L’Architettura di una rete di connessione

Nell'articolo Tutto quello che devi sapere sulle reti di telecomunicazione, abbiamo visto il diagramma a blocchi di una rete a commutazione o meglio un auto-commutatore. Oggi ci concentriamo sul blocco centrale: la rete di connessione.

Cos’è la rete di connessione?

La rete di connessione è un circuito che organizza e modifica le terminazioni entranti usando i requisiti dell’unità di controllo per poi fornire le terminazioni di uscita. Si tratta di creare la comunicazione tra gli utenti A e B usando le linee in entrata e uscita corrispondenti a quelli degli utenti.

Una rete di connessione si dice non bloccante dal punto di vista della struttura se considerate le richieste di connessione in ingresso non in conflitto fra di loro (cioè rivolte a linee di uscita diverse), la rete riesce a realizzare l’operazione di comunicazione giacché in questo caso le richieste in uscita sono disponibili.

La struttura si dice bloccante invece se la rete non riesce a realizzare l’operazione di comunicazione richiesta.

Una struttura in genere è non bloccante per definizione.

Tipi di Strutture per la rete di connessione

Struttura a divisione di spazio:

[caption id="attachment_545" align="aligncenter" width="240" caption="Struttura a divisione di tempo"][/caption]

Ha una funzionalità duale cioè si usa sia nella telefonia analogica sia nella telefonia numerica.

È una struttura non bloccante.

Il suo costo è uguale a NxM con N ingressi e M uscite.

L’operazione fondamentale che compie è quella di spostare i canali della trama d’ingresso mantenendola inalterata da una linea a un'altra.

Esempio:

Immaginiamo che in ingresso abbiamo la richiesta di spostare il canale nella linea 3 alla linea 5 di uscita:

Struttura a divisione di tempo

Si chiama in Inglese Time Slot Interchanger (TSI).

Si usa solo nella telefonia numerica. L’operazione principale che compie è quella di permutare il canale in ingresso nella stessa trama (non c’è cambio di linea).

Gli TSI sono delle memorie a lettura/scrittura.

Il tempo di una trama è 125µs

Funzionamento:

Per prima cosa c’è una scrittura nella memoria (TSI) della trama letta in ingresso e poi una lettura dalla stessa memoria dell’informazione che andrà in uscita.

Ci sono due modalità di funzionamento:

Scrittura sequenziale e Lettura Casuale

Qui la permutazione è implementata in uscita. Infatti, la casualità della lettura è definita da segnali che provengono dall’unità centrale.

Scrittura casuale e Lettura sequenziale

Qui il funzionamento è duale cioè la permutazione sarà implementata all’ingresso. Come prima la casualità della lettura è dettata dai segnali dell’unità centrale.

Calcolo del costo della struttura

Costo = tempo di accesso alla TSI

Strutture a Più stadi

Le strutture a più stadi sono strutture composte di altre strutture organizzati in stadi successivi dove le uscite della struttura di uno stadio sono gli ingressi della struttura del stadio successivo e cosi via.

Gli obbiettivi di queste strutture sono 2:

-aumentare il grado di libertà di una struttura monostadio (permutazione canale e cambio linea)

-diminuire il costo totale

Ovviamente c’è un obbiettivo intrinseco alla struttura di cui non parlato: creare una struttura non bloccante.

Ci sono due tipi di strutture multistadio:

1. omogenee (usano la stessa tecnologia di struttura: S)

2. eterogenee (usano tecnologie di struttura diverse: T e S)

Ora analizzeremo in profondità qualche struttura multistadio.

Numero di stadi	Omogeneo	Eterogeneo
2	S-S	T-S|S-T
3	S-S-S	T-S-T

La struttura S-S

Facciamo un esempio:

abbiamo N ingressi e M uscite.

N=15 e M=4

La soluzione monostadio con una struttura S ci da un costo di 60. La struttura è non bloccante.

La soluzione con 2 stadi S-S

Ecco la configurazione:

Stadio	Numero di blocchi S	Numero d’ingressi	Numero di Uscite
1	3	5	2
2	2	3	2

Calcolo costo:

Costo totale = Costo1 + Costo2 = 3(5x2) + 2(3x2) = 30 + 12 = 42 < 60 Secondo obbiettivo raggiunto

Vediamo se la struttura creata è non bloccante.osserviamo questa richiesta di commutazione:

LINEA2-BLOCCO3-STADIO1-->LINEA2-BLOCCO1-STADIO2

LINEA5-BLOCCO3-STADIO1-->LINEA1-BLOCCO1-STADIO2

Questa richiesta di commutazione non può essere portata a termine perche c’è un blocco:

Si può aumentare il numero di uscite dei blocchi del primo stadio quante sono le uscite dei blocchi al secondo stadio ,pero questo aumenterebbe il costo e l’obbiettivo due non sarebbe più raggiunto.

Strutture T-S:



Primo obbiettivo raggiunto : abbiamo due gradi di liberta.

Esempio di funzionamento: richiesta di commutazione: CANALE 2-LINEA4 --> CANALE5-LINEA1

Esecuzione:

La Matrice T del quarto blocco sposta il canale 2 sulla posizione 5 in uscita.

S trasferisce il canale 5 dalla linea 4 alla linea 1

Non c’è riduzione di costo.

Vediamo se la rete è bloccante:

Consideriamo la richiesta di commutazione seguente:

LINEA1-CANALE3 --> LINEA1-CANALE8

LINEA1-CANALE5 -->LINEA4-CANALE8

La prima richiesta blocca la prima linea impedendo l’esecuzione della seconda richiesta.



Strutture S-T



Anche qui abbiamo 2 gradi di libertà.

Esempio di funzionamento:

CANALE2-LINEA5 -->CANALE5-LINEA3

Esecuzione:

La Matrice S trasferisce la trama presente in ingresso nella linea5 alla linea3 in uscita

La Matrice T del terzo blocco sposta il canale 2 sulla posizione 5 in uscita.

Vediamo se la struttura è non bloccante:

Consideriamo la richiesta di commutazione seguente:

CANALE5-LINEA3--> CANALE6-LINEA4

CANALE1-LINEA7-->CANALE2-LINEA4

La prima richiesta blocca la linea4. La richiesta due : impossibile da eseguire.



Ora vediamo le strutture a 3 stadi.

La struttura S-S-S

Consideriamo per semplicità di avere N linee in ingresso e N linee in uscita.

La soluzione monostadio S ha un costo pari a N².

In questa struttura abbiamo 3 stadi organizzate nel seguente modo:

Stadio	Numero di blocchi S	Numero d’ingressi	Numero di Uscite
1	N/n	n	k
2	K	N/n	N/n
3	N/n	k	n

Calcolo del costo:

Costo Totale = C1+C2+C3 = N/n(n x k) + k(N/n)(N/n) + N/n(k x n) = 2Nk + K(N/n)² < N²

Assenza di Blocco (Formula di CLOS)

Il principio usato è semplice: Calcolare il valore di k che nel peggiore caso garantisce l’assenza di blocco e quindi anche negli altri casi si potrà usare questo valore di k sapendo che la struttura costruita è non bloccante.

Enunciamo il caso peggiore:

Fra le n linee d’ingresso al primo blocco (A) del primo stadio, n-1 sono indisponibili.

Il blocco del terzo stadio(B) che voglio raggiungere a solo un’uscita libera.

I blocchi del secondo stadio che hanno occupato le n-1 uscite del blocco B sono disgiunti dai blocchi che hanno in  ingresso le linee generate dalle richieste del blocco A.

Tutto questo ci fa concludere che al secondo stadio abbiamo bisogno di:

k = n-1 (linee del blocco A) + n-1 (linee del blocco B) + 1(unica linea rimasta libera da usare per l’ultima richiesta)

k=2n-1 condizione di CLOS

il costo diventa  2N(2n-1) + (2n-1)(N/n)²

Ora basta minimizzare questo costo rispetto a n.

Struttura T-S-T

Questa struttura ha per obbiettivo di risolvere le situazioni di blocco delle strutture T-S e S-T.

Come funziona?

Esempio di richiesta di commutazione:

CANALE3-LINEA1-->CANALE 2-LINEA4

La  Matrice T del primo blocco del primo stadio  sposta il canale 3  sulla posizione 2 in uscita.

La Matrice S  trasferisce la trama presente in ingresso nella linea1 alla linea4 in uscita

La  Matrice T del terzo stadio del terzo blocco  non sposta niente.

Supponiamo di avere N ingressi e N uscite.  La matrice S avrà un costo di N².

Per minimizzare  il costo dobbiamo agire sulle matrice T del primo e del terzo  stadio.

Per il primo stadio prendo delle trame in ingresso con n canali e in uscita delle trame con k canali (con k>n)

Per il terzo stadio  prendo delle trame in ingresso con k canali e in uscita delle trame con n canali (con k>n).

Come nella struttura S-S-S ,possiamo usare la formula di CLOS.

Ipotesi del caso peggiore:

Sia una trama del primo stadio (la trama del blocco A). n-1 canali sono indisponibili,quindi noi permuteremmo l’unico canale libero nell’unica posizione libera in uscita in una trama (quella del blocco B)  del terzo stadio.

Le n-1 posizioni occupate in uscita sulla trama del blocco A sono diverse dalle posizioni occupate in ingresso sulla trama del blocco B.

Da cui si trova k = 2n-1. Il costo poi va minimizzato in funzione di n.

Concludiamo l’articolo con la probabilità di non blocco delle strutture T-S-T e S-S-S.

Probabilità di non blocco

Sia a la probabilità di avere una richiesta di connessione su una linea d’ingresso

Supponiamo che l’indirizzamento della richiesta su una delle k uscite sia uniforme.

Sia p la probabilità che una linea in uscita da un blocco del primo stadio sia occupata  = n x a /k

1-p = probabilità  che almeno linea in uscita da un blocco del primo stadio sia occupata.

(1-p)² = probabilità che almeno un percorso  intero dal primo stadio al terzo  sia occupato

1-(1-p)²  = probabilità che un percorso  intero dal primo stadio al terzo  sia occupato

Sappiamo che ci sono k percorsi

(1-(1-p)²)^k = probabilità che tutti i percorsi  dal primo stadio al terzo  siano occupati.

Sia P la probabilità di non blocco.

P = (1-(1-p)²  )^k

Grazie per l’attenzione

Riferimenti e Approfondimenti:

1.Slide del prof Fantacci dell'unifi

2.Appunti dello studente Roberto bandini dell'unifi: http://www.robertobandini.it

Tutto quello che devi sapere sulle reti di telecomunicazioni

Una rete di telecomunicazione è un insieme di nodi che comunicano tra di loro mandandosi messaggi dove per ogni nodo s’intende un insieme di apparecchiature che gioca il ruolo di mittente, destinatario o entrambi. Al secondo del tipo di rete (rete di calcolatori o rete telefonica) un nodo può essere il telefono dell’utente o un calcolatore mentre il canale di comunicazione può essere cavo fisico, fibre ottiche o onde radio. Ci sono più tipologie di reti in base alla loro struttura.

 

Tipologie di reti:

Come tipologie, abbiamo la configurazione a stella e quella a maglia:

Rete a maglia:

Si tratta di una rete, dove ogni nodo è connesso (direttamente) con tutti gli altri nodi della rete tramite un collegamento bidirezionale.

E una rete completamente interconnessa in cui ci può essere comunicazione simultanea visto che c’è un canale individuale per ogni copia di nodi. Si usa questa tipologia di rete quando il numero di nodi è piccolo. Lo svantaggio è il costo di allacciamento che cresce all’aumentare dei nodi nella rete. Per risparmiare si può usare una stella a stella.

 

Rete a stella (Rete a commutazione):

In questa rete ci sono due tipi di nodi:

Il nodo utente che è un nodo terminale che può essere o mittente o destinatario.

Il nodo centrale che ha il compito di mettere in comunicazione due nodi utenti.  E ovvio che la comunicazione garantita non è simultanea per tutti i nodi. Si chiama anche centrale di commutazioni.

Vediamo da più vicino come funzionano le centrali di commutazioni:

 

Centrale di commutazione:

Prima di vedere cosa sono le centrali di commutazione, definiamo cosa intendiamo per commutazione.

Una commutazione è il processo che permette di definire opportunatamente il percorso mittente-destinatario.

I compiti di una centrale di commutazione sono:

-mettere in connessione due nodi utenti

-mantenere la connessione fra due nodi utenti

-abbattere la connessione fra due nodi utenti quando la comunicazione finisce

-fornire servizi aggiuntivi della rete

Ora vediamo la struttura della rete di commutazione:



Come si vede nella figura della struttura a blocco semplificata di una centrale di commutazione, ci sono tre parti principali:

Le terminazioni entranti e uscenti: Sono dispositivi che interfacciano la centrale con la linea esterna (linea utente o linea di un'altra centrale.)

La rete di connessione: si compone di apparecchiature di commutazione che permettono di collegare fisicamente e temporaneamente le linee interne provenendo dalla terminazione di entrata con quelle provenendo dalle terminazioni esterne nell’obiettivo di far comunicare due nodi utenti.

Questa rete può essere a matrice:

Esempio: Matrice (3x12)-3 linee per far comunicare 24 utenti.



Unità di comando e di segnalazione; si tratta di un blocco costituito da un sistema a microprocessore in quanto svolge la funzione di identificare la terminazione d’ingresso a cui è collegato l’utente chiamante, di individuare la terminazione di uscita su cui evadere la richiesta di collegamento, di attivare la matrice per collegare la terminazione d’ingresso con quella d’uscita, disattivare la connessione al termine della telefonata, di ricevere le segnalazioni emesse dagli utenti per l’instradamento delle chiamate.

 

Ora vediamo qualcosa di più interessante: le architetture di una rete di comunicazione; cene sono due principali quella gerarchica e quella non.

 

Rete policentrica ma non gerarchica.

Si è già capito che con i problemi di costi non si può usare nei casi complessi (grande numero di utenti) le centrali di commutazione sono indispensabili. In quest’architettura, si usano due tipologie (a maglia e a stella).

Detto semplicemente ,si tratta di una maglia di reti a stelle.

Esempio con una rete urbana:



Si capisce l’utilità della rete pensando a territori grandi che necessitano più reti urbane.

L’unico limite è il costo e la difficoltà della gestione che cresce con la complessità della rete.

Basta pensare a un intero paese che deve essere coperto dalla rete. Qui si può usare una rete policentrica gerarchica

 

Rete policentrica gerarchica.

Qui abbiamo una struttura a stella fatta di stelle. 2 utenti possono comunicare indipendentemente da dove si trovino. Quindi le centrali locali gestiscono le comunicazioni locali e sono tutte connesse fra di loro per permettere comunicazione fra utenti di diverse località. Pero gestire un gran numero di comunicazione simultaneamente richiede che centrali siano capaci di sopportare il volume di traffico entrante e uscente.

Ora vediamo un esempio di architettura mista usata dalla rete telefonica nazionale.

La rete telefonica nazionale è di tipo gerarchico con tipologia mista stella/maglia. Con questo tipo di struttura il traffico telefonico di aree geografiche, sempre maggiori man mano che aumenta la distanza dei centri che si devono collegare, viene instradato su una stessa via per utilizzare al meglio i collegamenti tra le centrali.

 

Il territorio nazionale è diviso in diverse aree:

aree urbane: che si trovano nei centri urbani:

Settori: insieme di aree urbane ubicate in centri di settore.

Distretto: insieme di settori ubicati in centri di distretto.

Compartimenti: insieme di distretti ubicati in centri di compartimento.

Ecco la struttura globale della rete:



Terminiamo l’articolo parlando della trasmissione di messaggi fra utenti di una rete.

Il metodo usato si chiama multiplexing. In pratica, un Multiplexer viene utilizzato come intermediario tra l’elaboratore centrale e i terminali, con il compito di farli dialogare tra loro. Il collegamento prevede una linea ad alta velocità tra l’elaboratore e il Multiplexer, e linee meno veloci tra il Multiplexer e i vari terminali.

Questo collegamento consente che su una stessa linea possano viaggiare contemporaneamente informazioni provenienti da terminali diversi, utilizzando una tecnica di divisione del tempo chiamata Multiplexing, che opera in maniera molto simile al time sharing (tempo condiviso). Il Multiplexer ha il compito di prelevare da ogni terminale, a intervalli di tempo regolari, i byte che questi inviano e di passarli all’elaboratore, che si occuperà di ricostruire il messaggio e di eseguire le operazioni richieste.

Riferimenti e Approfondimenti

1.Wikipedia: http://it.wikipedia.org/wiki/Rete_per_telecomunicazioni

2.Articoli che trattano di reti di telecomunicazione su internet

 

Introduzione alle reti telefoniche

La rete telefonica è una rete di telecomunicazione che permette a una coppia di utente (gli abbonati) di comunicare trasmettendosi messaggi vocali. La rete telefonica deve fornire una prestazione di conversazione normale, quasi come se si fosse in presenza fisica, riconoscendo sia che cosa viene detto sia chi parla all’altro estremo. Queste caratteristiche costituiscono lo standard di qualità della telefonia pubblica. Per una prestazione di questo livello all’utente è dato un circuito analogico avente banda di frequenze comprese fra 300 e 3400 Hz.

Trasmissione analogica della voce:

Un segnale analogico è un'onda elettromagnetica che varia con continuità e che può essere trasmesso sopra una larga varietà di mezzi; esempi sono i cavi quali il doppino telefonico, il cavo coassiale, la fibra ottica e la propagazione nell'atmosfera o nello spazio. La rete telefonica trasferisce segnali elettrici analogici che rappresentano la voce. Su una linea ci sono più segnali. La tecnica di trasmissione usata si chiama FDM(Frequency Division Multipliplexing) ovvero traslazione continua nel tempo in frequenza di ciascun segnale uscente da un telefono.  Questo segnale multiplato vera poi amplificato per aumentare l’energia del segnale analogico che diminuisce con la distanza.

Trasmissione digitale della voce.

Le telecomunicazioni, originariamente rivolte a soddisfare le esigenze concernenti il trasporto del solo traffico voce, nel tempo si sono però spostate verso la necessità di trasferire informazioni di tipo digitale. Un segnale digitale è una sequenza di impulsi che possono invece essere trasmessi solo attraverso un cavo. La rete telefonica usa un convertitore analogico/digitale detto codec (coder-decoder) che in un verso esegue l’operazione di codifica, ossia prende il segnale analogico che rappresenta la voce e lo trasforma in un flusso di bit, nel verso opposto compie l’operazione inversa (decodifica). La tecnica di codifica della voce di uso generalizzato nella rete telefonica pubblica è chiamata Pulse Code Modulation (PCM) e opera come segue: -Il segnale che rappresenta la voce (curva A) è campionato a intervalli di tempo equidistanti dt. Si ottiene un treno di impulsi distanziati nel tempo di dt. -L’ampiezza di ogni impulso è rappresentata mediante un numero intero. Si ottiene una successione di numeri che si susseguono nel tempo a intervalli dt. Se ogni numero è rappresentato da n bit, si ha un flusso di n bit ogni dt secondi. Il teorema del campionamento ci assicura che, per ricostruire la nostra curva, si deve usare un intervallo dt pari alla metà del periodo corrispondente alla massima frequenza che si vuole riprodurre. In altre parole, se vogliamo riprodurre tutte le frequenze fino a fmax dobbiamo campionare con una frequenza 2dfmax. In telefonia si è visto che la frequenza massima è 3,4 kHz che, arrotondata per eccesso a 4 kHz, prescrive una frequenza di campionamento di 8 kHz, corrispondente a dt = 125 µs. La seconda operazione, ossia la sostituzione di un’ampiezza d’impulso con un numero, introduce un errore dovuto al fatto che un numero di n bit può rappresentare al massimo 2n valori distinti (corrispondenti ad altrettanti livelli dell’impulso). Quando l’impulso assume un valore intermedio fra due livelli viene approssimato con uno di essi e viene così alterato. Il treno di impulsi alterati produrrà, in fase di ricostruzione del segnale, una forma d’onda (curva B) diversa da quella originale. La differenza fra le due curve equivale a un disturbo chiamato rumore di quantizzazione. La trasmissione fra centrali viene effettuata realizzando più giunzioni su una stessa linea fisica mediante multiplazione a divisione di tempo (TDM: Time Division Multipliplexing) da apparati detti multiplex (multiplatore) che affacciano canali da 64 kbit/s. Il collegamento deve essere mantenuto solo durante il tempo in cui ci sia sincronizzazione e individuazione del canale dove mandare il messaggio. Concludiamo dicendo che oggi le reti si sono talmente modernizzate che si usa un sistema di rete che permette la trasmissione di dati multimedia (voce,video,immagini,testo). Sto parlando dell’ISDN

Riferimenti e Approfondimenti:

1. Wikipedia:   articolo: http://it.wikipedia.org/wiki/Rete_telefonica

2. Appunti del l Prof  A. Lazzari dell'università di Parma: http://www.cedi.unipr.it/links/Corsi/telematica/Materiale/dispense/Telefonia/PSTN.html