Reti di accesso e commutazione di circuito

Riassunto

Una rete di telecomunicazioni è composta da sistemi terminali, rete di accesso e core. I sistemi terminali si collegano al core attraverso la rete di accesso, che può essere cablata o wireless. L'accesso residenziale utilizza diversi mezzi trasmissivi: dalla rete telefonica in rame al dial-up, alla famiglia DSL (ADSL, VDSL) fino alla fibra ottica. L'accesso enterprise impiega reti locali cablate (Ethernet) e wireless (Wi-Fi), con commutatori e access point. I mezzi trasmissivi sono caratterizzati da attenuazione e banda passante; le frequenze usate vanno da 3 kHz a 300 GHz, con rilevanza pratica in bande come le UHF (300 MHz–3 GHz). La rete core può funzionare con commutazione di circuito, in cui la rete instaura un percorso virtuale e configura i dispositivi per la comunicazione, oppure a commutazione di pacchetto. Nella commutazione di circuito, la multiplazione TDM e FDM permettono a più utenti di condividere i collegamenti; TDM assegna intervalli temporali successivi mentre FDM divide il dominio delle frequenze. La disponibilità di canali liberi su ogni collegamento del percorso determina se una richiesta di comunicazione può essere soddisfatta.

Concetti chiave

• Rete di telecomunicazioni — sistema che consente la comunicazione tra due estremi.
• Rete di accesso — porzione dell'infrastruttura che collega i sistemi terminali al core.
• Rete core — parte della rete costituita da nodi e collegamenti, esclusi i sistemi terminali e l'accesso.
• Router — dispositivo commutatore che riceve un messaggio da un'interfaccia d'ingresso e lo inoltra su un'interfaccia d'uscita verso la destinazione.
• Protocollo — procedura eseguita per fornire un servizio, per esempio individuare un percorso tra due estremi.
• Capacità — velocità alla quale si possono inviare dati su un collegamento; si misura in bit al secondo.
• Rete secondaria — tratta della rete telefonica che collega gli utenti e gli edifici agli armadi stradali.
• Rete primaria — tratta che collega gli armadi stradali alla centrale telefonica.
• Switch — dispositivo multiporta che collega tra loro più macchine.
• Access point — dispositivo che offre accesso wireless a una zona geografica limitata.
• LAN (Local Area Network) — rete limitata a un'area geografica locale, per esempio un edificio.
• WAN (Wide Area Network) — rete estesa su un'area geografica ampia, fino a comprendere territori nazionali o continentali.
• Collo di bottiglia — collegamento la cui capacità limita le prestazioni ottenibili nella comunicazione, anche quando altre parti della rete hanno capacità maggiore.
• Attenuazione — fenomeno per cui l'energia del segnale si riduce durante la propagazione.
• Banda passante — intervallo di frequenze dei segnali che un mezzo trasmissivo può propagare.
• Commutazione di circuito — modalità di funzionamento in cui la rete instaura un circuito virtuale tra gli utenti e configura i dispositivi lungo un percorso.
• Circuito virtuale — astrazione costruita dalla rete che fa apparire due utenti come direttamente collegati.
• Multiplazione — funzione che permette a più utenti di condividere una risorsa fisica, come la capacità dei collegamenti.
• TDM (Time Division Multiplexing) — multiplazione che assegna agli utenti intervalli temporali distinti e ricorrenti.
• Frame — struttura temporale che si ripete e viene suddivisa in intervalli temporali.
• Time slot — intervallo temporale assegnato a uso esclusivo a un utente nel TDM.
• FDM (Frequency Division Multiplexing) — multiplazione che divide la banda passante in sottobande assegnate a comunicazioni diverse.

Sviluppo

Struttura generale della rete

Una rete di telecomunicazioni permette la comunicazione da un estremo all'altro. È composta da tre sezioni: i sistemi terminali (come i computer), la rete di accesso che li collega al core, e il core stesso. Il core è costituito da nodi interconnessi e collegamenti tra loro. Un router riceve un messaggio da una delle proprie interfacce e lo inoltra verso la destinazione tramite un'interfaccia d'uscita. Per individuare la strada tra due estremi, la rete esegue un protocollo, inteso come procedura che fornisce il servizio richiesto.

Accesso residenziale: collegamento dedicato e condiviso

Nell'accesso residenziale, le abitazioni sono collegate a una centrale telefonica (central office). I collegamenti sono realizzati principalmente in rame o fibra ottica. Una distinzione importante è fra collegamento dedicato, che trasporta solo i flussi destinati a un utente, e collegamento condiviso, dove più utenti ripartiscono le risorse disponibili.

Un collegamento dedicato è paragonabile al viale privato di una casa; uno condiviso è come una strada pubblica. Su un collegamento condiviso le risorse, in particolare la capacità, vengono ripartite tra gli utenti attivi. Il termine upstream indica il traffico inviato dall'utente verso la rete (per esempio il caricamento di un file), mentre downstream indica il traffico ricevuto dalla rete (per esempio la visione di un video).

Capacità e tempo di trasferimento

La capacità indica la velocità di invio dei dati ed è misurata in bit al secondo. Il tempo di trasferimento di un file è il rapporto fra la dimensione del file in bit e la capacità del collegamento: a parità di file, una capacità maggiore corrisponde a un tempo di trasferimento minore.

Su un collegamento dedicato l'utente può usare tutta la capacità disponibile per la propria comunicazione. Su uno condiviso la capacità viene suddivisa fra i flussi attivi. Una ripartizione equa tra $n$ utenti darebbe a ciascuno un ennesimo della capacità, anche se nella pratica la ripartizione può non funzionare esattamente così.

Evoluzione dell'accesso residenziale

Storicamente, l'accesso residenziale sfruttava la rete telefonica in rame, già diffusa. Con il dial-up il modem effettuava una chiamata al central office e trasmetteva dati digitali fino a 56 kbit/s, contro i 2–4 Mbit/s necessari per vedere un video a buona risoluzione. La famiglia DSL (Digital Subscriber Line), comprendente ADSL e VDSL, ha aumentato la capacità usando in modo diverso la stessa infrastruttura in rame, raggiungendo capacità fino a 100 Mbit/s. La fibra ottica consente prestazioni maggiori ma richiede investimenti significativi per realizzare l'infrastruttura; per questo il rame è rimasto molto utilizzato negli anni Novanta e nei primi anni Duemila.

La DSL copriva già circa l'80% del territorio nel 2004. Le tecnologie successive, che richiedevano interventi infrastrutturali e tratti in fibra, partivano da coperture più basse e si sono diffuse più lentamente. Una tecnologia ad alte prestazioni è utile solo se è sufficientemente diffusa tra gli utenti.

Rete telefonica primaria e secondaria; FTTH

La distribuzione telefonica è divisa in rete secondaria e rete primaria. I cavi raggiungono l'edificio e un ripartitore distribuisce i collegamenti alle singole abitazioni. L'edificio è collegato a un armadio stradale: la tratta tra utenti e armadio appartiene alla rete secondaria. Dall'armadio inizia la rete primaria, che arriva alla centrale telefonica. Molti utenti e molti edifici condividono gli stessi armadi.

Questa struttura mostra che il collegamento residenziale non è interamente dedicato: il tratto verso l'armadio può essere dedicato al singolo utente, mentre quello dall'armadio alla centrale è condiviso. Le tecnologie VDSL e FTTX (Fiber To The X) seguono la logica di aumentare la capacità delle tratte condivise.

Con FTTH (Fiber To The Home), la fibra arriva fino all'abitazione e il collegamento è dedicato all'utente. Questo approccio offre due vantaggi: maggiore capacità disponibile per quell'utente e migliori proprietà di propagazione della fibra rispetto al rame.

Accesso enterprise: LAN cablata e wireless

L'accesso enterprise è una rete privata (per esempio quella di un istituto universitario) che collega gli utenti al resto di Internet. I terminali si collegano via cavo oppure in wireless. Il wireless copre molti utenti e permette loro di spostarsi senza predisporre un cavo per ciascuno. I dispositivi fissi (come i computer d'aula) sono collegati con cavi Ethernet.

Lo switch è un dispositivo multiporta che collega più macchine. L'access point è un'antenna che offre copertura wireless a un'area ristretta e fornisce accesso a Internet. Può essere collegato allo switch, che a sua volta raggiunge un router diretto verso la rete esterna.

La rete locale è condivisa tra gli utenti, ma può offrire capacità elevate: il Wi-Fi raggiunge da decine a diverse centinaia di megabit al secondo, mentre i cavi Ethernet possono raggiungere 10 Gbit/s. Una rete limitata a un edificio è una LAN (Local Area Network); la WLAN (Wireless LAN) è una LAN wireless, che usa comunemente lo standard Wi-Fi. Una WAN (Wide Area Network) si estende invece su un'area geografica molto più ampia.

La capacità della LAN non determina da sola le prestazioni verso Internet. Il collegamento fra il router gateway (che separa la rete locale da quella esterna) e la WAN può avere capacità inferiore e diventare il collo di bottiglia. L'analogia è quella di una bottiglia: l'acqua esce alla velocità consentita dalla strozzatura, anche se il resto del recipiente è più ampio.

Rete domestica

La rete domestica è una versione ridotta, per scala, dell'accesso enterprise. Computer, tablet, smartphone e televisori raggiungono Internet tramite un unico dispositivo fornito spesso dal provider, comunemente chiamato router. In questo apparecchio sono integrati access point Wi-Fi, switch Ethernet, router vero e proprio e funzioni di sicurezza. Il collegamento verso la rete esterna può essere in rame o in fibra.

Mezzi trasmissivi: attenuazione e spettro

Il mezzo trasmissivo è il materiale su cui si propaga il segnale. Può essere cablato (rame, fibra ottica) oppure wireless (radio). Per confrontare i mezzi sono rilevanti l'attenuazione e la banda.

L'attenuazione riduce l'energia del segnale durante la propagazione. Un'onda acustica si distribuisce su una superficie sempre più ampia man mano che si allontana dalla sorgente, per cui gli osservatori più lontani ricevono una frazione minore dell'energia emessa. Analogamente, i segnali elettromagnetici e i segnali nei cavi subiscono attenuazione. L'entità dell'attenuazione dipende dal mezzo; le interferenze fra segnali diversi possono costituire un ulteriore fattore di degradazione.

La banda è l'intervallo di frequenze che il mezzo lascia propagare. Una banda più larga consente una capacità complessiva maggiore. Il rame (utilizzato anche in Ethernet) e la fibra ottica sono i mezzi cablati principali.

Lo spettro delle frequenze usato nelle telecomunicazioni va da 3 kHz a 300 GHz. Le frequenze sono suddivise in bande; le UHF (Ultra High Frequency), da 300 MHz a 3 GHz, comprendono servizi d'uso quotidiano come la telefonia mobile 3G, 4G e 5G.

Modalità di funzionamento della rete core

La rete core può funzionare con commutazione di circuito o commutazione di pacchetto. La vecchia rete telefonica e le vecchie reti cellulari sono esempi di reti a circuito; Internet è una rete a pacchetto.

Commutazione di circuito: richiesta e instaurazione

Si consideri una rete con sei nodi, R1–R6, e quattro sistemi terminali, A–D, e un messaggio da consegnare da A a C. In una rete a commutazione di circuito, come in una telefonata in cui si compone il numero, l'utente sorgente invia una richiesta di instaurazione di un circuito specificando gli estremi della comunicazione. La rete crea un circuito virtuale, un'astrazione che fa apparire i due utenti direttamente collegati.

Durante l'instaurazione la rete cerca un percorso nella propria topologia (la rappresentazione dei nodi e dei collegamenti). Il percorso è scelto dalla rete, come si sceglie un percorso su una mappa stradale; l'utente non deve conoscerlo. Dopo aver trovato il percorso, la rete configura i commutatori: ciascun dispositivo dispone di una tabella che associa la coppia di utenti in comunicazione alla porta d'uscita da usare, paragonabile ai cartelli di un incrocio che indicano la direzione in base alla destinazione.

Il percorso di ritorno è configurato a sua volta, ma non è necessariamente uguale a quello di andata; ciò dipende dalla tecnologia di rete considerata.

Rilascio del circuito

Quando la comunicazione termina, l'utente chiude la comunicazione. La rete esegue la fase di rilascio (o abbattimento), eliminando il circuito virtuale e le regole di inoltro configurate nei dispositivi, in modo che le risorse possano essere usate da altre comunicazioni.

Multiplazione TDM

La multiplazione permette a più utenti di condividere una risorsa fisica; nel caso delle reti a commutazione di circuito, la risorsa è la capacità dei collegamenti. Nelle reti a circuito la multiplazione è statica: una volta assegnata, resta invariata finché non interviene una modifica.

Con la TDM (Time Division Multiplexing), l'asse dei tempi è diviso in intervalli di uguale durata. Ogni utente riceve un time slot a uso esclusivo, che si ripete periodicamente. L'analogia è l'uso di un'aula da parte di corsi diversi in orari successivi: la risorsa è condivisa nel tempo, senza che le utenze si sovrappongano.

Un frame è una struttura temporale ripetuta, suddivisa in un certo numero di intervalli (slot). Un utente assegnato a un intervallo trasmette nel proprio slot di ogni frame. Gli slot hanno durata dell'ordine dei millisecondi o microsecondi, consentendo comunicazioni fluide.

Se un collegamento di capacità $C$ è diviso in $N$ canali TDM di uguale dimensione, ciascun canale ha capacità pari a un ennesimo di quella complessiva. Per esempio, un collegamento da 10 Gbit/s diviso in 10 canali assegna 1 Gbit/s a ciascuno.

Multiplazione FDM

L'FDM (Frequency Division Multiplexing) divide il canale nel dominio delle frequenze, anziché in quello del tempo. L'analogia è un'orchestra: gli strumenti suonano contemporaneamente, ma si distinguono perché producono suoni in frequenze diverse.

Con FDM gli utenti possono trasmettere nello stesso momento su sottobande non sovrapposte. La velocità di trasmissione dipende dalla larghezza di banda assegnata, non dalla frequenza assoluta della sottobanda: a parità di banda assegnata non si ottiene velocità maggiore solo perché si usa una frequenza più alta. Sottobande di uguale larghezza permettono una ripartizione equa; il sistema può anche assegnare sottobande diverse, per esempio a utenti che pagano tariffe differenti.

La banda passante del mezzo definisce le frequenze che possono propagarsi nel collegamento. Le frequenze esterne a quell'intervallo sono attenuate troppo perché il segnale si propaghi. Una banda passante più ampia permette di collocare più utenti assegnando loro sottobande distinte.

Disponibilità dei canali e instaurazione

Quando la rete trova un percorso per un circuito, verifica che su ogni collegamento attraversato ci sia almeno un canale disponibile da assegnare alla comunicazione. Se ogni link del percorso ha un canale libero, il circuito può essere instaurato; altrimenti la richiesta non può essere soddisfatta. Un esempio è la rete telefonica a Capodanno: molte richieste simultanee possono esaurire i canali disponibili e lasciare alcuni utenti impossibilitati a effettuare chiamate.

Formule e dimostrazioni

Tempo di trasferimento

$T = \frac{F}{C}$

$T$ è il tempo di trasferimento, $F$ è la dimensione del file in bit e $C$ è la capacità del collegamento in bit al secondo.

Capacità di un canale TDM

$C_{\text{canale}} = \frac{C}{N}$

Per la ripartizione in $N$ canali di uguale dimensione: $C$ è la capacità complessiva del collegamento e $C_{\text{canale}}$ è la capacità assegnata a ciascun canale.