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 rețele sunt organizate ca o suită de nivele (plane), fiecare nivel bazându-se pe predecesorul. Numărul de nivele, numele, conținutul și funcția fiecăruia diferă de la rețea la rețea. Obiectivul fiecărui nivel este de a oferi servicii nivelelor superioare, fără a se apela la detalii de implementare (complexitatea de implementare este ascunsă). Astfel, nivelul n de pe o mașină va comunica cu nivelul n de pe altă mașină. Regulile și convențiile folosite în această comunicație sunt cunoscute sub numele de protocolul nivelului n, fig 1. Entitățile corespunzătoare nivelelor corespondente de pe mașini diferite se numesc procese peer. Cu alte cuvinte se face o comunicație (mesaje, pachete) între procese peer-to-peer prin intermediul protocolului.

fig 1 - nivele, protocoale și interfețe

În realitate, transferul datelor între nivelele n de pe două mașini diferite se face prin nivelele inferioare. În fig 1 comunicația virtuală se reprezintă prin linii punctate iar cea reală prin linii pline. Între nivele adiacente există o interfață care definește ce operații (primitive) și servicii (combinații de primitive) oferă nivelele inferioare celor superioare. Un obiectiv major în proiectarea numărului de nivele este definirea clară a interfețelor, ceea ce presupune o definire clară a funcțiilor fiecărui nivel. Acest mod de proiectare permite înlocuirea ușoară a implementării unui nivel cu altul (de exemplu, linii telefonice cu canale satelit). Mulțimea de nivele și protocoale formează arhitectura rețelei. Specificațiile arhitecturii trebuie să conțină informații care să permită o implementare conform protocolului. Atât detaliile implementării cât și specificațiile interfeței nu fac parte din arhitectură, fiind ascunse unui utilizator (pot varia de la o mașină la alta, dar respectă protocoalele și nivelele). Să considerăm propagarea unei comunicații prin cele 7 nivele din fig 1. Un mesaj m este produs de un proces ce se execută pe nivelul 7. Mesajul este trecut nivelului 6 conform definiției interfeței 6/7. Nivelul 6 transformă și el mesajul, să zicem că îl compresează și devine M și îl trece nivelului 5 prin interfața 5/6. Nivelul 5 să zicem că regularizează mesajele fără a le modifica, în sensul că nu transmite un mesaj recepționat nivelului 6 până ce nivelul 6 nu termină de rezolvat cu transmisia de mesaje. În cele mai multe din rețele nu există o limită privind mărimea mesajelor acceptate de nivelul 4, dar există o limită impusă de nivelul 3. Nivelul 4 sparge mesajele în unități mai mici prevăzându-le cu headere, fig 2.

fig 2 - fluxul de informații pentru comunicația virtuală de pe nivelul 7

Headerul include informație de control, ca de exemplu numere de secvență, pentru a permite nivelului 4 de pe mașina destinație să refacă mesajul din bucăți, în ordinea corectă, dacă nivelele inferioare nu mențin precedența unităților transmise. În alte nivele, headerele conțin mărimi ale datelor, mărci de timpi și alte câmpuri de control.

fig 3 - transformarea unui mesaj în Internet

În nivelul 3 se selectează linia de ieșire, se atașează propriul header 252q164c și se trec datele nivelului 2. Nivelul 2 adaugă fiecărei unități un header dar și un trailer și se trec rezultatele nivelului 1 pentru transmisia fizică. La recepție, mesajul urcă nivel de nivel, absorbindu-se headerele în consecință. Trebuie înțeleasă importanța comunicației virtuale/reale și diferența dintre protocol și interfață. Procesele peer de pe nivelul 4, de exemplu, consideră comunicația ca fiind orizontală folosind protocolul de pe nivelul 4. Ele dispun de proceduri ca SendToOtherSide și GetFromOtherSide, care realizează comunicația cu ajutorul nivelelor inferioare prin interfața 3/4. De exemplu, în fig 3 se prezintă transformarea unui mesaj trimis dintr-o aplicație prin TCP/IP Internet, mediul fizic fiind Ethernet.

Obiective în proiectarea nivelelor

Orice nivel trebuie să aibă un mecanism de stabilire a conexiunii. Este nevoie de o formă de adresare pentru specificarea unei destinații anume sau a unor destinații multiple. De asemenea, trebuie să 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 direcție se spune că comunică simplex. Datele ce comunică în ambele direcții, dar nu simultan, se spune că comunică half-duplex, iar cele care comunică în ambele direcții fără restricții, se spune că comunică full-duplex. Un protocol trebuie să determine câte canale logice corespund unei conexiuni și prioritatea lor. Multe rețele prevăd cel puțin două canale logice per conexiune, unul pentru date normale și altul pentru date urgente. Controlul erorilor este un obiectiv important deoarece mediul și circuitele fizice aferente nu sunt perfecte. Sunt cunoscute multe metode de detecție/corecție a erorilor, care trebuie să fie identice pentru doi parteneri de comunicație. Mai mult, receptorul trebuie să poată spune transmițătorului care mesaje s-au recepționat corect și care nu. Nu toate canalele de comunicație păstrează ordinea mesajelor. Pentru rezolvarea pierderii precedenței, protocolul trebuie să asigure mijloace de refacere. O soluție imediată este numerotarea mesajelor. O altă problemă ce trebuie rezolvată este aducerea la un numitor comun a vitezei de transmisie cu cea de recepție. Soluțiile propuse presupun un feedback al receptorului către transmițător. O altă problemă este inabilitatea unor nivele de a trata cu mesaje lungi. Astfel, se face dezasamblarea, transmiterea și recepționarea mesajelor. În unele cazuri poate fi întâlnită problema inversă, în care procesele solicită transmisia în unități 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 corespunzător poate decide folosirea aceleiași conexiuni pentru comunicații multiple, independente. Atâta timp cât multiplexarea/demultiplexarea se face transparent, ea poate fi folosită de orice nivel. Procedeul este folosit mai ales la nivel fizic unde traficul trebuie să partajeze aceleași circuite. Dacă există mai multe căi între sursă și destinație, trebuie selectată o rută. Uneori, această decizie este împărțită pe mai multe nivele.

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

un nivel trebuie creat dacă apare un plan de abstractizare diferit

orice nivel trebuie să realizeze o funcție bine definită

funcția fiecărui nivel trebuie aleasă pentru a se putea defini protocoale standardizate internațional

marginile unui nivel trebuie alese pentru minimizarea fluxului de informații între interfețe

numărul de nivele trebuie să fie nici prea mare (arhitectura devine inoperantă), nici prea mic (funcții diferite nu pot fi în același nivel)

În fig 4 se prezintă o rețea formată din 4 noduri, fiecare având încârcate un număr de nivele din cele 7.

fig 4 - modelul ISO/OSI pentru o rețea

			R

Prezentăm pe scurt funcția fiecărui nivel :

aplicație - realizează comunicația între procesele user/aplicații. Celelalte nivele sunt create pentru a-l suporta pe acesta. Exemple de aplicații : 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 leagă două aplicații pe baza unei "legături", se realizează autentificarea, recuperarea din stări de eroare

transport - asigură un serviciu de transport universal (end-to-end data delivery), comunicație end-host to end-host, se pot multiplexa mai multe streamuri din nivelele superioare, se sincronizează viteze de transmisie cu cele de recepție

rețea - acceptă pachete din nivele superioare și declanșează trimiterea lor, controlează rutarea pachetelor în rețea, detectează și rezolvă blocaje, congestii (uneori ultimele funcții fac parte din transport)

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

fizic - se face comunicația biților (0/1) pe fir

Funcțiile generice ce pot exista într-un nivel sunt :

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

controlul fluxului - asigură un echilibru între puterea de procesare și viteza de comunicație

alocarea resurselor - se alocă resursele fizice (buffere, bandă de frecvență) și logice (structuri de date)

fragmentarea - se împart datele în unități de transmisie după care se asamblează

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

setup la conectare - se inițiază comunicația logică cu o altă entitate

adresare/numire - se gestionează identificatori asociați entităților

compresie - se reduce rata de transfer

criptare

gestiunea timer-ului - se ține o evidență a comunicației, se face revenirea din erori

Proiectarea unei arhitecturi de comunicație pe bază de nivele prezintă avantaje indiscutabile dar poate crea și unele probleme :

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

diverse nivele pot avea nevoie de aceeași informație, de exemplu marca de timp

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

Principii de operare în rețea

După cum s-a văzut, o rețea poate fi privită ca un sistem desemnat a transmite grupuri de biți (numite pachete) sau streamuri de biți între end-sisteme, ca de exemplu computere sau alte dispozitive. Un stream de biți este o secvență de biți corespunzătoare unui semnal vocal și care în mod normal are o viteza de 64 kbps. Un serviciu de comunicație poate fi :

orientat conexiune

fără conexiune

Un serviciu orientat conexiune este echivalent unei legături dedicate. Biții sau pachetele sunt transmise în ordinea corectă și posibil (dependent de specificații ) fără erori. Un serviciu fără conexiune transmite pachetele unul câte unul, fără a ține cont că fac parte dintr-o grupare logică. Astfel, pentru a implementa un serviciu orientat conexiune unele noduri din rețea trebuie să ieie act de această conexiune. Aceste noduri vor executa un setup de conectare înainte de transmiterea datelor. Este posibil, de asemenea, să 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 rată minimă de transfer, etc). Un serviciu orientat conexiune poate fi construit deasupra unui serviciu fără conexiune (se va gestiona reordonarea pachetelor și retransmiterea pachetelor corupte). Pentru conectarea unui număr de end-sisteme la o rețea se folosesc combinații de comutatoare și canale. Canalele sunt partajate de transmisiile care se fac printr-o tehnică de multiplexare. Comutatoarele direcționează pachetele sau streamurile la destinația specificată. Suplimentar, în rețea se mai poate face un control al erorilor sau al fluxului de date.

Multiplexarea la nivel MAC

Multiplexarea este o metodă de partajare a unui canal de comunicație de mai multe streamuri (pachete sau streamuri de biți). Un canal de comunicație este un suport fizic ce permite transmiterea de semnale analogice (orice valoare dintr-un interval) sau digitale (biți). În comunicații se folosesc o serie de scheme de multiplexare. Înțelegerea funcționării lor permite aprecierea caracteristicilor și posibilitatea folosirii adecvate în diverse aplicații ce necesită suport de comunicații. Schemele de multiplexare separă streamurile de informații în semnale ce pot fi refăcute similar la recepție. În mod principial, semnalele sunt separate prin ortogonalizarea lor în timp, frecvență sau cod.

Multiplexarea în timp presupune :

multiplexarea prin divizarea timpului

multiplexarea statistică

accesul multiplu

Multiplexarea în frecvență presupune :

multiplexarea divizării în frecvență

multiplexarea divizării lungimii de undă

Multiplexarea pe bază de cod presupune :

multiplexarea prin divizarea codului

În continuare prezentăm grafic toate aceste tipuri de multiplexare. Multiplexarea prin divizarea timpului divide timpul în frame-uri și 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 intrările pe parcursul unui frame. Viteza pe canal este mai mare sau egală cu suma maximelor ratelor de sosire a streamurilor.

Avantaje : simplitate, mărginirea timpului de propagare, nu există posibile interacțiuni

Dezavantaje : este ineficientă dacă ratele de sosire a streamurilor variază mult

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

fig 6 - multiplexarea prin divizarea statistică

Bufferele de intrare trebuie să poată reține intrări în avalanșă. Rata de transfer a canalului este mai mare sau egală cu suma mediei ratelor de sosire a streamurilor. Întârzierea pe canal depinde de trafic.

Avantaje : o bună utilizare chiar în cazul traficului în avalanșă

Dezavantaje : întârzierile în comunicație sunt aleatoare putând duce și la pierderi de informație