CAP. 1 CONCEPTE DE BAZĂ ALE ARHITECTURILOR DE REŢELE DE COMUNICAŢII ŞI INTERNET

1.1 ELEMENTELE UNEI REŢELELE DE BANDĂ LARGĂ

Fig. 1.1 Elementele unei reţele de bandă largă: miezul reţelei, inele SONET, reţele locale, reţele de acces şi reţele de stocare.

O reţea de bandă largă globală (ex. cea mai mare este Internet) = reţea formată din reţele mici de tehnologii diferite, cu medii de transmisiune diferite si deci, cu performanţe diferite;

componente diferite (clasificare după acoperirea geografică şi funcţionalitate):

o reţele de acces = reţele care conectează utilizatorii domestici şi corporaţiile la infrastructura Internet. Exemple de reţele de acces: DSL şi modemuri de cablu (TV);

o reţele locale, LAN = reţele care interconectează mai mulţi utilizatori dintr-un mediu restrâns,

cum ar fi cel al unei clădiri de firmă sau un campus. Cea mai utilizată tehnologie LAN = Ethernet;

o reţele de stocare, SAN (Storage Area Network) = reţele utilizate de corporaţii pentru stocarea

datelor, formate prin conectarea unor discuri de memorie prin intermediul unor interfeţe de debit mare, folosind protocoale de fibră optică;

o reţele metropolitane, MAN (Metropolitan Area Network) = reţele care transferă traficul

serviciilor de date şi voce, la nivelul unui oraş, folosind de obicei inele sincrone de fibră optică (în SUA, SONET = Synchronous Optical NETwork; în Europa, SDH = Synchronous Digital Hierarchy);

o reţele de arie largă, WAN (Wide Area Network) = reţele care inter-conectează mai multe

reţele de corporaţii sau reţele metropolitane, pe distanţe foarte mari. Sunt cunoscute şi sub numele de reţele miez („core”) sau reţele de transport pe distanţe mari („long-haul”). Reţelele WAN utilizează în exclusivitate o infrastructură bazată pe fibra optică.

1.1.1 Reţele de acces

reţele prin intermediul cărora se oferă utilizatorilor (domestici sau din cadrul corporaţiilor) accesul la infrastructura Internet de bandă largă;

porţiunea dintr-o reţea publică cu comutaţie, care conectează echipamentele de comutaţie (noduri

de comutaţie, „central office”) cu abonaţii individuali; utilizatorii domestici folosesc, în funcţie de disponibilitate şi preţuri, următoarele tipuri de

conexiuni: o telefonice (dial-up); o DSL; o modemuri de cablu (TV); o fără fir

WiFi (IEEE 802.11), satelit, sisteme din generatia a treia de comunicaţii mobile (3G - UMTS);

o fibră optică;

toate aceste conexiuni de acces (multiplu) pentru mai mulţi utilizatori sunt oferite de companiile de furnizare de servicii Internet ISP (Internet Service Provider), care oferă servicii de acces la Internet în termeni de conţinut.

în general, reţelele de acces oferă conexiuni de date, video şi voce pentru orice tip de abonat şi în

orice locaţie, folosind tehnologii şi protocoale specifice.

1.1.2 Reţele LAN şi SAN

o reţea LAN conectează PC-uri, staţii de lucru, imprimante şi alte echipamente în cadrul unei clădiri sau al unui campus, folosind, de obicei, protocolul Ethernet;

de cele mai multe ori, o reţea LAN (în esenţă, o reţea privată) se conectează la o reţea publică prin

intermediul unui mecanism de securitate numit „firewall”. Astfel, aceste „firewall” reprezintă punctul de demarcare dintre LAN şi infrastructura MAN/WAN;

conexiunile LAN utilizează aproape în toate cazurile cabluri metalice (UTP sau coaxial), deoarece

distanţele sunt foarte mici (sute de metri); reţelele SAN sunt reţele LAN specializate, fiind dedicate interconectării exclusive a dispozitivelor

de stocare a datelor, a dispozitivelor de înregistrare pe suport magnetic, pe bandă sau disc şi a serverelor de stocare a datelor;

1.1.3 Reţele MAN şi WAN

Reţeaua Internet = cea mai complexă reţea WAN; Reţelele LAN/MAN se conecteazǎ la un WAN printr-un echipament de reţea special numit ruter

(Router); o reţea WAN poate fi compusă din reţele MAN şi reţele „long-haul”; reţelele „long-haul” oferă servicii de transport pe distanţe mari, de ordinul sutelor de km; reţelele MAN acoperă arii de dimensiunea unui oraş, pe distanţe între 80 şi 120 km. De obicei,

debitele în reţelele MAN sunt mai mici şi oferă servicii mai variate decât în reţelele „long-haul”; în WAN se utilizează transmisiuni pe fibra optică folosind tehnica de transmisie cu diviziune în

lungime de undă WDM (Wavelength-Division Multiplexing). Spre deosebire de reţelele LAN care aparţin în intregime unei persoane sau organizaţii, cele mai

multe WAN-uri (printre care şi Internetul) nu au un proprietar anume, ci existǎ ca o entitate colectivǎ si administratǎ distribuit.

Tehnologii specifice reţelelor publice de date pentru interconectarea LAN-urilor, în cadrul WAN:

o ATM (Asynchronous Transfer Mode), o Frame Relay, o X.25.

1.2 TEHNOLOGII PENTRU REŢELE DE ACCES. CONTROLUL ACCESULUI LA MEDIUL DE TRANSMISIUNE

În reţelele în care suportul de transmisiune este folosit în comun de către sistemele conectate în

reţea este necesar un mecanism care să permită distribuirea capacităţii de transmisiune a acestui

suport între sistemele interconectate, astfel ca:

o fiecărui sistem să-i revină o parte din această capacitate de transmisiune;

o fiecare sistem să aibă acces la suportul de transmisiune într-un interval de timp rezonabil;

o pierderile din capacitatea de transmisiune datorită acestui mecanism să fie minime.

Tehnicile de acces, foarte diferite, pot fi clasificate ca în Fig. 1.2.

Fig. 1.2 Clasificarea tehnicilor de acces multiplu.

În tehnicile de acces cu alocare statică capacitatea de transmisiune a suportului este repartizată

sistemelor din reţea fie prin diviziune în frecvenţă (FDMA –Frequency Division Multiple Access),

fie prin diviziune în timp (TDMA –Time Division Multiple Access). Aceste tehnici prezintă

dezavantajul unei eficienţe scăzute în utilizarea capacităţii de transmisiune şi, în plus, al unui cost

ridicat (FDMA) sau al unei întârzieri mari în transmiterea mesajelor (TDMA).

În tehnicile de acces prin alocare dinamică suportul de comunicaţie este alocat doar utilizatorilor

Acces

controlat

alocare statică

alocare dinamică

FDMA TDMA

control centralizat

control descentralizat (cu jeton)

jeton adresat (reţele liniare)

jeton neadresat (reţele inel)

aleatoriu

CDMA

care au nevoie. Apare deci o dificultate legată de posibilitatea de cunoaştere a necesităţilor

utilizatorilor.

În tehnicile cu acces aleatoriu fiecare sistem poate încerca să transmită, deci să ocupe suportul de

transmisiune, în orice moment, însă va transmite numai după ce a “ascultat “ suportul şi a constatat

că acesta este liber.

1.2.1 Acces multiplu cu divizare în timp (TDMA)

Principiu = o transmisiune TDMA utilizează toată banda pentru fiecare canal, dar numai o fracţiune

din timpul de utilizare a mediului.

1.2.1.1 Modulaţia de impulsuri

Teorema eşantionării: fs ≥ 2fmax; fs = frecvenţa Nyquist, fmax = limita superioară a spectrului

semnalului, în banda de bază.

Principiul Pulse Amplitude Modulation (PAM) este ilustrat în Figura 1.3.

Fig. 1.3 Principiul PAM: a) semnal modulator, b) semnalul purtător – tren de impulsuri şi c)

semnalul PAM.

În cazul PAM, în intervalele libere dintre eşantioanele unui semnal discret se pot transmite

eşantioanele altor semnale PAM, cu aceeaşi frecvenţă de eşantionare fs, dar decalate în timp (pentru

a evita suprapunerile).

Pentru a reduce efectul perturbaţiilor se introduce o formă de transisiune digitală, tansformându-se

secvenţa de impulsuri PAM în secvenţă de impulsuri codate binar (pulse-coded modulation): PCM

= PAM + Conversie A/D (A/DC = cuantizare + codare).

A/DC → m biţi/eşantion → 2m valori cuantizate ale amplitudinii eşantioanelor.

PCM cu n canale de bandă fmax fiecare şi m biţi/eşantion, transmite cu un debit minim de 2nmfmax

biţi/s; biţii suplimentari au funcţii de sincronizare şi semnalizare.

Exerciţiul 1.1. Considerăm ca exemplu grupul primar PCM cu 30 canale, folosit pentru telefonie:

fiecare canal – semnal vocal cu fmax = 3.4 kHz eşantionat la fs = 8 kHz (Ts = 125 µs) şi fiecare

eşantion e reprezentat folosind un cod de 8 biţi → un debit binar de 64 kbiţi/s pentru un canal;

grupul primar conţine 30 canale vocale (payload) + 2 canale suplimentare (overhead - sincronizare

şi semnalizare) → 32 × 64 kbiţi /s = 2048 kbiţi /s.

Dezavantajul PCM: zgomot de cuantizare ≈ zgomot alb → calitate vs. zgomot.

1.2.1.2. Sisteme PDH

Sisteme de multiplexare de ordin superior pentru telefonia digitala presiocronă (aprox. sincronă)→

PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy).

Avantajele PDH:

o Timp constant de propagare prin reţea;

o Bandă garantată pentru toţi utilizatorii;

Dezavantajele PDH:

o Multiplexarea a N fluxuri de ordin inferior → un debit mai mare de N ori debitul fluxurilor

inferioare → redundanţă (overhead), din 2 motive:

Sincronizare de cadru (Frame alignment word –FAW) ;

video)audio,(voce,realtimpdeaplicatii

Biţi de sincronizare de fluxuri (Justification bits) – adăugaţi pentru a compensa

diferenţele de tact dintre fluxurile de ordin inferior.

o Întreţesere de bit pentru multiplexuri de ordin superior (Bit interleaving) –

extragerea/separarea unui canal din multiplex este dificilă → este decesară o demultiplexare

totală;

o Fluxuri multiplexare non-sincrone.

Fig. 1.4 Principiul TDM – Ierarhia PDH.

1.2.1.3. Sisteme SDH

Soluţii la aceste probleme → o nouă ierarhie sincronă = SDH (Synchronous Digital Hierarchy):

o Întreţesere de octet → inserare/extragere facilă a fluxurilor unor abonaţi;

o Reţea digitală, care operează cu fluxuri sincrone, folosind fibra optică;

În SUA – SONET (Synchronous Optical Network);

Foloseşte cadre denumite STM (Synchronous Transport Module):

o STM1 – 155.52Mb/s;

o STM4 = 4xSTM1 – 622.08Mb/s;

o STM16 = 4xSTM4 – 2488.32Mb/s;

o STM64 = 4xSTM16 – 9953.28Mb/s.

Exerciţiul 1.2. Calculul debitului pentru STM1:

s8biti/125*

octeti 2430

linii9*)

payload coloane261

overhead coloane9( 155.52Mb/s µ

44444444 344444444 21

+=

Fig. 1.5 SDH – Structura cadrului STM1.

Orice multiplex PDH poate fi introdus într-un cadru SDH - STM1:

o Exemplu:

3 coloane (27 octeţi) în STM1 → 1.544 Mb/s PCM-E1;

4 coloane (36 octeţi) în STM1 → 2.048 Mb/s PCM-DS1.

1.2.2 Acces multiplu cu divizare în frecvenţă (FDMA)

Principiu = un număr de canale în banda de bază (BB) sunt transmise pe un mediu de transmisiune

comun de bandă largă, fiecare canal BB fiind modulând o frecvenţă purtătoare diferită.

Exerciţiul 1.3. Sistemul telefonic FDM, care utilizează modulaţia de amplitudine BLU-purtător

suprimat (SSBSC – Single Side-Band modulation Suppressed Carrier):

Fig. 1.6 Principiul FDMA.

Grupul primar - tip B (60 - 108) kHz = 12 x canale telefonice;

Grupul secundar (312 - 552) kHz = 60 x canale telefonice = 5 x grupuri primare = 5 x (60 - 108)

kHz → purtătoare: 420, 468, 564, 612 kHz (benzile inferioare - BLD);

Ierarhia sistemelor FDMA:

Systemul

de

grupare

Tipul de grup Banda (kHz) Număr de

canale

Număr de grupuri

inferioare

0 Canal vocal 0.3 ÷ 3.4 1 _

1 Grup primar (B) 60 ÷ 108 12 12

2 Grup secundar 312 ÷ 552 60 5

3 Grup terţiar 812 ÷ 2044 300 5

4 Grup cuaternar 8516 ÷ 12,388 900 3

Avantajele FDMA:

o Modularitate;

o Se pot forma canale de bandă largă = legaturi pentru date, TV şi radio, prin concatenarea de

grupuri FDMA (uzual, primar şi secundar);

o Revenire a FDMA datorită implementărilor cu DSP.

Dezavantaje FDMA:

o Sistem analogic

sensibilitate ridicată la zgomot şi distorsiuni;

circuite scumpe.

Variantă de FDMA pentru fibra optică = multiplexarea cu diviziune în lungime de undă WDM

(Wavelength Divizion Multiplexing):

o Debite de ≈ Gb/s;

o Varianta Dense-WDM (DWDM) → 160 semnale x 10 Gb/s (SDH-STM64) = 1.6 Tb/s pe o

singură fibră optică!

Exerciţiul 1.4.

Sistemul GSM-900 MHz (2G) = combinaţie între FDM şi TDM: cadre ciclice TDMA de 8

canale temporale modulează 124 de frecvenţe purtătoare (sub-canale de 200 kHz) → 8 x 124 = 992

canale/celulă GSM (capacitatea unei celule GSM, în număr de canale).

DSP :solutie

1.2.3 Acces multiplu cu divizare în cod (CDMA)

1.2.3.1. Introducere. Accesul multiplu cu spectru împrăştiat (SSMA)

Variante SS (Spread-Spectrum): o acces multiplu cu salt de frecvenţă (FHMA – Frequency Hopping Multiple Access);

o acces multiplu cu secvenţă directă (DSMA – Direct Sequence Multiple Access). Accesul

multiplu cu secvenţă directă mai este numit şi acces multiplu cu diviziune în cod (DS-CDMA – DS-Code Division Multiple Access).

1.2.3.2. Noţiuni generale legate de sistemele CDMA

principiu CDMA: semnalul utilizatorului, de bandă îngustă, este extins (împrăştiat, “spread”) în

domeniu frecvenţă utilizând o secvenţă de bandă largă (cod de împrăştiere);

toţi utilizatorii transmit în aceeaşi bandă şi în acelaşi timp;

fiecărui utilizator i se alocă un cod unic de împrăştiere, care trebuie sa aibă o intercorelaţie (cu celelalte coduri din sistem) cât mai mică (ideal, intercorelaţia = 0), pentru a minimiza interferenţa de acces multiplu MAI (multiple access interference);

1.2.3.3. Schema transmiţătorului DS-CDMA pentru un sistem asincron

Se consideră un sistem cu K utilizatori;

Semnalul utilizatorului, di(t), i ∈ 1, 2, ..., K, are intervalul de bit de durată Tb;

Secvenţa de împrăştiere si(t), i ∈ 1, 2, ..., K, are intervalul de simbol de durată Tc (chip);

Spectrul semnalului utilizatorului este extins cu un factor SF (Spreading Factor) → Tb = SF⋅ Tc;

Dacă cele două semnale sunt bipolare (nivele de ±1 [V]), atunci operaţia de împrăştiere poate fi determinată de produsul dintre cele două variabile: di(t) ⋅ si(t);

Dacă secvenţele de împrăştiere sunt periodice, cu perioada N, cel mai simplu este să se stabilească N = SF;

Schema DS-CDMA este asincronă (vezi Fig. 1.7) ↔ semnalele recepţionate de la utilizatori diferiţi suferă întârzieri de valori diferite, τi;

Operaţia de împrăştiere este ilustrată mai jos în ambele domenii (timp + frecvenţă):

Fig. 1.7 Schema transmiţătorului DS-CDMA asincron.

Fig. 1.8 Exemplu de forme de unde pentru N=7.

Fig. 1.9 Ilustrarea împrăştierii spectrale cu modulaţie cu purtător de frecvenţă fp.

1.2.3.4. Secvenţe de împrăştiere pentru sistemele CDMA - Deziderate

La recepţie, semnalul utilizatorului i este extras din semnalul compus CDMA recepţionat prin estimarea corelaţiei dintre semnalul recepţionat r(t) şi secvenţa de împrăştiere a utilizatorului i, si(t):

[ ] [ ]

[ ] [ ]4444 34444 21

4444 34444 21

MAItainterferen

,1utilizatorinfodorittermen

1

)(),()()(),()(

)(),()()(),(

∑

∑

≠=−

=

+⋅=

⋅=

K

ijjijj

i

iii

K

jijji

tstscortdtstsautocortd

tstscortdtstrcor

unde s-a neglijat termenul aferent zgomotului n(t) şi s-a efectuat demodularea BPSK cu purtătorul de frecvenţă fp. deasemenea, s-a presupus ca fiind rezolvată sincronizarea secvenţelor la recepţie (τi = 0).

Secvenţele de împrăştiere ideale (care formează un set de secvenţe ortogonale): o Autocorelaţie – formă de impuls Dirac: ct)]0(),0([ =ii ssautocor ;

o Corelaţie nulă între oricare două secvenţe diferite: ijttstscor ij ≠∀= ,,0)](),([ → MAI=0; Teorema 1.1. Dimensiunea unui set de secvenţe ortogonale de perioadă N este tot N.

Avantajele CDMA:

o Capacitate (în număr de utilizatori) crescută a sistemului CDMA faţă de TDMA şi FDMA →

se poate creşte numărul de utilizatori (de secvenţe de împrăştiere din set), folosind seturi mai

mari decât setul ortogonal, cu secvenţe pseudo-ortogonale de perioadă N ↔ Nutilizatori > N

(=SF); totuşi, trebuie luat în considerare că pentru secvenţe pseudo-ortogonale intercorelaţia

nu mai e nulă → MAI ≠ 0 (se poate minimiza MAI prin proiectarea adecvată a setului de

secvenţe);

o Protecţie crescută împotriva interferenţelor de bandă îngustă (anti-jamming); în urma corelării

de la recepţie puterea semnalului interferent in este limitată în banda semnalului util:

Fig. 1.10 Semnal cu spectrul împrăştiat perturbat de semnal de bandă îngustă.

Fig. 1.11 Semnal cu spectrul restrâns perturbat de semnal de interferenţă.

Dezavantajele CDMA:

o Complexitate ridicată a sistemului → se rezolvă cu DSP-uri rapide;

o ∃ MAI ≠ 0, în cazul secvenţelor pseudo-ortogonale;

o Problema “near-far”: dacă un transmiţător interferent este plasat mai aproape de receptor

decât transmiţătorul dorit → semnalul interferent are o putere mai mare decât puterea

semnalului dorit (MAI mare, deoarece transmit în aceeaşi bandă, în acelaşi timp) → este

necesar să se introducă controlul puterii de emisie (la transmiţător) ↔ puterea celor două

semnale (interferent şi dorit) la recepţie să fie aceeaşi, indiferent de distanţa la care se află

acestea faţă de receptor.

1.3 TOPOLOGII UTILIZATE ÎN REŢELELE LOCALE

Topologie de reţea = dispunerea fizică în teren a elementelor care compun reţeaua de comunicaţie sau reţeaua de calculatoare (topologie = graf).

Topologia unei reţele afectează direct performanţele acesteia.

Tipuri de topologii de reţele (vazute ca grafuri, topologiile diferă prin modul de amplasare a

nodurilor şi arcelor): o punct-la-punct; o magistrală; o inel; o stea; o plasă o mixte.

Nodurile implicate într-o topologie de reţea pot fi echipamente de interconectare sau terminale, iar

arcele pot fi conexiuni fizice (directe sau indirecte) sau logice.

1.3.1 Topologia punct-la-punct

cea mai simplă topologie, dar şi cu redundanţă minimă (redundanţa = 0, i.e., nu există nici o legătură de rezervă) → fiabilitate scazută;

administrarea (management-ul) reţelei este facil;

utilizare: o în reţele de transport pe distanţe mari, “long-haul” (atunci când redundanţa este costisitoare); o în “reţele” cu 2 terminale, pe distanţe mici (atunci când redundanţa ar fi inutilă).

Fig. 1.12 Topologie punct-la-punct.

1.3.2 Topologia magistrală (bus)

Reţeaua locală cu topologie liniară (magistrală sau “bus”) = linie de comunicaţie multipunct (în reţelele Ethernet – în prezent, foarte rar).

Fig. 1.13 Topologie de tip magistrală.

Avantaje: o omogenitatea reţelei; o costul redus al suportului şi al dispozitivelor de cuplare la mediu.

Dezvantaje:

o Dificultăţi cauzate de conflictele de acces (coliziuni) la suportul de transmisiune; o O întrerupere oriunde în cablu va cauza inoperabilitatea întregului segment (acelaşi

dezavantaj ca şi în cazul topologiei punct-la-punct, redundanţa = 0).

1.3.3 Topologia inel (Ring)

Toate nodurile sunt legate succesiv între ele, ultimul nod fiind conectat la primul nod;

Fig. 1.14 Topologie inel.

Fiecare nod recepţionează semnalul transmis pe buclă şi-l retransmite mai departe, copiind mesajul

dacă îi este destinat; Mesajul emis de un nod (sursă) poate fi retras din buclă de către acelaşi nod atunci când îi va reveni

după parcurgerea buclei; Se poate utiliza un mecanism de control al accesului la inel: nodul care transmite următorul este cel

care deţine permisul de a transmite, numit jeton (token). O astfel de reţea este cea denumită Inel cu

jeton (Token – ring);

Pentru ca defectarea unui sistem să nu provoace întreruperea buclei, fiecare sistem poate fi prevăzut

cu un mecanism pasiv de şuntare;

Dacă inelul este dublu (câte un inel pentru fiecare sens), atunci în caz de defecţiune se poate reînchide bucla folosind cele două inele (întrerupte);

Utilizare: o LAN – Token Ring (IEEE 802.5) şi FDDI (IEEE 802.6); o SONET/SDH.

1.3.4 Topologia Stea (Star)

Orice comunicaţie între două noduri trece prin nodul central, care se comportă ca un comutator (“switch”) sau repetor multi-port (HUB – Host-Unit Broadcast) faţă de ansamblul reţelei.

Fig. 1.15 Topologia stea.

Transferul informaţiei: punct-la-punct sau multipunct.

Avantaje:

o în mare parte software-ul este concentrat în nodul central, pentru sisteme fiind necesar un software simplu;

o extensie facilă; o uşor de instalat şi administrat;

o o defecţiune undeva în cablu sau echipament, scoate din funcţiune un singur nod, dar reţeaua localǎ rǎmâne operaţionalǎ;

Dezavantaje:

o congestie sau gâtuire (bottleneck) în cazul unui trafic intens, deoarece toate datele trec prin nodul central;

o fiabilitatea reţelei depinde foarte mult de nodul central, o defectare a acestuia conducând la căderea reţelei;

o este necesar un suport fizic de comunicaţie individual pentru fiecare nod; extensia reţelei este limitată la capacitatea nodului central.

Utilizare în LAN (IEEE 802.3): 10BASE-T Ethernet, Fast Ehernet şi Gigabit Ehernet.

1.3.5 Reţele cu interconectare totală (de tip plasă - mesh)

Topologia (full-)mesh (plasă) = cea mai complicată topologie, cu redundanţă maximă (i.e., există o legătură a unui nod cu toate celelalte noduri din reţea) → cel puţin 2 căi între oricare două noduri;

Fig. 1.16 Reţea cu interconectare totală.

Avantaje:

o număr mare de conexiuni (redundanţă) → fiabilitate ridicată; Dezavantaje:

o cost ridicat (echipamente şi cabluri).

Utilizare: reţele “core” (ex. WDM).

1.3.6 Reţele cu topologie mixtă

Topologiile menţionate mai sus pot fi la rândul lor combinate şi rezultă sisteme deosebit de complexe aşa cum este cazul reţelei Internet (WAN), care este “o reţea de reţele”;

O reţea mixtă este compusă din mai multe reţele de topologii diferite interconectate din necesitatea de a acoperi o arie mai mare. Se pleacă de la o reţea miez (core, backbone) care de cele mai multe ori are o topologie mesh şi apoi se extinde acest miez cu diverse alte reţele.

Exemplu de reţea mixtă = topologia arbore (Tree), combină caracteristicile topologiilor punct-la-punct şi stea;

1.4 MEDII DE TRANSMISIUNE

4 tipuri de medii:

o cabluri de cupru (în perechi);

o cablu coaxial;

o fibra optică;

o fără fir (aer, nu există ghid de undă).

1.4.1 Cabluri de cupru

acronim consacrat, UTP (Unshilded Twisted Pair) = 2 sau 4 perechi de conductori de cupru, răsucite şi fără ecran; UTP este cablul cu cele mai dezavantajoase proprietăţi de transmisiune: o răsucirea reduce diafonia (interferenţa dintre perechi vecine) şi zgomotul; o lipsa ecranului → atenuări/pierderi ridicate la frecvenţe mari → bandă redusă (Hz) → viteze

mici pentru transferul datelor; o pe un segment de cablu de câţiva km → semnalul se pierde (în zgomot) → se extinde cu

regeneratoare;

utilizat iniţial pentru telefonie → există milioane de km de cablu instalat în reţeaua telefonică publică cu comutaţie, PSTN (Public Switched Telephone Network);

pentru reţelele de date:

o UTP de 100 Ω, cel puţin de categoria 5; o transmisie de date şi voce pe acelaşi cablu → DSL (Digital Subscriber Line), DSL asimetric

(ADSL) = varianta cea mai utilizată pentru Internet; o DSL utilizat cu cel mai performant echipament → debitul maxim de 50 Mb/s; debit uzual = 1

Mb/s; o în reţele locale, LAN pe distanţa de 100m → debitul maxim de 1 Gb/s (se lucrează la 10

Gb/s).

1.4.2 Cablul coaxial

cablu format din doi conductori dispuşi co-axial, unul reprezintă miezul învelit mai întâi cu dielectric şi apoi cu al doilea conductor, care reprezintă în acelaşi timp şi ecranul;

ecranul (Faraday) → atenuări/pierderi mai scăzute faţă de UTP la frecvenţe mari → bandă mai

mare → viteze ridicate pentru transferul datelor; exemplu: sistemul TV American (NTSC – National Television System Committee) permite transferul a 20 de canale TV, fiecare ocupând o bandă de 6 MHz, pe un singur cablu coaxial;

utilizat iniţial în reţele de difuzare TV (CATV – Community-Antenna TV system) → debite mari

→ introducere facilă de acces Internet pe acelaşi cablu → tehnologia denumită „high-speed cable modem technology”; în realitate, sistemul e hibrid, deoarece numai partea de acces este realizată cu cablu coaxial, iar în miezul reţelei (core network) se utilizează fibra optică;

pentru reţele LAN:

o cablu de 50 Ω subţire sau gros (nu mai este utilizat), debite până la 20 Mb/s (uzual 10 Mb/s).

1.4.3 Fibra optică

cel mai performant mediu de transmisiune (= aprox. ghidul ideal) ↔ banda de aprox. 1 milion de ori mai largă decât UTP, ajungând la THz (1 TeraHertz = 106 MHz) → debite de ordinul câtorva Tb/s ! Spre exemplu, cea mai congestionată conexiune Internet din prezent ar necesita un debit maxim mai mic decât 1 Tb/s;

utilizată în miezul reţelei - în prezent, reţelele de acces („last mile”) prin cablu încă utilizează

cabluri UTP şi coaxial; atenuare/pierdere foarte mică cu lungimea, aprox. 0.1 dB/km → segmente de până la aprox. 40 km

→ f. puţine regenatoare de semnal optic; insensibilitate la zgomot şi interferenţe electromagnetice → raport semnal-zgomot SNR foarte

mare; dezavantaje: preţ mai ridicat de producţie per km, conectori scumpi, proces complex de mufare,

sensibilitate crescută la şocuri mecanice şi termice; pentru reţele LAN:

o FDDI – 100 Mb/s pe distanţe de până la 200 km; o Ethernet – standarde BASE F;

DWDM SONET

1.4.4 Comunicaţii fără fir

cel mai ostil mediu de propagare = aerul (sic! ), mediul liber; nivel ridicat de zgomot şi interferenţe → SNR mic; bandă redusă; spre exemplu, cel mai performant sistem 3G (generaţia a 3-a de comunicaţii mobile)

oferă un debit de ordinul sutelor de kb/s; atenuare mare cu distanţa de propagare; atenuarea creşte cu pătratul sau cubul distanţei de

propagare. preţ ridicat datorită complexităţii echipamentelor; utilizate atunci când complexitatea reţelei cablate este foarte mare, când se doreşte o acoperire

globală sau când utilizatorii sau alte componente ale reţelei sunt mobile; tipuri de comunicaţii fără fir („wireless”): o microunde; o sateliţi orbitali ; o reţele celulare; o reţele locale fără fir WLAN (Wireless LAN); o reţele de acces de bandă largă fără fir WIMAX (Worldwide Interoperability for Microwave

Access).

1.5 ARHITECTURI DE REŢELE DE COMUNICAŢII ÎNTRE CALCULATOARE 1.5.1 Cooperarea şi schimbul de date între calculatoare. Funcţiile subsistemului de comunicaţii

Fig. 1.17 Schema sistemului de comunicaţie între două calculatoare.

Funcţii ale subsistemului de comunicaţii (SC): o conversia paralel-serie la emisie şi conversia serie-paralel la recepţie; o control al erorii pentru a detecta şi a corecta erorile apărute; o control al fluxului pentru a regla ritmul în care sunt transferate datele; o rutare pentru a alege o rută prin care să se transfere datele; o translatarea sintaxei de reprezentare a datelor; o compatibilitatea între diferite programe de aplicaţii care ofera aceleaşi servicii (SO diferite).

1.5.2 Exemple de reţele de comunicaţii între calculatoare

Legături între calculatoare:

1.5.3. Modelul de referinţă al interconectării sistemelor deschise (OSI-RM)

ISO (International Organization for Standardization) şi ITU-T (International Telecommunications Union – Telecommunications Standardization Sector, fost CCITT) au stabilit un model de referinţă (RM-Reference Model) al interconectării sistemelor deschise (OSI-Open Systems

Interconnection); OSI are în vedere numai interconectarea sistemelor deschise nu şi funcţionarea internă a fiecărui

sistem deschis real; Interconectarea sistemelor deschise priveşte transferul informaţiei între sisteme şi capacitatea

acestora de a coopera pentru a îndeplini o sarcină comună;

Un singur protocol (care include toate funcţiile necesare) vs. mai multe protocoale dispuse într-o structură ierarhizată stratificată;

Două categorii de funcţii ale SC: transferul informaţiei şi prelucrarea informaţiei;

Subsistemul de comunicaţie este considerat ca un ansamblu format din mai multe nivele (straturi),

fiecare nivel realizând funcţiuni bine definite;

Cooperarea = schimbul de mesaje între cele două nivele omoloage, schimb de mesaje efectuat conform unor reguli ce constituie un protocol de comunicaţie.

Fig. 1.19 Relaţia între nivele pentru o arhitectură stratificată.

Nivelul (N−1) oferă un serviciu nivelului N. Nivelul N, la rândul său, oferă, în colaborare cu nivelul omolog din sistemul corespondent, un serviciu mai amplu nivelului (N+1), incluzând serviciul oferit de nivelul (N−1). Modul în care nivelele adiacente comunică determină interfaţa între aceste nivele;

Serviciul furnizat de nivelul cel mai jos constă în transmiterea fizică prin reţea a elementelor binare.

Avansând spre nivelele superioare fiecare nivel adaugă funcţiuni noi serviciului oferit de nivelele inferioare, aşa încât ultimul nivel, cel de sus în această structură stratificată, permite proceselor de aplicaţie să coopereze, realizând sarcini de prelucrare distribuită a informaţiei, indiferent de tipul calculatoarelor în care se desfăşoară aceste procese.

Arhitectura definită de modelul de referinţă OSI este constituită din suprapunerea a şapte nivele:

Fig. 1.20 Modelul de referinţă OSI.

Principii utilizate la determinarea celor şapte nivele ale modelului de referinţă: o să se creeze nivele separate pentru funcţiuni care diferă prin prelucrarea efectuată sau prin

tehnologia utilizată; o să se regrupeze funcţiuni similare în acelaşi nivel; o să se creeze o frontieră (între două nivele) acolo unde descrierea serviciilor poate fi concisă şi

numărul interacţiunilor la traversarea acestei frontiere este minim; o să fie posibilă efectuarea de modificări ale funcţiilor sau protocoalelor fără a afecta alte

nivele.

Nivelul aplicaţie (7), conţine entităţile de aplicaţie prin a căror cooperare se asigură proceselor de aplicaţie mijloacele pentru accesul la mediul OSI. o Procesele de aplicaţie pot comunica după ce, în prealabil, prin intermediul serviciilor oferite

de nivelele inferioare, s-a stabilit o asociere (conexiune) între entităţile de aplicaţie corespunzătoare.

Nivelul prezentare (6) se ocupă de reprezentarea informaţiei transferate între entităţile de aplicaţie.

o Calculatoarele IBM folosesc codul EBCDIC pentru reprezentarea caracterelor, în timp ce, practic, toate celelalte calculatoare folosesc codul ISO-7 (ASCII);

o Calculatoarele pot folosi orice sintaxă în reprezentarea datelor, iar nivelul prezentare asigură transformarea dintre aceste sintaxe şi sintaxa comună de transfer – negocierea sintaxei;

o Securitatea datelor – criptare.

Nivelul sesiune (5) - organizarea şi sincronizarea dialogului dintre entităţile de prezentare cooperante, precum şi pentru administrarea schimburilor de date dintre ele. o Trei tipuri de dialoguri: bidirecţional simultan (full duplex), bidirecţional alternant (semi-

duplex) şi unidirecţional (simplex); o Stabilirea unor puncte de sincronizare în cadrul dialogului.

Nivelul transport (4) asigură transferul transparent al datelor între entităţile de sesiune. o Protocoalele la nivelul transport au o semnificaţie cap la cap, indiferent de releele

intermediare pe care, eventual, datele le traversează. o Calitatea serviciului conexiunii transport este negociată între entităţile de sesiune şi serviciul

transport - clase de serviciu (QoS, Quality of Service); o Se poate asigura un control al erorii şi al fluxului, cap la cap.

Nivelul reţea (3) asigură entităţilor de transport independenţa faţă de problemele de rutare şi de releu. o Maschează pentru nivelul transport diferenţele dintre caracteristicile diferitelor tehnologii de

transmisiune şi de subreţele; o Entităţile de transport se identifică prin adresele de reţea care, în fapt, identifică în mod unic

fiecare sistem de extremitate.

Nivelul legătură de date (2) – îmbunătaţirea serviciilor oferite de nivelul fizic. o O conexiune legătură de date este realizată cu ajutorul uneia sau al mai multor conexiuni

fizice; o Formatarea datelor de transmis în cadre (de câteva sute de octeţi); o Se poate asigura un control al erorii şi al fluxului per cadru;

Nivelul fizic (1) furnizează mijloacele mecanice, electrice, funcţionale şi procedurale necesare activării, menţinerii şi dezactivării conexiunilor fizice destinate transmiterii biţilor între entităţi ale legăturii de date. o Probleme specifice: cum se reprezintă biţii, durata fiecărui bit, posibilitatea de a transmite în

cele două sensuri simultan, iniţializarea conexiunii şi eliberarea ei când cele două părţi au terminat, tipul conectorilor utilizaţi, suportul fizic utilizat etc;

o Medii de transmisiune diferite → nivel fizic diferit.

1.5.4 Arhitectura Internet (TCP/IP)

Fig. 1.21 Arhitectura TCP/IP

Interconectarea reţelelor fizice se realizează prin intermediul ruterilor. Stabilirea rutelor se face luând ca bază reţeaua de destinaţie.

Nivelul interfaţă reţea acceptă mesajele de la nivelul internet şi le pregăteşte pentru transmiterea pe un anumit tip de legătură de date (reţea fizică). Pe de altă parte nivelul interfaţă reţea analizează fiecare cadru recepţionat de placa NIC şi determină, după biţii de control ai cadrului, care este protocolul de nivel internet căruia trebuie să i se transmită datele din cadrul recepţionat.

Nivelul internet realizează funcţiunile de rutare şi de releu pentru transmiterea pachetelor de la

sistemul sursă la sistemul destinaţie → mai multe protocoale → cel mai important = potocolul Internet (Internet Protocol - IP) care asigură un serviciu de transmitere a datelor fără conexiune.

Protocolul ICMP (Internet Control Message Protocol) este protocolul pentru transferul mesajelor

de control intr-o retea → mecanism prin care ruterii şi sistemele din reţea comunică informaţii privind situaţiile de funcţionare anormală.

Protocolul ARP (Address Resolution Protocol) este folosit doar pentru retele Ethernet şi permite

unui sistem să determine adresa fizică (MAC) a unui alt sistem din aceeaşi reţea fizică cunoscând adresa IP (de nivel reţea) a acestuia.

Protocolul RARP (Reverse Address Resolution Protocol) permite unui sistem să-şi obţină, atunci

când n-o cunoaşte, adresa IP proprie.

Sunt folosite două protocoale de transport: UDP (User Datagram Protocol) şi TCP (Transmission Control Protocol).

o Protocolul UDP asigură un serviciu fără conexiune → nu garantează livrarea mesajului la

recepţie fără erori, fără pierderi, fără duplicate, în ordinea în care au fost emise. o Protocolul TCP asigură un serviciu cu conexiune, asigurind un transfer fiabil, fără erori, in

secventa si cu eliminarea pachetelor duplicate.

Nivelul aplicaţie asigură utilizatorilor reţelei, prin intermediul programelor de aplicaţie, o gamă largă de servicii: o SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) → transferul mesajelor de poştă electronică; o FTP (File Transfer Protocol) → transferul de fişiere, în ambele sensuri (texte sau date pur

binare);

o Telnet Remote Login → o relaţie client - server între sistemul local (client) şi aplicaţia Telnet distantă (server), permiţând deci funcţionarea unui sistem local în regim de terminal

virtual conectat la un sistem distant → o varianta securizată = protocolul SSH (Secure SHell);

o SNMP (Simple Network Management Protocol) → administrarea de la distanţă a

echipamentelor de interconectare a reţelelor; o DNS (Domain Name System - sistemul numelor pentru domenii) → serviciul director care

menţine corespondenţa şi face translatarea între numele date de utilizatori sistemelor lor conectate la reţea şi adresele de reţea (IP) ale acestora;

o PING (Packet InterNet Groper) → testarea conectivităţii dintre două sisteme; o HTTP (HyperText Transfer Protocol) → serviciu de transfer al informaţiei în reţeaua globală

(WWW – World Wide Web) reprezentată într-un limbaj specific, HTML (HyperText Markup Language). Aplicaţia deservită de acest protocol este de tip client – server, iar paginile serverelor de Web sunt identificate după o schemă specială de adresare numită URL (Uniform Resource Locator).