ISDN - Prima parte

Cosa è ISDN e quali sono le sue applicazioni

a cura di: Claudio Nobler

Revisori: Gianluca Bigagli, Claudio Bizzarri, Franco Pirri

ISDN - I parte: Cosa è ISDN e quali sono le sue applicazioni

Sommario

In questa parte vedremo cosa è ISDN e quali sono le sue applicazioni, con qualche esempio. Sono inoltre disponibili alcuni approfondimenti ed una parte propedeutica, accessibili dai bottoni di navigazione e dalla pagina indice della presente lezione.

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La nascita di ISDN: premessa.

Da oltre novanta anni, il telefono è uno degli strumenti di comunicazione più importanti: la rete telefonica mondiale è capillare e vastissima, e tramite la semplice composizione di un numero siamo in grado di metterci in contatto con persone distanti migliaia di chilometri in pochi secondi. Nonostante il progresso tecnologico, il telefono è comunque rimasto sostanzialmente immutato per molti anni: questo ha fatto si che tutta la rete fosse calibrata sulla quantità d'informazione minima necessaria al trasporto della voce umana. Con l'avvento delle tecnologie digitali, si sono comunque rese sempre più necessarie tecniche di trasporto dell'informazione più evolute e più flessibili. Ovviamente, in tutti i casi in cui il fattore economico non era considerato limitante, le soluzioni consistevano nella realizzazione di una rete di comunicazione dedicata. Per sfruttare invece le strutture della rete telefonica esistente venne sviluppata la tecnica dei modem, apparecchi in grado di trasformare un flusso seriale di bit in un segnale audio e viceversa. In questo settore i progressi sono stati rapidi e talvolta incredibili: la velocità è di trasmissione si è moltiplicata di un fattore 100 nel giro di pochi anni, e nel contempo è aumentata anche l'affidabilità della trasmissione grazie a tecniche di elaborazione numerica del segnale e a protocolli in grado di adattarsi alla qualità della linea;
comunque, poichè la capacità di un canale è data dalla espressione:

I = F log₂(1+S/N)
dove con F si indica la larghezza di banda disponibile e con S/N il rapporto segnale rumore di tale canale. Dato che un canale telefonico ha normalmente una banda di 3,5 KHz e un rapporto segnale rumore di 30-35 dB., si vede subito che l'attuale velocità massima di 33,6 Kbit/s è vicina al limite teorico di un canale telefonico standard; la richiesta di velocità ancora più elevate non può quindi essere soddisfatta utilizzando i modem: in questa ottica si inserisce lo standard ISDN.
A parziale smentita della precedente affermazione si può citare il fatto che alcuni costruttori hanno recentemente introdotto sul mercato nuovi modem il cui software caricato in ROM è aggiornabile per uno specifico protocollo (x2 oppure K56flex). Esso permette di raggiungere sul canale fonico la velocità di 56 Kbit/s unidirezionale.
Questa tecnologia ha trovato applicazione per la connessione di un utente remoto abbonato ad INTERNET tramite un Provider, consentendo all'utente di ricevere le informazioni di INTERNET trasmesse dal Provider alla velocità massima di 56 Kbit/s, mentre quando è l'utente a trasmettere verso il Provider, la trasmissione avviene alla velocità massima di 33,6 Kbit/s.
In realtà questo è possibile solo perchè il canale di comunicazione non è proprio del tutto analogico. Infatti, non solo l'utente deve disporre di un modem "x2" o "K56flex", ma anche il Provider deve avere un modem particolare che permetta il trasferimento dei bit tra linea telefonica e HOST direttamente in formato digitale, evitando così la consueta conversione analogico/digitale.

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La nascita di ISDN: scopi.

L'acronimo ISDN (Integrated Services Digital Network) fu adottato per la prima volta nel 1971 dal IX gruppo di studio del C.C.I.T.T. (International Telephone and Telegraph Consultative Committee), ora conosciuto come International Telecommunications Union (ITU).
La ITU è una organizzazione delle Nazioni Unite (United Nations) che coordina e standardizza le telecomunicazioni internazionali. La Raccomandazione originale per ISDN era nella CCITT Recommendation I.120 (1984) la quale descrive alcune linee guida per l'implementazione di ISDN.

Il C.C.I.T.T. stabilí due obiettivi principali:

sviluppare un sistema che potesse portare all'utente finale dei canali digitali in ingresso ed in uscita a 64 Kbit/s. Il numero di questi canali doveva essere variabile, per potersi adattare sia al doppino in rame (e sfruttare quindi la rete telefonica esistente) sia alle fibre ottiche;
pianificare uno standard di comunicazione che fornisse all'utente finale tutta una serie di "servizi" digitali, oltre alla possibilità di usufruire di questi servizi in parallelo: ad esempio, la possibilità di mantenere collegati sulla linea un telefono classico, un computer, un fax e una unità video per videoconferenze e attivare automaticamente l'apparecchiatura interessata ad un certo tipo di chiamata.

In pratica si aveva l’esigenza di realizzare una rete di telecomunicazioni che fosse in grado di supportare i vari tipi di traffico. Per questi scopi si ritenne sufficiente dedicare un canale a 64 Kbit/s ad ogni utente (denominato canale B), più un canale di servizio (il canale D) più lento, adibito al traffico di segnali di controllo (segnalazione) e al traffico di comunicazioni lente del tipo a pacchetto.
Nonostante il lavoro della CCITT fosse iniziato nel 1971, non fu elaborato nessun documento ufficiale fino al 1984, anno in cui fu pubblicato il "Red Book". Durante questi anni, diversi paesi introdussero degli standard proprietari (in particolare in Inghilterra la British Telecom, in California la Pacific Bell e in Francia la Transcom), che differivano in molti punti da quello che è lo standard attuale. Il primo servizio più o meno rispondente al "Red Book" della CCITT apparve all fine del 1986 a Oak Brook, Illinois, USA.
In Italia venne costituito nell’ottobre del 1992 il "Consorzio Promotore ISDN", allo scopo di diffondere la cultura dei nuovi servizi, per stimolare la nascita di applicazioni innovative, attivare forme concrete per rendere familiari alla clientela le potenzialità offerte dalle strutture della rete ISDN. Tra i fondatori del Consorzio vi erano il gestore del servizio pubblico TELECOM ITALIA S.p.A. e molte aziende private costruttrici di prodotti per telecomunicazioni, informatica e software applicativo.

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Le applicazioni di ISDN

Le applicazioni di ISDN sono molteplici e il loro utilizzo rappresentano una grande evoluzione nel mondo delle telecomunicazioni, specie per il fatto che ISDN è una rete numerica integrata nelle tecniche e nei servizi.
Integrata nelle tecniche perchè supporta sia la connessione di tipo a "commutazione di circuito" sia la connessione a "commutazione di pacchetto".
Integrata nei servizi perchè elimina la distinzione tra servizi vocali, trasmissione dati, testi e immagini mediante la loro integrazione in un’unica rete, trasportandole su un normale doppino telefonico, utilizzando un’unica presa standard per tutti i terminali e un unico cablaggio presso l’utente.
ISDN è il supporto che permette il trasporto delle informazioni sopra descritte e i vari produttori si sono ingegnati per sfruttarne le potenzialità sviluppando hardware e software "ad hoc".

Alcuni servizi della rete ISDN garantiti dal gestore del servizio pubblico sono i seguenti:

Fonia con servizi aggiuntivi, ad esempio:
Servizi per monitorare i costi di traffico:
Servizi di identificazione:
Servizi per ottimizzare l'utilizzo della rete:
Servizi per la comunicazione intraziendale (Gruppo Chiuso d'Utente).
Accesso ad altre reti (INTERNET, ITAPAC, RTG, ecc...)

Alcune applicazioni sviluppate "ad hoc" per ISDN da vari Costruttori sono le seguenti:

Videocomunicazione (videotelefonia - videoconferenza), con in più la possibilità di condivisione di ausili grafici (es. telescrittura).
Facsimile di Gruppo 4, il quale riesce a trasmettere una pagina in un quinto del tempo impiegato da un facsimile di Gruppo 3.
ISPBX: Centralino telefonico privato per ISDN.
Interconnessione di reti (internetworking).
Backup di linee dedicate.
Trasferimento file (host-PC, PC-PC, etc...).
Accesso a banche dati e immagini con associata fonia.
Consultazione e trasmissione di archivi iconografici (foto per giornali, per imprese operanti nel campo del turismo, moda, pubblicità, mercato immobiliare, videocataloghi commerciali, ecc.., immagini radiografiche).
Teledidattica.
Telesorveglianza.
Teleassistenza.
Telemedicina / teleconsulto.
Impaginazione di quotidiani a distanza.
Trasmissione rassegna stampa.
Stereofonia.

Nelle specifiche di ISDN si legge chiaramente che la gestione dei dati che circolano sui canali B è totalmente a carico dell'utente: egli può quindi spedire tutto ciò che desidera e in un qualunque formato decida di adottare.
Per evitare la totale anarchia dei formati, però, la CCITT ha stabilito un particolare tipo di collegamento ISDN, denominato "teleservice", all'interno del quale sono definiti tutta una serie di servizi che seguono i dettami della CCITT stessa: in questo modo, due utenti che seguono questo standard possono comunicare fra loro. Ovviamente, tranne casi eccezionali, tutti gli utenti utilizzano il "teleservice".
Vediamo in dettaglio quali sono i servizi attualmente definiti nelle specifiche:

fonia normale - la trasmissione in fonia normale avviene secondo le specifiche G.711, ovvero con campionamento a 8 KHz e quantizzazione a 12 bit: i campioni sono poi compressi a 8 bit con una legge non lineare e codificati secondo la A-law o la µ-law. La banda passante è di 3.1 KHz e va dai 300 ai 3400 Hz e la trasmissione avviene in un singolo canale B.
fonia ad alta qualità - la trasmissione in fonia ad alta qualità si attiene alle specifiche G.722: in pratica si usa una compressione adattiva in grado di portare i campioni dai 12 bit originari a 4 bit, raddoppiando quindi la frequenza di campionamento che arriva a 16 KHz. In questo caso la banda passante è di 7 KHz, da 300 a 7300 Hz, ed occupa un singolo canale B.
musica - ovviamente, la musica può essere trasmessa con uno dei metodi visti prima, ma la qualità del risultato non è certamente esaltante. Nel caso si voglia trasmettere ad alta fedeltà tramite ISDN, si ricorre alle specifiche ISO 11172, che parlano della codifica e della decodifica audio all'interno dei filmati MPEG, comunemente chiamate "Musicam" (Masking pattern Universal Sub-band Integrated Coding And Multiplexing). La forza di questo standard è che la quantità di informazioni necessarie può variare a seconda della qualità richiesta: normalmente utilizzando 110 Kbit/s per canale si ottiene una qualità indistinguibile da quella del CD audio (che richiede però 705.6 Kbit/s per canale), ma si ottengono buoni risultati anche rimanendo all'interno di un singolo canale, ovvero a 64 Kbit/s.
fax - la trasmissione di fax su ISDN avviene secondo lo standard di gruppo 4 (G.4), definito appositamente per questo metodo di trasmissione. Attualmente apparecchi fax ISDN non sono molto utilizzati, in quanto per sfruttare appieno la ottima qualità delle immagini trasmesse sono necessarie stampanti con risoluzioni elevate, che hanno un costo non indifferente specie se integrate in un apparecchio facsimile. Si preferisce quindi ricevere fax ISDN tramite un PC e poi stamparle con una normale stampante laser o a getto di inchiostro, magari a colori.
foto - la trasmissione di foto a colori tramite ISDN avviene secondo lo standard ISO JPEG: questo metodo consente di scegliere la qualità ed il fattore di compressione, in modo da deciderne le più opportune a seconda della situazione. Fattori di compressione dell'ordine di 0.1 bit/pixel possono essere raggiunti qualora si richieda all'immagine solamente un facile riconoscimento del soggetto, mentre con una compressione di 2 bit/pixel si ottengono risultati ottimi, indistinguibili dall'originale.
immagini in movimento - l'algoritmo utilizzato da ISDN per trasmettere filmati digitali è quello specificato nella raccomandazione H.261: tale algoritmo è essenzialmente valido da 40 Kbit/s a 2 Mbit/s. Per la videoconferenza e la videotelefonia, occorre inserire anche una traccia audio seguendo le specifiche H.221 (sono possibili molte opzioni, in modo da aggiustare la quantità totale in termini di bit al secondo per utilizzare al meglio le risorse disponibili): disponendo di soli 64 Kbit/s è possibile realizzare un collegamento audio-video di qualità scadente ma sufficiente alla comunicazione (si pensi che la banda utilizzata è la stessa di una normale conversazione telefonica), ma già con due canali B impegnati si ottengono buoni risultati; comunque, con velocità comprese fra 1.5 e 2 Mbit/s si ottengono risultati superiori a quelli di un videoregistratore di ottima qualità.

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I canali di ISDN e le modalità di accesso

I canali di trasmissione utilizzati per ISDN sono i seguenti:

canale "D": dedicato al trasporto dei segnali di controllo, ed ha la capacità di 16 Kbit/s. Ultimamente si è cominciato a permettere all’utente di utilizzarlo anche per trasmissione dati a "commutazione di pacchetto" per applicazioni che non richiedono alte velocità di trasmissione.
canale "E": dedicato al trasporto dei segnali di controllo ed ha la capacità di 64 Kbit/s. Spesso anch’esso è detto canale "D" perché viene utilizzato agli stessi fini di quest’ultimo, ma si deve fare attenzione a non confonderne la capacità.
canale "B": interamente utilizzabile dall'utente per il trasporto delle informazioni ed ha una capacità di 64 Kbit/s.
canali "H": aggregazioni di canali B, utilizzati dall’utente per servizi particolari. Sono implementati come:
- H0=384 Kb/s (6 canali B)
- H10=1472 Kb/s (23 canali B)
- H11=1536 Kb/s (24 canali B)
- H12=1920 Kb/s (30 canali B)

In Italia, secondo lo standard EURO-ISDN, l’utente può collegarsi alla centrale di rete pubblica secondo due modalità:

accesso base (BRA - Basic Rate Access): 2 canali B a 64 Kbit/s + 1 canale D a 16 Kbit/s, per una capacità totale di 144 Kbit/s (EURO-ISDN NET 3).
accesso primario (PRA - Primary Rate Access): 30 canali B a 64Kbit/s + 1 canale E (chiamato anch’esso D) a 64 Kbit/s , per una capacità totale di 1984 Kbit/s (EURO-ISDN NET 5).
(Negli U.S.A l'accesso primario è 23B+D).

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Come colIegarsi alla rete ISDN tramite l'accesso base

Per il collegamento tramite accesso base alla rete ISDN, il gestore del servizio pubblico provvede ad installare presso l’utente un apparecchio (o più di uno quando ad esempio si tratta di più accessi base) chiamato NT (Network Termination) il quale costituisce la terminazione di rete ISDN.
L’NT ha le seguenti caratteristiche:

termina la connessione della rete di distribuzione verso la centrale locale ("interfaccia U") alla quale è collegato tramite una coppia di conduttori all’interno di un cavo telefonico.
termina il lato centrale con il bus di utente "S" il quale, tramite un cavo telefonico a 2 coppie permette il collegamento dei terminali di utente.
utilizza l’alimentazione locale di 220 V per fornire potenza ai terminali di utente connessi sul bus S (max 8 terminali).
utilizza la telealimentazione da centrale per fornire alimentazione di emergenza a un terminale designato sul "bus S".

Per la connessione alla rete ISDN tramite collegamento diretto all'NT, si possono utilizzare solo terminali appositamente concepiti e rispondenti alle specifiche dello standard di rete (interfaccia S).

Nonostante la standardizzazione della ISO, esistono vari tipi di protocollo ISDN che si sono sviluppati in vari paesi:

1TR6 (Germania).
DASS2 (Gran Bretagna).
VN2/3 (Francia).
DSS1, detto anche Euro-ISDN (Italia ed Europa in generale).

Inoltre la normativa italiana prevede che tutte le apparecchiature che vengano a collegarsi con la rete pubblica siano omologate dal Ministero delle Poste e Telecomunicazioni, pena l’ammenda e il sequestro delle apparecchiature. Per l’omologazione il Ministero si avvale della collaborazione di laboratori accreditati tra i quali C.S.E.L.T. di Torino, per effettuare le prove di conformità alle specifiche internazionali recepite in Italia.

E’ comunque possibile utilizzare la rete ISDN come supporto per comunicazioni con tutti i terminali attualmente più diffusi, infatti è disponibile una gamma completa di adattatori di terminale (detti "TA" che sta per Terminal Adapter) per le interfacce più comuni (analogica, V24, X21, V35).
L'interfaccia del TA verso terminali non ISDN si chiama "interfaccia R".
Alcuni modelli di NT dispongono inoltre di una doppia porta "a/b" la quale costituisce un doppio adattatori di terminale (TA) per terminali telefonici analogici (detti BCA; sono telefoni analogici, modem o telefax G.3, segreteria telefonica, videotel, telefono cordless, etc...). In tal caso l’NT, tramite il TA, provvede anche a:

gestire la segnalazione telefonica con selezione decadica e multifrequenza (PULSE/TONE), con chiamata a 25 Hz.
fornire la codifica e la codifica del segnale fonico.
generare gli impulsi di conteggio a 12KHz per il conteggio degli scatti telefonici (teletaxe).
utilizzare la telealimentazione da centrale per il servizio di emergenza sui derivati.
fornire alcuni servizi telefonici supplementari.

L'interfaccia dell'NT verso la rete interna (BRI - Basic Rate Interface) può essere configurata in vari modi a seconda delle esigenze dell'utente:

Punto-punto / punto-multipunto. In genere per piccole utenze, ad esempio un piccolo ufficio o una abitazione si utilizza l’NT in configurazione "punto-multipunto" (Interfaccia S), cioè all’NT sono connessi direttamente più terminali, secondo le modalità sopra descritte. Viceversa per medie - grandi utenze l’NT viene utilizzato in configurazione "punto-punto" (Interfaccia T), cioè l’NT viene collegato ad un unico terminale il quale è l’attacco per un accesso base ISDN di una apposita scheda inserita nel centralino telefonico privato installato presso l’utente.
Lunghezza della linea per il bus S. A seconda del numero e della disposizione e della distanza dei terminali collegati all’NT tramite il bus S, l’NT deve essere predisposto opportunamente tramite uno specifico commutatore.
Sono previste le configurazioni:
- bus S passivo corto: fino a 8 terminali su una linea partente dall'NT entro una distanza di 200 metri.
- bus S passivo corto ad Y: fino a 8 terminali suddivisi su due linee partenti dall'NT entro una distanza di 100 metri per ogni linea.
- bus S passivo esteso: fino a 4 terminali entro gli ultimi 40 metri di una linea partente dall'NT lunga massimo 450 metri.
Configurazione dei numeri telefonici. Sono possibili i seguenti tipi:
- Mononumero: un solo numero telefonico per tutti i canali dell'accesso base.
- Multinumero: per ogni terminale può essere riservato un numero telefonico con cifre consecutive.
- GNR: assegnazione all'utente di un numero composto da poche cifre (il gestore del servizio pubblico richiede almeno 3 accessi base per la concessione di questo servizio).
- Selezione passante: possibilità per le chiamate esterne di raggiungere direttamente l'interno desiderato di un centralino privato. (Il gestore del servizio pubblico richiede almeno 3 accessi base per la concessione di questo servizio). Nel caso di un ISPBX con più accessi base (accesso multiplo) con numerazione in passo progressivo è possibile anche configurare le linee solo uscenti o solo entranti.
- Selezione passante con GNR: l'abbinamento dei due servizi sopra descritti.
Altri parametri di configurazione relativi all’NT stesso o alle terminazioni connesse sulle interfacce a/b.

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Come colIegarsi alla rete ISDN tramite l'accesso primario

Per il collegamento tramite accesso primario alla rete ISDN, il gestore del servizio pubblico provvede ad installare presso l’utente un apparecchio (o più di uno se si tratta di accessi multipli) chiamato LT (Line Termination) il quale costituisce la terminazione di rete ISDN.
Il dispositivo LT termina la linea proveniente dalla centrale di rete pubblica mediante l'interfaccia V. L'interfaccia dall'NT verso l'utente è chimata PRI (Primary Rate Interface). Generalmente l’utente dispone presso la propria sede di un centralino telefonico privato (ISPBX) al quale collegare l’LT in configurazione punto-punto.
Si possono richiedere al gestore del servizio pubblico anche un numero inferiore di canali anziché 30, ad esempio 15, 20 o 25 canali.
Si possono inoltre richiedere i servizi GNR e/o selezione passante.

Ultimo aggiornamento: 10 settembre 1997

NOTA: Le fotografie di apparecchiature riportate nelle slide sono utilizzate a titolo di esempio, ogni riferimento alle loro caratteristiche tecniche è puramente casuale.