2.3) Il sistema telefonico

Il sistema telefonico riveste un ruolo centrale per le comunicazioni a distanza fra computer, per vari motivi:

• sarebbe proibitivo in termini di costi connettere, con appositi cavi, apparecchiature distanti centinaia di km o più;
• è illegale, praticamente in tutti i paesi, stendere cavi sul suolo pubblico.

Purtroppo il sistema telefonico, o rete pubblica telefonica commutata, è nato e si è evoluto in funzione delle esigenze della fonia, anche se recentemente sta diventando sempre più adatto al traffico dati, grazie ai nuovi mezzi trasmissivi quali le fibre ottiche.

A titolo di esempio, si consideri la seguente tabella:

Ossia, vi sono 11 ordini di grandezza di differenza: la stessa differenza che c'è tra il costo del Progetto Apollo e quello di un biglietto dell'autobus.

2.3.1) Struttura generale

Agli albori della telefonia (il brevetto di Alexander Graham Bell è del 1876) i telefoni si vendevano a coppie, e gli acquirenti si preoccupavano di stendere il cavo (uno solo, con ritorno via terra) per collegarli. Le città divennero ben presto un groviglio di cavi, e quindi nacquero le società telefoniche (la prima fu la Bell) che aprirono uffici di commutazione nei quali un operatore smistava le chiamate fra i vari apparecchi. Questi non erano più collegati direttamente fra loro ma erano tutti connessi a un ufficio di commutazione.

Poiché gli uffici di commutazione nascevano come funghi, si ripropose lo stesso problema per il loro collegamento. Quindi vennero creati gli uffici di commutazione di secondo livello, e poi di terzo; alla fine la gerarchia si arrestò su cinque livelli (1890).

Tale tipo di struttura gerarchica è anche oggi alla base dei sistemi telefonici in tutto il mondo, con variazioni legate essenzialmente alle dimensioni dei vari sistemi. Attualmente ogni sistema telefonico è organizzato in una gerarchia multilivello con elevata ridondanza.

Al posto degli operatori vi sono delle centrali di commutazione, una volta elettromeccaniche ed oggi quasi tutte digitali.

Il local loop, cioè il collegamento dal telefono alla più vicina centrale di commutazione, è ancora oggi basato su doppino telefonico e può avere una lunghezza da 1 a 10 km. Trasporta un segnale analogico dotato di una banda molto modesta (3 kHz).

Per le altre connessioni (trunk) si usano molti altri mezzi:

• cavi coassiali;
• microonde;
• fibre ottiche, ormai molto diffuse.

Ormai quasi ovunque le centrali di commutazioni sono digitali e le linee che le collegano trasportano segnali digitali. I vantaggi principali sono i seguenti:

• è più facile ricostruire periodicamente il segnale senza introdurre errori (solo pochi valori);
• è più facile mescolare voce, dati, video e altri tipi di traffico;
• sono possibili data rate più alti usando le linee esistenti.

2.3.2) Il local loop

Ricordiamo che il local loop trasporta un segnale analogico con una larghezza di banda di 3 kHz (0-3 kHz). Dunque, per trasmettere dati digitali, essi devono essere trasformati in analogici da un'apparecchio detto modem. Quindi vengono ritrasformati in digitali nella centralina di commutazione da un apparecchio detto codec, (cosa che succede anche alle conversazioni telefoniche), e quindi subiscono le conversioni inverse sul local loop di destinazione.

Ovviamente ciò non è l'ideale, ma bisogna accontentarsi.

Ricordiamo che:

• le linee di trasmissione inducono attenuazione e distorsione (ed in più, specialmente sul local loop, sono soggette a disturbi);
• la trasmissione digitale genera onde quadre, che hanno un'ampio spettro di frequenze.

Quindi, se si trasmette un segnale digitale sul local loop, a causa della banda ridotta si deve usare una bassissima velocità di trasmissione. Per evitare questo inconveniente, si usa un segnale sinusoidale (quindi analogico) nella banda fra 1 e 2 kHz, detto portante, che viene opportunamente modulato (variando nel tempo le sue caratteristiche) per trasmettere le informazioni.

Le principali tecniche di modulazione sono le seguenti:

• modulazione di ampiezza: si varia l'ampiezza;
• modulazione di frequenza: si varia la frequenza;
• modulazione di fase: si varia la fase (cioè il "ritardo" rispetto al segnale originale).

Il modem accetta in ingresso un segnale digitale e produce in uscita una portante analogica opportunamente modulata. Ora, poiché la banda passante (e quindi la velocità di segnalazione) è limitata a 3 kHz, sappiamo che non si possono trasmettere più di 6 Kbps (per il teorema di Nyquist) se il segnale è a due valori. Per raggiungere velocità superiori si deve riuscire ad aumentare il numero dei possibili valori trasmessi. Ciò si ottiene usando in modo combinato le tecniche di modulazione sopra viste.

Ad esempio, modulando opportunamente sia ampiezza che fase si possono rappresentare 16 valori diversi, quindi si possono ottenere 4 bit per baud. Dunque, su una linea a 2.400 baud (tipici del local loop), si può trasmettere alla velocità di 9.600 bps.

I diagrammi che definiscono i punti (nello spazio a coordinate polari ampiezza - fase) corrispondenti a valori validi del segnale da trasmettere si chiamano constellation pattern. Quello sopra citato è definito nello standard V.32, emesso da ITU. E' un esempio di standard per il livello fisico.

Un altro constellation pattern è definito nello standard V.32 bis, per velocità di 14.400 bps su linea a 2.400 baud. Esso utilizza 64 punti per trasmettere 6 bit per baud.

Infine, il V.34 viaggia a 28.800 bps, quindi trasmette 12 bit per baud. Si deve notare che con questi due standard possono sorgere problemi se la linea telefonica è più rumorosa del normale (teorema di Shannon).

Un'ulteriore modo per aumentare le prestazioni è ricorrere a meccanismi di compressione dei dati prima di trasmetterli. In tal modo, a parità di velocità, si inviano più informazioni.

Due standard importanti per la compressione dei dati sono :

V.42 bis, emesso da ITU;

MNP 5, standard de facto (Microcom Network Protocol).

Infine, per consentire una trasmissione contemporanea nei due sensi (full-duplex), ci sono due tecniche :

• suddividere la banda in due sottobande, una per ogni direzione; così però si dimezza la velocità. Questa tecnica è tipica degli standard per le velocità più basse, ad esempio V.21 per 300 bps;
• cancellazione dell'eco: ogni modem sfrutta l'intera banda e cancella in ricezione gli effetti della propria trasmissione.

Altri esempi di protocollo per il livello fisico sono quelli che stabiliscono le caratteristiche dell'interfaccia fra elaboratori (DTE, Data Terminal Equipment) e modem (DCE, Data Circuit-terminating Equipment), in termini:

• meccanici;
• elettrici;
• funzionali;
• procedurali.

Ad esempio, lo standard RS-232-C ed il molto simile V.24 del CCITT caratterizzano:

• specifiche meccaniche: connettore a 25 pin con tutte le dimensioni specificate;
• specifiche elettrice:
  • valore 1 corrisponde a un segnale minore di -3 Volt;
  • valore 0 corrisponde a un segnale maggiore di +4 Volt;
  • data rate fino a 20 Kbps, lunghezza fino a 20 metri;
• specifiche funzionali: quali circuiti (trasmit, receive, clear to send, ecc.) sono collegati a quali pin;
• specifiche procedurali: costituiscono il protocollo nel vero senso della parola, cioè le coppie azione/reazione fra DTE e DCE.

Vi sono molte attività di sperimentazione e tentativi di standardizzazione per superare il collo di bottiglia del local loop.

Tutte però richiedono :

• eliminazione del filtro a 3 kHz;
• local loop non troppo lunghi e con doppino di buona qualità (quindi, non tutti gli utenti potranno usufruirne).

Le principali proposte sono le seguenti:

• cable modem (velocità di 30 Mbps): si connette l'elaboratore al cavo coassiale fornito da un gestore di Cable TV. Il problema principale è che il cavo viene condiviso da molti utenti.
• ASDL (Asymmetric Digital Subscriber Line): velocità in ingresso 9 Mbps, in uscita 640 Kbps. Fornisce in casa un attacco ad alta velocità verso il sistema telefonico, ottenuto eliminando i filtri e usando più di un doppino. La banda non è condivisa con altri utenti.

2.3.3) Trunk e multiplexing

Come abbiamo già visto, i trunk (cioè le connessioni fra una centrale e l'altra) sono realizzati con mezzi trasmissivi quali cavi coassiali, fibre ottiche, che offrono una banda passante molto ampia ed un bassissimo tasso d'errore.

Su essi devono poter essere convogliate contemporaneamente molte conversazioni indipendenti (e/o molte trasmissioni di dati).

C'è quindi la necessità di mettere in piedi un meccanismo di multiplazione (multiplexing). Ci sono due schemi principali:

• Frequency Division Multiplexing (FDM);
• Time Division Multiplexing (TDM).

Frequency division multiplexing

Lo spettro di frequenza disponibile è suddiviso in varie bande più piccole, e ogni utente ha l'esclusivo uso di una di esse.

Ad esempio, più canali telefonici (ciascuno avente la banda di 3 kHz) vengono multiplati allocando a ciascuno di essi una banda di 4 kHz, per avere un margine di 500 Hz di sicurezza su ciascun lato della banda. Ogni canale telefonico viene innalzato in frequenza fino ad occupare la banda assegnatagli.

Uno standard CCITT prevede il multiplexing di 12 canali da 4 kHz nella banda 60-108 kHz. Ciò costituisce un group. Molte società telefoniche offrono un servizio di trasmissione dati, a velocità tra i 48 e i 56 Kbps, basato su un gruppo.

Cinque group (60 canali) formano un supergroup, cinque supergroup (300 canali) formano un un mastergroup. Sono definiti gli standard fino a 230.000 canali.

Una variante di FDM per le fibre ottiche è il Wavelength Division Multiplexing (WDM). Si lavora in base alle lunghezze d'onda, inversamente proporzionali alle frequenze. Concettualmente è analogo a FDM. Dal punto di vista realizzativo si varia la lunghezza d'onda del raggio luminoso. Ciò si fa con dei sintonizzatori ottici, basati sugli interferometri Farbry-Perot o Mach-Zehnder.

Time division multiplexing

FDM è adatto alla gestione di segnali analogici e richiede circuiteria analogica. Di conseguenza è poco adatto alla gestione di dati digitali quali quelli prodotti dai computer.

TDM invece è ideale per la gestione di dati in forma digitale. L'idea è semplice: i bit provenienti da diverse connessioni vengono prelevati a turno da ciascuna di esse ed inviati su un'unica connessione ad alta velocità :

Poiché i local loop trasportano un segnale analogico, esso deve essere trasformato in digitale prima di essere combinato in TDM con gli altri. Questa operazione, come abbiamo già visto, viene fatta in centrale da un codec (coder-decoder). Esso effettua 8.000 campionamenti al secondo del segnale analogico (1 campione ogni 125 microsecondi: ciò è sufficiente, secondo il teorema di Nyquist, per un segnale caratterizzato da una banda di 4 kHz) e produce altrettanti valori a 7 bit (in USA) o 8 bit (in Europa).

Questa tecnica si chiama PCM (Pulse Code Modulation), e forma il cuore di tutti i sistemi telefonici moderni. La conseguenza è che il ritmo di funzionamento di tutti i sistemi telefonici è basato su un intervallo di tempo fondamentale di 125 microsecondi.

Si noti che il segnale vocale digitalizzato richiede 8 * 8.000 bps e cioé 64 Kpbs.

Non esiste uno standard internazionale per il TDM:

• in America ed in Giappone si è diffuso il T1 Carrier, costituito da 24 canali; ogni canale trasferisce 7 bit di dati (per la voce) e 1 bit di controllo ogni 125 microsecondi, per cui si hanno 56.000 bps di dati e 8.000 bps di controllo. Un frame T1 consiste di 192 bit (più uno di framing) ogni 125 microsecondi, per cui T1 trasmette alla velocità di 193 * 8.000 bps ossia di 1.544 Mbps;
• in Europa è invece diffuso E1 Carrier (conforme a raccomandazione CCITT), costituito da 32 canali con valori ad 8 bit (cioé 32 * 8 * 8.000 bps ossia 2.048 Mbps), di cui 30 per i dati e 2 per il controllo.

Ovviamente TDM può essere riapplicato, per cui si hanno le seguenti gerarchie (dette plesiocrone, dal greco plesio che significa vicino: non è detto che il clock di due flussi nominalmente uguali sia perfettamente identico).

Tutto ciò comporta la necessità di costose apparecchiature di conversione ai confini fra un sistema e l'altro.

2.3.4) SONET/SDH

Per superare tali difficoltà, a metà degli anni '80 è stata introdotta dal CCITT la gerarchia SDH (Synchronous Digital Hierarchy), unificata a livello mondiale. In USA si chiama SONET (Synchronous Optical NETwork) ed ha una velocità (51.84 Mbps) non presente in SDH.

I suoi scopi principali sono:

• interoperabilità dei vari Carrier (le aziende telefoniche);
• unificazione dei sistemi in esercizio in USA, Europa e Giappone;
• capacità di trasportare frame T1 e superiori ed E1 e superiori.

SONET/SDH è basato su un tradizionale TDM, ed è un sistema sincrono, controllato da un clock principale molto preciso (il tasso d'errore è tipicamente inferiore ad 1 su 10⁹). Il multiplexing è fatto byte per byte, ciclicamente. La gerarchia è sincrona, cioè si garantisce che tutti i clock che governano i vari flussi sono assolutamente identici.

Un sistema SONET consiste di un insieme di vari elementi, connessi da fibre ottiche:

• unità di commutazione;
• multiplexer;
• ripetitori.

L'unità base è un blocco di 810 byte emesso ogni 125 microsecondi. Questa unità definisce il canale fondamentale di SONET, che si chiama STS-1 (Synchronous Transport Signal - 1). Esso ha una velocità di 810 * 8 * 8.000 bps, cioé 51.84 Mbps.

Vari livelli della gerarchia SONET/SDH sono stati definiti :

ATM ha la velocità di 155 Mbps perché si pensa di trasportare le celle ATM su OC-3, l'analogo su fibra ottica di STS-3 o STM-1.

Il livello fisico di SONET è diviso in quattro sottolivelli:

• sottolivello Photonic: specifica caratteristiche della fibra e della luce da usare;
• sottolivello Section: si occupa del multiplexing/demultiplexing di flussi multipli; ha a che fare, ad esempio, sul come e quanti flussi combinare;
• sottolivello Line: si occupa di gestire un collegamento punto a punto in fibra ottica: genera un frame da una parte e lo elabora dall'altra;
• sottolivello Path: si occupa degli aspetti end to end della comunicazione.

2.3.5) Commutazione

Il sistema telefonico è commutato, cioè le linee in ingresso alla centrale telefonica vengono commutate, ossia vengono connesse di volta in volta a differenti linee in uscita sulla base delle richieste di connessione degli utenti.

Ci sono due tipi principali di commutazione:

• Commutazione di circuito (circuit switching): Quando si effettua una telefonata, il sistema stabilisce una connessione fisica dedicata fra il chiamante ed il chiamato. Il traffico quindi fluisce su questa connessione. Naturalmente, la connessione in realtà è costituita in vari modi, prima sul local loop e poi come successione di canali a 64K ricavati all'interno di flussi T1, o T3, o STS-M. In questo caso c'è un certo tempo che passa per il connection setup (anche alcuni secondi), dopo di che il segnale viaggia senza ulteriori ritardi. E' difficile che si presentino situazioni di congestione.
• Commutazione di pacchetto (packet switching): Non si stabilisce alcuna connessione fisica fra sorgente e destinazione. I dati da inviare sono spezzettati in pacchetti, che vengono inviati indipendentemente gli uni dagli altri, possono percorrere strade diverse e vengono riordinati solo a destinazione. Fra i vantaggi: non si riserva banda in anticipo (che verrebbe poi sprecata in assenza di traffico) e non c'è il ritardo per il connection setup. Uno svantaggio risiede nel fatto che la congestione può insorgere in ogni momento.

Attualmente i sistemi telefonici, ottimizzati per la fonia, sono circuit-switched. Viceversa, le reti di elaborazione sono comunemente packet-switched, pur offrendo in generale anche servizi di tipo connesso.

2.3.6) Dispositivi di commutazione

Il tipo più semplice è il crossbar, dotato di n ingressi, n uscite ed n² punti di incrocio, realizzati ciascuno con un dispositivo a semiconduttori detto switch che ha due ingressi i₁ ed i₂ e due uscite u₁ ed u₂. Il dispositivo può avere due stati:

• i₁ è connesso a u₁ e i₂ è connesso a u₂;
• i₁ è connesso a u₂ e i₂ è connesso a u₁.

Un singolo switch commuta in pochi microsecondi e stabilisce una connessione elettrica diretta fra un ingresso ed una uscita. A seconda di come vengono pilotati gli switch, un crossbar è in grado di instradare contemporaneamente ogni linea in ingresso su una opportuna linea in uscita.

Uno svantaggio è che ci vogliono n² switch, ossia un numero considerevole. Per superare questo problema sono stati introdotti gli switch multilivello (multistage switch), basati sul principio di utilizzare molti crossbar di piccole dimensioni (ad es. 2 * 2), organizzati in gruppi su più livelli successivi. Una possibilità è la rete di Banyan .

Tali dispositivi richiedono un numero minore di switch (O(nlg₂n) nel caso della rete Banyan), ma purtroppo presentano lo svantaggio di essere esposti a conflitti nell'instradamento delle informazioni. Tali conflitti richiedono meccanismi di buffering, che aumentano il costo del dispositivo.

2.3.7) Servizi per trasmissione dati

Per varie ragioni, fra cui gli elevati costi di cablaggio e l'esistenza di leggi nazionali che regolamentano il settore delle telecomunicazioni, è attualmente impossibile per una organizzazione realizzare una rete geografica provvedendo in proprio alla stesura materiale dei cavi, ove questi debbano passare su suolo pubblico. Ci si deve invece rivolgere ad una società telefonica (in futuro anche ad altri, quali ad esempio Cable TV) per la realizzazione della subnet di comunicazione.

Esistono in proposito diverse possibilità, fra le quali:

• affitto di linee dedicate: si possono stipulare contratti per l'affitto di linee telefoniche dedicate (cioè perennemente attive e di esclusivo uso del cliente) che poi costituiscono i collegamenti fra i nodi della subnet. Tali linee possono avere velocità varie (tipicamente comprese fra 2.400 bps e 2 Mbps). L'azienda telefonica implementa tali linee riservando al cliente un circuito permanente di opportuna velocità, e (se necessario) stendendo cavi di alta qualità dalle centrali più vicine alle sedi utente, per superare i limiti già visti che affliggono il local loop. Questa soluzione è molto costosa: una linea a 2 Mbps costa diverse decine di milioni l'anno. L'utente, ricevute le linee dedicate, configura la rete geografica utilizzando l'architettura e le attrezzature di rete di suo gradimento.
• affitto di servizi trasmissione dati: una possibilità economicamente più vantaggiosa è quella di ricorrere ai servizi di trasmissione dati offerti (ormai da vari anni) da tutte le società telefoniche. L'idea è di realizzare le connessioni fra i nodi della propria subnet non più attraverso il ricorso a linee dedicate, ma "simulandole" attraverso l'affitto di tali servizi di trasmissione dati. I più importanti, per i quali esistono degli standard, sono:
  • Frame Relay;
  • ISDN (Integrated Services Digital Network);
  • SMDS (Switched Multimegabit Data Service);
  • ATM (Asynchronous Transfer Mode).