Retele de calculatoare
Retelele de calculatoare se impun īn locurile unde se necesita comunicarea datelor īntre sisteme de calcul sau posibilitatea
corelarii datelor provenite de la calculatoare independente. Cea mai importanta caracteristica este īmpartirea surselor, adica
accesul la programe, date 626s1810g si echipamente, pentru fiecare utilizator, indiferent de locul unde se afla. Un alt avantaj al retelelor
este posibilitatea accesului simultan, prin duplicarea fitierelor. Dupa distanta la care sīnt distribuite componentele, putem
distinge:
- retele locale (LAN) - de la 10 m la 1 km;
- retele teritoriale (WAN);
- superretea (Internetworking) - reteaua care leaga mai multe retele teritoriale.
Retelele locale sīnt acele sisteme la care timpul de propagare a semnalelor, comparativ cu durata de transmisie a unui singur
bit, este mai mare, iar comparativ cu durata tipica a unui mesaj, este mai mica. Sīnt independente de sistemele publice de
telecomunicatie existente, si pot folosi medii de comunicatii private. Mediile de transmisie asigura o rata de eroare foarte
redusa. Nu au comutatoare de pachete, īnsa fiecare element de prelucrare va poseda o interfata de retea. La aceasta
interfata pot fi conectate terminale inteligente, calculatoare personale, micro- si minicalculatoare. Retelele locale trebuie
concepute īntr-un mod care permite interconectarea cu retelele teritoriale.
Retelele teritoriale utilizeaza un subsitem de comunicatie, deci functiile de comunicatie sīnt fizic separate de cele de
prelucrare, si sīnt implementate ca noduri de comunicatie interconectate. Comunicatia se bazeaza pe tehnica comutarii de
pachete care asigura partajarea eficienta a resurselor de comunicatie. Fiecare mesaj se īmparte īn pachete care se transmit
independent. Un pachet trebuie sa contina suficiente informatii de control, ca dirijarea sa prin retea sa se realizeze
independent de celelalte pachete. Rolul nodurilor este gestionarea si realizarea rutei pentru fluxul de pachete.
Dorinta de a realizara o superretea la care sīnt conectate toate calculatoarele existente a aparut īn anii '80. Īn cadrul ei,
retelele teritoriale sīnt legate prin satelite.
Retelele de calculatoare au fost concepute īntr-o maniera stratificata ierarhic, ca o succesiune de nivele. Sub egida ISO s-a
elaborat Modelul de Referinta pentru interconectarea Sistemelor Deschise. Obiectivele de baza ale acestui model sīnt legate
doar de comportamentul extern al sistemelor interconectate, caracterul deschis al unui sistem nu este legat de organizarea
particulara si functionarea interna specifica sistemului, doar de schimbul de informatii si de cooperarea dintre sistemele
interconectate. A fost conceput pentru retele teritoriale, dar se aplica, cu anumite particularitati, retelelor locale.
Doua principii esentiale stau la baza conceptului de arhitectura stratificata:
- valorificarea serviciilor asigurate de nivelurile inferioare pentru fiecare nivel, astfel īncīt celui mai īnalt nivel sa-i fie
oferit setul de servicii necesare pentru realizarea unei aplicatii distribuite;
- asigurarea independentei fiecarui nivel, prin definirea serviciilor catre nivelul urmator, independent de modul de
realizare a acestora.
Nivelul este compus conceptual din subsistemele de acelasi rang ale tuturor sistemelor interconectate. Se utilizeaza termenul
de protocol pentru desemnarea comunicatiei dintre entitatile apartinīnd aceluiasi nivel, si cel de interfata pentru
comunicatia dintre nivele la aceasi entitate. Detaliile unei interfete reprezinta īn general o optiune locala de implementare.
Nivelele trebuie astfel concepute ca fluxul de date prin interfete sa fie minim, si schimbarea implementarii unui nivel sa nu
afecteze si interfata. Un nivel poate lipsi dintr-un sistem īn intregime, daca functiile lui nu sīnt folosite.
Modelul de referinta OSI descrie sapte nivele functionale, care, īmpreuna cu mediul fizic, asigura un set complet de servicii
de comunicatie.
Aceasta arhitectura poate fi conceputa ca fiind compusa din doua parti diferite:
- partea de suport (1, 2, 3);
- partea de utilizator (5, 6, 7).
Cele doua parti sīnt separate de nivelul de transport, care are rolul de a ascunde detaliile constructive ale comunicatiei.
Nivelul fizic asigura mijloacele mecanice, electrice functionale si procedurale pentru accesul la mediul fizic. Totodata
realizeaza transmisia la nivel de bit al informatiei. Problemele caracteristice ale nivelului sīnt: codificarea informatiei, modul de
transmisie, cuplarea- decuplarea echipamentelor, nivelul semnalelor, modul de conexie si configuratia pinilor.
Legatura de date, prin organizarea bitilor īn blocuri, asigura posibilitatea detectarii si corectarii erorilor care apar la nivel
fizic. Cuprinde facilitatile de sincronizare pentru comunicatii semiduplex si duplex.
Nivelul de retea se preocupa de dirijare mesajelor īntre doua noduri intermediare folosind blocuri speciale de control, care
contine adresa destinatiei. Acest nivel va alege ruta pe care informatia va ajunge la destinatie si va adauga adresele nodurilor
intermediare.
Nivelul transport realizeaza transferul datelor de la sursa la destinatie pe ruta stabilita de nivelul precedent cu o integritate
ridicata. Se utilizeaza protocoale bazate pe confirmare, care implica transmisia, retransmisia si recuperarea datelor eronate.
Transportul este de la cap la cap, programul de pe calculatorul sursa conversīnd cu un program similar de pe calculatorul
destinatie. La acest nivel canalelor logice se asociaza adrese fizice.
Nivelul sesiune permite legarea utilizatorului la un calculator central care lucreaza cu divizarea timpului (time sharing) si
transmiterea fisierelor prin functiile de stabilire si eliberare de conexiuni, sincronizare, raportare īntrerupere. Pentru a evita
repetarea īntregului transfer īn caz de eroare, īnsereaza periodic puncte de control de la care poate fi reluata transmisia.
Nivelul de prezentare are rolul de a elibera aplicatiile de diferentele existente īn reprezentarea datelor. Asigura totodata
codificarea datelor īntr-un standard corespunzator aplicatiei. Īn cazul īn care la transmisie se folosesc date comprimate pentru
a reduce timpul de transfer, acest nivel rezolva comprimarea si decomprimarea datelor.
Nivelul aplicatie permite functionarea concurenta a proceselor īn vederea realizarii unui obiectiv definit de utilizator, fara ca
acesta sa cunoasca locul unde se afla procesele. Functiile asigurate de acest nivel sīnt: lansarea programelor, vizualizarea si
transferul fisierelor de pe īntregul sistem, posta electronica (E-mail).
Retele locale (LAN)
Īn comparatie cu modelul de referinta, retelele locale au urmatoarele particularitati:
- la legatura de date exista un singur canal fizic de comunicatie, care este cerut si eliberat īn mod dinamic de catre
elementele interconectate, folosind un protocol de acces multiplu la canal;
- nivelul retea este optionala, pentru ca nu exista probleme de rutare - ea poate fi folosita pentru comunicatii
inter-retea;
Factorii de care se tine cont la alegerea unui LAN potrivit: numarul de puncte care trebuie conectate, aria fizica acoperita si
distanta maxima dintre puncte, posibilitatea de extindere a retelei, performantele dorite, siguranta si securitatea datelor,
posibilitatea de comunicare īn afara retelei. Reteaua locala, īn general, este realizata pe baza urmatoarelor elemente
hardware: mediul fizic de transmisie, setul de mecanisme de acces si transmisie pe mediu, interfata de retea.
Interfata de retea trebuie sa functioneze īn paralel cu elemetul de prelucrare gazda. Elementele de prelucrare sīnt toal
indepedente de schema de interconectare. Elementele pasive (imprimante, scannere etc.) conectate īn retea sīnt asociate pe o
anumita cale cu elementele active. Comunicatiile cu elemetele pasive vor avea loc prin intermediul elementelor gazda asociate.
Este necesar adoptarea unei proceduri administrative, care sa permita gestiunea alocarii de adrese la dispozitivele conectate
īn retea. Cea mai simpla metoda de a aloca adrese unice globale este cea a partitionarii spatiului de adrese pe blocuri.
Adresarea de grup sau multipla permite trimiterea mesajelor sau a pachetelor la mai multe destinatii. Alocarea dinamica
asigura o adresare flexibila, si nu cere implicarea utilizatorului.
Cai fizice, topologii de baza
Calea multipunct globala conduce la o topologie de tip magistrala, si permite conectarea unui nod simultan cu toate celelalte.
Poate fi bidirectionala (fig. 7.2. a) sau unidirectionala (fig. 7.2. b). Prima este realizata cu un singur cablu coaxial, prevazut cu
conectori de cuplare bidirectionali. Buna functionare a retelei este conditionata de respectarea lungimilor derivatiilor si a
spatiilor ce le separa, pentru a evita pierderile si reflexiile de semnal. Īn cazul celei de a doua, emisia fiecarui nod este
conectata la una dintre ramurile topologiei, numita si canal de emisie, iar receptia la cealalta ramura, denumita si canal de
receptie. Reflexiile de semnal, datorata dezadaptarii de impedanta, vor sosi la nivelul receptorilor cu o amplitudine neglijabila.
Acest tip va permite tolerarea unor defecte de cablu si de conector, cīt si extragerea unui nod din retea.
Īn cazul topologiei de tip inel (fig. 7.2. c), fiecare nod este legat la doua noduri vecine, īn scopul constituirii unui inel
unidirectional. Fiecare nod poate actiona ca un simplu repetor al informatiei sau ca emitator activ. Reduce timpii de acces,
dar defectarea unui element conduce la caderea retelei. Metodele de evitare sīnt utilizarea liniilor punct la punct redunante sau
folosirea unui inel de rezerva.
Topologia de tip stea (fig. 7.2. d), format din cai punct la punct, realizeaza conexiuni unice īntre perechi de noduri. Necesita
implementarea unor strategii de rutare (nodul central).
Protocoale de comunicatie pentru retele locale īn inel
Permisiunea de a utiliza inelul de transmise este transferata secvential si unidirectional de la un nod la altul.
Metoda dreptului de control circulant (token passing) consta īn utilizarea unei combinatii specifice de biti (jeton de control
sau token) identificata de retea, care īn absenta traficului circula continuu pe inel. Posesorul jetonului are acces la inel. Daca
nu are nimic de transmis, trimite mai departe jetonul; īn caz contrar, jetonului i se anexeaza mesajul. Īnlaturarea mesajului de pe
inel se realizeaza de nodul sursa (cel care a transmis mesajul), care īn acest moment verifica identitatea datelor trimise cu cele
sosite. Poate fi realizat cu un singur mesaj sau cu tren de mesaje. O situatie particulara apare la pornirea sistemului, sau la
alterarea jetonului, cīnd fiecare nod va asculta inelul pe o durata proprie, dupa care prima dintre ele va genera un jeton.
Metoda accesului prin competitie se deosebeste de metoda dreptului circulant prin lipsa jetonului cīnd nu exista trafic īn
retea. Īn cazul īn care o statie are de transmis, verifica daca īn momentul respectiv trece sau nu un mesaj īn fata lui. Daca nu,
transmite mesajul si un jeton la sfīrsitul acestuia. Cīnd mesajul revine la statia sursa, se va īnlatura īmpreuna cu jetonul. Daca
statia observa existenta unui trafic, asteapta receptionarea jetonului pe care o va transforma īn conector de pachete, si
īnsereaza pachetul propriu.
Metoda containerului gol urmareste īnbunatatirea utilizarii inelului prin divizarea benzii de trecere a canalului disponibil
īntr-un numar īntreg de secvente de biti de lungime fixa (denumite container), delimitate īntre ele. Containerele sīnt permanent
circulate unidirectional pe inel, si īn ele pot fi plasate pachete de date īmpreuna cu adresa de destinatie. Un bit de control al
containerului indica starea de ocupat sau gol al acestuia. Un mesaj va fi īmpartit īn pachete de lungimea unui container, astfel
diferitele portiuni ale inelului vor transmite pachetele aceluiasi mesaj. Destinatarul unui pachet extrage pachetul, si marcheaza
containerul ca fiind gol, el putīnd fi utilizat deja de nodul curent. Aceasta tehnica poate conduce la dominarea inelului de
anumite noduri (dialog īntre doua noduri). Pentru a avita aceasta deficienta, se utilizeaza doua tehnici: primul consta īn
copierea continutului la destinatie, iar marcarea containerului va fi realizat de un nod special, numit controler de inel; al doilea
realizeaza copierea continutului la destinatie, dar containerul se elibereaza la sursa.
Metoda insertiei de registru realizeaza īncarcarea mesajului care trebuie transmis īntr-un registru de deplasare de lungime
variabila. Acest registru este localizat īn interfata de inel, si are posibilitatea de a fi conectat īn serie cu inelul, fiind parcurs de
traficul curent din retea. Cīnd un nod al retelei are un mesaj de transmis, acesta va fi īncarcat īn registrul de transmisie (TSR)
din interfata proprie, care se va īnsera īn retea doar cīnd inelul de transmisie este liber (poz. 2 a comutatorului). Mesajul este
circulat īn retea; īn acest timp orice alt mesaj care soseste este īntīrziat, si īnscris īn registrul de receptie (RSR). Dupa
transmiterea mesajului propriu, se comuta la registrul de receptie (poz. 3), pīna cīnd si acesta va fi golit, dupa care se reface
configuratia initiala a inelului (poz. 1).
Un nou mesaj poate fi transmis de acelasi nod numai dupa golirea celor doua registre.
Protocoale de comunicatie pentru retele locale cu magistrala de difuzare
Sīnt caracterizate de necesitatea alocarii unei resurse unice (canal de comunicare) la o multitudine de surse de mesaje.
Competitia din interiorul acestor sisteme este provocata nu numai de natura lor aleatoare, ci si de imposibilitatea utilizatorilor
de a se observa reciproc pe masura aparitiei cererilor de utilizare. Informatia de control trebuie transferata pe acelasi canal
cu informatia propriu-zisa.
Exista doua tipuri de strategii:
- strategii cu competitie (cu acces aleator);
- strategii cu consultare (acces fara coliziuni).
Īn cadrul strategiilor cu competitie apar doua probleme: rezolvarea coliziunilor (prin tehnicile adaptive si neadaptive) si
controlul accesului (prin tehnicile "transmite surd", "asculta si transmite", "asculta, transmite si asculta transmisia").
Daca fiecare nod implicat ar fi capabil sa aleaga un moment de retransmisie care sa difere de momentele alese de ceilalti,
problema coliziunilor ar fi simplificata.
Tehnicile neadaptive nu tin cont de traficul curent īn retea, planificarea īntīrzierilor fiind fixe. Sīnt adecvate numai īn sisteme
cu numar redus de surse.
Īn cazul tehnicilor adaptive, fiecare utilizator blocat īntr-o coliziune īncearca sa evalueze numarul utilizatorilor blocati īn
retea, si sa ajusteze rata de retransmisie īn mod corespunzator. De obicei, acest lucru se realizeaza cu ajutorul unui controler
unic de retea.
Tehnica "trasmite surd" (ALOHA) asigura transmiterea pachetului īn momentul generarii sale, fara nici o restrictie. Sursa
trebuie sa astepte un interval de timp prestabilit sosirea confirmarii receptiei. Īn cazul lipsei confirmarii, se va retransmite tot
mesajul. Coliziunea care ar afecta cea mai mica fractiune din timpul de transmisie, va avea acelasi efect ca o interferenta
completa de pachete. Prin urmare, timpul maxim nefolosit din cauza coliziunilor este de doua ori timpul de transmisie. Aceasta
tehnica este īnbunatatita prin discretizarea timpului. Alegerea momentelor de acces la canal nu va fi total asincron. O cuanta
de timp este egala cu durata de transmisie a unui pachet.
Prin tehnica "asculta si transmite" (CSMA) s-a realizat ascultarea canalului īnainte de transmisie de fiecare sursa. Daca
sursa detecteaza o transmisie īn curs, īsi va amīna propria transmisie pīna cīnd canalul va fi gasit liber. Coliziunea de pachete
poate sa apara si īn cazul transmisiei pe canalul aparent liber, datorita timpilor de propagare. Tehnica se bazeaza pe ipoteza
fundamentala conform careia īntīrzierea maxima de propagare este mica īn raport cu durata maxima de transmisia unui pachet.
Tehnica "asculta, transmite si asculta transmisia" (CSMA/CD) īnbunatateste pe cea precedenta prin detectarea ferma a
coliziunilor. Sursa, dupa ce transmite pachetul, asteapta un interval foarte scurt de timp (dependent de īntīrzierea din sistem),
dupa care īsi asculta propria transmisie. Daca detecteaza o diferenta īntre informatia transmisa si cea receptionata, transmite
un mesaj specific de bruiaj, ca toate sursele implicate sa fie informate.
La strategiile cu consultare se defineste un inel logic dreptul de a transmite pe magistrala se transfera succesiv de la o statie
la alta. Inelul logic se refera doar la dreptul de emisie al statiilor, neavīnd nici un rol la receptia mesajelor. Toate statiile pot
sa asculte orice mesaj transmis, dar numai cele care fac parte din inelul logic vor initia transmisii. Daca statia n receptioneaza
mesajul "transfer de jeton de la statia n - 1", va considera ca are dreptul la emisie.
Tipuri caracteristice de retele
ETHERNET
Prezinta o structura cu magistrala de difuzare, folosind tehnica "asculta, transmite si asculta transmisia" pentru controlul
accesului.
Legaturile se realizeaza prin cablu coaxial cu impedanta de 50 ohmi, si lungimea maxima a segmentului de 500 m, la care sīnt
conectate elementele de prelucrare prin transceiver si controler. Transceiverul are rolul de detectare a purtatoarei si a
coliziunilor. Īn cazul sesizarii coliziunilor, va genera semnalul de bruiaj specific. Transceiverul multiport realizeaza legatura mai
multor elemente de prelucrare (maxim 8). Cablul de legatura dintre transceiver si controler nu poate depasi 50 m. Controlerul
asigura algoritmii necesari accesului la canal, recunoasterea adreselor, constituirea pachetelor, codificarea si decodificarea
datelor, precum si serializarea si deserializarea informatiei. Exista controlere cu procesor si buffer propriu, si variante cu
DMA. Sistemul include īn mod optional si repetoare, pentru extinderea ariei de īntindere a retelei. Permite conectarea a doua
segmente adiacente prin intermediul transeiverilor.
TOKEN RING
Este o retea extrem de vasta si fiabila, cu topologie hibrida stea-inel, folosind tehnica jetonului circular. Configuratia minimala
este alcatuita dintr-un singur inel, realizat din cablu coaxial care leaga interfetele de retea. Numarul maxim de statii pe inel
este de 250. Datorita numarului mare de repetari a semnalului circulant, pot apare desincronizari la nivel de bit. Daca nodurile
sīnt distribuite pe distante mari, este preferabil sa se realizeze mai multe inele interconectate prin punti. Puntea este un
calculator echipat cu cīte o interfata pentru fiecare inel.
Sistemul de operare are ca scop gestiunea resurselor aflate īn retea. Cea mai importanta functie a lui este īmpartirea
numelor si adreselor īn sistem, asigurīnd o compatibilitate cu mai multe tipuri de retele si mai multe sisteme de operare.
Asigura configurarea si reconfigurare a resurselor, precum si a parametrilor retelei, iar la identificarea unor erori activeaza sau
dezactiveaza anumite surse. Functia de monitorizare permite urmarirea evenimentelor din retea.
Gestiunea securitatii cuprinde controlul accesului (creaza conturi, atribuiri de parole, restrictii la folosirea anumitor statii,
determina numarul de statii folosite simultan de un utilizator, eventual timpul maxim de utilizare) si protectia resurselor, care
atribuie unui utilizator sau unui grup dreptul de a folosi o resursa sau se aplica un atribut resursei (citire, scriere, creare,
cautare).
Gestiunea fisierelor trebuie sa asigure fiecarui utilizator accesul la toate datele din sistem, indiferent de modul de reprezentare
al acestora. La retele locale, uzual, toate datele vor fi pastrate pe un fileserver, care va pastra toate datele din sistem. Acest
lucru impune masuri de siguranta īn plus. De obicei se dubleaza tabela de directoare, dar exista situatii cīnd īntregul volum de
date este dublat.
Serviciile suplimentare ale retelei sīnt: transmisia mesajelor electronice, gestiunea contabila, gestiunea listarilor.
|
