(01 - Introduzione alle reti multiservizio [modalità compatibilità])

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(01 - Introduzione alle reti multiservizio [modalità compatibilità])
Reti di accesso e reti di trasporto
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Rete di accesso
Introduzione alle reti multiservizio
E’ la porzione di rete direttamente connessa al cliente
finale
Esegue prevalentemente funzioni di concentrazione e
distribuzione
In genere la banda disponibile è limitata
Definizioni, opportunità e requisiti
Rete di trasporto
E’ la porzione di rete che interconnette tra loro le reti
di accesso
Esegue funzioni di commutazione, multiplazione e
demultiplazione
In genere ha una forte disponibilità di banda
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Corso di Laurea Specialistica
in Ingegneria delle Telecomunicazioni
Tecnologie per reti multiservizio
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Reti di accesso e reti di trasporto
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Rete di
accesso
Rete di
accesso
Rete di trasporto
Rete di
accesso
Rete di
trasporto
Rete di
accesso
Rete di
accesso
Le reti tradizionali
Fanno uso di infrastrutture e tecnologie distinte
per ogni servizio offerto, sia a livello di accesso
che di trasporto
Ciascuna rete è ottimizzata in funzione delle
caratteristiche dello specifico servizio e
incompatibile con le altre
Alcuni esempi
PSTN/ISDN per la voce
CATV per la TV via cavo
GSM per le trasmissioni mobili
ADSL per il traffico dati
Rete di
accesso
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Le reti tradizionali
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Le reti multiservizio
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Le reti multiservizio si basano su tecnologie a
livello di trasporto che consentono di veicolare
su un’unica infrastruttura di rete servizi
Quadruple-Play
Voce, dati, video (Triple-Play)
Mobile
Si parla di reti IP di nuova generazione (Next
Generation Network o NGN)
Possono essere multiservizio, multidominio e
multivendor
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Le reti multiservizio
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Opportunità
Dal punto di vista dell’utente, il nuovo scenario
consente
di utilizzare un unico terminale, fisso o mobile,
eventualmente evoluto (es. set top box), per
l’accesso a molteplici servizi
disponibilità always-on
possibilità di personalizzazione
Vantaggi in termini di
Modello tradizionale
Modello multiservizio
comodità
semplicità
costi
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Opportunità
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Dal punto di vista degli operatori di rete
Requisiti – L’approccio best effort
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Nelle reti IP tradizionali l’unico servizio offerto
è di tipo best effort
Opportunità di ridurre i costi legati alla gestione dei
singoli servizi, sfruttando un’unica piattaforma
altamente flessibile ed innovativa, basata sulla
preesistente infrastruttura di trasporto
Possibilità di controllare la qualità e fornire servizi
differenziati sulla base delle esigenze di ogni singolo
utente
Possibilità di conquistare nuove quote di mercato e
conservare un numero di clienti in costante crescita
Nessuna garanzia riguardo l’effettiva ricezione,
l’ordinamento e la prioritizzazione dei pacchetti
Il protocollo IP
è connectionless
effettua scelte di instradamento hop-by-hop
non prevede nessun meccanismo per il controllo e il
recupero degli errori
La rete ha l’unico obiettivo di consegnare i
pacchetti e lascia ai terminali il compito di
recuperare eventuali situazioni di errore
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Requisiti – L’approccio best effort
Alcune funzionalità quali, ad esempio, la
numerazione dei pacchetti e la ritrasmissione
in caso di perdita o errori, possono essere
garantite dal livello di trasporto qualora si
utilizzi il protocollo TCP (Transfer Control
Protocol)
Questo modello implementativo è stato
concepito per un tipo di traffico (FTP, TELNET,
HTTP e simili) che non necessita di requisiti
specifici
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Requisiti – Il nuovo approccio
Applicazioni di streaming audio-video, Voice
over IP (VoIP), videoconferenza o IP Television
(IPTV) impongono invece vincoli stringenti su
I tempi di consegna dei pacchetti
La percentuale delle risorse di rete utilizzate da ogni
flusso dati
Gli errori di trasmissione
Per queste nuove classi di applicazioni,
l'approccio best effort non è più sufficiente
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Requisiti – Il nuovo approccio
Occorre definire politiche di gestione atte a
garantire specifici requisiti di performance per
ciascun servizio
La rete deve essere in grado di
Riconoscere i flussi di traffico appartenti ad un
determinato tipo di servizio
Classificare il tipo di servizio sulla base dei requisiti di
performance
Differenziare il trattamento sulla rete (instradamento)
sulla base dei requisiti specifici
Garantire lo sfruttamento ottimale delle risorse
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Requisiti
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Occorre definire nuovi protocolli e metodi per
La classificazione dei flussi di traffico
La gestione della qualità del servizio (QoS)
Il routing intelligente
La gestione della banda disponibile
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Tipologie di applicazioni
Introduzione alle reti multiservizio
I servizi di nuova generazione
La realizzazione degli obiettivi di qualità
richiede una caratterizzazione dei servizi sulla
base dei requisiti di performance
In linea di principio, è possibile dare diverse
classificazioni
In questo contesto, si farà riferimento alla
classificazione definita dall’ITU nella RFC1633
Tale classificazione si basa sul ritardo che ogni
pacchetto dati subisce nel transitare attraverso
la rete
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Applicazioni Elastiche e Real-Time
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I servizi possono essere classificati in funzione
del ritardo in
Applicazioni Elastiche e Real-Time
Applicazioni Elastiche
Applicazioni Elastiche: elaborano i dati senza
vincoli di real-time e sono in grado di svolgere le
proprie funzioni anche se alcuni dati arrivano in
ritardo
Applicazioni Streaming o Real-Time: richiedono che
ogni pacchetto arrivi a destinazione entro un dato
intervallo di tempo oltre il quale verrebbe scartato
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Applicazioni Streaming o Real-Time
Tolleranti (soft real-time)
Asincrone
Adattative
Ritardi ininfluenti (email)
Adattative al ritardo
Interattive bulk
Adattative in banda
Bassa sensibilità ai ritardi (FTP)
Interattive burst
Intolleranti (hard real-time)
Media sensibilità ai ritardi (TELNET)
Adattative in banda
Non adattative
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Applicazioni elastiche
Vengono offerte in modalità best effort sulle
reti IP
e-mail, web browsing, FTP, TELNET, ecc
Elaborano i dati nell’istante in cui arrivano,
senza necessità di buffer o di una
caratterizzazione del livello di servizio richiesto
Il ritardo riduce le prestazioni delle
applicazioni, ma non al punto da renderle
inutilizzabili
Questa riduzione è dovuta al ritardo medio più che
alla distribuzione statistica dei ritardi
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Applicazioni elastiche
Le applicazioni elastiche possono essere
classificate in tre sottocategorie
applicazioni asincrone:
sono le meno sensibili ai ritardi (es. email o FAX)
la rete riesce solitamente a garantire un livello di
prestazioni sufficiente
applicazioni interattive bulk:
risentono in misura limitata degli effetti dei ritardi
(es. FTP o HTTP)
trasferiscono grandi quantità di dati che non
necessitano di essere utilizzati con precisi limiti
temporali
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Applicazioni elastiche
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applicazioni interattive burst:
sono caratterizzate da picchi istantanei nel bitrate
che varia sensibilmente rispetto al valore medio
risentono mediamente dei ritardi di trasmissione
un esempio è il servizio TELNET
Applicazioni Streaming o Real-Time
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Impongono un limite massimo al ritardo subito
dai pacchetti
se un pacchetto arriva con un ritardo superiore ad
una data soglia non è più utilizzabile e viene
conseguentemente scartato
Una importante categoria è quella delle
applicazioni di "signal playback“
riproducono in ricezione segnali generati da una
sorgente, segmentati in pacchetti e trasportati dalla
rete con un ritardo aleatorio
il ricevitore, per ricostruire correttamente il segnale,
deve evitare il rimescolamento dei pacchetti e gli
errori di temporizzazione
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Applicazioni Streaming o Real-Time
Questo comporta la necessità di un buffer in ricezione
che consenta di compensare la variazione di ritardo
tra i diversi pacchetti (jitter), ritardando la
riproduzione di ogni pacchetto della stessa quantità
(offset delay)
Viene definito il "punto di playback" che determina
l’istante temporale oltre il quale i dati in ingresso non
sono più utilizzabili per la ricostruzione del segnale
originale
Il punto di playback può essere stabilito a priori, se è
disponibile una conoscenza della rete, oppure
ricavato dall'analisi dei ritardi dei singoli pacchetti, in
modo da poter variare l'offset delay dinamicamente
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Applicazioni Streaming o Real-Time
Le applicazioni di "signal playback" si possono
suddividere in
soft real-time (o tolleranti): accettano una variazione
del ritardo massimo accumulabile da ciascun
pacchetto
hard real-time (o intolleranti): richiedono che il
ritardo massimo sia fissato a priori per evitare
qualsiasi forma di distorsione del segnale originale
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Applicazioni Streaming o Real-Time
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Generalmente, le applicazioni soft real-time
cercano di ricavare il valore dell'offset delay
dall'analisi dei ritardi
Si parla di applicazioni di Adaptive Playback
Applicazioni Streaming o Real-Time
Le performance di una applicazione real-time
vengono valutate sulla base di due parametri:
Latenza: si intende il periodo di permanenza di un
pacchetto dati nella rete, cioè il ritardo che subisce
nel percorso tra nodo sorgente e destinazione;
La sensibilità alla latenza è tanto maggiore quanto
più si richiede l'interazione tra i due estremi della
connessione
Fedeltà: si intende la qualità del segnale riprodotto
dall'applicazione
riducendo i vincoli sul ritardo è possibile incrementare
il livello di utilizzo della rete, senza che l'applicazione
ne risenta in modo pesante
Per questo motivo, per applicazioni di Adaptive
Playback è sufficiente un servizio di trasporto analogo
al classico Best Effort riferito però ad una rete priva
di carico
Esempi di applicazioni adattative sono il VoD (Video
on Demand) o la televisione diffusiva
Un'applicazione real-time intollerante richiede
un ritardo massimo ed una assoluta mancanza
di perdite
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Applicazioni Streaming o Real-Time
Un’applicazione di "signal playback" risente di
latenza e fedeltà in funzione dell’offset delay:
Da un lato, il valore dell’offset delay, determinato
sulla base della predizione dei ritardi dei pacchetti,
determina il valore della latenza di una applicazione
Dall’altro, i ritardi dei singoli pacchetti possono
ridurre la fedeltà del playback qualora eccedano il
valore dell’offset delay. In questi casi l’applicazione
può scegliere se
introdurre distorsione del segnale, modificando
l’offset delay in modo da riprodurre tutti i
pacchetti anche se in ritardo
riprodurre un segnale incompleto, scartando i
pacchetti che arrivano oltre l’offset
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27
Voce
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Rientrano in questa categoria i servizi che
realizzano uno scambio dati audio tra due terminali
L’esempio più classico è la telefonia tradizionale su
rete PSTN (Public Switched Telephone Network) e
prevede due tipologie di chiamata
POTS (Plain old telephone service)– POTS
POTS – radiomobile
Il primo gruppo può essere ancora suddiviso in
Chiamate verso numerazioni geografiche
Chiamate verso numerazioni di tipo differente (NNG Numerazione Non Geografica), come numeri verdi,
ecc. per i quali la chiamata deve passare attraverso
“reti intelligenti”
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Voce
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Con il tempo, la conversazione telefonica si è
evoluta verso soluzioni IP
La trasmissione della voce in tempo reale
direttamente su reti IP consente comunicazioni
telefoniche tra
Voce
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In una rete multiservizio è quindi possibile
instaurare una chiamata telefonica tra enduser utilizzando una rete d’accesso di vario tipo
I terminali utente possono essere
connessi alla rete PSTN
connessi tramite connessione ADSL (Asymmetric
Digital Subscriber Line)
mobili
telefoni IP
PC – PC
PC – telefono fisso
PC – cellulare
telefono fisso e cellulare – PC senza passare
attraverso la normale linea di trasmissione telefonica
POTS– terminale VoIP
Senza dubbio il fenomeno del VoIP sta avendo
un ruolo predominante e rappresenta il futuro
delle comunicazioni voce
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In una rete multiservizio è quindi possibile
instaurare una chiamata telefonica tra enduser utilizzando una rete d’accesso di vario tipo
I terminali utente possono essere
connessi alla rete PSTN
connessi tramite connessione ADSL (Asymmetric
Digital Subscriber Line)
mobili
telefoni IP
Senza dubbio il fenomeno del VoIP sta avendo
un ruolo predominante e rappresenta il futuro
delle comunicazioni voce
Voce
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La qualità del servizio voce è influenzata da
Ritardo one-way: ha due effetti distinti
Il primo è la creazione dell'eco causato dalle
conversioni bifilari e 4-wire o dall'accoppiamento
acustico in un terminale: la degradazione della
qualità inizia per ritardi dell'ordine dei 10 ms
Il secondo effetto si manifesta quando il ritardo
cresce a tal punto da compromettere la qualità
della conversazione dinamica, ovvero il ritardo a
destinazione diventa notevole. Ciò si verifica per
ritardi dell'ordine di diverse centinaia di
millisecondi
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Voce
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Jitter: è una variazione del ritardo di breve durata tra
pacchetti consecutivi
L'orecchio umano è altamente intollerante a
questo fenomeno, per cui è necessario rimuoverlo
con un buffer di de-jitterizing
Perdita di informazioni:
l'orecchio umano è in grado di tollerare la
distorsione del segnale voce fino ad una certa
soglia
nei sistemi di trasmissione basati su IP una delle
fonti principali di degradazione della qualità è l'uso
di codec di compressione caratterizzarti da un
basso bit rate, con prestazioni limitate in caso di
perdita di pacchetti
Voice Messaging
La messaggistica vocale risente della perdita
d’informazione in misura analoga al servizio
voce
Anche in questo caso i requisiti di qualità dipendono
dallo speech coder
La differenza fondamentale è che i messaggi
vocali sono maggiormente tolleranti al ritardo
perché privi dei vincoli di real-time
In tal caso il problema principale diventa quello di
stabilire quale ritardo l’utente è disposto a tollerare
tra il momento in cui richiede il servizio e il momento
in cui il messaggio voce può essere effettivamente
ascoltato
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Streaming audio
Rispetto al caso della telefonia, le applicazioni
di audio streaming richiedono requisiti di
qualità
più stringenti per quanto riguarda la perdita di
informazioni
meno vincoli di real-time
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Radio IP
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Questo servizio offre la possibilità di ascoltare
stazioni radio via web
Rispetto alle applicazioni di audio streaming, la radio
su IP impone maggiori vincoli per quanto riguarda i
ritardi, paragonabili al caso della telefonia
Il segnale audio, infatti, viene riprodotto in tempo
reale a destinazione, per cui è necessario che i ritardi
di ricetrasmissione siano minimi e che i pacchetti
arrivino nel corretto ordine per evitare errori di
temporizzazione
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Video Streaming - IPTV
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Video Streaming - IPTV
Le tipologie di servizio offerte dall’IPTV sono
L’IPTV, o Internet Protocol Television, è un
insieme di tecnologie che consentono la
distribuzione di segnali televisivi e contenuti
video di ogni tipo attraverso la rete Internet
L'utente deve essere dotato di un apposito
ricevitore, o Set-Top Box (STB), collegato da
un lato alla TV e dall'altro ad una connessione
ADSL
Broadcast TV (BTV): consiste nella fruizione
contemporanea da parte degli utenti di un "canale"
televisivo tradizionale, Free-to-air o Pay TV, in
maniera del tutto simile a quanto avviene sulla TV
tradizionale. I servizi BTV sfruttano tipicamente le
funzionalità di multicast presenti su una rete IP
Video On Demand (VOD): consiste nella visione su
richiesta di contenuti multimediali messi a
disposizione dal Service Provider. L'utente interagisce
direttamente con il Service Provider e ha a
disposizione le funzioni tipiche di un VCR (play,
pause, rewind, fast-forward). I servizi di VOD
utilizzano le comunicazioni unicast della rete IP
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Video Streaming - IPTV
I servizi IPTV richiedono un livello di affidabilità
della rete, di controllo della qualità del servizio
e disponibilità di banda molto superiore ai
servizi "best effort“
Rispetto al VoIP, comportano meno problemi
L’interattività, soprattutto nelle applicazioni Broadcast
TV, non è particolarmente elevata, per cui i vincoli sul
ritardo non sono molto rigorosi, similmente al caso
dello streaming audio
Può essere tollerato un tempo di attesa iniziale di
alcuni secondi e il jitter può essere compensato
tramite buffering
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Videotelefono
Il videotelefono è un sistema full-duplex, che
trasporta sia video che audio con vincoli di realtime analoghi al caso di una normale conversazione
telefonica
Ha la stessa tolleranza al ritardo one-way e al jitter
di una semplice conversazione voce, ma richiede
sincronizzazione audio-video per fornire "il lipsynch"
L'occhio umano è in grado di tollerare una certa
perdita di informazioni
Gli ultimi video codec Mpeg-4 forniscono una qualità
video accettabile con un rate di cancellazione dei
frame fino ad un massimo di circa 1%
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Videoconferenza
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La videoconferenza è l'interazione sincrona in audio,
video e dati fra due o più soggetti
Il protocollo utilizzato varia in funzione del tipo di rete
utilizzata
Su
Su
Su
Su
reti
reti
reti
reti
Videoconferenza
Il traffico generato da applicazioni di
videoconferenza richiede le stesse prestazioni
del VoIP ma ha un pattern di traffico
completamente differente
ISDN si utilizza il protocollo H.320
ATM il protocollo H.321
UMTS il protocollo H.324M
IP il protocollo H.323 o, in alternativa, il protocollo SIP
La dimensione e il rate dei pacchetti sono molto
variabili
La banda prioritaria da allocare per questo tipo di
traffico deve essere superiore del 20% rispetto al
bitrate nominale della sessione
Ad esempio, una sessione di videoconferenza da 384
kbps richiede l’allocazione di 460 kbps di banda
garantita
Rispetto alla ISDN, le soluzioni basate su IP presentano
maggiori problemi
la qualità è spesso compromessa dalla perdita di
pacchetti o dal ritardo in ricetrasmissione (latenza)
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Trasferimento di file
Questa categoria include tutte le applicazioni
per il trasferimento di file su Internet
Il protocollo più comune è l’FTP (File Transfer
Protocol)
I requisiti di qualità del servizio riguardano
principalmente i tempi di attesa per il
completamento del download
Finché c’è un'indicazione della percentuale di dati
trasferiti, la tolleranza sul ritardo è maggiore di
quella per una singola pagina Web
42
43
Web browsing
Questa categoria di applicazioni fa riferimento
alla visualizzazione di pagine web su siti
Internet
Il caricamento di pagine web non richiede dei
requisiti di qualità particolarmente stingenti
I vincoli relativi al ritardo sono paragonabili a quelli
per il trasferimento di dati di tipo bulk (FTP)
Dal punto di vista dell'utente, il fattore principale che
determina la qualità è dato dalla velocità di
visualizzazione di una pagina
Tipicamente, si considerano accettabili ritardi non
superiori a 10 secondi circa
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E-commerce
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Le applicazioni di commercio elettronico
consistono nello scambio attraverso la rete di
tutte le informazioni che accompagnano una
transazione commerciale
Il principale requisito richiesto è la capacità di
immediatezza e un ritardo al massimo di
qualche secondo
E’ richiesta inoltre la garanzia di un livello di
sicurezza elevato
Telemetria
46
I servizi di comando/controllo unidirezionali o
bidirezionali implicano vincoli molto stretti sul
ritardo, molto inferiori ad un secondo
Una differenza chiave rispetto alla
conversazione voce e ai servizi video è la
tolleranza zero per la perdita delle informazioni
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Telnet
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Il TELNET è un semplice protocollo che
permette l'accesso interattivo da un PC ad un
altro con un'interfaccia di tipo testuale
I requisiti relativi al ritardo dovrebbero
consentire un istantaneo eco di ritorno del
carattere e quindi ritardi brevi, di circa una
frazione di secondo
E-mail
48
Il servizio E-mail, generalmente, è considerato
un servizio di memorizzazione e di inoltro che
può essere tollerare ad un ritardo di parecchi
minuti o persino ore
Tuttavia, è importante distinguere le
comunicazioni tra un utente e il mail-server
locale dalle comunicazioni tra due server
Nel primo caso, quando l'utente comunica con il mailserver locale, si aspetta che il trasferimento della
posta venga ultimato in pochi secondi
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Segnalazione
49
Questa categoria comprende tutti i messaggi
che vengono scambiati tra entità della rete per
supporto ad applicazioni quali il set-up delle
chiamate, l’instradamento dei pacchetti,
l’aggiornamento delle tabelle di routing, ecc.
Si tratta di servizi real-time, che però sono in
grado di tollerare delle variazioni sui parametri
di qualità relativi soprattutto al ritardo
Servizi a bassa priorità
50
Rientrano in questa categoria i servizi di FAX,
SMS, MMS, ecc
In linea di principio, l'unico requisito è che le
informazioni siano trasmesse all’utente finale
prive di errori
Tuttavia, esiste un vincolo sul ritardo, dal
momento che, per qualunque applicazione
pratica, i dati sono inutili se ricevuti con un
ritardo eccessivo
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Telemedicina
Le applicazioni di telemedicina consentono ai
centri sanitari di prestare assistenza medica a
pazienti lontani mediante i mezzi di
telecomunicazione e d'informatica
I requisiti richiesti variano a seconda della
particolare applicazione
Nel caso di servizi di assistenza medica è necessario
garantire una qualità del servizio molto alta, con
requisiti paragonabili a quelli del VoIP e della
videoconferenza
Nel casodi servizi di informazione e aggiornamento, i
vincoli real-time sono meno stringenti
51
Classificazione delle applicazioni
Servizio
Voce
Videotelefonia
Videoconferenza
Gaming interattivo real-time
Gaming interattivo non-real-time
Telemetria
Telemetria bidirezionale
TELNET
Audio streaming
IPTV: video on demand
IPTV: broadcast TV
FTP
Messagistica vocale
Web-browsing
Transazioni on-line (es. E-commerce)
Posta elettronica con server in rete
Fax
Servizi a bassa priorità (es. SMS)
E-mail
DNS
Server-to-server
Segnalazione
Radio IP
Telemedicina
Non real-time
(elastico)
Soft real-time
52
Hard real-time
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Tecnologie per reti multiservizio
Tecnologie per reti multiservizio
A.A. 2012/13
Univ. CA - Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria delle Telecomunicazioni
A.A. 2012/13
Univ. CA - Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria delle Telecomunicazioni
Evoluzione delle applicazioni
Tecnologie per reti multiservizio
A.A. 2012/13
Univ. CA - Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria delle Telecomunicazioni
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