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Elettrotecnica

 

La trasmissione dei segnali

Di un cablaggio strutturato fino ad ora ci siamo concentrati ad analizzare le componenti fisiche, quello che nell’immaginario “tecnico” riconduce subito alla parte sostanziale (cavi, connettori, patch panell, patch cord…), ma ora approfondiremo un altro aspetto: quello logico.

Il cablaggio, infatti, non è da considerare una “opera d’arte” fine a se stessa, ma il mezzo fondamentale che permette ai segnali di transitare alla maggiore velocità possibile e nelle condizioni fisiche più idonee, riducendo nella maggior misura l’insorgere di eventuali problemi.
Si è già definito che il cablaggio strutturato è indipendente dalla applicazione e sulla base del fatto che, sebbene nel mercato ci siano applicazioni così dette proprietarie, ossia che utilizzano protocolli dedicati e sviluppati ad hoc da un determinato “soggetto”, in realtà si può riscontrare che il Tcp IP sia quello che comunque viene maggiormente utilizzato non solo per la trasmissione dati intesa come reti di pc, ma anche per applicazioni di tipo differente come ad esempio voce, fonia, immagini, segnalazioni, eccetera.

Si ritiene sia giunto quindi il momento di parlare di aspetti a prima vista meno “tangibili”, ma più “logici” superficialmente più impalpabili, ma percettibili con l’ausilio di idonea strumentazione ed appropriata competenza nel “leggere” i risultati prodotti.
L’importanza di trattare questo argomento è data dal fatto che è ormai consuetudine parlare di certificazione e rispetto degli standard relativi alla corretta esecuzione di una rete dal punto di vista fisico, per cui si rende necessario capire come i segnali si propagano su di essa e perché è importante che questa sia realmente realizzata a regola d’arte.

La componentistica attiva, quindi ad esempio switch, router, personal computer, server, schede di rete, eccetera ha raggiunto - a mio avviso - un livello tecnico tale da operare a velocità sempre maggiori e con tolleranze tali da compensare in molti casi eventuali tipologie di problemi indotti da imperfezioni dello strato (livello) fisico su cui operano.
Il più delle volte, infatti, l’utente non percepisce, salvo casi particolari, che il proprio sistema possa avere dei problemi in quanto l’innalzamento delle velocità di trasmissione, la potenzialità dei processori che elaborano le informazioni sul computer, i cavi che specie nelle configurazioni schermate attenuano molti problemi di interferenza o di criticità nella propagazione dei segnali anche ad alte frequenze permettono comunque di lavorare e consultare il sistema gestionale, ricevere la posta o navigare in Internet.

Poiché non è usuale soffermarsi ad immaginare e considerare cosa succede ai “segnali” che transitano nella rete passando dal pc allo switch, arrivando quindi ad un server ubicato all’interno od all’esterno della nostra lan. Si ritiene opportuno trattare temi che, a prescindere dalla applicazione o dal tipo di segnale appartenente ad un dispositivo piuttosto che ad un altro, rappresentano la base concettuale che aiuta a poter cominciare a capire l’importanza che l’aspetto fisico del cablaggio ricopre per raggiungere un ottimale sfruttamento delle funzionalità logiche da parte dell’utente.

Il primo passaggio da chiarire è quindi definire cosa sia un “protocollo”.

Tralasciando le definizioni generiche e concentrandosi su quelle pertinenti al mondo dell’informatica, nella letteratura attinente a questo genere è diffusa la definizione che per protocollo si intenda una serie di regole per comporre dei messaggi e far sì che essi possano essere scambiati tra due o più “device”.

Preferisco mantenere il termine nella sua lingua originale, in quanto l’eventuale traduzione potrebbe limitarne l’ambito di applicazione.
I device, infatti, non necessariamente devono essere due personal computer, ma più genericamente due dispositivi che scambiano informazioni tra di loro.

Il protocollo in funzione della natura dei dati che trasporta e dell’ambito di applicazione in cui opera può essere caratterizzato con regole estremamente complesse che devono essere estremamente precise,pena errori nella comunicazione e perdita di bit.

Affinché due dispositivi possano dialogare tra di loro è necessario che parlino nella stessa lingua, quindi come è già stato visto per la componente fisica (passiva), anche per quella logica (attiva) è necessario e fondamentale che venga applicato il concetto di standardizzazione.

La diffusione e l’utilizzo del protocollo sono sempre più estesi quanto maggiore sarà l’accettazione delle specifiche dello standard.
Esempio e riprova di ciò è il protocollo Tcp/IP che invece di cedere al tempo o di soccombere per le innovative applicazioni e soluzioni ideate dopo la sua comparsa resiste e rappresenta proprio lo strumento più diffuso nella gestione delle reti di diverso tipo e per le più variegate applicazioni.

Fino all’inizio degli anni 80 era difficile trovare delle reti di pc, mentre era diffuso il concetto di videoterminale collegato ad un mainframe in cui il protocollo di comunicazione era proprietario del costruttore dell’unità centrale e la trasmissione avveniva utilizzando cavi specifici creati ad hoc per l’occorrenza.
Cito brevemente alcuni esempi come i cavi multifilo, i cavi coax RGxx che si differenziavano tra di loro per dimensione, impedenza ed altre caratteristiche fisiche specifiche.

L’introduzione del personal computer nell’ambito professionale ha portato alla necessità di condividere e scambiarsi dati sia residenti nei mainframe sopra indicati che nuovi modelli di oggetti, i file, prodotti anche con applicazioni software di nuova concezione.
La Iso (International Standard Organization) nel 1978 ha pubblicato il primo schema di riferimento “Osi Model” (Open System Interconnection) caratterizzato dal fatto che era costituito da sette differenti livelli o layes:
- livello fisico;
- livello del collegamento dati;
- livello della rete;
- livello del trasporto;
- livello della sessione;
- livello della presentazione;
- livello della applicazione.

A livello internazionale, sebbene non fossimo ancora nell’era della globalizzazione come viene intesa oggi, fu percepita la necessità di produrre una serie di standard per le reti di calcolatori e quindi fu avviato il progetto Osi che aveva l’obiettivo di diventare un modello standard di riferimento per l’interconnessione di sistemi aperti. Il documento che illustra tale attività è il Basic Reference Model di Osi, noto come standard Iso 7498.

Come sopra già indicato, il modello Iso/ Osi può essere graficamente rappresentato da strati (o livelli), i cosiddetti layer, che racchiudono uno o più aspetti fra loro correlati della comunicazione fra due nodi di una rete.
I layers sono 7 e vanno dal livello fisico (quello del mezzo fisico, ossia del cavo o delle onde radio) fino al livello delle applicazioni, attraverso cui si realizza la comunicazione.
Addentrandoci sempre più nell’ambito “logico” l’Osi è stato ingegnerizzato per permettere la comunicazione in reti a “commutazione di pacchetto” del tutto simili al modello Tcp-Udp/IP già usato da lungo tempo nel mondo Unix e nella rete prima chiamata Arpanet e poi diventata Internet.

La differenza sostanziale fra lo standard Tcp/IP ed il modello Osi consiste nel fatto che nel primo il layer applicativo è esterno alla pila di protocolli (in pratica si comporta come un’applicazione stand-alone che si appoggia sul Tcp/IP per comunicare con altre applicazioni), di conseguenza i layer diventano solo 5 (applicazione, trasporto, rete, data-link, fisico) e i livelli 5 e 6 (la sessione e la presentazione) sono assenti perché attivati altrove, cioè nell’applicazione stand-alone esterna.

Il progetto Osi è costituito quindi da uno “stack” di protocolli incapsulati, che sicuramente è più flessibile rispetto al modello Tcp/IP, ma soltanto perché risulta più astratto rispetto a questo. In pratica non esistono implementazioni “complete” di Osi a parte quelle proprietarie (ad esempio Decnet della Digital) e di interesse accademico.

Livello fisico, definisce le correnti elettriche, gli impulsi elettrici o gli impulsi ottici che sono coinvolti nel trasporto dei dati dalla scheda di rete di un device al sistema di comunicazione.
I requisiti e le caratteristiche necessarie per la trasmissione sono in genere documentate in standard come V.35 o RS-232 (porta seriale).
In questo livello si decidono inoltre le tensioni scelte per rappresentare i valori logici 0 e 1; la durata in microsecondi del segnale elettrico che identifica un bit; l’eventuale trasmissione simultanea in due direzioni e la forma e la meccanica dei connettori usati per collegare l’hardware al mezzo trasmissivo.

Livello del Collegamento Dati, permette il regolare e corretto trasferimento dei dati attraverso il livello fisico.
Invia i dati incapsulando gli stessi in un pacchetto, frame, provvisto di “intestazione” e “coda” con la opportuna sincronizzazione ed effettua un controllo degli errori e delle perdite di segnale.
Tutto ciò consente di far apparire, al livello superiore, il mezzo fisico come una linea di trasmissione esente da errori.
Per ogni pacchetto che viene ricevuto, il destinatario invia al mittente un nuovo pacchetto Ack, “acknowledgement, ossia conferma” contenente lo stato della trasmissione; il mittente deve ripetere l’invio dei pacchetti eventualmente mal trasmessi e di quelli che non hanno ricevuto risposta.
Ecco per l’appunto un esempio tangibile della necessità di realizzare un cablaggio a regola d’arte.
Le eventuali imperfezioni si pagano in termini di qualità ed affidabilità della rete proprio in questo momento.
Questo livello si occupa anche di controllare eventuali casi di desincronizzazione della velocità di trasmissione provvedendo nel caso a rallentare l’attività della macchina più veloce accordandola all’altra e minimizzando le perdite.

La Rete, questo livello si occupa di stabilire, mantenere e terminare una connessione, garantendo il corretto e ottimale funzionamento.
Viene gestito l’indirizzamento dei messaggi e la traduzione degli indirizzi logici IP in indirizzi fisici Mac. A questo livello viene gestito anche il percorso che i dati devono fare tra le unità.
In caso di pacchetti di dimensioni eccessive verrà anche gestita una suddivisione degli stessi in moduli più piccoli che saranno poi riaggregati presso l’unità ricevente.

Il Trasporto, ha il compito di gestire il flusso dei dati in modo trasparente ed affidabile, effettuando anche un controllo degli eventuali errori e/o perdite tra due unità.
In presenza di una trasmissione di dati, questi verranno segmentati in insiemi di informazioni più piccoli. Questi segmenti vengono etichettati mediante una numerazione sequenziale e vengono spediti all’unità di destinazione che ricevutili provvede a “restituire” una conferma.
Nel caso di errata od incompleta ricezione di un segmento l’unità ricevente può richiedere un nuovo invio di quanto non ricevuto. Ciò comporta un controllo degli errori per il trasporto dei dati.

La Sessione, consente a due applicazioni su unità separate di stabilire una connessione per la comunicazione.
Si fa carico inoltre di completare i servizi già forniti dal livello di trasporto con altri più avanzati quali ad esempio la gestione del dialogo, della sincronizzazione, controlli nel flusso dati, eccetera.

La Presentazione, determina il modo in cui i dati sono formattati nello scambio tra computer in una rete.
Questo livello è anche responsabile di tutte le traduzioni e le codifiche dei dati nonché per le conversioni dei set di caratteri e dei protocolli.

La Applicazione, consente ai programmi di accedere ai servizi messi a disposizione dalla rete.
Non c’è una interazione solo con i programmi locali, ma è necessario che ci sia una componente della comunicazione che richiede necessariamente accesso a delle risorse di rete.

Quando le lan (Local Area Network) verso la fine degli anni 70 fecero intravedere la possibilità di affermarsi come uno strumento di business, la Ieee anticipò i tempi studiando la definizione di standard che potessero soddisfare le nuove necessità.

Da qui il lancio del progetto 802.xx, così chiamato in virtù dell’anno 1980 e del mese di febbraio in cui ebbe ufficialmente inizio.
Il progetto 802 si occupò da subito di definire gli standard per i componenti fisici di una rete quali la scheda (Nic), i cavi, i connettori, eccetera.

Proprio nel merito di questi ultimi è importante comprendere l’importanza che la realizzazione di un impianto ha sugli effetti del funzionamento generale. L’installatore rappresenta uno degli anelli fondamentali del processo implementativo, sobbarcandosi una enorme responsabilità sulla qualità del funzionamento della parte logica di una rete.

Gli standard introdotti dal progetto 802 stabilirono 12 categorie con cui identificare le reti già commercializzate e quelle ancora in fase progettuale:
802.1: Internetworking;
802.2: Logical Link Control (Llc);
802.3: Carrier-Sense Multiple Access with Collision Detection (Csma/Cd) lan (Ethernet);
802.4: Token Bus lan;
802.5: Token Ring lan;
802.6: Metropolitan Area Network (Man);
802.7: Broadband Technical Advisory Group;
802.8: Fiber-Optic Technical Advisory Group;
802.9: Integrated Voice/Data Networks;
802.10: Network Security;
802.11: Wireless Networks;
802.12: Demand Priority Access lan, 100BaseVG-Anylan.

Può essere riassunto come un insieme di protocolli di trasmissione, le cui due componenti essenziali sono per l’appunto il Tpc (Transmission Control Protocol) e l’IP (Internet Protocol).

Si approfondisce di seguito il concetto della visione a strati del modello OSI con il Tpc/IP:
- il modello stratificato Tpc/IP unifica lo strato fisico a quello del collegamento dati del modello OSI, nello strato della rete Tpc/IP. Non fa distinzione tra le schede di rete in senso fisico ed i loro driver e questo permette di implementare il Tpc/IP in qualunque topologia di rete e con qualunque applicazione utilizzata;
- lo strato Internet del modello Tpc/IP corrisponde allo strato della rete del modello di riferimento Osi. Entrambi si occupano dei servizi di indirizzamento ed instradamento;
- lo strato del trasporto in tutti e due i modelli permette che si stabiliscano sessioni di comunicazione da un capo all’altro tra due unità;
- lo strato della sessione del modello Tpc/ IP combina gli strati della sessione, della presentazione e dell’applicazione del modello Osi. Il modello Tpc/IP comprende tutte le questioni che riguardano la rappresentazione dei dati e il mantenimento delle sessioni nell’ambito delle definizioni di una applicazione.

Il Livello della Rete genera sul cavo i Frame in partenza e toglie dal cavo quelli in arrivo.
Il formato dei frame dipende dalla topologia della rete utilizzata. Lo strato della rete aggiunge un preambolo all’inizio del frame, associato ad un controllo ciclico di ridondanza (Crc - Cyclical Redundancy Check) per assicurare che i dati nel corso del transito non si danneggino.
Quando il Frame arriva a destinazione il valore del Crc è ricalcolato allo scopo di verificare se vi siano state perdite o danneggiamenti dei dati lungo il loro percorso.

Se i Frame arrivano intatti l’informazione viene passata ad un livello superiore mentre se sono danneggiati viene richiesto un reinvio degli stessi all’unità di partenza.
Nelle reti che utilizzano il protocollo Tpc/ IP si possono individuare ulteriori specificità.
La componente IP permette la consegna di informazioni non garantita.
Questo indica che il protocollo IP non svolge alcun controllo o misurazione per assicurarsi che l’unità di destinazione abbia ricevuto con successo le informazioni.
I pacchetti durante il percorso possono andare perduti o arrivare non in sequenza.
Quando le informazioni vengono passate dal livello del trasporto, il protocollo IP provvede ad associarci un’intestazione che contiene i seguenti elementi:
- Indirizzo IP dell’origine: indirizzo IP assegnato dall’unità mittente;
- Indirizzo IP della destinazione: indirizzo IP assegnato all’unità di destinazione;
- Protocollo del trasporto: il protocollo usato dal livello del trasporto é immagazzinato all’interno dell’intestazione IP.
In questo modo, quando il diagramma arriva all’unità di destinazione, il livello di competenza sa se trasferirlo utilizzando il protocollo Tpc o il protocollo Udp;
- Somma di controllo (checksum): assicura che i dati che arrivano a questo livello non si siano danneggiati durante il transito.

Il protocollo Tpc/IP determina su questo livello anche come instradare i frame verso una unità di destinazione.
Se si suppone che l’IP del destinatario si trovi sullo stesso segmento di rete l’informazione viene inviata direttamente all’unità bersaglio.
Se invece determina che l’unità di destinazione si trova su un segmento di rete remoto IP usa la tabella di instradamento dell’unità mittente per individuare la strada migliore per raggiungere la rete su cui si trova l’IP da raggiungere.
Se nella tabella di instradamento non esiste un percorso esplicito l’unità di origine utilizza il suo gateway predefinito (il router) per instradare il traffico verso segmenti di rete remoti.

Le applicazioni che operano sulla rete lavorano sul livello dell’applicazione nel modello stratificato Tpc/IP.
Le applicazioni sopra menzionate si riferiscono a quelle applicazioni che si connettono o che comunicano con unità su reti remote.
Le applicazioni di rete che operano con protocollo Tpc/IP rientrano in genere in una di queste tre categorie, che prendono il nome dalle interfacce di programmazione che sfruttano.
Queste sono Windows Sockets (Winsock), NetBios e Tdi (Transport Driver Interface).

Windows Sockets (od anche Winsock, come viene più genericamente chiamata) è un’interfaccia di programmazione di rete pensata per facilitare la comunicazione tra applicazioni e stack di protocollo Tpc/IP differenti.
Sviluppatori di programmi creano applicazioni che dovranno essere usate con il Tpc/IP o con le loro specifiche implementazioni Tpc/IP.
Winsock è stata pensata per fornire un terreno comune alle applicazioni ed ai protocolli relativi alla parte più alta del modello di riferimento Tpc/IP.

Il NetBios è l’interfaccia utilizzata nella maggior parte dei servizi e delle applicazioni che girano sotto il sistema operativo Windows per la comunicazione tra processi (Ipc, Interprocess Communications).
Il NetBios sfrutta inoltre una convenzione denominata Unc (Universal Naming Convention) per gestire un collegamento tra due macchine collegate in rete, risolvibile per mezzo di nomi (nomi NetBios) al posto dei meno mnemonici indirizzi IP.

L’interfaccia di programmazione Tdi (Transport Driver Interface) è collocata al confine tra i componenti di protocollo dello strato della sessione ed i componenti dello strato del trasporto.
Tdi consente ad un programmatore di creare un componente per lo strato della sessione senza dover avere una conoscenza diretta dei componenti del sottostante strato Trasporto e viceversa.
Questa interfaccia è specifica dell’implementazione Microsoft del Tpc/IP.

Sempre nel merito del Tpc/IP è necessario precisare le funzioni anche dei protocolli Icmp ed Igmp.
Icmp si fa carico di monitorare gli errori degli altri protocolli; Igmp si occupa di spedire pacchetti in broad e multicast.

L’Internet Protocol (IP) fornisce tutti gli indirizzi logici degli apparati e delle unità collegate in rete.
Ciascuna unità ha in dotazione un indirizzo IP assegnato in modo univoco per la rete sulla quale sta lavorando.
Affinché due unità comunichino utilizzando il protocollo IP, non è necessario che prima stabiliscano una sessione. I due sistemi si scambiano i dati per mezzo di un sistema di consegna ottimizzato.
Come accade per qualsiasi protocollo che fornisce l’indirizzamento in rete, l’Internet Protocol include sia i componenti della rete sia quelli di tutte le unità.

Poco contano quindi la dimensione dell’impianto o la destinazione d’uso, fondamentale risulta invece l’utilizzo di protocolli standardizzati e diffusi per il collegamento delle unità che devono dialogare tra di loro, si tratti di applicazioni tipicamente dati/applicativi o di applicazioni per il monitoraggio di locali da un punto di vista ottico o di supervisione climatica o di interazione da parte di un utente con dispositivi elettrici od elettronici di un impianto domestico.

Auspichiamo una sempre maggiore diffusione di soluzioni automatizzate/informatizzate aperte alla possibilità di sviluppo di applicativi che sfruttando il mezzo fisico dalla certificata qualità costruttiva possano interagire con noi non solo nell’ambito di soluzioni aziendali o professionali, ma anche nella area domestica, con l’obiettivo finale di maggiore efficienza e migliori risparmi di gestione.