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IC3N 2000 N. 1
Scenario evolutivo dellereti di telecomunicazioni
Prof. Franco Callegatihttp://deisnet.deis.unibo.it
IC3N 2000 N. 2
LE ORIGINI
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Punto di partenza: le comunicazioni umane
• Gli esseri umani comunicano attraverso i sensi• Particolarmente importanti nella nostra civiltà
– Vista (immagini)– Udito (suoni)
• Tecniche antichissime per migliorare l’efficaciadella comunicazione: codifica dell’informazione– Linguaggi– Scrittura– Alfabeti fonetici (doppia codifica)
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Limitazione di portata dei sensi
• La portata dei sensi è limitata– Nello spazio– Nel tempo
• Fin dall’antichità si sono studiate tecniche perestendere la portata dei sensi, fra cui– Scrittura– Posta– ….
• Telecomunicazioni: dal Greco τελε= lontano• Telegrafo: τελε + γραφεω (scrivo)
– Telegrafi ottici: molto antichi e vari
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Comunicazioni elettriche
• Molto attraenti perché sfruttano la propagazionedelle onde elettromagnetiche– Velocità di propagazione: circa 300.000 Km/s
• Prendono vita dai primi studi sull’elettrostatica equindi dall’invenzione della Pila– Invenzione della pila: Volta circa 1800
• Proposte di telegrafi basati prima su caricheelettrostatiche e poi sulla pila
• Telegrafo di Morse (1835)– Nascita delle telecomunicazioni moderne– Basato sull’elettromagnetismo– Alfabeto Morse (codifica digitale dell’informazione)
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Servizio telegrafico
• L’invenzione del telegrafo Morse da vita alservizio telegrafico che ha le caratteristiche di unservizio di telecomunicazioni moderno
• Elementi caratterizzanti– Utenti: potenzialmente tutte le persone– Fornitori del servizio, costruttori, gestori– Pagamento del servizio, tariffe– Necessità di una rete– Problemi di traffico, pianificazione
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La rete telegrafica
• Obiettivo: interconnettere gli utenti a due a due• Mezzi trasmissivi e tecniche di trasmissione
– Cavi in rame, trasmissioni punto-punto– Informazione codificata tecniche digitali– Velocità bassissime, bande strettissime (pochi Hz)
• Nodi della rete, commutazione– Commutazione di messaggio: store-and-forward– Centrali con operatori umani– Segnalazione, protocolli– Schema di indirizzi (derivato dal servizio postale)
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Osservazioni sulla rete telegrafica
• Tecniche numeriche imposte dalle limitazionitecnologiche
• Grandissimo successo economico– Telescrivente: Siemens 1846– Nasce la International Telecomm. Union (ITU) 1865– Rete mondiale: cavo transatlantico nel 1866– La Western Union che ha il monopolio del telegrafo
negli USA diviene la più grande compagnia privatadel 19° secolo
• Servizio di tipo affari (business)– Gli utenti sono uffici (uffici postali o grandi ditte)– Pochi punti di accesso e relativamente costosi
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Telefono
• Nome derivato da τελε + φοηεω (parlo)• Brevetto di Graham Bell nel 1876
– Brevettato il trasduttore: microfono+altoparlante– (Brevetto di Meucci del 1871 non omologato)
• Segnale analogico: trasmissione di suoni ed inparticolare voce
• I segnali analogici sono molto ricchi diinformazione ma essenzialmente più difficili datrasmettere
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La rete telefonica
• Obbiettivo: far parlare a due a due gli utenti• Mezzi trasmissivi e tecniche di trasmissione
– Trasmissione punto-punto interattiva– Uso dei doppini telefonici– Segnale analogico: si richiedono tipicamente 4 KHz
• Commutazione– Centrali telefoniche: commutazione di circuito– Dapprima operatori umani, poi centrali automatiche
(Strowger 1887)– Segnalazione– Piani di numerazione
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Osservazioni sulla rete telefonica
• Servizio domestico (home)– Terminali economici con grandissima diffusione
• All’inizio crescita lenta per le difficoltà legate all’uso delsegnale analogico– Dapprima solo servizio locale– Necessità dell’elettronica
• Il primo cavo transatlantico telefonico risale al 1957
• Potenzialità del telefono sottostimate dagli operatori delmondo telegrafico
• Dal 20° secolo diviene di gran lunga il servizio ditelecomunicazioni economicamente più importante– Circa un miliardo di terminali installati– Investimenti 100÷1000 maggiori rispetto al telegrafo
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Comunicazioni Radio
• Fondano le radici nei primi studi sulle ondeelettromagnetiche (Maxwell, Hertz, Popov,..)
• 1895– Esperimento di Marconi ed invenzione delle radio-
comunicazioni• Trasmissione transatlantica nel 1901• La possibilità di diffusione (broadcasting) a
grandi popolazioni di utenti consente servizioriginali– Sono possibili anche radio-trasmissioni punto-punto
• Tipicamente utilizzate quando la posa di cavi non risultafattibile o economicamente appetibile
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L’evoluzione della rete radio
• All’inizio viene usata per portare segnalitelegrafici (telegrafo senza fili)
• Applicazione ai mezzi mobili, in particolare navi(salvataggio passeggeri del Titanic 1912)
• In seguito ai progressi dell’elettronica diventanopossibili trasmissioni analogiche– Radiodiffusione (voce e musica)– Telediffusione (immagini e suoni)
• Problemi di propagazione, in particolare persuperare l’orizzonte terrestre
• Rete punto-multipunto con pochissimitrasmettitori e ricevitori illimitati
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EVOLUZIONE DELLA RETE DITELECOMUNICAZIONI
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Evoluzione dello scenario delle TLC
• Ieri (dalle origini agli anni ‘90)– Evoluzione pilotata dai tre principali servizi: telegrafo, telefono e
radio-telediffusione– Una rete separata dedicata a ciascun servizio
• Sono separati l’infrastruttura di rete, i terminali, la gestione
• Oggi– A partire da allora in questi anni si sono visti progressi
rivoluzionari
• Domani– Progressi ancora più sorprendenti sono previsti nel prossimo
futuro• Queste evoluzioni/rivoluzioni sono pilotate da
– progressi tecnologici (enabling technologies)– applicazioni trainanti (driving applications)
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Evoluzione dello scenario delle TLC (segue)
• Finora i progressi tecnologici hanno prodottoprofondo cambiamenti nella rete ma l’uso deiservizi è rimasto pressoché inalterato, questo èdestinato a cambiare negli scenari futuri
• I differenti servizi hanno prodotto reticompletamente separate con diversi terminali,mezzi trasmissivi e nodi di commutazione
• Fino a ieri il servizio telefonico è stato di granlunga quello più importante economicamente
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Progressi tecnologici
• I più importanti fattori di progresso per le reti ditelecomunicazioni sono stati– Progressi dell’elettronica– Nuovi mezzi trasmissivi– Tecniche numeriche– Ingresso dei calcolatori nella rete– Multimedialità
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Progressi dell’elettronica
• Le telecomunicazioni sono state la drivingapplication che ha fatto nascere l’elettronica,fornendo motivazioni ed investimenti– Triodo: Hartley 1904– Transistor: Shottky 1947– Hartley e Shottky lavoravano per un’importante
industria TLC (il Bell System)• Microelettronica
– Circuiti Integrati (IC): primi anni ’70– LSI (Large Scale Integration), VLSI (Very LSI), …– Ora oltre 1.000.000 di dispositivi per chip
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Progressi dell’elettronica (segue)
• Legge di Moore: il numero di dispositivi per chipraddoppia circa ogni 18 mesi, mentre il prezzoresta circa invariato
• Il costo di un IC è circa indipendente dalla suacomplessità ed è determinato dalla suadiffusione nel mercato
• Circolo virtuoso della microelettronica: quandouna tecnica ha successo e si diffonde, cresce ilmercato → calano i costi → cresce il mercato,..
• Questa enorme velocità di evoluzione rendedifficile fare previsioni sul futuro; ci sono moltoesempi di sottostime delle sue conseguenze
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Caratteristiche tipiche delle reti ditelecomunicazioni
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Caratteristiche comuni a tutte le reti
• Elementi di una rete– Terminali
• Fungono da interfaccia con l’utente finale e codificanol’informazione in modo consono ad essere trasferita in rete
– Collegamenti (link)• Trasferiscono l’informazione fra punti remoti nello spazio
– Nodi di commutazione• Reperiscono le risorse necessarie per trasferire
correttamente le informazioni tramite i collegamenti esistenti
• La rete di telecomunicazioni è un sistema chepermette lo scambio di informazioni fra terminalidistanti fra loro
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Collegamenti
• Punto-punto– In ogni collegamento un nodo è collegato con un
singolo nodo• Punto-multipunto
– Un nodo può comunicare con tanti altri– Broadcast
• Un nodo trasmette allo stesso tempo a tutti i nodi della rete
– Multicast• Un nodo trasmette allo stesso tempo ad un sottoinsieme dei
nodi della rete
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Topologie di rete
• Descrizione geometrica di una rete• Rami (archi)
– Linee di collegamento fra due nodi della rete• Nodi
– Punti che si trovano agli estremi dei collegamenti• La rete è descrivibile tramite un grafo
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Maglia completa e stella
• Un collegamento per ognicoppia di nodi
• N nodi implicano N(N-1)/2collegamenti– Grande resistenza ai guasti– Complessità e costo
• N collegamenti• Centro stella (attivo o
passivo) deve smistare leinformazioni– Minor costo– Minore resistenza ai guasti
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Anello e bus
• Anello– Anelli monodirezionali
• Se un collegamento siinterrompe la rete si guasta
– Anelli bidirezionali• Maggiore complessità per
maggiore resistenza ai guasti
• Bus– Attivo o passivo– Tipicamente semplice
ed economico– Poco resistente ai guasti
Bus bidirezionale
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Rete gerarchica• Organizzata su più livelli
– Terminali connessi ai nodi periferici– Nodi periferici connessi tramite nodi intermedi– Interconnessione a lunga distanza con nodi di transito tipicamente
interconnessi a maglia completa
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Funzioni di rete
• Trasmissione– trasferimento fisico del segnale da punto a punto o da un punto
a molti punti
• Commutazione– Creazione ed abbattimento delle connessioni fra i punti terminali
per soddisfare le richieste degli utenti.
• Segnalazione– scambio di informazioni fra utente e rete oppure internamente
alla rete necessario per la gestione della comunicazione e dellarete stessa.
• Gestione– tutto ciò che concerne il mantenimento delle funzioni della rete;
riconfigurazione di fronti a guasti o cambiamenti strutturali,allacciamento di nuovi utenti ecc.
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Rete di accesso e Rete di transito
Centrale diaccesso
Centrale ditransito
Rete di accesso
Rete di transito
Terminaledi utente
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Multiplazione
• Condivisione del canale di collegamento fradiversi flussi di informazione
• Si può realizzare utilizzando– Tempo– Frequenza– Codice– Spazio
• Dal punto di vista teorico ed in condizioni idealiqueste modalità sono equivalenti– Differiscono per modalità di implementazione– La tecnologia di implementazione rende più o meno
conveniente una soluzione rispetto alle altre
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Esempi (1)
• FDM– Frequency Division
Multiplexing
• TDM– Time Division Multiplexing
f
t
f
t
Flusso di informazioniFlusso di informazioniFlusso di informazioniFlusso di informazioni
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Esempi (2)
• Divisione di codice • Divisione di spazio
f
t
c
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Tecniche di commutazione
• Esistono numerose tecniche per realizzare lafunzione di commutazione
• Le due tecniche tradizionalmente utilizzate etuttora più diffuse sono– Commutazione di circuito (rete telefonica)– Commutazione di messaggio (rete telegrafica) o di
pacchetto (reti di calcolatori)• Di recente sono state proposte svariate altre
tecniche che combinano caratteristiche dell’unae dell’altra
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MEZZI TRASMISSIVI
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Mezzi trasmissivi: linee in rame
• Attenuazione: cresce esponenzialmente con lalunghezza:
AdB ∼ sqrt(f) * L
• Problema della diafonia (cross-talk)• Coppie in rame
– All’inizio della telegrafia conduttori con un solo filo– Linee aeree bifilari– Coppie avvitate (twisted pairs) da posare in cavi– Attenuazione e diafonia relativamente elevate
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Linee in rame: cavi coassiali
Due conduttori cilindrici coassiali– D = diametro cavità conduttore esterno– d = diametro conduttore interno
D d
da Tanenbaum
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Linee in rame: cavi coassiali
• Il rapporto dei diametri determina l’Impedenzacaratteristica Z0– per le telecomunicazioni Z0 = 75 Ω
• Normalizzazione– Cavo coassiale normalizzato
d = 2.6 mm D = 9.5 mm A1 MHz = 2.35 dB/Km– Minicoassiale
d = 1.2 mm D = 4.4 mm A1 MHz = 5.30 dB/Km– Microcoassiale
d = 0.7 mm D = 2.9 mm A1 MHz = 9.50 dB/Km
• Il conduttore esterno scherma la diafonia• Quanto maggiore è D, tanto maggiore è il costo e tanto
migliori sono le prestazioni
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Utilizzo nella rete dei cavi coassiali
• I cavi coassiali possono trasportare bandemaggiori rispetto alle linee bifilari
• 4 KHz = banda lorda del canale telefonico• Multiplazione a divisione di frequenza (FDM)
– Necessaria per utilizzare al meglio mezzi trasmissivi alarga banda (come il cavo coassiale)
• Gerarchia FDM (standard ITU)– Gruppo primario: banda 48 KHz, 12 canali– …– Sistema a 4 MHz 960 canali– Sistema a 12 MHz 2.700 canali– Sistema a 60 MHz 10.800 canali
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Mezzi trasmissivi: fibre ottiche (OF)
• Guide d’onda dielettriche: sfruttano la rifrazione totaledella luce al passaggio fra uno strato interno (core) euno esterno (cladding)– Propagazione multimodo (core di circa 50 µm)– Propagazione monomodo (core di circa 5 µm)
• Le fibre più comuni sono di biossido di silicio SiO2 epresentano tre finestre– Prima finestra λ ~ 0.85 µm– Seconda finestra λ ~ 1.30 µm– Terza finestra λ ~ 1.55 µm
• L’attenuazione in una finestra è circa costante; vi sipossono allocare alcune migliaia di canali con alcunedecine di GHz di banda ciascuno
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Transmission of Light through Fiber
Attenuation of light through a silicon fiber in theinfrared region.
da Tanenbaum
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Fibre ottiche (segue)
• Prime applicazioni delle OF a negli anni ’70– Propagazione multimodo in prima finestra– Attenuazione A ≅ 2÷1 dB/Km
• Sistemi in OF attuali– Propagazione monomodo in terza finestra– A ≅ 0.2 dB/Km (limite teorico in SiO2: A = 0.16 dB/Km)– Possibilità di amplificazione ottica con drogaggio
all’Erbio e aggiunta di potenza ottica: passo diamplificazione oltre 1000 Km
• Ricerche su altri tipi di vetro (con cloro, fluoro,zirconio, ..) per ottenere A < 0.01 dB/Km
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Fibre ottiche (segue)
• Diafonia completamente assente• Costo del cavo bassissimo
– Ancora parzialmente mascherato dal costo deigeneratori, LED (più economici) o Laser (più costosi),e dei rivelatori
• Paradosso delle OF: le OF hanno prestazioni digran lunga migliori dei cavi in rame, in termini diattenuazione, banda e immunità ai disturbi, mahanno minori costi
• Le OF hanno enormi capacità (~infinite): questopuò suggerire soluzioni di rete originali
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Mezzi trasmissivi: radio comunicazioni
• Mezzo naturalmente broadcast– Vantaggioso per i servizi diffusivi– Problema della condivisione dello spettro
• Le onde elettromagn. si propagano in linea retta– Sotto i 3 MHz: visibilità diretta o onda di terra– Fra 3 e 30 MHz: propagazione ionosferica– Sopra i 30 MHz: solo visibilità diretta (ponti radio)
• Attenuazione nei radiocollegamenti– Cresce con la distanza con legge polinomiale– Cresce con il quadrato della frequenza– Le antenne diventano più efficienti quando la
frequenza cresce
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Radiocomunicazioni via satellite• Primo satellite artificiale: Sputnik 1957• Satelliti per TLC: serie Intelsat dagli anni ’60
– Satelliti in orbita geostazionaria (GEO = Geostationary EarthOrbit) a circa 36 000 Km di altezza
• Di recente si usano anche altre orbite– MEO: Medium-Earth Orbit (10000÷15000 Km di altezza)– LEO: Low-Earth Orbit (<5000 Km di altezza)
• Dapprima satelliti molto semplici e stazioni a terra moltosofisticate e costose– Collegamenti televisivi transatlantici e mondovisione– Teleporti
• Ora satelliti sofisticati con grande potenza intrasmissione: la stazione a terra può diventare moltoeconomica– Global Position System (GPS)– Diffusione diretta da satellite (DBS)
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Osservazioni sulle reti radio
• I ponti radio ed i satelliti sono il modo piùeconomico e veloce per distribuire servizi ditelecomunicazione in territori vasti e pocodensamente popolati
• Il mezzo di propagazione radio è condiviso: cisono forti problemi di banda, si può utilizzaresolo un numero limitato di canali
• Il mezzo radio è vulnerabile ai disturbi– Molti collegamenti presentano una probabilità di fuori
servizio– Possibili sabotaggi
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Radiocomunicazioni: sistemi cellulari
• Nuovo modo di usare i radiocollegamenti: la potenzatrasmessa è piccola, pertanto l’interferenza è limitata aduna cella
• Le frequenze possono essere riusate in altre celle nonimmediatamente adiacenti– Gruppi di celle (cell clusters)– Con un centinaio di canali si può servire una quantità illimitata di
utenti
• Sono necessari terminali molto sofisticati– Selezione del canale e segnalazione– Hand-over– Roaming
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Sistemi cellulari (segue)
• Principale applicazione: telefonia mobile• Sistemi pionieristici a 150 e 450 MHz• Sistema ETACS a 900 MHz, diffuso in alcuni
paesi europei– Sistema analogico– Copertura nazionale
• Global System Mobile (GSM): sistemainternazionale Europeo– Sistema digitale– Adottato in molte parti del mondo (India, Australia,..)
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Sistemi cellulari (segue)
• Sono allo studio i cosiddetti sistemi di IIIgenerazione– Ricerca di un sistema unico mondiale– Capacità offerte ∼100 Kbit/s per utenti in rapido
movimento, ∼2 Mbit/s per utenti fermi– Terminali con capacità multimediali
• Proposta Europea: Universal Mobile Telecomm.System (UMTS)
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Sistemi cellulari (segue)
• Enorme diffusione: in Italia il numero di abbonatiha superato quello della telefonia fissa
• Il traffico telefonico da fisso a fisso diventapercentualmente sempre meno importante
• Con i sistemi cellulari digitali e quelli di IIIgenerazione sono possibili altri servizi– Scambio di messaggi (SMS, MMS)– Accesso a Internet– Servizi multimediali
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IC3N 2000 N. 49
INTRODUZIONE DELLE TECNICHEDIGITALI
deisNET N. 50
Tecniche digitali, numerizzazione
• Le telecomunicazioni iniziano con trasmissionidigitali a bassa velocità (rete telegrafica) acausa delle limitazioni tecnologiche
• L’elettronica allo stato solido rende oraconvenienti le trasmissioni digitali ad alta velocità
• I segnali analogici possono essere convertiti indigitali (conversione A/D) e riconvertiti(conversione D/A): teorema di Shannon
• Sistemi PCM (Pulse Code Modulation)– Voce con 4 KHz di banda lorda → canale a 64 Kbit/s– Multiplazione a divisione di tempo (TDM)– Problemi di sincronismi: sistemi sincroni o plesiocroni
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deisNET N. 51
Problematica del sincronismo di rete• Le trasmissioni digitali prevedono l’invio di un flusso di
bit ad una velocità (bit rate) determinata da un oscillatorelocale
• Problema fondamentale: un oscillatore progettato perfunzionare ad una velocità nominale in pratica presentaun errore aleatorio e variabile nel tempo che al più puòessere contenuto all’interno di una tolleranza
• Sono possibili due scenari– Reti plesiocrone: gli oscillatori posti su nodi distinti sono
indipendenti, e forniscono velocità leggermente diverse– Reti sincrone: viene distribuito un sincronismo di rete a cui
vengono asserviti tutti gli oscillatori di tutti i nodi; le velocitàgenerate sono pertanto eguali a meno del rumore
deisNET N. 52
Gerarchie del Sistema plesiocrono
Europa
2.048 Mbit/s (E1)8.448 Mbit/s
34.368 Mbit/s (E3)139,264 Mbit/s564.992 Mbit/s
USA
1.544 Mbit/s (T1)6.312 Mbit/s
44.736 Mbit/s (T3)274.176 Mbit/s
GIAPPONE
1.544 Mbit/s6.312 Mbit/s
32.064 Mbit/s97.728 Mbit/s
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deisNET N. 53
Multiplazione nel sistema PlesiocronoEsempio di multiplatore da 1° a 2° livello della gerarchia
europea
• I 4 tributari sono a velocità leggermente diverse e variabili• Nella linea di uscita ogni tributario ha a disposizione uno spazio che
può variare da 2.0422 a 2.0522 Mbit/s; gli eventuali vuoti in questospazio sono riempiti dai bit di giustificazione, che possono essereindividuati ed eliminati in ricezione– Deve essere: velocità di uscita > 4 X velocità di ingresso– Difficoltà di aggiunta/estrazione di canali in un segnale multiplex– L’eliminazione dei bit di giustificazione provoca variazioni aleatorie nella
velocità dei bit (fenomeno del jiitter)
Tributari a2,048 Mbit/s
Linea di uscita a 8.448 Mbit/s
deisNET N. 54
Reti sincrone• Per evitare gli inconvenienti delle reti plesiocrone si può
implementare una rete sincrona; occorre– Un centro che genera il sincronismo, in prospettiva unico nel
mondo, e lo distribuisce con apposite strategie a tutti i nodimediante appositi canali
– Dei meccanismi di recupero per permettere ala rete difunzionare in caso di caduta del centro stesso o dei collegamenticol centro
• La architettura sopra detta è molto costosa e non fucostruita quando furono introdotte le trasmissioninumeriche, che sono state esclusivamente plesiocronefino agli anni ’90
• Al momento dell’introduzione dei sistemi in fibra ottica sidecise che conveniva passare alla rete sincrona ed èstata standardizzata la cosiddetta Synchonous DigitalHyerarchy (SDH)
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deisNET N. 55
Tecniche numeriche (segue)
• Per le trasmissioni in fibra ottica è stataintrodotta una rete sincrona
• SONET = Synchronous Optical NETwork:sviluppata negli USA, a 51.84 Mbit/s
• Standard internazionale: SDH = SynchronousDigital Hyerarchy– STM-1 155.52 Mbit/s (= 3 X 51.84)– STM-4 622.08 Mbit/s (= 4 X 155.52)– STM-16 2488.32 Mbit/s (=4 X 622.08)
• SDH unifica le gerarchie dell’Europa, USA eGiappone
deisNET N. 56
Tecniche numeriche (segue)
• Nella gerarchia PCM possono essere inseritisegnali diversi (dati, musica, immagini,..)
• La rete di trasmissioni diventa gradualmenteinteramente digitale
• Motivazione fondamentale della numerizzazione:i circuiti digitali sono più adatti per essererealizzati con circuiti integrati, mentre gli ICanalogici sono difficilmente realizzabili
• I sistemi digitali beneficiano del Circolo Virtuosodella Microelettronica.
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deisNET N. 57
Tecniche numeriche nella commutazione
• Primi sistemi (centralini): manuali• Centrali telefoniche automatiche: era
elettromeccanica– Selettori Strowger a sollevamento e rotazione– Selettori a motore (Ericsson)– Centrali a barre incrociate (cross bar)
• Era elettronica– A partire dalla metà degli anni ’70– Basate su matrici di connessione a divisione di tempo
• Tutta la rete diventa digitale: fase IDN(Integrated Digital Network)
deisNET N. 58
Tecniche numeriche: la ISDN
• Concetto della ISDN (Integrated Service DigitalNetwork): richiede– Una rete IDN– Interfacce standard unificate– Un unico accesso per l’utente a tutti i servizi
(integrazione dei servizi)• La transizione verso la ISDN comincia nella
seconda metà degli anni ’80 ed è tutt’ora incorso (con diverse velocità nei diversi paesi)
• Motivazioni della ISDN– L’integrazione dei servizi consente molti risparmi– Diventano possibili molti nuovi servizi basati sui
calcolatori (Telematica)
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IC3N 2000 N. 59
INGRESSO DEI CALCOLATORI NELLARETE DI TELECOMUNICAZIONI
deisNET N. 60
Nascita dell’Informatica
• Gli studi pionieristici sui calcolatori inizianonell’800, ma solo con l’elettronica allo statosolido diventano praticamente utilizzabili: nascitadell’Informatica (Computer science)
• Anni ’60: periodo pionieristico• Anni ’70: era dei grandi centri di calcolo• Anni ’80: minicalcolatori e workstations• Anni ’90: personal computers (PC)
– Informatica distribuita
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deisNET N. 61
Calcolatori nella rete (segue)
• Per la rete di telecomunicazioni i calcolatorisono estremamente importanti, sia comeapparati di rete sia come utenti della rete
• Apparati di rete– Nei nodi di commutazione si fa largo uso di
calcolatori, una centrale di commutazione elettronicastessa può essere vista come un grande calcolatorespecializzato
– I terminali di utente della ISDN sono calcolatori• Utenti della rete
– Per la rete i calcolatori rappresentano un nuovo tipodi utente, già digitale per sua natura
deisNET N. 62
Calcolatori come utenti della rete
• Anni ’60: i calcolatori si connettono ai loroapparati terminali, non è necessaria la rete
• Anni ’70: connessione fra gli Host dei centri dicalcolo ed i terminali remoti– Trasmissione dati– Rete telefonica + modems
• Anni ’80: reti di Host– Architetture di rete– Reti in area locale (LAN)
• Anni ’90: tutti i computer richiedono di potersicollegare a due a due– Si richiede una rete di calcolatori universale (Internet)
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deisNET N. 63
Rete di calcolatori
• Per far comunicare i calcolatori occorronoprotocolli
• Lo sviluppo dei protocolli per una rete dicalcolatori è un compito molto complesso: iprotocolli vengono organizzati in una architettura
• Per avere una rete di calcolatori universaleoccorrono– Uno schema di indirizzi universale– Un protocollo unico di interconnessione di reti (IP)– Interfacce standard fra i programmi applicativi dei
calcolatori e la rete (interfaccia di Trasporto)
deisNET N. 64
Reti di calcolatori: il Progetto OSI
• La ISO (International Standard Organization) hapromosso nel 1976 un programma per lo sviluppo di unarete universale– Progetto OSI: Open System Interconnection– Sviluppo di un Modello di Riferimento: OSI RM (Reference
Model)– Il modello OSI è a strati: individuati 7 strati
• Il modello di riferimento a strati proposto da OSI èuniversalmente adottato: in questo ha avuto successo
• L’OSI ha proposto anche uno schema di indirizzi, unprotocollo IP e una interfaccia di trasporto: questi nonsono stati adottati, e in questo l’OSI ha fallito
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deisNET N. 65
Rete di calcolatori: l’Internet
• La ARPA (Advanced Research Project Agency)del DoD (Department of Defense) americanonegli anni ’60 lanciò un progetto per collegare icomputer dei centri di ricerca e degli entigovernativi degli USA
• Nel 1969 ARPANET cominciò a funzionarecollegando 4 università dell’ovest– commutazione di pacchetto (packet switching),
evoluzione della comm. di messaggio• Puro datagram: ogni pacchetto è indipendente dagli altri• Rete best effort: non c’è garanzia sulla qualità di servizio
– Adotta il TCP/IP nel 1983 (standard di Unix)– Crescita rapidissima
deisNET N. 66
Calcolatori nella rete: telematica
• Dal punto di vista dei servizi la sinergia fra rete ecalcolatori offre una infinità di nuove possibilità(servizi Telematici)– Enormi potenzialità– Necessità di adeguata promozione– Molti esperimenti, con successi e insuccessi
• L’Internet è la sorgente moderna dei servizitelematici: posta elettronica, interazione con basidati (WWW), diffusione di svariati tipi diinformazioni mutimediali, transaction processing,e-commerce, e-publishing, telelavoro, ecc…
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deisNET N. 67
L’Internet
• Alcuni cambi di gestione: a metà degli anni ’80ARPANET diventa NSFNET (National ScienceFoundation NETwork)– Crescita esponenziale: raddoppio ogni anno– Connessione con reti di ricerca di altri paesi
• Si comincia a parlare di internet e poi di Internet:la Internet Society fondata nel 1992
• Nel 1994 apre alle organizzazioni commerciali;in pochi anni il traffico commerciale diventa digran lunga predominante
• Internet è una collezione di reti interconnesse, inparticolare LAN
IC3N 2000 N. 68
MULTIMEDIALITA’
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deisNET N. 69
Servizi multimediali
• Nuovi servizi telematici spesso multimediali,coinvolgendo testi e/o audio e/o immagini
• Trasmissione di voce– Standard PCM: canale a 64 Kbit/s– Compressione– Pacchettizzazione della voce, Internet telephony
• Musica– Standard per i CD: monofonia 705.6 Kbit/s,
stereofonia 1411 Kbit/s– Interfaccia MIDI (Music Instrument Digital Interface)
deisNET N. 70
Servizi multimediali: il video
• Televisione analogica– Standard Europeo 5 Mhz, standard USA 4 Mhz– La HD TV (High Definition TV) richiede una banda
4÷5 volte maggiore della standard• Televisione digitale
– Senza compressione: circa 100 Mbit/s– MPEG-2 sistema di compressione molto efficiente:
circa 4 canali MPEG-2 possono essere trasmessinella banda di un canale analogico
– Con una rete di distribuzione opportuna sono possibilinuovi servizi
• Televisione interattiva• Video on demand
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IC3N 2000 N. 71
EVOLUZIONE DEGLI SCENARI DI RETE
deisNET N. 72
Scenari di rete
• Le caratteristiche e l’evoluzione della rete TLChanno determinato uno scenario valido fino agliinizi degli anni ’90 (scenario di ieri o scenariotradizionale)– Caratteristiche della rete– Caratteristiche della gestione– Caratteristiche del mercato– Caratteristiche dell’industria
• Lo scenario si modifica profondamente a partiredagli anni ’90; il processo è ancora in atto e isuoi effetti sono in parte imprevedibili (scenariodi oggi/domani)
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deisNET N. 73
Scenario di ieri (tradizionale): la rete
• Evoluzione da reti separate per telegrafo,telefono e radio/telediffusione verso una reteunica ISDN
• Finora il telefono è stato il servizio di gran lungapiù importante economicamente, pertanto laISDN di prima generazione è una evoluzionedella rete telefonica
• Enormi investimenti in infrastrutture: ordine digrandezza diverse migliaia di miliardi di dollari
• Nei paesi industrializzati la rete di accessotelefonica (last mile) rappresenta circa il 30%dell’investimento totale
deisNET N. 74
Scenario di ieri: i gestori• I gestori del telegrafo sono tradizionalmente quelli della
posta ordinaria, di solito un Ministero• Spesso il telefono è stato associato col telegrafo in un
Ministero delle TLC (o Poste e TLC); (alcuni paesi fannoeccezione fra cui gli USA)
• I Ministeri ed i loro concessionari operano in un mercatoregolato da leggi protezionistiche (regulations) in cuisono gli unici compratori (monopsomio)
• Progressiva deregulation da metà anni ’80– Liberalizzazione dei servizi– Introduzione della pluralità dei gestori– Privatizzazione dei gestori
• I nuovi operatori hanno la stessa importanza economicadei vecchi– Federazione di reti
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deisNET N. 75
Situazione Italiana dagli anni ’50 ai ‘90I PRINCIPALI ATTORI• Ministero delle Poste e Telecomunicazioni: ha competenza su tutti i
servizi TLC e gestisce– Servizio Postale– Servizi Telegrafici– Servizi Radioelettrici– Azienda di Stato per il Servizio Telefonico (ASST)
• Istituto per la Ricostruzione Industriale (IRI): gestisce lepartecipazioni statali; in particolare attraverso la capofila STETcontrolla industrie e gestori delle TLC fra cui– SIP– Italcable– Telespazio– Italtel– Sirti– Selenia– …
deisNET N. 76
Segue situazione italiana dai ’50 ai ‘90
• I gestori della telefonia sono– Per l’interfaccia con l’utente, il traffico locale e le
interurbane a breve distanza: SIP– Per le interurbane a grande distanza e le
internazionali continentali: ASST– Per le intercontinentali: Italcable– Per le tratte intercontinentali via satellite: Telespazio
• Per i servizi di trasmissione dati– Dopo una competizione fra Servizi Telegrafici, ASST
e SIP e questo servizio viene attribuito a SIP
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deisNET N. 77
Sviluppi della situazione negli anni ‘90
• La ASST viene trasformata in una azienda IRI controllatada STET (col nome di Iritel)
• Dopo un anno viene creato un unico gestore col nome diTelecom Italia che ingloba SIP, Iritel, Italcable,Telespazio e piccole aziende di servizi, ancora sotto ilcontrollo STET
• La STET viene poi smembrata e Telecom Italia vieneprivatizzata
• Intanto la deregulation ha fatto sorgere una pluralità digestori; ci sono varie leggi e direttive Europee checercano di imporre una “par condicio” nella concorrenzafra i gestori, senza molto successo perché Telecom èl’unico fra questi che possiede una rete di accesso
deisNET N. 78
Situazione negli altri paesi industrializzati
• In Europa di solito i Ministeri hanno gestito inregime di monopolio la rete– Ora stanno marciando a diverse velocità verso
deregulation e privatizzazione• In USA la più grande compagnia privata di TLC,
il Bell System o At&T, fungeva anche dagestore, protetta da regulations– Il governo si limitava ad una funzione di sorveglianza
sui prezzi e sulla qualità del servizio offerto– Nel 1984 (presidente Ronald Reagan) è stata
introdotta la deregulation e AT&T è stata smembrata• AT&T Long Lines per traffico a grande distanza• 23 Bell Operatig Companies (BOC) per il traffico locale,
raggruppate in 7 Regional BOC
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deisNET N. 79
Il mercato delle Telecomunicazioni
• Nello scenario tradizionale il mercato delletelecomunicazioni era dominato dal telefono cheassorbiva più del 90% degli investimenti
• La bontà del mercato dipendeva pertanto dallosviluppo dell’utenza telefonica
• Come misura della penetrazione del telefono sipuò assumere la Densità telefonica D = numeroabbonati / numero abitanti (oppure anchenumero apparecchi installati / numero abitanti)
deisNET N. 80
Sviluppo dell’utenza telefonica• L’utenza telefonica, come diverse altre utenze si è sviluppata
secondo la caratteristica curva a S
• Nella fase esponenziale il mercato è molto buono• Il valore limite non è ancora stato raggiunto in nessun paese del
mondo• La densità limite sembra essere intorno a 2 telefoni/abitante
00 tempo
Den
sita
'
Valore limite
Fase esponenziale
Fase di saturazione
Fase pionieristica
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deisNET N. 81
Influenza delle telecomunicazioni sull’economia
• C’è una correlazione (circa una proporzionalità)fra la densità telefonica D ed il Prodotto internoLordo (PIL) di un paese
• Un paese non può avere un buono sviluppoeconomico senza una rete di telecomunicazionievoluta
• Grandissime differenze fra i vari paesi nelladensità D in relazione al diverso tasso di sviluppo
• Stanno ora emergendo nuovi servizi, inparticolare i servizi radiomobili e i serviziInternet, che hanno grande influenza sul PIL
deisNET N. 82
La ICT
• Ormai il mercato delle telecomunicazioni è inscindibileda quello dell’informatica; si parla di:– Società dell’informazione– e di ICT = Information & Communication Technology
• Possibile definizione di ICT: convergenza delle quattro C– Communication– Computer– Consumer– Contents
• Quando si parla del mercato della ICT, tradizionalmentesi include Computer e Communication, compresa lacomponentistica, mentre si esclude Contents eConsumer
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deisNET N. 83
Mercato mondiale della ICT
• Mercato in Miliardi di Dollari
2234600237Totale ICT
89630074Tot. Informatica56717032Informatica - Sw32913042Informatica - Hw
1338300163Totale TLC
1063200123TLC – servizi27510040TLC - apparati
Anno 2002Anno 1988Anno 1978
deisNET N. 84
Mercato della ICT (segue)• Mercato Europa ≅ 30% Mercato mondiale• Mercato Italia ≅ 10% Mercato Europa
(≅ 3% Mercato mondiale)• Osservazioni
– La percentuale del mercato ICT rispetto al PIL è moltoaumentata: nel 1988 era intorno al 3%, nel 2002 è 7%
– L’ITC è diventato il componente del PIL con peso maggiore: nel1988 l’ordine era 1. Petrolio, 2. Auto,3. ICT, nel 2002 è 1. ICT, 2. Petrolio, 3. Auto
– I servizi ed il software acquistano un peso relativo sempremaggiore; se definiamoR = (servizi+software)/(apparati+hardware)si ha nel 1988 R = 1.2, nel 2002 R = 2.7
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L’industria nello scenario di ieri
• Le industrie devo fare enormi investimenti in ricerca esviluppo: possono sopravvivere solo poche grandiindustrie multinazionali
• Nei paesi industrializzati i Ministeri hanno protettol’industria nazionale: la concorrenza si ha solo nelleesportazioni verso paesi emergenti
• Il monopsomio impone all’industria di fare accordi con ilgestore monopolista prima di fare i grandi programmi diinvestimenti
• Mercato piuttosto rigido: i nuovi sistemi devonointeroperare coi vecchi → progresso rallentato
• La telematica introduce nuovi gestori e costruttori piccolie grandi, in forte concorrenza e rapida evoluzione
IC3N 2000 N. 86
Scenari di oggi/domani
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deisNET N. 87
Scenari di oggi/domani
• La rete deve evolvere verso una rete a bandasostanzialmente più larga detta BISDN
• Si può prevedere che nei diversi paesil’evoluzione possa percorrere strade diverse: sipossono delineare tre tipi di scenari– scenario BISDN driven– scenario Internet driven– scenario Mobile driven
deisNET N. 88
La rete BISDN• BISDN (Broadband ISDN): evoluzione naturale della
ISDN (ISDN di seconda generazione)• La ISDN si propone di unificare tutti i servizi, ma in
pratica quando furono definiti gli standard si scelse di farriferimento alla rete di accesso esistente (coppietelefoniche). I servizi video restavano esclusi e dovevanodunque ancora usare una rete separata
• Ad esempio per gli utenti home è stato standardizzatol’Accesso base (Basic Rate Access) che fornisce duecanali a 64 Kbit/s + un canale a 16 Kbit/sec per lasegnalazione
• Obbiettivo della BISDN: un’unica rete per fornire ogniservizio (presente e futuro) con la qualità richiesta– Servizi multimediali– Richieste di banda molto variabili, da kbit/s a centinaia di Mbit/s– Servizi interattivi e real time
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deisNET N. 89
Rete BISDN (segue)• Occorre progettare e implementare
– Una rete di accesso a larga banda– Una rete di trasporto con autostrade ad altissima capacità
(almeno Tbit/s)– Nodi di commutazione ad altissima capacità
• I suddetti problemi potrebbero essere considerati inmodo unificato: nasce la teoria dei Modi di trasferimento
• Soluzione per la BISDN: si propone una nuova tecnicadetta ATM (Asynchronous Transfer Mode) che combina ivantaggi della commutazione di circuito (interattività) e dipacchetto (flessibilità)
• Nelle reti ATM– L’informazione è frammentata in piccoli pacchetti chiamati celle
che viaggiano in modo indipendente (in modo asincrono)attraverso la rete
– È relativamente facile costruire nodi a larga banda– Si richiede una segnalazione piuttosto complicata
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Scenario BISDN driven
• La rete evolve verso una rete unificata ATM– Tutti i servizi trasportati in forma di celle ATM– Tutti i terminali devono avere interfacce ATM– ATM propone uno schema di indirizzi e una tecnica di
interconnessione– Le applicazioni devono avere interfacce dirette ATM
• Questa trasformazione , che richiede enormiinvestimenti, deve essere pilotata da grandi gestori checontrollano tutta la rete– Tutti gli altri servizi/gestori diventano i clienti della rete ATM– Occorrono standard molto precisi, soprattutto per la
segnalazione, che devono essere concordati in sede ITU
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deisNET N. 91
Scenario Internet driven
• Internet ha raggiunto una enorme diffusione(connette più di 100.000.000 di computer)
• Circa tutti i programmi applicativi sono basati suinterfacce TCP/IP ed è ora molto costosocambiare i protocolli di rete
• Viene l’idea di andare verso una rete TCP/IP alarga banda, introducendo routers a larga banda
• Problemi: il TCP/IP nella versione attuale nonpuò garantire alcuna qualità di servizio (QoS)
• Sono in corso ricerche per offrire QoS nei routerTCP/IP (RSVP, int-serv, diff-serv)
deisNET N. 92
Scenario Internet driven (segue)
• Tutti i servizi trasportati da Internet fra cui– Internet telephony– Internet broadcasting– Accesso mobile a Internet
• Devono essere risolti molti problemi– QoS– Security– Tariffazione (attualmente Internet è gratuita)– Tutti questi problemi sono aggravati dalla molteplicità
e varietà dei gestori (federazione di reti e di gestori);sono richieste tecniche efficienti per l’interazione fragestori
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deisNET N. 93
Scenario mobile driven
• In molti paesi (fra cui l’Italia) il servizio piùvelocemente in crescita è quello radiomobile
• La maggior parte del traffico telefonicocoinvolge almeno un operatore mobile
• Concetto UPT (Universal Personal TLC)– L’indirizzo di rete è associato alla persona e non ad
un terminale– Il servizio deve essere sempre disponibile
• I sistemi di III generazione offrono accessi abanda piuttosto larga (fino a 2 Mbit/s)
• I terminali radiomobili sono calcolatori sofisticati
deisNET N. 94
Scenario Mobile driven (segue)
• In questo scenario l’accesso alla rete avvienepraticamente sempre attraverso terminali mobili
• La rete fissa è usata solo per la rete di dorsale(backbone)
• Occorrono protocolli sviluppati ed ottimizzati perle reti mobili che devono essere accettati da tuttigli operatori
• E’ critico il problema dell’alimentazione efficientedei terminali (non devono spegnersi sul più belloper mancanza di energia)
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deisNET N. 95
Osservazioni su questi scenari• Tutti questi scenari hanno problemi
– Scenario BISDN driven• Costo del cambio di interfacce dei computer• Richiede forte coordinamento fra i gestori• Difficoltà di gestione, segnalazione complessa
– Scenario Internet driven• Non è certo che il TCP/IP possa garantire la QoS• Problemi di security e tariffazione
– Scenario Mobile driven• Problemi di banda del mezzo radio• Problemi di alimentazione dei terminali• Difficoltà di concordare un protocollo• Vulnerabilità ai disturbi anche intenzionali
• Ognuno ha anche dei motivi a favore ed è molto difficileprevedere gli sviluppi futuri
IC3N 2000 N. 96
UNO SGUARDO AL FUTURO
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deisNET N. 97
Possibili innovazioni nella ICT
• Si stanno affacciando nel mondo della ricercainnovazioni tecnologiche che non hanno ancorauna loro fisionomia ben definita e rappresentanodelle sfide per i prossimi 10÷15 anni
• Ci sono intense attività di ricerca nei tre campidella– Microelettronica/componentistica– Informatica– Telecomunicazioni
deisNET N. 98
Sfide della microelettronica/componentistica
• Aumento della complessità dei chip, componentidi dimensioni nanometriche
• Diffusione dei dispositivi optoelettronici ealtissime frequenze di lavoro
• Diminuzione dei consumi di potenza,alimentatori intelligenti (critica per i sistemimobili)
• Eterogeneità di funzioni sul chip• Diffusione di microsistemi, micromotori e
microattuatori, microsensori e biosensori
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Sfide dell’informatica
• Ubiquitous computing e Ambient intelligence– Ogni persona avrà a disposizione molti (decine o centinaia)
computer miniaturizzati, che renderanno “intelligenti” oggetti diuso comune in qualunque luogo uno si trovi
– Importanza dei collegamenti in mobilità– Necessaria la localizzazione nello spazio
• Applicazioni dell’Intelligenza artificiale– Rappresentazione e gestione della conoscenza– Interazione multisensoriale (riconoscimento del parlato,
computer vision, ricerca per contenuti,..)
• Cooperazione e integrazione dinamica delle applicazioniper il supporto alla mobilità e nomadicità
deisNET N. 100
Sfide del mondo delle Telecomunicazioni
• Reti completamente ottiche• Reti di contenuti multimediali• Riconfigurabilità dinamica delle reti• Sicurezza e protezione delle comunicazioni• Servizi di localizzazione• Piattaforme per servizi di realtà virtuale e
presenza virtuale