Laboratorio di Calcolo Avanzato del Dipartimento di Fisica

Il livello fisico

Il livello fisico si occupa della spedizione delle trame come sequenze di singoli bit sul mezzo trasmissivo. A questo livello sono anche definite le caratteristiche elettriche del segnale, dei cavi etc. Normalmente il collegamento a linee di trasmissione dati prevedono il collegamento mediante un'intefaccia seriale. Per convenzione si chiama DTE (Data Terminal Equipment) il computer o il terminale, mentre le apparecchiature di comunicazione (modem) vengono detti DCE (Data Communication Equipment).

Trasmissione Parallela

Con questo tipo di trasmissione si mandano contemporaneamente 8 bit (byte); in questo modo sono necessari almeno otto fili per i dati piu' un filo comune come riferimento di tensione (oltre alle linee di controllo). In questo modo si raggiungono velocita' piu' elevate rispetto a trasmissioni seriali ma si ha un costo che aumenta notevolmente all'aumentare della distanza.

Trasmissione Seriali

Nella trasmissione seriale si ha un solo canale trasmissivo, ad esempio una coppia di fili, su cui vengono inviati consecutivamente gli otto bit. In questo caso risulta piu' complicata la circuiteria dell'interfaccia che necessata di uno spacchettamento/impacchettamento di un byte in sequenza di bit e viceversa.

La trasmissione Asincrona prevede che venga trasmesso un byte alla volta e che vengano mandati dei bit aggiuntivi che determinano l'inizio e la fine della spedizione per ogni singolo carattere (bit di start e bit di stop). Questo tipo di collegamento e' nato dall'esigenza di collegare i terminali ai mainframe in cui l'invio del messaggio e' subordinato alla pressione di un tasto da parte dell'operatore. Prima di spedire qualunque dato il tramettitore avvisa il ricevitore dell'imminente invio con un bit di start, rappresentato da una transizione dallo stato idle (segnale a 1 logico detto anche mark) allo stato di 0 logico (space) mantenuto per un tempo di almeno un bit. Successivamente viene spedita la sequenza di 8 bit consecutivi (il dato) seguita dal bit di stop la cui durata minima puo' essere 1, 1.5 o 2 tempi di bit. L'assenza di segnale ed il bit di stop sono rappresentati dal 1 logico. Puo' anche essere mandato un eventuale bit di parita' per il controllo di errori.

La trasmissione Sincrona prevede l'invio dei dati tramite un flusso continuo di bit. Per mantenere il ricevitore sincronizzato con il trasmettitore ogni blocco di dati e' preceduto da uno o piu' caratteri di sincronismo. Il ricevitore ricava dai caratteri di sincronismo un segnale di clock locale che pilota la lettura dei dati durante la ricezione. Questo tipo di trasmissione permette un miglioramento nella velocita' di trasferimento ma un aumento dei costi dovuto alla complessita' dell'elettronica utilizzata per l'interfaccia.

Handshake

Esistono delle procedure che permettono il colloquio tra trasmettitore e ricevitore per poter interrompere e riprende l'invio dei dati nel caso in cui il ricevitore processi i dati in arrivo piu' lentemente di quanto il trasmettitore li generi. Esistono principalmente due tipi di controllo di flusso: RTS/CTS (handshake hardware) e XON/XOFF.

Per l'utilizzo del RTS/CTS e' necessaria una coppia di fili in piu' corrispondeti ai segnali Request To Send e Clear To Send. Quando il dispositivo ricevente rileva l'attivazione del RTS ed e' pronto a ricevere risponde attivando il CTS. Per interrompere l'invio dei dati basta che il ricevente disattivi il segnale CTS.

XON/XOFF: utilizzando questo tipo di handshake non e' necessario l'uso di fili aggiuntivi in quanto questi segnali sono associati a caratteri spediti come dato normale (codice ascii 17 per XON e 19 per XOFF). In questo modo il ricevitore, quando il suo buffer e' quasi pieno, invia al trasmettitore un carattere XOFF (che si mette in attesa) per poi spedire XON non appena il buffer si sia svuotato e riprendere la normale trasmissione. Un possibile problema e' dovuto al fatto che i codici corrispondenti a questi caratteri possono essere presenti all'interno del messaggio spedito e questo potrebbe provocare la sospensione all'infinito della trasmissione.

RS-232

Lo standard piu' diffuso per il collegamento DTE-DCE e' EIA RS-232C. Questo prevede l'utilizzo di un connettore a D a 25 pin. Questo tipo di connettore era uno standard "de facto" ancora prima della pubblicazione degli standard. Esistono tuttavia altri tipi di connettori seriali ancora largamente utilizzati di cui il piu' diffuso e' sicuramente il connettore a D a 9 pin. Normalmente il connettore "femmina" e' presente sul modem (DCE) mentre il "maschio" sul terminale o PC (DTE). Lo standard prevede distanze fino a 50 piedi (16 metri) e velocita' fino a 19200 b/s ma, utilizzando cavi elettrici con buone caratteristiche, si possono raggiungere anche velocita' dell'ordine dei 100kb/s. Nel caso di questo tipo di interfaccia si hanno i seguenti valori di tensione per i segnali:
1 logico (mark): -15V/-3V
0 logico (space): 3V/15V
Segnale non valido: -3V/3V

I segnali principali utilizzati dal RS-232 sono:

Massa di protezione (GND, pin 1)
Signal Ground (SG, pin 7)
Transmitted Data (TD, pin 2)
Receive Data (RD, pin 3)
Request To Send (RTS, pn 4)
Clear To Send (CTS, pin 5)
Carrier Detect (CD, pin 8)
Data Set Ready (DSR, pin 6)
Data Terminal Ready (DTR, pin 20)
Ring Indicator (RI, pin 22)

Lo standard RS-232 prevede il collegamento tra DTE e DCE utilizzando il cavo a 25 poli. E' spesso necessario utilizzare diversi tipi di cavi quando il connettore sia di tipo diverso o quando si vogliano collegare tra loro due DTE.
Il cavo "standard" e' un cavo a 25 conduttori diritto: pin 1 con pin 1, pin 2 con pin 2, etc.
Il cavo per la connessione tra DTE/DCE ma con 1 connettore a 25 poli ed il secondo a 9 poli e' il seguente:

9 PIN		25 PIN
1	Carrier Detect	8
2	Received Data	3
3	Transmitted data	2
4	Data Terminal Ready	20
5	Signal Ground	7
6	Data Set Ready	6
7	Requet To Send	4
8	Clear to send	5
9	Ring Indicator	22

Un altro caso molto frequente e' quello di collegare due personal computer tra loro per scambiare file o condividere dischi o stampanti. Viene riportato di seguito l'esempio di cavo DTE-DTE (detto anche cavo null modem) con interfaccia a 25 poli.

Sono stati definiti altri standard di comunicazione seriale che permettono di coprire maggiori distanze a velocita' superiori del RS-232. Questo e' possibile utilizzando la trasmissione bilanciata in cui ogni circuito e' composto da una coppia di fili; RS-232 utilizza invece un tipo di trasmissione sbilanciata, cioe' con un unico riferimento a 0 Volt. Due di questi standard sono RS-449 e RS-530.

Lo standard piu' diffuso per interfacce ad alta velocita' sincrone (fino a 2Mb/s) e' il V35 che utilizza una combinazione di trasmissione sbilanciata per i segnali di controllo e bilanciata per i dati e i segnali di clock.

Modem

I modem (MOdulatore DEModulatore) consentono di trasformare il segnale digitale proveniente da un'interfaccia seriale in un segnale analogico che venga trasmesso su canale limitato in banda sia inferiormente che superiormente. Normalmente viene utilizzato il canale telefonico. La banda passante di questo canale e' di circa 3000Hz tra 300 e 3300Hz. Per fare cio' i modem utilizzano tecniche di modulazione. Il segnale piu' adatto alla modulazione e' il segnale sinusoidale che puo' essere espresso come:
s(t)=A sin(2Pift+þ)
In cui si individuano 3 parametri: l'ampiezza A, la frequenza f e la fase þ. Facendo variare nel tempo questi parametri si puo' utilizzare il segnale sinusoidale per trasmettere informazione. Modificando l'ampiezza si ottiene modulazione di ampiezza (AM), modificando la frequenza si ha la modulazione di frequenza (FM) e modificando la fase la modulazione di fase (þ M).

Un esempio di modulazione di ampiezza e' quello di associare allo stato mark un segnale con una certa ampiezza e allo space nessun segnale (ampiezza 0). Con questa tecnica si ottengono basse velocita' ma e' spesso utilizzata contemporaneamente ad altre tecniche per raggiungere velocita' elevate.

Nella modulazione di frequenza si associano ai possibili valori da trasmettere segnali sinusoidali con diverse frequenze (gli zeri e gli uni vengono codificati con frequenze leggermente superiori e inferiori alla portante; questa tecnica e' detta FSK: Frequency Shift Keying).

Nella modulazione di fase, infine, la portante varia la sua fase in relazione al segnale da trasmettere. Questo tipo di modulazione viene detto PSK: Phase Shift Keying. La modulazione di fase e' la piu' costosa ma e' la piu' adatta ad essere utilizzata ad essere utilizzata in combinazione con la modulazione di ampiezza per ottenere elevate velocita' di trasmissione.

Baud Rate

Un parametro per valutare la velocita' di trasmissione su una linea seriale e' il numero di bit trasmessi nell'unita' di tempo (b/s). Quando si utilizzano tecniche di modulazione ogni elemento del segnale portante inviato dal modem viene detto simbolo. Il numero di simboli inviati dal modem nell'unita' di tempo viene detto baud. Le techiche di modulazione possono associare ad ogni simbolo uno o piu' bit (ad esempio utilizzando 4 o 8 valori diversi nella rotazione di fase); in questo modo il b/s non coincide con il baud.

Esiste una relazione, trovata da Nyquist, tra la banda di un canale trasmissivo e la massima velocita' in baud: B=2H
dove B e' la velocita' in baud e H la banda del canale. Se si tiene conto del fatto che affinche' avvenga una corretta demodulazione deve essere disponibile almeno una banda pari al doppio della frequenza dei simboli per il nostro canale telefonico (con banda passante di 3000 Hz) si arriva ad un massimo di 3000 b/s se si associa un bit ad ogni simbolo.
Per superare questo limite sono state utilizzate tecniche miste. La piu' comune, come gia' accennato, prevede la modulazione dia in fase che ampiezza. Tale modulazione e' detta QAM (Quadratude Amplitude Modulation). La figura seguente mostra un esempio di questa tecnica che permette di associare ad ogni segnale 4 bit.

Esiste un limite teorico alla massima velocita' di trasmissione che tiene conto del rumore presente sul canale trasmissivo. Shannon trovo' infatti che la massima velocita' ottenibile su un canale e' data da:
R=H log2(1+S/N)
dove H e' la banda del canale e S/N e' il rapporto segnale rumore. Nel caso del canale telefonico con un rapporto S/N di 30 dB (1000) si arriva a 30000 b/s. La tecnica che permette di raggiungere le velocita' piu' elevate e' la TCM (Trellis Coded) che permette di tollerare un rumore doppio rispetto a quella tollerabile dalla QAM inserendo un bit di ridondanza nella codifica di ciascun simbolo ed utilizzando la "Forward Error Correction" nella quale ogni bit dipende anche dal valore dei bit precedenti.

Si definisce una trasmissione half-duplex quando essa avviene alternativamente in un senso e nell'altro. La ragione e' dovata alla necessita' di condividere il medesimo canale trasmissivo da parte delle due stazioni collegate; la commutazione tra trasmissione e ricezione avviene quasi sempre manualmente a seguito di una parola convenzionale (passo). I primi modem utilizzavano questa tecnica in quanto avevano difficolta' a demodulare due segnali sovrapposti. Questo tipo di tecnica ha lo svantaggio di introdurre dei tempi morti dovuti alla commutazione tra trasmissione e ricezione.
La tecnica piu' diffusa per la comunicazione in full-duplex e' quella di suddividere il canale in due parti: ciascun modem ne usera' una per ricevere e l'altra per trasmettere. Questo avviene utilizzando frequenze portanti diverse per i due modem e ciascuno in ricezione filtrera' il segnale in modo da sopprimere l'eco della propria trasmissione. Questa tecnica comporta ovviamente la limitazione della velocita' di trasmissione in quanto vengono utilizzate delle bande ridotte.
Lo sviluppo ha portato alla realizzazione di modem full-duplex che riescono ad utilizzare sia in trasmissione che in ricezione l'intera banda del canale grazie alla tecnica della cancellazione dell'eco.

In seguito vengono riportati i principali standard relativi ai modem:

V.21 300 b/s, modulazione FSK, half-duplex e full-duplex
V.22 1200b/s, modulazione PSK, half-duplex e full-duplex
V.23 1200b/s, modulazione FSK, full-duplex asimmetrico
V.32 9600b/s, QAM o TCM, half-duplex e full-duplex
V.32 bis Come V.32 ma con 14400b/s
V.34 28800b/s

Per la comunicazione tra modem e computer viene solitamnente utilizzata una interfaccia seriale asincrona RS-232. Solitamente e' possibile configurare le caratteristiche dei modem utilizzando un linguaggio Hayes detto anche linguaggio AT in quanto tutti i suoi comandi iniziano con la stringa AT. Il modem interpreta i caratteri ricevuti dalla tastiera come comandi fino a che non viene attivata la connessione dopodiche i caratteri non vengono piu' interpretati ma trasmessi. Esiste una sequenza di escape per tornare dalla trasmissione alla modalita' comandi che e' la pressione della sequenza +++ isolata dall'invio di altri caratteri.

CDA e CDN

Le linee communtate, cioe' le normali linee telefoniche, sono state basate per lungo tempo sulla commutazione di circuito. Con questo tipo di commutazione si crea un collegamento fisico tra i due utenti ed esso resta stabile e riservato a loro per tutta la durata della comunicazione. Questo comporta in media un basso tulizzo del canale trasmissivo risultando occupato anche quando i due interlocutori non parlano o i due modem non scambiano dati. Un altro problema legato alla commutazione di circuito e' dovuto al fatto che l'insieme dei collegamenti per effettuare la comunicazione tra gli stessi utenti puo' cambiare di volta in volta cambiando le caratteristiche fisiche del canale. Le linee dedicate o, piu' propriamente i Canali Diretti Analogici (CDA) consentono in generale migliori prestazioni in quanto sono realizzate mediante collegamneti fissi tra i due utenti evitando percio' l'attraversamento delle apparecchiature all'interno delle centrali.
L'alternativa alla commutazione di circuito, per un migliore utilizzo dei canali trasmissivi, e' la commutazione di pacchetto , basati su sistemi digitali sia per l'instradamento che per la trasmissione dei dati. In essa i pacchetti contengono l'indirizzo del destinatario e transitano attraverso la rete condividendo i canali trasmissivi con altre comunicazioni. Grazie al fatto che la tecnologia digitale e' alla base del traffico telefonico i CDA vengono gradualmente rimpiazzati dai Canali Diretti Digitali(CDN).

ISDN

ISDN (Integrated Services Digital Network) rappresenta l'evoluzione delle reti commutate pubbliche analogiche. La rete ISDN prevede due tipi di accesso: Accesso Base per utenti finali e Accesso Primario destinato a erogatori di servizi. L'accesso base consiste di due canali a 64kb/s (canale B)e in un canale dati di servizio di 16kb/s(canale D); questo tipo di accesso prevede una velocita' di trasmissione di 192kb/s di cui 144 utilizzati per i 2 canali B e per il canale D e i restanti 48kb/s per informazioni di controllo e sincronismo.

La dimensione di 64kb/s per il canale di trasmissione e' duvuto al fatto che questa e' la velocita' di trasmissione minima per mandare un canale vocale su una linea digitale. Dal teorema del campionamento di Nyquist, infatti, sappiamo che e' possibile ricostruire un segnale analogico a partire da una sequenza di campioni purche' questi vengano prelevati con una frequenza pari almeno al doppio della massima frequenza del segnale. Visto che il nostro segnale arriva a 3300Hz puo' essere campionato a 8Khz e codificato con 8 bit trovando cosi' la velocita' di 64kb/s.