ARHITECTURI DE REŢEA• Generalităţi. Terminologie• Topologii de bază

• Magistrală (bus)• Stea (star)• Inel (Ring)

• Topologii hibride• Magistrală – Stea• “Daisy chained”• Structura ierarhică

• Tipuri de reţele4.1. ETHERNET (IEEE 802.3)4.2. TOKEN RING (IEEE 802.5)

1. Generalităţi. TerminologieLAN – Local Area Network – două sau o mie de calculatoare,

amplasate în apropiere, care partajează resurse, informaţiiTOPOPLOGIE – amplasarea fizică a reţelei – modul de aranjare fizică a

infrastructurii reţelei: calculatoare, dispozitive de conectare (punţi, hub-uri, switch-uri), etc.

METODA DE ACCES – modul în care dispozitive plasează datele pe cablu. Principalele metode de acces: cele utilizate de reţelele Etherenet (CSMA/CD) şi cele utilizate de reţelele Token Ring, FDDI (Token Passing)

LĂRGIME DE BANDĂ – măsura capacităţii de transmisie a mediului de reţea, măsurată în Mbps

2. Topologii de bază pentru reţele locale

Exemple:

10 BASE - T

10 BASE 2

TOKEN RING

Arhitectura ETHERNETÎn 1973, la Centrul de Cercetări de la Palo Alto al corporaţiei Xerox (PARC), Bob Metcalfe a proiectat şi testat prima reţea Ethernet. El a dezvoltat metode fizice de cablare ce conectau dispozitive pe Ethernet, ca şi standardele care guvernau comunicaţia pe cablu. De atunci, Ethernet a devenit cea mai răspândită tehnologie de reţea.Iniţial, comunicaţia se desfăşura la viteza de cca. 3 Mbps, pe un singur cablu, partajat de toate dispozitivele din reţea acesta permitea extinderea reţelei fără a necesita modificări asupra dispozitivelor existente în reţea.

În 1979 Digital Equipment Corporation (DEC) şi Intel s-au asociat cu Xerox pentru standardizarea sistemului. Prima specificaţie a celor trei companii, denumită "Ethernet Blue Book" a fost lansată în 1980, cunoscută şi sub denumirea "DIX standard". Era un sistem pe 10 Mbit/s ce utiliza cablu coaxial gros ca backbone în interiorul unei clădiri, cu cabluri coaxiale subţiri legate la intervale de 2.5 m pentru a conecta staţiile de lucru. Cablul coaxial gros – de regulă de culoare galbenă – a devenit cunoscut ca "Thick Ethernet" sau 10Base5. Explicaţia acestei denumiri:

"10" este viteza de transfer (10 Mbit/s)

"Base" se referă la faptul că transmisia se face în banda de bază

"5" este prescurtarea de la lungimea maximă a cablului – 500 m.

Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE) a lansat în 1983 standardul oficial Ethernet denumit IEEE 802.3 după numele grupului de lucru care a răspuns de dezvoltarea sa. În 1985 a lansat versiunea 2 (IEEE 802.3a) cunoscută sub denumirea "Thin Ethernet" sau 10Base2, în acest caz lungimea maximă a cablului este 185 m, chiar daca "2" sugerează că ar trebui să fie 200 m.

Bandă de bază - caracteristică a tehnologiei de reţea, în care numai o singură purtătoare de frecvenţă utilizează întreaga bandă disponibilă pentru fiecare transmisie.

Standardele Ethernet (IEEE 802.3) sunt standarde deschise (open) şi independente de producătorul de echipamente.

În anii care au urmat, Ethernet s-a dovedit că suportă dezvoltarea tehnologiei, în special datorită extraordinarei flexibilităţi şi simplităţii în implementare şi învăţare. Succesul Ethernet-ului se explică prin echilibrul între viteză, cost şi uşurinţa instalării. În mod special, capacitatea versiunii 10BaseT să suporte funcţionarea la 10 Mbit/s peste cablu torsadat neecranat de telefon (UTP) a reprezentat alegerea ideală pentru medii Small Office/Home Office (SOHO) - Ethernet este o tehnologie LAN, cu reţele lucrând de regulă în aceeaşi clădire, conectând dispozitive aflate în apropiere (maximum câteva sute de m. cablu între ele).

Standardul care guvernează funcţionarea reţelelor Ethernet este IEEE 802.3 după cum urmează:

Denumirea Standard Mediu de transmisie

Conectori Topologie Viteza de transfer

10 BASE 5 IEEE 802.3 Cablu coaxial gros (cupru)

Mufa ’vampir’ Magistrală 10 Mbps500 m

10 BASE 2 IEEE 802.3 Cablu coaxial subţire (cupru)

BNC MagistralăDaisy chain

10 Mbps180 m

10 BASE – T IEEE 802.3 Cablu torsadat cupru neecranat (UTP) / ecranat (STP)

J 45 (8 pini) Stea

1024 staţii

10 Mbps

100 m10 BASE – F10 BASE FL

IEEE 802.3 Cablu - fibră opticăIdem cu 2 fire

ST Stea 10 Mbps2000 m

Fast Ethernet 100 BASE T- 100 BASE T4- 100 BASE TX- 100 BASE FX

IEEE 802.3u

Cablu torsadat neecranat (UTP) / ecranat (STP) CAT 5 4 perechi fire

2 perechi fire HQ2 fibre optice

100 Mbps

Gigabit Ethernet 1000 BASE T – (1998)

IEEE 802.3z

IEEE 802.3ab

Fibră optică:sauCablu cupru

1 000 Mbps = 1 Gbps

10 Gigabit Ethernet (2002- 2006)

IEEE 802.3ae

Fibră optică:- single mode: 40 km- multimode: 300 m

10 000 Mbps =10 Gbps

Istoric al Ethernet-ului:http://www.ethernetalliance.org/technology/white_papers/A_Bit_of_History.pdf

Sistemul Ethernet constă din trei elemente de bază:• Mediul fizic prin care se transmit datele• Un set de reguli de control al accesului la mediu, încorporate în fiecare interfaţă

Ethernet, care permite mai multor calculatoare să arbitreze corect accesul la canalul Ethernet partajat

• Cadrul Ethernet, ce constă dintr-un set standardizat de biţi, utilizat pentru a transporta datele prin sistem

Funcţionarea Ethernet-ului• Fiecare calculator echipat Ethernet poartă denumirea de staţie. O staţie lucrează independent (nu există dispozitiv central de control)• Semnalele sunt transmise serial – 1 bit în initatea de timp• Accesul la mediu – toate staţiile concurează egal pentru a transmite pe mediu pe baza protocolului CSMA/CDProtocolul CSMA/CD• Carrier Sense (Detectarea purtătoarei) – fiecare staţie ascultă mediul, pentru a vedea dacă este liber (quiet) – nu există nici un semnal (purtătoare) pe canalul de transmisie. După fiecare transmisie de cadru, statia care a transmis aşteaptă un interval de timp (inter-gap time), ceea ceasigură faptul că accesul la canalul reţelei este corect (fair) – nici o staţie nu le blochează pe celelalte.• Multiple Access (Acces multiplu) - fiecare staţie are şansă egală de a transmite – nimeni nu are prioritate. Deoarece semnalele necesită un timpfinit pentru a călători dintr-un capăt în celălalt al sistemului Ethernet, primii biţi nu ajung simultan la toate staţiile. Ne-simţind purtătoarea, două statii îndepărtate pot începe transmisia simultan (pentru fiecare dintre ele reţeaua este ‘liberă’) se produce coliziunea• Colision Detection (detectarea coliziunii) – existenţa metodelor de detectare a coliziunilor staţiile implicate sunt atenţionate de producerea coliziunii şi-şi reprogramează instantaneu transmisia, utilizând un mecanism de backup, special proiectat în acest scop. Ca parte a acestui mecanism, fiecare staţie implicată alege un interval de timp aleator de aşteptatre până când începe retransmisia cadrului – aceasta previne ca staţiile să facă încercări de retransmisie în acelaşi timp.

CONCLUZIE: coliziunile sunt evenimenteabsolut normale şi aşteptate (nu semnifică, căderea reţelei) pe Ethernet, indicând faptul că protocolul CSMA/CD funcţionează aşa cum a fost proiectat. Pe măsură ce se adaugă noi staţii reţelei Ethernet şi creşte volumul de trafic, vor apărea mai multe coliziuni, ca parte a funcţionării normele a Ethernet-ului.Proiectarea sistemului este făcută astfel încât majoritatea coliziunilor să fie rezolvate în intervele de timp de ordinul microsecundelor.Dacă numărul de coliziuni creşte foarte mult (busy network) – apar probleme de congestie a reţelei sau când reţeaua este întreruptă, staţiile încep să-şi mărească intervalul de aşteptare (back-off) până la iniţierea retransmisiei, proces cunoscut sub denumirea de ‘truncated binary exponential backoff’ – metodă automată, care permite adaptarea traficului la condiţiile de funcţionare ale reţelei. După 16 încercări nereuşite, consecutive, de retransmisie a unui anumit cadru (frame), interfaţa Ethernet va arunca cadrul.

O metodă uzuală de reducere a eventualelor congestii în reţeaua Ethernet constă în separarea unui singur segment în mai multe segmente, creind astfel mai multe domenii de coliziune (filtrează cadrele în funcţie de adresa MAC de destinaţie)Astfel

reţelele Ethernet implementează punţi (bridge), care conectează două segmente de reţea creşterea diametrului reţelei şi reglarea traficului. Punţile pot transmite şi recepţiona ca şi orice alt nod al reţelei, dar ele nu funcţionează ca un nod normal, deoarece nu generează propriul trafic. Varianta modernă a punţii este switch-ul – punte multiport, care funcţionează similar punţii, dar poate oferi câte un segment dedicat pentru fiecare nod al reţelei.

Punţile / switch-urile pot reduce congestiile permiţând mai multe ’conversaţii’ simultane pe diferite segmente, dar şi ele sunt supuse limitărilor în segmentarea traficului. O caracteristică importantă a punţilor / switch-urilor este aceea că permit transferul broadcast-urilor tuturor segmentelor conectate la reţea. Acest comportament este necesar deoarece broadcast-urile Ethernet sunt destinate tuturor nodurilor din reţea, dar pot pune probleme reţelelor care s-au dezvoltat prea mult. Când un număr mare de staţii transmit broadcast pe o reţea mare, congestia poate fi la fel de puternică ca şi în cazul când staţiile ar fi pe un singur segment. Soluţiile: utilizarea ruterelor (subnetare), care împart reţeaua în reţele logice separate şi care nu permit trecerea mesajelor broadcast, deoarece ruterul formează o margine logică a reţelei

Domeniu de coliziune – o singură reţea CSMA/CD în care va apărea o coliziune, dacă două staţii legate la sistem transmit simultan.Un sistem Ethernet poate fi compus din:

- un singur segment- mai multe segmente legate prin repetoare = o reţea care funcţionează ca un

singur domeniu de coliziune

crearea de VLAN-uri (Virtual LAN). VLAN-urile sunt domenii de broadcast, definite în interiorul unui switch, care permit controlul broadcast-ului, multicast-ului şi unicast-ului în interiorul unui dispozitiv de nivel 2. VLAN-urile sunt definite pe un switch, într-o bază de date internă, cunoscută sub numele de VLAN Trunking Protocol (VTP) Database. După crearea VLAN, acestuia îi sunt alocate porturi.

Reţelele Ethernet pot suporta o multitudine de configuraţii, dar acestea trebuie să respecte toate regulile de conectivitate impuse se standardul IEEE 802.3. Pentru simplitate, aceste reguli au fost concentrate într-una singură - REGULA 5 – 4 – 3, care spune că între oricare 2 staţii ale reţelei trebuie să existe:

- până la 5 segmente înseriate- până la 4 repetoare / concentratoare- până la 3 segmente populate (segmente la care sunt ataşate staţii)

Într-o configuraţie lineară simplă (magistrală), 5 segmente (3 populate şi 2 nepopulate) pot fi legate prin intermediul a 3 repetoare. În cazul unui backbone, concentratoarele legate la backbone pot fi legate la alte concentratoare, cu segmente nepopulate sub forma unei cascade pe 2 nivele. Primul nivel poate conţine până la 30 concentratoare şi fiecare dintre acestea pot fi conectate la mai multe concentratoare, pentru a forma nivelul al doilea. Numărând segmentele populate şi nepopulate, precum şi concentratoarele între 2 staţii se observă că regula 5-4-3 se aplică şi aici corect.

Pentru reţelele Ethernet 10 Base T şi 10 BASE F , existenţa segmentelor populate şi nepopulate îşi pierde semnificaţia, iar regula 5-4-3 devene regula 5-4: între 2 staţii pot exista până la 5 segmente de legătură şi 4 concentratoare. La toate reţelele cu cablu torsadat sau fibră optică, extinderea reţelei poate fi făcută prin legarea concentratoarelor în cascadă (2 nivele), fiecare cu topologie stea.

Livrarea datelor în reţeaua EthetnetSistemul Ethernet lucrează ca un ’best effort data delivery system’ . În fapt, nu există garanţia livrării sigure a datelor. Ethernet a fost conceput să producă un sistem care, în mod normal, livrează datele extrem de bine. Totuşi erori apar, datorită : zgomotului electric în sistemul de cablaj. Nici un sistem LAN nu este perfect, de aceea, protocoalele de nivel superior ale software-ului de reţea sunt concepute să restabilească sistemul după eroare.

FAST ETHERNET (100 BASE T)Tehnologia este similară cu cea a 10 BASE T în termenii specificaţiilor şi limitărilor, dar are o lărgime de bandă mai mare.Interfeţele de reţea şi porturile hub-urilor şi switch-urilor operează la 100 Mbps.Uzual există un LAN 10 BASE T care funcţionează de la clienţi la un hub/switch central şi nu LAN 100 BASE T ca backbone pentru servere.Recomandare: utilizarea de cabluri UTP CAT 5 inclusiv pentru reţele 10 BASE T, care vor putea fi folosite odată cu upgrade-ul la hub-uri / switch-uri ce funcţionează la 100 Mbps, fără a fi necesară înlocuirea acestora.

GIGABIT ETHERNET Reţea Ethernet ce lucrează la viteza de 1000 Mbps (1 Gbps).Este o tehnologie bună, cu un mediu de transmisie rapid şi în continuare are la bază Ethernet-ul, fiind posibilă interfaţarea cu orice reţea Ethernet existentă (cablu UTP CAT5).Este o tehnologie scumpă, care nu asigură întotdeauna performanţele anunţate, în principal datorită reţelelor deja existente , la care se face upgrade.

Cadrul Ethernet (IEEE 802.3)

Dimensiunea maxima a cadrului: 1500 bytes.Aceasta lungime dicteaza în câte cadre va fi împărţit mesajul. Un mesaj lung va fi

impartit în cadre, care vor fi transmise pe rând, câte unul odată.La staţia receptoare, dupa ce ajung toate cadrele, ele sunt recombinate pentru a obţine

mesajul.

Semnificatia câmpurilor cadrului:Antet (Preambul) – asigură componentelor din reţea timpul necesar detectării prezenţei

semnalului şi citirii semnalului înainte de sosirea datelor - comunica faptul că urmează un cadru - anunţă prezenţa în reţea a cadrului.

SFD – ‘Start Frame Delimiter’ – 8 biţi ce indică începutul cadrului - în principal spune că ‘urmeaza adresa de destinaţie’

Date – conţine datele furnizate de către nivelul superior (pachetul IP), nr. De biţi din câmpul DATA, comunică dacă mesajul este complet sau este un cadru din secventa şi atunci se precizeaza 1/5, 2/5, etc., pentru a putea fi recombinant la destinaţie.

Daca cadrul este mai mic decât dimensiunea minima = 46 bytes (de exemplu este ultimul cadru al unui mesaj lung) câmpul pad va fi umplut cu informaţie până când va atinge dimensiunea minimă a cadrului de 46 de bytes.FCS – Frame Check SequencePe baza unui algoritm matematic calculeaza CRC pentru intregul conţinut al cadrului. în acest numar se introduce informaţia conţinută de cadru – această valoare se

recalculează la recepţie, şi dacă cele două numere coincid se consideră cadrul necorupt.CRC – Cyclical Redundancy Check Cum fiecare cadru este trimis într-un mediu partajat, toate adaptoarele Ethernet citesc

primii 48 biţi ai cadrului care conţin adresa de destinaţie. Aceasta este comparată cu propria adresă MAC şi:

- dacă cele două adrese sunt identice, adaptorul de reţea va citi întregul mesaj- dacă cele două adrese suntdiferite, adaptorul de reţea va abandona citirea

cadrului