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Maria Luisa MERANI
Professore Associato
Dipartimento di Ingegneria "Enzo Ferrari"
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Insegnamento: Networking Technologies and Protocols
Electronics engineering (Offerta formativa 2023)
Obiettivi formativi
L’obiettivo del corso è duplice. Da un lato familiarizzare gli studenti con le più recenti evoluzioni delle tecnologie wireless per il networking, ponendo un’enfasi particolare sulle soluzioni destinate alla progettazione dei sistemi Internet of Things (IoT). Dall’altro far acquisire agli studenti una visione sistemica della modalità con cui i dati sono veicolati sulle reti IP, da sorgente a destinazione, e di come questo possa avvenire con successo nel caso di servizi voce e video, oggi più che mai fondamentali nella società contemporanea.
Prerequisiti
Per seguire con profitto il corso è necessaria la padronanza delle nozioni di base nell’ambito delle reti di telecomunicazioni, oltre che la conoscenza dell’architettura delle reti IP.
Programma del corso
Connettività wireless (2 CFU)
- Reti wireless in area locale: la famiglia degli standard 802.11 e le sue più recenti evoluzioni. Correda questo argomento una esercitazione su cattura e analisi di traffico 802.11;
- Soluzioni wireless per applicazioni safety day-one in ambito veicolare: gli standard Dedicated Short Range Communications (DSRC) in ambito 802.11 e New Radio (NR)-V2X nei sistemi 5G.
(17 ore)
Internet of Things (IoT) (2,5 CFU)
- Scenario e soluzioni alternative di connettività;
- La tecnologia Long Range (LoRa) e LoRa Wide Area Network (WAN);
- Laboratorio per lo sviluppo di applicazioni IoT basate sulla scheda Arduino Yùn.
(20 ore)
Routing (2 CFU)
- Brevi richiami sulle principali funzionalità dell’Internet Protocol versione 4 (IPv4);
- Algoritmo di Bellman-Ford e algoritmo di Dijkstra;
- Struttura della rete Internet: sistemi autonomi, aree di routing, router di confine;
- Protocolli di routing: Routing Information Protocol (RIP), Open Shortest Path First (OSPF) e Border Gateway Protocol (BGP). Corredano questo argomento due esercitazioni che vertono su routing statico e su cattura e analisi di traffico RIP;
- Stime di capacità: le tecniche "variable packet size" e “packet pair”.
(16 ore)
Voice e Video over IP (2,5 CFU)
- Principali funzionalità dei codec VoIP;
- Il degrado introdotto dalla rete: packet loss, jitter ed eco;
- Tecniche di error concealment per connessioni audio e video;
- Codifica video: modello spazio-temporale, spazi colore, formati video;
- Codificatori video scalabili;
- Architetture di distribuzione video: approccio tradizionale client-server, Content Delivery Networks (CDN), Dynamic Adaptive Streaming over HTTP (DASH), soluzioni Peer-to-Peer (P2P).
(20 ore)
Metodi didattici
Il corso si svolge in presenza e viene totalmente erogato in lingua inglese.
I metodi didattici comprendono:
- lezioni frontali, durante le quali la docente stimola l’interazione con gli studenti;
- esercitazioni, condotte a piccoli gruppi;
- laboratorio su IoT.
La frequenza è facoltativa, ma fortemente suggerita.
Testi di riferimento
M.L. Merani, M. Casoni, W. Cerroni, "Hands on Networking - from Theory to Practice", ed. Cambridge University Press.
At the beginning of the class, the instructor will make available:
- the pdf files of the slides used during the class and laboratory lessons;
- the template for the laboratory reports;
- additional useful material, such as links to webinars and conferences.
Further suggested books:
J. Kurose, K. Ross, "Computer Networks: A Top-Down Approach", ed. Pearson
C. Perkins "RTP Audio and video for the Internet" ed. Addison Wesley
Verifica dell'apprendimento
L'esame si compone: (i) di una prova scritta;
(ii) delle relazioni sulle esercitazioni di laboratorio, da condurre in piccoli gruppi;
(iii) del progetto di un sistema in ambito Internet of Things (IoT), da realizzare in gruppo.
Struttura della prova scritta: cinque/sei quesiti a risposta aperta, che vertono sugli argomenti teorici discussi a lezione e che possono prevedere la risoluzione di problemi numerici; una decina di quesiti a risposta chiusa. Il riparto dei punteggi attributi ai quesiti a risposta aperta e a risposta chiusa è indicativamente pari a 25 e 5. Per i quesiti a risposta chiusa, vengono attribuiti 0.5 punti in caso di risposta corretta, 0 punti in caso di risposta non fornita, -0.5 punti in caso di risposta errata.
Durata della prova scritta: 1 ora e 30 minuti. Non è consentita la consultazione di alcun tipo di materiale.
Le relazioni sulle esercitazioni proposte in laboratorio sono da redigere in accordo con il modello predefinito messo a disposizione sul portale Moodle e devono essere consegnate entro il 30 giugno.
Il progetto IoT richiede: a) una breve relazione di accompagnamento che illustri l’idea progettuale e la soluzione implementativa individuata;
b) un prototipo funzionante;
c) una dimostrazione dell’effettivo funzionamento del sistema progettato, corredata da una presentazione orale con file pptx.
La presentazione del progetto avviene in una data flessibile, concordata con la docente.
I criteri di valutazione sono:
- for la prova scritta e le relazioni di laboratorio: correttezza, accuratezza e completezza;
- per il progetto IoT: originalità, livello di complessità, accuratezza della relazione, prototipo correttamente funzionante durante la dimostrazione.
La valutazione attribuita alla prova scritta e al progetto è espressa in trentesimi. Il peso attribuito alla prova scritta è w_test=0.6, il peso del progetto e della relativa realizzazione prototipale è w_project=0.3. Le relazioni sulle esercitazioni di laboratorio consentono di ottenere 1, 2 o 3 punti ulteriori, sulla base della loro correttezza ed accuratezza. Il voto finale G è determinato come media pesata delle valutazioni conseguite nella prova scritta e nel progetto, cui si sommano i punti attributi alle relazioni di laboratorio.
Risultati attesi
Al termine del corso, le competenze che lo studente acquisisce sono:
Conoscenza degli standard per reti Wi-Fi e della loro evoluzione corrente;
Conoscenza delle soluzioni di connettività wireless per sistemi Internet of Things (IoT), con specifico riferimento a LoRa e LoRa WAN;
Conoscenza degli standard per comunicazioni Vehicle-to-Everything (V2X) in ambito 802.11 e 5G;
Conoscenza degli algoritmi e dei protocolli di routing su reti IP;
Conoscenza delle soluzioni per stimare capacità e banda su reti IP;
Conoscenza delle problematiche di rete sottese alle principali applicazioni multimediali, con enfasi su Voice over IP (VoIP) e Video over IP (VIP);
Capacità di selezionare le tecnologie wireless più adeguate per risolvere problemi di connettività in contesti diversi, individuandone punti di forza e debolezze;
Capacità di analizzare criticamente la complessità delle soluzioni di routing centralizzate e distribuite, distance-based e vector-based;
Capacità di analizzare criticamente le problematiche progettuali delle soluzioni Voice over IP e Video over IP in reti cablate e wireless;
Abilità nel progettare autonomamente sistemi IoT completi.