Trasmissione dei dati

Il settore delle reti dati e di computer, ma in generale di tutto il settore delle telecomunicazioni, ha visto negli ultimi anni una crescita che difficilmente trova paragoni in altri ambiti tecnologici. Il traffico dati numerico ha conquistato una posizione preminente e si stima che nel giro di qualche anno costituirà il 90% del traffico totale delle reti pubbliche. Non va trascurato il fatto che le reti attuali basano il loro successo su una esperienza di almeno tre decenni, nei quali sono state sviluppate metodologie, tecniche e filosofie di base che sono ancora oggi il fondamento di tutta la complessa costruzione delle reti.

La trasmissione delle informazioni è un'area di studio e ricerca alla cui base ci sono concetti propri delle scienze fisiche, in primo luogo relativi alle forme d'energia e alla propagazione delle onde elettromagnetiche, e propri delle scienze matematiche, tra cui spicca, in quanto a numero di applicazioni, la teoria dei codici.

La comunicazione tra due calcolatori, in particolare, avviene attraverso lo scambio di un segnale, che può essere una tensione, una corrente, o una qualsiasi grandezza fisica capace di convogliare un'informazione.

Nelle comunicazioni fra calcolatori le tecnologie utilizzate sono di vario tipo, utilizzano metodologie e componenti diverse. Tali strumenti, pur nella loro diversità, hanno come obiettivo primario quello di rendere possibile l'interazione e la comprensione fra computer eterogenei, cioè in maniera del tutto indipendente dai particolari sistemi operativi e dai componenti hardware utilizzati.

I mezzi trasmissivi

Il doppino intrecciato (il più anziano e diffuso, usato particolarmente nei tratti terminali delle linee telefoniche) è formato da coppie di fili di rame intrecciati. Ci sono vari standard, comunque veloci ed affidabili per brevi distanze.

Il cavo coassiale è costituito da un conduttore centrale in rame, circondante da uno strato isolante e una calza metallica (usato oggi particolarmente per la TV via cavo e in molte reti locali). Questo canale è veloce ed immune da disturbi per tratte a lunga distanza. Ci sono due categorie: in banda base o baseband, migliore ma meno diffuso, usato per le trasmissioni digitali (in generale, se non è possibile condividere lo stesso mezzo fisico tra più segnali); in broadband, molto diffuso, usato soprattutto per le trasmissioni analogiche, ad esempio il cavo standard della TV (in generale, più segnali condividono contemporaneamente lo stesso mezzo fisico).

Le fibre ottiche sono costituite da un sottile cilindro centrale in vetro (core), avvolto da uno strato esterno (cladding, sempre in vetro ma con indice di rifrazione diverso) rivestito, quindi raggruppate in una guaina contenitrice. Le fibre ottiche sfruttano il principio che un raggio di luce, quando attraversa il confine tra due materiali, subisce una deviazione dipendente dagli indici di rifrazione dei due materiali e, entro un certo angolo, rimane intrappolato. Le fibre ottiche hanno prestazioni elevatissime e con bassissima possibilità d'errore; sono inoltre più leggere e più sicure. Tra gli svantaggi figurano il costo ed il fatto che la comunicazione è unidirezionale (una fibra per ogni senso).

Le trasmissioni senza fili, realizzate attraverso le onde elettromagnetiche, vanno da bassissime frequenze (onde radio) fino ai raggi ultravioletti, assumendo comportamenti diversi a seconda dei casi (frequenze utilizzate).

Le tecniche generali di trasmissione

Le forme di energia utilizzate nella trasmissione sono sostanzialmente le seguenti:

Le informazioni che attraversano le reti sono codificate da hardware di rete apposito. In genere la codifica può essere di due tipi:

E' comunque da rilevare che nella trasmissione di segnali digitali il fenomeno fisico utilizzato non è digitale ma analogico, quindi un segnale non può passare istantaneamente da un valore ad un altro, ma impiegherà un certo tempo per effettuare la transizione.

Le reti di computer usano la codifica digitale. Un esempio di codifica digitale potrebbe essere: mezzo formato da fili di rame con la corrente elettrica come forma d'energia, codifica eseguita utilizzando voltaggio negativo per codificare "1", voltaggio positivo per "0". Il diagramma che segue illustra la codifica digitale dell'esempio ed è chiamato grafico della forma d'onda, in cui l'asse orizzontale corrisponde al tempo di trasmissione/ricezione dei dati mentre l'asse verticale corrisponde al voltaggio:

Molte organizzazioni si occupano di creare degli standard per la codifica delle informazioni nelle reti, tra queste ricordiamo: IEEE, ITU, EIA.

Ma come fanno due calcolatori a mettersi d'accordo che è il momento di comunicare? Da questo punto di vista si possono distinguere due tipi di trasmissione:

Un ulteriore aspetto nella connessione tra due calcolatori riguarda la capacità di essere attivi e/o passivi nella comunicazione. Le modalità in questo ambito sono le seguenti:

- simplex, se la trasmissione è possibile in una sola direzione;
- half duplex, se la trasmissione è possibile in una sola direzione per volta;
- full duplex, se i dati possono essere inviati simultaneamente nelle due direzioni.

La comunicazione bidirezionale, che è quella desiderabile nella pratica, richiede ad ogni utente la capacità di svolgere sia la funzione di trasmettitore che di ricevitore (come nell'illustrazione seguente, in cui si evince che c'è bisogno di fili separati per trasportare corrente in ciascuna direzione; tra l'altro, G sta per filo di terra)

Codifica e decodifica dei dati

Quando i segnali analogici e digitali sono utilizzati per trasportare informazioni, le proprietà dei segnali devono rappresentare, in qualche modo le informazioni. Il ruolo della codifica è quello di definire tali proprietà (nella decodifica il segnale è riconvertito alla sua informazione originaria).

Ma cosa succede quando si invia un segnale, ad esempio elettrico, lungo un canale di comunicazione? Il segnale non giunge a destinazione, purtroppo, nella sua configurazione di partenza, infatti l'energia elettrica tende a dissiparsi con l'allungarsi delle distanze, i fili hanno caratteristiche di capacità, resistenza e induttanza che distorcono il segnale, poi ci possono essere interferenze elettriche o magnetiche. La distorsione che ne deriva può comportare un'interpretazione sbagliata o una perdita del segnale (la figura illustra un segnale distorto per un singolo bit, ma nella pratica la distorsione può essere peggiore, anche di molto)

Nelle comunicazioni a lunga distanza si sfrutta una proprietà delle onde: un segnale oscillante viaggia più a lungo della corrente diretta. Dunque si utilizza un'onda sinusoidale portante (figura seguente), detta anche carrier, che oscilla continuamente ad una frequenza fissata: essa viene modulata (vedremo nel seguito in che modo) per codificare i dati. Da notare che questa tecnica viene utilizzata per i sistemi radiofonico e televisivo.

La modulazione. Esistono diversi tipi di modulazione:
- di ampiezza, nella quale il segnale cambia semplicemente la sua dimensione (usata per le frequenze radio AM). Nella figura che segue si può notare come l'ampiezza del segnale codifica i valori "0" e "1", per ogni bit c'è bisogno di un ciclo d'onda completo, il data rate è limitato alla banda dell'onda portante. Essa è però soggetta a disturbi e non è usata nella trasmissione dati se non in congiunzione con altro tipo di modulazione;

- di frequenza, nella quale cambia la velocità d'oscillazione dell'onda portante (usata per le frequenze radio FM). Nella figura seguente si può notare come la frequenza del segnale codifica i valori "0" e "1", per ogni bit c'è bisogno di un ciclo d'onda completo. Questa tecnica non presenta i tipici problemi della modulazione di ampiezza, è meno sensibile ai disturbi;

- di fase, nella quale si modifica la fase d'onda del carrier (usata per la trasmissione di dati) ovvero si varia il "ritardo" rispetto al segnale originale. Ogni cambiamento di fase codifica K bits (i cambiamenti di fase possibili sono diversi, per cui si possono codificare V informazioni base: in tal caso K = log₂V), per cui il data rate è più alto della larghezza di banda del carrier

- a più livelli, in cui le modulazioni di ampiezza, frequenza e fase possono essere combinate. Un esempio tipico riguarda la combinazione della modulazione di ampiezza con la modulazione di fase (codifiche NRZ-L, NRZI).

In realtà, per codificare le informazioni è possibile utilizzare una filosofia anche completamente differente, che consiste nell'utilizzare la variazione del carrier anziché il nuovo valore del segnale. Ad esempio, nella codifica Manchester Encoding, si utilizza il punto in cui il segnale cambia per rappresentare i dati: quando il fronte d'onda raggiunge una tensione positiva viene codificato il valore "0", quando il fronte d'onda raggiunge una tensione nulla (o negativa) viene codificato il valore "1". Ulteriore esempio: nella codifica Manchester Encoding Differenziale l'assenza di variazione di tensione codifica il valore "1", la presenza di variazione di tensione codifica il valore "0". Questo genere di codifiche si usa in molte specifiche di reti locali (ad esempio ME in Ethernet, MED in Token Ring).

Il Modem. Il Modem è il dispositivo hardware, usato per comunicazioni a lunga distanza, che contiene circuitazioni separate per la modulazione dei segnali in uscita e la demodulazione dei segnali in ingresso (MOdulator - DEModulator). Ogni modem ha bisogno di un altro modem dislocato dall'altra parte del canale, con ogni modulatore collegato al demodulatore dell'altro modem e viceversa, e più fili per comunicare in entrambe le direzioni.

Esistono diversi tipi di modem: convenzionali (usano cavi di rame, trasmettono onde elettriche modulate), ottici (usano fibre ottiche, trasmettono luce modulata), senza fili o wireless (usano lo spazio, trasmettono onde radio modulate). Il tipo a tutt'oggi più utilizzato rimane il dialup modem, che permette collegamenti temporanei con la normale linea telefonica trasmettendo toni audio modulati (ne usa più d'uno simultaneamente; i carrier in questo caso sono i toni audio).

Misure fondamentali in un sistema di trasmissione digitale

In un sistema di trasmissione ci sono due importanti limiti fisici, dipendenti dal particolare sistema di trasmissione utilizzato:
- ritardo di propagazione (prapagation delay), cioè il tempo richiesto ad un segnale per attraversare il mezzo trasmissivo o, in altri termini, il tempo che un segnale impiega per giungere a destinazione;
- larghezza di banda (bandwidth), data dal massimo numero di volte che un segnale può cambiare nell'arco di un secondo. Essa rappresenta l'intervallo di frequenze che il mezzo fisico è in grado di trasmettere senza alterarle oltre certi limiti

Proprio in relazione a questi due aspetti si possono delineare le misure fondamentali che caratterizzano un sistema di trasmissione digitale, ovvero

La velocità del sistema è legata alla larghezza di banda del mezzo fisico sottostante. Infatti, per il Teorema di Nyquist, vale la relazione

dove D è la massima velocità (più propriamente è detta data rate, tasso d'informazione), B è la larghezza di banda, K è il numero di valori usati per codificare i dati.

Il teorema afferma che un segnale di banda B (cioè con frequenze che vanno da 0 a B Hz), può essere completamente ricostruito mediante una campionatura effettuata 2B volte al secondo ed in tal caso convoglia un'informazione di D bit al secondo. Pertanto il massimo data rate di un canale di comunicazione dotato di banda tra 0 e B Hertz, che trasporta un segnale consistente di K livelli discreti, è dato da D bit/s.

Esempio. Supponiamo di avere un segnale binario ed un canale di banda 10 Khz. Allora la massima velocità sarà data da: 2 × 10 × log₂2 = 20 Kbps (Kilobit per secondo).

Il risultato di Nyquist fornisce una relazione valida per canali totalmente privi di disturbi, cosa purtroppo non realistica poiché i sistemi reali emettono ed assorbono energia (ad esempio termica). Un'ulteriore relazione, che contempla la presenza di "rumore", ed in qualche modo "corregge" il risultato di Nyquist, è espressa dal Teorema di Shannon. Esso afferma che in un canale rumoroso il massimo data rate è dato da:

dove C è la capacità effettiva del canale in bit/s, B è la larghezza di banda, S è la potenza media del segnale, N è la potenza media del rumore. Il rapporto S/N, tra l'altro, si misura di decibel (Db) ed esprime il rapporto segnale/rumore.

Esempio. Nel sistema telefonico convenzionale abbiamo una banda di 3000 KHz ed un rapporto segnale/rumore di 1000 Db. L'effettiva capacità del canale, per Shannon, è:
3000 log₂ (1 + 1000) = ~ 30000 bps = 30 Kbps.

Conclusioni:
- il teorema di Nyquist ci fornisce la chiave per poter migliorare le prestazioni di un sistema, consistente nel trovare strategie per codificare più bit per ciclo;
- più alto è il numero di bit/s che si vogliono trasmettere, più larga deve essere la banda del canale di trasmissione;
- il teorema di Shannon ci fornisce un limite invalicabile in un qualunque sistema di trasmissioni, indipendentemente dalle tecniche di costruzione utilizzate;
- a parità di mezzo trasmissivo, tanto più è corto il canale di trasmissione, tanto più è alta la prestazione del canale (attenuazioni e sfasamenti accettabili). Dunque la banda si riduce all'aumentare della lunghezza del mezzo stesso;
- La trasmissione digitale è più critica di quella analogica (presenza di frequenze alte) ma è più facilmente rigenerabile (basta distinguere tra pochi valori).

UTP (Unshielded Twisted Pair): doppino non schermato, formato da 2 a 4 coppie di fili, l'unica protezione è che ciascun filo è ricoperto da materiale isolante. Rientrano in questa categoria:

Screneed FTP (Foiled Twisted Pair): doppino schermato globalmente su tutto il cavo, ovvero con un rivestimento a lamina metallica per proteggerlo dai disturbi;

STP (Shielded Twisted Pair): doppino schermato su ogni coppia e con uno schermo globale.

Le caratteristiche principali di un'onda, proprio per la sua ripetitività (è possibile estrapolare un "pezzo" d'onda, detto ciclo, che viene continuamente riproposto), possono essere descritte attraverso alcune semplici proprietà:
- ampiezza, differenza tra il valore massimo e quello minimo raggiunto da un'onda in un ciclo (ovvero la distanza tra l'avvallamento e la cresta)
- lunghezza, data dalla lunghezza del ciclo che si ripete
- periodo, intervallo di tempo nel quale l'onda descrive il ciclo, generalmente misurato in millisecondi (ms)
- frequenza, esprime la velocità alla quale si ripetono i cicli, si misura generalmente in cicli al secondo o Hertz (Hz). Per oscillazioni molto rapide si utilizzano i multipli: kilohertz (kHz), megahertz (MHz), gigahertz (GHz) e terahertz (THz); ognuno 1000 volte più grande del precedente.

Alcune semplici relazioni:
1) tra il periodo T e la frequenza F vale la relazione: F = 1/T (il periodo è inversamente proporzionale alla frequenza).
2) tra il periodo T e la lunghezza d'onda L vale la relazione: L/T = costante (il periodo è direttamente proporzionale alla lunghezza).

L'intervallo di frequenza entro il quale le onde elettromagnetiche sono oggetto di applicazioni e di studio è molto ampio; a seconda della frequenza, le onde sono prodotte da sorgenti diverse, hanno proprietà diverse ed hanno diverse modalità di interazione con la materia:

nome dell'onda	frequenza F (espresso in Hz)
onde radio	10² < F < 10⁹
microonde	2·10⁹ < F < 4·10¹¹
raggi infrarossi	5·10¹¹ < F < 4·10¹⁴
la luce (raggi visibili)	4·10¹⁴ < F < 8·10¹⁴
raggi ultravioletti	8·10¹⁴ < F < 3·10¹⁷
raggi x	3·10¹⁷ < F < 5·10¹⁹
raggi gamma	F > 5·10¹⁹

Fase dell'onda: argomento angolare della funzione periodica. Un cambiamento di fase produce un cambiamento della forma d'onda che "salta" ad un altro punto del ciclo