Introduzione alle reti telematiche/Livello 1 OSI

Il livello fisico (physical) è lo strato deputato al trasporto fisico dei bit di informazione tra un sistema e l'altro. Un livello fisico è definito in base a codifiche di linea, connettori, livelli di tensione, ecc.

Mezzi di trasmissione

Mezzi elettrici (cavi di rame)

Il mezzo ottimale è caratterizzato da:

• buone caratteristiche elettriche, cioè resistenza, capacità parassite e impedenza basse;
• buona resistenza alla trazione;
• flessibilità (le fibre ottiche non sono flessibili).

Le caratteristiche dei mezzi elettrici dipendono da:

• geometria;
• numero di conduttori e distanza reciproca;
• tipo di isolante;
• tipo di schermatura.

dB

${\left(x\right)}_{\text{dB}}=10\log _{10}{\left({\frac {x}{x_{\text{rif}}}}\right)}$

${\left(P\right)}_{\text{dBm}}=10\log _{10}{\left({\frac {P\,\left[{\text{W}}\right]}{1\,{\text{mW}}}}\right)}$

${\left(P_{\text{RX}}\right)}_{\text{dBm}}={\left(P_{\text{TX}}\right)}_{\text{dBm}}-{\left({\text{perdita}}\right)}_{\text{dB}}$

Parametri di merito

• impedenza;
• velocità di propagazione del segnale: 0,5c - 0,7c per cavi di rame, 0,6c per fibre ottiche;
• attenuazione, cioè la perdita di potenza del segnale trasmesso con l'aumentare della distanza: cresce linearmente in dB con la distanza;
• diafonia (o cross-talk), cioè la misura del disturbo indotto da un cavo vicino: vicino alla sorgente di trasmissione è poco disturbato, ma cresce con la distanza fino a stabilizzarsi.

Doppino

Il doppino è costituito da due fili di rame intrecciati per ridurre l'effetto delle interferenze dall'esterno. Ha un costo molto basso.

La versione UTP del doppino non presenta schermature. Vi sono 7 categorie, di qualità e prezzo crescenti:
1. telefonia analogica
2. telefonia ISDN
3. reti locali fino a 10 Mb/s
4. reti locali fino a 16 Mb/s
5. reti locali fino a 100 Mb/s: il connettore si attacca a 4 doppini
5e. reti locali fino a 1 Gb/s: il connettore si attacca a 4 doppini
6. reti locali fino a 1 Gb/s: in fase di standardizzazione

Cavo coassiale

In un cavo coassiale, il filo centrale è circondato da una maglia che fa da massa e da un isolante per ridurre le interferenze dei disturbi esterni (gabbia di Faraday). Grazie al maggiore spessore del conduttore l'impedenza è molto bassa, ma non è molto flessibile. Consente velocità di trasmissione dell'ordine di centinaia di Mb/s, ma è costoso.

Mezzi ottici (fibre ottiche)

La fibra ottica è costituita da un filo molto sottile di vetro, con dei rivestimenti di protezione.

Vantaggi

• totale immunità dai disturbi elettromagnetici, anche se la probabilità di errore non è perfettamente nulla;
• alta capacità di trasmissione (fino a decine di Terabit/s);
• il segnale trasmesso viaggia "rimbalzando" sulle pareti e viene ricevuto con un'attenuazione molto bassa → i cavi possono essere molto lunghi;
• dimensioni ridotte e costi contenuti.

Svantaggi

• bassa flessibilità: si spezza facilmente;
• difficili da collegare tra loro (giunzioni) e con connettori: serve il microscopio → costo elevato;
• la comunicazione è unidirezionale, e le connessioni possono essere solo punto-punto.

Finestre di lavoro

Ci sono tre tipi di laser:

1. lunghezza d'onda 0,8 μm: costo molto basso ma attenuazione alta;
2. lunghezza d'onda 1,3 μm: si trova subito prima della frequenza a perdita massima (1,4 μm);
3. lunghezza d'onda 1,55 μm: perdita minima, ma costo massimo.

Mezzi radio (onde radio)

Una trasmissione via radio può subire delle perdite in ampiezza dovute a:

• presenza di ostacoli nell'ambiente:
  • fading (variazione veloce): il segnale si riflette sugli oggetti dell'ambiente che si muovono dinamicamente, e si creano delle interferenze costruttive o distruttive (perché in controfase);
  • shadowing (variazione lenta): la gran parte del segnale viene bloccata da un oggetto vicino al trasmettitore;
• interferenze co-canale: interferenze con altri segnali;
• attenuazione: a differenza dei cavi elettrici, il segnale si attenua con il quadrato della distanza.

Reti di trasporto

La rete di trasporto comprende gli apparati e i mezzi di trasmissione, appartenenti a uno o più gestori, che collegano due nodi di accesso.

PDH

Il PDH è un vecchio standard progettato per il trasferimento di canali vocali numerici a 64 Kb/s (PCM) nelle reti telefoniche. Le reti PDH sono reti a circuito digitale basate sul TDM: i dati non viaggiano con lo store and forward, ma in flussi organizzati secondo una trama temporale. Il sistema è detto "plesiocrono" perché occorre una stretta sincronizzazione tra trasmettitore e ricevitore. Esistono diversi standard nel mondo.

Vi è una gerarchia TDM se i flussi di dati vengono aggregati in flussi di livello via via superiore secondo delle regole stabilite; più si sale di livello gerarchico, più la velocità di trasferimento è elevata:

Il PCM ha una frequenza di campionamento di 8 kHz, cioè 8000 campioni al secondo, e ogni campione è pari a 8 bit → al livello T0 arriva un campione ogni 1 / 8000 = 125 μs. La durata delle trame nei livelli successivi deve continuare a essere uguale a 125 μs perché il flusso di dati dev'essere continuo. Siccome vengono aggregati 24 canali di livello T0 più un bit di segnalazione, al livello T1 in un secondo vengono aggregati 8000 × (8 × 24 + 1) = 1,544 Mbit/s.

Per isolare una singola telefonata all'interno di un flusso bisogna demultiplare un livello per volta, utilizzando alcuni bit di segnalazione per la sincronizzazione (ogni apparato ha un proprio clock).

SONET/SDH

Nell'SDH esiste un clock unico per l'intero sistema, grazie a una rete di sincronizzazione o tramite il GPS → ogni telefonata si trova in una definita posizione di bit ed è così facilmente rintracciabile. L'SDH è l'equivalente europeo dello standard internazionale SONET. La topologia è spesso ad anello per garantire l'affidabilità: un blocco nella rete deve essere recuperato istantaneamente, anche se a costo maggiore.

L'SDH funziona solo su fibra ottica perché le velocità sono incompatibili con i cavi di rame.

La multiplazione dei flussi non è banale come nel PDH (un canale a fianco dell'altro), ma è progettata per ottimizzare l'elaborazione via hardware. Ogni trama temporale include nella PCI:

• informazioni di sincronizzazione per distinguere l'inizio della trama;
• canali vocali di servizio;
• gestione guasti/errori.

Anche nell'SDH ogni trama deve durare 125 μs in tutti i livelli.

Reti di accesso

La rete di accesso (o local loop) comprende gli apparati e i mezzi di trasmissione che collegano l'utente con il nodo di accesso del gestore (es. centrale telefonica urbana).

Rete cellulare

L'area geografica è suddivisa in celle, e al centro di ogni cella c'è un'antenna. Le antenne sono collegate attraverso la rete dell'operatore. A differenza di una comune rete wireless, la rete cellulare supporta la mobilità: quando il telefonino si sposta da una cella all'altra cambia ponte radio in modo trasparente.

POTS

Il modem è un dispositivo modulatore e demodulatore, che trasforma i bit in segnali acustici da trasmettere sulla rete telefonica analogica pubblica. Si distinguono il PC dell'utente (DTE) e il modem (DCE).

L'ultimo standard, il V.90, raggiunge (teoricamente) i 56 kb/s in ricezione e 33,6 kb/s in trasmissione. La velocità è limitata fisicamente dalla capacità di Shannon del doppino:

$C_{\text{Shannon}}=B_{\text{anda}}\log {\left({\text{rapporto segnale rumore (SNR)}}\right)}$

dove il segnale si attenua con la lunghezza del doppino, e la banda è limitata dalla massima frequenza di suoni possibile (4 kHz).

ISDN

La rete ISDN è:

• digitale: sulla rete viaggiano i segnali digitali fino al terminale dell'utente → il telefono deve integrare un convertitore analogico/digitale;
• integrata: supporta la trasmissione di dati e voce su un'unica risorsa di rete.

Caratteristiche

• orientata alla connessione (tariffazione a tempo);
• pubblica e/o privata;
• numerica end-to-end: l'informazione viaggia tutta a livello numerico dalla sorgente alla destinazione;
• plesiocrona: usa trame TDM;
• offre servizi a circuito (telefonia, fax) e a pacchetto (trasmissione dati).

È organizzata in due tipi di flussi:

• canale B (Bearer): 64 kb/s (voce, dati, fax);
• canale D (Data): 16 kb/s (segnalazione, dati, telecontrollo);

combinati tra loro:

• BRI (2B + D, 128 kb/s): destinata all'utenza domestica, il segnale numerico è distribuito tramite l'S-bus che ha una topologia a bus;
• PRI (EU: 30B + D, USA: 23B + D): destinata alle imprese.

Gli apparati ISDN sono più costosi rispetto a quelli per l'ADSL → è una tecnologia abbandonata.

DSL

La rete DSL è una rete digitale che permette di trasmettere dei dati ad alta velocità sulla rete di accesso tradizionale. L'ADSL è una DSL asimmetrica: la velocità in upstream (max 640 Kbps) è molto inferiore a quella in downstream (max 9 Mbps).

Il filtro splitter ha il compito di separare il segnale vocale dai dati in base alla frequenza.

HFC

Le reti HFC sono le reti per la TV via cavo (CATV), diffuse negli Stati Uniti. Sono pensate per un funzionamento unidirezionale: l'operatore invia i dati ai nodi remoti via fibra ottica, e ogni nodo tramite un cavo coassiale manda il segnale in parallelo a tutti gli utenti (topologia ad albero); l'utente usa un cable modem che riceve il segnale analogico e lo converte in digitale. I dati e i segnali TV occupano porzioni diverse di banda → occorre un filtro presso l'utente. Siccome il canale è unidirezionale, l'upstream di dati viene effettuato su linea telefonica standard.

Confronto tra ADSL e HFC

• l'ADSL è punto-punto, l'HFC è un unico mezzo fisico condiviso tra tanti;
• l'ADSL si appoggia alla tecnologia telefonica standard presso l'utente, l'HFC richiede la posa di cavi ad hoc;
• nell'ADSL la qualità del segnale diminuisce con la distanza, l'HFC non risente della distanza.

Accesso radio mobile

Wireless

GPRS, UMTS, IEEE 802.11 (wi-fi), IEEE 802.16 (Wi-Max)

Reti satellitari

• GEO (altitudine 35000 km, tempo di propagazione 270 ms, 3 satelliti necessari per la copertura globale): TV satellitare, non per upstream;
• MEO (altitudine 15000 km, tempo di propagazione 50 ms, >10 satelliti): GPS;
• LEO (altitudine <1000 km, tempo di propagazione 5 ms, >50 satelliti): telefonia satellitare con antenne omnidirezionali e bassa latenza;
• piattaforme stratosferiche (in fase di studio): un drone vola all'altezza della stratosfera (sopra le nuvole), e funge da satellite a bassissima quota.