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Nelle telecomunicazioni, in elettronica e reti di computer, la multiplazione, o multiplexing, è il meccanismo per cui la capacità disponibile di un collegamento viene condivisa tra diversi canali trasmissivi, combinando più segnali analogici o flussi di dati digitali in un solo segnale trasmesso su un singolo collegamento fisico.
La multiplazione permette di risparmiare nella comunicazione dei dati, e in particolare, di ridurre il numero di linee di segnale e il numero di componenti. Ad esempio, in elettronica, il multiplexing permette a diversi segnali analogici di essere elaborati da un unico convertitore analogico-digitale (ADC) e in telecomunicazioni diverse chiamate possono essere trasmesse usando un solo cavo.
Il componente che opera il multiplexing è chiamato multiplexer, mentre quello che opera il processo inverso è chiamato demultiplexer.
Indice |
Storia
La prima tecnologia di comunicazione che sfruttava le linee elettriche è stata quella della telegrafia. Per cui i primi interessi per il multiplexing ci sono stati per ottenere un migliore sfruttamento del telegrafo elettrico. Con l'avvento del telegrafo furono fatti i primi esperimenti per poter trasmettere più segnali telegrafici sulla stessa linea, utilizzando le tecniche di multiplexing.
Multiplazione deterministica
Si ha multiplazione deterministica (o commutazione di circuito) quando una frazione fissa della capacità trasmissiva è stabilmente allocata a ciascun canale. Ciascun utilizzatore ha a disposizione un canale trasmissivo dedicato, con la garanzia di poter utilizzare tutta la sua capacità.
L'allocazione della capacità può essere statica (configurata manualmente dal gestore della rete) o dinamica. In questo caso, per stabilire un canale di comunicazione, è normalmente necessaria una fase di creazione della connessione, nella quale vengono impegnate le risorse nei collegamenti e nei nodi. Segue la fase di utilizzo del canale, e alla fine una fase di abbattimento della connessione, che libera le risorse.
Come esempio si può considerare una conversazione telefonica che utilizza un circuito su una giunzione tra centrali: un utente compone un numero, e la rete telefonica lo elabora allocando una serie di circuiti fino al destinatario della chiamata (creazione della connessione); se il destinatario risponde, i due possono parlare utilizzando il canale; quando uno dei due abbassa il ricevitore, la rete libera le risorse impegnate (abbattimento della connessione).
Un altro esempio molto comune sono le tecnologie DSL, che permettono di trasportare su un cavo telefonico sia la comunicazione vocale analogica che un segnale dati digitale.
La capacità del collegamento può essere suddivisa in circuiti con diversi meccanismi:
- a divisione di tempo o TDM
- a divisione di frequenza o FDM
- nelle comunicazioni ottiche, la divisione di lunghezza d'onda o WDM è una forma di multiplazione a divisione di frequenza, in cui ogni canale trasmissivo viene inviato su una diversa lunghezza d'onda, e i canali possono essere combinati e separati restando nel dominio ottico, ovvero senza riconvertirli in segnali digitali.
Ogni conversazione impegna delle risorse nella rete che la trasporta. Nel caso non siano disponibili le risorse per stabilire una comunicazione, la rete rifiuta la richiesta.
L'eventuale frazione di capacità trasmissiva non utilizzata (ad esempio, le pause di una conversazione telefonica) è persa, e questo è uno dei grossi limiti della commutazione di circuito. Tra i principali vantaggi, la garanzia che, se la chiamata viene stabilita, essa godrà per tutta la sua durata delle prestazioni richieste (banda passante, ritardo costante).
Multiplazione statistica
Si ha multiplazione statistica, (spesso indicata come commutazione di pacchetto) quando il flusso di informazioni è segmentato in "pacchetti" di lunghezza limitata o fissa, contrassegnati da un preambolo e un epilogo per permettere il loro riconoscimento all'interno del flusso di dati, e che contengono le informazioni necessarie per definire la destinazione del pacchetto.
L'intera capacità trasmissiva disponibile viene impegnata per la trasmissione di ciascun pacchetto. Se vi sono più pacchetti da trasmettere contemporaneamente, questi vengono memorizzati in una coda, subendo un ritardo di accodamento e rischiando di essere scartati in caso di esaurimento della memoria disponibile per la coda.
La maggior parte delle tecnologie di multiplazione statistica non permette di garantire prestazioni prestabilite.
La multiplazione statistica è tipicamente utilizzata nelle reti di calcolatori, in ragione del tipo di traffico impulsivo che queste generano.
Si possono distinguere i seguenti tipi:
- commutazione di messaggio: l'intero messaggio da trasmettere viene inviato senza segmentazione. Questo può portare a ritardi non prevedibili in caso di grossi messaggi. Ha più che altro un valore concettuale.
- commutazione di pacchetto propriamente detta: il messaggio viene segmentato in pacchetti di lunghezza limitata, che vengono trasmessi indipendentemente. In una rete complessa, è possibile che i pacchetti seguano percorsi differenti, vengano persi o consegnati fuori ordine alla destinazione. L'esempio tipico è IP.
- commutazione di trama (frame switching): questo termine è un sinonimo di commutazione di pacchetto, ma viene utilizzato in riferimento a tecnologie di livello datalink nel modello OSI, ad esempio ethernet.
- commutazione di cella: il pacchetto ha una lunghezza fissa, e viene riempito con dati inutili se il messaggio da trasmettere non è abbastanza grande. La dimensione fissa della cella permette ottimizzazioni negli apparati di commutazione. L'esempio tipico è ATM.
- commutazione di circuito virtuale: come dice il nome, questa tecnica permette di emulare alcune caratteristiche di una rete a commutazione di circuito, pur utilizzando la multiplazione statistica. Per fare questo, prima di stabilire una comunicazione tra due calcolatori, deve essere stabilita una connessione logica (detta circuito virtuale) tra i due nodi, definendo tra l'altro il percorso che i pacchetti seguiranno. A questo percorso, su ciascun collegamento verrà associato un numero, e i commutatori dovranno solo associare a questo identificatore di circuito una porta ed un identificatore di circuito in uscita. Questo permette di garantire la consegna in ordine dei pacchetti, e facilita la realizzazione di funzioni di qualità di servizio. Questa caratteristica è propria di reti come ATM o Frame Relay.
- commutazione di etichetta (label switching): questa tecnica viene utilizzata per costruire su una rete a pacchetto diverse reti virtuali indipendenti e reciprocamente impermeabili, per esempio da dedicare a diversi gruppi di lavoro in un'azienda o diversi clienti di un provider. A ciascun pacchetto viene aggiunta una etichetta che lo identifica come appartenente ad una particolare rete virtuale, e potrà essere consegnato solo se il destinatario appartiene alla stessa rete virtuale. Tra gli esempi, le VLAN su ethernet (802.11q) e Multi Protocol Label Switching (MPLS), che è un meccanismo che crea reti private virtuali su tecnologie eterogenee, tipicamente utilizzato dai provider.
Multiplazione e teoria delle code
Lo studio di entrambi i sistemi di multiplazione sfrutta ampiamente la teoria delle code. Ad esempio:
- nella commutazione di circuito si valuta la probabilità che una telefonata non possa essere servita a causa della congestione di fascio di linee o di un commutatore. I serventi sono le linee disponibili in un fascio, i clienti le telefonate, i tempi di servizio la durata delle telefonate.
- nella commutazione di pacchetto si studia la probabiltà che un pacchetto possa essere perso perché la coda di trasmissione è piena, e le caratteristiche statistiche del ritardo di accodamento a cui andrà incontro. I serventi sono le linee di trasmissione, i clienti i pacchetti, i tempi di servizio quelli necessari per la trasmissione dei pacchetti.
Il comportamento statistico delle code in una rete determina le sue caratteristiche di qualità di servizio.
Multiplazione inversa (o demultiplazione)
Come dice il nome, la multiplazione inversa è il meccanismo per cui la capacità di più collegamenti viene aggregata per costruire un canale trasmissivo di capacità superiore. Questo comporta normalmente protocolli per distribuire i dati da trasmettere sui collegamenti disponibili, per ricomporre i dati ricevuti sui collegamenti aggregati nell'ordine corretto, per gestire i guasti e il ritorno in servizio di parte dei collegamenti.
Esempi di multiplazione inversa sono l'aggregazione di più collegamenti IEEE 802.3 tramite il protocollo LACP (802.3ad), o l'aggregazione di link ATM a bassa velocità ( T1 a 1.5Mbit/s o E1 a 2Mbit/s ) per ottenere un collegamento di capacità superiore (6-12Mbit/s o 8-16Mbit/s) Inverse multiplexing over ATM (IMA).
Multiplazione nei protocolli di trasporto
I protocolli di trasporto utilizzano il servizio di un protocollo di rete, che trasporta pacchetti da un host ad un altro, per realizzare comunicazioni tra processi applicativi.
È possibile che sia necessario stabilire più connessioni contemporanee tra applicazioni sulla stessa coppia di host. Per questo, i protocolli di trasporto hanno strumenti di multiplazione e demultiplazione (tipicamente le porte) per specificare a quale conversazione appartenga un segmento e quindi a quale vadano consegnati i dati ricevuti.
Si veda ad esempio Transmission Control Protocol, User Datagram Protocol.
