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In questo capitolo verranno illustrati gli aspetti principali del livello fisico, che riguardano:
la teoria della trasmissione delle informazioni, per capire quali sono i limiti fondamentali imposti da madre natura;
le caratteristiche dei mezzi trasmissivi più comuni;
le caratteristiche del sistema telefonico.
L'informazione può essere trasmessa a distanza variando opportunamente una qualche caratteristica fisica del mezzo scelto per la trasmissione. Tale variazione si propaga, con una certa velocità, lungo il mezzo di trasmissione e dopo un certo tempo arriva all'altra estremità del mezzo, dove può venir rilevata.
I mezzi trasmissivi sono sostanzialmente di tre tipi:
mezzi elettrici (cavi): in essi il fenomeno fisico utilizzato è l'energia elettrica;
mezzi wireless (onde radio): il fenomeno fisico è l'onda elettromagnetica, una combinazione di campo elettrico e campo magnetico variabili, che si propaga nello spazio e che induce a distanza una corrente elettrica in un dispositivo ricevente (antenna);
mezzi ottici (LED, laser e fibre ottiche): in essi il fenomeno utilizzato è la luce. Si tratta dei mezzi più recenti, che hanno rivoluzionato il settore.
Rappresentando il valore nel tempo del fenomeno fisico utilizzato come una funzione f(t), si può studiare matematicamente il segnale risultante.
In linea di principio, la trasmissione può avvenire con due modalità differenti: trasmissione di segnale analogico e trasmissione di segnale digitale.
La differenza fondamentale fra un segnale analogico e uno digitale è che:
il primo può variare gradualmente in un intervallo costituito da un numero infinito di possibili valori;
il secondo può variare solamente passando bruscamente da uno all'altro di un insieme molto piccolo di valori (da due a qualche decina).
Si tenga presente però che il fenomeno fisico utilizzato non è digitale ma analogico. Un segnale quindi non può passare istantaneamente da un valore ad un altro, ma impiegherà un certo tempo per effettuare la transizione. La conseguenza è che un mezzo fisico farà del suo meglio per trasportare un segnale digitale, ma non riuscirà a farlo arrivare esattamente com'è partito.
Come vedremo in seguito, in certi casi (e con certe tecniche) è utile trasformare un segnale analogico in uno digitale e viceversa.
Premessa: una funzione sinusoidale , quale il seno o il coseno, è caratterizzata da alcuni parametri :
ampiezza A (la differenza fra il valore massimo ed il minimo);
periodo T (la quantità T di tempo trascorsa la quale la funzione si ripete);
frequenza f: l'inverso del periodo f = 1/T, misurata in cicli al secondo (Hz).
Fourier (matematico francese dell'800) dimostrò che una funzione y(t), definita in un intervallo T, può essere espressa come una somma di un numero infinito di funzioni sinusoidali:
dove ω = 2πf è detta pulsazione o velocità angolare, f = 1/T è la frequenza fondamentale ed An e Bn sono le ampiezze dell'ennesima armonica (o termine), che ha una frequenza n volte più grande della frequenza fondamentale.
Non è facile spiegare il perché, ma la sinusoide è, come dire, il substrato di ogni funzione periodica. Prova ne è il teorema di Fourier, sintetizzato graficamente nell'applet proposta.
Esso afferma che una qualsiasi funzione periodica continua si può scomporre nella somma di un termine costante A0, che rappresenta il valore medio della funzione in un periodo, e di infinite sinusoidi di frequenza multipla della frequenza della funzione. La sinusoide con la stessa frequenza della funzione è detta fondamentale, le sinusoidi di frequenza multipla della fondamentale, armoniche. L'ampiezza delle armoniche è decrescente e tendente a zero con il crescere della frequenza. La successione delle ampiezze è denominata spettro.
Indicando con y(t) la funzione periodica di periodo T si ha:
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Si trova la ricetta.
Tutto questo si può dire in modo breve e preciso con parole prese in prestito dalla cucina.
In un dolce c'è una certa serie di ingredienti e la sua ricetta deve indicare non soltanto gli ingredienti, ma anche le dosi occorrenti: usando dosi diverse degli stessi ingredienti si possono fare dolci.di tipo diverso. I fisici matematici hanno dimostrato che per un dato sistema vibrante complesso la serie completa degli ingredienti occorrenti per costituire tutti i suoi moti possibili è la serie dei modi di vibrazione normali appartenenti al sistema stesso: si può allora ottenere qualsiasi tipo immaginabile di moto del sistema combinando insieme dosi diverse di questi modi normali. quindi possibile scrivere «ricette» per qualsiasi vibrazione desiderata elencando semplicemente le dosi Al, A2, A3, delle vibrazioni del primo, secondo, terzo, modo normale, presenti nella vibrazione complessa. Inoltre, il suono composto emesso dal sistema durante la vibrazione è costituito dalle quantità definite di suono irradiate da ciascuno di questi modi normali.
Generalmente un cuoco non può dedurre con una certa sicurezza la lista degli ingredienti semplicemente guardando un dolce o assaggiandolo; e tanto meno può indovinare le dosi di ciascun ingrediente. Il fisico, invece, e in grado di fare la deduzione corrispondente. Non ha che da essere paziente e abile nello scoprire quali siano i modi di vibrazione normali, perché sa già in partenza che questi saranno gli ingredienti della sua ricetta della vibrazione. Egli dispone anche di un mezzo preciso e abbastanza semplice per scoprire la dose di ciascun ingrediente: non è, cioè, un problema molto difficile per lui calcolare la serie delle quantità A per qualsiasi vibrazione che gli capiti di osservare, se conosce i modi di vibrazione normali di quel sistema.
Perline e corde di violino.
Una corda di chitarra o di violino in vibrazione si può benissimo considerare costituita da un numero grandissimo di perline infilate l'una accanto all'altra, e possiamo sfruttare i vantaggi del procedimento seguito da Daniel Bernoulli applicando a questi vibratori più musicali ciò che abbiamo appena scoperto. La figura mostra come i primi tre modi di vibrazione di un filo con venti palline assomiglino notevolmente a quelli del sistema a tre palline. Non occorre un grande sforzo di immaginazione per ricavare da queste immagini quelle che rappresentino le situazioni analoghe per un filo con cento o diecimila palline, e cosi via fino ad arrivare, per facili gradi, a un filo liscio e uniforme, di cui possiamo ignorare la struttura molecolare. Ho fatto notare che in un qualsiasi modo di vibrazione tutte le particelle si muovono, con moto armonico semplice alla stessa frequenza: in generale, però, si trova che le varie palline si muovono con ampiezze diverse e che, in realtà, alcune non si muovono affatto. Lo si vede chiaramente nella figura: nel secondo modo di vibrazione, per esempio, la pallina centrale rimane sempre ferma.
Dunque, un segnale variabile nel tempo è di fatto equivalente ad una somma di funzioni sinusoidali aventi ciascuna una propria ampiezza e frequenza. Si può quindi rappresentare un segnale g(t) di durata T in un modo diverso, e cioè attraverso il suo spettro di frequenze, ossia attraverso la sua scomposizione in sinusoidi.
Un segnale e il suo spettro di frequenze
Qualunque segnale è dunque caratterizzato da un intervallo di frequenze nel quale sono comprese le frequenze delle sinusoidi che lo descrivono. Esso va sotto il nome di banda di frequenza (frequency band) del segnale.
Diversi fattori influenzano le caratteristiche della banda:
tanto più è breve la durata T del segnale, tanto più è alto il valore della frequenza fondamentale;
tanto più velocemente nel tempo varia la g(t), tanto più numerose sono le armoniche necessarie a descriverlo.
Anche i mezzi fisici sono caratterizzati da una banda di frequenze, detta banda passante. Essa rappresenta l'intervallo di frequenze che il mezzo fisico è in grado di trasmettere senza alterarle oltre certi limiti.
Le alterazioni principali sono la attenuazione e l'introduzione di ritardo, che di norma variano al variare delle frequenze trasmesse.
A volte la dimensione della banda passante dipende dalle caratteristiche fisiche del mezzo trasmissivo, a volte deriva dalla presenza di opportuni filtri che tagliano le frequenze oltre una certa soglia (detta frequenza di taglio, fc). Ad esempio, nelle linee telefoniche la banda passante è 3 kHz (da 0 Hz a 3.000 Hz), ottenuta con filtri passa-basso.
In generale, i mezzi trasmissivi :
attenuano i segnali in proporzione alla distanza percorsa e alla frequenza del segnale;
propagano i segnali a velocità proporzionali alle loro frequenze.
Una conseguenza è che, per qualunque mezzo trasmissivo, la banda passante si riduce all'aumentare della lunghezza del mezzo stesso.
Perché un segnale sia ricevuto come è stato trasmesso, è necessario che la banda passante sia uguale o più ampia della banda di frequenza del segnale stesso. Altrimenti, il segnale viene privato di alcune delle sue armoniche (tipicamente quelle di frequenza più elevata) e viene quindi distorto, cioè alterato. Se un numero sufficiente di armoniche arriva a destinazione, il segnale è comunque utilizzabile.
Un segnale analogico é un segnale in funzione del tempo che varia con continuità entro un certo intervallo di valori, compresi fra due estremi inizio scala e fondo scala. Oggi con i sistemi elettronici digitali sempre più diffusi per ogni tipo di applicazione, conviene convertire il segnale analogico in segnale digitale in modo che ogni tipo di elaborazione su di esso possa essere effettuata in forma digitale. Il segnale digitale consiste in una sequenza di impulsi lineari a due livelli - i bits - la cui forma d'onda presenta transizioni nette fra questi due livelli. Il processo di conversione da analogico a digitale si svolge in quattro fasi successive dette di :
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Campionare un segnale significa prelevarne i relativi valori a distanze temporali opportune, tramite circuiti di porta lineare detti anche circuiti di campionamento (sampling circuits). Parametro fondamentale di un segnale campionato è il periodo di campionamento T, o la frequenza di campionamento f, legati fra loro dalla relazione f = 1/T. Il valore prelevato dal circuito di campionamento ad un certo istante deve essere mantenuto (hold) per un periodo di tempo t necessario al completamento della conversione analogico-numerica del segnale. |
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Con la tecnica della multiplazione a divisione di tempo (time-division multiplexing) è possibile utilizzare un unico canale per la trasmissione di più segnali. Attraverso un commutatore (multiplexer) i segnali vengono campionati sequenzialmente ed inviati in sequenza al canale di trasmissione dove un decommutatore (demultiplexer), con esso sincronizzato, ne permette la suddivisione e la ricostruzione in ricezione. Ciò significa che durante il periodo di campionamento di un segnale vengono effettuati i campionamenti degli altri segnali in trasmissione. Quindi il comando di commutazione dovrà operare ad una frequenza multipla della frequenza di campionamento dei singoli canali. |
| Ci sono due teoremi fondamentali che caratterizzano i limiti per la trasmissione delle informazioni. Teorema di NyquistNyquist (1924) ha dimostrato che un segnale analogico di banda h (da 0 ad h Hz) può essere completamente ricostruito mediante una campionatura effettuata 2h volte al secondo. Dunque esso 'convoglia' una quantità di informazione rappresentabile con un numero di bit pari a 2h*(logaritmo in base 2 del numero di possibili valori del segnale) per ogni secondo. Una conseguenza di tale teorema è che il massimo data rate (detto anche, con un termine non del tutto appropriato, velocità di trasmissione) di un canale di comunicazione dotato di una banda passante da 0 Hz ad h Hz (passa-basso di banda h) che trasporta un segnale consistente di V livelli discreti è: massimo data rate (bit/sec.) = 2h log V Questo risultato implica che un segnale binario (V=2) non va oltre i 6 kpbs su una linea di banda passante pari a 3 kHz. Come vedremo, i modem veloci sfruttano un segnale con un numero V di livelli piuttosto elevato per riuscire a trasmettere, su una linea funzionante ad x baud, più di x bit/sec. (il termine baud indica la velocità di segnalazione di una linea, ossia quante volte al secondo essa è in grado di cambiare valore). Teorema di ShannonIl teorema di Nyquist è valido per canali totalmente privi di disturbi (il che purtroppo non è realistico). Per gli altri casi vale il teorema di Shannon (1948), che considera le caratteristiche di un canale rumoroso. Prima di esporre il teorema è necessario chiarire il concetto di rapporto segnale/rumore (signal to noise ratio, S/N): esso è il rapporto fra la potenza del segnale e quella del rumore. Si misura in decibel (dB), che crescono come 10log10 (S/N). La tabella seguente riporta alcuni valori esemplificativi.
Decibel è una grandezza di tipo logaritmico che esprime il rapporto fra due valori di potenza, tensione o corrente. Nel primo caso corrisponde a dieci volte il logaritmo in base 10 della differenza fra i due valori (a=10); nel caso di tensione o corrente invece è pari a venti volte lo stesso logaritmo (a=20): a * log10(x/y) Il decibel è usato anche in acustica, per misurare sia il rapporto di intensità fra due suoni, sia l'intensità di un suono come valore assoluto. In quest'ultimo caso tuttavia tale valore assoluto è comunque rapportato ad un valore di riferimento cui è assegnato convenzionalmente il valore di 0dB. Esso è pari a 20 micropascal (qualcosa come due decimiliardesimi di atmosfera) e corrisponde alla soglia minima di udibilità dell'orecchio umano nella gamma in cui esso è più sensibile (1Khz÷4Khz). Il teorema di Shannon afferma che il massimo data rate di un canale rumoroso, con banda passante di h Hz e rapporto segnale/rumore pari a S/N, è data da: massimo data rate (bit/sec.) = h lg (1 + S/N) Si noti che in questo caso non conta più il numero V di livelli del segnale. Ciò perché, a causa del rumore, aumentarne il numero può renderli indistinguibili. Ad esempio, su un canale con banda 3kHz e S/N = 30dB (tipici di una normale linea telefonica) si può arrivare al massimo a 30.000 bps. In generale: più alto è il numero di bit/secondo che si vogliono trasmettere, più ampia diviene la banda passante che serve (T diminuisce); a parità di mezzo utilizzato, tanto più è corto il canale di trasmissione tanto più è alto il numero di bit/secondo raggiungibile (attenuazioni e sfasamenti restano accettabili); la trasmissione digitale è più critica di quella analogica (genera frequenze più alte), ma può essere più facilmente 'rigenerata' lungo il percorso (è sufficiente distinguere fra pochi valori per ripristinare il segnale originario; nella trasmissione analogica ogni amplificazione introduce distorsione, che si somma a quella degli stadi precedenti). Mezzi trasmissivi
Per una rete domestica, ma anche per una struttura scolastica e piccole aziende, sono disponibili fondamentalmente due tipi di cavi e di connettori. Il cavo coassiale ed il doppino telefonico. Si tratta di tecnologie stabili, efficienti e consolidate. Ma non le uniche possibili. Un giorno (che non è tanto lontano), le reti saranno realizzate con connessioni a raggi infrarossi o laser di bassa potenza (e senza cavi: wireless technology). E' possibile già adesso. Ma i costi sono ancora troppo elevati, e le velocità di trasferimento dei dati troppo basse. Per adesso, dobbiamo scegliere tra cavo coassiale e doppino telefonico. Qui in alto, vedete da sinistra a destra un cavo USB, un doppino telefonico, un cavo coassiale. Vicino al cavo coassiale, ci sono un connettore a T ed un terminatore (o, come dicono quelli del mestiere, un 'tappo'). C'è un'altra cosa importantissima che dovete sapere: tutti i cavi sono disponibili in due versioni: con rivestimento ed isolamento interno in PVC o ignifughi. I primi sono più sottili e flessibili, e possono essere usati per collegamenti a vista. Ma quando i vostri cavi passano per canaline o intercapedini di muri, pavimenti e soffitti, è obbligatorio l'uso di cavi ignifughi. Se la vostra aula informatica va a fuoco, il PVC brucia e libera gas velenosi che, attraverso le intercapedini e le canaline, possono contaminare l'intero edificio. Se i cavi in PVC sono usati soltanto per i collegamenti a vista, basta aprire le finestre e chiudere la porta. Un cavo ignifugo ha un diametro maggiore di uno rivestito in PVC, ed è più difficile da maneggiare e da installare. Costa anche un bel po' di più. Sulla guaina esterna, c'è la sigla MPP (Multi Purpose Plenum): significa che il cavo può essere installato nelle intercapedini. In inglese, plenum è lo spazio tra il soffitto vero e proprio ed il controsoffitto; in italiano, lo si chiama anche 'cavo pieno': una delle tante traduzioni di termini tecnici inglesi quantomeno bizzarre con cui si ha a che fare quando ci si occupa di informatica. Il segnale è trasferito sulla rete con il sistema CSMA/CD. Significa semplicemente Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection, 'accesso multiplo con rilevazione di portante/a rilevazione di collisione'. Significa che in una rete di questo tipo soltanto un computer alla volta può inviare dati. Tutte le macchine rilevano continuamente se sulla rete stanno viaggiando dei segnali: si dice che 'ascoltano' la rete. Quando la rete è libera, il computer che deve trasmettere invia i dati a quello cui sono destinati (un po' all'ingrosso: mette insieme questi dati in una stringa, o frame, ci aggiunge l'indirizzo della macchina di destinazione e li spedisce). Tutte le macchine ricevono questi dati e li analizzano. Soltanto quella cui sono stati effettivamente indirizzati li accetta. Di tanto in tanto, capita che due computer trasmettano contemporaneamente. In questo caso i due segnali collidono e si distruggono. Ma non vi preoccupate: i computer se ne accorgono e provvedono a rinviarli in modo più ordinato Doppino intrecciato
Esiste da molti anni ed è il più diffuso. Consiste di una coppia di conduttori in rame intrecciati l'uno coll'altro in forma elicoidale. Ciò fa si che si minimizzino le interferenze fra coppie adiacenti (due fili paralleli costituiscono un'antenna; se sono intrecciati no). E' usato, in particolare, per le connessioni terminali del sistema telefonico (da casa alla centrale più vicina). La larghezza di banda dipende dalla lunghezza, ma comunque si può trasmettere a diversi Mbps su distanze fino a qualche km. Due tipi di doppino sono importanti nella trasmissione dati:
Entrambi i tipi sono spesso chiamati
I cavi della famiglia UTP (Unshielded Twisted Pair, di solito in italiano lo si chiama 'doppino telefonico non schermato', anche in questo caso in modo poco accurato), conformi alle specifiche 10BaseT, sono una scelta praticamente obbligata per la vostra rete domestica. Costano perfino meno dei coassiali e sono leggeri, sottili, facili da installare sia in intercapedini che per le connessioni a vista. Sono costruiti avvolgendo con un rivestimento in plastica otto fili isolati. Rispetto ai coassiali, però, sono molto sensibili alla diafonia ed alle interferenze elettromagnetiche, e perciò è più alta l'attenuazione del segnale. La diafonia è la tendenza dei conduttori di segnale del medesimo cavo di rete o di cavi vicini ad interferire l'uno con l'altro ed a disturbare la trasmissione. Sappiamo già che i dati vengono trasmessi sotto forma di segnali elettrici. La trasmissione può essere disturbata anche da interferenze esterne prodotte da dispositivi che emettono onde elettromagnetiche: le lampade fluorescenti, ad esempio, o i motori elettrici. Attenzione anche ai cavi di alimentazione del computer e del monitor: non dovrebbero mai stare troppo vicini ad un cavo UTP. Per ridurre la sensibilità alla diafonia ed alle interferenze elettromagnetiche dei cavi UTP, i fili vengono intrecciati a due a due all'interno del rivestimento esterno.In ambienti critici, è necessario usare una particolare versione di UTP: il cavo STP (Shielded Twisted Pair, 'doppino telefonico schermato', che è quello preferibile, ma è più caro del coassiale. Tra i conduttori ed il rivestimento esterno (che stavolta è in Teflon) c'è una doppia schermatura in treccia di rame e lamina metallica. Il cavo STP è piuttosto costoso, più spesso e meno maneggevole dell'UTP.
Tuttavia, ha il vantaggio, grazie alla schermatura, di essere meno soggetto ad attenuazione del segnale, e di consentire velocità di trasmissione molto più elevate (fino a 500 Mbps, in linea teorica). Viene usato, perciò, quando i costi non sono un problema, anche in reti ad alta velocità di trasmissione e con molti computer connessi. Anche dei cavi UTP sono disponibili esecuzioni MMP; tuttavia, in caso di incendio l'UTP è molto meno pericoloso del coassiale. Dato che è il più usato, vediamone meglio le specifiche tecniche.
Il cavo UTP CAT 5 è utilizzato per trasmettere dati alla velocità di 100 Mbps Il numero massimo di segmenti è di 1024 (ci stiamo ampiamente, per aule, uffici, case). Ad ogni segmento può essere collegato un solo computer La lunghezza massima di ogni segmento è di 100 metri (meno che per il coassiale, e sappiamo perché: maggiore la sensibilità alla diafonia ed alle interferenze elettromagnetiche, maggiore l'attenuazione). La topologia di rete è a stella.
Si usa un connettore di tipo RJ 45, simile a quelli telefonici, ma più grande. Qui sopra ne trovate due diverse esecuzioni. Anche in questo caso, il metodo di trasmissione del segnale è CSMACD. La velocità di trasmissione va da 10 Mbps a 100 Mbps, consentiti solo dal tipo CAT 5. Quando comprate un cavo UTP (che è conforme alle specifiche 10BaseT e si chiama anche così) e specialmente se di tipo CAT 5, controllate le specifiche sulla guaina o chiedete al fornitore una fotocopia delle specifiche dichiarate dal produttore. In caso di dubbio, rivolgetevi al produttore direttamente: il Web è uno strumento potente e democratico. Il cavo di tipo CAT 5 costa più di un coassiale, ma è indispensabile se la rete deve avere una velocità di trasferimento dati di 100 Mbps: in questo caso, la rete è di tipo Fast Ethernet, e deve essere conforme alle specifiche 100BaseT. Quando vi installano una rete, chiedete sempre che durante il collaudo venga rilevata strumentalmente l'effettiva capacità di trasferimento di segnale. Non è detto che schede da 100 Mbps e cavi UTP CAT 5 garantiscano 100 Mbps. Interferenze e diafonia possono abbassare il transfer rate. In questo caso, è necessario utilizzare un cavo STP per raggiungere le prestazioni desiderate. Come nel caso del coassiale, potete acquistare cavi UTP già terminati ed in metraggi standard o prepararveli da soli. Vi servono al solito il cavo, venduto anche a bobine, dei connettori RJ 45 e le pinze di crimpaggio specifiche: attenzione: non sono uguali a quelle usate per i coassiali. Date un'occhiata qui sotto.
Un ultimo consiglio: dato che con questo tipo di rete cablata 10BaseT (o 100BaseT) avrete molti cavi in giro, e non sempre riuscirete a stabilire subito a quale computer sono connessi, è molto utile che siano di colore diverso. Altrimenti, usate o chiedete di usare dei segnacavo come quelli che vedete qui a destra. Il 90% dei problemi che dovrete risolvere dipenderà dal cablaggio e dalle connessioni. Poter distinguere i cavi l'uno dall'altro vi consentirà di risparmiare molto tempo.
Cavo coassialeE' un altro comune mezzo di trasmissione; offre un miglior isolamento rispetto al doppino e quindi consente velocità di trasmissione maggiori su distanze superiori. E costituito da un conduttore centrale in rame circondato da uno strato isolante all'esterno del quale vi è una calza metallica.
Sezione di un cavo coassiale Era molto usato nel sistema telefonico per le tratte a lunga distanza, ma in tale ambito è ormai sostituito quasi ovunque dalla fibra ottica. Rimane in uso per la TV via cavo e in molte LAN. Ci sono due tipi di cavo coassiale, per ragioni storiche più che tecniche. Premessa: il termine baseband (banda base) significa che l'intera banda passante è usata per una singola trasmissione, di tipo digitale. Il termine broadband, invece, nella telefonia indica qualunque trasmissione più ampia di 4 kHz, mentre nella trasmissione dati si riferisce a un cavo su cui viaggia un segnale analogico che, con opportune tecniche di multiplazione, viene usato per effettuare contemporaneamente più trasmissioni distinte, separate in differenti bande di frequenza. Baseband coaxial cable (50 ohm): il cavo baseband è usato per la trasmissione digitale, e consente velocità da 1 a 2 Gbps fino a circa 1 km. Per distanze superiori si devono interporre amplificatori. Broadband coaxial cable (75 ohm): è usato per la trasmissione analogica. E' il cavo standard della TV. Offre una banda di 300 MHz e può estendersi fino a quasi 100 km. La banda totale è suddivisa in canali di banda più piccola (ad es. 6 MHz per ciascun segnale TV) indipendenti gli uni dagli altri. Mentre un canale porta un segnale TV, un altro può portare una trasmissione dati (ovviamente con apparecchiature di conversione digitale/analogica e viceversa), tipicamente a 3 Mbps.
Multiplazione di più trasmissioni su un unico canale Tecnicamente, il cavo broadband è inferiore a baseband per la trasmissione digitale, ma ha il vantaggio di essere già in opera in grandi quantità (TV via cavo). Dunque, attraverso essa, le compagnie pay-TV prevedibilmente entreranno in competizione con quelle telefoniche per l'offerta di servizi trasmissione dati. I cavi coassiali (anche il cavo televisivo appartiene a questa categoria) non sono tutti uguali. Sono classificati per dimensione (indicata da un numero che segue la sigla RG impressa sulla guaina protettiva esterna), tipo (indicato da una sigla che segue il numero) ed impedenza (l'impedenza è la resistenza al passaggio di una corrente elettrica e si misura in ohm). Il cavo coassiale televisivo, ad esempio, ha un'impedenza di 75 ohm. I cavi coassiali usati per le reti hanno tutti un'impedenza di 50 ohm. Non potete in nessun caso usare un cavo televisivo per installare una rete o viceversa. Sotto trovate un cavo RG-11 (quello più spesso) ed un ottimo RG-58 C/U. Se guardate la tabella, ne trovate indicate le caratteristiche.
quelli della serie RG-58 A/U e RG-58 C/U, Thinnet o 10Base2. Dato che ne avremo bisogno, studiamo un po' meglio le specifiche tecniche 10Base2: Ogni segmento di cavo può essere lungo al massimo 185 metri (percorrendo il cavo, il segnale elettrico si attenua). Però, se ne aveste bisogno per la vostra rete domestica, mediante dei ripetitori (che amplificano il segnale) potete mettere insieme fino a cinque segmenti da 185 metri l'uno (dunque, potete usare fino a quattro ripetitori; la lunghezza massima complessiva è di 925 metri: non credo vi serviranno tutti, a casa). Questi ripetitori di solito non sono dei dispositivi esterni, ma stanno su schede di rete un po' speciali. Dunque, vi conviene acquistare delle schede con ripetitore se prevedete di espandere molto la vostra rete. In caso di necessità, all'interno di un segmento potete unire due pezzi di cavo con un connettore cilindrico. Ma non è consigliabile, perché il segnale si attenua. Di questi cinque segmenti, soltanto tre possono essere usati per connettere dei computer. Gli altri due debbono servire soltanto a collegare i tre 'attivi' (dicono che questo tipo di cavo deve rispettare la regola del 5-4-3: al massimo, cinque segmenti con quattro ripetitori; soltanto tre segmenti sono utili per mettere in rete le macchine). Ad ogni segmento possono essere collegati al massimo 30 computer (dunque, 30 computer per tre segmenti fa al massimo novanta macchine in rete: non sono molte, per una scuola. Ma a casa possono essere sufficienti. Ricordate però che se pensate di mettere in rete più di dieci macchine avete bisogno di un server). La 'topologia di rete' deve essere a bus . Che il cavo debba essere un coassiale sottile da 50 ohm di tipo RG-58 A/U o meglio RG-58 C/U lo sappiamo già. Debbono essere usati dei particolari connettori, poco familiari da noi, per la verità, conformi agli standard BNC (British Naval Connector). Nella figura qua sotto, da sinistra a destra, trovate un connettore a T, un connettore BNC, un terminatore (o tappo).
La velocità di trasmissione del segnale è di 10 Mbps. Il segnale è trasferito sulla rete con il sistema CSMA/CD. Non scappate: significa semplicemente Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection, 'accesso multiplo con rilevazione di portante/a rilevazione di collisione'. Il cavo Thinnet 10Base2 costa al massimo 1 € al metro. E' possibile acquistarlo già pronto, con i connettori BNC al loro posto ed in lunghezze predefinite, oppure farselo da soli. Non è difficile. Servono il cavo ed i connettori, ovviamente, ed una speciale pinza di crimpaggio. Qui sotto ne vedete una.
Se non volete avere problemi e siete disposti ad adattarvi alla lunghezza del cavo, compratelo bell'e fatto. Altrimenti, fate qualche prova. Dovete togliere la guaina esterna per due centimetri, mettere a nudo la calza metallica, togliere con attenzione (senza tagliar via anche i fili di rame che stanno all'interno) il rivestimento protettivo in teflon per un centimetro, mettere a nudo il conduttore in rame, sistemare il connettore al suo posto bene bene e stringere il tutto con la pinza, che è fatta apposta e si adatta benissimo. Tutto qua. Fibre otticheUna rete può essere cablata anche in fibra ottica. Questi cavi non subiscono né attenuazione né diafonia, non sono sensibili alle interferenze elettromagneriche perché i dati vengono diffusi mediante impulsi luminosi. Tuttavia, costano moltissimo. Sono uno dei mezzi più recenti, e stanno rivoluzionando il mondo delle telecomunicazioni. Sono fatte di un sottilissimo cilindro centrale in vetro, (core) circondato da uno strato esterno (cladding) di vetro avente un diverso indice di rifrazione e da una guaina protettiva. Sono quindi raggruppate insieme in una guaina contenitrice esterna.
Sezione di un cavo contenente fibre ottiche Le fibre ottiche sfruttano il principio della deviazione che un raggio di luce subisce quando attraversa il confine fra due materiali diversi (core e cladding nel caso delle fibre). La deviazione dipende dagli indici di rifrazione dei due materiali. Oltre un certo angolo, il raggio rimane intrappolato all'interno del materiale.
Deviazione del raggio luminoso Le fibre ottiche sono di due tipi :
Le fibre ottiche hanno prestazioni strepitose: con le correnti tecnologie è raggiungibile una velocità di trasmissione di 50.000 Gbps (50 Tbps) con un bassissimo tasso d'errore. La pratica attuale di usare velocità dell'ordine dei Gbps dipende dall'incapacità di convertire più velocemente segnali elettrici in luminosi. Infatti, nelle fibre ottiche, il mezzo fisico utilizzato è ovviamente la luce, e un impulso luminoso rappresenta un 1 mentre la sua assenza uno zero. Le fibre ottiche sono fatte di un vetro speciale, molto trasparente (si vedrebbe il fondo del mare, se esso fosse di questo vetro), per cui offrono una bassissima attenuazione del segnale luminoso. L'attenuazione dipende anche dalla lunghezza d'onda della luce, per cui si usano comunemente tre particolari bande per la trasmissione (tutte nell'infrarosso vicino), larghe da 25.000 GHz a 30.000 Ghz ciascuna (un'enormità). Un sistema di trasmissione ottica ha tre componenti :
Ci sono due topologie comuni per le reti basate su fibre ottiche:
passiva (fa passare l'impulso luminoso nell'anello) o attiva (converte l'impulso in elettricità, lo amplifica e lo riconverte in luce);
Vantaggi delle fibre ottiche rispetto al rame:leggerezza a parità di banda (due fibre sono più capaci di 1.000 doppini, 100 kg/km contro 8.000 kg/km); totale insensibilità a disturbi elettromagnetici; difficile l'inserimento di intrusi per spiare il traffico. Svantaggi delle fibre ottiche rispetto al rame:costo delle giunzioni; comunicazione unidirezionale (due fibre sono necessarie per una comunicazione two-way). Trasmissione senza filiLe onde elettromagnetiche, create dal movimento degli elettroni, viaggiano nello spazio (anche vuoto) alla velocità della luce e possono indurre una corrente in un dispositivo ricevente (antenna) anche molto distante. Le porzioni dello spettro elettromagnetico utilizzabili per la trasmissione dati includono:
raggi infrarossi;
onde radioSono chiamate anche onde hertziane , e vengono essenzialmente adoperate per le radio trasmissioni , cioè delle trasmissioni dei suoni a distanza. Per la loro notevole lunghezza d’onda hanno la proprietà , come i suoni , di superare la distanza . Sono quindi essenzialmente onde di superficie , nel senso che si diffrangono sulla superficie terrestre , seguendone , fino ad un cero punto , la curvatura. In generale si può dire che quanto più evidenti sono i fenomeni di diffrazione , tanto meno evidente risulta la propagazione rettilinea associata al concetto di raggio. Per questo motivo parliamo comunemente di onde hertziane e non i raggi hertziani , riservando così alla parola di raggio le radiazioni di piccola lunghezza d’onda. microondeSi chiamano microonde quelle radiazioni comprese nello spettro elettromagnetico fra le onde radio e l’infrarosso. Le microonde sono principalmente adoperate per le radio trasmissioni direzionali , atte cioè ad inviare segnali in una data direzione. Diminuendo infatti la lunghezza d’onda, incominciano a divenire meno evidenti i fenomeni di diffrazione ; le microonde , come la luce , non aggirano , per così dire , intorno agli ostacoli , ma vengono fermate ed in parte riflesse da esse. infrarossoTale componente elettromagnetica prende il nome di radiazione infrarossa perché compresa fra le microonde ed il prolungamento del visibile dalla parte del rosso. La radiazione IR si origina principalmente per emissione puramente termica , nel senso che l’energia emessa deriva dagli urti conseguenti alla agitazione termica delle molecole, ogni qualvolta la materia viene eccitata da un’opportuna sorgente di calore. Specificamente , poiché le quantità di energie in gioco sono in stretta relazione con l’eccitazione molecolare , l’analisi dello spettro infrarosso permette di ricavare utili informazioni sulla struttura della materia in relazione alla natura molecolare di essa. visibileultraviolettoLe radiazioni ultraviolette sono localizzate nello spettro elettromagnetico tra il prolungamento del visibile ed i raggi X di bassa frequenza. La radiazione UV , invisibile all’occhio umano , presenta la proprietà di impressionare le lastre fotografiche e di far divenire fluorescenti determinati corpi. Alcune sostanze infatti assorbono fortemente l’UV emettendo altre radiazioni di lunghezza d’onda maggiore , generalmente nel campo del visibile. Le radiazioni ultraviolette , presenti anche nella radiazione solare , ma fortemente assorbite dall’atmosfera , possono essere prodotte mediante scariche elettriche in un gas rarefatto. Lo studio dell’interazione tra l’UV e la materia può fornire notevoli informazioni sulla struttura atomica. Ecco uno schema dello spettro elettromagnetico:
In generale, almeno per le onde radio, l'allocazione delle frequenze dipende da un'autorità statale. Man mano che si sale di frequenza si hanno comportamenti diversi :
Anche in questo ambito la velocità di trasmissione è funzione dell'ampiezza della banda utilizzata. Si trasmettono informazioni modulando l'ampiezza, la frequenza e/o la fase dell'onda. Le schede per la rete
Esiste una notevole varietà di schede di rete che sembrano, a prima vista, molto simili tra di loro (quelle qui in alto sono di 3Com). Fate attenzione a quel che comprate. Prima ancora di uscire di casa per andare a fare acquisti, È necessario diate un'occhiata dentro i vostri computer. Controllate se avete uno slot PCI (quelli bianchi) o uno ISA (quelli neri) libero. Nel caso fossero disponibili entrambi, comprate una scheda PCI. Il vostro computer, se usate un sistema operativo della famiglia Windows 9x (o se pensate di installare Windows 2000), molto probabilmente riconoscerà automaticamente la scheda, ne installerà il driver e le assegnerà, senza che interveniate direttamente, le risorse di sistema necessarie (l'IRQ). Nel caso di una scheda di tipo ISA, invece, dovrete probabilmente farlo manualmente. Tenete conto, inoltre, del fatto che il bus ISA è molto meno efficiente di quello PCI, e che sta per essere gradualmente rimosso dalle schede madri di ultima generazione. Le schede ISA, per quanto facciano bene, tutto sommato, il loro lavoro, sono un po' più difficili da configurare, più lente, ormai obsolete. C'è il vantaggio che proprio per questo costano la metà delle altre. Ma, se possibile, non esitate ad acquistare una buona scheda PCI. Le schede sono diverse anche per la velocità a cui trasferiscono il segnale. Sono disponibili sia schede da 10 Mbps, o Ethernet, che schede da 100 Mbps, o Fast Ethernet, e perfino da 10/100 Mbps. Queste sono le più versatili, e possono essere adoperate per connettere un computer ad una rete in cui sia installate altre macchine con schede sia del primo che del secondo tipo. Sono in grado di stabilire da sole qual è la velocità di connessione più appropriata.
Ancora qualche considerazione: la marca della scheda è relativamente importante. Se acquistate schede prodotte da aziende leader di mercato, tuttavia, potete ragionevolmente aspettarvi un supporto migliore, una documentazione più accurata ed un garanzia più lunga (anche a vita: della scheda, ovviamente). Per essere sicuri della compatibilità della scheda con il sistema operativo che utilizzate, controllate che sia dichiarata sulla confezione. Se volete stare proprio tranquilli, verificate che sia dichiarata la compatibilità con la scheda Novell NE2000, che funziona in modo egregio con tutti i sistemi operativi della piattaforma x86 (o PC-IBM). Dovrebbe essere indicata anche la conformità alle specifiche IEEE 802. Reti localiAdesso che conosciamo gli elementi fisici più importanti di una rete proviamo a vederla nel suo insieme. Una rete può essere schematizzata come in figura.
I terminali: i computer che utilizziamo per accedere alla rete e richiedere informazioni La linea di trasmissione: il cavo su cui viaggiano le informazioni (ma non sempre è un cavo) I nodi: computer o dispositivi che indirizzano i terminali verso i computer host Gli host: i computer che contengono le informazioni e restituiscono i dati ai terminali Vi saranno sempre un computer che funge da terminale e un computer che funge da host. Questo vale anche per Internet. I componenti possono essere collegati ai nodi non solo direttamente, ma anche tramite calcolatori di interfaccia o tramite concentratori. Gli elementi identificabili abbiamo visto appartengono a due categorie: Hardware Le schede di rete I cavi di collegamento I dispositivi di collegamento: servono a collegare tra loro i cavi di rete, ove la tipologia di rete lo consenta (ad es. gli hub). Oltre a questi, vi sono gli switch, dispositivi intelligenti in grado di sapere su quale porta si trova il computer a cui abbiamo inviato una richiesta e quindi in grado diminuire il traffico di rete. I router, invece, sono veri e propri nodi di collegamento tra reti. Hanno un proprio software e gestiscono tabelle di collegamento che permettono di sapere qual è la strada per arrivare a un determinato computer e su quale rete questo si trova. Gli Hub e gli SwitchGli hub e gli switch servono a collegare PC, stampanti e altri dispositivi. Gli hub si differenscono dai switch per il modo in cui avviene la trasmissione del traffico di rete. Con il termine 'hub' ci si riferisce a volte ad un componente dell'apparecchiatura di rete che collega assieme i PC, ma che in effetti funge da ripetitore. E questo è perché trasmette o ripete tutte le informazioni che riceve, a tutte le porte. Gli hub possono essere usati per estendere una rete. Tuttavia ciò può produrre una grande quantità di traffico superfluo, poiché le stesse informazioni vengono inviate a tutti i dispositivi di una rete. Gli hub sono adatti alle piccole reti; per le rete con elevato livello di traffico si consiglia un'apparecchiatura supplementare di networking (ad es. uno switch che riduce il traffico non necessario).
Gli switch si avvalgono degli indirizzi di ciascun pacchetto per gestire il flusso del traffico di rete. Monitorando i pacchetti che riceve, uno switch 'impara' a riconoscere i dispositivi che sono collegati alle proprie porte per poi inviare i pacchetti solamente alle porte pertinenti. Lo switch riduce la quantità di traffico non necessario, dato che le informazioni ricevute nella porta vengono trasmesse solo al dispositivo con il giusto indirizzo di destinazione, e non come negli hub, a tutte le porte.
In una piccola rete, gli hub sono all'altezza del traffico di rete generato. Quando la rete raggiunge i 25 utenti, occorre eliminare il traffico non necessario. A tal fine, uno switch adatto suddivide la rete. Alcuni hub sono dotati di LED che segnalano il tasso di utilizzo della rete, ossia la quantità di traffico che attraversa la rete. Se il traffico è costantemente alto, può essere necessario dividere la rete mediante switch. Per aggiungere hub alla rete, occorre tener presente di alcune regole inerenti il numero di hub che possono essere collegati assieme. Gli switch possono essere usati per ampliare il numero di hub della propria rete. I Modem e i RouterIl modem è un dispositivo che va collegato direttamente al computer e che si avvale della linea telefonica per chiamare le sedi (ad es. un servizio online o un ISP). Il compito essenziale di un modem è di convertire i dati digitali necessari al computer in segnali analogici per la trasmissione attraverso la linea telefonica, e viceversa. La velocità di connessione del modem è misurata
in kilobit al secondo (Kbps). Gran parte dei modem si collegano, oggigiorno, ad
una velocità che va da 28.8Kbps a 56Kbps. Il modem LAN eguaglia il modem stand-alone, dato che si avvale della linea telefonica per collegarsi alle sedi remote. Il modem LAN, ad esempio, è sostanzialmente un ISDN o router analogico con hub Ethernet incorporato, grazie al quale gli utenti condividono le linee telefoniche e le connessioni modem. Il modem LAN si collega direttamente a ciascuna porta di rete Ethernet del computer: ne risulta una maggiore rapidità di trasferimento rispetto ai modem stand-alone. Il numero di utenti che possono condividere l'accesso alla WAN può essere aumentato ad un massimo di 25 utenti; basta collegare un hub 10BASE-T Ethernet ad una delle porte LAN del modem LAN. Il FirewallNodo configurato come barriera per impedire l'attraversamento del traffico da un segmento all'altro. I firewall migliorano inoltre la sicurezza della rete e possono fungere da barriera tra le rete pubbliche e private collegate. Possono essere implementati in un router o configurati a tal scopo come dispositivi di rete. Impiegando un firewall è possibile impedire gli accessi indesiderati, monitorare le sedi alle quali si accede più di frequente ed analizzare la quantità di larghezza di banda che la connessione Internet sta utilizzando. Software Il software di rete consente il collegamento l'uso delle risorse messe a disposizione dagli host. Il software è composto di una parte client e di una parte server. La parte server consente di condividere le risorse, la parte client di connettersi al server. Esistono vari software di rete, tra cui Novell, Banyan Vines, Microsoft, Lantastic. Dopo aver installato la scheda di rete, dobbiamo installare il software, in particolare il client necessario a collegarci al server che si trova nella nostra rete. Le impostazioni generali della rete si attivano mediante l'icona Rete dal pannello di controllo oppure, se la rete è già installata, selezionando l'icona Rete sul desktop, premendo il pulsante destro del mouse e quindi Proprietà. Si ottiene la seguente schermata.
Server e client comunicano sulla rete secondo un determinato protocollo: un insieme di regole fisse che servono a scambiarsi messaggi. Vi sono vari protocolli e ogni software di rete ne accetta solo alcuni.
La parte software è costituita dal driver della scheda di rete (necessario per vedere la scheda di rete), da un client di rete e da uno o più protocolli. I protocolli più comuni sono: NetBEUI: serve per collegarsi alle vecchie reti Microsoft ed è quindi compatibile con il vecchio Netbios, creato nel 1984 da Microsoft per le reti Dos. IPX/SPX: serve per connettersi alle reti Novell. TCP/IP: è il protocollo usato in Internet e offre parecchi vantaggi. Conviene sceglierlo nella maggior parte dei casi. Per selezionare il protocollo, basta scegliere la voce
Protocollo nella scheda di selezione del componente da aggiungere. Per
aggiungere il protocollo, dalla scheda della configurazione di rete, si
seleziona Aggiungi, poi tra i componente si seleziona Protocollo e infine il
protocollo desiderato.
Per condividere risorse, bisogna per prima cosa impostare il computer per la condivisione. Dalla scheda Configurazione, premiamo il pulsante Aggiungi e selezioniamo Servizio. Otteniamo così l'elenco dei servizi disponibili e installabili.
Per condividere i nostri archivi, dobbiamo condividere la cartella che li contiene (non possiamo condividere i singoli file). Selezioniamo la cartella, e dal menu File selezioniamo Condivisione (oppure: selezione cartella -> Tasto destro del mouse -> Condivisione). Si apre una finestra ove inserire il nome della condivisione (il nome con cui la risorsa sarà vista sulla rete), il tipo di condivisione (accesso solo in lettura, o in lettura e scrittura) e la eventuale password di accesso. La password può essere impostata per l'accesso in sola lettura, o in lettura e scrittura. Le due impostazioni convivono tranquillamente: possiamo avere utenti che accedono in sola lettura e altri che accedono in lettura e scrittura. Lo svantaggio della condivisione in una rete paritaria è il fatto che la password è unica per tutti gli utenti: tutti accedono alla risorsa con la medesima password. Il livello di protezione, pertanto, non è alto. Dopo poco tempo, la password della risorsa circola liberamente nella rete e può essere conosciuta facilmente. Volendo complicare un po' le cose, dalla scheda della configurazione di rete, possiamo attivare la scheda Controllo di accesso, che specifica come vogliamo che vengano condivise le nostre risorse. Abbiamo due possibilità: Controllo a livello di condivisione: è la scelta già esaminata, che imposta una password per ogni risorsa. Controllo di accesso a livello utente: è l'impostazione più completa ed efficace, in quanto consente di regolare la condivisione in funzione sia delle risorse, sia degli utenti che vi accedono. Tuttavia, essa richiede un server di Dominio.
Per specificare che vogliamo accedere a un Dominio, dobbiamo utilizzare il menu Proprietà del Client per reti Microsoft (dalla scheda Configurazione di rete, selezionare Client per reti Microsoft, quindi Proprietà). Otteniamo la scheda qui riprodotta, in cui possiamo specificare il dominio NT che dovrà convalidare la nostra password e il tipo di connessione che si intende utilizzare. Una volta impostata la scheda con le giuste informazioni, verrà come al solito richiesto il CD di Windows e quindi il riavvio. Alla nuova partenza, verrà richiesto di inserire un nome utente (username) e una password, insieme a un dominio, che dovranno essere convalidati da un server che si trova nel dominio specificato.
Queste impostazioni valgono solo se effettivamente utilizziamo un dominio e quindi un server in grado di riconoscere il nostro nome utente e la nostra password. Nel caso in cui lavoriamo più semplicemente in un Workgroup, l'attivazione di tali opzioni porterà a una serie di messaggi di errore in fase di partenza. I sistemi operativi di ReteIl computer è dotato di un sistema operativo di rete (NOS) e può quindi garantisce servizi ad altri utenti mediante rete. Esistono diversi tipi di sistema operativo di rete. Ad esempio, Microsoft ha prodotto diversi sistemi operativi tra cui Windows 98, Windows NT e, più recentemente, il sistema operativo Windows 2000 e Xp. Questi sistemi operativi comunicano con altri dispositivi della rete utilizzando una serie di norme. Tali norme sono dette 'protocolli'. Il sistema operativo può supportare parecchi protocolli, ma solo quei dispositivi che utilizzano lo stesso protocollo possono intercomunicare. Collegando il computer ad una rete (mediante NIC, scheda PCMCIA o modem), il computer associa automaticamente un protocollo a quello del dispositivo. Il protocollo associato con il dispositivo per default dipende dal sistema operativo installato nel computer. A esempio, Windows 95 installa per default il protocollo NetBEUI, mentre Windows 98 quello TCP/IP. Se alcuni dei computer a disposizione utilizzano il protocollo NetBEUI, mentre altri quello TCP/IP, si hanno due reti distinte. I computer che si avvalgono del protocollo NetBEUI (di solito con Windows 95) possono riconoscere e comunicare solo quei computer che si avvalgono di NetBEUI. I computer che si avvalgono invece del protocollo TCP/IP (di norma con Windows 98) possono comunicare solo con quei computer che si avvalgono di TCP/IP. Per risolvere questo problema, occorre far sì che tutti i computer della rete utilizzino lo stesso protocollo. Tabella riepilogaLa segente tabella riepiloga le caratteristiche di 802.3
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