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Scenario evolutivo dellereti di telecomunicazioni

Prof. Franco Callegatihttp://deisnet.deis.unibo.it

LE ORIGINI

Prof. Franco Callegatihttp://deisnet.deis.unibo.it

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Punto di partenza: le comunicazioni umane

• Comunicazione = trasferimento di informazione

• Gli esseri umani comunicano attraverso i sensi– 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

• Limitazioni dei sensi umani:– Distanza– Tempo

• Fin dall’antichità si sono studiate tecniche per estenderela portata dei sensi, fra cui– Scrittura– Posta

• Telecomunicazioni moderne– L’informazione viene trasformata in segnali elettromagnetici

• Trasmissione a distanza• Memorizzazione

• Telecomunicazioni: dal Greco τελε= lontano• Telegrafo: τελε + γραφεω (scrivo)

– Telegrafi ottici: molto antichi e vari

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Le telecomunicazioni moderne

• Sfruttano la propagazione delle ondeelettromagnetiche– Velocità di propagazione: circa 300.000 Km/s

• Prendono il via da– Primi studi sull’elettrostatica (diciottesimo secolo)– Invenzione della pila (Volta circa 1800)

• Telegrafo di Morse (1835)– Telegrafo elettromagnetico (basato sulla pila)– Segnale codificato (Alfabeto Morse) digitale– Nascita delle telecomunicazioni

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Il primo servizio di telecomunicazioni

• Il telegrafo rappresenta il primo esempio di servizio ditelecomunicazioni moderno– Utenti (potenzialmente tutte le persone)

• Interessati ad inviare/ricevere informazioni– Fornitori del servizio (pubblici o privati)

• Trasportano le informazioni per conto degli utenti

• Rete di telecomunicazioni– L’insieme degli apparati che, agendo in modo coordinato,

permettono il trasporto delle informazioni a distanza• Sono necessari

– Gestori: gestiscono e manutengono la rete– Costruttori: producono gli apparati di telecomunicazioni– Uno schema di pagamento del servizio: tariffe– Ingegneria di rete: problemi di traffico, pianificazione

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Osservazioni sul servizio telegrafico

• Le limitazioni tecnologiche impongono l’uso di tecnichenumeriche a bassissima velocità (bit/rate)

• Grande successo tecnico– Primo terminale automatico

• Telescrivente: Siemens 1846– Primi standard internazionali

• Nasce la International Telecomm. Union (ITU) 1865– Prima rete mondiale

• Cavo transatlantico nel 1866• Grande successo economico

– La Western Union che ha il monopolio del telegrafo negli USAdiviene la più grande compagnia privata del 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)• Obbiettivo: far parlare a due a due gli utenti

– Terminale telefonico: trasduttore elettroacustico• Brevetto di Graham Bell nel 1876

– Brevetto precedente di Meucci non omologato• L’11 Giugno 2002 il congresso degli Stati Uniti, con la

risoluzione 269, ha riconosciuto ufficialmente Antonio Meuccicome primo inventore del telefono

• Segnale analogico (banda 4 KHz)– Trasmissione di suoni ed in particolare voce umana

• I segnali analogici sono molto ricchi diinformazione ma essenzialmente più difficili datrasmettere

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Servizio telefonico

• Obbiettivo: far parlare a due a due gli utenti• Servizio domestico (home)

– Terminali economici con grandissima diffusione• Inizialmente crescita molto lenta per le difficoltà legate

all’uso del segnale analogico– Dapprima solo servizio locale tramite operatori umani– Prima centrale elettromeccanica 1894– Primo servizio automatico interurbano 1895– Primo cavo transatlantico telefonico 1957– Prima centrale interamente elettronica 1975

• 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

• 1895: Esperimento di Marconi ed invenzione delle radio-comunicazioni

• Prima trasmissione transatlantica nel 1901• All’inizio viene usata per portare segnali telegrafici

(telegrafo senza fili)• Applicazione ai mezzi mobili, in particolare navi

(salvataggio passeggeri del Titanic 1912)• In seguito ai progressi dell’elettronica diventano possibili

trasmissioni analogiche– Radiodiffusione (voce e musica)– Telediffusione (immagini e suoni)

• Dagli anni ‘90 emergono i servizi di radiocomunicazionemobile per telefonia (telefono cellulare)

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Servizi basati sulle comunicazioni radio

• Principali caratteristiche:– Diffusione del segnale (broadcasting)– Mobilità– Limitazione delle risorse (lo spettro radio è finito)

• Diffusione radiofonica/televisiva– Raggiungere la maggior

quantità di utenti possibili conun solo segnale

• Sistemi radiomobili: segnale confinatoin un’area limitata per poter riutilizzatelo spettro radio

Area di copertura

Cella

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Radiocomunicazioni: sistemi cellulari

• Principale applicazione: telefonia mobile• Nuovo modo di usare i radiocollegamenti

– La potenza trasmessa è piccola– I segnali interferiscono solamente fra celle adiacenti– Le frequenze possono essere riusate in celle non adiacenti

• Gruppi di celle (cell clusters)• Con un centinaio di canali si può servire una quantità molto elevata di utenti

– Sono necessari terminali molto sofisticati• Selezione del canale e segnalazione• Hand-over (mobilità fra celle)• Roaming (mobilità fra operatori)

• Sistema ETACS a 900 MHz (analogico, copertura nazionale)• Global System Mobile (GSM): digitale, a copertura mondiale• Sistemi di III generazione (Universal Mobile Telecomm. System o

UMTS)– Ricerca di un sistema unico mondiale– Terminali con capacità multimediali

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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 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 chip raddoppia circa ogni 18 mesi– il prezzo resta circa invariato

• Il costo di un IC è– Determinato pressoché interamente dai costi di progettazione e

distribuzione, e non dal costo di produzione– circa indipendente dalla sua complessità– determinato dalla sua diffusione nel mercato

• Circolo virtuoso della microelettronica:– quando una tecnica ha successo e si diffonde,– cresce il mercato → calano i costi → cresce il mercato,..

• Questa enorme velocità di evoluzione rende difficile fareprevisioni sul futuro; ci sono molto esempi di sottostimedelle sue conseguenze

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Calcolatori nella rete

• Per le reti di telecomunicazioni i calcolatori sonoestremamente importanti,– sia come apparati

• Gli apparati di rete moderni sono in parte o completamentecalcolatori specializzati

– sia come utenti• Per la rete i calcolatori rappresentano un nuovo tipo di utente,

che produce e riceve informazioni digitali per sua natura

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Calcolatori come utenti della rete

• Anni ’60: i calcolatori si connettono ai loro apparatiterminali, non è necessaria la rete

• Anni ’70: connessione fra gli Host dei centri di calcolo ed iterminali remoti– Trasmissione dati– Rete telefonica + modems

• Anni ’80: reti di Host– Reti per trasmissione dati in area geografica

• Pubbliche e private– Reti in area locale (LAN)

• Anni ’90: tutti i computer richiedono di potersi collegare adue a due– Si richiede una rete di calcolatori universale (Internet)

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Rete di calcolatori

• Per far comunicare i calcolatori occorrono regoleben precise: protocolli– Lo sviluppo dei protocolli per una rete di calcolatori è

un compito molto complesso• I protocolli vengono organizzati in una

architettura• Per avere una rete di calcolatori universale

occorrono anche– 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)

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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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Nascita di Internet

Bruce Stirling, autore di fantascienza, scrive su fiction & Sciencefiction nel febbraio ’93:

Circa 30 anni fa, la RAND Corporation, una delle principali fucine di idee degliU.S. del periodo della guerra fredda, si trovò ad affrontare un singolareproblema strategico. “Come avrebbero potuto comunicare le autorità americanedopo una guerra nucleare?” Gli U.S.A. Post guerra atomica avrebberocomunque avuto bisogno di una rete di comando e controllo, da città a città, dabase a base, da stato a stato … la soluzione proposta dalla RAND fu resapubblica nel 1964.In primo luogo la rete non avrebbe dovuto avere alcuna autorità centrale.Inoltre doveva essere progettata fin dal principio per operare anche se apezzi…

Il principio era semplice: si doveva assumere che la rete stessapotesse essere inaffidabile in qualunque momento.

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ARPANet

• 1969: Il dipartimento della difesa USA (DoD) attraverso l’Agenzia peri Progetti di Ricerca Avanzati (ARPA), finanzia la sperimentazione diuna rete di calcolatori (ARPANET) fra: -UCLA (University of California at Los Angeles) -Stanford Research Center -UCSB (University of California at Santa Barbara) -Università dello Utah

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Un po’ di storia… (2)

• 1973: Prima connessione internazionale (Inghilterra e Norvegia).• 1982: ARPANET adotta come standard i protocolli TCP/IP

– nasce la prima definizione di Internet come un insieme di reti interconnesse, utilizzantiTCP/IP

– il 1 Gennaio 1983 ARPANET passa al TCP/IP– L’università della California a Berkley rende di pubblico dominio il codice sorgente del TCP/IP

• 1986: Arpanet viene potenziata creando NSFNET (National Science FoundationNETwork).

• 1989: il numero di hosts supera 100.000. L’Italia si connette a NSFNET e quindi aInternet.

• 1990: ARPANET cessa di esistere, ma tutte le sue funzioni e infrastrutture rimangonooperanti inalterate.

• 1992: viene rilasciato dal CERN il World Wide Web (WWW) ed il numero di hostssupera 1.000.000.

• 1993: la Casa Bianca e le Nazioni Unite si connettono ad Internet.• 1994: iniziano i primi servizi commerciali e i primi centri commerciali virtuali. E’

possibile ordinare una pizza direttamente tramite Internet presso “Pizza HUT”.• 1995: si vieta il trasporto di traffico di tipo commerciale su NSFNET, che rimane ad

uso esclusivo degli enti di ricerca.• 1996: WWW diventa il primo servizio di Internet in termini di quantità di bytes

trasportati.

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Diffusione di Internet

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La crescita di Internet

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La crescita di Internet

Numero di Hosts

1.00E+00

1.00E+01

1.00E+02

1.00E+03

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1.00E+05

1.00E+06

1.00E+07

1.00E+08

Dec

-69

Dec

-71

Dec

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Dec

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-81

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Introduzione dei protocolli TCP/IP

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Calcolatori nella rete: telematica

• Servizi telematici– Nuovi servizi possibili grazie alla sinergia fra rete e calcolatori

• Enormi potenzialità• Necessità di adeguata promozione• Molti esperimenti, con successi e insuccessi

• Internet è la sorgente moderna dei servizi telematici:– posta elettronica,– interazione con basi dati (WWW),– diffusione di svariati tipi di informazioni mutimediali,– e-commerce,– e-publishing,– telelavoro, ecc…

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Scenario delle TLC: ieri

• Le reti si sono evolute in base al servizio ditelecomunicazioni di loro pertinenza

• Differenti servizi trasportati da reti separate– Diverse le tecnologie– Diversi gli apparati– Diversi i gestori e gli schemi tariffari

• I progressi tecnologici hanno prodotto– Profondi cambiamenti nella rete– Lasciato pressoché inalterato l’uso dei servizi

• Il servizio telefonico è stato di gran lunga quellopiù importante economicamente

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Scenario delle TLC: l’era digitale

• Digitalizzazione– Un segnale può essere trasformato in una sequenza di bit

• Conversione Analogico/Digitale (A/D)– Se opportunamente implementata l’operazione è invertibile

• Conversione Digitale/Analogico (D/A)– Teorema del campionamento formulato da Harry Nyquist nel

1928– Completamente dimostrato da Claude E. Shannon nel 1949– Contenuto informativo ⇒ banda ⇒ bit rate

• Praticamente inapplicabile per mancanza delleopportune tecnologie fino agli anni ‘80

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Opportunità del digitale

• Integrazione– Trasporto unificato dell’informazione

• Una rete capace di trasportare i bit può trasportare qualunque tipo disevizio

– ISDN (anni ‘70): voce + dati– B-ISDN (anni ‘90): voce+video+dati

• Elaborazione– I segnali, una volta digitalizzati, sono trattabile con sistemi di

elaborazione elettronica• Combinazione di segnali• Inserimento di nuove informazioni• Compressione

– Diminuzione della quantità di bit a parità di contenutoinformativo

• Cifratura– Salvaguardia della privacy della comunicazione

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Scenario delle tlc: oggi

• Il traffico dati ha raggiunto e superato in quantitàil traffico voce

• L’integrazione sta avvenendo attraverso linee disviluppo eterogenee e non coordinate– Telefonia su Internet (VoIP): Skype– Tv via Internet– Trasmissione di video e immagini con la telefonia

cellulare: UMTS– Consultazione banche dati tramite televisione:

televideo, televideo avanzato su digitale terrestre

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Scenario delle tlc: domani?

• Componentistica– Nanotecnologie– Consumi di potenza

• Tecnologie di rete– Supporto alla mobilità– Reti completamente ottiche– Riconfigurabilità dinamica– Sicurezza e protezione delle comunicazioni

• Applicazioni (informatica)– Pervasive computing e ambient intelligence– Rappresentazione e gestione della conoscenza– Interazione multisensoriale GRID computing