Arhitecturi si principii de operare in retele

Arhitecturi si principii de operare în retele

Ierarhie de protocoale

Pentru a fi mai simple în proiectare, cele mai multe din reþele sunt organizate ca o suitã de nivele (plane), fiecare nivel bazându-se pe predecesorul. Numãrul de nivele, numele, conþinutul ºi funcþia fiecãruia diferã de la reþea la reþea. Obiectivul fiecãrui nivel este de a oferi servicii nivelelor superioare, fãrã a se apela la detalii de implementare (complexitatea de implementare este ascunsã). Astfel, nivelul n de pe o maºinã va comunica cu nivelul n de pe altã maºinã. Regulile ºi convenþiile folosite în aceastã comunicaþie sunt cunoscute sub numele de protocolul nivelului n, fig 1. Entitãþile corespunzãtoare nivelelor corespondente de pe maºini diferite se numesc procese peer. Cu alte cuvinte se face o comunicaþie (mesaje, pachete) între procese peer-to-peer prin intermediul protocolului.

fig 1 - nivele, protocoale ºi interfeþe

În realitate, transferul datelor între nivelele n de pe douã maºini diferite se face prin nivelele inferioare. În fig 1 comunicaþia virtualã se reprezintã prin linii punctate iar cea realã prin linii pline. Între nivele adiacente existã o interfaþã care defineºte ce operaþii (primitive) ºi servicii (combinaþii de primitive) oferã nivelele inferioare celor superioare. Un obiectiv major în proiectarea numãrului de nivele este definirea clarã a interfeþelor, ceea ce presupune o definire clarã a funcþiilor fiecãrui nivel. Acest mod de proiectare permite înlocuirea uºoarã a implementãrii unui nivel cu altul (de exemplu, linii telefonice cu canale satelit). Mulþimea de nivele ºi protocoale formeazã arhitectura reþelei. Specificaþiile arhitecturii trebuie sã conþinã informaþii care sã permitã o implementare conform protocolului. Atât detaliile implementãrii cât ºi specificaþiile interfeþei nu fac parte din arhitecturã, fiind ascunse unui utilizator (pot varia de la o maºinã la alta, dar respectã protocoalele ºi nivelele). Sã considerãm propagarea unei comunicaþii prin cele 7 nivele din fig 1. Un mesaj m este produs de un proces ce se executã pe nivelul 7. Mesajul este trecut nivelului 6 conform definiþiei interfeþei 6/7. Nivelul 6 transformã ºi el mesajul, sã zicem cã îl compreseazã ºi devine M ºi îl trece nivelului 5 prin interfaþa 5/6. Nivelul 5 sã zicem cã regularizeazã mesajele fãrã a le modifica, în sensul cã nu transmite un mesaj recepþionat nivelului 6 pânã ce nivelul 6 nu terminã de rezolvat cu transmisia de mesaje. În cele mai multe din reþele nu existã o limitã privind mãrimea mesajelor acceptate de nivelul 4, dar existã o limitã impusã de nivelul 3. Nivelul 4 sparge mesajele în unitãþi mai mici prevãzându-le cu headere, fig 2.

fig 2 - fluxul de informaþii pentru comunicaþia virtualã de pe nivelul 7

Headerul include informaþie de control, ca de exemplu numere de secvenþã, pentru a permite nivelului 4 de pe maºina destinaþie sã refacã mesajul din bucãþi, în ordinea corectã, dacã nivelele inferioare nu menþin precedenþa unitãþilor transmise. În alte nivele, headerele conþin mãrimi ale datelor, mãrci de timpi ºi alte câmpuri de control.

fig 3 - transformarea unui mesaj în Internet

În nivelul 3 se selecteazã linia de ieºire, se ataºeazã propriul header 252q164c ºi se trec datele nivelului 2. Nivelul 2 adaugã fiecãrei unitãþi un header dar ºi un trailer ºi se trec rezultatele nivelului 1 pentru transmisia fizicã. La recepþie, mesajul urcã nivel de nivel, absorbindu-se headerele în consecinþã. Trebuie înþeleasã importanþa comunicaþiei virtuale/reale ºi diferenþa dintre protocol ºi interfaþã. Procesele peer de pe nivelul 4, de exemplu, considerã comunicaþia ca fiind orizontalã folosind protocolul de pe nivelul 4. Ele dispun de proceduri ca SendToOtherSide ºi GetFromOtherSide, care realizeazã comunicaþia cu ajutorul nivelelor inferioare prin interfaþa 3/4. De exemplu, în fig 3 se prezintã transformarea unui mesaj trimis dintr-o aplicaþie prin TCP/IP Internet, mediul fizic fiind Ethernet.

Obiective în proiectarea nivelelor

Orice nivel trebuie sã aibã un mecanism de stabilire a conexiunii. Este nevoie de o formã de adresare pentru specificarea unei destinaþii anume sau a unor destinaþii multiple. De asemenea, trebuie sã existe un mecanism de terminare a unei conexiuni când nu mai este nevoie de ea. Alt set de decizii privesc regulile pentru transferul datelor. Astfel, datele ce sunt transmise numai într-o direcþie se spune cã comunicã simplex. Datele ce comunicã în ambele direcþii, dar nu simultan, se spune cã comunicã half-duplex, iar cele care comunicã în ambele direcþii fãrã restricþii, se spune cã comunicã full-duplex. Un protocol trebuie sã determine câte canale logice corespund unei conexiuni ºi prioritatea lor. Multe reþele prevãd cel puþin douã canale logice per conexiune, unul pentru date normale ºi altul pentru date urgente. Controlul erorilor este un obiectiv important deoarece mediul ºi circuitele fizice aferente nu sunt perfecte. Sunt cunoscute multe metode de detecþie/corecþie a erorilor, care trebuie sã fie identice pentru doi parteneri de comunicaþie. Mai mult, receptorul trebuie sã poatã spune transmiþãtorului care mesaje s-au recepþionat corect ºi care nu. Nu toate canalele de comunicaþie pãstreazã ordinea mesajelor. Pentru rezolvarea pierderii precedenþei, protocolul trebuie sã asigure mijloace de refacere. O soluþie imediatã este numerotarea mesajelor. O altã problemã ce trebuie rezolvatã este aducerea la un numitor comun a vitezei de transmisie cu cea de recepþie. Soluþiile propuse presupun un feedback al receptorului cãtre transmiþãtor. O altã problemã este inabilitatea unor nivele de a trata cu mesaje lungi. Astfel, se face dezasamblarea, transmiterea ºi recepþionarea mesajelor. În unele cazuri poate fi întâlnitã problema inversã, în care procesele solicitã transmisia în unitãþi prea mici, ce trebuie mai întâi asamblate mai multe într-un mesaj. Când este prea scump sau inoportun pentru stabilirea unei conexiuni proprii pentru fiecare pereche de procese, nivelul corespunzãtor poate decide folosirea aceleiaºi conexiuni pentru comunicaþii multiple, independente. Atâta timp cât multiplexarea/demultiplexarea se face transparent, ea poate fi folositã de orice nivel. Procedeul este folosit mai ales la nivel fizic unde traficul trebuie sã partajeze aceleaºi circuite. Dacã existã mai multe cãi între sursã ºi destinaþie, trebuie selectatã o rutã. Uneori, aceastã decizie este împãrþitã pe mai multe nivele.

Modelul de comunicaþie care cuprinde 7 nivele cu protocoalele aferente a fost propus de International Standard Organization (ISO) ca un prim pas în standardizarea intenaþionalã a diferitelor protocoale (Day ºi Zimmermann, 1983). Acest model este denumit ISO OSI (Open Systems Interconnection) Reference Model deoarece trateazã conectarea unor sisteme deschise, adicã sisteme ce pot comunica cu oricare altele. Principiile aplicate în derivarea celor 7 nivele au fost :

un nivel trebuie creat dacã apare un plan de abstractizare diferit

orice nivel trebuie sã realizeze o funcþie bine definitã

funcþia fiecãrui nivel trebuie aleasã pentru a se putea defini protocoale standardizate internaþional

marginile unui nivel trebuie alese pentru minimizarea fluxului de informaþii între interfeþe

numãrul de nivele trebuie sã fie nici prea mare (arhitectura devine inoperantã), nici prea mic (funcþii diferite nu pot fi în acelaºi nivel)

În fig 4 se prezintã o reþea formatã din 4 noduri, fiecare având încârcate un numãr de nivele din cele 7.

fig 4 - modelul ISO/OSI pentru o reþea

			R

Prezentãm pe scurt funcþia fiecãrui nivel :

aplicaþie - realizeazã comunicaþia între procesele user/aplicaþii. Celelalte nivele sunt create pentru a-l suporta pe acesta. Exemple de aplicaþii : email, www, ftp, SGBD distribuit, tele(video)conferencing

prezentare - se face conversia datelor într-un format comun, de exemplu little endian versus big endian

sesiune - se leagã douã aplicaþii pe baza unei "legãturi", se realizeazã autentificarea, recuperarea din stãri de eroare

transport - asigurã un serviciu de transport universal (end-to-end data delivery), comunicaþie end-host to end-host, se pot multiplexa mai multe streamuri din nivelele superioare, se sincronizeazã viteze de transmisie cu cele de recepþie

reþea - acceptã pachete din nivele superioare ºi declanºeazã trimiterea lor, controleazã rutarea pachetelor în reþea, detecteazã ºi rezolvã blocaje, congestii (uneori ultimele funcþii fac parte din transport)

date - se face comunicaþia la nivel de frame pe un singur canal

fizic - se face comunicaþia biþilor (0/1) pe fir

Funcþiile generice ce pot exista într-un nivel sunt :

controlul erorilor - gestionarea mesajelor pierdute sau care nu mai respectã ordinea

controlul fluxului - asigurã un echilibru între puterea de procesare ºi viteza de comunicaþie

alocarea resurselor - se alocã resursele fizice (buffere, bandã de frecvenþã) ºi logice (structuri de date)

fragmentarea - se împart datele în unitãþi de transmisie dupã care se asambleazã

multiplexarea - se combinã sesiuni din nivele superioare în unele mai scurte

setup la conectare - se iniþiazã comunicaþia logicã cu o altã entitate

adresare/numire - se gestioneazã identificatori asociaþi entitãþilor

compresie - se reduce rata de transfer

criptare

gestiunea timer-ului - se þine o evidenþã a comunicaþiei, se face revenirea din erori

Proiectarea unei arhitecturi de comunicaþie pe bazã de nivele prezintã avantaje indiscutabile dar poate crea ºi unele probleme :

nivelul n poate duplica funcþii din nivele inferioare, de exemplu refacerea din eroare pe principiul hop-to-hop sau end-to-end

diverse nivele pot avea nevoie de aceeaºi informaþie, de exemplu marca de timp

uneori, nivelul n are nevoie de informaþii din nivelul n-2, de exemplu la fragmentare

Principii de operare în reþea

Dupã cum s-a vãzut, o reþea poate fi privitã ca un sistem desemnat a transmite grupuri de biþi (numite pachete) sau streamuri de biþi între end-sisteme, ca de exemplu computere sau alte dispozitive. Un stream de biþi este o secvenþã de biþi corespunzãtoare unui semnal vocal ºi care în mod normal are o viteza de 64 kbps. Un serviciu de comunicaþie poate fi :

orientat conexiune

fãrã conexiune

Un serviciu orientat conexiune este echivalent unei legãturi dedicate. Biþii sau pachetele sunt transmise în ordinea corectã ºi posibil (dependent de specificaþii ) fãrã erori. Un serviciu fãrã conexiune transmite pachetele unul câte unul, fãrã a þine cont cã fac parte dintr-o grupare logicã. Astfel, pentru a implementa un serviciu orientat conexiune unele noduri din reþea trebuie sã ieie act de aceastã conexiune. Aceste noduri vor executa un setup de conectare înainte de transmiterea datelor. Este posibil, de asemenea, sã se rezerve resurse (buffere în noduri, capacitate de transmisie) pentru conexiunea ce se va realiza, garantându-se o calitate a serviciului (rata serviciului, delay maxim end-to-end, o ratã minimã de transfer, etc). Un serviciu orientat conexiune poate fi construit deasupra unui serviciu fãrã conexiune (se va gestiona reordonarea pachetelor ºi retransmiterea pachetelor corupte). Pentru conectarea unui numãr de end-sisteme la o reþea se folosesc combinaþii de comutatoare ºi canale. Canalele sunt partajate de transmisiile care se fac printr-o tehnicã de multiplexare. Comutatoarele direcþioneazã pachetele sau streamurile la destinaþia specificatã. Suplimentar, în reþea se mai poate face un control al erorilor sau al fluxului de date.

Multiplexarea la nivel MAC

Multiplexarea este o metodã de partajare a unui canal de comunicaþie de mai multe streamuri (pachete sau streamuri de biþi). Un canal de comunicaþie este un suport fizic ce permite transmiterea de semnale analogice (orice valoare dintr-un interval) sau digitale (biþi). În comunicaþii se folosesc o serie de scheme de multiplexare. Înþelegerea funcþionãrii lor permite aprecierea caracteristicilor ºi posibilitatea folosirii adecvate în diverse aplicaþii ce necesitã suport de comunicaþii. Schemele de multiplexare separã streamurile de informaþii în semnale ce pot fi refãcute similar la recepþie. În mod principial, semnalele sunt separate prin ortogonalizarea lor în timp, frecvenþã sau cod.

Multiplexarea în timp presupune :

multiplexarea prin divizarea timpului

multiplexarea statisticã

accesul multiplu

Multiplexarea în frecvenþã presupune :

multiplexarea divizãrii în frecvenþã

multiplexarea divizãrii lungimii de undã

Multiplexarea pe bazã de cod presupune :

multiplexarea prin divizarea codului

În continuare prezentãm grafic toate aceste tipuri de multiplexare. Multiplexarea prin divizarea timpului divide timpul în frame-uri ºi fiecare frame în N sloturi. Sloturile sunt alocate periodic la cele N semnale, fig 5

								Frame

fig 5 - multiplexarea prin divizarea timpului

Bufferele de intrare pot stoca intrãrile pe parcursul unui frame. Viteza pe canal este mai mare sau egalã cu suma maximelor ratelor de sosire a streamurilor.

Avantaje : simplitate, mãrginirea timpului de propagare, nu existã posibile interacþiuni

Dezavantaje : este ineficientã dacã ratele de sosire a streamurilor variazã mult

Multiplexarea prin divizarea statisticã permite transmisia pachetelor ori de câte ori sunt pregãtite, posibil folosind mecanisme de planificare pentru favorizarea constituirii unor pachete în defavoarea altora (pe bazã de prioritate, EDF), fig 6

fig 6 - multiplexarea prin divizarea statisticã

Bufferele de intrare trebuie sã poatã reþine intrãri în avalanºã. Rata de transfer a canalului este mai mare sau egalã cu suma mediei ratelor de sosire a streamurilor. Întârzierea pe canal depinde de trafic.

Avantaje : o bunã utilizare chiar în cazul traficului în avalanºã

Dezavantaje : întârzierile în comunicaþie sunt aleatoare putând duce ºi la pierderi de informaþie