III. SERVIZI DI RETE E MODI DI TRASFERIMENTO

1. III. SERVIZI DI RETE E MODI DI TRASFERIMENTO Aldo Roveri, “Retematica” Univ. di Roma “La Sapienza” - a.a. 2008-2009 111

2. CONTENUTI • III.1: Obiettivi prestazionali • III.2: Componenti di un modo di trasferimento • III.3: Ritardi nel trasferimento a pacchetto • III.4: Interconnessione di sotto-reti

3. III. SERVIZI DI RETE E MODI DI TRASFERIMENTO III.1: Obiettivi prestazionali

4. Concetti generali • Le caratteristiche e le prestazioni di un servizio di rete debbono essere adattate a quelle richieste nella fornitura del servizioapplicativo, che fruisce di quanto messo a disposizione dal servizio di rete. • La base per la fornitura di un servizio di rete è un modo di trasferimento, e cioè la modalità operativa per trasferire informazione, attraverso la rete logica, a partire da una sorgente (origine della comunicazione) per pervenire a un destinatario.

5. Sorgenti informative (1/4) • Una sorgente informativa, a seconda della sua natura, può emettere un segnale che può essere in forma • analogica (è il caso della voce); • numerica (è il caso dei dati). • Nel seguito, in aderenza con le modalità oggi prevalentemente adottate (per ragioni tecnico-economiche), si supporrà che le emissioni in forma analogica siano sottoposte a una conversione analogico/numerica prima di procedere a una operazione di trasferimento.

6. Sorgenti informative (2/4) • Conseguentemente, ipotesi costante sarà che le sorgenti informative emettano (direttamente o indirettamente) in forma numerica. • Se l’utilizzazione dell’informazione trasferita deve essere in forma analogica, a destinazione occorre procedere ad una conversione numerica/analogica.

7. Sorgenti informative (3/4) • Il flusso informativo emesso da una sorgente (direttamente o indirettamente) è caratterizzabile con il suo ritmo binario di piccoRp, e cioè con il numero massimo di cifre binarie che sono emesse nell’unità di tempo. • Questo ritmo può essere • costante, come avviene nel caso di sorgenti CBR (Constant Bit Rate); • variabile, come avviene nel caso di sorgenti VBR (Variable Bit Rate).

8. Sorgenti informative (4/4) • Nelle sorgenti VBR il ritmo binario emesso assume valori, che sono caratterizzabili solo in termini statistici. • Una loro caratterizzazione completa richiederebbe quindi la determinazione dei momenti di qualunque ordine del ritmo emesso; • normalmente, per ovvii motivi di semplificazione, si preferisce limitare la caratterizzazione alla precisazione del • ritmo binario medioRm (momento del 1° ordine); • grado di intermittenzaB, definito da

9. Flussi informativi (1/4) • Nel trasferimento l’informazione è organizzata sotto forma di stringhe di cifre binarie. • Queste stringhe possono essere sostanzialmente di due tipi, a seconda della loro appartenenza a: • un flusso intermittente, che è organizzato a messaggi (message type); • un flusso continuo (senza soluzione di continuità), che si presenta sotto forma di un getto ininterrotto (stream type) di cifre binarie.

10. Flussi informativi (2/4) • Circa l’organizzazione del flusso informativo emesso da una sorgente, ogni stringa di cifre binarie (sequenza di cifre binarie consecutive) che lo compongono può essere trasferita, in alternativa, • senza alcuna informazione aggiuntiva; • con informazione aggiuntiva.

11. Flussi informativi (3/4) • Nel secondo caso (presenza di informazione aggiun- tiva), il trasferimento opera su unità informative (UI), che comprendono un testo e una intestazione, come in Figura 1: • il testo è il contenitore (parziale o totale) della stringa da trasferire; • l’intestazione è sede delle informazioni protocollari da associare alla stringa e, in particolare, delle informazioni di indirizzo a cui la stringa deve essere recapitata.

12. UI Testo Intestazione Flussi informativi (4/4) Figura 1

13. Caratterizzazione di un elemento di rete • Facciamo riferimento ad un elemento di rete, che è preposto a trasferire un flusso di cifre binarie. • Per caratterizzare la domanda di utilizzazione di questo elemento e la relativa risposta, si possono definire: • un carico medio (mean load); • una capacità di trasferimento (transfer capacity); • una portata media (throughput); • un rendimento di utilizzazione. • Dato che l’utilizzazione dell’elemento comporta ritardi di trasferimento, definiamo anche questi ritardi e precisiamo quali sono le loro componenti.

14. Carico medio • Il carico mediog di un elemento di rete è il numero medio (a lungo termine) di cifre binarie (bit) che l’elemento dovrebbe trasferire nell’unità di tempo per soddisfare la domanda di utilizzazione.

15. Capacità di trasferimento • Alla domanda rappresentata dal carico l’elemento di rete risponde entro quanto consentito dalla sua capacità di trasferimento C. • Tale capacità è il numero massimo di cifre binarie che l’elemento di rete è in grado di trasferire nell’unità di tempo: • riguarda esclusivamente la potenzialità dell’elemento a svolgere i compiti che gli sono propri; • è quindi il “dato di targa” che qualifica la risorsa.

16. Portata media • La risposta di un elemento di rete al carico che lo interessa a seguito delle richieste di utilizzazione che gli sono presentate è costituita dalla portata media. • La portata medias di un elemento di reteè il numero medio (a lungo termine) di cifre binariechel’elemento trasferisce nell’unità di tempo. • E’ ovviamente non superiore alla capacità s ≤ C.

17. Rendimento di utilizzazione (1/2) • Il rendimento di utilizzazioneU di un elemento di rete è definito dal rapporto tra la portata media e la capacità di trasferimento dell’elemento U s / C. • Esprime quindi la quota parte media del tempo in cui l’elemento è utilizzato in base alla domanda esistente.

18. Rendimento di utilizzazione (2/2) • Il rendimento di utilizzazione U è quindi una qualificazione della “efficienza” di utilizzazione dell’elemento di rete. • L’obiettivo prestazionale è assicurare, per ogni elemento e, ove possibile, un elevato rendimento di utilizzazione. • Ciò corrisponde all’esigenza economica di • limitare la quantità o la qualità delle risorse da rendere disponibili; • affrontare quindi un costo adeguato al beneficio ottenibile.

19. Ritardo di trasferimento (1/4) • Il ritardo di trasferimento di un flusso informativo attraverso un elemento di rete può essere definito distinguendo tra flussi intermittenti e flussi continui. • In un flusso intermittente, tale ritardo è riferito ad un messaggio che compone il flusso ed è l’intervallo di tempo che intercorre tra l’emissione del primo bit del messaggio da parte dell’origine dell’elemento di rete e la ricezione dell’ultimo bit del messaggio da parte della destinazione; tale definizione è illustrata in Figura 2.

20. conclusione della ricezione Messaggio emissione all’origine TEMPI Messaggio ricezione a destinazione Ritardo di trasferimento Figura 2 Ritardo di trasferimento (2/4) inizio dell’emissione

21. Ritardo di trasferimento (3/4) • Nel caso di flusso continuo, il ritardo di trasferimento è invece riferito a ogni cifra binaria entrante nell’elemento di rete ed è l’intervallo di tempo che intercorre tra l’istante in cui un dato bit entra nell’elemento di rete e l’istante in cui lo stesso bit ne esce.

22. Ritardo di trasferimento (4/4) • Concorrono in generale al suo valore le seguenti quattro componenti additive: • il ritardo di propagazione; • il ritardo di trasmissione; • il ritardo di elaborazione; • il ritardo di accodamento. • Alcune di queste componenti possono mancare o essere trascurabili. • I ritardi di propagazione e di trasmissione dipendono dalle caratteristiche del mezzo di trasferimento utilizzato nell’elemento di rete.

23. Ritardo di propagazione • E’ l’intervallo di tempo Δ che intercorre tra l’emissione di un bit all’origine e la sua ricezione a destinazione. • Dipende unicamente • dalla velocità di propagazionevp delle perturbazioni elettromagnetiche sul mezzo di trasferimento; • dalla distanza d tra l’origine e la destinazione su questo mezzo • Ad esempio su un mezzo a propagazione guidata il ritardo di propagazione è di circa 4 s/km, mentre nel caso di propagazione libera tale ritardo è uguale a 3,3 s/km.

24. Ritardo di trasmissione (1/3) • È riferito a una emissione, sia intermittente che continua, e riguarda una stringa di cifre binarie, ad es. una UI, emessa da un trasmettitore ad una estremità di un elemento di rete. • Nel caso in cui il riferimento sia ad una UI, il ritardo di trasmissione è l’intervallo di tempo Tt tra la trasmissione del primo bit della UI e la trasmissione dell’ultimo bit da parte di un unità emittente ad una estremità dell’elemento di rete; la definizione è illustrata in Figura 3.

25. Ritardo di trasmissione (2/3) inizio dell’emissione conclusione della emissione UI tempo ritardo di trasmissione Figura 3

26. Ritardo di trasmissione (3/3) • Tale ritardo Tt dipende da • la lunghezza F (ad es. in bit) della UI; • la capacità di trasferimentoC (ad es. in bit/s) del mezzo all’uscita del trasmettitore ed è espresso da

27. Ritardo di elaborazione • Con riferimento al trattamento di una stringa di cifre binarie (ad es. di una UI), il ritardo di elaborazione è l’intervallo di tempo necessario affinché una unità di elaborazione effettui un’azione richiesta sulla stringa quando questa attraversa un dispositivo di rete contenente questa unità di elaborazione.

28. Ritardo di accodamento • E’ l’intervallo di tempo in cui una stringa di cifre binarie (ad es. una UI) aspetta in un buffer (coda) prima di ricevere un certo tipo di servizio, come ad es. un trattamento protocollare o una trasmissione su una risorsa di trasferimento.

29. Carattere aleatorio dei ritardi • Con l’esclusione del ritardo di propagazione, il ritardo di trasferimento e quelli di trasmissione, di elaborazione e di accodamento hanno tipicamente carattere aleatorio. • Dovranno quindi essere caratterizzati attraverso i momenti (ad es. il valore atteso, la varianza, ecc.) delle relative distribuzioni di probabilità.

30. Trasferimento di un flusso informativo (1/6) • Si desidera caratterizzare il trasferimento di un flusso informativo attraverso un elemento di rete; il flusso • è l’ingresso di una unità emittente (emettitore), collocata a una estremità dell’elemento di rete; • è diretto a una unità ricevente (ricevitore), collocata a un’altra estremità dell’elemento di rete.

31. Trasferimento di un flusso informativo (2/6) • Supponiamo che • il flusso sia sezionato in stringhe utilizzate come testo di UI; • l’emettitore operi a pieno carico e cioè emetta UI senza soluzione di continuità.

32. Trasferimento di un flusso informativo (3/6) • Denotiamo con • L la lunghezza (in bit) del testo di una UI, supposta costante; • H la lunghezza (in bit) dell’intestazione di una UI, supposta anch’essa costante. • Conseguentemente, la lunghezza costante F di una UI è data da in cui β = H /L è la quota di extra-informazione (e cioè la quota di informazione aggiuntiva che è necessaria per un trasfe-rimento tramite UI)

33. Trasferimento di un flusso informativo (4/6) • Sia inoltre • T la durata di impegno dell’emettitore per trasferire una UI. • Le durate T sono quantità che • assumono valori non inferiori al ritardo di trasmissione Tt = F/C di una UI; la differenza T - Tt>0 è l’effetto di possibili vincoli protocollari; • sono descrivibili solo in termini statistici a seguito di possibili riemissioni (per un eventuale recupero di errore) aventi natura aleatoria.

34. Trasferimento di un flusso informativo (5/6) • Se • Λs è la portata binaria netta dell’emettitore, e cioè il numero medio di bit utili (ovvero di bit appartenenti al testo delle UI) che sono emessi nell’unità di tempo; • E[T] è il valore atteso della durata T, per definizione si ha

35. Trasferimento di un flusso informativo (6/6) • Conseguentemente, se • C è la capacità del mezzo di trasferimento, il rendimento di utilizzazioneU dell’elemento di rete, sempre per definizione, è dato da

36. Prestazioni di un servizio di rete • Le prestazioni più significative di un servizio di rete riguardano: • la flessibilità di accesso; • l’integrità informativa; • la trasparenza temporale.

37. Flessibilità di accesso • Rende conto dell’adattabilità del servizio di rete • nel trattare flussi informativi aventi origine da sorgenti con caratteristiche di emissione (ritmo binario medio e grado di intermittenza) fra loro anche molto diverse; • nell’assicurare, in modo indipendente da dette caratte- ristiche, un accettabile rendimento di utilizzazione delle risorse condivise. • Il grado di flessibilità di accesso misura l’intervallo di variazione (dinamica) dei ritmi binari trattabili dal servizio di rete ed è di valore tanto più elevato quanto più largo è tale intervallo.

38. Integrità informativa • Rende conto delle diversità che si possono manifestare in modo aleatorio (per cause di natura fisica o logica) tra l’informazione emessa e quella ricevuta. • Il grado di integrità informativa è misurabile dalla distanza tra le due sequenze di emissione e di ricezione ed è tanto più elevato quanto minore è tale distanza.

39. Trasparenza temporale (1/2) • Come considerato in Figura 4, riguarda i ritardi che differenti segmenti della sequenza di ricezione possono presentare rispetto ai corrispondenti segmenti della sequenza di emissione. • Il grado di trasparenza temporale può essere valutato quantitativamente con un parametro che qualifichi la variabilità dei ritardi e che sia di valore tanto più elevato quanto minore è tale variabilità.

40. T T T T T T 1 2 3 Tempo Trasparenza temporale (2/2) Figura 4

41. III. SERVIZI DI RETE E MODI DI TRASFERIMENTO III.2: Componenti di un modo di trasferimento

42. Componenti di un modo di trasferimento (1/4) • Le componenti di un servizio di rete e del modo di trasferimento ad esso associato sono: • la multiplazione; • la commutazione; • l’architettura protocollare.

43. Componenti di un modo di trasferimento (2/4) • Lo schema di multiplazione identifica le modalità logiche adottate per utilizzare la capacità di trasferimento dei rami della rete, sia nella rete di accesso che in quella di trasporto, e cioè i modi in cui la banda disponibile di questi rami viene condivisa logicamente dai flussi informativi che li attraversano.

44. Componenti di un modo di trasferimento (3/4) • Il principio di commutazione riguarda i concetti generali sui quali è basato il funzionamento logico dei nodi di rete, e cioè i modi secondo cui l'informazione è trattata in un nodo per essere guidata verso la destinazione desiderata. • In particolare questo principio descrive le modalità logiche adottate per attraversare i nodi e per utilizzarne la relativa capacità di elaborazione.

45. Componenti di un modo di trasferimento (4/4) • Infine, l'architettura protocollare definisce la stratificazione delle funzioni di trasferimento, sia nell'ambito degli apparecchi terminali che in quello delle apparecchiature di rete (nodi di accesso o di transito). • In particolare questa architettura individua le funzioni che ogni nodo deve svolgere sull'informazione in esso entrante e da esso uscente. • Si tratta quindi dell'organizzazione delle funzioni che sono espletate, nelle reti di accesso e di trasporto, per assicurare il trasferimento entro fissati obiettivi prestazionali.

46. Multiplatore a divisione di tempo (1/4) • In un multiplatore TDM (Time Division Multiplexer) • la funzione di multiplazione è svolta nel dominio del tempo; • l’ asse dei tempi secondo cui opera l’apparato può essere • strutturato in trame e queste suddivise in intervalli temporali (modalità SF); • suddiviso in intervalli temporali (modalità S); • non strutturato e non suddiviso (modalità U).

47. Multiplatore a divisione di tempo (2/4) • Con la modalità SF si può attuare una multiplazione statica, nella quale a ogni comunicazione da multiplare è assegnato, • all’atto della sua inizializzazione, • per tutta la sua durata, • In modo indiviso, un canale fisico ottenuto da una suddivisione della capacità del canale multiplato.

48. Multiplatore a divisione di tempo (3/4) • Con tutte e tre le modalità SF, S e U è attuabile una multiplazionedinamica, nella quale ogni comuni-cazione da multiplare può utilizzare l’intera capacità del canale multiplato, ma in intervalli temporali distinti da quelli utilizzati da altre comunicazioni; • l’utilizzazione dell’intero canale multiplato avviene quindi • in modo condiviso; • in accordo alle necessità di trasferimento; • nel rispetto di opportune regole di controllo.

49. Multiplatore a divisione di tempo (4/4) • Nel caso di multiplazione statica, ogni flusso multiplato non richiede informazione aggiuntiva. • Nel caso di multiplazione dinamica, ogni flusso è segmentato in unità informative, nelle quali il testo è la parte utile, mentre l’intestazione è extra-informazione.

50. Multiplazione statica (1/2) • In un multiplatore statico (operante come gia detto nella modalità SF) indichiamo con • Tf la durata di una singola trama, detta di base; • Ls la lunghezza di un generico intervallo temporale (IT) e cioè il numero di bit in questo contenuti. • Il rapporto Ls/Tf definisce un canale fisico, detto di base, ottenuto assegnando a una comunicazione da multiplare un IT utilizzato a periodicità di trama-base.