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19/12/2010

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Corso TECNICO DI RETE

MODULO 1 –dimensionamento architettura di rete

Docente: ing.Andrea [email protected]

1. Caratteristiche dei mezzi trasmissivi: attenuazione e

banda passante

2. Modulazione di segnali e tecniche di affasciamento e

concentrazione dei flussi dati

3. La conversione analogico digitale dei dati e il bit rate

4. livello datalink : protocolli Byte stuffing, Stop & wait, sliding

window

5. Rilevamento e correzione degli errori di trasmissione

Lezione 3 – Livello fisico e collegamento

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LIVELLO FISICO

I SEGNALI E IL MEZZO TRASMISSIVO

Cosa trasporta un mezzo trasmissivo: Energia e Informazione

L’energia viene attenuata (si disperde) dal mezzo all’aumentare della distanza

AttenuazioneLa Attenuazione è un valore relativo perchè esprime una differenza: è il rapporto tra l’energia all’uscita dal mezzo e l’energia in entrata. La potenza è l’energia nell’unità di tempo , per cui l’attenuazione è anche un rapporto di potenze:

Attenuazione= Wout /Win

Potenza=energia/tempo Watt= Joule/s La Potenza è un valore assoluto

Esempio: Un segnale elettrico ha una potenza di 1milliwatt, nel cavo viene attenuato di 20 volte , in uscita si ottiene una segnale a 0,05 milliwatt

Mezzo trasmissivoWin Wout

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/it/2/2b/Osi-model.png

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Cosa trasporta un mezzo trasmissivo: Scala in DECIBEL

E’ utile esprimere Potenza e Attenuazione in scala logaritmica.Per le proprietà dei logaritmi un rapporto di grandezze si traduce in differenze delle stesse in scala logaritmica:

Att.[dB]= 10*log (Wout/Win)Es: Att[dB]=10*log(0,05/1)=-13dB

La potenza si esprime in scala logaritmica come rapporto tra potenza e potenza di riferimento (es. 1millwatt). In questo caso non si ha un valore relativo, ma assoluto:

P[dBm]= 10*log (P/1mW)Es: P[dBm]=10*log(1mW/1mW)= 0dBm

Es: P[dBm]=10*log(200mW/1mW)= 23dBmLa attenuazione in dB (relativa) si calcola molto più facilmente come differenza (in dB) tra potenze (in dBm)Es: Win=23dBm, Att=20dBWout=23-20=3dBm 10(3/10) =2millwatt


Cosa trasporta un mezzo trasmissivo: Scala in DECIBEL

Le sorgenti trasmissive per telecomunicazioni (trasduttori, trasmettitori, ecc..) erogano energia, ovvero potenza nell’unità di tempo. Questa si misura in Watt, Milliwatt, oppure dBm.

I mezzi trasmissivi (cavi, etere, fibre ottiche,ecc..) introducono sempre una attenuazione . Questa si misura in rapporti di energia, di potenze (numeri razionali), oppure in dB.

Esercizio: un sistema di trasmissione in fibra ottica copre una distanza di 1Km , la fibra ottica ha una perdita di 0,02dB ogni 10m. Quale potenza ottica è necessario trasmettere sapendo che il ricevitore per funzionare ha bisogno di almeno 0,01milliwatt?

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Cosa trasporta un mezzo trasmissivo: Energia e Informazione

Informazione è associata alle variazioni dell’energia trasmessa ovvero ai segnali

V(t)A

frequenza

Un segnale (periodico) è sempre costituito dalla sovrapposizione di una o più frequenze, dette armoniche, che costituiscono lo “spettro”.

t

V(t) T

Che impatto ha il canale trasmissivo sulla trasmissione del segnale?

ATTENUAZIONE:Qualunque mezzo trasmissivo è DISPERSIVO. L’ampiezza del segnale viene attenuata e tra il trasmettitore e il ricevitore si ha una perdita, funzione della distanza e della frequenza.

RISPOSTA SPETTRALE (O RISPOSTA IN FREQUENZA):Essendo l’attenuazione dipendente anche dalla frequenza, Il mezzo trasmissivo è in grado di trasferire solo una parte di tutte le frequenze possibili. Questa caratteristica è anche definita BANDA PASSANTE. Se lo spettro di ampiezza di un segnale è più ampio della banda passante, questo subirà un “taglio” e in ricezione lo spettro non sarà identico alla trasmissione. Questo si traduce in perdita di informazione.


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Per trasmettere informazioni a distanza è necessario utilizzare l’energia associata alle onde elettromagnetiche.

Una sequenza di dati per essere trasmessa deve essere “adattata” opportunamente: questa operazione si chiama MODULAZIONE

Se prendiamo un segnale con larghezza di banda limitata, la modulazione consiste nel “traslare” lo spettro a frequenze più alte.

MODULAZIONE DEI SEGNALI

f

Che impatto ha il canale trasmissivo sulla trasmissione del segnale?

RITARDO:Il tempo di propagazione di un’onda all’interno di un mezzo trasmissivo dipende dalle proprietà del mezzo. Nel vuoto (e nell’aria) le onde elettromagnetiche si propagano alla velocità massima di 300000km/s. Nel rame e nelle fibre ottiche la propagazione avviene circa a 200000km/s.

DISTORSIONE e RUMOREIl canale trasmissivo può introdurre un degrado inteso come distorsione del segnale originale e rumore. Il rumore nasce dal contributo casuale che si somma al segnale utile nel canale trasmissivo. Questo contributo è dovuto alla casualità con cui le cariche elettriche si muovono a livello sub molecolare a causa della temperatura.

MODULAZIONE DEI SEGNALI

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MEZZI TRASMISSIVI

CAVO UTP cat.3,4,5

MEZZI TRASMISSIVI

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MEZZI TRASMISSIVI

TABELLA RIASSUNTIVA CARATTERISTICHE CAVI

Loss dB/100mt10MHz

Loss dB/100mt100MHz

Loss dB/100mt1000MHz

Loss dB/100mt2500MHz

CAT 5 UTP 100

6-7 20-24 -- ---

Coax 4mm 50 2 3 10-12 22-25

Coax ½” 50 0,2 0,5 2,5-3,5 3,5-6

Multimodefiber850nm

0,3 0,3 3 6

Singlemodefiber1310nm

0,04 0,04 0,04 0,04

Singlemodefiber1550nm

0,02 0,02 0,02 0,02

CONDIVISIONE DEL MEZZO TRASMISSIVO

Il mezzo trasmissivo è sempre una risorsa “scarsa” e costosa, il cui utilizzo va massimizzato.

Più utenti possono condividere lo stesso mezzo se la risorsa viene allocata “a turno” tra i vari utilizzatori (tecnica TDM – time division multiplexing). Il tempo di bit corrispondente al bit rate massimo del canale , viene assegnato a turno. Di conseguenza il bit rate effettivo di ciascun utilizzatore viene ridotto in proporzione.

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CONDIVISIONE DEL MEZZO TRASMISSIVO

Un canale trasmissivo in grado di trasferire una banda pari a Fmax, è in grado di trasferire un segnale dati di B bit/s, dove B=Fmax/2Es. Fmax = 500MHz B=500/2=250Mbit/s

E’ possibile pensare di suddividere la banda in segmenti di ampiezza prefissata (es. 4KHz) , e disporre questi segmenti (canali) sull’asse delle frequenze. Se la banda è di 500MHz in linea di principio il canale può ospitare 50.000 canali da 10KHz, secondo la tecnica FDM (frequency division multiplexing). Ogni canale trasporta un bit rate molto più basso del singolo link.

MEZZI TRASMISSIVI E TRASPORTO DEL SEGNALE

Doppino telefonico: La grandezza fisica che trasporta l’informazione è la corrente elettrica.Il segnale telefonico vocale ha uno spettro compreso tra 300 e 3000Hertz, e modula direttamente la corrente. Il doppino ha però una banda passante maggiore del solo segnale vocale, per cui è possibile ospitare ulteriori segnali modulati, in porzioni di banda superiori e inferiori.

3003000 5000

Banda vocale

Segnalazioni, dati,….

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Cavo coassiale: La grandezza fisica che trasporta l’informazione è la corrente elettrica.La banda del cavo coassiale si estende oltre il gigahertz (radiofrequenza, microonde) per cui è possibile ospitare SIA segnali in banda base con spettro molto esteso, sia informazione modulata su più portanti , da più canali voce , a più canali dati.

110 1000

voce canale 1, canale 2, canale 3…. dati canale 1 canale 2, ecc..

100 MHZ

Lo spettro disponibile si suddivide in canali, secondo la tecnica definita multiplazione di frequenza (FDM) in cui ogni canale ospita una portante modulata.


Fibra ottica: La grandezza fisica che trasporta l’informazione è la potenza ottica generata dal trasmettitore e che viene “lanciata” nel filamento vetroso che costituisce la fibra.La banda del canale in fibra ottica è limitata dalle caratteristiche elettriche dei trasduttori (trasmettitore e ricevitore) e si estende oltre la decina di gigahertz (microonde). Nella fibra ottica è quindi possibile ospitare segnali in banda base a banda larghissima. Il segnale dati binario modula l’intensità della potenza ottica del trasmettitore. Questa tecnologia consente di trasmettere dati oltre il gigabit al secondo, ovvero più canali dati logici (FLUSSI) .

Anzichè trasmettere un unico flusso dati a B bit/s, si suddivide il tempo in N flussi da B/N bit/s. Il tempo di trama disponibile si suddivide in slot, secondo la tecnica definita multiplazione di tempo(TDM) in cui in ogni time slot viene trasmesso il relativo flusso

t

slot 1 slot 2 slot 3 slot 4 slot 1 slot 2….


http://it.wikipedia.org/wiki/File:Optical-fibre.svg

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Trasmissione radio: La grandezza fisica che trasporta l’informazione è il campo elettromagnetico in aria libera. La banda del canale trasmissivo è limitata dalle caratteristiche elettriche dei trasduttori (trasmettitori, ricevitori, antenne), o da eventuali caratteristiche dell’atmosfera. Si estende da poche centinaia di kilohertz a oltre la decina di gigahertz per cui è possibile ospitare moltissima informazione distribuita nella varie frequenze, da più canali voce , a più canali dati.

110 1000

voce canale 1, canale 2, canale 3…. dati canale 1 canale 2, ecc..

100 MHZ

Lo spettro radio si suddivide in canali, secondo la tecnica definita multiplazione di frequenza (FDM) in cui ogni canale ospita una portante modulata. Essendo lo spettro radio una risorsa condivisa, è necessario sottostare ai regolamenti di utilizzo delle varie frequenze, stabiliti dagli enti e autorità regolatori.


IL CAMPIONAMENTO DEI SEGNALI

Il campionamento è la tecnica che consente di convertire un segnale analogico in un segnale numerico PCM (Pulse Coded Modulation).

t

5

4

3

2

1

N+1 N+2 N+3 N+4 N+5 N+6 N+7 N+8

Dalla forma d’onda originale vengono prelevati dei campioni a intervalli regolari, questi campioni vengono poi approssimati (quantizzati) a una griglia di valori interi, che è codificabile in binario.

Dai campioni approssimati è poi possibile ricostruire per interpolazione la forma d’onda originale , a meno di un errore che dipende dalla densità della griglia di campionamento e quantizzazione.

Il teorema di Shannon impone che per una corretta ricostruzione dello spettro del segnale originale questo debba soddisfare la condizione:

Fmax< 2Fcamp

Dove Fmax è la massima frequenza presente nello spettro del segnale da campionare, Fcamp è la frequenza di campionamento

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Catena di conversione analogico – digitale - analogico

ANALOG TO

DIGITAL CONVERTER

DIGITAL TO

ANALOG CONVERTER

0001010110000110…….

LOW PASS FILTER

LOW PASS FILTER

Il filtro passa basso in entrata limita la banda del segnale alla banda di Shannon

Il filtro passa basso in uscita opera l’interpolazione fra i campioni , è detto anche “filtro ricostruttore”


CENNI SUI METODI NUMERICI PER RIDURRE LA BIT RATE

Tutti i metodi di riduzione della bit rate di un segnale campionato, secondo modalità conformi al teorema di Shannon, sfruttano meccanismi e ipotesi che possiamo classificare come segue:

1) Proprietà statistiche del segnale come la correlazione interna al segnale stesso: es. probabilità che la derivata (variazione) del segnale sia superiore a un certo valore sia nulla,

2) Caratteristiche percettive e sensoriali dell’uomo, destinatario finale del segnale: es. segnali acustici sopra una certa frequenza non sono udibili, effetti di mascheramento di spettri complessi, correlazioni tra righe spettrali di segnali fisici, tempi di reazione di recettori umani (occhio, udito),ecc…

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Caso di segnale vocale campionato:Poichè il segnale elettrico generato da una conversazione vocale non può subire cambiamenti bruschi, è certo che ogni campione differisca dal successivo per valori inferiori alla ampiezza della parola di campionamento, quindi trasmettendo solo la differenza tra un campione e il successivo si può ridurre la quantità di bit. Inoltre poiché il segnale è anche correlato (il valore successivo dipende da n valori precedenti) è possibile da parte del ricevitore calcolare la stima del campione futuro e trasmettere solo il fattore di correzione necessario. Questa trasmissione (o codifica) è detta DIFFERENZIALE (ADPCM).



Caso di segnale video o immagini in movimento:Le codifiche dei segnali video sono in genere estremamente pesanti in termini di bitrate poiché dipendono dalla velocità dei frame e dalla risoluzione delle immagini stesse .Le tecniche di riduzione si possono classificare in

1) Tecniche di riduzione INTRAFRAME, che cercano di trovare delle correlazioni all’interno dell’immagine (frame) , sfruttando il concetto di codifica differenziale, o altri algoritmi matematici (es. trasformata DCT) , suddividendo l’immagine in “quadretti” all’interno dei quali il contenuto è costante.

2) Tecniche di riduzione INTERFRAME, che cercano di trovare le correlazioni tra “quadretti” corrispondenti tra un frame e l’altro (tecniche di “motocompensazione”) e trasmettere anziché un frame intero ogni volta, soltanto i vettori di spostamento dei quadretti.

A questo insieme di tecniche fanno riferimento i vari formati standard MPEG1,2,3,4, JPEG, DVD,DV, H264, ecc.

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CENNI SUI METODI PER RIDURRE LA DIMESIONE DEI FILES

E’ opportuno osservare che anche imetodi di riduzione delle dimensionidei files hanno le stesse finalità delletecniche di riduzione della bitrate, mautilizzano solamente algoritmi dicalcolo che cercano correlazioni tra ibit/byte presenti nel file, a prescinderedall’origine dei dati (fenomeni fisici,fisiologici, percettivi, ecc..). Il fattore dicorrezione che si raggiunge tuttavia èestremamente variabile e dipendeessenzialmente dal tipo di trattamentoche la sequenza di dati ha avuto primadi essere archiviata nel file.

TIPO FILE estensionecodifica %compressione

Autocad dwg ascii 50..70%

video avi avi m-jpeg 0..20%

word senza immagini doc ascii 50..70%

word con immagini jpeg doc ascii+jpeg 10..20%

immagini jpeg jpg jpeg 0..5%

file audio mp3 mp3 mp3 0..2%

email di outlook msg mime 50..70%

file di testo txt ascii 60..80%

file compresso zip zip 0%

file acrobat pdf pdf 5..10%

eseguibile exe bin 10..30%

presentazione powerpoint ppt ppt 50..70%

video mpeg2 mpg mpeg2 5..10%

audio wave wav pcm 10..30%

immagine bmp bmp bmp 40..60%

file web html ascii 50..70%

I files che hanno già subito una codifica di riduzione di ridondanza mostrano una scarsa correlazione dei dati al proprio interno per cui gli algoritmi di compressione che lavorano esclusivamente sul file non hanno grossi risultati

LIVELLO DATI

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/it/2/2b/Osi-model.png

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PROTOCOLLI E LIVELLO DATALINK

Scopo del livello Dati (datalink):raggruppare i bit in “frame” (pacchetti) in modo da forniresufficiente affidabilità alla trasmissione, attraverso un controllo erecupero di errore e un meccanismo di indirizzamento a livello ditopologia fisica del mezzo trasmissivo

COME DELIMITARE I PACCHETTI

1) Contare i caratteri (inaffidabile)2) Individuare dei caratteri delimitatori e utilizzare tecniche di

“escaping” o “bit stuffing” 3) Utilizzare violazioni della codifica di linea per delimitare i frame

27Andrea Sarneri - Corso CESCOT 2010

Trasmissione SERIALE ASINCRONA

Ogni byte è trasmesso singolarmente, il tempo di BIT è definito a priori, l’inizio del byte e la fine sono definite da due transizioni riconoscibili



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Codifica Manchester e Violazione di codice di linea

OK

Codice di linea non ammesso

La violazione del codice di linea può essere usato direttamente per delimitare il frame



Trasmissione SERIALE SINCRONA

Utilizzo di sequenze di caratteri Speciali per delimitare sequenze di caratteri ASCII:BYTE STUFFING

DLE = data link escapeSOT= start of text…….DLE=datal link escapeEOT=end of text

Problema con i dati binari: se capita un carattere DLE nei dati si raddoppia il carattere DLE in trasmissione e si rimuove in ricezione.



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PROTOCOLLI E LIVELLO DATALINK - Codici ASCII


PROTOCOLLI E LIVELLO DATALINK - Codici ASCII estesi


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BIT STUFFING utilizzo di una sequenza di bit speciale per delimitare sequenze arbitrarie di bytes: es una sequenza di sei “1”01111110 flag byte

Se la sequenza dei dati però contiene sei 1 consecutivi , non distinguerei più il flagbyte. Nel data byte si inserisce forzatamente allora un bit a 0 dopo i primi 5 “1”

011111010data byte con stuffing bit.



Protocollo stop and wait

Ipotesi per un corretto funzionamento:•RX è sempre in condizioni di poter ricevere•TX riceve sempre ACK•Canale NON disturbato



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Caso di disturbo o perdita del pacchetto TX:1. RX riconosce l’errore e

NON invia ACK oppure non riceve niente e non invia ACK

2. TX invia nuovamente il pacchetto




Caso di disturbo o perdita del pacchetto ACK:1. RX riconosce il frame,

invia ACK, e lo passa al livello di rete

2. TX non riceve ACK3. TX invia nuovamente

il pacchetto4. RX riceve due volte lo

stesso pacchetto!!



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Protocollo sliding window

Funzionamento:1. Si numerano i frame e i relativi ACK2. TX e RX mantengono un buffer (FIFO) rispettivamente per i frame trasmessi e

ricevuti3. Il Tx non aspetta il relativo ACK per ogni frame trasmesso ma può inviare anche i

successivi.4. Il TX utilizza un timeout per ritrasmettere quando non riceve ACK5. Se RX riceve frame errati oppure NON in sequenza, NON invia ACK TX

ritrasmette a partire dall’ultimo frame chiuso correttamente6. Man mano che si chiudono dei cicli correttamente il contenuto del buffer

avanza di uno

TX

RX



RILEVAMENTO DEGLI ERRORI DI TRASMISSIONE

RICHIAMI DI ARITMETICA BOOLEANA

L’operatore EXOR è utilizzato per verificare se due variabili non sono ugualiL’operatore NOT “complementa a 2” la variabile

L’operatore AND è utilizzato per verificare se due variabili sono entrambe a valore “alto”

L’operatore OR è utilizzato per verificare se di due variabili almeno una ha valore “alto”


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Qualunque canale trasmissivo è affetto da errore. Se immaginiamo di trasmettere in sequenza dei caratteri con valori da 1 a 256, per questo serviranno 8 bit (28): trasmetteremo quindi 8 bit. Se però un bit sbaglia non riconosceremo un errore ma un carattere diverso.

Una sequenza di N bit può assumere 2N possibili valoriSe un bit su N viene corrotto, la nuova configurazione corrisponde comunque a una configurazione possibile, quindi non è riconoscibile come errata.

Le tecniche di rilevazione consentono attraverso l’aggiunta di bit di ridondanza , il riconoscimento delle configurazione errate:

Esistono tecniche per il rilevamento di errore e tecniche per rilevamento e correzione



Rilevamento di errore: CHECKSUM

BIT DI PARITA’ (PARI)Si aggiunge un bit alla sequenza in modo che il numero di “1” totale sia pariSe sbaglia un qualunque bit della parola trasmessa non torna la paritàWORD DI PARITA’Si aggiunge una word ovvero si calcola anche una parità “verticale”Se aggiungo la parità verticale su un blocco di parole su cui si è aggiunto anche il bit di parità orizzontale, è possibile individuare il bit sbagliato e anche correggerlo.

- Un errore su un bit viola sempre la parità , questa tecnica fallisce se l’errore è su due bit.- Questo meccanismo è facilmente implementabile poiché utilizza la funzione EXOR (bit uguali a due a due)


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Riconoscimento errori su più bit adiacenti (burst):Tecnica del CRC (Ciclic Redundant Check)




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Polinomi generatori standard:

• CRC - 8 : x8+ x2 + x1 + 1 • CRC - 10 : x10 + x9 + x5 + x4+ x1 + 1 • CRC – 12: x12 + x11 + x3 + x2+ 1 • CRC – 16: x16 + x12 + x5 + 1 • CRC – CCITT: x16+ x12 + x5 + 1 • CRC – 32: x32 + x26 + x23+ x22+ x16 + x12 + x11 + x10 x8x7 + x5 + x4 + x2 + x + 1

Proprietà:

detect all single bit errors as long as xk and x0 have non zero coefficients. detect double bit errors as long as C(x) has at least three terms. any odd number of errors as long as C(x) has a factor (x+1) any burst error of length < k bits can also be detected.


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