Tecnologie e servizi di rete/WAN

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In senso stretto, una rete geografica (WAN, acronimo inglese di "Wide Area Network") è una rete che si estende su un'area ampia, coprendo regioni, Paesi o nel caso di Internet anche tutto il mondo. Più in generale, qualsiasi tecnologia di reti di computer usata per trasmettere dati per lunghe distanze può essere chiamata WAN.

Una tecnologia WAN deve rispettare alcuni requisiti in termini di durata del servizio, bit rate e vincoli di ritardo a seconda dell'applicazione (telemetria, telefonia, trasferimento dati, ecc.) per cui è stata progettata.

ATM rappresenta la convergenza per una grande varietà di tecnologie che in passato i mondi delle telecomunicazioni e dell'informatica hanno introdotto parallelamente per la trasmissione di dati per lunghe distanze:

nel mondo delle telecomunicazioni, la telefonia è passata da analogica a digitale, poi ISDN e B-ISDN hanno iniziato a trasportare dati insieme alla voce;
nel mondo dell'informatica, Frame Relay ha soppiantato le linee dedicate analogiche e digitali traendo vantaggio dalla commutazione di circuito, e X.25 spostando la complessità dai nodi centrali a quelli ai margini.

Oggigiorno ATM sta per essere abbandonato in favore di IP grazie alla sua minore complessità e alla sua maggiore semplicità.

ISDN

Integrated Service Digital Network (ISDN) consente di trasportare dati insieme alla voce: diversi dispositivi digitali possono essere connessi a un bus e possono trasmettere sui canali ISDN disponibili:

Basic Rate Access (BRA) o Basic Rate Interface (BRI): offre 2 canali B dati a 64 kbps e 1 canale D di segnalazione a 16 kbps → totale: 144 kbps (adatto per singoli utenti e piccoli uffici);
Primary Rate Access (PRA) o Primary Rate Interface (PRI): offre 30 canali B dati a 64 kbps e un canale D di segnalazione a 16 kbps → totale: 2 Mbps (adatto per le aziende).

La trasmissione è basata su Time Division Multiplexing (TDM); tutti i canali vanno a un Network Termination ed entrano nella rete su un filo digitale chiamato "local loop". I canali ereditano la logica dagli operatori delle telecomunicazioni: essi rimangono attivi anche quando non vengono scambiati dati.

PDH

Plesiochronous Digital Hierarchy (PDH) è un vecchio standard progettato per trasferire canali vocali digitali a 64 Kb/s (PCM) su reti telefoniche digitali basate su TDM. Il sistema è chiamato "plesiocrono" perché è necessaria una stretta sincronizzazione tra trasmettitore e ricevitore, anche se ogni apparato ha il proprio clock.

I flussi di dati sono organizzati in modo gerarchico: i canali vengono aggregati in flussi dal livello più basso a quello più alto (grooming), e più è alto il livello gerarchico maggiore è il bit rate. Per esempio, al livello T1 vengono messi 24 canali di livello T0 uno accanto all'altro in un'unica trama: poiché la trama deve durare 125 µs per tutti i livelli, al livello T1 il bit rate sarà 24 volte più alto di quello al livello T0.^[1]

SDH

Synchronous Digital Hierarchy (SDH), l'equivalente europeo dello standard internazionale SONET, differisce da PDH per le sue velocità più elevate:

esiste un unico clock per l'intero sistema → è richiesta una rete di sincronizzazione per una sincronizzazione più stretta;
è necessario rimpiazzare i cavi di rame con le fibre ottiche;
il multiplexing dei flussi è più complesso di PDH, perché è progettato per ottimizzare l'elaborazione hardware.

L'architettura protocollare è organizzata come una pila di livelli, e ogni nodo nella architettura fisica della rete li implementa a seconda della sua funzionalità:

livello di percorso: comunicazione end-to-end tra due terminali;
livello di linea: un percorso è suddiviso in linee dai multiplexer;
livello di sezione: una linea è suddivisa in sezioni dai ripetitori (per lunghe distanze);
livello fotonico: il livello più basso per le fibre ottiche.

Ogni trama temporale dura 125 µs e la sua intestazione include informazioni di sincronizzazione usate per combinare e separare canali, e informazioni di OAM (Operation, Administration and Management) usate per rilevare i guasti e recuperare da essi.

SDH e PDH rappresentano il livello di trasporto su cui operano ATM e Frame Relay.

Frame Relay

Frame Relay è uno standard di livello 2 orientato alla connessione per instaurare dei circuiti permanenti virtuali su reti a commutazione di pacchetto. Ogni circuito permanente è identificato da un Data Link Connection Identifier (DLCI).

Lo standard è molto flessibile: infatti non specifica la tecnologia di livello superiore (ATM, X.25...) usata internamente nella rete.

CIR

Il massimo bit rate supportato non è sufficiente per descrivere le prestazioni di una rete Frame Relay, perché un utente potrebbe inviare bit consecutivamente al massimo bit rate (velocità del filo) per un lungo periodo di tempo causando una congestione nella rete. Pertanto il fornitore della rete fornisce anche il Committed Information Rate (CIR), che è il massimo numero $B_{\text{C}}$ di bit che l'utente può trasmettere entro un certo intervallo di tempo $T_{\text{C}}$ affinché il servizio sia garantito:

{\text{CIR}}=B_{\text{C}}\cdot T_{\text{C}}

dove $B_{\text{C}}$ è detto committed burst size:

burstiness bassa: l'utente invia pacchetti raramente → il servizio è sempre garantito;
burstiness alta: l'utente continua ad inviare pacchetti consecutivamente alla velocità del filo → quando supera il committed burst size il servizio non sarà più garantito.

Il Data Terminal Equipment (DTE) dell'utente può interrompere la trasmissione quando viene raggiunta la massima burstiness.

ATM

Asynchronous Transfer Mode (ATM) è uno standard orientato alla connessione per instaurare dei circuiti virtuali su reti B-ISDN. Ogni circuito è identificato da un Virtual Path Identifier (VPI) e un Virtual Circuit Identifier (VCI), e può essere permanente o instaurato dinamicamente tramite messaggi di segnalazione.

Le celle ATM sono molto piccole: ogni cella ATM è lunga 53 byte, costituita da un'intestazione lunga 5 byte, contenente gli identificatori della connessione, e da un payload lungo 48 byte → bassa latenza e bassi ritardi di pacchettizzazione.

Le reti ATM hanno un modello molto complesso, derivato da una mentalità da operatore telefonico per avere il pieno controllo della rete e garantire un'elevata tolleranza ai guasti.

AAL 5

Quando ATM fu progettato, era pensato per essere implementato in modo ubiquo nella rete, anche ai suoi margini nelle schede di rete dei PC dell'utente. Oggigiorno i PC ai margini implementano solo il protocollo IP perché la sua implementazione è meno costosa, e si può trovare ATM solo come livello di trasporto nel cuore della rete nascosto dall'utente.

ATM Adaptation Layer (AAL) di tipo 5 è usato per Segmentation and Reassembly (SAR):

Segmentation: i pacchetti IP sono suddivisi in celle ATM;
Reassembly: le celle ATM sono combinate in pacchetti IP.

AAL complica l'interazione tra IP e ATM, perché gli indirizzi IP devono essere tradotti in identificatori di connessione ATM e viceversa → oggi la tendenza è abbandonare il piano di controllo ATM per adottare il piano di controllo MPLS.

Reti ottiche

Nelle reti ottiche i dati sono trasmessi su onde elettromagnetiche multiplate usando WDM, trasportate tramite fibre ottiche e commutate da sistemi di commutazione ottici basati su specchi.

Il Wavelength Division Multiplexing (WDM) consente di mettere più segnali ottici in una sola fibra ottica → aumenta la capacità di trasmissione delle fibre:

Coarse WDM (CWDM): permette di trasmettere un minor numero di segnali di lunghezze d'onda ben separate l'una dall'altra → meno costoso perché la demultiplazione è più facile;
Dense WDM (DWDM): permette di trasmettere un maggior numero di segnali di qualsiasi lunghezza d'onda → più costoso perché la demultiplazione è più complessa.

La commutazione ottica è basata su specchi controllati da sistemi micro-elettro-meccanici (MEMS), che riflettono i segnali elettromagnetici da una fibra in ingresso a una fibra in uscita. La commutazione ottica è molto flessibile: sfrutta le proprietà fisiche delle onde elettromagnetiche senza curarsi dei bit → le reti possono essere aggiornate a velocità più elevate perché i commutatori ottici continuano a funzionare indipendentemente dal bit rate.

Esistono diversi tipi di commutatori ottici:

add/drop multiplexer: è il commutatore ottico più semplice: può essere interposto tra due fibre per inserire (add) segnali provenienti dai trasmettitori nella rete, ed estrarre (drop) segnali dalla rete verso i ricevitori in modo ottico;
cross-connect: può connettere più fibre in ingresso a più fibre in uscita:
- fiber cross-connect: vengono commutate a una fibra in uscita tutte le onde elettromagnetiche provenienti da una fibra in ingresso;
- waveband cross-connect: viene commutato a una fibra in uscita un insieme di onde elettromagnetiche di lunghezze d'onda vicine proveniente da una fibra in ingresso;
- wavelength cross-connect: viene commutato a una fibra in uscita un insieme di onde elettromagnetiche di uguale lunghezza d'onda proveniente da una fibra in ingresso;
wavelength switch: la configurazione è dinamica, cioè i commutatori possono cambiare i circuiti più velocemente dei cross-connect → il recupero dai guasti è veloce.

Due segnali di uguale lunghezza d'onda possono provenire da due fibre in ingresso diverse ma possono dover essere commutati sulla stessa fibra in uscita → tramite la wavelength conversion un commutatore ottico può cambiare la lunghezza d'onda di un segnale in una non ancora usata nella fibra in uscita, per mantenere separati tutti i segnali.

I commutatori ottici possono essere usati nel backbone della rete per interconnettere i principali punti di accesso, instaurando dei percorsi ottici tramite fibra ottica tra le città nel mondo. I commutatori ottici possono instaurare percorsi ottici usando protocolli di segnalazione e di instradamento quali LDP e RSVP. I commutatori ottici sono tolleranti ai guasti: quando un canale si guasta, possono riflettere le onde lungo un altro percorso ottico.

Il WDM può essere distribuito come livello di trasporto su cui può operare qualsiasi protocollo di livello 2 (SONET, Ethernet...) che delimita le trame.

Tuttavia la tecnologia per la commutazione ottica pura è ancora allo stato embrionale: oggi i commutatori WDM sono più costosi di quelli a commutazione di pacchetto, e possono avere poche interfacce perché il sistema a specchi sarebbe molto complesso per molte interfacce. Inoltre la commutazione ottica è orientata alla connessione: quando viene instaurato un circuito, le risorse continuano ad essere allocate anche se il circuito non è attualmente utilizzato → la commutazione ottica è adatta per il backbone della rete dove il traffico è piuttosto continuo.

Soluzioni più economiche provano a superare i limiti tecnologici rimpiazzando gli specchi con una matrice di commutazione elettrica: ogni segnale ottico è convertito in una sequenza di bit tramite una conversione optical-to-electrical (OE) in modo che possa essere commutata più facilmente, quindi è riconvertita in un segnale ottico. Il segnale riconvertito viene rigenerato, potendo viaggiare per una distanza più lunga prima di perdere potenza, ma questa soluzione ha molti svantaggi: i commutatori consumano molta energia rispetto ai commutatori all-optical, e un cambiamento del bit rate richiede l'aggiornamento dei commutatori.

Note

↑ Non sono considerati i bit di segnalazione.

[1] Non sono considerati i bit di segnalazione.

[1]