Introduzione alle reti telematiche/Nozioni introduttive

comunicazione: trasferimento di informazioni secondo un protocollo (= insieme di convenzioni prestabilite tra sorgente e destinatario)

telecomunicazione: comunicazione a distanza (cavo, segnali radio, sistemi ottimi, sistemi elettromagnetici...)

Funzioni

Il servizio è ciò che viene dato all'utente.

Le funzioni vengono gestite dall'operatore:

• segnalazione di utente: le informazioni di controllo tra utente e rete (ad esempio, in una telefonata la segnalazione di utente serve per iniziare o terminare di chiamata, inviare il numero destinatario, ecc.);
• commutazione: la rete predispone le risorse necessarie alla comunicazione vera e propria;
• segnalazione di rete: i segnali di controllo che vengono scambiati internamente tra un nodo e l'altro della rete durante la comunicazione (nel 1800 la segnalazione di rete consisteva nel "dialogo" tra i centralinisti);
• trasmissione: la comunicazione vera e propria del segnale;
• alla fine le risorse vengono rilasciate e ridestinate ad altri utenti.

Topologie

Una rete di telecomunicazione è un insieme di nodi e canali che fornisce un collegamento tra due o più punti per permettere la telecomunicazione tra essi:

• il nodo è un punto in cui avviene la commutazione;
• il canale è il mezzo di trasmissione, unidirezionale (ad es. fibra ottica) o bidirezionale (ad es. cavo elettrico).

Un canale può essere:

• punto-punto: collega due soli nodi;
• multi-punto: più nodi, uno master e gli altri slave, possono accedere al canale condiviso (non contemporaneamente);
• broadcast: più nodi possono accedere senza distinzione al canale condiviso; per raggiungere un singolo utente è necessario fornire anche l'indirizzo del nodo di destinazione, in modo che quando il nodo di destinazione riceve l'informazione può iniziare a elaborarlo.

La topologia di una rete di telecomunicazione è la rappresentazione grafica a grafo G = (V, A) dei nodi della rete e delle loro interconnessioni. Ogni topologia è caratterizzata da: affidabilità, complessità di controllo, costo (numero dei canali).

Si distinguono:

• topologia fisica: rappresenta i canali corrispondenti ai mezzi di trasmissione fisici, ma ogni canale può essere più complesso di un semplice arco (ad es. centro stella);
• topologia logica: i canali di comunicazione sono rappresentati in modo astratto, ma possono essere anche complessi a livello fisico (ad esempio un centro stella che consente solo certi instradamenti).

Topologia a maglia completa

Esempio di topologia a maglia completa.

Si definisce topologia a maglia completa il grafo completo:

$C={\tfrac {N\left(N-1\right)}{2}}=O\left(N^{2}\right)$

Svantaggi

• massimo numero di canali → costo massimo
• complessità di controllo: è necessario un algoritmo per individuare il percorso di lunghezza minima tra sorgente e destinazione in tempi rapidi (~decine di clock) → solo le reti con pochi nodi sono a maglia completa

Vantaggio

maggiore tolleranza ai guasti → maggiore affidabilità: un arco guasto viene facilmente sostituito da un altro

Topologia ad albero

Esempio di topologia ad albero.

In una topologia ad albero tutti i nodi sono connessi tra loro ma, a differenza della topologia a maglia, non esistono cicli:

$C=N-1=O\left(N\right)$

Vantaggi

• minimo numero di canali → costo minimo
• complessità di controllo: semplice perché non esistono percorsi alternativi

Svantaggio

vulnerabilità ai guasti → minore affidabilità

Topologia a stella attiva

Esempio di topologia a stella attiva.

In una topologia a stella attiva, la commutazione viene effettuata dal centro stella a cui tutti i nodi sono collegati:

$C=N$

Vantaggio

complessità di controllo: tutte le informazioni da un nodo all'altro passano attraverso il centro stella → l'intelligenza è demandata al centro stella

Svantaggio

vulnerabilità ai guasti del centro stella

Esempi

reti locali, reti via satellite, reti radio cellulari

Topologia a stella passiva

Esempio di topologia a stella passiva.

In una topologia a stella passiva, il canale è unico (con N archi) → la comunicazione è sempre broadcast:

$C=1$

Vantaggio

il centro stella è semplice perché non ha intelligenza

Svantaggio

vulnerabilità ai guasti del centro stella

Topologia ad anello

Esempio di topologia ad anello.

In una topologia ad anello, i nodi sono disposti circolarmente:

• anello unidirezionale: $C={\tfrac {N}{2}}$
• anello bidirezionale: $C=N$

Vantaggio

il numero di canali è molto basso → basso costo

Tolleranza ai guasti

• anello bidirezionale: se avviene un singolo guasto, basta un deviatore che manda l'informazione sull'altra porta nella direzione opposta → complessità semplice dell'algoritmo di gestione dei guasti;
• anello unidirezionale: alcuni nodi non riescono più a comunicare tra loro.

Topologia a bus

Esempio di topologia a bus passivo.

• topologia a bus attivo: è un albero in cui su ogni nodo sussistono al massimo due archi;
• topologia a bus passivo: è composto da un canale condiviso a cui sono connessi tutti i nodi (ad es. reti locali e metropolitane, prima versione dell'Ethernet).

Prestazioni

Le prestazioni di una rete dipendono dal throughput e dalla topologia. Il throughput è il traffico corrente, cioè la quantità di dati trasmessi da tutti i nodi in una certa unità di tempo (bit/s). Se il traffico è uniforme e la struttura è regolare, il massimo throughput $x_{\text{max}}$, cioè la massima quantità di traffico smaltibile dalla rete, è inversamente proporzionale alla media della distanza ${\overline {D}}$ tra ogni coppia di nodi: è possibile trasmettere più informazioni se la distanza media è minore, e viceversa.

Minore è la distanza media, maggiore è il massimo throughput possibile e migliori sono le prestazioni della rete:

• anello: ${\overline {D}}=O\left(N\right)$ → prestazioni peggiori: distanza media molto alta;
• manhattan: ${\overline {D}}=O\left({\sqrt {N}}\right)$;
• shuffle: ${\overline {D}}=O\left(\log {N}\right)$;
• maglia completa: ${\overline {D}}=1$ → prestazioni migliori: il percorso minimo tra un nodo e l'altro è costituito da un solo arco.

Esercizio

4 nodi sono disposti in varie topologie. Ogni coppia di nodi si scambia $2x$ bit/s → il traffico totale generato è $12x$ perché ciascun nodo comunica con gli altri 3 nodi. Determinare la distanza media ${\overline {D}}$ e il valore massimo $x_{\text{max}}$ che può assumere il throughput in funzione della banda di trasmissione $B$.

Servizi

Le reti possono essere:

• dedicate: offrono un unico servizio;
• integrate: integrano più servizi (ad es.: l'ISDN a banda stretta (N-ISDN) e larga (B-ISDN) supportano sia la telefonia sia la trasmissione dati).

Si distinguono i servizi portanti e i teleservizi.

I servizi portanti sono quelli che garantiscono all'utente solo la trasmissione del segnale da un punto all'altro (es. circuito diretto).

Teleservizi

I teleservizi offrono di più rispetto ai servizi portanti:

• servizio di base: fornisce funzionalità minime (es. televisione, telefonia);
• servizio supplementare: fornisce funzionalità aggiuntive (es. TV on demand).

Il flusso di informazioni può essere:

• bidirezionale simmetrico: in entrambe le direzioni e la stessa quantità di dati viene in media trasmessa in entrambe le direzioni (es. telefono);
• bidirezionale asimmetrico: in entrambe le direzioni ma in una direzione vengono trasmessi più dati;
• unidirezionale: in una sola direzione (es. sensore, radio).

oppure:

• punto-punto (es. telefonata);
• punto-multipunto (es. radio, broadcasting);
• multipunto-multipunto (es. videoconferenza).

I teleservizi si classificano in:

• diffusivi: l'utente non può interagire (es. televisione, YouTube)
• interattivi: permettono l'interazione tra gli utenti → devono rispettare certi vincoli di qualità (es. in una videochiamata l'audio deve essere senza scatti)
  • conversazionali
  • messaggistica
  • di consultazione e reperimento

I teleservizi si realizzano in due modalità che si differenziano per le modalità di comportamento degli applicativi utente:

• modello client-server: è possibile distinguere due ruoli ben distinti nella rete, cioè il client (es. browser) e il server (es. server che ospita il sito), e il server deve essere sempre attivo in attesa della richiesta del client;
• modello peer-to-peer: ciascun utente è sia client sia server per la stessa applicazione: chi usufruisce del servizio lo fornisce anche → sono paritetici.

Trasmissione

L'informazione può essere trasmessa in due modi:

• segnale analogico: il segnale elettrico è definito come una funzione continua e limitata che può assumere infiniti valori;
• segnale digitale: il segnale elettrico è definito come una funzione discontinua e limitata che può assumere un numero finito di possibili valori.

Segnale analogico

Attraverso il campionamento e la quantizzazione, un segnale analogico può essere trasformato in un segnale numerico in modo da facilitare la trasmissione:

• campionamento: è preciso se rispetta il teorema di Nyquist-Shannon: $f_{c}\geq 2B_{\text{max}}$, cioè se viene campionato con frequenza sufficiente, ma la banda non è esattamente definita normalmente;
• quantizzazione: l'errore è minore tanti più livelli si fissano.

Esempio 1

La voce del telefono è affetta da numerosi errori ma è sufficiente che l'utente capisca le parole:

• frequenza di campionamento: f_c = 8 kHz = 8000 campioni al secondo
• (PCM) 256 livelli → 8 bit
• frequenza di dati trasmessi: 8 × 8 = 64 kbit/s

Esempio 2

Un CD musicale è più fedele:

• frequenza di campionamento: f_c = 44 kHz
• (PCM) 2¹⁶ livelli → 16 bit
• frequenza di dati trasmessi: 704 kbit/s

Segnale digitale

Dal punto di vista fisico un segnale digitale è comunque un segnale continuo, soggetto a disturbi e interferenze, e il ricevitore tramite un filtro passa-basso deve ricostruire l'informazione discreta. In natura la trasmissione di un segnale non ha mai una probabilità di errore nulla.

Inoltre il ricevitore deve campionare il segnale ricevuto negli istanti di tempo corretti → servono delle informazioni di sincronizzazione:

• trasmissione asincrona: il trasmettitore e il ricevitore hanno due clock separati, e un clock può non andare a velocità perfettamente uguale rispetto all'altro → l'informazione stessa porta delle informazioni utili per compensare gli errori di sincronia (ad es. lo Start Bit è il riferimento della durata di un bit e permette di correggere la velocità del clock all'inizio della trasmissione);
• trasmissione sincrona: esiste una rete, parallela a quella delle informazioni, che sincronizza i due clock → è necessaria una sincronizzazione non a livello di bit ma a livello di trama (ad es. una tastiera deve far capire quando inizia e finisce ogni carattere).

L'informazione può venire trasmessa in due modi:

• trasmissione parallela: l'informazione viene trasferita più bit alla volta (per esempio un byte o 2 ma anche molto di più, dipende dal cavo) su un bus di comunicazione;
• trasmissione seriale: l'informazione viene trasferita un bit alla volta → è necessario ricostruire il byte.

La ricezione può essere:

• continua: punto-punto, trasmissione sincrona;
• burst mode: multi-punto o broadcast, trasmissione asincrona.

Modi di trasferimento

Condivisione di canale

La condivisione dei canali permette di abbassare i costi.

Un canale può essere condiviso in due modi:

• multiplazione: tanti flussi di informazioni accedono tutti in un punto preciso della rete (come una centrale telefonica) e condividono un unico canale di uscita → l'accesso all'unico canale è gestito in modo da evitare le interferenze tra un utente e l'altro (router, ponte radio, satellite, stazione base di rete cellulare);
• accesso multiplo: i flussi accedono al canale da punti differenti e arrivano distribuiti nello spazio (ad es. Internet via wireless) → due utenti che accedono contemporaneamente alla risorsa condivisa si interferiscono a vicenda (reti locali, terminali mobili rete cellulare, stazioni di terra in comunicazioni via satellite).

Internet è basato sulla multiplazione statistica, la telefonia è basata sulla multiplazione predeterminata:

• multiplazione predeterminata: l'allocazione delle risorse è determinata a priori (ad es. per tutta la durata di una telefonata i parametri di frequenza, tempo... non cambiano, anche se per un certo tempo chi telefona sta zitto);
• multiplazione statistica: l'allocazione delle risorse viene decisa in base ai dati che arrivano sul momento, cioè in base alle variazioni istantanee di traffico (ad es. in Internet ogni dato è in lotta con gli altri dati per l'accesso al canale).

Sia la multiplazione sia l'accesso multiplo prevedono varie modalità di suddivisione dei flussi di informazione: frequenza, tempo, spazio e codice.

Divisione di frequenza (FDM, FDMA)

Un canale è suddiviso in vari sottocanali, e ogni utente può accedere a uno dei sottocanali liberi. Ad ogni sottocanale è associata una porzione della banda complessiva del canale. Le bande di guardia sono dei margini di sicurezza tra un canale e l'altro.

Divisione di tempo (TDM, TDMA)

La separazione dei canali avviene nel tempo: ogni utente può comunicare solo in certi intervalli di tempo, ripetuti secondo un pattern, ma può usare l'intero spettro di frequenza. I tempi di guardia compensano gli errori di sincronizzazione tra gli utenti.

TDM + FDM

Un utente può parlare solo in un certo intervallo di tempo e su una certa banda di frequenze (es. GSM). Il ponte radio deve però comunicare le informazioni dello slot in cui comunicare, e durante la comunicazione potrebbe anche decidere di modificare lo slot concesso.

Divisione di spazio

La separazione dei canali avviene nello spazio: due canali possono essere lontani tra loro (ad es. telefonia cellulare: comunicazione telefono-antenna) o fisicamente separati (ad es. due fili) → nessuna interferenza, neanche se le comunicazioni avvengono alla stessa frequenza e/o nello stesso momento.

Divisione di codice (CDM, CDMA)

Usata per esempio da UMTS e GPS. A ogni utente è associato un codice differente, e tutti trasmettono contemporaneamente su tutta la banda di frequenze a disposizione e per tutto il tempo della comunicazione; la distinzione è fatta solo in base al codice.

Si ottiene una migliore protezione dalle interferenze, perché le interferenze tipicamente sono associate a una specifica frequenza, mentre l'utente comunica usando tutto lo spettro. I flussi usano segnali digitali tutti ortogonali tra loro.

Il trasmittente i-esimo ottiene la sequenza codificata dai prodotti scalari tra la parola di codice e ogni bit di informazione (tenendo conto che il bit 1 corrisponde a +1 e il bit 0 corrisponde a −1):

Siccome nell'esempio per ogni bit bisogna trasmettere 4 bit più veloci è necessaria più banda, ma non è un problema perché la comunicazione avviene sull'intero spettro delle frequenze, che per questo motivo viene detto spettro allargato.

In ogni istante tutte le sequenze codificate trasmesse dagli utenti si sommano in potenza.

Il ricevitore i-esimo effettua il prodotto scalare tra il segnale ricevuto e la parola di codice del trasmittente i-esimo:

• se ottiene un numero positivo è stato trasmesso un bit 1;
• se ottiene un numero negativo è stato trasmesso un bit 0;
• se ottiene 0 il trasmittente non ha trasmesso niente.

Il ricevitore è semplice da costruire perché non deve sintonizzarsi su una particolare frequenza.

Condivisione di un nodo

Commutazione di circuito

A ogni richiesta di servizio viene allocata una specifica risorsa che è esclusiva dell'utente anche se non viene sfruttata (ad es. l'utente sta zitto in una telefonata), e viene rilasciata solo al termine della comunicazione.

Il diagramma spazio-temporale rappresenta su una linea temporale i tempi di propagazione tra due nodi collegati da un canale di comunicazione e disposti su una linea spaziale. Il tempo di propagazione è diverso dal tempo di trasmissione: il tempo di propagazione è regolato solo dalla natura e non si può modificare (in particolare non può superare la velocità della luce $c$), il tempo di trasmissione si può ridurre ingegneristicamente.

Diagramma spazio-temporale di una commutazione di circuito.

La propagazione del segnale avviene in 3 fasi:

• impegno:
  • U1-N1: segnalazione di utente al nodo più vicino;
  • N1-N2: i nodi iniziano ad allocare le risorse (commutazione) e interagiscono con altri nodi in direzione della destinazione; inizia con un certo ritardo perché il nodo deve elaborare la segnalazione di utente;
  • N2-U2: segnalazione di rete al destinatario;
  • U2-N2-N1-U1: la segnalazione ritorna indietro al mittente;
• trasferimento dati: il trasferimento dell'informazione vera e propria passa su ogni nodo senza ritardi, perché le risorse sono già state allocate;
• svincolo: serve un'ulteriore segnalazione per il rilascio delle risorse.

Esempio - Rete telefonica

• impegno: inizia chiamata → chiamata in ingresso → accetta chiamata → chiamata accettata;
• trasferimento dati: trasmette dati → riceve dati;
• svincolo.

Vantaggi

• banda costante garantita (ad es. telefonata: c'è un filo riservato solo all'utente);
• ritardi di trasferimento costanti: durante la fase di trasferimento dati, a ogni passaggio attraverso un nodo non c'è alcun ritardo perché il nodo conosce già il prossimo nodo a cui inviare l'informazione ricevuta;
• trasparenza del circuito: una volta dato il circuito, l'utente può cambiare il formato dei dati, la velocità e il protocollo (ad es. telefonata: si può parlare qualunque lingua).

Svantaggi

• spreco di risorse: la risorsa è dedicata per tutta la durata della comunicazione (ad es. telefonata: quando l'utente non parla la risorsa non può essere riallocata);
• ha una buona efficienza solo se le sorgenti non sono intermittenti, cioè emettono sempre informazione;
• si paga un tempo di apertura del circuito a ogni richiesta di comunicazione;
• una volta inviato un dato con certi formato, velocità e protocollo, arriva a destinazione senza la possibilità di convertirlo;
• la tariffazione si basa sul tempo della comunicazione (ad es. bolletta telefonica a tempo).

Commutazione di pacchetto

La risorsa non è esclusiva di un utente ma è condivisa. L'allocazione delle risorse avviene dinamicamente in base ai dati trasmessi in ogni istante → l'informazione viaggia in modo intermittente a seconda del traffico altrui (ad es. Internet). È stata studiata appositamente per sorgenti intermittenti che non sanno a priori quanti dati saranno inviati.

I dati da trasferire vengono frazionati in unità dati dette PDU, che sono formate da PCI e SDU:

• PCI: l'informazione aggiuntiva di controllo (intestazione);
• SDU: i dati effettivi da trasferire.

Nell'analogia con il servizio postale: la PDU è la busta, la PCI è l'indirizzo, l'SDU è il contenuto.

Le unità dati (PDU) possono essere chiamate in vari modi a seconda del contesto: pacchetto, cella, datagramma, segmento, messaggio, trama.

L'intestazione è molto importante al fine di non perdere il pacchetto → occorre qualche forma di protezione degli errori sull'intestazione. Per velocizzare il più possibile l'elaborazione l'intestazione del pacchetto viene inviata prima della SDU. Per garantire la corretta ricostruzione dell'informazione, nell'intestazione è necessario specificare:

• l'indice del pacchetto, perché i pacchetti potrebbero arrivare a destinazione anche non nell'ordine di invio;

e

• un modo per capire se sono stati ricevuti tutti i pacchetti della sequenza:
  • un bit di informazione che informa se il pacchetto è l'ultimo o se esiste un pacchetto successivo (molto vulnerabile a errori di trasmissione);

oppure

• il numero totale di pacchetti.

Store and forward

Diagramma spazio-temporale di una commutazione di pacchetto.

Le reti a commutazione di pacchetto si basano sullo store and forward:

• store: il nodo (switch o router) memorizza il pacchetto ricevuto;
• processing: il nodo elabora l'intestazione (PCI) per determinare il canale su cui inoltrarlo;
• forward: il nodo mette il pacchetto in coda per la trasmissione sul canale.

Il trasferimento di ogni pacchetto subisce vari ritardi:

• ritardo di trasmissione: minimizzabile dal punto di vista ingegneristico;
• ritardo di propagazione: dipende solo dalla velocità della luce;
• ritardo di elaborazione in ogni nodo;
• ritardo di accodamento: se un pacchetto arriva a un nodo che sta trasmettendo un altro pacchetto, deve aspettare che il nodo finisca di trasmetterlo.

Lunghezza dei pacchetti

I pacchetti possono essere:

• a dimensione fissa se il numero di bit trasportati non può essere cambiato (es. ATM); se i dati da trasportare effettivamente hanno però una dimensione inferiore, occorre riempire ugualmente il pacchetto aggiungendo alla fine dei bit casuali e specificare nell'impostazione che quei bit aggiunti sono privi di validità;
• a dimensione variabile se la dimensione del pacchetto dipende dal numero di dati trasportati (es. Ethernet).

La lunghezza dei pacchetti è determinata da un compromesso tra:

• possibilità di parallelizzazione (pipeline): pacchetti brevi favoriscono la trasmissione in parallelo e riducono il tempo complessivo di trasferimento:

• ritardo di pacchettizzazione: se la sorgente invia dati non già pacchettizzati ma in modo continuo e a velocità costante (ad es. voce), è necessario attendere un certo tempo necessario affinché il pacchetto si riempa man mano che i dati vengono inviati. Anche il ritardo di pacchettizzazione si riduce accorciando la dimensione dei pacchetti in modo che ogni pacchetto risulti pieno dopo meno tempo;
• percentuale di informazioni di controllo: siccome ogni pacchetto deve avere un'intestazione, frazionare l'informazione in un elevato numero di pacchetti significa aumentare i bit destinati alle informazioni di controllo;
• probabilità di errore: se $n$ è il numero di bit e $p$ è la probabilità che un bit inverta il suo valore:

  $P\left\{{\text{almeno 1 errore}}\right\}=1-P\left\{{\text{tutti giusti}}\right\}=1-{\left(1-p\right)}^{n}\simeq 1-\left(1-np\right)=np$

da cui la probabilità di errore si riduce col numero $n$ di bit, quindi tanto più quanto i pacchetti sono corti.

Vantaggi e svantaggi

Vantaggi

• è efficiente anche per traffici intermittenti;
• il nodo può verificare se il dato è corretto, e in caso contrario non vengono trasmessi al nodo successivo;
• il nodo nell'elaborazione può convertire il formato e può cambiare la velocità e il protocollo;
• la tariffazione può essere fatta in base al traffico effettivamente trasmesso.

Svantaggi

• send & pray: non è garantita la banda perché dipende dal traffico corrente;
• ogni pacchetto deve essere elaborato dal nodo;
• il ritardo di trasferimento è variabile.

Modi di trasferimento

Una rete a commutazione di pacchetto può essere:

• datagram: non c'è un accordo preliminare con il fornitore e i pacchetti possono seguire percorsi diversi;
• circuito virtuale (es. ATM): emula la commutazione di circuito su una rete a commutazione di pacchetto.

A loro volta i circuiti virtuali si distinguono in:

• permanenti (PVC): l'utente (es. banca) richiede all'operatore un circuito, l'operatore gli crea una rete semi-statica, e quel circuito viene mantenuto fino a quando l'utente non comunica che la rete può essere dismessa → maggiore affidabilità;
• commutati (SVC): il circuito viene creato in tempo reale: il PC dell'utente quando necessario deve fare una segnalazione di rete al PC destinatario e aspettare risposta.

La comunicazione in una rete a circuito virtuale è suddivisa in 3 fasi, analoghe a quelle della commutazione a circuito:

• apertura connessione (segnalazione)
• trasferimento dati
• chiusura connessione (segnalazione)

Deve esistere un accordo preliminare con il fornitore del servizio: tutti i pacchetti seguono lo stesso percorso accordato, e si cerca di garantire che arrivino nell'ordine di invio.

La commutazione a pacchetto a circuito virtuale differisce dalla commutazione di circuito perché non si allocano in modo statico delle risorse.

Indirizzamento

In una rete di comunicazione, i vari interlocutori devono essere identificati in modo univoco: ad esempio nella rete Internet ogni nodo ha un indirizzo IP, che deve essere univoco a livello mondiale.

Nella rete datagram ogni pacchetto deve contenere oltre all'indirizzo del destinatario anche quello del mittente, perché:

• il destinatario può rispondere inviando a sua volta dati al mittente;
• se il pacchetto ricevuto risulta danneggiato, il destinatario può provare a leggere l'indirizzo del mittente per richiedergli la ritrasmissione del pacchetto.

Invece, nella rete a circuito virtuale l'instradamento avviene solo prima e dopo la fase di trasferimento → l'intestazione dei pacchetti ha dimensioni minori:

• per aprire e chiudere il circuito serve comunque una coppia di identificatori globali per la sorgente e la destinazione;
• durante il trasferimento è possibile minimizzare l'informazione di controllo: basta un'etichetta che identifica localmente la singola tratta appartenente al circuito virtuale, e le etichette possono essere codificate su un numero inferiore di bit perché poi ogni nodo è in grado di distinguere due etichette uguali basandosi sulla porta d'ingresso:

In una rete ATM l'etichetta, detta ID, è costituita da una coppia di valori, VPI e VCI, che definiscono un instradamento gerarchico: varie linee con VCI distinti vengono raggruppate in un VPI. Per esempio a una videoconferenza può essere destinato un virtual path suddiviso in due virtual circuit: uno per l'audio, l'altro per il video.

Tecniche di segnalazione

La segnalazione serve per controllare il canale di comunicazione (apertura e chiusura).

Si distinguono le segnalazioni di utente (tra utente e nodo) e di rete (tra nodo e nodo).

Segnalazione associata al canale

Esiste una corrispondenza biunivoca tra:

• canale controllante per le informazioni di segnalazione;
• canale controllato per le informazioni di utente.

Si distinguono:

• segnalazione in banda: il canale controllante e il canale controllato coincidono, ma vengono usati in tempi diversi (ad es. rete telefonica: i toni per la composizione del numero viaggiano sullo stesso canale vocale);
• segnalazione fuori banda: esistono due reti fisicamente distinte, una per il canale controllante e l'altra per il canale controllato.

Segnalazione a canale comune

Un unico canale di segnalazione controlla più canali di informazione utente. Il canale di segnalazione funziona a pacchetto.

Tecniche di gestione

In una rete l'operatore oltre a dare il servizio vero e proprio deve gestire la rete per quanto riguarda:

• la configurazione (Configuration Management);
• le prestazioni (Performance Management): la velocità della rete va misurata;
• i guasti (Fault Management): serve una rapida manutenzione;
• la sicurezza (Security Management): una banca richiede un certo livello di sicurezza;
• la tariffazione (Accounting Management): l'utente deve pagare solo in base ai bit che effettivamente scambia.

Le Software Defined Network (SDN) permettono di centralizzare la gestione di tutti questi aspetti in un unico server Web basato sullo standard open flow.

Qualità di servizio

La qualità del servizio è determinata dalla disponibilità di risorse sulla rete e dalle tecniche di allocazione delle risorse (commutazione).

Due approcci

• problema di analisi: data una rete già esistente (traffico generato e risorse a disposizione), determinare la qualità del servizio;
• problema di progetto: dati il traffico previsto e la qualità del servizio richiesta, determinare le risorse necessarie.

È difficile risalire a un modello statistico che rappresenti le richieste di servizio: per esempio, in media una chiamata dura 3 minuti, e gli inizi di chiamata sono descritti in un modello chiamato processo di Poisson.

Le sorgenti analogiche vengono rappresentate con più facilità nel dominio della frequenza.

Le sorgenti numeriche possono essere:

• a velocità costante (CBR) (es. voce numerizzata);
• a velocità variabile (VBR) (es. video MPEG).

Le sorgenti a velocità costante (es. telefonata) sono caratterizzate da:

• velocità in bit/s (es. 64 kbit/s);
• dimensione dei dati in bit (es. 1 byte): i bit possono essere mandati all'interno del secondo o tutti insieme o un po' per volta, e la dimensione dei dati è la dimensione del pacchetto;
• durata in s (es. 180 s in media);
• processo di generazione delle chiamate (es. processo di Poisson).

Le sorgenti a velocità variabile sono caratterizzate da:

• velocità di picco in b/s;
• velocità media in b/s;
• durata in s;
• processi di generazione delle chiamate (es. YouTube: la popolarità dei contenuti).

Il grado di intermittenza (o burstiness) è il rapporto tra la velocità di picco e la velocità media.

Il modello token bucket può essere usato per descrivere una sorgente a velocità variabile e permette di regolare l'immissione del traffico in rete: i token entrano in un bucket a una certa velocità costante, e la sorgente preleva un token dal bucket ogniqualvolta invia un pacchetto.

Le prestazioni di un servizio dipendono da alcuni indici di qualità:

• ritardo;
• velocità;
• probabilità di errore di un bit;
• probabilità di perdita di un pacchetto;
• probabilità di blocco del servizio.

Esempi di indici di qualità

	Ritardo massimo	Velocità	Probabilità di errore	Probabilità di blocco
Telefonia (CBR)	qualche decimo di secondo, quasi in tempo reale (la voce è molto sensibile ai ritardi)	al massimo 64 kbit/s	inferiore a qualche % (la voce è poco sensibile ai disturbi di sottofondo)	bassa
Posta elettronica (VBR)	fino a diversi minuti	bassa	trascurabile	trascurabile
Video su richiesta	fino a qualche secondo, quasi in tempo reale	decine di Mbit/s	inferiore a qualche %	molto bassa