrato del numero delle
stazioni) utilizzati in modo inefficiente
il guasto ad una intersezione inibisce la connessione
tra due linee
10
1
20
2
4
6
7
10
connessione tra nodi 4 e 7 (full duplex)
connessione tra nodi 2 e 6 (full duplex)
Commutatore a Stadi Multipli
Commutatore a tre Stadi
Costituito da diverse matrici crossbar collegate
in cascata
ogni matrice crossbar ha un numero ridotto di
ingressi ed uscite
Vantaggi
numero ridotto di crosspoint, utilizzati in maniera più
efficiente
maggiore affidabilità perchè esistono più cammini tra
una linea di ingresso ed una di uscita
Svantaggi
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Controllo più complesso
Puo essere bloccante
non c’è un percorso tra la linea 10 e la linea 4
Commutazione a Divisione di
Tempo
Commutazione TDM a Bus
tecnica utilizzata dalla maggior parte dei
ogni linea di
commutatori moderni
simile al TDM sincrono
un flusso di bit ad una certa velocità viene diviso in
slot
ogni slot contiene un numero fissato di bit
gli slot sono assegnati alle linee di ingresso
una linea può trasmettere solo negli slot che gli sono stati
assegnati
23
22
l’assegnazione degli slot alle linee è gestita dall’unità
di controllo del commutatore
ingresso collegata
ad un bus tramite
un gate
analogamente
per le linee di
uscita
per ogni slot
l’unità di controllo
attiva una linea di
ingresso ed una
linea di uscita
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Esempio di Commutazione TDM
a Bus
Temporizzazione
connessione attive:
da 1 a 9
da 5 a 13
slot
slot
slot
slot
1:
2:
3:
4:
da
da
da
da
la velocità del bus deve essere molto più alta
delle velocità delle singole linee
1a9
5 a 13
9a1
13 a 5
25
la durata di uno slot è data dal tempo di
trasmissione del blocco di dati più il ritardo di
trasmissione sul bus
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Instradamento (Routing)
Routing Statico
In grosse reti a commutazione i circuiti
I commutatori formano una struttura albero
attraversano più commutatori
All’inizio della comunicazione si deve trovare un
percorso (rotta) nella rete che sarà utilizzato per
trasferire i dati
Le strategie di instradamento devono essere
aggiungere linee dirette che tagliano la struttura
ad albero
efficienti: fornire percorsi che attraversano pochi
commutatori
robuste: fornire percorsi alternativi in caso di guasti o
picchi di traffico
efficienza e robustezza
per realizzare un percorso si risale dalla sorgente al
primo antenato comune e si ridiscende al destinatario
Per incrementare la robustezza si possono
collegano direttamente nodi caratterizzati da alti
volumi di traffico
Es. collegamento diretto tra Roma e Milano
Approccio molto semplice ma carente sia dal
In genere si sceglie un compromesso tra
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nel tempo che una linea impiega a creare un blocco il
commutatore deve trasmettere uno slot per ogni
linea
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punto di
robustezza
vista
dell’efficienza
che
della
Routing Dinamico
Esempio di Routing Alternato
La scelta della rotta è influenzata dalle
condizioni di traffico sulla rete
insieme di
percorsi tra nodi X
ed Y
si evita di attraversare linee e nodi già congestionati
L’instradamento è molto più complesso ma
consente maggiore flessibilità
Il routing alternato è un esempio molto diffuso
di routing dinamico
per ogni coppia di stazioni sono fissate una lista di
possibili percorsi, in ordine di preferenza
in funzione dello stato della rete viene scelto un
percorso della lista
la lista può variare nel tempo
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X
rotta a: X Æ Y
rotta b: X Æ J Æ Y
rotta c: X Æ K Æ Y
rotta d: X Æ I Æ Y
J
K
Segnali di Controllo
Funzioni della Segnalazione
I
Invio di toni udibili all’utente
di segnalazione è molto complesso
gestiscono anche tutti i servizi a valore aggiunto
forniti dalla rete
composizione dei numeri
segnale di linea libera o occupata
segnale di squillo
scambio di informazioni tra i nodi
stazione e nodo
nodo e nodo
nodo e centro di gestione della rete
In grosse reti di telecomunicazioni lo schema
Y
30
segnali di controllo consentono di
instaurare, mantenere e terminare i circuiti e
di gestire la rete
permettono lo scambio di informazioni tra
31
I
32
trasmissione del numero composto per la creazione
del circuito
rifiuto di una chiamata che non può accolta
avviso che un circuito che deve essere rilasciato
informazioni relative al pagamento
informazioni relative allo stato degli apparati e
delle linee ed alla diagnostica della rete
Utilizzo della Segnalazione per
una Telefonata
Collocazione della Segnalazione
La segnalazione deve essere considerata in due
Inizialmente entrambi i telefoni sono abbassati (aggancio)
1.
un abbonato alza la cornetta (sgancio)
2.
invio segnale di sgancio alla centrale locale
3.
la centrale risponde con il tono di chiamata (dial
tone)
4.
il chiamante compone il numero
5.
il numero viene comunicato alla rete e viene
instaurato il circuito
6.
la rete invia un segnale di squillo al destinatario, se
non è occupato
7.
Feedback al chiamante
33
8.
segnale di linea libera o occupata, chiamata impossibile
il destinatario accetta la chiamata
contesti
segnalazione tra utente e rete
segnalazione all’interno della rete
utilizzata per lo scambio di informazioni tra dispositivi
automatici
svolge una vasta gamma di funzioni
la centrale locale deve fornire un’interfaccia tra
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la segnalazione interna alla rete e quella usata
per comunicare con l’utente
Segnalazione nel Canale
Segnalazione su Canale
Comune
Usa lo stesso circuito per chiamate e segnali
Segnali di controllo trasmessi su cammini
non richiede ulteriori strumenti di trasmissione
indipendenti dal canale voce
un canale di controllo può essere condiviso da
più canali utente
segnalazione in banda
usa le stesse frequenze del segnale della voce
si possono spedire segnali se la voce non è presente
un segnale di controllo può essere inviato su
qualunque dispositivo possa ricevere un segnale di
voce
utilizza una parte della banda di 4 KHz non utilizzata
dai segnali di voce
ha bisogno di elettronica addizionale
tasso del segnale più lento (banda stretta)
porta segnali di controllo per tutti questi canali utente
il canale di controllo comune può essere
opportunamente dimensionato
segnalazione fuori banda
35
definita dal tipo di dispositivo utente e dalle esigenze
dell’utente umano
36
supporta funzioni di segnalazione complesse senza
perdita di prestazioni
Modalità di Funzionamento
della Segnalazione
Esempio
La segnalazione a canale comune può essere
implementata con due diverse modalità
Modalità associata
Il canale di segnalazione è distinto ma segue lo
stesso percorso dei canali di fonia
Ogni commutatore istrada entrambi i canali allo stesso modo
Modalità dissociata
una rete separata è addetta alla trasmissione dei
segnali di controllo
Modalità
associata
In genere usa la commutazione a pacchetti
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Più complessa ma più potente e flessibile
In genere si utilizza la modalità dissociata
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Sistema di Segnalazione
Numero 7 (SS7)
Struttura della Rete SS7
implementa lo schema di segnalazione con
Crea una rete a commutazione di pacchetti
sovrapposta alla rete a commutazione di circuito
canale comune
progettato per reti ISDN
può essere usato per qualsiasi rete digitale a
commutazione di circuito
segnalazione a canale comune
per reti digitali con nodi digitali e canali a 64 kbps
utilizzabile anche su canali analogici con tassi < 64
kbps e su linee terrestri punto-punto o satellitari
garantisce trasmissione dati senza perdite e
duplicazioni
supporta le funzioni di gestione delle chiamate e di
gestione della rete
SS7 definisce tre entità funzionali
fornisce uno standard internazionale per la
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Modalità
dissociata
punto di segnalazione (SP): punto in grado di gestire
messaggi SS7
punto di trasferimento del segnale (STP): punto in
grado di instradare messaggi di segnalazione
linea di trasferimento: collega punti di segnalazione
gli SP e gli STP creano una struttura gerarchica
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gli SP sono le foglie
Un livello di STP per ogni regione (nazione)
Piano di Controllo e Piano
dell’Informazione
il piano di controllo è
responsabile della creazione e
gestione dei canali richiesti
dagli utenti
le centrali locali fungono da SP
le centrali remote da STP
il piano dell’informazione
gestisce il trasferimento dei
dati all’interno della rete
41
i nodi della rete sono dei
commutatori
