Fondamenti di Reti di Telecomunicazioni - Intranet DEIBhome.deib.polimi.it/maier/Intro_corso.pdf · Fondamenti di Reti di Telecomunicazioni Anno Accademico 2008, ’09 Guido Maier

1Introduzione alle reti di telecomunicazioni

Fondamenti di

Reti di Telecomunicazioni

Anno Accademico 2008, ’09

Guido Maier

Introduzione


“Orientamento” e motivazioni


Ingegneria dell’InformazioneSettori dell’Ingegneria

EnergiaTrasportiInfrastruttureInformazione

Ingegneria dell’InformazioneMicroelettronicaAutomazioneInformaticaTelecomunicazioni

ProdottiElettronica di ConsumoRobot industrialiCalcolatori e SoftwareReti e Terminali di Comunicazione

ServiziServizi InformaticiServizi di Telecomunicazioni

Processidi Produzione Industrialedi Gestione delle Informazioni, delleReti e dei Servizi

Servizi di TelecomunicazioniTelefoniaTelevisioneComunicazioni tra CalcolatoriComunicazioni Multimediali

Reti di TelecomunicazioniReti in Cavo (rame e fibre ottiche)Reti Radio (fisse e mobili)Reti via Satellite


Cosa è una Rete di Telecomunicazioni?

Una “RETE” è …

… un insieme di apparati, sistemi di comunicazione e regole (o protocolli) …

… che consentono di trasferire dati tra macchine …

… per trasportare informazione …

… per consentire a persone lontane di comunicare o di accedere ai servizi.

Terminali

Rete

Centro Servizi

Servizi diffusivi ed interattivi


Telecomunicazioni

Un po’ di economia: Catena del Valore

Produttoridi Contenuti

TV

Moovies

Goods

News

Centro Servizi

‘Confezionatori’

Informazione in formatoelettronico digitale

Rete

Terminale

Pubblicità

Casadell’Utente

DistributoriReti di

Distribuzione

UtilizzatoriInformation Technology (IT)

Information and Communication Technology (ICT)


Perchè Reti di Telecomunicazione per gli ingegneri informatici?

Fonte: AITech - Assinform / NetConsulting

Il mercato italiano dell’Information and Communication Technology (ICT) (2005-2007)Telecom è nettamente preponderante

Valo

ri in

Mili

oni d

i Eur

o e

in %

19.496

43.115

19.804

44.040

20.190

44.200

2005 2006 2007

IT TLC

64.39062.611

0.4%

+2.0%

+0.9%63.844

+2.1%

+1.6%

+2.0%


Infrastruttura: rete fissa o mobile?


Il mercato italiano per segmento fisso / mobile (2005-2007)Il mobile è sempre più “cash-cow”

Valo

ri in

Mili

oni d

i Eur

o e

in %

20.490

22.625

20.398

23.642

20.130

24.070

2005 2006 2007

TLC fisse TLC Mobili

44.04043.115

-0.4%

+4.5%

+2.1% 44.200

-1.3%

+1.8%

+0.4%


Che tipo di servizio TLC si vende meglio?

Il mercato italiano dei servizi di TLC (2005-2007)La telefonia è ancora preponderante


* Value-Added Services:tutto ciò che non è voce nè dati (es. transazioni commerciali, video on demand)

*

Val

ori i

n m

ilion

i di E

uro

-Var

iazi

oni %

2.745

2.390

1.380

9.950

2.920

2.570

1.330

9.490

3.030

2.780

1.250

9.010

2005 2006 2007

VAS Internet Trasmissione Dati Fonia rete fissa

Rete fissaRete mobile

13.860

3.310

13.930

4.110

13.665

4.845

2005 2006 2007

Fonia Mobile VAS Mobili

18.04017.170

+24.2%

+0.5%

+5.1% 18.510

+17.9%

-1.9%

+2.6%

*


Come si compone la rete?

Il mercato italiano delle TLC – Apparati vs Servizi (2004-2006)Il “software” è più importante dell’hardware


9.010

32.850

9.480

33.635

9.690

34.350

2004 2005 2006

Apparati Servizi

44.04043.115

+2.2%

+2.1%

+2.1%41.860

+5,2%

+2,4%

+3,0%V

alor

i in

Mili

oni d

i Eur

o -V

aria

zion

i %


In Italia come siamo messi?

Spesa ICT su PIL nei principali Paesi (2005-2007)Spendiamo poco rispetto agli altri


3,5%

3,0%

2,9%

2,8%

2,7%

2,9%

3,1%

2,3%

3,3%

2,1%

1,7%

3,1%

1,4%

3,2%

UK Germania Europa(15)

Francia USA Italia Spagna

TLC

IT

6.5%5.7% 5.6% 5.4% 5.4%

4.8%4.6%

Valori in % sul PILFo

nte:

Eur

osta

t


Diffusione delle TLC (come siamo messi #2)

Accesso a Internet delle famiglie italiane (2005-2007)A metà strada tra Olanda e Romania (ma tra gli ultimi dell’Europa a 12!)

Font

e: A

ITec

h-A

ssin

form

/ N

etC

onsu

lting

80,8%85,5%

43,9%47,8%

34,5%38,8%

11,6%

22,6%

Telefonocellulare

PC Accesso aInternet

Accesso aBandaLarga

2005 2007

19%22%

25%35%38%39%40%

41%43%44%45%46%

49%51%

56%57%58%60%

60%67%69%

71%75%

78%79%

83%OlandaSvezia

DanimarcaLussemburgo

GermaniaFinlandia

Regno UnitoBelgio

AustriaSlovenia

IrlandaEstonia

LettoniaFrancia

SlovacchiaSpagna

LituaniaItalia

PoloniaPortogallo

CiproUngheria

Repubblica CecaGrecia

RomaniaBulgaria

Media Europaa 27: 54%

Percentuale di famiglie con accesso Internet da casa (2007)% su popolazione


Diffusione delle TLC (siamo messi un po’ male #3)

La nostra missione: contribuire a ridurre il “digital divide”

40%36%

26%

56%

44%

29%

22%

8%12%

6% 9% 8% 8% 8%

Popolazione con nessuna capacitàdi utilizzo di Internet

Popolazione con elevata capacitàdi utilizzo di Internet

Fonte: Commissione Europea - i2010 - Annual Information Society Report 2008

Euro

pa (2

7)

Fran

cia

Ger

man

ia

Italia

Spag

na UK

Svez

ia

Euro

pa (2

7)

Fran

cia

Ger

man

ia

Italia

Spag

na UK

Svez

ia


Un po’ di basi e un po’ di storia



Rete di “backbone” o geografica o a lunga distanza

Nodi

Rami



LAN

client

servershared resource:printer

router

collegamenticon l’esterno

Reti locali



Nodo/Terminale A

Nodo/Terminale B

Mezzo trasmissivo:• Rame: cavo con doppini

cavo coassiale• Fibra Ottica• Collegamento Radio

Canale di Comunicazione

Codificatore/Modulatore

Decodificatore/Demodulatore

RUMORE

Sistema trasmissivo punto-punto


1890

1970

1950

Rete Telefonica

PC ServerRete di CalcolatoriClient

TV TrasmettitoreSet-Top-BoxRete Televisiva

Internet

Sottoreti

LAN LANWAN

WS

PC

Gateway RouterRouter WS

RWAN R

LAN

Server

cavo

software TCP/IP

Evoluzione di rete


Claude Elwood Shannon1916-2001

•‘A Symbolic Analysis of Relay and Switching Circuits’

Massachusetts Institute of Technology, Ph.D. Thesis, 1940

•‘A Mathematical Theory of Communication’

Bell System Technical Journal, Vol.27, 1948, pp. 379-423; 623-656

•‘Communication Theory of Secrecy Systems’

Bell System Technical Journal, Vol.28, 1949, pp. 656-715

•‘Memory Requirements in a Telephone Exchange’

Bell System Technical Journal, Vol.29, 1950, pp. 343-349

Il Padre dell’Ingegneria dell’Informazione


Storia del computer e di Internet

Primo computer a programma registrato: 1949

ARPANET 56 kbit/s: 1970

TCP/IP: 1972

Personal Computer: 1981

Local Area Network: 1982

World-Wide Web: 1989

Java: 1995

XML: 1997


L’evoluzione delle reti


Moore’s Law


Generalized Moore’s Law

Most Important Information Technology Growth Parameters double every 2 – 3 Years

Number of Transistors in a ChipComputation CyclesMemory Size, Magnetic/Optical DisksDevices Feature SizeBackbone Bandwidth,.......

The Power of Exponential Growth!


Internet Domain Survey Host CountJanuary 2008, ISC

January 2008 January 2008 -- Total Host Count Total Host Count 541,677,360541,677,360


1 MB10 MB

100 MB1 GB

10 GB100 GB

1 TB10 TB

100 TB1 PB

10 PB100 PB

1EB10 EB

100 EB

1970 1980 1990 2000 2010

Total U.S. Internet Traffic Over Time

Historical and forecasted U.S. Internet Traffic

New MeasurementsFuture GrowthProjected at

2–3/year

ARPA & NSF Data to ’95

TDM Voice Traffic

Byte

s pe

r M

onth

April 2002 Internet Traffic now 80% of all traffic and

10% of Revenue

Source: Larry Roberts – May 2002

Double, or more,every year


Source: Larry Roberts – May 2002

0

20,000

40,000

60,000

80,000

100,000

120,000

140,000

160,000

180,000

200,000

2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012

$M/y

r

IP Revenue

IP and Voice U.S. Backbone Revenue

TDM Voice Revenue

IP revenue per bit is decreasing at 2:1 per yearThis means IP revenue is increasing at 50% / year

Of Total Voice & IP

IP Revenue is 12%

IP traffic is 91%


Technology Penetration Waves


Indoor/Outdoor Coverage: WiFi plus WiMAX

Public Hot-Spots

Corporate Hot-Spots

ResidentialHot-Spots

The InternetThe Internet

Nomadic Hot-Spots

WLL or WiMAXWLL or WiMAX

WiMAXWiMAX

WiFiWiFi

Personal Hot-Spot


Evolving Wireless Communications

Source: M. DSource: M. Dèècina, 2004cina, 2004

MobileFiMobileFi802.20802.20

UMTSUMTS

10 kbit/s10 kbit/s 100 kbit/s100 kbit/s 1 Mbit/s1 Mbit/s 10 Mbit/s10 Mbit/s 100 Mbit/s100 Mbit/s

UltraWideBandUltraWideBand802.15.3802.15.3BluetoothBluetooth

802.15.1802.15.1

1 Gbit/s1 Gbit/s

ZigBeeZigBee802.15.4802.15.4

EDGEEDGEGPRSGPRSGSMGSM

1 kbit/s1 kbit/s

CABLECABLEREPLACEMENTREPLACEMENT

HOME, OFFICEHOME, OFFICE

PUBLIC ACCESSPUBLIC ACCESS

CITY,CITY,SUBURBSSUBURBS

COUNTRY,COUNTRY,REGIONREGION

WIDEWIDE

Rang

eRa

nge

Bit RateBit Rate

EDEDED HSDPAHSDPA

PANPAN

WLANWLAN

WMANWMAN

WANWAN

WiWi--FiFi802.11b802.11b 802.11a/g/n802.11a/g/n

WiMAXWiMAX802.16a/e802.16a/e

LIMITED

LIMITED

FULL

FULL

Mobility

Mobility


Broadband Access Gap

WANMetroCore

MetroEdge

Bandwidth10/100/1000

10G/40G

E1 Lines

LAN

ADSLADSL2

ADSL2+FTTx

2-4 Mb/s4-8 Mb/s25 Mb/s

x00 Mb/s

ExistingCopper

Fibre Optics


Fiber To The ‘X’

Splitter

Splitter

OLTSplitter

Centraloffice withlink to the backbone

Customerpremises

FTTCab

FTTEx

ONU

Backbone

ONU

FTTB

FTTH

ONU

xDSL

VDSL

VDSL


Il nuovo fenomeno della “larga banda”

Fibra ottica: questa sconosciuta

Gli accessi a Banda Larga in Italia (2005-2007)

E’ prevedibile che questo scenario sia destinato a cambiare radicalmente


Val

ori i

n m

iglia

ia d

i acc

essi

-V

aria

zion

i %

6.480

300

8.200

324

9.778

342

2005 2006 2007

xDSL Fibra ottica

6.7808.524

26.5%

8.0%

+25.7%10.120

19.2%

5.6%

+18.7%


Gigabit Ethernet

Ring

RouterIP

PoP

SwitchEthernet

Gigabit Ethernet• Dual Optical Fibre• 1 Gbit/s & 10 Gbit/s

Business

cabinet

Ethernet 10 Mbit/s(VDSL)

Long Reach Ethernet

Residence

Ethernet10/100 Mbit/sover UTP5 or Eth 10 Mbit/sover (VDSL)

PBX

Copper pair

Ethernet over Fiber, Copper & Air

Wi-Fi

Wi-FiWireless Ethernet11/54 Mbit/s

WLAN 802.11a, b, g•2.4 GHz, ISM Band•5 GHz, NII Band

Wi-Fi


The success of EthernetWhy Ethernet end-to-end?

Ethernet is the Interface of Choice for customersPlug-and-play feature, low cost, mass production, continuous Mbit/s capacity increase (10 100 1000 10000 …)Universal acceptance, ubiquitous world standard, strong support from standardization bodies and industry fora

No more plug adapters!

The Internet


VoIP & Peer-to-Peer VoIP

xDSLFTTH

FTTH

xDSL

Internet

PSTN

P2PGWSIP based VoIP

Client-Server

Need of centralized servers for user registrationand call handling

Peer-to-Peer Overlay Network

No centralized servers

xDSLFTTH

HAG

Internet

VoipSP

SIPServer

PSTNMediaGW

xDSL

Telco VoIP Model

P2P VoIP Model


Skype - Networking Architecture

Supernodes-Have public IP address-Offer storage, processing& bandwidth

-Each Serves 100s Peer Nodes-Route encrypted calls-Nat private IP addresses-Exploit p2p protocol

Peer

Peer Peer Peer

Peer

Peer

Peer

Peer PeerPeer

Peer

SuperNode

SuperNode

SuperNode

SuperNode

LoginServer

PSTNGW

PSTN


New services and new features Residential-user new applications

P2P files sharing

IPTv

Video Sharing

Youtube™ is the most popular video portal that creates 10% of total Internet traffic and 20% of HTTP traffic. Others video portals are dailymotion.com™ and metacafe.com™


New services and new features Web v.2.0 concept

Web 1.0Static html pageSeparated Content managementIsolated information

Web 2.0: a new paradigm where Internet is a service platform allowing a high interaction level with users who are also content providers

Blog, forum, chat, e-commerce, reputation feedbacksWikipedia, Youtube, Facebook, Myspace, Gmail

The mind-map pictured above (constructed by Markus Angermeier on November 11, 2005) sums up some of the themes of Web 2.0


Examples of Applications

IPTV

Delivery of VoD and interactive IP-based services (e.g. video sharing)

A triple-play application Already offered by major service providersGreat expectations on the growth in the number of subscribersCustomers’ expectations for instant, always-on and personalized service

S. Vanhastel, R. Hernandez, “Enabling IPTV: whatt’s needed in the access network, IEEE Communications Magazine, Aug. 2008, Vol. 46, N. 8


How Much Information Is Out There?

World Information Content

More than 15 Billion Web Pages by end of 2002

Annual Growth ∼100%

World information content storaged in analog and digital forms, estimated by end of Year 2002, in the order of several Exabytes (15-100?)

Paper – Film –Optical – Magnetic Storage

Up 2 Exabytes were produced in Year 1999, and 2.8 Exabytes are estimated for Year 2000

About 5 Exabytes were produced in Year2002.

Annual Growth ∼ 30%

Internet Today

Yotta

Zetta

Exa

Peta

Tera

Giga

Mega

Kilo

Bytes

Source: Sims University of California at Berkeley, November2003

A Book

A Movie

All Books(Words)

All BooksMultiMedia

A Photo


L’ABC delle reti


Un modello semplice x due concetti fondamentali

Sorgente di dati(pacchetti di byte)

Destinazione

Mezzo trasmissivo:• Rame: cavo con doppini

cavo coassiale• Fibra Ottica• Collegamento Radio

Sistema di trasmissione

La più semplice rete: il collegamento punto-punto

Trasmettitore(interfaccia di linea)



Trasmissione

Propagazione

Ricezione

Ovviamente avvengono nel reale senza soluzione di continuità



Riferimento

Distanza minore

Trasmettitore più veloce

Pacchetto più breve

Ritardo totale


Primo “triangolo magico”

cx = Velocità di propagazione dei segnalielettromagnetici

Propagazione libera (onde radio, vuoto, aria): co ≅ 300000 km/sPropagazione guidata (cavi in rame, fibra ottica, guide d’onda): cg ≅ 200000 km/s

d = distanza percorsa [km]

τ = ritardo di propagazione [s]

τdcx =

xcd

=τxcd ⋅=τ

10-4

10-2

100

102

104

106

108

10-10 10-8 10-6 10-4 10-2 100 102

Propagazione dei segnali elettromagnetici

vuoto

guida

Dis

tanz

ape

rcor

sa(k

m)

Ritardo di propagazione (s)

10-4

10-2

100

102

104

106

108

10-10 10-8 10-6 10-4 10-2 100 102


10-4

10-2

100

102

104

106

108

10-10 10-8 10-6 10-4 10-2 100 102


vuoto

guida

Dis

tanz

ape

rcor

sa(k

m)

Ritardo di propagazione (s)

ns μs

ms s

min1 km

1 m

stanzaaccanto

LAN

centro città

Milano - Torinolunghezza Italia

cavo transatlantico

collegamento satellite geostaz.distanza Terra-Luna

circonf.EquatoreTerra

distanza Terra-Sole

~8 m

in


Secondo “triangolo magico”

C = Velocità di trasmissione della sorgente [bit/s]

L = quantità d’informazione trasmessa [bit]

T = tempo di trasmissione [s]

TLC =

CLT =

CTL ⋅=

100

102

104

106

108

1010

1012

1014

10-10 10-8 10-6 10-4 10-2 100 102 104

Trasmissione dati

64 kbit/s2 Mbit/s10 Mbit/s1 Gbit/s10 Gbit/s

10-11 10-9 10-7 10-5 10-3 10-1 101 103

100

102

104

106

108

1010

1012

1014

Info

rmaz

ione

tras

mes

sa (b

it)

Tempo di trasmissione (s)

Tempo di trasmissione (min)

Info

rmaz

ione

tras

mes

sa (b

yte)

100

102

104

106

108

1010

1012

1014

10-10 10-8 10-6 10-4 10-2 100 102 104

Trasmissione dati

64 kbit/s2 Mbit/s10 Mbit/s1 Gbit/s10 Gbit/s

10-11 10-9 10-7 10-5 10-3 10-1 101 103

100

102

104

106

108

1010

1012

1014

Info

rmaz

ione

tras

mes

sa (b

it)

Tempo di trasmissione (s)

Tempo di trasmissione (min)

Info

rmaz

ione

tras

mes

sa (b

yte)

ns1 bit

Lmin

μs ms smin h

g

1 byteps

Lmax

Ethernet

trameSDH/PDH

5 min mp3foto JPEG

pagina web(txt)e-mail

libro

pdf

CD (74 min. audio)

HD DVD br / layer

DVD (4h vid.)

tutti i libri del mondo (txt)

Internet(2007) 1017


Il corso


Fondamenti di Reti per Allievi Ingegneri Informatici

Più del 60% del fatturato del settore dell’ “Informazione” (informatica e telecom) deriva dall’utilizzo di servizi di rete

Caratteristica fondamentale dell’ingegneria è la conoscenza della tecnologiaKnow how TO MAKE – (non solo know how to use)

Fondamenti di reti intende fornire gli strumenti di base per imparare cosa sono e come funzionano le RETI

Semplici principi “classici” della teoria delle reti di telecomunicazioneAspetti fondamentali della tecnologia, dell’architettura e dei protocolli dei principali sistemi di rete oggi in usoApprofondimento maggiore sui “livelli inferiori” rispetto ai “livelli superiori”

• Il corso è complementato dal corso “in parallelo” dedicato ad Internet


Dati del corso

Allievi Corso di Laurea in Ingegneria Informatica (E – OZ (ex FAB – ORD))Laurea I° Livello 5 crediti

Periodo2° semestre (fino a tre anni fa era “emisemestrale”)

DateInizio lezioni / esercitazioni:

• martedì 10 marzo 2009

Inizio laboratorio:• Squadra A: mercoledì 25 marzo• Squadra B: giovedì 26 marzo

Fine lezioni: primi di giugno


Docente

Guido Maier ([email protected])

Indirizzo ufficioDipartimento Elettronica e Informazione (DEI)III° pianoTel. 02-2399-3575

Orario ricevimentoGiovedì 14:00 – 16:00Possibile anche prendere un appuntamento “extra orario” via e-mail


Orario ed aule

Lezioni (3 ore / settimana – tot. indicativo: 32 ore)Esercitazioni (2 ore / settimana – tot. indicativo: 12 ore)

Martedì 10:15 – 12:15, E.G.6Mercoledì 13:15 – 16:15, E.G.4

Laboratorio (2 ore / settimana – tot. 10 ore, aula D33)Squadra A (ESPOSITO FEUDALE - LEONARDUZZI DAVIDE)Squadra B (LEROSE DARIO ANTONIO - OTTOLINI)Mercoledì 09:15 – 11:15, D.3.1Giovedì 17:15 – 19:15, D.3.3

Calendario laboratorio:Squadra A mercoledì: 25 marzo, 1 aprile, 15 aprile, 29 aprile, 20 maggioSquadra B giovedì: 26 marzo, 2 aprile; mercoledì: 22 aprile, 13 maggio, 27 maggio


Materiale didattico

Testo consigliatoAchille Pattavina, Reti di telecomunicazioni, II Ed., McGraw-Hill, 2007

Appunti presi a lezione

EserciziRaccolta di Esercizi di Fondamenti di Reti (Prof. Pattavina + Prof. Maier) disponibile in Segreteria Didattica del Dipartimento di Elettronica + raccolta temi d’esame sul sito web del docente

LaboratorioVerranno resi disponibili slides pdf di teoria e tutto il materiale occorrente per le esercitazioni in aula informatica sul sito web del docente

Sito web docentehttp://home.dei.polimi.it/maier/– per avvisi ed esami + temi d’esame + materiale laboratori


Contenuti del corso

Argomenti del corso – capitolo corrispondente sul testo1 – Servizi e strutture di rete – cap. 12 – Modi di trasferimento – cap. 33 – Reti dati in area geografica (WAN): layer 2 (data link) – cap. 44 – Reti dati in area locale(LAN) – cap. 14, 155 – Interconnessione di LAN - cap. 166 – Reti dati in area geografica (WAN): layer 3 (rete) – cap. 5, 6

LaboratorioScopo principale: l’insegnamento dei principi base della simulazione ad eventi discreti e l’uso dello strumento di simulazione per approfondire concetti appresi nelle ore di lezioneEsercizi da eseguirsi con Network Simulator versione 2 (NS 2) relativi in particolare alle sorgenti di pacchetti, alla multiplazione statistica e a semplici sistemi a codaUtilizzo di un tool di emulazione per esperimenti laboratorio “virtuale” su interconnessione di LAN (switch Etheret)

Enfasi a Ethernet, WLAN

Novità!


Prove di valutazione

Appelli di esamePreappello (fine giugno)Appelli secondo calendario didattico

Modalità d’esameEsame in forma scritta diviso in 3 parti

• Domande di teoria (a risposte multiple): devono consegnare tutti• Esercizi: la mancata consegna equivale ad un ritiro dall’esame• Domande ed esercizi relativi al Laboratorio

Orale integrativo in casi eccezionali

Documents

Fondamenti di Reti di Telecomunicazioni - Intranet DEIBhome.deib.polimi.it/maier/Intro_corso.pdf · Fondamenti di Reti di Telecomunicazioni Anno Accademico 2008, ’09 Guido Maier